JPWO2011046187A1

JPWO2011046187A1 - 電気式排気ガス処理方法および電気式排気ガス処理装置

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Publication number: JPWO2011046187A1
Application number: JP2011536180A
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Inventors: 宗勝古堅; 義牧野; 滝川　一儀; 一儀滝川
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Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2013-03-07
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Abstract

コロナ放電を利用した従来のディーゼルエンジンの排気ガス処理技術の問題点を解消し、特に重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭ、特にＳＯＦを高効率で除去できるとともに、長期にわたって安定した性能を発揮し得るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法およびその装置を提供する。重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有する有機溶剤不溶性分および有機溶剤可溶性分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、ガス冷却手段により前記粒状物質を含む全排気ガスの温度を、１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げた後、前記粒状物質を電気的手段によって除去することを特徴とする。

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるカーボンを主体とする粒状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：以下「ＰＭ」と称する）や有害ガスを除去し、浄化する船舶用、発電用、産業用などの特に重油以下の低質燃料を使用する大排気量ディーゼルエンジンの排気ガス処理技術に係り、より詳しくは高い温度の排気ガスを排出する大排気量ディーゼルエンジンにおけるコロナ放電を利用した排気ガスの電気式処理方法並びに電気式処理装置に関する。

各種船舶や発電機並びに大型建機、さらには各種自動車等の動力源としてディーゼルエンジンが広範囲に採用されているが、このディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＰＭは、周知の通り大気汚染をきたすのみならず、人体に極めて有害な物質であるため、その排気ガスの浄化は極めて重要である。このため、ディーゼルエンジンの燃焼方式の改善や各種排気ガスフィルタの採用、そしてコロナ放電を利用して電気的に処理する方法等、既に数多くの提案がなされ、その一部は実用に供されている。

このような排気ガス浄化技術において、コロナ放電を利用して電気的に処理する方法は、排気ガス中のＰＭを放電電極によるコロナ放電により帯電させ、その帯電しているＰＭを静電気力で捕集するものであるが、その放電電極には数万ボルトの高電圧が印加され、さらには腐食性を有する排気ガスに晒されることから長期間にわたって安定した性能の維持が望まれている。さらに、帯電したＰＭを効率よく静電集塵することも重要である。

ここで、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭ（粒状物質）の成分は、有機溶剤可溶分（ＳＯＦ：ＳｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎｓ、以下「ＳＯＦ」と称す）と有機溶剤非可溶分（ＩＳＦ：ＩｎｓｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎｓ、以下「ＩＳＦ」と称す）の２つに分けられるが、そのうちＳＯＦ分は、燃料や潤滑油の未燃分が主な成分で、発ガン作用のある多環芳香族等の有害物質が含まれる。一方、ＩＳＦ分は、電気抵抗率の低いカーボン（すす）とサルフェート（Ｓｕｌｆａｔｅ：硫酸塩）成分を主成分とするもので、このＳＯＦ分およびＩＳＦ分は、その人体、環境に与える影響から、極力少ない排気ガスが望まれている。特に、生体におけるＰＭの悪影響の度合いは、その粒子径がｎｍサイズになる場合に特に問題であるとも言われている。

そこで、本発明者らはディーゼルエンジンの排気ガス中のＳＯＦ分とＩＳＦ分を主な成分とするＰＭを捕集除去する手段として、静電集塵機とサイクロン集塵機を組み合わせた、静電サイクロン式の排気ガス浄化装置（以下、このような排気ガスの浄化装置をＤＰＦ：ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒと称す）を先に提案した（特許文献１参照）。この浄化装置では、静電集塵において電気抵抗率の低いカーボンを含有するＰＭの捕集を可能にするＤＣ５０ｋＶの高電圧においても、そのコロナ放電を行う放電電極の絶縁性能を長期間維持する構造を提案している。
すなわち、この浄化装置は図６にその構造を示すように、装置本体の本体壁１−１から本体内に突出して設けられる排気ガス誘導管７と、該排気ガス誘導管７の本体壁１−１外側の外周部側壁を貫いて嵌挿され、その先端が排気ガス誘導管７内における先端開口部付近に達して設けられるシールガス管５と、該シールガス管５によって部分的に排気ガス通路１から隔てられ、その放電極の先端をシールガス管５の先端開口部から、排気ガス通路１の下流側に向けて突出して配置される電極針４と、当該装置本体内における排気ガス通路１の下流側に配設される捕集板３と、電極針４に高圧直流電圧を印加する高圧電源装置６とによって構成され、さらに電極針４によるコロナ放電によって電子１０を放出するコロナ放電部２−１と、放出されたコロナ電子１０を排気ガスＧ１中のカーボンを主体とする粒状物質Ｓに帯電させる帯電部２−２とからなる放電帯電部が設けられ、帯電した粒状物質Ｓを捕集する捕集板３を、装置本体の本体壁１−１内に配置するように構成したもので、電極針４は静電集塵における電気抵抗率の低いカーボンを含有するＰＭの捕集を可能にするために、ＤＣ５０ｋＶにもなる高電圧の印加に際してもコロナ放電の電極針４の絶縁性能を維持できる構造、すなわち図７に示すように電極針４の外周部を、絶縁材料で被覆した第１層絶縁体被覆４−ａ、第２層導体被覆４−ｂ、第３層絶縁体被覆４−ｃからなる多層被覆層によって被覆し、かつ先端部４−１はシールガス管５の開口端から所定長さ突出した構造となっているもので、ディーゼルエンジンの排気ガスのＰＭの捕集効率の向上とその維持・持続に大きく寄与するものである。なお、４−ｄはアース導体線、Ｇ２はシールガスである。

