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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】第一に、窒素酸化物の排出量を限りなく零に近く低減でき、一酸化炭素排出量を許容範囲に低減することである。第二に、1.0に近い低空気比の燃焼による省エネルギーを実現することである。第三に、低空気比の燃焼領域において、空気比制御を安定的に行うことである。

【構成】炭化水素含有の燃料をバーナにて燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させる燃焼ステップと、燃焼ステップにて生じたガスから吸熱手段により吸熱する吸熱ステップと、吸熱ステップ後にガスを酸化触媒と接触させてガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する有害物質低減ステップと、酸化触媒一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を、バーナおよび吸熱手段の濃度比特性に基づき、バーナの空気比調整手段を用いて、所定濃度比に調整する濃度比調整ステップとを含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料をバーナにて燃焼させることにより生成されるガスと酸化触媒とを接触させて前記ガス中に含まれる窒素酸化物を低減する燃焼方法であって、
炭化水素含有の燃料を前記バーナにて燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させる燃焼ステップと、
この燃焼ステップにて生じたガスから吸熱手段により吸熱する吸熱ステップと、
この吸熱ステップ後に前記ガスを酸化触媒と接触させて前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する有害物質低減ステップと、
前記酸化触媒一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度が実質的に零または所定値以下となるとともに、一酸化炭素濃度が実質的に零または所定値以下となる所定濃度比に調整する濃度比調整ステップとを含むことを特徴とする燃焼方法。
【請求項2】
前記濃度比調整ステップが、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Kを、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて、下記の調整0,調整1,調整2のいずれかに調整する濃度比調整ステップとを含むことを特徴とする請求項1に記載の燃焼方法。
調整0:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする基準所定濃度比K0に調整する。
調整1:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とする第一所定濃度比K1に調整する。
調整2:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする第二所定濃度比K2に調整する。
【請求項3】
前記基準所定濃度比K0を判定する式を次式(1)とし、前記基準所定濃度比KOが次式(2)を満たし、前記第一所定濃度比K1を前記基準所定濃度比より小さく、前記第二所定濃度比K2を前記基準所定濃度比より大きくしたことを特徴とする請求項2に記載の燃焼装置。
([NOx]+2[O])/[CO]=K …(1)
1.0≦K=K0≦2.0 …(2)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。)
【請求項4】
前記空気比調整手段を用いて前記濃度比を前記所定濃度比に一定に保持する濃度比一定制御ステップを備えたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃焼方法。
【請求項5】
前記バーナの空気比が1.1以下であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃焼方法。
【請求項6】
前記濃度比調整ステップが前記ガス中の一酸化炭素濃度を制御する一酸化炭素制御ステップを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃焼方法。
【請求項7】
前記酸化触媒の活性化を行う触媒活性化ステップを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃焼方法。
【請求項8】
炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、
このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、
この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、
前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、
このセンサの検出信号に基づき前記バーナを設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、
前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする前記酸化触媒一次側における酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を得ることができるように構成されることを特徴とする燃焼装置。
【請求項9】
炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、
このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、
この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、
前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、
このセンサの検出信号に基づき前記バーナを設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、
前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする空気比−NOx・CO特性を有することを特徴とする燃焼装置。
【請求項10】
炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、
このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、
この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、
前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、
このセンサの検出信号に基づき前記バーナの空気比を設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、
前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒一次側の前記ガスにおける一酸化炭素濃度が前記酸化により前記酸化触媒内で低減される一酸化炭素濃度と前記還元により前記触媒内で低減される一酸化炭素濃度とを加えた値とほぼ等しいか、それ以上となるように構成されることを特徴とする燃焼装置。
【請求項11】
炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、
このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、
この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、
前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、
このセンサの検出信号に基づき前記バーナの空気比を設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、
前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒への流入前の前記ガスの濃度比が次式(3)を満たすように構成されることを特徴とする燃焼装置。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0 …(3)
(式(3)において、[CO]、[NOx]および[O]はそれぞれ一酸化炭素濃度、
窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。)
【請求項12】
前記設定空気比を実質的に1.0とすることを特徴とする請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載の燃焼装置。
【請求項13】
前記空気比調整手段を用いて前記濃度比を前記所定濃度比に一定に保持することを特徴とする請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載の燃焼装置。
【請求項14】
前記空気比調整手段が、前記バーナの燃焼空気量を制御するダンパと、このダンパを制御するモータとを含むことを特徴とする請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載の燃焼装置。
