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燃焼方法および燃焼装置 - 特開2008−32366 | j-tokkyo
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【発明の名称】 燃焼方法および燃焼装置
【発明者】 【氏名】田中 収

【氏名】徳永 幸博

【氏名】岡本 裕介

【氏名】安井 賢志

【要約】 【課題】燃焼状態等の違いがあっても安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼装置を提供することを課題とする。

【構成】本発明は、連続燃焼によりガスを生成するバーナ10と、ガスから吸熱する吸熱手段とを備えた燃焼装置1であって、吸熱手段を通過後のガスに含まれる一酸化炭素を酸化すると共に窒素酸化物を還元する触媒部50と、触媒部50の下流側にてガスの性状を直接的または間接的に検出する検出手段60と、検出手段60からの検出信号に基づき、バーナ10における空気比を制御する空気比制御手段と必要に応じて、触媒部50を活性化させる触媒部活性化手段80とを有することを特徴としている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
バーナを連続燃焼させてガスを生成するガス生成工程と、前記ガスから吸熱する吸熱工程とを備えた燃焼方法であって、
前記吸熱工程後、前記一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部に対して、前記ガスを接触させる触媒部接触工程と、
前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出工程と、
前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御工程と、
必要に応じて、前記触媒部の活性化を行う触媒部活性化工程とを含む
ことを特徴とする燃焼方法。
【請求項2】
前記触媒部活性化工程にて、前記ガス中の前記一酸化炭素濃度を高める
請求項1に記載の燃焼方法。
【請求項3】
前記触媒部活性化工程にて、前記触媒部の温度を高める
請求項1または2に記載の燃焼方法。
【請求項4】
前記空気比制御工程にて、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく制御されている
請求項1から3のいずれか1項に記載の燃焼方法。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0
(上記数式において、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。)
【請求項5】
連続燃焼によりガスを生成するバーナと、前記ガスから吸熱する吸熱手段とを備えた燃焼装置であって、
前記吸熱手段を通過後の前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部と、
前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御手段と
必要に応じて、前記触媒部を活性化させる触媒部活性化手段とを有する
ことを特徴とする燃焼装置。
【請求項6】
前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、前記空気比制御手段にて制御されている
請求項5に記載の燃焼装置。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0
(上記数式において、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。)
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、水管ボイラや吸収式冷凍機の再生器等に適用される燃焼方法および燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、NOx発生の抑制原理として、火炎(燃焼ガス)温度の制御、高温燃焼ガスの滞留時間の短縮などが知られている。そして、これらの原理を応用した種々の低NOx化技術が提案されている。例えば、二段燃焼法、濃淡燃焼法、排ガス再循環燃焼法、水添加燃焼法、蒸気噴射燃焼法、水管群による火炎冷却燃焼法等が提案され実用化されている。
【0003】
ところで、水管ボイラ等の比較的容量の小さいNOx発生源に対しても、環境への関心が高まり、一層の低NOx化が求められている。しかしながら、通常、NOxの生成を低減するとCOの排出量が増加する場合が多いため、NOxとCOとを同時に削減することが難しい。
【0004】
その原因は、低NOx化と低CO化とが相反する技術的課題であることにある。すなわち、低NOxを推し進めるために燃焼ガス温度を急激に低下させ、900℃以下の低い温度に抑制すると、COが多量に発生すると共に発生したCOが酸化されないまま排出され、CO排出量が増大してしまう。逆に、COの排出量を少なくするために、燃焼ガス温度を高めに抑制すると、NOxの生成量の抑制が不十分となる。
【0005】
この課題を解決するために、出願人は、低NOx化に伴い発生するCO量をできるだけ少なくするように、また発生したCOが酸化するように燃焼ガス温度を抑制する低NOxおよび低CO技術を提案し、製品化している(特許文献1参照)。しかしながら、この特許文献1記載の低NOx化技術は、現実には生成NOx値が25ppm程度にとどまっていた。
【0006】
また、出願人は、他の方法として、NOx発生の抑制を排出CO値の低減に優先するように燃焼ガス温度を抑制し、生成NOx値を所定値以下とする低NOx化ステップを行い、その後に前記低NOx化ステップからの排出CO値を所定値以下とする低CO化ステップを行う、低NOx燃焼方法を提案している(特許文献2参照)。この特許文献2の技術によれば、10ppmを下回る低NOx化が可能となるが、5ppmを下回る低NOx化を実現することは難しい。
【0007】
さらに、ボイラ等の燃焼装置においては、通常、低燃焼および高燃焼を含む三位置制御等が行われている。つまり、必要に応じて、一つの缶体内(燃焼領域内)で複数の燃焼量における運転が行われている。このように、一つの缶体内で異なる燃焼量の運転が行われる場合、例えば、高燃焼時の低NOx化を図るべく、バーナや缶体等の設計が行われる。しかしながら、このような構成によれば、高燃焼時以外(例えば低燃焼時)においては、高燃焼時と同様のNOx低減を図ることは困難となる。
【0008】
また、ボイラ等の燃焼装置は、その起動時と定常運転時、あるいは季節の変化等によって、缶体およびその構成要素の各部において、温度に違いが生ずる。具体的には、例えば、起動時と定常運転時とを比較すると、起動時の方が、缶体およびその構成要素の各部の温度が低くなる。通常、バーナや缶体等の設計は定常運転時を基準としているため、定常運転時の状態で低NOx化を図っていても、起動時においては、定常運転時と同様のNOx低減を図ることは困難となる。
【0009】
【特許文献1】特許第3221582号公報
【特許文献2】特開2004−125378号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
ところで、特許文献2記載の低NOx化技術は、空気比が高い燃焼領域(いわゆる高空気比燃焼領域、例えば、空気比が1.38以上の高空気比燃焼領域)における技術であるが、これに対して、空気比が低い燃焼領域(例えば、限りなく零に近い低Oの予混合燃焼領域)については、一酸化炭素の発生量が大幅に上回り実用化が困難であること、および空気比が1以下となるとバックファイアを起こす等安定した燃焼制御が困難なために、これまで殆ど研究開発の対象とされていなかった。
【0011】
また、近年は、環境問題(低NOx化、低CO化等)に加えて、省エネルギ化も叫ばれており、低空気比燃焼が実現できれば、省エネルギ化に大きく寄与するところであるが、上記理由(COの発生量の増大、不安定な燃焼状態)により、実用化は困難であった。