一方、帯電したＰＭを静電集塵する方法として、特許文献２に開示される排気ガス浄化装置が知られている。この排気ガス浄化装置は、排気ガス中のＳＯＦ分が冷却、凝縮して液化されると、粘着性を持つミストとなり、このミスト状のＳＯＦ分は「鳥もちの原理」により超微小粒子を補足して凝集肥大化する性質、並びに、その静電凝集作用は集塵電極近傍で起きるため、その集塵電極近傍が冷却できれば静電凝集効果が促進されるという性質を利用して、帯電したＰＭが凝集する集塵電極（特許文献２の図１、符号１１ａ参照）壁面のみを積極的に冷却し、その集塵電極壁面に付着した液体ＳＯＦ成分をバインダーとして利用することにより、電気的に捕集対象成分を凝集させるものである。

特開２００８−１９８４９号公報特許第４５２９０１３号公報

しかしながら、コロナ放電などを利用して電気的に排気ガス中のＰＭを処理するディーゼルエンジンの排気ガス処理技術においては、以下に記載する課題が生じている。
すなわち、発電用や船舶用エンジンなどの、硫黄分の少ない軽油を使用する自動車用ディーゼルエンジンと比較して格段に大きな排気量を有しかつ重油以下の低質で硫黄分を多く含有する（重油は軽油に対し１０〜７０倍程度の硫黄分を含有：ＪＩＳＫ２２０４「軽油」、Ｋ２２０５「重油」による）燃料を使用する大排気量ディーゼルエンジンに、例えば先の特許文献１に記載の排気ガス浄化装置を用いた場合には、重油以下の低質燃料中の硫黄分が排気ガスにＳＯＦとして含まれるだけでなくサルフェートとなりエンジン構成部品、特に排気関係部品を腐食するという課題を克服する必要がある。
また、硫黄分の含有量の少ない上質な燃料である軽油を使用する自動車用に搭載した小排気量のディーゼルエンジン用である特許文献２に開示される技術は、静電凝集作用は集塵極近傍で起きるため、ガス全体を冷却する必要がなく、集塵極近傍が冷却できれば静電凝集効果が促進されるので、集塵極近傍のみにおいて次々に冷却されて凝縮、液体化が可能となり、帯電され、捕集する技術であるが、重油以下の低質燃料を使用する舶用などの大排気量であって流速が速くかつ排気ガスの温度の高いディーゼルエンジン、あるいはＰＭの排出量の多いエンジンでは、高い温度の排気ガス中のＰＭの凝縮・液体化する温度まで冷却する部分を集塵電極近傍のみでの局部的な冷却に限定したのでは冷却能力が不足して不十分な冷却となり、ＰＭの供給が多くてＰＭの冷却が追い付かない場合は、冷却されないままで温度が高く、ＰＭを含有した排気ガスが排出されることになってしまう。さらに、集塵電極近傍のみでの冷却ではその近傍を流れる排ガス中のＳＯＦ分やサルフェート成分は凝縮液化され捕集されるが、集塵電極から離れた部分を流れる排ガスはほとんど冷却されることがないから、当該排ガス中のＳＯＦ分は凝縮液化されることがない。したがって、集塵電極から離れた部分を流れる排ガス中のＳＯＦ分は、捕集されることなく排出されることになる。このように、前記重油以下の低質燃料を使用する大排気量ディーゼルエンジンに、硫黄分の含有量の少ない上質な燃料である軽油を使用する特許文献２に記載の排気ガス浄化装置を用いた場合には、前記サルフェート成分によるエンジン構成部品の腐食の問題のみならず、排気ガス中のＰＭ、特にＳＯＦ分の除去が十分に行われないという問題がある。

そこで本発明者らは、このような問題に鑑み、コロナ放電を利用した従来のディーゼルエンジンの排気ガス処理技術の前記問題点を解消し、特に重油以下の低質燃料を使用する大排気量で高速及び／又は大流量の排気ガスが排出されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭ、特にＳＯＦ分やサルフェート成分を高効率で除去できるとともに、長期にわたって安定した性能を発揮し得るディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法およびその装置を提案しようとするものである。

本発明の第一の発明は、重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有するＳＯＦ分およびＩＳＦ分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、ガス冷却手段により粒状物質を含む全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げた後、その粒状物質を電気的手段によって除去することを特徴とするものである。

