称号及び氏名

博士（工学）藤島英勝

学位授与の日付

平成 17 年 3 月 31 日論「Electrohydrodynamics of Plasma System and Application of文

名Plasma Flue Gas Treatment」（プラズマシステムにおける静電流体力学と放電プラズマによる燃焼排ガス処理）
論文審査委員

主査

教授

山本俊昭

副査

教授

伊東弘一

副査

教授

高比良裕之

副査

助教授

大久保雅章

論文要旨
日本において大気環境問題が本格化したのは 1955 年以降であった。 鉄鋼、石油化学、機械などを中心とする重化学工業化が強く推進され、エネルギー源も水力から火力へ、さらに、石炭から石油へと変革したことにより大量の汚染物質が排出され、ばいじんのみならず、特に硫黄酸化物（SOx）による大気汚染が深刻化した。
このため 1968 年に「大気汚染防止法」が公布され、燃料の低硫黄化や集じん及び脱硫装置などの対策がなされた。その後、石油危機を経て再び石炭が多用されたため「排出規制値」が強化され、さらに 1974 年に SOx、1981 年に窒素酸化物（NOx）の「総量規制基準」が制定され、石炭をクリーンエネルギーとして使うための技術開発が進み、単なるばいじん、SOx、NOx の処理という範疇を超え、公害をなくすトータルシステムとして発展した。
現在、最大の大気汚染問題は SOx と NOx に起因する酸性雨と温室効果ガスによる地球温暖化である。日本において主要な排ガス源は火力発電所、その他産業の工場である。火力発電所では通常、NOx は乾式選択的接触還元法、ばいじんは電気集じん装置（ESP）、そして、SOx は湿式石灰・石膏法によって個々に除去されている。これは日本では排出基準が大変厳しく、高い除去効率が要求されるためである。これらの設備費は大変高いため、個々の設備費の低廉化とともに経済的な新プロセスの開発と早期実用化が期待され技術開発が進められてきたが、残念ながら既存技術に優る新プロセスは、まだ確立されていない。しかし、その間、放電プラズ
マによるガス処理技術が提案され，大気圧下での非平衡プラズマによる NOx、SOx処理の研究と実用化が進められてきた。プラズマ処理プロセスは排ガスを電離してプラズマ化し、活性種（ラジカル）による化学反応でガスを処理する方式である。
これまで多くの研究者が実験室やパイロット設備において研究、実験を行ってきたが、これらは主に乾式処理法であり、まだ実用化されていなかった。また、プラズ
マと化学吸収剤による湿式処理法に関しても、実験室、さらに大型パイロット試験までに展開させた研究はほとんどなかった。
このような背景から、本研究では放電プラズマ・化学反応複合排ガス処理プロセスの開発に取り組んだ。排ガス中のNOを非平衡プラズマで酸化させ、その下流においてNO2をNa2SO3水溶液で還元、SO2をNaOH水溶液で吸収するNOx・SOx同時処
理プロセスを構築し、研究室で実験を行い、さらに実機ボイラー排ガス処理パイロット設備でプロセスの実証を行った。
一方、ばいじんは低濃度であればプラズマ処理プロセスにてガスと同時除去されることは確認しているが、高濃度の場合にはガス処理への影響も懸念されるのでESP が別途、必要である。電気集じん技術の実用上の課題は現在ではほぼ解決されたと思われるが、更なる装置小型化、低コスト化に寄与する集じん性能向上研究は必須である。その内容は集じん空間におけるガス流れ、粒子挙動の把握、さらに電極形状や配置などの最適化などが挙げられる。これまで、集じん空間でのガス流れや粒子挙動に関して多くの研究者が実験や数値解析を行ってきたが、その対象は殆ど線対平板電極 ESP であって、突起型対凸凹型電極 ESP などの実機 ESPではなかった。また、電圧・電流特性曲線や放電極、集じん電極の形状、電極間隔や放電線突起間隔など新しい電極設計に有効な数値解析による評価検討も未だ試みられていなかった。 そこで，本研究では実機 ESP の電気集じん空間における電場特性、2 次流れ（イオン風）の主流ガス流への影響などを把握し、電極形状や配置などの電極設計に反映できる解析モデルの構築に取り組んだ。
本研究は、NOx、SOx 処理の新プロセスの実証と実機 ESP 設計に反映できる静電流体力学（EHD）解析モデルの構築により排ガス処理トータルプロセスのグレードアップを目指したものある。本論文は以下の６章から成り立っている。
第１章では、排ガス処理プロセスにおける電気集じん技術、及びプラズマ処理技術の課題と研究の目的、内容を概説した。