【0012】
さらに、従来の低NOx化技術においては、低燃焼時と高燃焼時、起動時と定常運転時等の違い(以下、「燃焼状態等の違い」ともいう。)によって、NOxの低減に違いが生じ、安定した低NOx化を実現できないという問題があった。
【0013】
しかしながら、本件出願にかかる発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、これまで実現不可能とされていた「安定した低空気比燃焼」を実現することによって、窒素酸化物および一酸化炭素を限りなく零に近く低減して極超低NOx化を実現可能な、新規で有用な発明を創出するに至った。本件発明の創出に至る大きな要因は、これまでは、高空気比燃焼による低NOx化が業界の常識であったところ、「安定した低空気比燃焼」による低NOx化に視点を転換し、低NOx化および低CO化のみならず、低空気比燃焼によるボイラ効率の向上、すなわち省エネルギ化を実現可能としたことである。
【0014】
また、本件出願にかかる発明者らは、さらに鋭意研究を重ねた結果、上記「安定した低空気比燃焼」を実現すると共に、「燃焼状態等の違い」にも対応可能な技術を確立した。すなわち、「燃焼状態等の違い」が生ずる場合であっても、安定した低NOx化を実現可能とした。
【0015】
そこで、本発明は、燃焼状態等の違いがあっても安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼方法および燃焼装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バーナを連続燃焼させてガスを生成するガス生成工程と、前記ガスから吸熱する吸熱工程とを備えた燃焼方法であって、前記吸熱工程後、前記一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部に対して、前記ガスを接触させる触媒部接触工程と、前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出工程と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御工程と、必要に応じて、前記触媒部の活性化を行う触媒部活性化工程とを含むことを特徴としている。
【0017】
また、本発明にかかる燃焼方法においては、前記触媒部活性化工程にて、前記ガス中の前記一酸化炭素濃度を高める構成とすることが好ましい。
【0018】
さらに、本発明にかかる燃焼方法においては、前記触媒部活性化工程にて、前記触媒部の温度を高める構成とすることが好ましい。
【0019】
また、本発明にかかる燃焼方法においては、前記空気比制御工程にて、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく制御されていることが好ましい。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0
ここで、上記数式において、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たすものとする。
【0020】
さらに本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、連続燃焼によりガスを生成するバーナと、前記ガスから吸熱する吸熱手段とを備えた燃焼装置であって、前記吸熱手段を通過後の前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部と、前記触媒部の下流および上流の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御手段と、必要に応じて、前記触媒部を活性化させる触媒部活性化手段とを有することを特徴としている。ここで、前記吸熱手段は、前記触媒部へ流入するガス温度を前記触媒部の活性化温度近くに制御する機能をも有する。すなわち、ガス温度を、後述する酸化反応および還元反応を効果的に生じさせ、かつ温度による劣化を抑制し、耐久性を考慮した温度に制御する。
【0021】
ここで、触媒部活性化手段としては、例えば、前記触媒部に接触前のガス中の一酸化炭素濃度を高めるべく構成された一酸化炭素濃度調整手段や、前記触媒部の温度を上昇させる触媒部加温手段等があげられる。また、「必要に応じて」の一例としては、燃焼装置の起動時、低燃焼時、あるいは燃焼装置(およびその構成要素)の温度が低い場合等があげられ、本発明にかかる燃焼装置は、このような状態のときに、前記触媒部活性化手段が機能すべく構成されている。
【0022】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記検出手段が前記触媒部の下流側に設けられている構成が好ましい。
【0023】
さらに、本発明にかかる燃焼装置においては、前記空気比制御手段が、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナに供給される空気量および燃料量の少なくとも一方を制御すべく構成されていることが好ましい。
【0024】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記空気比制御手段が、ステッピングモータにて駆動するダンパを用いて、前記バーナに供給される空気量を制御すべく構成されていることが好ましい。
【0025】
さらに、本発明にかかる燃焼装置においては、前記空気比制御手段が、送風機の回転数を制御するインバータを用いて、前記バーナに供給される空気量を制御すべく構成されていることが好ましい。
【0026】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記空気比制御手段が、燃料供給部に設けられた燃料制御手段を用いて、前記バーナに供給される燃料量を制御すべく構成されていることが好ましい。
【0027】
さらに、本発明にかかる燃焼装置においては、前記バーナが、予混合バーナであることが好ましい。
【0028】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記検出手段が、前記ガスの酸素濃度を検出すべく構成されていることが好ましい。
【0029】
さらに、本発明にかかる燃焼装置においては、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、前記空気比制御手段にて制御されていることが好ましい。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0
ここで、上記数式において、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たすものとする。
【0030】
さらに、本発明にかかる燃焼装置においては、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、前記空気比制御手段にて制御されていることが好ましい。
([NOx]+2[O])/[CO]≦1.5
ここで、上記数式においては、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たすものとする。
【0031】
また、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、連続燃焼によりガスを生成するバーナと、前記ガスから吸熱する吸熱手段とを備えた燃焼装置であって、前記吸熱手段を通過後の前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部と、前記触媒部の下流にて前記ガスの酸素濃度を直接的または間接的に検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御手段と、必要に応じて、前記触媒部を活性化させる触媒部活性化手段とを有し、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、前記空気比制御手段にて制御されていることを特徴としている。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0