本発明の第２の発明は、重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有するＳＯＦ分およびＩＳＦ分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流部に全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を配し、そのガス冷却部を通過した際に温度が下げられた排気ガスに含まれる粒状物質を電気的手段により帯電させて捕集することによって除去することを特徴とするものである。

本発明の第３の発明は、重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有するＳＯＦ分およびＩＳＦ分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流部に全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を配し、そのガス冷却部を通過した際に温度が下げられた排気ガスに含まれる粒状物質を、コロナ放電によって放出された電子により帯電させて、捕集することによって除去することを特徴とするものである。

本発明の第４の発明は、重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有するＳＯＦ分およびＩＳＦ分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流部に全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を配し、そのガス冷却部を通過した際に粒状物質を構成する有機溶剤可溶分を０．８５以下の排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒで表わされる過冷却気体状態とした粒状物質を、コロナ放電によって放出された電子により帯電させて捕集することによって除去することを特徴とするものである。

本発明の電気式排気ガス処理方法においては、第５の発明として、ガス冷却部の下流側において気水分離器によりガス冷却部を通過した排気ガスから凝縮水を分離除去することを好ましい態様とするものである。

本発明の第６の発明は、重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有するＳＯＦ分およびＩＳＦ分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去するための大排気量ディーゼルエンジン用電気式排気ガス処理装置において、その処理装置における排気ガス通路の上流部に、全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を備え、排気ガス通路の中流部にコロナ放電によって電子を放出するコロナ放電部と放出されたコロナ電子を粒状物質に帯電させる帯電部とを備える放電帯電部を有し、排気ガス通路の下流部に帯電した粒状物質を捕集する捕集部を備え、排気ガスがガス冷却部を通過した際に、粒状物質の有機溶剤可溶分が０．８５以下の排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ範囲で表わされる過冷却気体状態となって放電帯電部に送り込まれて粒状物質を電気的手段によって除去する構成となしたことを特徴とするものである。

本発明の第７の発明は、重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有するＳＯＦ分およびＩＳＦ分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去するための大排気量ディーゼルエンジン用電気式排気ガス処理装置において、その処理装置における排気ガス通路の上流部に、全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を備え、排気ガス通路の中流部に外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、その電極針によるコロナ放電によって電子を放出するコロナ放電部と放出されたコロナ電子を粒状物質に帯電させる帯電部とを備える放電帯電部を有し、排気ガス通路の下流部に帯電した粒状物質を捕集する捕集部を備え、排気ガスがガス冷却部を通過する際に、粒状物質の有機溶剤可溶分が０．８５以下の排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒで表わされる過冷却気体状態となって放電帯電部に送り込まれて粒状物質を電気的手段によって除去する構成となしたことを特徴とするものである。

本発明の電気式排気ガス処理装置においては、第８の発明として、ガス冷却部の下流側においてガス冷却部を通過した排気ガスから凝縮水を分離除去する気水分離器を設けることを好ましい態様とするものである。

本発明によるディーゼルエンジン排気ガスの電気式処理方法および装置は、船舶、発電機、大型建機および各種自動車の動力源として広く用いられるディーゼルエンジン排気ガスの浄化処理手段であって、特に船舶用、発電用、産業機器用などの硫黄分が多く含有される重油以下の低質燃料を使用する大排気量で高速及び／又は大流量の排気ガスが排出されるディーゼルエンジン、もしくは排出される排気ガスの温度が高い重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるカーボン、サルフェートなどのＩＳＦ分およびＳＯＦ分を主体とする有害な粒状物質であるＰＭを、効率的に除去することを可能とし、排気ガスの浄化率を高いレベルで達成することができる。
さらに、重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＰＭの除去が、長期間にわたって高い浄化率を以って安定的に持続可能となる上、例えば自動車部品などにおいて要求される実質的メンテナンスフリーを前記用途のディーゼルエンジンにおいても達成できる等の優れた効果を奏する。
また、生体に悪影響を及ぼすｎｍサイズのＰＭ粒子の大幅な低減が可能となり、大気環境の改善に大きく寄与するものである。
なお、本発明による排気ガスの電気式処理方法および処理装置は、ディーゼルエンジンのみならず、硫黄分が多く含有される重油以下の低質燃料を使用する各種機関・装置の排気ガスの浄化においても有効に活用できることはいうまでもない。

本発明におけるディーゼルエンジンの排気ガスの温度と捕集率の関係を示す図である。ディーゼルエンジンに使用する重油燃料の沸点を示す図である。本発明に係るディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理装置の配置構成の第一の実施例を示すブロック図である。本発明に係るディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理装置の配置構成の第二の実施例を示すブロック図である。本発明の実施例１におけるＰＭ粒子の粒子径分布を示す図である。従来のディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理装置の静電集塵部の一例を示す概略断面図である。図６に示す電気式排気ガス処理装置のコロナ放電極部を拡大した断面図である。