【請求項15】
前記検出空気比と前記設定空気比との差に応じて前記モータの単位時間当たり駆動量を変える第一制御帯と、この第一制御帯の外側において前記駆動量を所定値とする第二制御帯とを設けて、前記モータの駆動量を制御することを特徴とする請求項14に記載の燃焼装置。
【請求項16】
前記空気比調整手段が、前記バーナへ燃焼空気量を供給する送風機の回転数制御用のモータと、このモータの回転数を制御するインバータとを含むことを特徴とする請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載の燃焼装置。
【請求項17】
前記検出空気比と前記設定空気比との差に応じて前記モータの単位時間当たり駆動量を変える第一制御帯と、この第一制御帯の外側において前記駆動量を所定値とする第二制御帯とを設けて、前記モータの駆動量を制御することを特徴とする請求項16に記載の燃焼装置。
【請求項18】
炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、
このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、
この吸熱手段を通過後の前記ガスと接触され酸素により一酸化炭素を酸化し、一酸化炭素により窒素酸化物を還元する酸化触媒と、
前記バーナへ供給する燃焼空気量と燃料量との割合を調整する空気比調整手段とを備え、
前記酸化触媒は、前記ガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比がNOx非低減領域のとき、一酸化炭素を低減し、窒素酸化物を低減せず、前記濃度比がNOx低減領域のとき、一酸化炭素および窒素酸化物を低減する特性を有し、
前記空気比調整手段は、前記濃度比が前記NOx低減領域となるように、前記バーナへの燃焼空気量と燃料量との割合を調整することを特徴とする燃焼装置。
【請求項19】
前記調整が、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするものであることを特徴とする請求項18に記載の燃焼装置。
【請求項20】
前記調整が、前記酸化触媒二次側の酸素濃度を実質的に零とするものであることを特徴とする請求項19に記載の燃焼装置。
【請求項21】
炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、
このバーナにて生成されるガスから吸熱する吸熱手段と、
この吸熱手段通過後の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスと接触される酸化触媒と、
前記バーナの燃焼空気量と燃料量との割合を調整する空気比調整手段とを備え、
前記酸化触媒は、その二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする前記酸化触媒の一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を基準濃度比として、前記濃度比を前記基準濃度比とすると、前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記基準濃度比に対応する基準酸素濃度よりも一次側酸素濃度を高くすると、前記酸化触媒二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記酸化触媒の二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とし、窒素酸化物濃度を低減し、前記基準酸素濃度よりも一次側酸素濃度を低くすると、前記酸化触媒の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度実質的に零とし、一酸化炭素濃度を低減する特性を有し、
前記空気比調整手段は、前記酸化触媒の二次側の酸素濃度および/または一酸化炭素濃度に基づき前記バーナの燃焼空気量と燃料量との割合を調整することにより、前記酸化触媒の一次側の酸素濃度を前記基準酸素濃度に対して調整して、前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を低減することを特徴とする燃焼装置。
【請求項22】
前記酸化触媒の一次側の酸素濃度を前記基準酸素濃度として、前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度をおよび一酸化炭素濃度を実質的に零とすることを特徴とする請求項21に記載の燃焼装置。
【請求項23】
前記酸化触媒の二次側の一酸化炭素濃度または酸素濃度を検出し、それぞれが零となるように制御することを特徴とする請求項22に記載の燃焼装置。
【請求項24】
バーナの燃焼により生じ、窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを酸化触媒と接触させることにより排出窒素酸化物および排出一酸化炭素の濃度を低減する有害物質低減方法であって、前記ガス中に酸素を含ませるとともに、前記ガス中の酸化触媒一次側の窒素酸化物,一酸化炭素および酸素の濃度比を所定濃度比に調整し、この調整を前記バーナの燃料量と燃焼空気量との割合を調整する空気比調整手段を用いて行うことにより前記窒素酸化物および一酸化炭素の排出濃度を実質的に零または所定値以下とすることを特徴とする有害物質低減方法。
【請求項25】
前記空気比調整手段による設定空気比を1.1以下としたことを特徴とする請求項24に記載の有害物質低減方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
この発明は、水管ボイラ,吸収式冷凍機の再生器などに適用される燃焼方法および燃焼装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、NOxの発生の抑制原理として、火炎(燃焼ガス)温度の抑制,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化技術がある。たとえば、2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などが提案され実用化されている。
【0003】
ところで、水管ボイラなどの比較的容量の小さいNOx発生源についても環境への影響が高まり、一層の低NOx化が求められるようになってきている。この低NOx化においては、NOxの生成を低減するとCOの排出量が増加するので、NOxとCO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1,2参照)。しかしながら、この特許文献1,2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】
この課題の解決案として、出願人は、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て生成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3,4参照)。この特許文献3,4記載の技術によれば、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。これは、燃焼の特性により、5ppm以上のNOxの生成が避けられないことによる。
【0007】
そして、特許文献3,4記載の低NOx化技術は、図18に示すように、空気比が1.38以上の所謂高空気比燃焼領域Z1に属するものである。一方、空気比1.1以下(以下、「低空気比」という。)の燃焼領域Z2では窒素酸化物の発生量が増えて、低NOxと低CO化との両立が困難であること,および空気比が1以下となるとバックファイヤーを起こすなど安定燃焼制御が困難なことから、低空気比燃焼の領域Z2は、これまで殆ど研究開発の対象とされていなかった。図18において、ラインF,Eは、それぞれこの発明の燃焼装置による一次側のNOx特性およびCO特性を模式的に示し、ラインU,Jは、この発明の燃焼装置によるNOx特性およびCO特性を模式的に示している。前記特許文献3,4の二次側の低NOx化技術は、いずれも基本的には高空気比領域Z1にてバーナを燃焼させることでNOx生成を抑制し、生じたCOを酸化触媒(特許文献3,4)にて除去する技術である。
【0008】
一方、時代背景として、ボイラに対して一層の低NOx化が求められるとともに、省エネルギーとなる低空気比運転が求められるようになってきている。
【0009】
こうした背景のもとに、この出願の発明者らは、酸化触媒を用いて窒素酸化物を限りなく零に近く低減できる燃焼方法の研究開発を行ってきた。
【0010】
ところで、バーナの燃焼により生ずる窒素酸化物含有ガスの処理方法としては、特許文献5が知られている。
【0011】
前記特許文献5の排気ガス処理方法は、第一ステップにおいて、バーナを空気比1.0未満(理論空気量より少ない量の燃焼空気量)で燃焼させることにより燃焼排気ガス中に酸素を含まず、CO,HC(炭化水素)の未燃成分を含ませ、窒素酸化還元触媒において未燃成分により窒素酸化物を還元して、窒素酸化物を浄化する。そして、第二ステップにおいて、その浄化後の排気ガスに空気を添加して酸化触媒にて未燃成分を浄化するものである。
【0012】
この特許文献5の処理方法は、酸素の存在下で、一酸化炭素および窒素酸化物を低減するものではない。また、この特許文献5によれば、未燃焼の炭化水素が多量に排出されるので、炭化水素の存在下で、窒素酸化物の還元の効率が低下する特性の酸化触媒を用いて、排出窒素酸化濃度および排出一酸化炭素濃度を低減するのは困難である。また、窒素酸化物の還元ステップと未燃成分の酸化ステップとを別の触媒を用いて行うので、装置の構成が複雑となり、保守・管理が難しくなる。