第２章では、電気集じん空間における２種類（丸線型及び突起型）の複数放電極対平板集じん電極に対する三次元EHD解析を実施し、その結果を述べた。最初に、丸線型放電極に対しイオン風のガス流れへの影響を層流モデルと乱流モデルとの場合について比較した。層流の場合には旋回らせん状の渦流が形成されるのに対し、乱流の場合には乱流拡散による渦流形成が抑制されることがわかった。次に、突起型放電極に対し実機ESP運転時の電圧 40 kV，電流密度 0.3 mA/m2 の条件時の解析をした結果、以下の知見を得た。（１）主流がない場合はイオン風によって放電極突起を基点に長楕円形の渦流が発生し、一方、主流ガスがある場合には、その渦流がガス流れ方向に大きな旋回らせん状の流れを形成する。そのらせん状渦流の周期はEHDナンバー（イオン風速／ガス流速）の減少につれて増加する。
（２）その渦流が認められるか否かは放電極上の突起間隔（Sz）と放電線と集じん極との電極間隔 (d) の比（Sz/d）に左右され、Sz/d=0.1~0.17 の範囲が遷移領域で、これ以下になると渦流が認められず流れは乱れる。この開発モデルを利用することにより複数の電極配置（電極間隔、放電線間隔）、電極形状（突起間隔）など、様々な組み合わせに対するESP内のガス流れの様子を予測できるようになった。
第３章では、実機産業用の突起型対凸凹型集じん電極ESPに対する電場解析及びEHD解析を実施し、その結果を述べた。放電極突起先端からイオン風が吹き出し集じん極に達すると放電極に沿う垂直流れとなり、また放電極方向に戻る循環流が形成され、この流れは第２章で確認された長楕円形の渦流と一致していることが示された。次に、集じん空間でのガス流れの計算結果を研究室の小型ESPで高電圧下における空気流れの実測値と比較した結果、イオン風の影響が計算結果の方は少し大きくなる傾向があることが示された。さらに、開発された解析モデルを用いることによって、産業用ESP集じん電極形状の最適化、トンネル換気用ESPの放電極突起間隔の最適化、さらに電極間隔 (d) 拡大時や超微粒子のSO3 ミスト（0.05 μm）捕集用湿式ESPの実機運転時などの電圧・電流特性曲線の予測などできることが示された。この結果、電極設計やESP性能計画に非常に役立つツールが開発された。
第４章では、模擬ガスと実ガスを用いた実験装置において実施したプラズマ・化学反応複合プロセスによるNOx、SOx及びばいじんの同時処理に関する調査結果を述べた。模擬ガス（NO, SO2 =各 200 ppm）または、デイーゼル排ガス（NOx=300 ppm）をプラズマ反応と化学反応を同じ容器内で行わせる一段式リアクタ内に通し、そのリアクタ内壁にNa2SO３ とNaOHの水溶液を上部から流し実験を行った。その結果、模擬ガスの場合ではNOxを 75%、SO2を 93%除去でき、N2O，COなどの副生成物は極めて微量であった。一方、デイーゼル排ガスの場合、NOxは 70%除去され、同時にばいじんは 88%除去された。なお、SO2は排ガス中に検知されなかった。これらの実験結果からNOx、SOx及びばいじんの同時処理が可能であることが確認された。
また、NOx 処理の経済性と高効率化を図るため、ガス量全部を直接酸化する方式（直接プラズマ方式）に加え、必要な空気量のみを別途、プラズマ化し、それをガスと混合させる間接プラズマ（空気活性ガス注入）方式を新たに構築した。
そして、プラズマ反応用と化学反応用の個々のリアクタで構成された二段式実験装置において模擬ガス（NO=300 ppm）を用い実験を行った。その結果、空気活性ガス量が処理排ガス量の 20%以上あれば NO を 80%酸化でき、NOx を 70%除去できること、さらに放電電力は直接プラズマ方式に比し僅か 1/3 で済むことが示された。これにより間接プラズマ方式が排ガス量の多い実機適用には有効であることがわかった。
第５章では、産業ボイラー排ガス処理パイロット設備において実施したプロセス実証試験（ガス量=500~1000ｍ3N/h）の結果を述べた。燃料として都市ガス（NO=約 30 ppm）とA重油（NO=約 80 ppm, SOx=35 ppm）を用いて主にNOx除去試験を行った結果、以下の知見を得た。（１）空気活性ガス量が増加するに従って、NO酸化量とNOx除去量は増大する。空気活性ガス量が 処理排ガス量に対し 24%あればNOを 84~96%酸化でき、NOxを 85%除去できる。しかし、NOx除去率は時間経過とともに低下し長期的な性能については化学反応が安定していないため、今後の継続、調査を要する。（２）A重油燃焼時においてSOxを 86%、同時にばいじんを 36%除去できる。なお、ばいじん除去率が低くなっているのは、ばいじんが極低濃度、かつ微細粒子で、その主体が“すす”のためである。また、化学反応プロセスで用いた水溶液の廃液の化学分析結果では一般排水基準を満足できるレベルであった。これらの結果から、排ガス処理プロセスとして間接プラズマ・化学反応複合プロセスの有効性を実証した。
第 6 章では、本研究で得られた結果の総括を行った。