本発明者らは排気ガスの厳しい規制に対応するために、ディーゼルエンジンの排気ガス処理機構について、ディーゼルエンジンの排気管に図６、図７に示す静電サイクロンＤＰＦ装置及び後述する本発明の排気ガス冷却手段を用い、排気ガス中のＰＭの捕集機構を種々に改良して排気ガスの浄化状況を鋭意調査した。
その結果、排気ガス配管に熱交換器を設けて全排気ガスを予め冷却することにより、図１に示すように静電サイクロンＤＰＦに導入される排気ガスの温度の高低が、ＰＭ捕集率に大きく影響することを知見した。ここで、ＰＭ捕集率は、「捕集率＝１−（ＤＰＦ処理後のＰＭ濃度）／（ＤＰＦ処理前のＰＭ濃度）」と定義する。またＰＭ濃度は、ＩＳＯ／ＤＩＳ８１７３−１に準拠した方法で計測した。
なお、本発明でのＰＭとは、前記ＩＳＯ／ＤＩＳ８１７３−１の方法で捕集フィルター上に捕集された全ての物質を云う。

図１において、全ＰＭ（ＳＯＦ分＋ＩＳＦ分）の捕集率をηＰＭ、ＳＯＦ分の捕集率をηＳＯＦ、ＩＳＦ分の捕集率をηＩＳＦと表示する。図１からは、排気ガスの温度が低下するにつれて、ＰＭ捕集率が向上してくることがわかる。すなわち、排気ガスを冷やすほど全ＰＭ（ＳＯＦ分＋ＩＳＦ分）の捕集率は上昇し、その上昇傾向はＩＳＦ分＜ＰＭ＜ＳＯＦ分となることがわかる。
特に、排気ガスの温度の影響を最も大きく受ける成分はＳＯＦ分で、排気ガスの温度が低くなるにつれＳＯＦ分の捕集率（ηＳＯＦ）は顕著に向上している。すなわち排気ガスの温度が高い状態、例えば３００℃を超える排気ガスの温度では、ＳＯＦ分の高い捕集は困難となることがわかる。一方、ＩＳＦ分については排気ガスの温度の影響は比較的小さいことがわかる。

ここで、ＳＯＦ分捕集の温度傾向に関しては、参考文献「日本マリンエンジニアリング学会編：平成１７年度船舶排出大気汚染物質削減技術検討調査報告書，日本マリンエンジニアリング学会，２００６年３月，ｐ５８−６０. 」、および参考文献「日本マリンエンジニアリング学会編：マリンエンジニアリング技術者継続教育基礎コース，日本マリンエンジニアリング学会，２００９年７月，ｐ３１５−３１７０. 」から、ＪＩＳＺ８８０８に定められたＰＭ濃度測定法では、排気管中に捕集用フィルタを挿入して排気ガスを吸引するが、この排気ガスは高温のままでフィルタを通過するために、この方法では排気ガス中のＰＭのうちＩＳＦ分は捕集できるが、ＳＯＦ分は捕集できないと言われている。

このＳＯＦ分が捕集できない理由は、ディーゼルエンジンから排出された段階での排気ガスの温度は高く、したがってＳＯＦ分の大部分は気体状態と考えられる。このことから固体や液体の粒子は捕集できるが気体は捕集できないＪＩＳの捕集用フィルタやセラミックＤＰＦのような機械式のフィルタでは、ＳＯＦ分は捕集できないこととなる。
したがって、排気ガスの温度自体が高く、かつ大流量で流速が速く、また外部に排出されるまでに排気ガスの温度低下の小さい船舶用、発電用、産業機器用などの大排気量のディーゼルエンジンに、従来からの自動車などの小排気量ディーゼルエンジンの排気ガス処理に対応する機構の排気ガス浄化装置を使用した場合には、排気ガス浄化装置に取り込まれる直前の排気ガスの温度が高く、排気ガス中のＳＯＦ分は気体状態となっているために、十分にＳＯＦ分を除去できなかったものと考えられる。

一方、静電集塵の場合に関しても捕集が可能な物質は、コロナ電子が帯電できる固体、あるいは液体の粒子であり、気体は帯電されないので静電捕集ができない。
したがって、静電集塵においてＳＯＦ分を捕集するとすれば、エンジンから排出された直後の排気ガスにおいて気体であったＳＯＦ分が何等かの作用により気体の状態から凝縮して液体の状態に変化し、静電集塵部（例えば図６に示す帯電放電部２、特に帯電部２−２から捕集板３近傍にかけての領域）に存在していることが必要であると考えられる。
また、排気ガスの温度が高くなるにつれてＳＯＦ分の気体成分組成が多くなると考えられることからもＳＯＦ分の捕集率は、排気ガスが高温になるほど低下する図１に示される捕集率の温度傾向が理解できる。

以下、本発明の静電集塵におけるＳＯＦ分、サルフェート成分の捕集メカニズムについて説明する。
図２は、ディーゼルエンジンに使用する炭化水素である重油燃料の沸点を示す図で、横軸は燃料に含有される炭化水素成分の炭素（Ｃ）数、縦軸は当該成分の沸点である。図２では各成分の沸点を曲線で結んで表示してある。横軸の炭素数ｎの標記に対応する炭化水素の一般化学式Ｃ_ｎＨ_ｍにおいて、ｍは炭化水素の化学構造に依存し、例えば、アルカン類（鎖式飽和炭化水素）であればＣｎＨ_２ｎ＋２であり、炭素数ｎが１７より大きい一般の重油燃料の場合は、比較的沸点の高い炭化水素成分・多環芳香族成分を軽油より多く含有している。なお、標準的な軽油の炭素数ｎは１４＜ｎ＜２０である。