【0013】
また、ガスエンジンからの窒素酸化物含有ガスの浄化方法が特許文献6にて知られている。この特許文献6は、三元触媒を用いて窒素酸化物および一酸化炭素を浄化するものであるが、ガス中に炭化水素の存在が必須であるとともに、過剰酸素が存在しない理論空気比のガスにしか適用できない。よって、特許文献6の処理方法は、バーナの燃焼により生じ、過剰の酸素を含有するボイラの燃焼ガス処理には適さない。
【0014】
さらに、酸化触媒を用いて焼却炉の排気ガス中の窒素酸化物を一酸化炭素により還元する技術が特許文献7にて知られている。この特許文献7の技術は、排気ガス中に酸素が存在すると窒素酸化物の還元が進行しないので、一次燃焼において、燃料過濃(空気比1未満)燃焼させることで、排気ガスを無酸素状態とするものである。この特許文献7では、燃料過濃燃焼という制約を受けるので、バーナを用いたボイラのような排気ガス中に酸素を含む燃焼装置には適用が困難である。
【0015】
【特許文献1】特許第3221582号公報
【特許文献2】米国特許第5353748号明細書
【特許文献3】特開2004−125378号公報
【特許文献4】米国特許第6792895号明細書
【特許文献5】特開2001−241619号公報
【特許文献6】特開平5−38421号公報
【特許文献7】特開平2003−275543号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
この発明が解決しようとする課題は、簡易な方法により、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近い値まで低減、または許容範囲に低減するとともに、安定した有害物質低減効果を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
この出願の発明者等は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、特許文献3,4に記載の一酸化炭素を低減するための酸化触媒を備えたボイラにおいて、これまで殆ど研究が行われていなかった限りなく1に近い低空気比でのバーナの燃焼領域(図18の領域Z2)において、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を実質的に零とするポイントを見出した。そして、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を実質的に零とすることができた原因を追及した結果、酸化触媒一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を基準所定濃度比とすることで、酸化触媒を用いて窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近く低減できるとともに、前記濃度比を前記基準所定濃度比の近傍で調整することにより、有害物質(窒素酸化物および一酸化炭素)の排出量を実質的に零または許容値まで低減可能であるいう新たな知見を得た。この発明は、この知見に基づき完成したものである。この発明によれば、有害物質の排出濃度を実質的に零とすることができるだけではなく、これが限りなく1.0に近い空気比にて実現できるので、顕著な省エネルギーを実現することができる。
以下、単に濃度比という場合、酸化触媒の一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を意味する。前記酸化触媒は、公知の酸化触媒を用いても良く、新規な酸化触媒を用いても良い。
【0018】
すなわち、この出願の発明者等は、特許文献7に記載のように、酸化触媒作用のもとで、一酸化炭素により窒素酸化物を還元するには、酸素が障害となるという技術常識を破り、酸素を活用することにより、酸化触媒一次側における酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度の関係を所定の関係(所定濃度比)に調整するという新規な技術手段を採用することにより前記課題を解決するに至ったものである。
【0019】
前記課題には、つぎの副課題がある。第一の副課題は、前記酸化触媒の有害物質(NOxおよびCO)の低減を阻害する炭化水素をバーナにて生成されるガス中に含ませないことである。これは、内燃機関のような急激な冷却を行わない燃焼とすることにより、炭化水素除去手段を用いることなく、解決できる。
【0020】
第二の副課題は、前記ガスの濃度比をいかにして前記基準所定濃度比とするかである。前記バーナを単に燃焼させただけでは、前記基準所定濃度を得ることはできない。この副課題に対しては、前記バーナの前記濃度比特性を生かしながら、酸素濃度を調整することで、前記基準所定濃度比に調整することで解決できる。一般的なバーナの濃度比特性では、酸素濃度の調整に伴い、一酸化炭素濃度が変化するが、制御の容易さの観点から、好ましくは、一酸化炭素濃度が変化しないか、変化が少ない濃度比特性のバーナとする。前記酸素濃度の調整は、前記バーナへ供給する燃料量と燃焼空気量との割合を調整する空気比調整にて行うことで、簡易に実現できる。この発明の前記空気比調整は、単に燃料量と燃焼空気量との割合を調整するだけでなく、前記濃度比を調整するものであり、従来の空気比制御とは異なる新規な調整である。
【0021】
第三の副課題は、この発明が有害物質排出濃度を実質的に零、またはそれに近い値を狙うものであるから、外気温の変動などにより前記濃度比が変化すると、排出濃度が増加し、安定した低減効果を得られないことである。この副課題に対しては、濃度比一定制御により解決した。この濃度比一定制御は、前記濃度比を調整する手段としての空気比調整手段を用い、空気比を検出して、空気比のフィードバック制御を行うことで解決できる。
【0022】
以上のように、この発明は、有害物質低減効果において顕著であるばかりでなく、従来のバーナ,酸化触媒および空気比制御を用いるか、またはその延長線上の技術を用いても前記課題を簡易に解決できる画期的な発明である。
【0023】
この発明は、ボイラに限定されることなく、バーナにより生成される燃焼方法および燃焼装置に適用することが可能である。
【0024】
請求項1に記載の発明は、燃料をバーナにて燃焼させることにより生成されるガスと酸化触媒とを接触させて前記ガス中に含まれる窒素酸化物を低減する燃焼方法であって、炭化水素含有の燃料を前記バーナにて燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させる燃焼ステップと、この燃焼ステップにて生じたガスから吸熱手段により吸熱する吸熱ステップと、この吸熱ステップ後に前記ガスを酸化触媒と接触させて前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する有害物質低減ステップと、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度が実質的に零または所定値以下となるとともに、一酸化炭素濃度が実質的に零または所定値以下となる所定濃度比に調整する濃度比調整ステップとを含むことを特徴としている。
【0025】
ここで、窒素酸化物濃度が実質的に零とは、好ましくは、5ppm,さらに好ましくは、3ppm,さらに好ましくは、零である。一酸化炭素濃度が実質的に零とは、30ppm,さらに好ましくは、10ppmである。また、以下の説明で、酸素濃度が実質的に零とは、100ppm以下とするが、好ましくは、計測限界値以下とする。さらに、窒素酸化物濃度,一酸化炭素濃度が所定値以下とは、各国、各地域で定める排出基準濃度以下を意味するが、限りなく実質的に零に近い値に設定することが好ましいのはいうまでもない。このように排出基準値という意味において、「所定値」以下を「許容値」,「排出基準値」と称することができる。
【0026】
請求項1に記載の発明によれば、前記濃度比調整ステップにより、前記ガスの濃度比を前記所定濃度比とすることにより前記酸化触媒を用いて前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下に、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下に低減することができる。また、前記濃度比の調整を前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて行うので、簡易に調整を行うことができる。また、前記燃焼ステップでの燃焼は、前記ガス中に炭化水素を排出しないように前記バーナを燃焼させるので、特許文献7のような炭化水素を排出するように燃焼させる方法と比較して燃焼制御を容易に行える。また、前記酸化触媒に流入するガス中に炭化水素を含まないので、特許文献5のような複雑な手法を用いることなく、前記酸化触媒による窒素酸化物および一酸化炭素の低減を効果的に行うことができるとともに、炭化水素による反応を考慮することなく、前記濃度比の調整を容易に行える。
【0027】
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記濃度比調整ステップが、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Kを、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて、下記の調整0,調整1,調整2のいずれかに調整する濃度比調整ステップとを含むことを特徴としている。
調整0:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする基準所定濃度比K0に調整する。
