MEMOlRS OF SHONAN
INSTrTUTE OF TECHNOl
．
OGYVoL
．
28，
No
、
1，
且994窒
素
プ
ラ
ズ
マに
よ
る
燃
焼 排
ガ
ス
脱 硝 法
に
関 す
る
研
究
（
デ ィー
ゼ ル機
関
に おけ
るプ ラ ズマ エ ネル ギー
回
収
シ ミュ レー
シ ョ ン）
森
棟
隆
昭
＊Removal
ofNO
、Contained
in
Combustion
Exhaust
Gas
by
N
Atoms
from
N2
Plasma
（
Plasma
Energy
Recuperation
in
Diesel
Engine
）Takaaki
MoRIMuNE
N2 plasma De
−
NO ． system in combustiongas
has been proposedin
recent paperby
authors．
ExcitedNatoms
generatedfrom
Ne plasma is made to react with nitrogen oxides in exhaust gas containedoxygen
，
and NO removal eraciency of several tens percents is observed．
When
applying this methodto diesel engine exhaust gas
，
heat
recovery downstream of the plasmainjection
point comes up as animportant problem
for
making the method inexpensive．
1n this study，
the possibility Qf plasma energyrecuperation at turbocharger is investigated by using the exhaust fiow simulation irl a diesel engjne
．
1
．
ま え がき
プラ ズマ 中で 生成し た活 性 化 学 種を用い て，
燃 焼 排ガ ス中に 含ま れ る 窒 素 酸化 物 （NOx
）や 硫黄 酸 化 物 （Sq ＞な どの 有害 成 分を 除 去 す る 方 法 を 検 討 すること を目的と し て，
これ まで 著 者ら はア ル ゴ ンプ ラズマ流中の 活 性 化 学 種の 生成 分 布 特 性η や，
模擬 排ガス中の 有 害成 分 除 去の 可能 性2） につ いて 考察 して き た。
プラ ズマ による NOx の 減 少に関 し て は，
従 来，Behbahani
ら3 〕が プラ ズマ を （N2 ＋NO
）ガス に混 入 した場 合の一
酸 化 窒 素 （NO ）除 去特 性 を 研 究 し，
ま た，
NO 除去 後の熱 回収が実機 適用に っ な が る と し て い る。 し か し，
実 排ガ ス に含 まれ る02，CO2 ，
H20
の影 響につ い て は考 慮 してお らず，
エ ネル ギー
回収 に つ い て も検討して い ない。
著 者 らは，
低 電 力の窒 素プ ラズマ に よ り励起 し た活性 窒 素 原 子 を，
燃 焼模 擬排ガス中の NOx と低温度で反 応 さ せ る こ と でNO 、
を除 去で き るこ と，
こ の場 合CO
の 発 生は少ない こ と な ど を 考za4
）L
た 。 こ の窒素プラ ズマ 脱 硝 法はガ ス 中に酸 素が 存在 して も可 能で あ る こ と よ り，
デ ィー
ゼル機 関の排ガス へ の適用が考え ら れ る が，
反 応 後の高温の プ ラズマ の熱回収・
再 利 用がコ ス トを 下 げる う え で重要と な る。本 研究は
