(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚染ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸着剤材充填容器を通過させることにより吸着させた後、閉鎖循環系において、雰囲気ガスを窒素ガスに置換し、
前記ＮＯｘ吸着剤材充填容器から吸着したＮＯｘを脱離させ、前記閉鎖循環系に設けた放電容器に高電圧を投入することによりＮＯｘの還元を行うとともに、該放電容器中に組み込んだ炭素棒との反応により、前記ＮＯｘの還元により発生した酸素を、一酸化炭素あるいは二酸化炭素に変換するようにしたＮＯｘ還元処理方法。
【請求項２】
前記放電容器を同軸円筒型の放電管とし、その端部から炭素棒を挿入可能としたことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ還元処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排ガスや大気中のＮＯxを除去するガス処理方法及びその方法を実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
混雑した道路沿いではディーゼル車からの排ガスによるＮＯx汚染が深刻な環境問題となっている。その対策として、エンジンの改良、排ガスの再循環、触媒を用いたＮＯx除去等の開発が進められているが、未だ、汚染の深刻な地域に対して十分な効果を挙げるには至っていない。そこで、放電を用いてＮＯxを処理する方法に関する研究が種々進められている。
【０００３】
放電によるＮＯx処理方法として種々の技術が提案されているが、吸着材を併用してＮＯxの還元処理を行う方法（特開２００１−３００２４９号公報）を本発明者等が提案している。この方法では、ＮＯxの還元処理を行うために吸着材の雰囲気ガスを窒素ガスに置換する。即ち、吸着材に吸着したＮＯxを窒素ガス中で脱離させ、放電によりＮＯｘの還元処理を行う。この方法における重要な課題は、窒素ガスの所要量の低減である。そのための方策として、窒素ガスを再生する方式（特開２００５−２７０７９５号公報）、窒素ガスの置換方法を工夫した方式（特開２００５−２７０７９５号公報、特願２００６−１９３５３２号公報）が本発明者等により同公報に開示している。更に、屋内外兼用の多目的用途に活用して付加価値を向上させた方式（特願２００６−２５７５８２号)も本発明者等により開示している。
【特許文献１】特開２００１−３００２４９号公報
【特許文献２】特開２００５−１６９２２１号公報
【特許文献３】特開２００５−２７０７９５号公報
【特許文献４】特願２００６−１９３５３２号
【特許文献５】特願２００６−２５７５８２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸着剤併用型の放電ＮＯx処理における最大の課題は、ランニングコストの低減である。ランニングコストの内、放電に要する電力と窒素ガスの消費コストが大きな割合を占める。本発明は、後者の窒素ガス所要量の低減によってランニングコストを低減する手法を提案するものである。
【０００５】
したがって本発明は、放電を用いて窒素ガス中でＮＯxの還元処理を行うに際して、窒素ガス所要量を低減してランニングコストを低減することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
最初に本発明の基本的な技術思想について説明する。
窒素ガスの所要量を低減するために、窒素ガスをＮＯxの還元処理終了後回収し、繰り返し使用する。窒素ガスの寿命を制限する要因は、酸素濃度の上昇である。酸素濃度が上昇する原因は、ＮＯxの還元処理に伴う酸素発生と、ガス交換時の酸素混入である。そこで、本発明では、酸素を炭酸ガスに変換することにより窒素ガスの長寿命化を図るものである。
【０００７】
炭素の酸化反応の生成物はＣＯとＣＯ２である。放電によるＮＯx還元処理において、酸素とＣＯ２は共にＮＯx還元反応を阻害する作用を果たす。（参考文献１及び２）。ただし、酸素の許容濃度は約１％程度（参考文献１）であるのに対し、ＣＯ２の許容濃度は、３〜５％程度であり、酸素の数倍程度の許容濃度を有する。（参考文献２）。従って、酸素をＣＯ２に変換すれば、ＮＯx還元の阻害作用は１／３〜１／５に低下することになる。また、ＣＯの影響に関しては、参考文献３で調べられており、１％程度の濃度であれば、ＮＯx除去特性にほとんど影響しないことが、実験的に確かめられている。
［参考文献１]  K.Aritoshi, M.Fujiwara and M.Ishida: Jpn. J. Appl. Phys., Vol.41, p.3936(2002).
［参考文献２］ K.Aritoshi, M.Fujiwara and M.Ishida: Jpn. J. Appl. Phys., Vol.41, p.7522(2002).
［参考文献３］ G.B.Zhao, X.Hu, M.D.Argyle and M.Radosz: Ind. Eng. Chem. Res., Vol.43, p.5077(2004). 