調整1:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とする第一所定濃度比K1に調整する。
調整2:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする第二所定濃度比K2に調整する。
【0028】
請求項3に記載の発明は、請求項2において、前記基準所定濃度比K0を判定する式を次式(1)とし、前記基準所定濃度比K0が次式(2)を満たし、前記第一所定濃度比K
1を前記基準所定濃度比より小さく、前記第二所定濃度比K2を前記基準所定濃度比K0より大きくしたことを特徴としている。
([NOx]+2[O])/[CO]=K …(1)
1.0≦K=K0≦2.0 …(2)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。)
【0029】
請求項2および請求項3に記載の発明によれば、前記濃度比調整ステップにより、前記調整0,すなわち前記ガスの濃度比Kを前記基準所定濃度比K0とすることにより前記酸化触媒を用いて排出窒素酸化物濃度および排出一酸化炭素濃度を実質的に零とすることができる。また、前記調整1,すなわち前記ガスの濃度比Kを前記第一所定濃度比K1とすることにより前記酸化触媒を用いて排出窒素酸化物濃度を実質的に零とし、排出一酸化炭素濃度を所定値以下とすることができる。また、前記調整2,すなわち前記ガスの濃度比Kを前記第二所定濃度比K2とすることにより前記酸化触媒を用いて排出一酸化炭素濃度を実質的に零とし、排出窒素酸化物濃度を所定値以下とすることができる。前記請求項1に記載のその他の効果を請求項2および請求項3においても同様に奏することができる。
【0030】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3において、前記空気比調整手段を用いて前記濃度比を前記所定濃度比に一定に保持する濃度比一定制御ステップを備えたことを特徴としている。
【0031】
請求項4に記載の発明によれば、請求項1〜請求項3に記載の発明による効果に加えて、前記濃度比一定制御ステップにより、前記所定濃度をほぼ一定値に保持するので、外気温の変動などによる前記所定濃度比からの変動を抑制することができ、安定した有害物質の低減効果を発揮することができる。また、前記濃度比一定制御ステップを前記バーナの空気比調整手段により行うので、濃度比一定制御のための手段を別個に備える必要がなく、装置を簡易に構成することができるという効果を奏する。
【0032】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項3において、前記バーナの空気比が1.1以下であることを特徴としている。
【0033】
請求項5に記載の発明によれば、請求項1〜請求項3に記載の発明による効果に加えて、省エネルギーを実現することができる。
【0034】
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項3において、前記濃度比調整ステップが前記ガス中の一酸化炭素濃度を制御する一酸化炭素制御ステップを含むことを特徴としている。
【0035】
請求項6に記載の発明によれば、請求項1〜請求項3に記載の発明による効果に加えて、低O2領域における一酸化炭素濃度を制御して安定した低空気比燃焼を行うことができるという効果を奏する。
【0036】
請求項7に記載の発明は、請求項1〜請求項3において、前記酸化触媒の活性化を行う触媒活性化ステップを含むことを特徴としている。
【0037】
請求項7に記載の発明によれば、請求項1〜請求項3に記載の発明による効果に加えて、前記触媒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、効果的に有害物質低減をなし得るという効果を奏する。
【0038】
請求項8に記載の発明は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素
,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき前記バーナを設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする前記酸化触媒一次側における酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を得ることができるように構成されることを特徴としている。ここにおいて、本請求項および以下の請求項において、前記検出空気比および前記設定空気比は、それぞれ検出空燃比,設定空燃比または検出酸素濃度,設定酸素濃度に置き換えることができる。本発明および以下の説明において、「吸熱手段を通過後」とは、「吸熱手段全体を通過後」および「吸熱手段の一部を通過後」を含むものとする。
【0039】
請求項9に記載の発明は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき前記バーナを設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする空気比−NOx・CO特性を有することを特徴としている。
【0040】
請求項10に記載の発明は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき前記バーナの空気比を設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒一次側の前記ガスにおける一酸化炭素濃度が前記酸化により前記酸化触媒内で低減される一酸化炭素濃度と前記還元により前記触媒内で低減される一酸化炭素濃度とを加えた値とほぼ等しいか、それ以上となるように構成されることを特徴としている。
【0041】
請求項11に記載の発明は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき前記バーナの空気比を設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒への流入前の前記ガスの濃度比が次式(3)を満たすように構成されることを特徴としている。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0 …(3)
(式(3)において、[CO]、[NOx]および[O]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。)ことを特徴としている。
【0042】
請求項8〜請求項11に記載の発明によれば、窒素酸化物の排出量を限りなく零に近く低減できる燃焼装置を提供することができる。また、請求項1または請求項2により得ら
れるその他の効果を請求項8〜請求項11においても同様に奏することができる。
【0043】
請求項12に記載の発明は、請求項8〜請求項11において、前記設定空気比を実質的に1.0とすることを特徴としている。
【0044】
請求項12に記載の発明によれば、請求項8〜請求項11に記載の発明による効果に加えて、限りなく1.0に近い低空気比燃焼による省エネルギーを実現できるという効果を奏する。
【0045】
請求項13に記載の発明は、請求項8〜請求項11において、前記空気比調整手段を用いて前記濃度比を前記所定濃度比に一定に保持することを特徴としている。
【0046】
請求項13に記載の発明によれば、請求項8〜請求項11に記載の発明による効果に加えて、前記濃度比一定制御により、前記所定濃度をほぼ一定値に保持するので、外気温の変動などによる前記所定濃度比からの変動を抑制することができ、安定した有害物質の低減効果を発揮することができる。また、前記濃度比一定制御を前記バーナの空気比調整手段により行うので、濃度比一定制御のための手段を別個に備える必要がなく、装置を簡易に構成することができるという効果を奏する。
【0047】
請求項14に記載の発明は、請求項8〜請求項11において、前記空気比調整手段が、前記バーナの燃焼空気量を制御するダンパと、このダンパを制御するモータとを含むことを特徴としている。
【0048】
請求項14に記載の発明によれば、請求項8〜請求項11に記載の発明による効果に加えて、前記ダンパを燃焼量の制御と共用することができるという効果を奏する。
【0049】
請求項15に記載の発明は、請求項14において、前記検出空気比と前記設定空気比との差に応じて前記モータの単位時間当たり駆動量を変える第一制御帯と、この第一制御帯の外側において前記駆動量を設定値とする第二制御帯とを設けて、前記モータの駆動量を制御することを特徴としている。
【0050】
請求項15に記載の発明によれば、請求項14に記載の発明による効果に加えて、前記バーナの空気比の変動を速やかに修正して前記設定空気比を保持することができるという効果を奏する。
【0051】
請求項16に記載の発明は、請求項8〜請求項11において、前記空気比調整手段が、前記バーナへ燃焼空気量を供給する送風機の回転数制御用のモータと、このモータの回転数を制御するインバータとを含むことを特徴としている。
【0052】
請求項16に記載の発明によれば、請求項8〜請求項11に記載の発明による効果に加えて、制御精度の高いダンパを必要とすることがないとともに、前記インバータを燃焼量の制御と共用することができる。
【0053】
請求項17に記載の発明は、請求項16において、前記検出空気比と前記設定空気比との差に応じて前記モータの単位時間当たり駆動量を変える第一制御帯と、この第一制御帯の外側において前記駆動量を設定値とする第二制御帯とを設けて、前記モータの駆動量を制御することを特徴としている。
【0054】
請求項17に記載の発明によれば、請求項16に記載の発明による効果に加えて、前記バーナの空気比の変動を速やかに修正して前記設定空気比を保持することができるという