ここで、上記数式においては、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たすものとする。
【0032】
さらに、上述した燃焼装置を構成する前記触媒部は、通気性を有する基材と、前記基材表面に担持された触媒(触媒層)とを用いて構成されている。前記基材は、耐熱性材料(例えば、アルミナ等のセラミック材料、ステンレス等の金属材料等)を用いて構成されており、通気面積を確保すべく、ハニカム構造等の構成を有している。さらに、触媒(酸化触媒)としては白金が用いられるが、必要に応じて、白金に代表される貴金属(Ag,Au,Rh,Ru,Pt,Pd)のいずれか、あるいはこれらの酸化物が用いられてもよい。また、触媒としては、これらの貴金属の二種以上のものを併用してもよい。
【発明の効果】
【0033】
本発明によれば、燃焼状態等の違いがあっても安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼方法および燃焼装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0034】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【0035】
まずは、本発明の実施形態を説明する前に、本明細書において使用する用語について説明する。「ガス」とは、バーナから触媒部を通過し終わるまでのガスをいい、触媒部を通過した後のガスを「排ガス」という。したがって、ガスは、燃焼反応中(燃焼過程)のガスと燃焼反応が完結したガスとを含み、燃焼ガスと称することができる。ここにおいて、触媒部がガスの流れに沿って多段に設けられている場合、「ガス」とは、最終段の触媒部を通過し終わるまでのガスをいい、「排ガス」とは、最終段の触媒部を通過した後のガスをいう。
【0036】
また、「触媒部の一次側」とは、触媒部に対しバーナが設けられている側であって、特に断らない限り、ガスがこの触媒部を通過する直前をいい、「触媒部の二次側」とは、触媒部の一次側の反対側をいう。
【0037】
また、「HCを含まない」とは、ガス中に窒素酸化物を還元するHCが実質的に含まれていない(測定限界以下である)ことを意味している。
【0038】
さらに、空気比mは、「m=21/(21−[O])」と定義する。ただし、[O]は、排ガス中の酸素濃度を表すが、空気比を求める際に用いる[O]は、酸素過剰領域では過剰酸素濃度を表し、燃料過剰領域では一酸化炭素などの未燃ガスを空気比m=1で燃焼させるのに必要な不足酸素濃度を負の値として表す。
【0039】
本実施形態の第一態様にかかる燃焼方法は、バーナを連続燃焼させてガスを生成するガス生成工程と、前記ガスから吸熱する吸熱工程とを備えた燃焼方法であって、前記吸熱工程後、前記一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部に対して、前記ガスを接触させる触媒部接触工程と、前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出工程と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御工程と、必要に応じて、前記触媒部の活性化を行う触媒部活性化工程とを含むことを特徴としている。


【0040】
このように構成された燃焼方法によれば、触媒部を経由したガスの性状を検出手段によって検出し、その検出信号に基づいて空気比制御手段を駆動させ、バーナにて安定した低空気比燃焼を実現している。つまり、本実施形態にかかる燃焼方法は、検出手段と空気比制御手段とを用いてフィードバック制御を行うことによって、バックファイア等を起こすことなく、安定した低空気比にてバーナを連続燃焼させている。このような構成によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化を実現可能な燃焼方法を得ることができる。加えて、この燃焼方法によれば、触媒部活性化工程において、必要に応じて触媒部の活性化を行っている。したがって、この燃焼方法によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによる省エネルギ化と共に、触媒部を活性化させることによって、燃焼状態等の違いが生ずる場合があっても、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼方法を得ることができる。
【0041】
また、本実施形態の第二態様にかかる燃焼方法は、第一態様において、前記触媒部活性化工程にて、前記ガス中の前記一酸化炭素濃度を高めるべく構成されている。
【0042】
このような構成によれば、例えば、燃焼装置が定常運転時でない等(起動時あるいは低燃焼時等)の理由から、定常運転時(例えば、高燃焼時等)と比較して、触媒部が必要な活性化条件を得られない場合であっても、触媒部に接触する前のガス中の一酸化炭素濃度を高めることによって、効果的に触媒部を活性化させることができる。よって、安定した低空気比燃焼を行うことによる省エネルギ化と共に、触媒部を活性化させることによって、燃焼状態等の違いが生ずる場合があっても、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼方法を得ることができる。
【0043】
さらに、本実施形態の第三態様にかかる燃焼方法は、第一態様および第二態様において、前記触媒部活性化工程にて、前記触媒部の温度を高めるべく構成されている。
【0044】
このような構成によれば、上記のように、例えば、燃焼装置が定常運転時でない等の理由から、定常運転時と比較して、触媒部が必要な活性化条件を得られない場合であっても、触媒部の温度を高めることによって、効果的に触媒部を活性化させることができる。よって、安定した低空気比燃焼を行うことによる省エネルギ化と共に、触媒部を活性化させることによって、燃焼状態等の違いが生ずる場合があっても、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼方法を得ることができる。
【0045】
また、本実施形態の第四態様にかかる燃焼方法は、第一態様乃至第三態様において、前記空気比制御工程にて、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく制御されている。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0
ここで、上記数式において、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。
【0046】
さらに、本実施形態の第五態様にかかる燃焼装置は、連続燃焼によりガスを生成するバーナと、ガスから吸熱する吸熱手段とを備えた燃焼装置であって、吸熱手段を通過後のガスに含まれる一酸化炭素を酸化すると共に窒素酸化物を還元する触媒部と、触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にてガスの性状を直接的または間接的に検出する検出手段と、検出手段からの検出信号に基づき、バーナにおける空気比を制御する空気比制御手段と、必要に応じて、触媒部を活性化させる触媒部活性化手段とを有することを特徴としている。
【0047】
このように構成された燃焼装置によれば、触媒部を経由したガスの性状を検出手段によって検出し、その検出信号に基づいて空気比制御手段を駆動させ、バーナにて安定した低空気比燃焼を実現している。つまり、本実施形態にかかる燃焼装置は、検出手段と空気比制御手段とを用いてフィードバック制御を行うことによって、バックファイア等を起こすことなく、安定した低空気比にてバーナを連続燃焼させている。このような構成によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化を実現可能な燃焼装置を得ることができる。
