弱電離気体プラズマの解析(CXXV) パックトベッド

平成27年度電気･情報関係学会北海道支部連合大会
平成27年11月07日(土) 北見工業大学
放電物理・電気材料
107
弱電離気体プラズマの解析(CXXV)
パックトベッドリアクタの動作特性(1)印加電圧周波数特性
Studies on weakly ionized gas plasma (CXXV)
Operation characteristics of packed-bed dielectric barrier discharge reactor
(1) Frequency characteristics of applied voltage
s
H
細井彰悟＊高橋一弘
佐藤孝紀
伊藤秀範
H
O
C
O
(室蘭工業大学)
Shogo Hosoi ＊, Kazuhiro Takahashi, Kohki Satoh and Hidenori Itoh (Muroran Institute of Technology)
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
背景および目的
パックトベッド放電
 誘電体ペレットを金属電極間に充填
 電極間に交流高電圧を印加
 微小ギャップ間に誘電体バリア放電を発生
V = 10 kV, P = 3.4 W, f = 4 kHz
N2/O2 = 80/20
大気圧下で比較的低電圧かつ広範囲の放電を安定に発生
汚染物質分解，ガスの放電改質など様々な分野への応用
これまでの研究
 尾形ら[1] ・・・パックトベッド放電を用いてベンゼンを分解し，放電リアクタの温度，充填材料の誘電率および
反応ガス中のベンゼンの濃度がベンゼンの分解に与える影響を調査
 誘電率が高いとベンゼンの分解効率が向上
 誘電率が低いとオゾン生成効率が向上
誘電体の選択により放電副生成物の
コントロールの可能性を示唆
 パックトベッド放電リアクタの周波数特性を詳しく調査した研究はほとんどない
目的
パックトベッド放電リアクタの効果的な利用条件の調査
 充填材料の誘電率および印加電圧の周波数がオゾン生成特性および脱硫特性に与える影響を調査
[1] 尾形他 : 「ラジカル反応・活性種・プラズマによる脱臭・空気清浄技術とマイナス空気イオンの生体への影響
と応用」，エヌ・ティー・エス(2002)
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
実験装置および実験条件
 ガス混合比
N2/O2 = 80/20 %
CH4/CO2/H2S = 60/40/0.1 %
 サンプリング時間
放電開始から5 min
 流量
2.0 L/min
 温度測定間隔 (FLIR i7)
0, 1, 2, 3, 4, 5 min
ガラス管
・外径 : 22 mm
・内径 : 20 mm
・全長 : 250 mm
放電リアクタ
充填材料
 glass ball
ガス導入口
V
f
= 10 kV
= 50, 100, 300, 500,
700, 1000, 2000,
3000, 4000 Hz
ガス導出口
棒状電極(f 2mm)
網目状電極(16メッシュ)
直径 : 3.0 mm
es = 7.0
rutile TiO2 ball
直径 : 3.0 mm
es = 114
130 mm
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
実験装置および実験条件
 ガス混合比
N2/O2 = 80/20 %
CH4/CO2/H2S = 60/40/0.1 %
 サンプリング時間
放電開始から5 min
 流量
2.0 L/min
 温度測定間隔 (FLIR i7)
0, 1, 2, 3, 4, 5 min
ガラス管
・外径 : 22 mm
・内径 : 20 mm
・全長 : 250 mm
V
f
= 10 kV
= 50, 100, 300, 500,
700, 1000, 2000,
3000, 4000 Hz
高圧アンプ
(松定プレシジョン製, HAP-20B20)
出力電圧
-20 ~ 20 kV
出力電流
±20 mA
ピーク出力電流
±60 mA
スルーレート
700 V/ms
最大振幅時
DC ~ 4 kHz
ラック寸法 (mm)
266H×483W×550D
電圧増幅比
1:2000
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OF TECHNOLOGY
実験装置および実験条件
 ガス混合比
N2/O2 = 80/20 %
CH4/CO2/H2S = 60/40/0.1 %
 サンプリング時間
放電開始から5 min
 流量
2.0 L/min
 温度測定間隔 (FLIR i7)
0, 1, 2, 3, 4, 5 min
ガラス管
・外径 : 22 mm
・内径 : 20 mm
・全長 : 250 mm
V
f
= 10 kV
= 50, 100, 300, 500,
700, 1000, 2000,
3000, 4000 Hz
高圧アンプ
(松定プレシジョン製, HAP-20B20)
出力電圧
-20 ~ 20 kV
出力電流
±20 mA
ピーク出力電流
±60 mA
スルーレート
700 V/ms
最大振幅時
DC ~ 4 kHz
ラック寸法 (mm)
266H×483W×550D
電圧増幅比
1:2000
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OF TECHNOLOGY
パックトベット放電リアクタの温度特性（glass ball）
誘電損失の理論式
リアクタ表面温度
 理想的なコンデンサに流れる電流IC は印加
電圧Vに対して90°位相が進み損失なし
有効電力の発生 = 誘電損失として熱が発生
誘電体中における電力損失をWとすると
W=
V2
×tanδ×2πfε S
d
tanδ : 誘電正接
S : 金属板の面積
f : 周波数
e : 誘電率
d : 金属間の距離
temperature [degree]
 実際には誘電体が電界の変化に追従できず
に，90°進みからδ分だけ遅れる
32
30
N2/O2 = 80/20
2.0 L/min (glass)
28
26
24
22
20
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
と表される
ほぼ直線的に増加
一致している
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OF TECHNOLOGY
各周波数に対するオフガスの吸光度スペクトル(glass ball)
absorbance [a.u.]