効果を奏する。
【0055】
請求項18に記載の発明は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この吸熱手段を通過後の前記ガスと接触され酸素により一酸化炭素を酸化し、一酸化炭素により窒素酸化物を還元する酸化触媒と、前記バーナへ供給する燃焼空気量と燃料量との割合を調整する空気比調整手段とを備え、前記酸化触媒は、前記ガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比がNOx非低減領域のとき、一酸化炭素を低減し、窒素酸化物を低減せず、前記濃度比がNOx低減領域のとき、一酸化炭素および窒素酸化物を低減する特性を有し、前記空気比調整手段は、前記濃度比が前記NOx低減領域となるように、前記バーナへの燃焼空気量と燃料量との割合を調整することを特徴としている。
【0056】
請求項18に記載の発明によれば、請求項1と同様の効果を奏する。
【0057】
請求項19に記載の発明は、請求項18において、前記調整が、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするものであることを特徴としている。
【0058】
請求項19に記載の発明によれば、請求項18に記載の発明に効果に加えて、排出NOx濃度を実質的に零とすることができるという効果を奏する。
【0059】
請求項20に記載の発明は、請求項19において、前記調整が、前記酸化触媒二次側の酸素濃度を実質的に零とするものであることを特徴としている。
【0060】
請求項20に記載の発明によれば、請求項19に記載の発明による効果に加えて、酸素濃度を実質的に零,すなわち空気比1.0とすることにより、省エネルギーを達成することができるという効果を奏する。
【0061】
請求項21記載の発明は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱する吸熱手段と、この吸熱手段通過後の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスと接触される酸化触媒と、前記バーナの燃焼空気量と燃料量との割合を調整する空気比調整手段とを備え、前記酸化触媒は、その二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする前記酸化触媒の一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を基準濃度比として、前記濃度比を前記基準濃度比とすると、前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記基準濃度比に対応する基準酸素濃度よりも一次側酸素濃度を高くすると、前記酸化触媒二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記酸化触媒の二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とし、窒素酸化物濃度を低減し、前記基準酸素濃度よりも一次側酸素濃度を低くすると、前記酸化触媒の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度実質的に零とし、一酸化炭素濃度を低減する特性を有し、前記空気比調整手段は、前記酸化触媒の二次側の酸素濃度および/または一酸化炭素濃度に基づき前記バーナの燃焼空気量と燃料量との割合を調整することにより、前記酸化触媒の一次側の酸素濃度を前記基準酸素濃度に対して調整して、前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を低減することを特徴としている。
【0062】
請求項21に記載の発明によれば、請求項1と同様の効果を奏することができる。
【0063】
請求項22に記載の発明は、請求項21において、前記酸化触媒の一次側の酸素濃度を
前記基準酸素濃度として、前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度をおよび一酸化炭素濃度を実質的に零とすることを特徴としている。
【0064】
請求項22に記載の発明によれば、請求項21に記載の発明による効果に加えて、空気比1.0の省エネルギーであって、かつ排出NOx濃度および排出一酸化炭素濃度を実質的に零とすることができるという効果を奏する。
【0065】
請求項23に記載の発明は、請求項22において、前記酸化触媒の二次側の一酸化炭素濃度または酸素濃度を検出し、それぞれが零となるように制御することを特徴としている。
【0066】
請求項23に記載の発明によれば、請求項22に記載の発明による効果に加えて、市販の空燃比センサを用いて容易に実現することができるという効果を奏する。
【0067】
請求項24に記載の発明は、バーナの燃焼により生じ、窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを酸化触媒と接触させることにより排出窒素酸化物および排出一酸化炭素の濃度を低減する有害物質低減方法であって、前記ガス中に酸素を含ませるとともに、前記ガス中の酸化触媒一次側の窒素酸化物,一酸化炭素および酸素の濃度比を所定濃度比に調整し、この調整を前記バーナの燃料量と燃焼空気量との割合を調整する空気比調整手段を用いて行うことにより前記窒素酸化物および一酸化炭素の排出濃度を実質的に零または所定値以下とすることを特徴としている。
【0068】
請求項24に記載の発明によれば、酸素の存在により、窒素酸化物,一酸化炭素および酸素の濃度比を調整するので、前記所定濃度比の調整を容易に行え、前記酸化触媒を用いて、簡易に前記窒素酸化物および一酸化炭素の排出濃度を実質的に零または所定値以下とすることができる。また、前記空気比調整手段と別に濃度比調整手段が不要となる。
【0069】
さらに、請求項25に記載の発明は、請求項24において、前記空気比調整手段による設定空気比を1.1以下としたことを特徴としている。
【0070】
請求項25に記載の発明によれば、請求項24に記載の発明による効果に加えて、省エネルギを実現できるという効果を奏する。
【発明の効果】
【0071】
この発明によれば、前記濃度比を調整することにより、前記酸化触媒を用いて、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近く低減、または所定値以下に低減できる。また、前記バーナの空気比調整手段により前記濃度比の調整を行うようにしているので、前記所定濃度比への調整を簡易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0072】
つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態を説明する前に、この出願において使用する用語について説明する。「ガス」とは、バーナから酸化触媒(酸化・還元触媒と称することができる。以下。単に「触媒」と称することができる。)を通過し終わるまでのガスをいい、触媒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、前記触媒がガスの流れに沿って多段に設けられている場合、「ガス」は、最終段の触媒を通過し終わるまでのガスをいい、「排ガス」は、最終段の触媒を通過した後のガスをいう。
【0073】
「触媒の一次側」とは、触媒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、ガスがこの触媒を通過する直前をいい、「触媒の二次側」とは、触媒の一次側の反対側をいう。
【0074】
また、「炭化水素を含まない」とは、燃焼反応の過程で全く炭化水素が生成されないことを意味するのではなく、燃焼反応の過程では、若干の炭化水素が生成されるが、燃焼反応が終了する段階,すなわち前記触媒に流入するガス中に窒素酸化物を還元する炭化水素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。
【0075】
さらに、空気比mは、m=21/(21−[O])と定義する。ただし、 [O]は、触媒二次側の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。
【0076】
つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明は、小型貫流ボイラなどの水管ボイラ,給湯器,吸収式冷凍機の再生器などの燃焼装置(熱機器または燃焼機器と称しても良い。)に適用される。
【0077】
(燃焼方法の実施の形態)
この発明の燃焼方法の実施の形態が適用されるボイラなどの燃焼装置は、典型的には、バーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段としての伝熱管(水管)群を含む缶体と、前記伝熱管群通過後の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素をそれぞれ所定濃度比で含むガスが接触して通過し、一酸化炭素を酸化させるとともに窒素酸化物を還元させる酸化触媒と、前記バーナへガス燃料を供給する燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する燃焼空気供給手段と、前記酸化触媒の下流において酸素濃度を検出するセンサと、このセンサなどの信号を入力して前記燃料供給手段および前記燃焼空気供給手段などを制御する制御器とを主要部として備える。
【0078】