【0048】
また、このように構成された燃焼装置によれば、触媒部にて、一酸化炭素を酸化させる酸化反応と、窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる還元反応とが行われるため、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現することができる。すなわち、本実施形態にかかる燃焼装置によれば、酸素、窒素酸化物、および一酸化炭素を含むガスを触媒部へ通過させて、この触媒部内にて、酸化反応により酸素を消費して一酸化炭素濃度を低減し、残存する一酸化炭素による還元反応によって窒素酸化物濃度を低減することができる。
【0049】
さらに、このように構成された燃焼装置によれば、触媒部活性化手段を用いて、必要に応じて触媒部の活性化を行っている。このような構成によれば、例えば、燃焼装置が定常運転時でない等(起動時あるいは低燃焼時等)の理由から、定常運転時(例えば、高燃焼時等)と比較して、触媒部が必要な活性化条件を得られない場合であっても、触媒部活性化手段を用いて触媒部を活性化させることができる。したがって、このような構成によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによる省エネルギ化と共に、触媒部を活性化させることによって、燃焼状態等の違いが生ずる場合があっても、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼装置を得ることができる。
【0050】
また、本実施形態の第六態様にかかる燃焼装置は、第五態様の構成において、触媒部に接触前のガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、空気比制御手段にて制御されている。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0
ここで、上記数式において、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。
【0051】
また、本実施形態の第七態様にかかる燃焼装置は、第五態様および第六様の構成において、検出手段が触媒部の下流側に設けられていることを特徴としている。
【0052】
このような構成であれば、触媒部通過後の比較的安定したガスの性状を検出手段にて安定して検出することができる。したがって、このような構成であれば、安定して検出される検出値(ガス性状を示す検出値)に基づいて、空気比制御手段を適切にコントロールすることができる。
【0053】
さらに、本実施形態の第八態様にかかる燃焼装置は、第五態様乃至第七態様の構成において、空気比制御手段が、検出手段からの検出信号に基づき、バーナに供給される空気量および燃料量の少なくとも一方を制御すべく構成されている。
【0054】
また、本実施形態の第九態様にかかる燃焼装置は、第五態様乃至第八態様の構成において、空気比制御手段が、ステッピングモータにて駆動するダンパを用いて、バーナに供給される空気量を制御すべく構成されている。
【0055】
さらに、本実施形態の第十態様にかかる燃焼装置は、第五態様乃至第九態様の構成において、空気比制御手段が、送風機の回転数を制御するインバータを用いて、前記バーナに供給される空気量を制御すべく構成されている。
【0056】
また、本実施形態の第十一態様にかかる燃焼装置は、第五態様乃至第十態様の構成において、空気比制御手段が、燃料供給部に設けられた燃料制御手段を用いて、バーナに供給される燃料量を制御すべく構成されている。
【0057】
さらに、本実施形態の第十二態様にかかる燃焼装置は、第五態様乃至第十一態様の構成において、バーナが予混合バーナであることを特徴とている。
【0058】
また、本実施形態の第十三態様にかかる燃焼装置は、第五態様乃至第十二態様の構成において、検出手段が、ガスの酸素濃度を検出すべく構成されている。
【0059】
以下、図面に基づき、本発明の実施例にかかる燃焼装置(蒸気ボイラ)について説明する。
【0060】
図1は、本発明の実施例にかかる蒸気ボイラの縦断面の説明図である。また、図2は、図1のII−II線に沿う横断面の説明図である。
【0061】
これらの図1および図2に示すように、本実施例にかかるボイラ1は、平面状の予混合ガス噴出面(平板状で、予混合ガス噴出孔が略同一平面状に形成された燃焼面)を有する完全予混合式のバーナ10(本発明の「バーナ」に相当)、多数の熱吸収用の水管(伝熱管)20,21,22(本発明の「吸熱手段」に相当)を用いて構成された缶体2、バーナ10に対して燃焼用空気を送るために設けられた送風機30、および缶体2内の排ガスをボイラ1外部に排出するために設けられた煙突部40等を用いて構成されている。また、本実施例においては、缶体2の下流側に設けられた煙突部40内に、触媒部50が設けられ、この触媒部50の下流側に空気比検出手段たる酸素濃度検出器60(本発明の「検出手段」に相当)が設けられている。さらに、本実施例においては、バーナ10における空気比を予め定められた設定値に制御する空気比制御手段(詳細は後述する。)を構成する空気比制御部70が設けられている。また、本実施例においては、バーナ10の一次側(上流側)に補助燃料供給部80(本発明の「触媒部活性化手段」に相当)が設けられている。
【0062】
本実施例にかかるボイラ1を構成するバーナ10は、予混合ガス噴出孔が略同一平面状に形成された予混合ガス噴出面を有する予混合ガスバーナであって、波板と平板とを交互に積層して構成されている。このような構成に基づき、バーナ10の予混合ガス噴出面(燃焼面)10aには、多数の予混合ガス噴出孔が形成されることとなる。なお、詳細な構造等はここでは省略するが、本実施例にかかるバーナ10は、例えば、特許文献1(特許第3221582号公報)に記載された「燃焼バーナ」と同様な構成を有している。そして、本実施例においては、このバーナ10の上流側に、必要に応じてガス燃料を噴出する、補助燃料供給部80が設けられている。この補助燃料供給部80は、ボイラ1起動時、あるいは低燃焼時等、触媒部50に接触前のガス(排ガス)温度が低い場合に、適宜ガス燃料を噴出すべく構成されている。
【0063】
また、本実施例にかかるボイラ1を構成する缶体2は、上部管寄せ24、下部管寄せ25、およびこれらの上下部管寄せ24,25間に立脚して配設された複数の水管(壁面水管20,壁面側水管21,中央水管22)等を用いて構成されている。この缶体2内においては、壁面水管20、壁面側水管21、および中央水管22が、ガス流動方向(缶体2の長手方向)に配置されており、中央水管群(中央水管22を用いて構成された水管群)を中心として、壁面側水管群(壁面側水管21を用いて構成された水管群)、および壁面水管群(壁面水管20を用いて構成された水管群)が構成されている。また、隣り合う水管同士は、千鳥状に配設されている。
【0064】
さらに、図2に示すように、本実施例にかかる缶体2においては、長手方向の両側部に設けられた壁面水管20と、各壁面水管20間を連結した連結部26とを用いて、一対の水管壁27が構成されている。缶体2は、この一対の水管壁27と、上下部管寄せ24,25とを用いて、略矩形のガス流動空間29が形成されることとなり、このガス流動空間29内に、所定間隔を隔てて、壁面側水管21および中央水管22が配設されている。
【0065】
本実施例にかかるボイラ1を構成する送風機30は、バーナ10に対して燃焼用空気を送るために設けられたものである。送風機30には、ファン(図示省略)を備えたモータ39が設けられている。また、この送風機30とバーナ10とは、空気供給経路部31を用いて接続されており、この空気供給経路部31内には、ステッピングモータ36にて駆動するダンパ35が設けられている。本実施例においては、このダンパ35が、ステッピングモータ36の回転状態によって、空気供給経路部31の開口面積を調節すべく機能する。つまり、本実施例においては、送風機30を構成するモータ39を駆動させることによって吸気される燃焼用空気が、ダンパ35によって調節された量だけ(開口面積に応じた量だけ)、空気供給経路部31を介してバーナ10へ供給される。なお、本実施例によれば、回転位置制御を確実に行えるステッピングモータ36を用い、検出空気比が設定空気比に近づくにつれてステッピングモータ36の送り速度を遅くする制御を採用しているため、設定空気比の近傍における空気比のオーバーシュートおよびハンチングを抑制することができる。