ここで、ＳＯＦ分が燃料や潤滑油の未燃分として生じるものを主な成分とすることからＤＰＦに流入する排気ガスの温度と燃料の沸点を考えてみる。
ディーゼルエンジンの排気管系に設けられるＤＰＦの入口側において、排気ガスの温度の方が燃料の沸点より高い場合では、ＳＯＦ分は気体状態でその多くが存在し、逆に排気ガスの温度が燃料の沸点より低い場合には、排気ガス中のＳＯＦ分は凝縮して液体状態になっていると思われるが、実際にはＳＯＦ分は不安定な過冷却状態の気体のままであり、したがって捕集用フィルタやセラミックフィルタなどのメカニカルな捕集機構のみでは、この気体状態のＳＯＦ分は捕集できない。
なお、サルフェート分は燃料中に含まれる硫黄分が酸化して生じるものを主な成分とするもので、その凝縮形態においては前記ＳＯＦ分と同様の形態を呈するものと考えられる。

そこで、本発明者らは、図３、図４に示すように、電気式排気ガス処理装置の入口側に排気ガスの全量を冷却する冷却装置を設置して、排気ガス処理装置に導入する全排気ガスの温度を種々に変更する実験を行った結果、図１に示すように排気ガスの温度を低下させることによりＰＭの捕集率が向上することを見出した。
すなわち、排気ガス処理装置の放電帯電部に排気ガスが導入される以前に、全排気ガスの温度を低下させてＳＯＦ分の冷却度（当該成分の沸点と排気ガスの温度との温度差）を大きくし、その状態で排気ガスにコロナ放電による電子を放射すると、過冷却状態にある気体状（ガス状）のＳＯＦ分やサルフェート分は、電子の刺激により凝縮液化する。この現象は、ウイルソンの霧箱で知られるものと類似の現象と考えられる。この液化したＳＯＦ粒子をコロナ放電により帯電すれば、静電集塵によりＳＯＦ分を捕集できるのである。また、サルフェート成分も同様であると考えられる。これが本発明者らの推論する静電集塵におけるＳＯＦ分およびサルフェート分捕集のメカニズムである。
このメカニズムによれば、ＳＯＦ分、サルフェート分の冷却度が大きいほど、すなわち排気ガスの温度が低いほど、ＳＯＦ分やサルフェート成分の凝縮が促進されることからＳＯＦ分およびサルフェート成分の捕集率は向上する。

このように排気ガスの温度を低下させることにより、ＳＯＦ分、サルフェート分の捕集率は向上する。その排気ガスの温度を低下させる方法としては、静電集塵を行う装置の入口側に、船舶では既設のレキュペレータなどの熱交換装置を排気ガス冷却装置として設ければ良い。また、その他の排気ガス冷却装置としては、水や海水の噴霧装置等を設置し、その水滴を凝集させないで完全に蒸発させ、その時に排気ガスから気化熱を奪って温度を下げる方法も適用できるが、水滴が完全に蒸発せずに凝集して水滴のまま静電集塵装置に溜まると装置の腐食の原因となるので、注意が必要である。しかし、装置の材料を耐食性を備えた例えばステンレス鋼、耐硫酸露点腐食鋼（例えば、新日本製鉄株式会社製の商品名：Ｓ−ＴＥＮ１）などにより対応することができる。

なお、水滴を凝集させないで完全に蒸発させる点からは、高温水や高温海水の噴霧が望ましい。この高温噴霧は、参考文献「特開２００１−１３２９３７号公報、段落０００７」で指摘される通り、第一に高温水であるために水滴粒子が過飽和蒸気圧になることがなく、よって水滴同士の凝集が発生せず、そのまま蒸発消滅して排気ガスの急速冷却が可能となる点、第二に水の粘度が常温時の約１／３程度迄下がることから、水滴の粒が非常に細かい状態で噴霧できる点にある。ここで、噴霧するものは海上航海の船舶ならば海水が経済的には有利である。
なお、また、排気ガスの温度を下げる方法としては、前記したレキュペレータなどの熱交換装置、水や海水の噴霧装置を単独で用いるのみならず、これらを組み合わせて用いてもよいことはいうまでもない。