このような燃焼装置に好適に実施されるこの発明の燃焼方法の実施の形態は、燃料をバーナにて燃焼させることにより生成されるガスと酸化触媒とを接触させて前記ガス中に含まれる窒素酸化物を低減する燃焼方法であって、炭化水素含有の燃料を前記バーナにて燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させる燃焼ステップと、この燃焼ステップにて生じたガスから吸熱手段により吸熱する吸熱ステップと、この吸熱ステップ後に前記ガスを酸化触媒と接触させて前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する有害物質低減ステップと、前記酸化触媒一次側のガス中の濃度の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度が実質的に零または所定値以下に、一酸化炭素濃度が実質的に零または所定値以下となる所定濃度比に調整する濃度比調整ステップとを含むことを特徴とする燃焼方法である。
【0079】
より、具体的には、燃料をバーナにて燃焼させることにより生成されるガスと酸化触媒とを接触させて前記ガス中に含まれる窒素酸化物を低減する燃焼方法であって、炭化水素含有の燃料を前記バーナにて燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させる燃焼ステップと、この燃焼ステップにて生じたガスから吸熱手段により吸熱する吸熱ステップと、この吸熱ステップ後に前記ガスを酸化触媒と接触させて前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する有害物質低減ステップと、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Kを、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて、下記調整0〜調整2のいずれかに調整する濃度比調整ステップとを含むことを特徴とする燃焼方法である。
調整0:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする基準所定濃度比K0に調整する。
調整1:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とする第一所定濃度比K1に調整する。
調整2:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする第二所定濃度比K2に調整する。
【0080】
そして、前記触媒は、前記調整0を行うと、それぞれ前記触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記調整1を行うと前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とし、前記調整2を行うと前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする特性を有している。
【0081】
この実施の形態において、濃度比とは、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度の相互の関係を意味する。前記調整0における基準所定濃度比K0は、好ましくは、次式(1)の判定式にて判定され、好ましくは、次式(2)を満たし、前記第一所定濃度比K1を前記基準所定濃度比より小さく、前記第二所定濃度比K2を前記基準所定濃度比より大きくするように設定される。
([NOx]+2[O])/[CO]=K …(1)
1.0≦K=K0≦2.0 …(2)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。)
【0082】
前記基準所定濃度比K0は、前記酸化触媒二次側の酸素濃度,窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度をそれぞれ実質的に零とする前記酸化触媒の一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比である。前記式(1)は、前記基準所定濃度比K0を判定するための判定式であり、式(2)は、前記酸化触媒二次側の酸素濃度,窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度をそれぞれ実質的に零とする条件を示している。理論的には、K0=1.0の条件で、各濃度を零とすることができる。しかしながら、実験結果によると、前記式(2)の範囲で各濃度を実質的に零とすることが確認されているが、前記K0の上限2.0は、前記触媒の特性によっては、2.0より大きい値をとることが考えられる。
【0083】
前記基準所定濃度比K0の値を下回るように,すなわち式(1)のKがK0よりも小さい前記第一所定濃度比K1となるように前記酸化触媒の一次側の濃度比Kを調整する(前記調整1)と、前記酸化触媒二次側の酸素濃度および窒素酸化物濃度が実質的に零となるとともに一酸化炭素濃度が所定値以下となる。この一酸化炭素濃度の所定値は、好ましくは、排出基準値(この値は、国により異なるので、国ごとに変更することが可能である。)以下に設定する。この所定値を決めると、実験的に前記第一所定濃度比K1を定めることができる。前記濃度比Kの値がK0よりも小さい前記第一所定濃度比K1となるような濃度比Kの調整は、具体的には、前記酸化触媒一次側の一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合を、前記基準所定濃度比K0を満たす一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合よりも少なくすることで実現可能である。
【0084】
また、前記濃度比KがK0よりも大きい前記第二所定濃度比K2となるように前記酸化触媒の一次側の濃度比Kを調整する(前記調整2)と、前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度が実質的に零となるとともに窒素酸化物濃度が所定値以下となる。この場合、前記酸化触媒の二次側の酸素濃度は、所定濃度となる。この窒素酸化物濃度の所定値は、一酸化炭素濃度の前記所定値とは異なる値であり、好ましくは、各国で定められる排出基準値以下とする。この所定値を決めると、実験的に前記第二濃度比K2を定めることができる。前記第二所定濃度比K2とするための濃度比Kの調整は、具体的には、前記酸化触媒一次
側の一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合を、前記基準所定濃度比K0を満たす一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合よりも多くすることで実現可能である。
【0085】
この実施の形態においては、好ましくは、前記濃度比Kを前記各所定濃度比K0,K1,K2に一定に保持する濃度比一定制御ステップを備える。
【0086】
この燃焼方法の実施の形態においては、まず、前記燃焼ステップにおいて、前記バーナが燃焼し、酸素と、窒素酸化物および一酸化炭素とを含み、炭化水素を含まないガスが生成される。そして、前記触媒の一次側の前記ガスにおける酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Kは、前記濃度比調整ステップにより、前記調整0,前記調整1,前記調整2のいずれかにより、それぞれ前記基準所定濃度比K0,前記第一所定濃度比K1,前記第二所定濃度K2に調整される。そして、前記有害物質低減ステップにおいて、前記ガスが前記触媒と接触して前記ガス中の酸素により一酸化炭素が酸化され、一酸化炭素により窒素酸化物が還元される。前記調整0または前記調整1が行われた場合の有害物質低減ステップにおける酸素の役割は、一酸化炭素濃度の調整,すなわち窒素酸化物を還元してその濃度を実質的に零とするのに必要な量以上に存在する一酸化炭素量を消費して低減するものである。この前記調整0,前記調整1後の有害物質低減ステップにより、前記ガス中の窒素酸化物の排出量が実質的に零に低減され、一酸化炭素の排出量が実質的に零または所定値以下に低減される。また、前記調整2後の有害物質低減ステップにより、前記ガス中の一酸化炭素の排出量が実質的に零とされ、窒素酸化物濃度が所定値以下に低減される。さらに、前記濃度比一定制御ステップにより、前記各所定濃度比K0,K1,K2の値の変動が抑制され、窒素酸化物排出量および一酸化炭素排出量の低減効果を確実にすることができる。特に、前記調整0において、窒素酸化物排出量を実質的に零とするには、前記濃度比一定制御ステップが重要である。
【0087】
前記調整0の基準所定濃度比K0および前記調整1の第一所定濃度比K1は、次式(3)で包含して表現される。すなわち、式(3)を満たすと、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とし、一酸化炭素濃度を実質的に零とするか、低減する。一酸化炭素濃度の低減を前記所定値以下とするには、前記濃度比Kの値がK0よりも小さい値となるように前記酸化触媒一次側の前記濃度比Kを調整し、前記第一所定濃度比K1とする。
([NOx]+2[O2])/[CO]=K≦2.0 …(3)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O2]はそれぞれCO濃度、NOx濃度およびO2濃度を示し、[O2]>0の条件を満たす。)
【0088】
