首都高速中央環状新宿線　電気集じん設備

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1 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 電 気 じん 設 備 Electrostatic Precipitation Equipment for the Metropolitan Expressway s Central Circular Shinjuku Route 青 木 幸 男 Yukio Aoki 瑞 慶 覧 章 朝 Akinori Zukeran 中 山 勉 Tsutomu Nakayama 都 市 部 の 高 速 道 路 は, 交 通 渋 滞 や 環 境 の 問 題 から 地 下 トンネル 化 が 進 められている トンネル 内 の 空 気 には 自 動 車 が 排 出 した 浮 遊 粒 子 状 物 質 (SPM)が 含 まれ,トンネル 外 部 への 排 気 が 環 境 基 準 を 満 たすための 環 境 対 策 設 備 が 必 要 である 富 士 電 機 は, 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 の 環 境 対 策 設 備 として 電 気 じん 装 置 (ESP)を 納 入 した ESP 内 部 構 造 および 電 源 の 見 直 しを 図 り,SPM の 除 去 性 能 を 維 持 したまま 処 理 風 速 の 高 速 化 を 実 現 した SPM の 再 飛 散 を 抑 制 するため, じ ん 部 には 矩 形 (くけい) 波 交 流 電 圧 を 印 加 する 方 式 を 採 用 した In consideration of traffic congestion and environmental issues, urban highways are progressing toward the use of underground tunnels. The air inside a tunnel includes suspended particulate matter (SPM) from automobile emissions. The discharge of air outside the tunnel requires the use of environmental protection equipment in order to meet environmental standards. Fuji Electric has delivered electrostatic precipitators (ESPs) as environmental protection equipment for the Metropolitan Expressway s Central Circular Shinjuku Route. Based on a review of the ESP internal structure and power supply, the gas flow velocity was increased while maintaining the same level of SPM removal performance. ESP applied the rectangular AC high voltage, which is unique to Fuji, was installed to prevent the particle re-entrainment. まえがき 図 ₁ 対 象 路 線 都 市 部 に 建 設 される 高 速 道 路 は, 交 通 渋 滞, 環 境 などの 問 題 から 地 下 トンネル 化 が 進 められている トンネル 内 の 空 気 には 自 動 車 が 排 出 した 浮 遊 粒 子 状 物 質 (SPM:Suspended Particulate Matter)が 含 まれ,トンネル 外 部 への 排 気 が 環 境 基 準 を 満 足 するための 環 境 対 策 設 備 が 必 要 であ る 富 士 電 機 は,200 年 3 月 に 開 通 する 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 の 環 境 対 策 設 備 として 電 気 じん 装 置 (ESP: Electrostatic Precipitator)を 納 入 した ESP は 静 電 気 力 によって SPM を 空 気 中 から 除 去 する 装 置 である 当 該 工 事 では, 装 置 をコンパクト 化 するために 除 去 性 能 を 