【0066】
また、この空気供給経路部31中には、ガス燃料供給管32(本発明の「燃料供給部」に相当)が設けられており、ガス燃料供給管32には、ガス燃料の流量を調整する燃料調整弁33(本発明の「燃料制御手段」に相当)が設けられている。なお、この空気供給経路部31には、必要に応じて、燃料と空気との混合性を向上させるために絞り部を設けることも可能である。
【0067】
さらに、本実施例にかかるボイラ1を構成する煙突部40は、その入口がバーナ10と対向すべく、缶体2の最下流側に設けられている。したがって、本実施例にかかるボイラ1においては、バーナ10にて生成されたガスは、缶体2を構成する水管20,21,22と接触した後(接触して熱交換を行った後)、排ガスとして煙突部40を介してボイラ1外部に排出される。
【0068】
ただし、先にも説明した通り、本実施例においては、缶体2の下流側(煙突部40入口側)に、触媒部50が設けられている。この触媒部50は、排ガス経路の途中であって、排ガス温度が約100℃〜350℃程度の位置に配置されている。本実施例にかかるボイラ1においては、缶体2内部を経由したガスは、触媒部50を介して、排ガスとしてボイラ1外部に排出される。本実施例にかかる触媒部50は、性能が劣化した場合に交換可能なように、着脱自在に装着されている。
【0069】
また、この触媒部50の下流側には、ジルコニアからなる酸素濃度検出器60が設けられている。したがって、触媒部50を経由した排ガスの性状(酸素濃度)は、この酸素濃度検出器60にて検出されることとなる。ここで、検出された酸素濃度に関する信号は、空気比制御部70に送信される。なお、本実施例においては、酸素濃度検出器60として、排出酸素濃度の分解能(O分解能)が50ppmで応答時間2sec以下の応答特性の良好なジルコニア式空燃比センサ(A/Fセンサ)が用いられている。この酸素濃度検出器60(A/Fセンサ)は、酸素過剰領域では過剰酸素濃度を表し、燃料過剰領域では一酸化炭素等の未燃ガスを空気比m=1で燃焼させるのに必要な不足酸素濃度を負の値として表す。すなわち、測定される酸素濃度(酸素過剰領域)および一酸化炭素濃度等(燃料過剰領域)から空気比mを算出し、この空気比mに対応した電流または電圧の出力を得ている。
【0070】
ここで、図3は、本実施例にかかる触媒部をガスの流れ方向から見た要部構成を示す図である。本実施例にかかる触媒部50は、ガス中にHCが含まれない状態で、ガス中の窒素酸化物を還元する機能を有すべく構成されており、通気性を有する基材に触媒活性物質(触媒材料)が担持されている。そして、この図3に示す触媒部50は、例えば、次のようにして構成される。
【0071】
まず、基材として、ステンレス製の平板51および波板52を用意し、これらの表面に多数の微小凹凸を形成する。次いで、その表面に触媒材料(図示省略)を担持する。つまり、基材表面に触媒層を形成させる。次いで、触媒を担持させた所定幅の平板51および波板52を重ね合わせた状態で、螺旋状に巻回してロール状に形成する。次いで、このロール状に巻回された平板51および波板52を側板53にて包囲し固定する。このようにして、ハニカム構造を有する触媒部50が構成される。ここで、触媒材料としては、白金が用いられるが、必要に応じて、白金に代表される貴金属(Ag,Au,Rh,Ru,Pt,Pd)のいずれか、あるいはこれらの酸化物が用いられてもよい。また、触媒としては、これらの貴金属の二種以上のものを併用してもよい。なお、図3においては、平板51および波板52の一部のみを示している。
【0072】
このように構成された本実施例にかかる触媒部50は、缶体2を構成する水管群を通過した後のHCを含まないガスに含まれる一酸化炭素を酸化する機能と共に窒素酸化物を還元する機能を有する。
【0073】
また、本実施例における空気比制御手段は、触媒部50の下流側に設けられた酸素濃度検出器60からの検出信号を受信する空気比制御部70と、この空気比制御部70からの制御信号に基づいて駆動する空気量調整手段および燃料量調整手段の少なくとも一つとを用いて構成されている。つまり、本実施例によれば、酸素濃度検出器60にて検出されるガス性状(酸素濃度)が、予め定められた設定値となるように、空気比制御手段を用いて、バーナ10に供給される空気量および燃料量(燃焼ガス量)の少なくとも一方が制御される。
【0074】
この図1においては、空気比制御部70にて制御可能な装置として、送風機30を構成するモータ39、ダンパ35を駆動させるステッピングモータ36、およびガス燃料供給管32に設けられた燃料調整弁33が示されている。本発明は、これらのいずれか一つを用いて、バーナ10における空気比の制御を行ってもよく、または、これらを複合的に用いて、バーナ10における空気比の制御を行ってもよい。例えば、送風機30を構成するモータ39を利用する場合には、モータ39に内蔵されている、あるいは空気比制御部70とモータ39との間に設けられているインバータ(図示省略)を用いて、送風機30(モータ39)の回転数を調整して空気量(延いては空気比)を制御する。また、ダンパ35を駆動させるステッピングモータ36を利用する場合には、空気流量調整手段たるダンパ35の開度位置を、制御信号に基づく駆動パルスの数に応じた量だけ開閉移動(開方向への移動、あるいは閉方向への移動)させることによって、空気供給経路部31の開口面積に調節し、空気量(延いては空気比)を制御する。さらに、燃料調整弁33を利用する場合には、制御信号に基づいて、適宜燃料調整弁33の開度を調整して、ガス燃料供給嵌2から供給されるガス燃料供給量(延いては空気比)を制御する。
【0075】
さて、以上のように構成された本実施例にかかるボイラ(燃焼装置)においては、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化を実現している。また、安定した低空気比燃焼を行いつつ、触媒部50を用いることによって、省エネルギ化と共に、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化とCOの低減とを実現している。より具体的には、触媒部50と、この触媒部50の下流側に設けられたジルコニアからなる酸素濃度検出器60と、この酸素濃度検出器60から検出信号を受信して機能する空気比制御手段とを用いて、予め設定された空気比領域(低空気比領域)における燃焼(低空気比燃焼)を実現し、上述した効果を得ている。
【0076】
以下においては、本実施例における極超低NOx化とCOの低減とを実現するためのプロセス、およびガス性状の制御方法等について、具体的に説明する。
【0077】
本実施例においては、一酸化炭素を酸化させる酸化反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる還元反応とを生じる触媒部50を用い、酸素、窒素酸化物、および一酸化炭素を含むガスを触媒部50へ通過させ、この触媒部50内にて酸化反応により酸素を消費して一酸化炭素濃度を低減し、消費しきれない一酸化炭素による還元反応によって窒素酸化物濃度を低減している。ここで、触媒部50の一次側におけるガス(触媒部50に接触前のガス)は、空気比制御手段等を用いて、酸素、窒素酸化物、および一酸化炭素のそれぞれの所定濃度が以下の数1を満たすように制御されている。
【0078】
〔数1〕 ([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0
上記数1において、[NOx]、[O]、および[CO]は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。