，
デ ィー
ゼル機 関排 気管の ター
ビン入冂部に プ ラ ズマ脱硝装置を設 置 する場 合に，
脱 硝 反 応 後の プ ラ ズマ の熱エ ネル ギー
を 過 給機で 回収する方 法を検 討する こ と を目 的と して いる。 こ の ため に プラズマ 再 結 合 後の 温度， 速 度を計 測し，
こ の結果 を，
排 気管 内の ガス流 動 解 析プロ グラム の プラズマ 入 力 条 件と して用 いて ガ ス 流 動 計 算を行っ て，
排 気エ ネル ギー
が増 加 する ことで過給 機に おける プ ラズマ の エ ネル ギー
回収は可 能で あ るこ と を 考 察 した。
2 ．
窒素
プラ ズマ ジェ ッ トの温度
速度
分布
の測 定 ＊ 機械工学科 助 教 授 平 成5
年10
月5
日受 付2．
1
実 験 装 置 と 測 定 法 窒 素プ ラ ズマ脱 硝法 をデ ィー
ゼル機 関の排 ガス に適用 する場 合， 反 応後の エ ネル ギー
回 収 を 検 討 する に は，
プ ラ ズマ ジェ ッ トの もつ 温 度，
速度を 知っ て おく必 要が あ る。
本 研 究で は高 温 熱 電対 付ピ トー
管を用い て プラ ズマ の 後 流 を 計 測 した値 を，
排 気 管の ガス流動 解 析プロ グラ ム に入 力 した 。 従 来プラ ズマ の簡易 測 定に水 冷 式ピ トー
管を使用 し た例5臆あ る が，
本 研 究の プ ラ ズマ は噴 出径7
湘 南 工 科 大 学 紀 要 第
28
巻 第1
号 1mm 2血 皿 冊一
ReT，
C．
Pitottube XIo畠
1．
1．
6 1．
出 1．
2s O．
8 e．
6 日．
4 日．
2 日一
1 go 8り φ 70ミ
゜a 巳 53 ＞ A臼 3臼 2e 10 3 1 3 5 7 Pitot−
T．
C，
Prebe 図1
プラ ズマ ジェ ネレー
タ と温 度，
速 度の測 定 装 置 が小さ く，
水 冷ビ トー
管を用い る に は寸法 上問 題が あ る。
図 1に プラ ズマ ジェ ネレー
タ実 験 装 置 4｝と温 度・
速 度の測 定 装 置 を 示 す。
プラ ズマ の作 動 流 体 と して流 さ れ る窒 素は電 極 部 （W −Cu
電 極 ）に接線 方 向に流入し て プ ラズマ化し， ノ ズ ル （直 径4 ≡2
φ）よ りジェ
ッ ト と し て 反 応 槽に流 入する。 測定は ジェ ッ ト後 流の半 径 方 向，
軸 方 向に ピ トー
管・
熱 電 対 装 置を ト ラバー
ス して 行 っ た。 な お，
ピ トー
管の溶 融 を 考 えて半 径 方 向は ジェ ッ ト外 縁 か ら中心軸付近ま で，
軸 方 向は ltd＝
9．
15〜
19．
15 の区 間 を トラバー
ス し た。 高 温熱 電 対に は W−
Re （JIS
Z8710
0〜3000
°C，0．
3
φ，
石英 被 膜 付） を用いてい る。 ピ トー
管 は な るべ く細い ほ う が よい が，
高温 暴露に よ る曲り変形 を 考 慮 して 外 径2
φの総 圧 管を用い，
静圧は反 応 槽 壁 面 の値 を 用いた。
熱 電対の 出 力 か ら得た指示温 度値に は，
槽壁面の ふ く 射の影 響を考慮するた めKaskan
補正6， を加えてい る。 これ より窒素の温度，
密 度を得て ピ トー
管圧力よ り速度 を 計 算 した。 プ ラ ズマ は 直 流 電 圧12〜50V ，
電 流30〜
35A，
N2 流 量 10〜
131imin （15°C，
101．
3 kPa ）の条件で 発生さ せ た。2．
2
実 験 結 果 と考 察 プラズマ 再結 合 後の ジェ ッ ト の温度，