維 持 し たまま 処 理 風 速 を 高 速 化 し, 除 去 した SPM の 再 飛 散 を 抑 制 するために じん 部 に 矩 形 (くけい) 波 交 流 電 圧 を 印 加 する 新 型 の 交 流 式 ESP を 採 用 している 本 稿 では, 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 に 納 めた 空 気 浄 化 設 備 の 概 要,ESP 技 術 の 変 遷 と 新 型 の 交 流 式 ESP 技 術 につ いて 説 明 する また, 最 近 の 研 究 開 発 動 向 についても 紹 介 する 図 ₂ 低 濃 度 脱 硝 設 備 の 概 要 2 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 の 徴 ₂.₁ 路 線 の 概 要 中 央 環 状 新 宿 線 は,3 号 渋 谷 線 との 接 続 部 である 大 橋 ジャンクション(JCT)から 山 手 通 りの 地 下 を 通 り,4 号 新 宿 線 との 接 続 部 である 西 新 宿 JCT を 経 由 して, 熊 野 町 JCT に 至 る 延 長 約 km の 路 線 である 対 象 路 線 を 図 ₁ に 示 す 全 線 地 下 構 造 であり, 路 線 内 に 全 9 か 所 の 換 気 所 がある このうち,5 か 所 の 換 気 所 ( 大 橋, 神 山 町, 代 々 木, 西 新 9( 5 )

2 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 電 気 じん 設 備 表 ₁ 装 置 の 性 能 比 較 図 ₅ 視 環 境 改 善 用 電 気 じん 設 備 の 概 要 項 目 従 来 今 回 じん 方 式 直 流 交 流 処 理 風 速 9.0 m/s 2.5 m/s SPM 除 去 率 80 % 以 上 80 % 以 上 圧 力 損 失 200 Pa 300 Pa バイパス 用 ESP 図 ₃ 電 気 じん 装 置 の 外 観 成 した 図 ₄ 低 濃 度 脱 硝 装 置 のシステム 構 成 じんト SPM 除 去 装 置 湿 スー 低 濃 度 脱 硝 装 置 再 生 宿, 本 町 )に, 西 松 建 設 株 式 会 社 との 共 同 企 業 体 で 低 濃 度 脱 硝 設 備 (ESP と 低 濃 度 脱 硝 装 置 )を 納 入 した 設 備 の 概 要 を 図 ₂に 示 す ₂.₂ 電 気 じん 設 備 のエンジニアリング 大 都 市 の 地 下 高 速 道 路 の 施 設 には, 設 置 スペースの 極 小 化 が 求 められる 地 下 の 限 られた 空 間 に 装 置 を 設 置 できる ようにしなければならないという 制 約 条 件 に 対 して, 単 位 処 理 風 量 を 向 上 しかつ 圧 損 を 抑 制 して 装 置 のコンパクト 化 を 図 るという 課 題 があった そこで 内 部 構 造 および 電 源 の 設 計 を 見 直 した さらに,その ESP に 流 入 する 気 流 の 解 析 シミュレーションを 行 い, 流 速 分 布 を 均 一 化 する 整 流 装 置 の 配 置 検 討 を 行 った その 結 果, 表 ₁に 示 すとおり, 従 来 の 処 理 風 速 を 高 め, 高 除 去 性 能 を 維 持 しつつ 低 圧 損 を 達 P ₂.₃ 電 気 じん 装 置 (ESP) 電 気 じん 装 置 の 外 観 を 図 ₃に 示 す ESP は, 除 去 した SPM の 再 飛 散 を 抑 制 するため, 独 自 に 開 発 した 交 流 じ ん 方 式 を 採 用 した 刻 々と 変 化 するトンネル 内 の 環 境 に 応 じて, 換 気 ファンは 風 量 可 変 運 転 を 行 っている この 運 転 風 量 に 連 動 して ESP の 印 加 電 圧 を 制 御 することで, 除 去 性 能 を 維 持 しながら 約 20% の 省 電 力 を 実 現 している さ らに, 除 去 性 能 を 長 期 的 に 維 持 するため,2 回 / 週 程 度 の 頻 度 で 定 期 的 に 電 極 板 を 自 動 洗 浄 する 再 生 システムを 備 え ている 今 回 適 用 した 装 置 の 性 能 を, 表 ₁に 示 す これは 業 界 トップクラスである ₂.