【0079】
ここで、([NOx]+2[O])/[CO]の値(濃度比の値)は、2.0以下としているが、この濃度比の値は、1.5以下とすることが好ましい。また、窒素酸化物濃度([NOx])は、一酸化窒素濃度([NO])と二酸化窒素濃度([NO])との合計濃度である。また、以下においては、上記数1を満たす窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度の濃度比を「所定濃度比」という。
【0080】
上記数1に示す所定濃度比を有するガスが触媒部50を通過すると、ガス中の窒素酸化物の排出量は、5ppm以下の零に近い値に低減される。また、一酸化炭素の排出量は、50ppm以下に低減される。
【0081】
この低減作用は、次のようにして行われると考えられる。触媒部50では、主反応として、一酸化炭素を酸化させる酸化反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる還元反応とが生じている。そして、触媒部50における反応(触媒反応)において、酸素存在下では、酸化反応が還元反応よりも優位であり、酸化反応に基づき、一酸化炭素は酸素により消費されて、濃度調整された後、還元反応により窒素酸化物を還元する。この説明は、簡略化したものである。実際は、酸化反応は、還元反応と競合反応であるが、一酸化炭素と酸素との反応が酸素存在下において還元反応と比較し見かけ上速く起こるため、第一段階で一酸化炭素の酸化(酸化反応)が行われ、第二段階で窒素酸化物が還元(還元反応)されると考えられる。
【0082】
要するに、触媒部50において、酸素の存在下では、CO+1/2O→COなる酸化反応により酸素が消費され、残りのCOを用いて、2CO+2NO→N+2COなる還元反応により窒素酸化物が還元されて、排出窒素酸化物濃度が低減される。
【0083】
ここで、上記数1における[NOx]は、先にも説明した通り、一酸化窒素濃度(NO)と二酸化窒素濃度(NO)との合計濃度である。前記の反応式(2CO+2NO→N+2CO)の説明において、NOxを用いることなく、NOを用いているのは、高温場での生成窒素酸化物の組成は、主成分がNOであり、NOは数%に過ぎず、[NO]にて近似的に説明することができるからである。NOは、存在してもNOと同様にCOにより還元されると考えられる。
【0084】
ところで、上記数1を満足する条件の一つとして、([NOx]+2[O])/[CO]の値(所定濃度比の値)が「1」である場合、理論上は、触媒部50から排出される酸素濃度、窒素酸化物濃度、および一酸化炭素濃度を零とすることができる。しかしながら、実験上は、わずかに一酸化炭素が排出されることもある。そして、上記所定濃度比(([NOx]+2[O])/[CO])の値が1よりも小さい場合は、一酸化炭素の濃度が窒素酸化物の還元に必要な濃度以上に存在するので、排出酸素濃度が零となって、触媒部50通過後のガス中には一酸化炭素が残留することとなる。このような場合には、この残留一酸化炭素を酸化する酸化手段を更に設けることが好ましい。この酸化手段としては、触媒部50と別個の触媒部を設け、この新たな触媒部の上流側へ酸素を投入して一酸化炭素を酸化するように構成することができる。
【0085】
また、上記数1における所定濃度比の値「2.0」は、実験的に得られた値であるが、次の理由によると考えられる。触媒部50中で生じている反応は、完全に解明されておらず、前記酸化反応および前記還元反応の主反応以外に、副反応が生じていることが考えられる。この副反応の一つとして、蒸気と一酸化炭素との反応により水素が生じ、この水素により窒素酸化物および酸素が還元される反応が考えられる。このように、前記所定濃度比の値は、触媒部50中の主反応以外の反応により、若干の変動を生ずることが考えられる。
【0086】
さらに、上記数1を満たすという条件下で、触媒部50の一次側の酸素濃度Oを0%<O≦1.00%とすると、空気比はほぼ1となり、排出濃度が零に近い低NOxと低COに加えて省エネルギが実現され、低公害で、省エネルギの燃焼装置を提供することができる。
【0087】
また、本実施例においては、上述したように、バーナ10の上流側に必要に応じてガス燃料を噴出する、補助燃料供給部80が設けられている。この補助燃料供給部80は、ボイラ1起動時、あるいは低燃焼時等、触媒部50に接触前のガス(排ガス)温度が低い場合に、適宜ガス燃料を噴出すべく構成されている。
【0088】
一般に、ボイラ等の燃焼装置は、低燃焼および高燃焼を含む三位置制御等が行われている。つまり、必要に応じて、一つの缶体内(燃焼領域内)で複数の燃焼量における運転が行われている。このように、一つの缶体内で異なる燃焼量の運転が行われる場合、通常は、高燃焼時の低NOx化を図るべく、触媒部50等の設計が行われる。しかしながら、このような構成によれば、高燃焼時以外(例えば低燃焼時、起動時等)においては、高燃焼時と同様のNOx低減を図ることは困難となる。これは、低燃焼時や起動時等は、高燃焼時よりもガス(排ガス)温度が低いことに起因する。すなわち、ガス温度が低いことによって、触媒部50が適切に機能せず、高燃焼時と同様のNOx低減を図れなくなる。
【0089】
そこで、本実施例においては、起動時や低燃焼時に、ガス温度を高めるべく、バーナ10の一次側(上流側)に補助燃料供給部80が設けられている。この補助燃料供給部80は、触媒部50の温度等に基づき、ガス温度の昇温が必要と判断された場合に、ガスを供給して(部分的な拡散燃焼を形成して)、ガス中の一酸化炭素濃度を高め、反応後のガス温度を上昇させる。
【0090】
本実施例にかかるボイラ1は、以上のように構成されており、この構成に基づき、そのボイラ1内部では、次のような燃焼状態が形成される。
【0091】
まず、ガス燃料供給管32から供給されたガス燃料と、送風機30から供給された空気とが、空気供給経路部31中で混合され、ここで混合された予混合ガス(以下、排ガスを含んだ予混合ガスも単に「予混合ガス」という。)がバーナ10に供給される。ここで、ガス燃料供給管32からは、ボイラ1にて必要とされる燃焼量のガス燃料が供給される。このガス燃料の供給量の調整は、燃料調整弁33によって行われる。送風機30からは、予混合ガスの空気比が設定空気比(ほぼ1)となるように、空気が供給される。
【0092】
バーナ10の予混合ガス噴出面10aから噴出された予混合ガス等は、着火手段(図示省略)により着火され、バーナ10にて火炎を伴う燃焼反応中のガスFが形成される。予混合ガス等は、バーナ10から、缶体2内の水管20,21,22に対して、略垂直となるように(直交するように)噴出されているため、燃焼反応中のガスFは、缶体2内の水管20,21,22と交差するように接触を繰り返して(水管と熱交換を行った後)、排ガスとなる。そして、この排ガスは、缶体2の最下流側に設けられた煙突部40を介してボイラ1外部に排出される。
【0093】
この際、排ガスの性状は、煙突部40入口付近に設けられた酸素濃度検出器60によって検出され、ここで検出された検出信号は空気比制御部70に送信される。本実施例にかかる空気比制御部70は、この制御信号に基づき、バーナにて生成されるガスが所定の設定空気比にて連続安定燃焼を行うように、例えば、ステッピングモータ36の駆動量(ダンパ35の開閉移動量)を制御して、空気供給経路部31の開口面積を調節する。
【0094】
また、ボイラ1の起動時あるいは低燃焼時においては、補助燃料供給部80からガスを供給して(部分的な拡散燃焼を形成して)、ガス中の一酸化炭素濃度を適切な濃度に調整する。本実施例においては、触媒部50の温度等を検出して、この温度等に基づき、ガス温度の昇温が必要と判断された場合には、ガスを供給して(部分的な拡散燃焼を形成して)、ガス中の一酸化炭素濃度を高め、反応後のガス温度を上昇させる。また、起動時あるいは低燃焼時であっても、触媒部50が適切な温度に維持されている場合には、補助燃料供給部80からのガス供給を行わないように構成されている。
【0095】
さて、ここで、バーナ10の構成および設定空気比等について説明する。
【0096】