速度 分布の測定 例を図 2〜
5 に示す。 プ ラ ズマ の 入 力 電 圧の 高い ほ ど電 離度は大 きく ジ＝ ッ トの温度も高くなり速度は早く なる が，
流れに沿っ て 温度・ 速 度は降 下して い く。 図2
〜4
よ りジェ ッ ト後 縁 付 近 （ltd＝9。
15
）の最高温度，
速度は電 圧50V
の場 合， 2000K ，90
m ！s，
最も脱 硝 率の よい結 果4｝ の 得ら れ る20V ，30
A
の場 合は1200K ，55
mis で あ るこ と，
図 5 の無 次 元 速 度 分 布 は 軸 対 称 噴 流に関 する ト φ一
「
．
〆
一
点 ： V−
r ／d 凡［
＝
d ／ 彑・
傷、
、
りV
一
△ ◇一
”Ψ 30
一
ロ ＋一
．
．
⊥°
」
・
』
く」
圏 Ψ 杢・
．
、
瓶．
◇ ム ＼ 骸r
φ 取、
．
＼ 毒、
．
．
＼ ＼・
…
・
違・
冖
丶
．
違 ト一
1 1 3 5 7 r ／ d 図2
半 径方 向の温度， 速 度 分 布 （1
／d ＝9．
15
｝ Xlo8 2 1．
e l．
6 1．
4 出 L2卜
1 臼．
8 臼．
6 日，
4 日．
2 日一
1，
rb ．
．
◇」
＋・
”
”
t．
k
＝，
“．
T T−
r ／ d ＾、
．
．
．
◇ 峠 ゆ識
剛．
壽 酎 〇 二 7 … 踊∵
ゆ 幅、
”＝
ー 段．
凱．
骭 為穹
＋薫
盗゜
．
」
鴨
．
「
…
．
冖
o．
一
h
φ∴
冖
飢．
」
°
◇°
胤 ゆ一
裃 縣 ∴ 煮゜
°
ボ」
＋
∵°
」
＋冖
冖
十 十撫
−
．
凸
一
冖
へ
』
°
ホ中
｝
「
凸一
「
一
毒 ：臼
「
冖
．
合．
町
…
、
9臼 8日 7臼〈
6日 口 59 ＞4日 鈿 鋤 1巴 9 1 3 5 7 r ／ d 図
3
半 径 方 向の温度，
速 度 分 布 （lld−
19．
15） ル ミー
ン の数 値 解η と同傾 向を も ち， 温度 分 布につ い て も規則性が認あ ら れ ること な ど がわか る。8
窒 素プ ラズマ に よ る燃 焼 排ガス脱 硝 法に 関 す る 研 究 （森 棟 隆 昭 ） xIO3 2 1 1
，
1．
4M 1．
2e叨
＼ 日 〉 邑．
8，
6 臼，
4 日．
2 9日 聞 電 6臼 田 詛 鋤 旧一
1 1 3r ／ d 5 了 1 3 5 7 r ／ d 図4
温 度，
速 度 分 布の流れ方 向 変 化 （40V，35A
）3
．
排気管 内
の ガス流 動解析
3．
1
対 象デ ィー
ゼル機関 本 研 究 で は例 と して 4サ イ ク ル 6 シ リ ン ダ 過 給 ディー
ゼ ル機 関 （ボア × ス トロー
ク＝250
×320
）の 夕一
ビン入口部に プ ラズマ 脱硝 装置を設 置 するこ と を想定す る。
機 関の排 気 管 系 とプ ラ ズマ 注 入 位 置 を 図6 に示 す。 機 関 出 力 条 件は800kW ，
681rpm
とする。 こ こ で は，
図6
の上部の3
気 筒 分の 集合排 気 管 を 計 算の対 象 と した。
臼．
9 日．
8 ≡ 巳．
7←
臼
・
6 ＼ 臼・
5 ← 臼・
4 目．
3 日．
2 臼．
1 9−
1 B．
9 a．
8 ≡ 3・
7 ＞ D・
6 ＼ 3．
5 ＞ 臼．
4 臼．
3 臼．
2 目．
1 ］ 2一
1 1 r ／ b 図 5 無 次 元温度， 速 度 分布 （b
：半 値 幅） 3．
2 管内ガス の流動 解 析と計算 法 3 こ こ で は排気管内 流を損 失をもっ一
次 元・
圧 縮 性・
非 定 常 流れ と して解 析 し，
機 関 と過 給機の マ ッ チ ング を評 価で き るプロ グラ ム8）’
9） を 改 造 して使 用する。 流れの 基礎 式や計 算 法，