本論文の基礎となる発表論文

No.

論文題目

著者名

1

Three-Dimensional

H. Fujishima

Transactions, IEEE on

Electrohydrodynamics of

Y. Morita

Dielectrics andthe Spiked-ElectrodeM. Okubo

Electrical Insulation,

Electrostatic Precipitator

T. Yamamoto

submitted for

発表誌名

本論文との対応
第２章

publication
23

電気集じん装置における藤島英勝

静電気学会誌、EHD 場の解析と実験

上田泰稔

28 巻 4 号、

富松一隆

pp. 218-223 (2004).

Electrohydrodynamics of

H. Fujishima

J. Electrostatics,Spiked ElectrodeY. UedaVol. 62, pp. 291-308

Electrostatic Precipitators

K. Tomimatsu(2004).

第３章

第３章

T. Yamamoto4

プラズマ・化学複合プロセス藤島英勝

日本機械学会論文集、を用いたデイーゼル微粒子、 黒木智之

(B)編 70 巻 691 号、

大久保雅章

pp. 817-822 (2004).

NOｘ、SOｘの同時処理

5第４章

山本俊昭

間接プラズマ・化学複合プロ

藤島英勝

日本機械学会論文集、第４章

セスを用いた NOx 処理技術

春名俊治

投稿中

第５章

（空気活性ガス注入方式と黒木智之直接酸化方式の比較）

大久保雅章
山本俊昭

本論文に関係するその他の発表論文
No.

論文題目

著者名

発表誌名

1

Three-Dimensional EHD

T. Yamamoto

Simulation for

H. Fujishima

Alternatively-OrientedY. Morita

Proc. of the Society of FranceElectrostatics, pp. 335-340(Poitiers, France, 2004).

Spiked ElectrodeM. Okubo

Electrostatic Precipitator
2

Three-Dimensional EHD

T. Yamamoto

Proc. of the 5th Int.

Simulation for PointY. Morita

Electrohydrodynamics

Corona Electrostatic

H. Fujishima

Workshop, pp. 318-323

Precipitator Based on

M. Okubo(Poitiers, France, 2004).

Experiences of Wet-Type

H. Fujishima

Proc. of the 9th Int. Conf. on

Electrostatic Precipitator

C. Nagata

Electrostatic Precipitation,

Laminar and Turbulent
Models3

Successfully Applied for

Total 12 pages (Kruger Gate,SO3 Mist Removal inSouth Africa, 2004).

Boiler Using Sulfur
Content Fuel
4

Novel Electrostatic

H. Fujishima

Proc. of the U.S.