前記有害物質低減ステップにおける有害物質の低減作用についてさらに説明する。この低減作用は、つぎのようにして行われると考えられる。前記酸化触媒では、主反応として、一酸化炭素を酸化させる第一反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる第二反応とが生じている。そして、前記酸化触媒における反応(触媒反応)おいて、酸素存在下では、前記第一反応が前記第二反応よりも優位であり、前記第一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、前記第二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、前記第一反応は、前記第二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前記第二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(第一反応)が行われ、第二段階で窒素酸化物が還元(第二反応)されると考えられる。
【0089】
要するに、前記酸化触媒において、酸素の存在下では、CO+1/2O2→CO2なる前記第一反応により、酸素が消費され、残りのCOを用いて、2CO+2NO→N2+2CO2なる前記第二反応により、窒素酸化物を還元して、排出窒素酸化物濃度を低減する。
【0090】
ここで、前記式(2)における[NOx]は、一酸化窒素濃度:[NO]と二酸化窒素
濃度:[NO2]との合計濃度である。前記の反応式の説明において、NOxを用いることなく、NOを用いているのは、高温度場での生成窒素酸化物の組成は、主成分がNOであり、NO2が数%に過ぎないので、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。
【0091】
前記濃度比Kが1.0の場合は、理論上は、前記触媒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、僅かに一酸化炭素が排出されることが分かっている。そして、([NOx]+2[O2])/[CO]=1は、実験結果を考慮して、前記第一反応および第二反応から理論的に導き出したものである。
【0092】
ここで、([NOx]+2[O2])/[CO]=1を如何にして導き出したかを説明する。この式は、前記基準所定濃度比K0を典型的に満足する式であるので、基準所定濃度充足式と称する。
【0093】
前記触媒内では、前記第一反応(I)が主反応として起こることが知られている。
CO +1/2O2 → CO2 …(I)
【0094】
また、Pt等の貴金属触媒を用いた前記触媒内では、酸素が存在しない雰囲気で前記第二反応(II)によるCOによるNO還元反応が進行する。
CO +NO → CO2 +1/2N2 …(II)
【0095】
そこで、前記第一反応(I)、前記第二反応(II)の反応に寄与する物質の濃度に着目し、前記基準濃度充足式を導きだした。
【0096】
すなわち、CO濃度,NO濃度,O2濃度をそれぞれ[CO]ppm,[NO]ppm,[O2]ppmとすると、前記式(I)よりCOにより除去できる酸素濃度は、次式(III)で表される。
2[O2]= [CO]…(III)
【0097】
また、前記式(II)の反応を起こすためには、COがNO等量必要であり、次式(IV)の関係がいえる。
[CO] =[NO] …(IV)
【0098】
前記式(I)、(II)の反応を前記触媒内で連続して起こす場合、前記式(III)と前記式(IV)を足し合わせることで得られる次式(V)の濃度関係が必要となる。
[CO] +[CO] =2[O2]+ [NO] …(V)
【0099】
[CO] +[CO]は、同一成分であるため、前記触媒二次側のガス中のCO濃度として[CO]で表すことができる。
よって、前記基準所定濃度比充足式,
すなわち[CO]=2[O2]+[NO]の関係を導くことができる。
【0100】
前記濃度比Kの値が1.0よりも小さい場合は、一酸化炭素の濃度が前記窒素酸化物の還元に必要な濃度以上に存在するので、排出酸素濃度が零で、前記触媒通過後のガス中に一酸化炭素が残留する。
【0101】
また、前記濃度比Kの値の1.0を越える2.0は、実験的に得られた値であるが、つぎの理由によると考えられる。前記触媒中で生じている反応は、完全に解明されておらず、前記第一反応および前記第二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。
【0102】
前記燃焼ステップは、前記バーナにて炭化水素含有燃料を燃焼させることにより行われ、炭化水素を含まず、窒素酸化物,一酸化炭素および酸素を含むガスが生成される。この燃焼は、ボイラなどの通常の燃焼装置において行われている燃焼であり、内燃機関のような急激な冷却を伴わないので、排ガスには、炭化水素を含まない。そして、好ましくは、前記空気比を1.1以下とする。これにより、低空気比燃焼により省エネルギーが実現される。
【0103】
前記バーナは、燃料と燃焼空気とを連続的に供給して連続的に燃焼させる燃焼装置であって、内燃機関は含まないものとする。自動車用のエンジンなどのような内燃機関は、燃料と燃焼空気との不連続な供給と燃焼とを行うので、未燃分として炭化水素や一酸化炭素が多量に生成されて排ガス中に含まれるので、この発明の燃焼方法には適していない。
【0104】
また、前記バーナは、好ましくは、ガス燃料を予混合燃焼させる全一次空気式の予混合バーナとする。前記触媒にて、前記第一反応および前記第二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前記(2)(3)式で示すような濃度比Kの調整が重要である。前記バーナを予混合バーナとすることにより、低空気比領域で前記基準所定濃度比K0を比較的容易に得ることができる。しかしながら、前記触媒一次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、それぞれの濃度を前記所定濃度比とする制御を行うことにより、予混合バーナ以外の部分予混合バーナや先混合バーナとすることができる。
【0105】
前記吸熱ステップは、この燃焼ステップにて生じたガスから吸熱手段により吸熱するステップである。前記吸熱手段は、好ましくは、ボイラなどの缶体を構成する水管群とする。この吸熱手段の形態としては、前記バーナの直近に燃焼空間を殆ど有さず、燃焼空間内に水管群を配置した第一の態様(前記特許文献1〜4に相当)と、前記バーナと水管群との間に燃焼空間を有する第二の態様とを含む。前記第一の態様では水管間の隙間で燃焼反応が進行する。前記水管群は、前記バーナからのガスと熱交換する複数の水管であるが、給湯器の水管のように1本の水管を蛇行させることで複数の水管を構成することができる。
【0106】
前記吸熱手段は、前記バーナにて生成されるガスから吸熱してその熱を利用するとともに、前記ガスの温度を前記酸化触媒の活性化温度近くに制御し、かつ熱的な劣化を防止する温度以下に抑制する,すなわちガス温度を前記第一反応および前記第二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機能を持たせることができる。また、前記吸熱手段に前記ガスの温度が約900℃以上に上昇するのを抑制して一酸化炭素の酸化を抑制し、前記バーナからのガスの濃度比が変化しないための手段として機能させることができる。
【0107】
前記濃度比調整ステップは、前記触媒一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の前記濃度比Kを、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて前記所定濃度比に制御することにより、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零から所定値以下に、一酸化炭素濃度を実質的に零から所定値以下に調整するステップである。そして、この濃度比調整ステップは、前記酸化触媒一次側の濃度比Kを前記基準所定濃度比K0,前記第一所定濃度比K1,前記第二所定濃度K2に調整するステップであるが、つぎの第一,第二濃度比調整手段を用いて行うことができる。この発明においては、いずれの調整手段も前記バーナへの燃焼量と燃焼空気量との割合を調整する前記空気比調整手段(後で詳述する)による濃度比の調整を行うものである。
【0108】
前記第一濃度比調整手段は、前記濃度比Kの調整を前記バーナの特性を利用するとともに、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記ガスから吸熱する吸熱手段との特性を利用して、すなわち前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性を利用して行うものである。この濃度比特性とは、前記バーナを空気比を変化させて燃焼させることにより生成される前記吸熱手段の全部または一部を通過後の一酸化炭素濃度および窒素酸化物濃度が変化する特性である。また、この濃度比特性は、基本的には前記バーナによる濃度比特性により決まり、前記吸熱手段は、典型的には、前記バーナの濃度比特性を一部変化させるか、またはその濃度比特性を保持する機能を有する。前記吸熱手段を前記第一の態様とする場合は、燃焼反応中のガスの冷却により、一酸化炭素濃度の増加をもたらすとともに、窒素酸化物濃度を抑制する。前記吸熱手段を前記第二の態様とする場合は、典型的には、前記バーナによる濃度比特性を殆ど変更することなく、保持するものである。
【0109】
この第一濃度比調整手段を用いて前記濃度比Kの調整を行う場合には、前記バーナおよび前記吸熱手段以外に濃度比調整手段を必要としないので、装置の構成を簡素化できる。また、前記吸熱手段により前記ガスの温度を抑制することができ、前記酸化触媒の耐久性を向上できるという効果を奏することができる。
【0110】
前記第二濃度比調整手段は、前記濃度比Kの調整が、前記バーナと、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記ガスから吸熱する吸熱手段との濃度比特性を利用するとともに、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記補助調整手段を用いて行うものである。