境 界 条 件 はほぼ既 報S） と同じで あるの で 省 略する。タ
ー
ビンの入口前に脱 硝 装置 を 取 付 け る際の境 界条 件 に つ い て は，
窒 素プラ ズマ 脱 硝が低 電 力の場 合に高 効 率 であるこ と が 特 徴4 〕であるこ とよ り， 窒素の流量を数 倍 に して 低 電 力で プラ ズマ ジェ ネレー
タを 運転するこ と を 想 定 して お り，
プ ラズ マ の電極 部圧力が排 気 管流 入 部分Z凵rbochar ed 4
−
C cfe 6−
C ”nde ’ ρ’eset ε ’ng o ；PteSSUfeθore xStloke
＝
250xa30，
D己
φto5．
3CIOOA
） △ ； romρerature図
6
計 算シ ミュ レー
シ ョ ン用デ ィー
ゼル 機関の 排気管系湘南工科大学紀 要 第 28 巻 第 1 号 teOO9
》
800 曽 600O．
35 O．
30 ロ o。
25 」 丶 0．
20 田 e．
lS一
： Iiζpert邑ental ＝esults− 一
一
； 1叩 ：oved exeet medel−一
一
一
一
： Plasna 」Lnjec ヒ10n （12eOK，
1001 ！畆 n）ノ
丶
．
ヘノ覧
丶
写 丶ノ
’
800kW681rpm
＼
＿ ＿」
・
1
丶
ilkN
，1
》
一 ＿1
“
O．
10 135 180 E．
V．
O．
《E1） t35 T8，
P8 3 2 L 7『 ！ ，噸
丿
一 拠 ，幽一
：＝ 嵩 ：一
・．
、
、
L・
N卿
蝋 い
舎
嚇
360 54e 720C 冒A．
〔〔leg
】「ees ）855E
．
V．
O．
902 1，
v．
（E2） 8S5 LV．
（El ） 8t6 図 7 排 気 管 内 圧 力，
温 度の計 算 結果 の 圧 力より高い場 合にだ け プラ ズマ が注 入さ れ脱 硝さ れ る と考え た。
プラズマ の電 極 部圧力，
流 入 温 度 は2．
2
節 の実験 結果 を 考 慮 して，0．
2MPa ，1000〜3000K ，
窒 素 流 量は 10〜100
〃min （15
°C ．101．
3
kPa
）の範囲にっ い て 計 算し た。 な お，
計 算 はパー
ソ ナ ル コ ン ピュー
タ で実行 で きる よ う に， 従 来の プ ロ グラム の収 束 範 囲や格子点法 の分割区間 数を一
部変 更してい る。 計 算 時間 はNEC
98−
RA
（数 値 演 算プロ セ ッ サ付 ）で1
サ イ クル約 30 分で あ り， 計 算結果が定 常と な る 6サ イクル後の値を計 算 結果 と し た。 図7
に ター
ビン入口部で の圧力，
温度の 実 験 値8）と本 計 算 値の比較を示す が，
傾 向 は一
致 して い る 。 なお
，
図 7中，Po
は基準圧力でO．
1MPa と して い る。4．
プラ ズマ に よ る脱硝
の可能性
とエ ネル ギー
回収
4．
1
プラズマ によ る脱 硝の可能 性窒 素プラズマ脱 硝 法4〕で は
，
現 状で は流 入 し た窒素の うち O．
4％ 程 度が解離 窒 素 原子 と な るにす ぎない。 これ より流 入し た窒 素 量に対 して 処 理 で き る排ガス量は少な く，
排ガス と窒 素 原 子の混合パ ター
ンや最適反 応 温 度の 設 定に改 善の 余地があり，
現 在，
電 力0．
6kW ，
窒素 10〜
1311min で，024 〜
10％，
NO 2400ppm
を含む排ガス中 の NO を 44〜
55％ 除 去で きる が，
処理排ガス量は30
〜501
〆min 程 度にす ぎ ない。 本研 究では 脱硝 率ηを概 算 する た めにNO
