導電性粒子の異常再飛散現象の制御を利用した電気集塵

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02129
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 高島 和則 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60303707)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小口 達夫 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90324491)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 電気集塵 / 凝集 / 再飛散 / 捕集

Outline of Annual Research Achievements

内燃機関の排ガス中に含まれる排出される微粒子の除去には機械的なフィルタであるディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)が一般に用いられているが、ナノメートルサイズの微粒子を捕集するためには不可避的に圧力損失が高く、捕集された微粒子によってフィルタの閉塞が生じる。一方、電気集塵では低い圧力損失でナノメートルサイズの微粒子を高効率に捕集することが可能であるが、捕集された微粒子が電気導電性を有する場合、集塵電極上で電荷が消失し、集塵電極と同極性に帯電することによって再飛散を生じる問題がある。
本研究の目的は燃焼排ガス中に含まれる微粒子の電気集塵の際に生じる異常再飛散による捕集効率の低下を防ぐ方法を見出すことである。そのため、電気集塵装置内の導電性微粒子の帯電・捕集・再飛散現象を解明し、再飛散が抑制される条件を見出すこと、あるいは再飛散した粒子の凝集状態を制御することにより、より大きな粒子へ凝集させ、圧力損失の低い目の粗いフィルタ等との併用によって総合的な性能を向上させるための知見を得ることを目指している。
初年度は、集塵電極上に捕集された微粒子を直ちに酸化することにより再飛散を抑制することを意図して集塵電極上に誘電体バリア放電発生機構を組み込んだモデル電気集塵装置の構築を行い、電気的特性を評価した。第二年度は、捕集された微粒子の再飛散に影響を及ぼすと考えられる集塵電極上における微粒子の電荷消失・逆帯電に関与していると推定している集塵電極上の電流分布の精密測定法の構築を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度は、集塵電極上に面上の誘電体バリア放電生成機構を組み込んだ電気集塵装置を構築し、コロナ放電発生のための直流高電圧とバリア放電発生のための交流高電圧を同時に印加した場合のコロナ放電発生特性を様々な温度で評価した。その結果、誘電体バリア放電の発生がコロナ放電特性に与える影響は軽微であり、両立可能であることが分かった。また、微粒子の凝集に関与している粒子表面におけるプラズマ化学反応の推定のための科学反応モデルの構築を目指し、シンプルな熱反応によるアセチレン起源の炭素微粒子生成系の構築を行い、数値シミュレーションとの比較を行った。
本年度は、モデル電気集塵装置の改良を行うとともに、電気集塵装置内の粒子の輸送過程を支配するコロナ放電電流の2次元分布の測定系の構築を行い、針－平板電極系において電極間距離、印加電圧値、針電極の形状（長さおよび先端曲率半径）、針電極材料（電気伝導率）等のパラメータが集塵電極上における電流分布に対してどのような影響を及ぼすかを調べた。また、これらのパラメータがコロナ放電開始電圧やコロナ放電から火花放電への転移に及ぼす影響、プラズマによって誘起される酸化反応に関与している可能性があるオゾンの生成にどのように影響しているかを実験的に調べた。その結果、高い電気抵抗率を有する細線状の材料をコロナ放電電極に用いることによってコロナ放電発生電圧を低下させ、火花転移を抑制することができることを明らかにした。また、負極性コロナ放電においては直径10マイクロメートル程度の細線を用いた場合、オゾン発生が抑制されることが分かった。さらに、凝集粒子の分析のための再飛散微粒子分級装置の構築に着手した。
以上のように、実験系の改良および立ち上げを進めるとともに、基礎的なデータの取得を進めていることから、本研究は概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

2021年度は2020年度までに構築したモデル電気集塵装置とコロナ電流分布測定系を組み合わせて電気集塵装置内部の電流分布と電気集塵機の諸特性との関連を明らかにする研究を進めるとともに、再飛散微粒子の分級装置の構築・改良を行い、ディーゼル排ガス中の微粒子にこれを適用し、電気集塵装置の運転条件と電気集塵装置から排出される微粒子の性状との関係を調べる。
(1)電気集塵装置内部の電流分布と集塵特性の評価
電流分布が既知である電気集塵装置の集塵特性を実験により取得する。異なる電極構造や印加電圧に対して網羅的にデータを取得するとともに 、室内空気塵およびディーゼル排ガス微粒子を対象として比較を行う事により微粒子の導電性の違いが集塵特性に及ぼす影響を調べる。
(2)再飛散微粒子の特性評価
構築した微粒子分級装置を用いて電気集塵装置から排出された粒子の流体力学的粒径分布を測定するとともに、インパクタによって回収した微粒子の顕微鏡観察によって微粒子の凝集状態を調べ、電気集塵装置の運転パラメータと粒子の凝集状態との関連を見出し、粒子の凝集に関わる物理的過程や・化学反応に関する知見を得ることを目指す。