本発明において、ガス冷却部から排出されてガス処理装置の放電帯電部に流入する全排気ガスの温度を１００℃以上に限定した理由は、１００℃未満では排気ガス中の水分などが捕集面に大量に凝縮し、捕集面に堆積したＰＭ微粒子が凝縮した水分により粘着されて捕集面から剥離し難くなり、排気ガスのガス流中に砂嵐状あるいは吹雪状に分散・舞い上がった状態での流下がされ難くなってその後の処理が難しくなるためである。なお、現実にはガス冷却部から排出されるガス処理装置の放電帯電部に流入する全排気ガスの温度は１３０℃程度であれば前記不具合はほとんど発生せずＰＭ微粒子の後処理上好ましい。このため、本発明では前記全排気ガスの温度を好ましくは１３０℃以上とした。
また、ガス冷却部の下流側で静電集塵部の上流側に気水分離器を設けることにより、ガス冷却部を通過した排気ガス中から燃焼により生じた水蒸気、ＳＯＦ分、サルフェート分、カーボンなどが懸濁した凝縮水を予め分離除去することができるので、全排気ガスの温度を１００℃程度まで冷却しても良い。

本発明において、排気ガスの温度の冷却程度を表す指標としては、下記式１で定義する排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを用いることとする。

［式１］
排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝排気ガスの温度÷重油燃料の沸点

なお、ディーゼルエンジンの燃料の重油などに含まれる各成分の沸点は当然異なるが、本発明では使用する重油成分の炭素数の下限の成分を基準にとり、その沸点を用いて排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを算出している。その理由は、炭素数の下限の成分の沸点を基準に取って「排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ」を決定すれば、炭素数が多い成分ほど沸点が高いことから、重油に含まれる全成分についての平均的な過冷却度はより大きくなり、結果ＰＭ捕集の点からは有利になるからである。

この排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒの適正値は、船舶用ディーゼルエンジンを用い、燃料にＡ重油を使用した実験を行って求めた。試験に使用した重油成分の炭素数の下限成分として、ヘプタデカンＣ１７Ｈ３６（Ｃ＝１７）を採り、その沸点（約３００℃）を用いて排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを算出した。その結果、静電集塵を行う放電帯電部の入口側における排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒの好ましい範囲としては、０．８５以下であることが望ましく、より好ましくは０．７０以下である。その理由は、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒが０．８５を超えると、ほとんどのＳＯＦ分、サルフェート分を液状化させられないためである。すなわち、ガス冷却部を通過した排気ガスにおいて、ＰＭ粒子の有機溶剤可溶分であるＳＯＦ分およびサルフェート分は、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒが０．８５以下の過冷却気体状態で、放電帯電部に送り込まれることが望ましく、その排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒが０．８５を超える状態では、気体状態のＳＯＦ分及びサルフェート分が多く残存して十分な量のＳＯＦ分及びサルフェート分を、次の帯電放電部において凝縮液化、帯電する過冷却気体状態を形成できず、満足する浄化効果が得られないためである。

このように、本発明では排気ガス処理装置の入側におけるディーゼルエンジンから排出される全排気ガスの温度を、排気ガス処理に適正な温度に冷却することにより、全排気ガス中のＰＭを効率良く捕集するもので、特に排気ガスの温度が使用する燃料の主成分を構成する炭化水素成分の沸点より高い場合に、その効果をより発揮する。特に、船舶用、発電用、産業機器用などの大型、大排気量で高速及び／又は大流量の排気ガスが排出されるディーゼルエンジンの燃料に用いられる原油残渣分の多いＣ重油、Ｃ重油を加熱、あるいは加熱したＡ重油を混合した燃料（ＳＯＦ分やサルフェート成分を多く含む）、タール分（ピッチ分）に水素添加した硫黄分の多い燃料などを用いた場合には顕著な効果をもたらすものである。

なお、本発明の電気式排気ガス処理装置の構成は、ガス冷却装置の次位に図６に示すような放電帯電部２と捕集板３とからなる静電集塵部のみを備えた装置でも、さらに静電集塵部の次位に第２の捕集部、例えば特許文献１のサイクロン集塵部などを備えた装置でも良い。

次に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。
本発明の効果を確認するため、燃料としてＡ重油を用い舶用ディーゼルエンジンに本発明の電気式排気ガス処理装置を適用して以下の試験を実施した。なお、以下の実施例における［式１］による排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒの計算における重油燃料の沸点は、ヘプタデカンＣ１７Ｈ３６（Ｃ＝１７）の沸点（約３００℃）を用いた。
以下の実施例ではまず、前記ＩＳＯ／ＤＩＳ８１７３−１に準拠した方法によりＰＭ捕集率の計測を行った。
次いで、排気ガス中のｎｍサイズのＰＭ粒子の捕集状況を調べるため、粒子径が５００ｎｍ以下の単位体積当たりの個数を計測する微粒子計測器（ＳＭＰＳ；走査式モビリティーパーティクルサイザー）を使用し、ディーゼルエンジンから排出された直後の排気ガスのＰＭ粒子個数と本発明の浄化方法で全排気ガスを処理した後の排気ガスのＰＭ粒子個数を比較した。粒子個数の単位は、個／ｃｍ^３で表わしている。

また、第一の実施例である実施例１〜５は、静電集塵部とサイクロン集塵部を備えた静電サイクロンＤＰＦ装置を用いた図３に示す配置構成の装置を使用し、第二の実施例である実施例６〜９は、放電帯電部と捕集部を備えた静電集塵部を用いた図４に示す配置構成の装置を使用した。なお、各実施例では排気ガスの冷却方法に、公知の水冷の多管式熱交換器からなる排気ガス冷却装置を使用した。