本実施例にかかるバーナ10は、ガス燃料を予混合燃焼させる予混合バーナであることが好ましい。触媒部50にて、上述した酸化反応および還元反応を効果的に生じさせるには、酸素、窒素酸化物、および一酸化炭素に関する濃度比が、上記数1で示すような濃度比であることが重要となる。その点、バーナ10を予混合バーナとすれば、低O領域でバーナ10における濃度比を比較的容易に数1で示す濃度比とすることができる。しかしながら、本発明はこの構成に限定されず、触媒部50の一次側(上流側)のガス中における酸素、窒素酸化物、および一酸化炭素が均一に混合され、それぞれの濃度を数1で示した所定濃度とする制御が可能であれば、予混合バーナ以外のバーナを用いてもよい。
【0097】
数1を満たす条件下で、触媒部50へ流入する前のガスの酸素濃度Oが0%<O≦1.00%となるように低空気比で燃焼させると、触媒部50の二次側の酸素濃度をほぼ零にすることができる。触媒部50へ流入する前のガスの酸素濃度Oが0%<O≦1.00%の場合、バーナ10における空気比は、ほぼ1(設定空気比)となる。このような構成とすれば、極めて低い空気比によりバーナ10を燃焼させて、排出濃度が零に近い極超低NOxと低COに加えて省エネルギ化が実現され、低公害で、省エネルギのボイラ(燃焼装置)を得ることができる。
【0098】
つまり、本実施例においては、バーナ10における設定空気比をほぼ1(換言すれば、触媒部50へ流入する前のガスの酸素濃度Oが0%<O≦1.00%)とすべく、空気比制御手段による制御を行う。空気比制御手段を構成する空気比制御部70は、予め空気比制御プログラムを搭載し、酸素濃度検出器60からの検出信号に基づき、例えば、ステッピングモータ36の駆動量を制御して、空気比をほぼ1に制御する。
【0099】
空気比制御プログラムは、例えば、検出空気比(または検出酸素濃度)と設定空気比(設定酸素濃度)との差に応じて、ステッピングモータ36の単位時間当たり駆動量(1駆動単位当たりの時間で表現することができる。)を変える第一制御帯と、この第一制御帯の外側において単位時間当たりの駆動量を固定の所定値とする第二制御帯とを設けて、ステッピングモータ36の駆動量を制御するように構成される。
【0100】
以上説明したように、本実施例にかかるボイラ1(燃焼装置)は、上述したように構成され機能するため、次のような効果を得ることができる。すなわち、本実施例によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化を実現可能なボイラ1(燃焼装置)を得ることができる。また、本実施例によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能なボイラ1(燃焼装置)を得ることができる。また、本実施例によれば、上述した数1等を満たしたガスを生成し、酸素濃度検出器60にて酸素濃度(O=0%)をモニタリングすることにより、窒素酸化物濃度を実質的に零にすることができる。
【0101】
さらに、本実施例にかかるボイラ1(燃焼装置)は、本来、ガス(排ガス)温度が低下して、触媒部50における活性が不十分である、起動時や低燃焼時においても、補助燃料供給部80(触媒部活性化手段)を設けることにより、ガス中の一酸化炭素の濃度を高めることによって、ガス温度を上昇させることができる。したがって、本実施例によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによる省エネルギ化と共に、触媒部50を活性化させることによって、燃焼状態等の違いが生ずる場合があっても、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼方法を得ることができる。
【0102】
ところで、白金にて構成された触媒部を用いる場合、COを酸化(浄化)させるために必要な温度(触媒部におけるCOの活性化温度)は約100℃、NOxを還元(浄化)させるために必要な温度(触媒部におけるNOxの活性化温度)は約150℃である。したがって、排ガス温度が150℃を超える場合、または排ガス温度が低くても(150℃未満であっても)COが多量に存在する場合(CO(の反応熱)によって触媒部が150℃以上に昇温される場合)には、COの酸化およびNOxの還元は触媒部にて適切に行われる。しかしながら、排ガス温度が低く(150℃未満で)、COが少ない場合(CO(の反応熱)によっても触媒部が150℃以上に昇温されない場合)には、全てのNOxを浄化することはできない。仮に、100℃未満であれば、COについても全てを浄化することはできない。そこで、上述した実施形態および実施例は、排ガス温度が低く(150℃未満で)、COが少ない場合(CO(の反応熱)によっても触媒部が150℃以上に昇温されない場合)において、補助燃料供給部80を作動させることによってCOを導入し、このCOの反応熱により触媒部を150℃以上に昇温させることを目的として構成されている。
【0103】
(実験例1)
以下に、具体的な実験例を示す。ただし、この実験例1は、補助燃料供給部80を作動させていない場合(定常運転時)についての実験例である。実験例1は、単位時間当たりの蒸発量が800kgであるボイラ1(SQ−800:三浦工業株式会社製)において、燃焼量45.2mN/hのバーナ10と、触媒活性物質としてPtを2.0g/Lの割合で担持した体積10L、内径360mmの触媒部50とを設置した場合について示す。本実験例においては、このようなボイラ1等を用いて、設定空気比を「1」とした場合、触媒部50の一次側における一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の10分間の平均値は、それぞれ2295ppm、94ppm、および1655ppmに調整され、触媒部50の二次側における一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の10分間の平均値は、それぞれ13ppm、0.3ppm、および100ppm未満となった。ここで、触媒部50の二次側の酸素濃度100ppmは、酸素濃度の測定限界である(酸素濃度測定装置(PG−250):株式会社堀場製作所製)。
【0104】
この実験例1に示すように、上述した本発明にかかる構成によれば、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現することができる。
【0105】
この実験例1にかかるボイラ1は、先に説明した触媒部活性化手段(補助燃料供給部80)を有している。よって、起動時や低燃焼時においても、この触媒部活性化手段を機能させることにより、ガス中の一酸化炭素の濃度を高め、ガス温度を上昇させることができる。
【0106】
(実験例2)
次に、実験例2を示す。ただし、この実験例2も、補助燃料供給部80を作動させていない場合(定常運転時)についての実験例である。実験例2は、実験例1と同様のボイラ1およびバーナ10(燃焼量も同様)を用い、触媒活性物質としてPdを2.0g/Lの割合で担持した体積10L、内径360mmの触媒部50を設置した場合について示す。この実験例は、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の濃度比(([NOx]+2[O])/[CO])の違いによって、触媒部50の一次側および二次側のそれぞれの濃度比がどのように変化するかを示したものである。図4は、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の各濃度比(0.91〜5.11)におけるそれぞれの値(触媒部50の一次側および二次側における一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の値)を示したものである。ここで、触媒部50の二次側の酸素濃度100ppmは、酸素濃度の測定限界である(酸素濃度測定装置(PG−250):株式会社堀場製作所製)。
【0107】