の初 期濃 度が 半分な ら ばηは2
倍，
処理 ガス量が2
倍で はηは半 分， プ ラ ズマ窒 素 量が2
倍な ら ばηは2
倍と考え る。 い ま，
電 力 0．
6kW の ジェ ネ レー
タ10
台で運 転 して 全窒 素量100timin
（機関3
気 筒 分排 気 量の0．
3
％ に相 当），
電 力6kW
使用 する とする。 対 象 と して い るデ ィー
ゼ ル機 関の排ガス 成 分 を，
NO は 400 ppm，
0210
％ 以 下で プ ラ ズマ 流 入 時の排ガス量Qe
、 は 18m3tmin と す ると，
これらの値か ら脱硝 率ηは1
！10
の4〜6
％ が得ら れ ると推定で きる。 な お，
従 来か ら21
デ ィー
ゼ ル機 関 に コ ロ ナ放電 式 脱 硝 装置を 120 台 取 付 けた実験例10）も あ り，
本研 究で10
台 設 置するこ とは問 題は ない と考え られ る。 ま た， 台数を 増 加 すれ ば脱 硝 率 も上昇す ること に な るが，
本 研 究で は脱 硝 装 置へ の 入 力は機 関 出 力の 2％ 以 下 （各 集 合 排 気 管で8kW
以下） と す るこ と を 目 安と した。4．
2
プラズマ のエ ネルギー
回 収図
7
中に プラ ズマ を 注 入された ク ラ ンク角度 （θ＝240
〜380 ，480〜620，720〜855
）にお ける計 算 結 果 を破線 で示 すが，
圧 力，
温度線 図の裾 野の低 圧，
低 温 部 分 （プ一
10一
（
一
記 1 国 国）
ぐ 窒 素プ ラ ズマ に よ る燃焼排ガス脱硝法に関す る研 究 （森 棟 隆 昭 ） 87654321mt 匹 旧15
囮 25M Pl8sm 邑 Toロper 昌ture K 図 8 プ ラズマ 熱 回 収によ る有効排 気エ ネルギー
の増加 鋤 ラ ズマ 注 入 部 分 ）が少 し上 昇 して い ること が わ か る。 図8
に排 気エ ネル ギー
か らポ ンプ仕 事を引い た有効 排 気エ ネル ギー
（EE− PW
｝ti）の増 加 分と プラズマ の温度， 注入 量の関 係 を 示 す。
図 8 におい て，
高脱 硝率の得ら れ る場 合の 1200K の プラズマ をQp
］＝ 100Umin 注 入 す る と，
脱 硝後に有効排気エ ネルギー
の増 加 は2
％ 以 上で ある。 即ち，6
気筒，
800kW 出 力の エ ンジ ンの 3気 筒 分の集 合 排 気 管に，6kW
の プ ラズマ脱硝 装 置を設 置するこ と で脱 硝 率4〜6
％ が得ら れ，
その後 方の過給機で有効エ ネル ギー
の約 2％ 分の エ ネル ギー
が回 収で き る 可能 性 が あ ることに な る。5．
ま と め 排 気ガス中の一
酸 化窒素を， 窒 素プ ラ ズマ に よ り励 起 し た活性 窒 素原 子と混合・ 反 応 させ てこれを 除 去 する方 法を著者 ら は提 案 して い る。
こ の方 法は ガス中に酸 素が 存在して も可能である こ と より，
ディー
ゼル機関の排ガ スへ の適用が考え ら れ る が．
この 場 合，
高 温の プ ラズマ の熱 回 収・
再 利 用 がコ ス トを 下 げ る うえで重要と な る。 本研 究で は，
排 気 管の ター
ビ ン入口部に プラズマ を設置 す る場合に，
過 給 機に よ るプ ラ ズマ の エ ネル ギー
回収が 可能である こと を 排 気 管 内 流の計算シ ミュ
レー
シ ョ ンで 考 察 し た。 ）1
）2
） 3 ） 4 ）5
6） 78 ｝9
10）ll
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