Precipitation in Japan

N. Maekawa

EPA-DOE-EPRI Combined− Colder side ESP andS. Onishi

Power Plant Air Pollution

New Wet-Type ESP

H. Fujitani

Control Symposium: The

Application for Boiler

Mega Symposium and TheFacilities −A&WMA Specialty
Conference on Mercury
Emissions, Total 17 pages(Chicago, USA, 2001).

5

Study on Electrode

H. Fujishima

Proc. of the 9th EPRI-EPA

Arrangement of ESP byY. Ueda

Symp. on Particulate Control,

Numerical Simulation

pp. 154-169 (Williamsburg,USA, 1991).

審査結果の要旨
本論文は世界的な大気汚染を引き起こす酸性雨の主因となるSOX、NOXを同時に除去する新プロセスの開発、ならびにばいじんを除去する電気集じん装置（ESP）の合理化設計に展開できる静電流体力学（EHD）場の解析モデル開発によりボイラー排ガス処理トータルプロセスのグレードアップを目指した研究で、以下の成果を得ている。
（1）ESP 内部のガス流れは、EHD 場にあるためイオン風（二次流れ）の影響を受け複雑な挙動を示すが、これまで試行されていない突起型放電極 ESP に対し三次元 EHD解析を実施している。その結果、放電極突起点から長楕円形状の渦流が発生し、ガス流れ方向に大きな旋回らせん状の流れを形成していることなど、ESP 内部の特異な現象を解明している。そして、開発した解析モデルを用いて電極配置、電極形状などの様々な組み合わせに対する ESP 内部の流れの予測を可能にしている。
（2）さらに、特殊な放電・集じん電極形状を有する産業ESPに対して三次元EHD解析を実施し、解析モデルを開発している。これによって、産業ESPの集じん電極形状やトンネル換気用ESP放電突起間隔などの最適化、また乾式ESP電極間隔拡大時や超微粒子のSO3ミスト（0.05μm）捕集用湿式ESPの実機運転時などのESP荷電特性の予測等ができ、ESPの合理化設計を可能としている。
（3）大気圧下での非平衡プラズマによって排ガスを電離、プラズマ化し、活性種（ラジカル）による化学反応で排ガスを処理する方式に着目し、プラズマの利点を生かしガス中のNOをプラズマで酸化させ、その下流において酸化されたNO2をNa2SO3水溶液で還元、SO2をNaOH水溶液で吸収する非平衡プラズマ・湿式化学反応複合プロセスを構築し、高い性能を実証している。
（4）実験室において一段式湿式プラズマ・ケミカルリアクターにおいて模擬ガス（NO,SO2）およびディーゼル排ガスを用いた試験結果では、高効率でNOX, SOXを同時に除去し、また微粒子も効率よく除去できている。さらに、必要な空気量のみを別途、プラズマ化し、それをガスと混合させる間接プラズマ（空気活性ガス注入）方式を構築し、直接プラズマ方式の僅か 1/3 の電力で所定のNOX除去性能が得られることを確認している。

（5）さらに、産業ボイラーパイロット設備（ガス量 500～1,000m3N/h）で都市ガスおよびＡ重油の燃焼排ガスに対し間接プラズマ・化学複合プロセスによるNOX, SOXの同時処理実証試験を実施している。その結果、排ガス量の 24％の空気活性ガス量があれば、NOX, SOXともに 80％以上の高い除去率を達成でき、上記プロセスの有効性を実証している。
（6）空気活性ガス注入・湿式化学複合プロセスのNOX, SOX処理設備とESPとを組み合わせた新しいボイラー排ガス処理システムを提案している。
以上、プラズマシステムにおける静電流体力学と放電プラズマによる燃焼排ガス処理に関する基礎および応用について数多くの知見を得たものであり、機械工学の発展に資するところが大きい。
3．最終試験結果の要旨
審査委員会は、平成 17 年 2 月 9 日、委員全員の出席のもとに、申請者に内容に説明を行わせ、関連する諸問題について試問を行った結果、合格と判定した。
4．公聴会の日時
平成 17 年 2 月 9 日、午後 4 時 00 分～5 時 30 分
5．審査委員会の所見
本委員会は、本論文の審査ならびに最終試験の結果から、博士（工学）の学位を授与することを適当と認める。