第一の実施例である本実施例は、図３に示す装置を使用してエンジンからの全排気ガスをガス冷却装置により冷却し、ＤＰＦ入側の排気ガスの温度を２４７℃として、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．８２に設定してＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に示す。
なお、表１において、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度は、図３、図４に示す装置構成の冷却装置で冷却された排気ガスの温度を表わしている。また捕集性の評価は、ＰＭ捕集率８０％以上、ＳＯＦ捕集率７０％以上、ＩＳＦ捕集率８５％以上を「◎」、ＰＭ捕集率７０％以上、ＳＯＦ捕集率６０％以上、ＩＳＦ捕集率８０％以上を「○」、ＰＭ捕集率６０％以上、ＳＯＦ捕集率５０％、ＩＳＦ捕集率７０％以上を「△」、ＰＭ捕集率６０％未満、ＳＯＦ捕集率５０％未満、ＩＳＦ捕集率８０％未満を「×」と評価している。

さらに本実施例において、ｎｍサイズのＰＭ粒子の捕集状況を測定した。その結果を図５に示す。図５に示す結果より、ディーゼルエンジンからの排出直後の排気ガスに含まれるＰＭ粒子のピーク値の粒子個数の分布状況（点線で示す）が１．５×１０^７個／ｃｍ^３であるのに対して、全排気ガスを予め冷却した後浄化処理を施した後のＰＭ粒子個数の分布状況（実線で示す）は１．７×１０^６個／ｃｍ^３となり、ｎｍサイズのＰＭ粒子の総数を大きく低減していることがわかる。これは、ｎｍサイズのＰＭ粒子の大部分がＳＯＦ分とサルフェート分であることから、排気ガス温度を低くすることによって、ＳＯＦ分とサルフェート分が凝縮して静電集塵部で捕集されたものと考えられる。

本実施例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を２２３℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．７４とした以外は、実施例１と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

本実施例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を１９８℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．６６とした以外は、実施例１と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

本実施例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を１７７℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．５９とした以外は、実施例１と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

本実施例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を１５５℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．５２とした以外は、実施例１と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

第二の実施例である本実施例は、図４に示す装置を使用し、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を２４０℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．８０とした以外は、実施例１と同様に試験を行い、ＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

本実施例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を２００℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．６７とした以外は、実施例６と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

本実施例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を１５１℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．５０とした以外は、実施例６と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

本実施例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を１０５℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．３５とした以外は、実施例６と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

（比較例１）
本比較例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を３５７℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを１．１９とした以外は、実施例１と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。この比較例は、実際に排気ガスを冷却せずに電気式浄化処理を行った場合に相当する。

（比較例２）
本比較例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を３００℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを１．００とした以外は、実施例１と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

（比較例３）
本比較例は、ＤＰＦ入り側の排気ガスの温度を２７４℃とし、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒを０．９１とした以外は、実施例１と同様に試験を行いＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）およびＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

表１から明らかなように、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒが０．８５以下になれば、ＳＯＦ捕集率（ηＳＯＦ）が６０％以上、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）が７５％以上、ＩＳＦ捕集率（ηＩＳＦ）が８０％以上の高い捕集率が得られた。
一方、排気ガス温度が高いままの比較例では、満足すべき結果が得られなかった。

この結果は、船舶用ディーゼルエンジンの平均的なＰＭ排出率が通常０．６ｇ／ｋＷｈ程度であることから、ＰＭ捕集率（ηＰＭ）が７５％以上の実施例に示す大排気量ディーゼルエンジン用電気式排気ガス処理装置を装備した船舶からのＰＭ排出率は０．６×（１−０．７５）＝０．１５ｇ／ｋＷｈ以下とすることが可能であることを示している。
この値は、すでに船舶からのＰＭ排出規制を実施している米国の２０１２年度第３次規制案における規制値（参考文献「日本マリンエンジニアリング学会編：平成１９年度船舶排出大気汚染物質削減技術検討調査報告書，日本マリンエンジニアリング学会，２００８年３月，ｐ９０. 」参照）０．２７ｇ／ｋＷｈを大きく満足しているものである。

なお、実施例１〜５で使用した図３に示す装置では，静電集塵部で捕集されたＰＭの凝集堆積厚みが増加して過大になると、ＰＭの凝集塊として剥離する。この剥離したＰＭ凝集塊は、後段のサイクロン集塵部で捕集され、ダストボックスに回収し蓄積される。また、実施例６〜９で使用した図４に示す装置の場合には、静電集塵部で捕集されたＰＭはメカニカルな振動や掻落（ブラッシング）機構などによりダストボックスに回収し蓄積させても良い。
また、本発明は図３、図４に示す装置において、排気ガス冷却装置の下流側に気水分離器を設置することにより、排気ガスから凝縮水を分離・除去することができる。この凝縮水を予め除去しておくことにより、凝縮水に硫黄起源生成物や窒素起源生成物が含有されて排気ガス内から減少し、凝縮水に付着するＰＭ中のＩＳＦ（すす）に硫黄起源生成物や窒素起源生成物が吸着されて減少し、排気ガス中のＰＭ（ＳＯＦ、ＩＳＦ）並びに窒素起源生成物の含有量を減らし、ＤＰＦの負荷を軽減させると共に、エンジンおよび関連部品の耐久性を損ねる危惧をさらに減らすことができる。このような効果は、排気ガス冷却装置から排出される排気ガス温度が１００℃程度付近の場合に特に顕著である。なお、前記気水分離器では凝縮水を完全に除去する必要はなく、大きな粒子をバッフル（分離板）に衝突させて分離し、微細な液状粒子と固体粒子を後段のコロナ放電により帯電させてクーロン力により捕集板に吸着させて捕集・集塵させることにより除去すればよい。