この実験例2に示すように、上述した本発明にかかる構成によれば、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の濃度比(([NOx]+2[O])/[CO])が、「1.84」(図4参照)以下であれば、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現することができる。なお、ここでは示していないが、本発明によれば、濃度比が「2.0」以下であれば、良好な効果(極超低NOx化と低CO化)を得ることができる。
【0108】
この実験例2にかかるボイラ1も、上述した実験例1と同様に、触媒部活性化手段(補助燃料供給部80)を有している。よって、起動時や低燃焼時であっても、触媒部活性化手段を機能させることにより、ガス中の一酸化炭素の濃度を高め、ガス温度を上昇させることができる。
【0109】
<その他の実施例等>
なお、本発明は、上記実施形態、実施例、および実験例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で必要に応じて種々の変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【0110】
上記実施例においては、触媒部活性化手段として、一酸化炭素の濃度を高めるべく、バーナ10の上流側に補助燃料供給部80を設ける場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、触媒部に接触前のガス中の一酸化炭素の濃度を高めることが可能であれば、如何なる構成のものを用いてもよい。したがって、例えば、缶体内部に補助燃料供給部や空気供給部を設けるような構成としてもよい。
【0111】
また、上記実施例においては、触媒部活性化手段として、補助燃料供給部80を設ける場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、触媒部を活性可能であれば、如何なる構成のものを用いてもよい。したがって、例えば、触媒部を活性化させるべく、触媒部近傍に触媒部の温度を高める触媒部加温手段を設けてもよい。
【0112】
さらに、触媒部の活性化とは、換言すれば、触媒部における性能向上であるとも考えられる。したがって、本発明においては、この観点(触媒部における性能向上)から、触媒部活性化手段として、複数の触媒部を多段に設置するような構成としてもよい。
【0113】
また、上記実施例においては、ボイラ1が蒸気ボイラである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、温水ボイラでもよい。
【0114】
さらに、上記実施形態および実施例においては、本発明にかかる燃焼装置がボイラである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。したがって、本発明にかかる燃焼装置は、例えば、給湯器、吸収式冷凍機の再生器等であってもよい。つまり、上記実施例等においては、燃焼装置がボイラであるため、吸熱手段を水管としているが、本発明はこれに限定されず、燃焼装置が再生器の場合には、吸熱手段を吸収液濃縮管としてもよい。
【0115】
また、上記実施例においては、空気比制御手段として、主にステッピングモータ36を駆動させる場合について説明しが、本発明はこの構成に限定されない。つまり、本発明にかかる空気比制御手段は、バーナに供給される空気量あるいは燃料量の少なくとも一方を制御する手段を用いて構成される。つまり、空気比制御手段は、バーナに供給される燃焼空気量および燃料量いずれか一方,または両方を変えることで両者の比率を変え、バーナの空気比を調整するための手段である。この燃焼空気量を調整するものとしては、実施例中で説明したダンパ50(弁の意味を含む)を用いることが好ましいが、このダンパの構造としては、回転軸を中心に回転する弁体により流路の開度を変える回転タイプのもの(実施例にて説明したもの)の他に、流路の断面開口に対してスライドすることにより流路の開度を変えるスライドタイプのものを用いることもできる。また、当然のことながら、空気比制御手段としては、実施例中にも説明したインバータを備えたモータ39や燃料調整弁33を用いることも可能である。さらに、燃料調整弁33、ステッピングモータ36、およびモータ39の二つ以上を用いることも可能である。
【0116】
さらに、上記実施例においては、ダンパ35を駆動させるモータとしてステッピングモータ36を用いる場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ギアモータ(ギアドモータと称することができる。)やサーボモータを用いることも可能である。ステッピングモータ36を用いた場合は、先にも説明した通り、駆動量が印可される駆動パルスであり、ダンパ35の開度位置を基準開度位置から駆動パルスの数に応じた量だけ開閉移動して任意の目的とする停止位置に制御することができる。また、ギアモータまたはサーボモータを用いた場合は、駆動量が開閉駆動時間であり、ダンパの開度位置を基準開度位置から開閉駆動時間に応じた量だけ開閉移動して任意の目的とする停止位置に制御することができる。
【0117】
また、上記実施例においては、検出手段として酸素濃度検出器60が用いられ、この酸素濃度検出器60によって、酸素が検出され、この検出された値から空気比を演算して求める場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ガスの空気比を直接的または間接的に検出可能であれば、どのような構成の検出手段であってもよい。したがって、例えば、検出手段としては、酸素濃度検出器60と別の空気比を間接的に検出する一酸化炭素濃度検出器を用いてもよい。この一酸化炭素濃度検出器は、一酸化炭素濃度を検出し、この検出値により空気比を演算して求めることができる。また、検出手段としては、酸素濃度センサと一酸化炭素濃度センサとを組み合わせ、近似的に空気比を求めるようにしてもよい。なお、検出手段の取付位置は、好ましくは、触媒部の二次側(下流側)とするが、これに限定されるものではなく、触媒部の一次側(上流側)や、触媒部の下流側に排熱回収器を設けた場合は、この下流側とすることができる。また、必要に応じて、触媒部の一次側および二次側に検出手段を設けてもよい。ただし、構成要素の簡略化、およびコスト低減等を鑑みれば、上記実施例にように、検出手段は触媒部の二次側に設けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0118】
【図1】本発明の実施例にかかる蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図2】図1のII−II線に沿う横断面の説明図である。
【図3】本実施例にかかる触媒部の要部構成を示す正面図である。
【図4】実験例2における一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の各濃度比の違いに対応したそれぞれの値を示した表である。
【符号の説明】
【0119】
1…ボイラ
2…缶体
10…バーナ
10a…予混合ガス噴出面
20…壁面水管(水管)
21…壁面側水管(水管)
22…中央水管(水管)
24…上部管寄せ
25…下部管寄せ
26…連結部
27…水管壁
29…ガス流動空間
30…送風機
31…空気供給経路部
32…ガス燃料供給管
33…燃料調整弁
35…ダンパ
36…ステッピングモータ
39…モータ
40…煙突部
50…触媒部
51…平板
52…波板
53…側板
60…酸素濃度検出器
70…空気比制御部
80…補助燃料供給部
【出願人】 【識別番号】000175272
【氏名又は名称】三浦工業株式会社
【識別番号】504143522
【氏名又は名称】株式会社三浦プロテック
【出願日】 平成18年7月31日(2006.7.31)
【代理人】 【識別番号】100131897
【弁理士】
【氏名又は名称】荒木 憲一


【公開番号】 特開2008−32366(P2008−32366A)
【公開日】 平成20年2月14日(2008.2.14)
【出願番号】 特願2006−209074(P2006−209074)