₄ 低 濃 度 脱 硝 装 置 低 濃 度 脱 硝 装 置 はトンネル 内 空 気 に 含 まれる 二 酸 化 窒 素 (NO 2 )を 吸 着 剤 により 吸 着 除 去 する 使 用 した 吸 着 剤 は 再 生 液 を 用 いて 装 置 内 で 再 生 するシス テム 構 成 である 低 濃 度 脱 硝 装 置 のシステム 構 成 を 図 ₄に 示 す 今 回 適 用 した 装 置 の 性 能 を 次 に 示 す NO 2 除 去 率 :90% 以 上 ( 一 日 平 均 ) 圧 力 損 失 :600 Pa( 最 大 ) 3 電 気 じん 設 備 の 変 遷 ₃.₁ 歴 史 トンネル 用 ESP の 技 術 は,970 年 代 に 急 速 に 高 まっ た 環 境 保 全 を 背 景 に 973 年 に 建 設 省 建 設 技 術 研 究 補 助 金 研 究 課 題 の 一 つとして 基 礎 研 究 がはじまった ⑴ トンネル 用 ESP は 当 初, 山 岳 トンネル 内 を 走 行 する 自 動 車 運 転 者 の 視 環 境 を 確 保 することを 目 的 とし,977 年 北 陸 自 動 車 道 日 野 山 トンネルの 実 用 試 験 を 経 て 実 用 化 に 至 っている ⑵ 985 年, 日 本 で 最 も 長 い 関 越 トンネルの 開 通 は,トンネ ル 用 ESP の 開 発 によるところが 大 きい 視 環 境 改 善 用 電 気 じん 設 備 の 概 要 を 図 ₅に 示 す 車 道 内 の 汚 染 空 気 をバ イパストンネルに 吸 引 し 清 浄 化 した 空 気 を 送 風 機 により 再 20( 6 )

3 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 電 気 じん 設 備 び 車 道 空 間 に 吹 き 出 し,トンネル 内 の 視 環 境 を 改 善 する 都 市 部 に 建 設 される 高 速 道 路 は,₁ 章 で 説 明 したように 地 下 トンネルが 多 くなっている 自 動 車 排 ガスには SPM や NO 2 などの 有 害 物 資 が 含 まれている 近 年 ではトンネ ル 近 隣 の 空 気 環 境 改 善 を 目 的 とした ESP が 海 外 において も 強 く 求 められるようになった ₃.₂ 電 気 じん 装 置 の 性 能 と 構 造 ESP の 方 式 には 一 段 式 と 二 段 式 がある ⑶ トンネル 用 ESP には 設 置 空 間 の 制 約 から, 一 般 に 小 型 で 大 風 量 処 理 が 可 能 な 帯 電 部 と じん 部 から 構 成 された 二 段 式 を 採 用 し ている トンネル 用 ESP の 開 発 変 遷 を 表 ₂に 示 す 実 用 化 当 初 の 性 能 は, 処 理 風 速 7 m/s, 除 去 率 80% であった 996 年 に 処 理 風 速 9 m/s, 除 去 率 80%,999 年 には 90% 以 上 の 高 除 去 化 に 成 功 した 実 用 化 当 初, 粒 子 の 帯 電 には 保 守 作 業 員 の 衛 生 環 境 の 確 保 からオゾン 生 成 の 低 い 正 コロナ 放 電 を 利 用 していた 996 年 ごろには 放 電 極 の 劣 化 が 少 ない 負 コロナ 放 電 へ 見 直 した さらに, 放 電 極 構 造 もタングステン 製 の 線 電 極 を 採 用 していたが,2002 年 に 断 線 しない 放 電 板 電 極 に 改 良 した ₃.₃ 高 電 圧 発 生 電 源 の 構 造 ESP の 機 能 は 高 電 圧 発 生 電 源 の 性 能 に 大 きく 依 存 する 表 ₂に 示 すとおり, 開 発 当 初 の 回 路 方 式 は, 構 成 がシンプ ルで 産 業 用 ESP として 採 用 実 績 の 多 い 商 用 周 波 倍 電 圧 整 流 方 式 を 採 用 していた 半 導 体 素 子 の 性 能 が 向 上 し,2002 年 には 回 路 の 一 部 を 高 周 波 インバータによる PWM(パル ス 幅 変 調 ) 制 御 とした 交 流 ESP 用 の 対 称 矩 形 波 交 流 高 電 圧 発 生 電 源 を 開 発 した 2007 年 には 非 対 称 矩 形 波 交 流 高 電 圧 が 発 生 できるように 改 良 した 同 時 に,すべての 回 路 を 高 周 波 インバータによる PWM 制 御 とし, 従 来 の 装 置 と 比 べて 体 積 比 で 約 /2, 質 量 比 で 約 2/5 の 小 型 化 に 成 功 した ₃.