１排気ガス通路
１−１本体壁
２放電帯電部
２−１コロナ放電部
２−２帯電部
３捕集板
４電極針
４−ａ第１層絶縁体被覆
４−ｂ第２層導体被覆
４−ｃ第３層絶縁体被覆
４−ｄアース導体線
５シールガス管
６高圧電源装置
７排気ガス誘導管
８ＰＭ
１０コロナ電子
Ｇ１排気ガス
Ｇ２シールガス

Claims

重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有する有機溶剤不溶性分および有機溶剤可溶性分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、
ガス冷却手段により前記粒状物質を含む全排気ガスの温度を、１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げた後、前記粒状物質を電気的手段によって除去することを特徴とする電気式排気ガス処理方法。
重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有する有機溶剤不溶性分および有機溶剤可溶性分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、
電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流部に全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を配し、前記ガス冷却部を通過した際に温度が下げられた排気ガスに含まれる粒状物質を電気的手段により帯電させて捕集することによって除去することを特徴とする電気式排気ガス処理方法。
重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有する有機溶剤不溶性分および有機溶剤可溶性分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、
電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流部に全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を配し、前記ガス冷却部を通過した際に温度が下げられた排気ガスに含まれる粒状物質を、コロナ放電によって放出された電子により帯電させて、捕集することによって除去することを特徴とする電気式排気ガス処理方法。
重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有する有機溶剤不溶性分および有機溶剤可溶性分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去する大排気量ディーゼルエンジンの電気式排気ガス処理方法において、
電気式排気ガス処理装置における排気ガス通路の上流部に全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を配し、前記ガス冷却部を通過した際に粒状物質を構成する有機溶剤可溶分を０．８５以下の排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒで表わされる過冷却気体状態とした前記粒状物質を、コロナ放電によって放出された電子により帯電させて捕集することによって除去することを特徴とする電気式排気ガス処理方法。
前記ガス冷却部の下流側において気水分離器によりガス冷却部を通過した排気ガスから凝縮水を分離除去することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気式排気ガス処理方法。
重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有する有機溶剤不溶性分および有機溶剤可溶性分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去するための大排気量ディーゼルエンジン用電気式排気ガス処理装置において、
前記処理装置における排気ガス通路の上流部に、全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を備え、前記排気ガス通路の中流部に、コロナ放電によって電子を放出するコロナ放電部と放出されたコロナ電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とを備える放電帯電部を有し、前記排気ガス通路の下流部に、帯電した前記粒状物質を捕集する捕集部を備え、前記排気ガスが前記ガス冷却部を通過する際に前記粒状物質の有機溶剤可溶分が０．８５以下の排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ範囲で表わされる過冷却気体状態となって前記放電帯電部に送り込まれて、前記粒状物質を電気的手段によって除去する構成となしたことを特徴とする電気式排気ガス処理装置。
重油以下の低質燃料を使用するディーゼルエンジンの排気ガス中に含有する有機溶剤不溶性分および有機溶剤可溶性分を主体とする粒状物質を、電気的手段によって除去するための大排気量ディーゼルエンジン用電気式排気ガス処理装置において、
前記処理装置における排気ガス通路の上流部に、全排気ガスの温度を１００℃以上、好ましくは１３０℃以上、排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒ＝０．８５で示す温度以下に下げるガス冷却部を備え、前記排気ガス通路の中流部に、外周を多層構造の被膜で覆れた電極針を配置し、前記電極針によるコロナ放電によって電子を放出するコロナ放電部と放出されたコロナ電子を前記粒状物質に帯電させる帯電部とを備える放電帯電部を有し、前記排気ガス通路の下流部に、帯電した前記粒状物質を捕集する捕集部を備え、前記排気ガスが前記ガス冷却部を通過する際に前記粒状物質の有機溶剤可溶分が０．８５以下の排気ガス温度／燃料沸点温度比Ｒで表わされる過冷却気体状態となって前記放電帯電部に送り込まれて、前記粒状物質を電気的手段によって除去する構成となしたことを特徴とする電気式排気ガス処理装置。
前記ガス冷却部の下流側においてガス冷却部を通過した排気ガスから凝縮水を分離除去する気水分離器を設けることを特徴とする請求項６または７に記載の電気式排気ガス処理装置。