【０００８】
このように、ＣＯやＣＯ２は、酸素と比べ、ＮＯxの還元反応を阻害する作用は数分の１もしくはそれ以下である。従って、ＮＯxの還元処理に伴って発生した酸素を炭酸ガスに変換すれば、窒素ガスの寿命を３〜５倍程度に延長することが可能である。
【０００９】
そこで、炭素を酸化するための具体的方法を構築することが重要な技術的課題となる。即ち、炭素を加熱すれば酸化反応は進行するが、炭素の加熱方法には工夫が必要である。空気中の燃焼では、酸化反応に伴う発熱が十分に供給されるため、外部からの熱供給は燃焼開始時以外には必要ないが、本件では、酸素濃度が１％以下と低濃度であるため、酸化熱による高温部の持続は望めない。従って、炭素の高温状態を維持するには、外部から熱を供給し続けることが必要となる。
【００１０】
一方、処理ガスは炭素の高温部に効果的に接触することが必要であるが、その際、炭素高温部から処理ガスへの熱伝達が不可避である。この熱伝達過程では、移動する熱エネルギーの大半は、ガスの主成分である窒素分子の熱エネルギーとなる。即ち、炭素加熱用に供給する熱エネルギーの大半は、窒素分子の熱エネルギーとして浪費されることになる。従って、炭素を外部熱源により加熱するという方法は、ランニングコストの面で問題が大きい。その対策として後述の実施例として説明する装置により、これを解決したものである。
【００１１】
本発明は前記のような基本的な技術思想に基づき、より具体的には次のような手法を採用したことを特徴とする。即ち本発明に係るＮＯｘ還元処理方法は、上記課題を解決するため、汚染ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸着剤材充填容器を通過させることにより吸着させた後、閉鎖循環系において、雰囲気ガスを窒素ガスに置換し、前記ＮＯｘ吸着剤材充填容器から吸着したＮＯｘを脱離させ、前記閉鎖循環系に設けた放電容器に高電圧を投入することによりＮＯｘの還元を行うとともに、該放電容器中に組み込んだ炭素棒との反応により、前記ＮＯｘの還元により発生した酸素を、一酸化炭素あるいは二酸化炭素に変換するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る他のＮＯｘ還元処理方法は、前記放電容器を同軸円筒型の放電管とし、その端部から炭素棒を挿入可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
酸素をＣＯやＣＯ２に変換することにより、窒素ガスの寿命を数倍に延長することが可能となり、窒素ガスの所要量を大幅に削減することができる。吸着材併用方式の放電ＮＯx処理法を用いて、大気中の希薄ＮＯxを還元処理する場合に、所要窒素ガスの製造コストは、運転コストの半分程度を占めるという試算もあり、本発明による窒素ガス所要量の低減は、運転コスト低減に大きな効果を有する。
【００１５】
また、炭素の酸化反応は、ＮＯx処理用の放電を利用するため、炭素の加熱エネルギーを別途供給する必要がない。特に本発明では、炭素棒を放電容器内へ挿入する方式であるため、炭素の交換・補給を簡便に行うことができる。また、炭素棒は高純度である必要がないため、鉛筆の芯等が利用できる。このため、炭素棒の交換作業・補給材に関するランニングコストを安価に押さえることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、放電を用いて窒素ガス中でＮＯxの還元処理を行うに際して、窒素ガス所要量を低減してランニングコストを低減するという課題を、放電処理に伴って発生する酸素を炭素と反応させ、ＣＯ及びＣＯ２に変換することにより実現した。
【実施例１】
【００１７】
本発明の全体構成図を図１に示す。本装置は、ＮＯxを吸着材に吸着させた後、雰囲気ガスを窒素ガスに置換し、ＮＯxを脱離させ、放電によりＮＯxの還元処理を行う方式の一般的構成である。具体的な操作手順は、以下の通りである。
【００１８】
初期状態ではバルブＶ１〜Ｖ６は全て閉じている。ここで図１に示すように、バルブＶ１とＶ２を開き、排気ファン１を駆動し、ＮＯx汚染ガスを吸着材充填容器３を通過させることにより、ＮＯxを吸着させる。
【００１９】
その後、図２に示すようにバルブＶ１とＶ２を閉じ。バルブＶ３とＶ４を開き、循環ファン２を駆動することにより、ＮＯx吸着材充填容器３中のガスを窒素ガス充填容器４中の窒素ガスと置換する。
【００２０】
次いで図３に示すようにバルブＶ３とＶ４を閉じ、バルブＶ５とＶ６を開き、真空ポンプ５を駆動することにより、ＮＯx吸着材充填容器３内を減圧し、吸着したＮＯxを脱離させる。脱離したＮＯxは、放電容器６とＮＯx吸着材充填容器３を循環する。バルブＶ５とＶ６の開度を調節することにより、ＮＯx吸着材充填容器３内を減圧状態に保つことができる。ただし、このような閉鎖循環系において、十分な減圧を行うためには、高圧側の容積が大きいほど有利である。そのため、図示していない圧力調整用タンクを、真空ポンプの後段に配置することが必要となる場合もある。放電容器６に高電圧を投入し、放電を誘起することによりＮＯxの還元処理を行う。還元処理により酸素が発生するが、この酸素を放電容器６中に組み込んだ後述するような炭素棒７〜１０との反応によりＣＯやＣＯ２に変換する。