₄ 再 生 方 式 とダスト 処 理 方 式 捕 した 粒 子 を ESP から 払 い 落 とす 再 生 方 式 や, 払 い 落 とした 粒 子 であるダストを 処 理 する 装 置 の 改 良 も 推 進 し てきた 実 用 化 当 初 は 加 圧 空 気 によって 再 生 する 乾 式 洗 浄 方 式 を 採 用 していた 乾 式 洗 浄 方 式 ではバグフィルタに よってダストと 空 気 に 分 離 していた 989 年 以 降 は 加 圧 水 によって 再 生 する 湿 式 洗 浄 方 式 を 開 発 し 採 用 した 洗 浄 時 に 発 生 する 汚 水 は, 独 自 に 開 発 した 加 圧 浮 上 方 式 の 汚 水 処 理 装 置 によって 清 水 とダストに 分 離 した さらに 996 年 ごろを 境 に 加 圧 浮 上 方 式 から 加 圧 ろ 過 方 式 に 変 更 した 4 交 流 式 電 気 じん 技 術 の 採 用 従 来 型 の 直 流 式 ESP における SPM の 挙 動 を 図 ₆ に 模 式 的 に 示 す 直 流 式 EPS では, 帯 電 部 と じん 部 に 直 流 高 電 圧 を 印 加 していた この 方 式 では, 帯 電 部 でマイナス に 帯 電 した SPM が じん 部 の じん 電 極 上 で 数 珠 状 に 凝 肥 大 化 し, 気 流 とともに 再 び ESP から 飛 散 する 現 象 が 発 生 する 再 飛 散 現 象 の 防 止 を 目 的 とした 対 称 矩 形 波 交 流 式 ESP を 独 自 に 開 発 した 矩 形 波 交 流 式 ESP における SPM の 挙 動 を 図 ₆ に 模 式 的 に 示 す 帯 電 部 に 直 流 高 電 圧, じん 部 には 矩 形 波 交 流 高 電 圧 を 印 加 する 帯 電 部 で マイナスに 帯 電 した SPM は, じん 部 のプラス 電 極 上 に 捕 され 数 珠 状 の 凝 粒 子 を 形 成 する じん 部 の 電 界 は 表 ₂ トンネル 用 ESP の 開 発 変 遷 じ ん 装 置 の 仕 様 開 発 年 処 理 風 速 (m/s) じん 率 (%) 放 電 極 構 造 線 板 帯 電 方 式 直 流 正 コロナ 直 流 負 コロナ じん 方 式 直 流 電 界 (+ 電 圧 ) 直 流 電 界 ( 電 圧 ) 再 生 方 式 乾 式 湿 式 対 称 矩 形 波 交 流 電 界 非 対 称 矩 形 波 交 流 電 界 帯 電 部 出 力 波 形 直 流 正 極 性 直 流 負 極 性 高 圧 発 生 装 置 の 仕 様 じん 部 出 力 波 形 帯 電 部 回 路 方 式 じん 部 回 路 方 式 外 形 寸 法 H W D (mm) 直 流 正 極 性 直 流 負 極 性 対 称 矩 形 波 非 対 称 矩 形 波 商 用 周 波 倍 電 圧 整 流 商 用 周 波 倍 電 圧 整 流 高 周 波 インバータ PWM 制 御 高 周 波 インバータ PWM 制 御 , 概 算 質 量 (kg) ( 7 )

4 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 電 気 じん 設 備 図 ₆ 従 来 型 ( 直 流 式 ESP)と 新 型 ( 交 流 式 EPS)における SPM の 挙 動 模 式 図 ₈ じん 部 の 電 極 構 造 ()ンング 電 ()( 流 式 ESP) () 電 () 新 ( 交 流 式 ESP) 図 ₉ 微 粒 子 の 除 去 率 に 対 するパンチング 電 極 の 効 果 図 ₇ 実 験 装 置 の 構 成 周 期 的 に 反 転 するため, 数 珠 状 凝 粒 子 は 球 状 に 変 化 する 球 状 凝 粒 子 は, じん 電 極 との 接 触 面 積 が 大 きく, 流 体 抗 力 も 小 さくなるため 再 飛 散 が 抑 制 される 2007 年 には, さらに 安 定 した 除 去 性 能 を 得 るため 非 対 称 矩 形 波 交 流 式 ESP を 開 発 し, 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 へ 納 入 した 5 最 近 の 研 究 事 例 SPM の 除 去 性 能 やエネルギー 効 率 の 向 上,コンパクト 化, 有 害 ガスの 分 解 や 除 去 などの 要 求 に 応 えるため 取 り 組 んでいる 開 発 の 一 つに, 粒 径 µm 以 下 の 微 粒 子 の 除 去 率 向 上 がある この 微 粒 子 は,ディーゼル 排 ガス 中 などに 多 く 含 まれており ⑷, 人 体 に 有 害 であるといわれている ⑸,⑹ 以 下 に, 微 粒 子 の 除 去 率 向 上 に 関 する 研 究 例 を 紹 介 する ⑺ 実 験 で 用 いた ESP は, 帯 電 部 と じん 部 から 構 成 され た 二 段 式 とし,その 構 成 を 図 ₇に 示 す 実 験 用 ESP は 小 型 の 模 型 であり 実 用 機 