低圧力直流コロナ放電場におけるラジカル濃度の測定と数値解析
茨木広＊、荒木拓人、恩田和夫 (豊橋技術科学大学)

Measurement and Numerical Simulation of Radical Concentration at Low-pressure DC Corona Discharge
Hiroshi Ibaraki, Takuto Araki, Kazuo Onda (Toyohashi University of Technology)

１．はじめにを N2/O2/CO2/H2O/NO/Ar = 70.97/1/15/12/0.03/1(%)とし、出現プラズマ放電場で生成されるラジカルによって、機能薄質量分析法でラジカル濃度を測定するため、温度 T=298K、膜の生成や、環境汚染物質の処理ができる。これまでに様々圧力を P=40Pa とした放電管(円筒状：直径 5cm×長さ 37cm)な放電プラズマ応用が提案され、研究・開発され、実用化に 200Ncc/min の流量に調節した模擬燃焼ガスを導入する。

が図られている。その応用として放電プラズマによる燃焼線と平板の電極間(線:直径 1mm、長さ 20cm、平板:幅 2cm、排ガスの脱硝が期待されている。この脱硝法は、各研究機

長さ 20cm、電極間隔 2cm)に直流電圧(線電極に負電圧)を印関で実験的にその高い脱硝性能が確認されている。放電プ加し、コロナ放電を発生させる。電極間に吸引プローブをラズマのより効率的な利用を進めるために、ラジカルの生設置し、放電で発生したラジカルを含むガスを四重極質量成・反応などの挙動をより正確に把握する必要がある。今分析計(QMS)に吸引する。吸引ガス中のラジカルを出現質後は、ラジカルや NOx などの反応経路やラジカル生成に適量分析法により測定する。加えて、先端以外はガラスで絶した印加電圧などの運転条件を最適化する必要性がある。

縁したタングステン線を電極間に設置し、ラングミュアプ

これまで我々は、室温、1Torr 程度の条件下において、直ローブとして電極間の電位分布を測定する。測定された電流電圧を印加した平板電極間に模擬燃焼排ガスを流し、N、位分布より、電極間の換算電界を算出し、数値解析に用いO 等のラジカル濃度を出現質量分析法により実測してきた

る。

(1)

３．測定結果。またアンモニアや種々な炭化水素を添加したパルス放電脱硝を数値解析し、脱硝率へ与える効果や反応経路を明らかにしてきた

流れ方向中央で、線電極下 9mm 位置で、換算電界 186Tdで測定したラジカル濃度を表１に示す。H、N、O、OH ラ(2)(3)。

本報告では、前報 より更に低圧力の 0.3Torr 程度の低圧ジカル濃度を測定したが、H ラジカルは適正な値が得られ力直流放電場で実測したラジカル濃度を、数値解析によりなかったため、N、O、OH のみを示す。表 1 において、ガ得られたラジカル濃度と比較し、反応経路を調べたので報ス組成より N ラジカル濃度が多く、O ラジカルは少なく、告する。

OH ラジカルは多いことがわかる。また、ガス流れ方向に測２．低圧力直流放電装置とラジカル濃度測定

定した N ラジカル濃度を表 2 に示す。測定位置は線電極下(1)ラジカル濃度及び電位分布を測定した実験構成を図 1 に示す。石油火力発電所の燃焼排ガスを想定して、ガス組成9mm の位置で、上流に比べて下流の側の濃度が高い分布が得られた。低圧力での測定のため、ラジカルが消滅せず、
表1+OH
N+ O+
四重極質量分析計

化学種

測定濃度(ppm)

計算濃度(ppm)

N

660

520

O

630

450

OH

1230

5

電

電子シャワー

管
電
放線

検出器

吸引プローブ

プローブ

eON

平板
電極

PC

極加湿器

模擬燃焼ガス

流れ方向中央でのラジカル濃度(E/N=186Td)

Table1 Radical Concentration at Center of Flow Direction(E/N=186Td)

OH

デジタル 直流
高電圧
ソース
発生装置
メータ

放電管内圧力0.3Torr程度

表2

信号回路

図1

ラジカル及び電位分布を測定した実験構成

Fig. 1 Experimental Apparatus for Measurement ofRadical Concentration and Potential Distribution

N ラジカル濃度の流れ分布(E/N=186Td)
Table2 N Radical Concentration along
Flow Distribution (E/N=186Td)

化学種N

流れ方向濃度(ppm)
下流(15cm) 中央(10cm)
上流(50cm)
1120

660

250

0 +1)