1.0
0.8
N2/O2 = 80/20
0.6
0.4
4 kHz
3 kHz
2 kHz
1 kHz
0.2
N2 O
0.0
2400
2200
700 Hz
500 Hz
300 Hz
100 Hz
50 Hz
HNO3
HNO3
O3
N2O5
N2O5
O3
2000
1800
1600
1400
-1
1200
1000
800
wavenumber [cm ]
オフガス中の生成物
N2O(亜酸化窒素), HNO3(硝酸), N2O5, O3
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
各周波数に対するオフガスの吸光度スペクトル(glass ball)
absorbance [a.u.]
1.0
0.8
N2/O2 = 80/20
4 kHz
3 kHz
2 kHz
1 kHz
0.6
0.4
0.2
N2 O
0.0
2400
2200
700 Hz
500 Hz
300 Hz
100 Hz
50 Hz
HNO3
HNO3
O3
N2O5
N2O5
O3
2000
1800
1600
1400
-1
1200
1000
800
wavenumber [cm ]
absorbance [a.u.]
1.0
O3の生成量に注目する
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1100
オゾン生成量と印加電圧周波数の関係の検討
1050
1000
-1
950
wavenumber [cm ]
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OF TECHNOLOGY
オゾン生成特性（glass ball）
オゾン濃度
放電電力
600
3.0
N2/O2 = 80/20
2.0 L/min (glass)
500
400
300
200
2.0
1.5
1.0
0.5
100
0
0
2.5
input power [W]
O3 concentration [ppm]
700
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
0.0
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
周波数の増加
周波数の増加
飽和傾向
ほぼ直線的に増加
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
オゾン生成効率（glass ball）
オゾン生成効率
オゾン濃度
600
N2/O2 = 80/20
2.0 L/min (glass)
500
400
300
200
100
0
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
放電電力
3.0
input power [W]
2.5
2.0
1.5
100
O3 generation efficiency [g/kWh]
O3 concentration [ppm]
700
90
300 Hz
80
70
60
50
40
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
1.0
0.5
0.0
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
 300 Hz付近に最大値を持つ
 生成効率で評価すると最適条件が存在する
 低周波数で効率が良い
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
オゾン生成特性（rutile系TiO2 ballとの比較）
リアクタ表面温度
30
5倍
20
0
600
8
500
6
5倍
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
400
1.3 倍
300
4
200
2
10
0
700
O3 concentration [ppm]
40
0
100
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
0
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
オゾン生成効率
100
O3 generation efficiency [g/kWh]
temperature [degree]
N2/O2 = 80/20
60
2.0 L/min (glass) es = 7.0
2.0 L/min (TiO2) es = 114
50
input power [W]
10
70
オゾン濃度
放電電力
80
 オゾン生成効率は誘電率高くなると低くなる
 どちらも周波数の増加に対してほぼ単調に減少
60
40
20
0
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
パックトベッド放電による脱硫特性
放電電力
H2S分解率
20
25
20
15
0.3 倍
10
8
6
4
3倍
2
5
0
0
1000 2000 3000 4000 5000
0
0
frequency [Hz]
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
H2S decomposition efficiency [g/kWh]
10
CH4/CO2/H2S = 60/40/0.1
2.0 L/min (glass) es = 7.0
2.0 L/min (TiO2) es = 114
input power [W]
decomposition rate [%]
30
H2S分解効率
16
12
8
4
0
0
1000 2000 3000 4000 5000
frequency [Hz]
高誘電率
高周波数
 H2Sの分解効率が低下
 H2Sの分解効率はほぼ一定
ガス種によって誘電率および周波数が放電リアクタに与える影響が異なる
MURORAN INSTITUTE
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まとめ
パックトベッド放電を発生させて充填材料の誘電率および印加電圧の周波数が
オゾンの生成特性および脱硫特性に与える影響を調査した
 放電リアクタ表面の温度は周波数に対し，ほぼ直線的に増加していく傾向が
みられ，誘電損失の式で確かめられる
S
W  V  tan   2fe
d
2
 オゾン生成効率は充填材料にガラスボールを用いた際，低周波数で最大値
を持ち，その後周波数の増加とともに減少した
 高誘電率ペレットを用いるとオゾン生成効率および脱硫効率が低下したため
，低誘電率のものを用いる方が効果的であると考えられる
 オゾン生成効率は低周波数が効果的であり，脱硫効率は周波数による変化
がほとんどない
 今後，処理対象ガス，誘電率，周波数を変えながら放電リアクタの最適な条
件を検討していくことが必要であると考えられる
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY

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