ではない そのため, じん 率 は 実 用 機 の 値 と 比 べ 低 い 試 験 用 のガスは, 道 路 トンネル 内 の 空 気 を 模 擬 するため,ディーゼル 排 ガスを 大 気 で 希 釈 し たものを 用 いた ダクト 内 の 平 均 ガス 流 速 は 7 m/s とした 帯 電 部 の 接 地 平 板 電 極 に 対 して 線 電 極 に 直 流 -9 kv を 印 加 し, 負 コロナ 放 電 を 発 生 させた じん 部 は 接 地 平 板 電 極 と 高 電 圧 用 平 板 電 極 の 合 計 3 枚 をガス 流 方 向 に 平 行 か つ 交 互 に 配 置 した 粒 子 濃 度 は 粒 径 20 nm 以 上 の 微 粒 子 の 計 測 が 可 能 な Scanning Mobility Particle Sizer(SMPS, TSI 社 MODEL3080)を 用 いて 測 定 した じん 部 の 電 極 構 造 を 図 ₈に 示 す 高 電 圧 用 平 板 電 極 として, 極 板 に 穴 を 開 けたパンチング 電 極 と 穴 のない 平 板 電 極 を 用 いた 電 極 に 開 けた 穴 の 直 径 は 2.5 mm である 微 粒 子 の 除 去 率 に 対 するパンチング 電 極 の 効 果 を 図 ₉に 示 す 本 実 験 では 模 型 を 用 いているため, じん 率 の 値 は 22( 8 )

5 首 都 高 速 中 央 環 状 新 宿 線 電 気 じん 設 備 実 用 機 に 比 べ 低 い 平 板 電 極 における 除 去 率 の 粒 径 性 に 対 して,パンチング 電 極 の 場 合,いずれの 粒 径 においても 除 去 率 が 向 上 している これはパンチング 電 極 の 開 口 部 近 傍 の 電 界 強 度 が 強 くなるためと 考 えられる この 結 果 から, 人 体 に 有 害 とされる 微 粒 子 の 除 去 率 向 上 につながる 可 能 性 が 示 され, 引 き 続 き 開 発 を 推 進 する 予 定 である ⑹ Nemmar, A. et al. Passage of inhaled paritocles into the blood circulation in humans, Circulation 05, 2002, p ⑺ 安 本 浩 二 ほか. 電 気 じん 装 置 におけるナノ 粒 の じん 率 向 上. 電 気 学 会 論 文 誌 A. 2008, vol.28, no.6, p あとがき 今 後 の 建 設 や 計 画 が 進 んでいる 都 市 高 速 は, 地 下 構 造 を 採 用 したものが 多 くなっており, 当 該 工 事 は 本 格 的 な 地 下 道 路 の 先 駆 けとなった 今 回 の 実 績 を 生 かした 技 術 開 発 を 推 進 し, 環 境 技 術 で 社 会 に 貢 献 していく 所 存 である 参 考 文 献 ⑴ 社 団 法 人 建 設 電 気 技 術 協 会. 道 路 トンネル 用 じん 便 覧 ⑵ 株 式 会 社 ドーシス. トンネル 用 電 気 じん 機 の 開 発 と 今 後 の 展 望. ドーシスレビュー. 994, no.2. ⑶ 静 電 気 学 会 編. 静 電 気 ハンドブック. オーム 社. 98. ⑷ 伊 藤 泰 郎 ほか. 電 気 じん 機 によるサブミクロン 粒 子 の じん 性. 電 気 設 備 学 会. 995, vol.5, no.2, p ⑸ 菅 又 昌 雄, 武 田 健. ディーゼル 排 ガスが 自 閉 症 の 一 因 に?. ニュートン. 2007, vol.26, no.8, p.07. 青 木 幸 男 トンネル 換 気 システムのエンジニアリング 業 務 に 従 事 現 在, 富 士 電 機 システムズ 株 式 会 社 産 業 プ ラント 事 業 本 部 第 一 統 括 部 道 路 技 術 部 課 長 補 佐 瑞 慶 覧 章 朝 トンネル 換 気 システムの 研 究 開 発,エンジニアリ ング 業 務 に 従 事 現 在, 富 士 電 機 システムズ 株 式 会 社 産 業 プラント 事 業 本 部 第 一 統 括 部 道 路 技 術 部 課 長 補 佐 博 士 ( 工 学 ) IEEE 会 員, 電 気 学 会 会 員, 静 電 気 学 会 会 員, 電 気 設 備 学 会 会 員 中 山 勉 トンネル 換 気 システムの 設 計,エンジニアリング 業 務 に 従 事 現 在, 富 士 電 機 システムズ 株 式 会 社 産 業 プラント 事 業 本 部 第 一 統 括 部 道 路 技 術 部 23( 9 )

6 * にされているおよびは,それぞれのがする またはであるがあります