【００２１】
ＮＯxの還元処理が終了後、図４に示すように真空ポンプ５を停止し、ＮＯｘ吸着材充填容器３中を大気圧に復帰させた後、バルブＶ５とＶ６を閉じる。バルブＶ３とＶ４を開き、循環ファン２を駆動し、ＮＯx吸着材充填容器３中に残留するＮ２主成分の混合ガスを窒素ガス充填容器４中へ回収し、再利用する。再利用は、ＣＯ２濃度の増加によりＮＯx還元が阻害されるまで繰り返し使用できる。ＣＯ２濃度が上昇し、再利用が困難となったガスは、廃棄し、新たな窒素ガスを充填する。あるいは、炭酸ガス吸着材や遠心分離等の方法により、炭酸ガスを除去し、継続的に利用することも可能である。
【００２２】
上記の作動を行う放電容器６の具体的構造の横断面図を図５（ａ）に、縦断面図を同図（ｂ）示す。放電容器６は、中心軸上にワイヤ電極１１を配し、外側に接地電極用の金属円筒１２を同軸上に配置した構造である。金属円筒１２の両端部は、樹脂製のガス継手１３、１４を用いて、ガスの導入と排出及びワイヤ電極１１の導入を行っている。ガス出口側の継手１４内に、樹脂製円板１５を挿入し、その中心に樹脂製バネ１６を接合し、ワイヤ電極１１を結合させることにより、ワイヤ電極１１の緊張を保っている。樹脂製円板１５には、図５（ｂ）に示すように通気口１７〜２０も設けている。さらに、樹脂製円板１５には小孔を通して、炭素棒７〜１０を挿入している。
【００２３】
ワイヤ電極１１に正極性の高電圧を印加すると、ワイヤ電極１１からストリーマと呼ばれる細い筋状の放電が接地電極である金属円筒１２に向かって延伸する。炭素棒７〜１０の挿入部分では、延伸したストリーマは炭素棒７〜１０と接触し、炭素棒表面にスポット状の高温領域ができるため、炭素の酸化反応が進行する。また、また、ストリーマ中の高温酸素分子や励起状態の酸素分子、オゾン等も炭素棒７〜１０と接触するため、反応の進行が一層促進される。
【００２４】
炭素棒７〜１０の消耗に伴い、交換が必要となるが、それには、端部のメクラ蓋２１を取り外すことにより、炭素棒７〜１０の交換が可能である。放電容器６の気密性は、メクラ蓋２１で保持されているため、炭素棒７〜１０の挿入部には気密性を確保する必要がない。炭素棒７〜１０の交換作業では、ワイヤ電極１１の取り外しが不用であるため、交換作業は簡便に行うことができる。また、炭素棒７〜１０は、高純度である必要がないため、鉛筆の芯の材料等が利用できる。このため、炭素棒の交換作業・補給材に関するランニングコストを安価に押さえることが可能である。
【００２５】
上記のような装置において、放電は大気圧におけるストリーマ放電を用いている。この場合、ストリーマが炭素棒に到達したスポットに微少な高温領域ができ、炭素の酸化反応を誘発する。ストリーマ放電では、ＮＯx処理に有効に作用するのは、ストリーマ先端部であると考えられる。ストリーマ先端部では、高エネルギー電子が生成されるため、電子衝突による解離や励起反応が誘起され、化学反応が活発に進行する。これに対し、ストリーマの後続部は、電子温度が低下するため、化学反応への寄与は小さいが、ガス分子の温度は、瞬時的に数百℃の高温となる。炭素棒の加熱に寄与するのは、このストリーマ後続部であるため、炭素棒の加熱がＮＯx還元反応に及ぼす影響は小さい。また、ストリーマ中の高温酸素分子や励起状態の酸素分子、オゾン等も炭素棒と接触するため、反応の進行が一層促進される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例1におけるＮＯｘ吸着処理状態を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施例1における窒素ガスとの置換処理状態を示す全体構成図である。
【図３】本発明の実施例1におけるＮＯｘ放電処理の状態を示す全体構成図である。
【図４】本発明の実施例1における窒素ガス回収処理の状体を示す全体構成図である。
【図５】本発明の実施例1の放電容器を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横側面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  排気ファン
２  循環ファン
３  ＮＯｘ吸着材充填容器
４  窒素ガス充填容器
５  真空ポンプ
６  放電容器
７〜１０  炭素棒
１１  ワイヤ電極
１２  金属円筒
１３  樹脂製ガス継手
１４  樹脂製ガス継手
１５  樹脂製円板
１６  樹脂製バネ
１７〜２０  通気口
Ｖ１〜６  バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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