15200O2e(10 +0)-200
CathodeLine Electrode(V=-600V)
Temperature 298(k)Pressure 40(Pa)-300

He(10+2)

N2e

H3O+(10+2),H2O(10+1)

OHH

Vf

3O+Vp+1 )0e(1), H

2O+(1 0 +1)

O2H+0 )

0+ (1Potential Probe position from Cathode (mm)2+1 ),H2O+1 )(10O) 22+ (H +2 )0O
H 3 O+ (1H30-600(10 ++ (1-500O()内の単位はppm

図2H2+0 )

0+ (1O2O
H2-4002 +(110CO5+2 )Potential Distribution (V)01e(-100CO

CO20

流れ方向中央での電極間の電位分布

Fig. 2 Measured Potential Distribution between Electrodes atCenter of Flow Direction
下流に蓄積したと考えられる。

図4E/N=186Td における電子反応経路

Fig. 4 Electron Reaction Paths for E/N=186Tdの実験結果と比較すると、N、O、OH いずれも測定値の方同条件下で測定した流れ方向中央での電極間電位分布をが高くなることが分かる。O ラジカルに比べて N ラジカル

図 2 に示す。横軸は線電極からの電位プローブの距離を示の方が多いという傾向は一致したが、OH ラジカルについてしている。図中の Vf は浮遊電位、Vp はラングミュアプロは更に検討する必要がある。図 3 の解析では直流放電場にーブ法により求めたプラズマ電位である。線電極には-600Vおいて、電子の密度にピークが現れることが分かった。換の直流電圧を印加しており、図中では左縦軸が線電極側で算電界を変化させた結果、最大値は異なるが同じようにピあり、右縦軸が平板電極側である。電極付近では陰極降下、ークが表れることが分かった。N、O、OH は電子の生成と陽極降下により正確な電位が測定できないので、電極近傍消滅経路を図 4 に示す。中央の電子に向かう矢印が生成、を除いて測定した。浮遊電位とプラズマ電位に大きな差異電子から出る矢印が消滅を示す。電子衝突により生成されは見られなかった。これらを近似した電位分布から電界をる電子は、やがてイオン化した二次生成物により消費され求め、ガス密度で割って換算電界を算出した。換算電界 E/Nることが分かる。主要反応経路は生成より消滅のほうが多は 186~328Td となり、これらの値を数値解析に用いた。

くなる。生成より消滅が多いため電子は減少する。N、O な

４．解析結果どのラジカルは主に電子衝突反応により生成されるため、換算電界 E/N の最小値 186Td における解析結果を図 3 に電子密度が減少すると生成量が減少する。電子密度が減り示す。計算は電界印加後 10ms まで行なった。この時間は、始めてからは、N は OH、OH は N と H、H3O+と反応し減少ガスの流量や、放電管の体積などから求められる、模擬排する。O は電子と CO2+と反応して増加する。

ガスが電極中央部分に到達する時間である。図 3 より N、O、５．まとめOH ラジカル濃度は 520ppm、450ppm、5ppm となる。表 1

放電脱硝法において重要な役割を果たすラジカルの挙動について、低圧力場でその濃度を測定し、換算電界などをConcentration (molec/m3)

1018
10E/N=186(Td)Temperature 298(K)Pressure 40(Pa)Initial electron 1e9(m-3)

161014OOH104

考慮した数値解析を行なった。解析から直流放電場でも電102子密度に最大値が表れることが分かった。N、O ラジカル濃100度の大小関係は一致したが、OH ラジカル濃度については実10-210-4101210-61010

e10-8108測と解析は一致しなかった。その理由として、換算電界の違いが挙げられる。放電は絶えず変化するため換算電界が一定に保たれないが、一定として解析するので結果が変わってしまう。また OH については器壁に吸着されやすい H2O10-10が測定を邪魔したことも考えられるので、引続き OH 濃度1010-12について検討したい。また正極性での特性も検討する。

10410-1010-14610-810-610-410-2Time (s)図3Concentration (ppm)

N1020

流れ方向中央におけるラジカル濃度の時間変化(E/N=186Td)
Fig. 3 Time Change of Radical Concentration
At Center of Flow Direction (E/N=186Td)

文献(1) 漆畑正太、伊藤衡平、恩田和夫、電気学会全国大会講演
論文集、1-036、 p.47、2003(2) 楠博敦、伊藤衡平、恩田和夫、電気学会論文誌
Vol.123-B、No.12、pp.1546-1553、2003(3) 楠博敦、茨木広、伊藤衡平、荒木拓人、恩田和夫、電気学会論文誌、Vol.125-B、No.2、2005 掲載予定