【0111】
前記補助調整手段は、前記バーナと前記酸化触媒との間(前記吸熱手段の途中を含む。)にあって、一酸化炭素を注入したり、酸素を吸着除去することにより、酸素濃度に対する一酸化炭素濃度の割合を増加させることにより前記調整を補助的に行う機能を有するものである。この補助調整手段としては、CO発生器や、排ガスの酸素またはCOの量を調整可能な補助的バーナとすることができる。
【0112】
この第二濃度比調整手段を用いて前記濃度比の調整を行う場合には、前記濃度比調整を前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に加えて前記補助調整手段を利用して行うので、特定の構造のバーナに限定されることなく、前記バーナおよび前記吸熱手段の適用範囲を拡げることができる。
【0113】
前記濃度比一定制御ステップは、好ましくは、前記バーナへ供給する燃焼空気量と燃料量との割合を変化させる空気比調整手段にて行う。しかしながら、前記補助調整手段に濃度比一定制御の機能を持たせたり、前記空気比調整手段や前記補助調整手段以外の濃度比一定制御手段により行うように構成することができる。前記空気比調整手段を用いる場合には、本来の燃焼空気量と燃料量との割合を設定値に保つ空気比制御に加えて、この発明の濃度比Kを前記各所定濃度比K0,K1,K2に一定に制御することができ、別個に濃度比一定制御手段を必要とせず、装置の構成を簡易化することができる。
【0114】
前記触媒は、前記ガス中に炭化水素が含まれない状態で効率良くで前記窒素酸化物を還元する機能を有する触媒で、前記吸熱手段の後流または前記吸熱手段の途中に設けられ、通気性を有する基材に触媒活性物質を担持した構成とし、構造は特定のものに限定されない。前記基材としては、ステンレスなどの金属,セラミックが用いられ、排ガスとの接触面積を広くするような表面処理が施される。触媒活性物質としては、一般的に白金が用いられるが、実施に応じて、白金に代表される貴金属(Ag,Au,Rh,Ru,Pt,Pd)または金属酸化物を用いることができる。前記触媒を前記吸熱手段の途中に設ける場合は、複数の水管などの吸熱手段間の隙間に設けるか、前記吸熱手段を基材として、その
表面に触媒活性物質を担持した構成とすることができる。
【0115】
以上説明した実施の形態において、前記触媒の活性化を行う触媒部活性化ステップを設けることができる。この触媒活性化ステップは、好ましくは、前記ガス中の一酸化炭素濃度を高めるように構成する。
【0116】
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、前記触媒が必要な活性化条件を得られない場合であっても、前記触媒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、効果的に前記触媒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ー化と共に、前記触媒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。
【0117】
また、前記触媒活性化ステップは、前記触媒の温度を高めるように構成することができる。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、前記触媒が必要な活性化条件を得られない場合であっても、前記触媒の温度を高めることによって、効果的に前記触媒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ー化と共に、前記触媒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。
【0118】
(燃焼装置の実施の形態1)
この発明は、つぎの燃焼装置の実施の形態1を含む。この燃焼装置の実施の形態1は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この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素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき前記バーナを設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする前記酸化触媒一次側における酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を得ることができるように構成されることを特徴とする燃焼装置である。
【0119】
前記設定空気比は、好ましくは、1.0の設定空気比に制御するが、前記触媒での反応の結果、1.0の設定空気比を満たし得る前記触媒の一次側の酸素濃度が所定濃度となるように空気比を制御するように構成することもできる。
【0120】
この発明の実施の形態1においては、前記バーナは、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に制御されて燃焼する。燃焼により生成されるガスは、前記吸熱手段にて吸熱作用を受けた後、前記触媒により一酸化炭素が酸化され、窒素酸化物が還元される。その結果、前記ガス中の窒素酸化物の排出量が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が低減される。
【0121】
この発明の実施の形態1によれば、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に制御することにより、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする前記触媒の一次側における酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比が得られる。
【0122】
低空気比制御においては、安定的な空気比制御が難しいが、前記空気比調整手段に、前
記空気比を安定的に制御する電気的制御手段および/または機械的制御手段を含ませることにより、安定した空気比制御を行うことができる。
【0123】
前記触媒の一次側の濃度比調整は、好ましくは、前記触媒の一次側の前記ガスにおける一酸化炭素濃度が一酸化炭素の酸化(第一反応)により前記触媒内で低減される一酸化炭素濃度と窒素酸化物の一酸化炭素による還元(第二反応)により前記触媒内で低減される一酸化炭素濃度とを加えた値とほぼ等しいか、それ以上となるように制御される。
【0124】
前記バーナと前記吸熱手段とによる前記濃度比調整は、実験的なデータに基づいて空気比―NOx・CO特性(濃度比特性)を求めることにより行われる。この濃度比調整により、前記触媒の一次側の前記ガスにおける一酸化炭素濃度が一酸化炭素の酸化により前記触媒内で低減される一酸化炭素濃度と窒素酸化物の一酸化炭素による還元により前記触媒内で低減される一酸化炭素濃度とを加えた値とほぼ等しいか、それ以上とする。
【0125】
この濃度比において、空気比を実質的に1.0の設定空気比に制御すれば、省エネルギーを達成するうえで好ましい。前記濃度比の範囲を表す式は、前記式(3)にて表現することができる。
【0126】
また、前記式(3)を満たすという条件下で前記触媒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1.0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ーが実現され、低公害で、省エネルギーの燃焼装置を提供することができる。
【0127】
前記空気比調整手段は、流量調整手段と、この流量調整手段を駆動するモータと、このモータを制御する制御手段とを含む。前記流量調整手段は、前記バーナの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、前記バーナの空気比を調整するための手段である。前記燃焼空気量を調整するものの場合、好ましくは、ダンパ(弁の意味を含む)とする。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、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とすることができる。
【0128】
この流量調整手段を燃焼空気量を変えるものとする場合には、好ましくは、送風機と燃料供給手段との間の空気流路に設けるが、前記送風機の吸い込み口など前記送風機の吸い込み口側に設けることができる。
【0129】
前記モータは、好ましくは、前記流量調整手段を駆動する手段であり、前記流量調整手段の開度量を駆動量に応じて制御でき、かつ単位時間当たりの駆動量を調整できるモータとする。このモータは、前記空気比を安定的に制御する「機械的制御手段」の一部を構成する。この「開度量を駆動量に応じて制御できる。」とは、駆動量が決まれば、前記流量調整弁の開度を特定の位置に停止制御できることを意味する。また、「単位時間当たりの駆動量を調整できる。」とは、位置制御の応答性を調整できることを意味する。
【0130】
このモータは、好ましくは、ステッピングモータ(ステップモータと称することができる。)とするが、ギヤモータ(ギヤドモータと称することができる。)やサーボモータなどとすることができる。前記ステッピングモータとした場合は、前記駆動量が駆動パルスにより決定し、前記流量調整手段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できる。また、前記ギヤモータまたは前記サーボモータとした場合は、前記駆動量が開閉駆動時間であり、前記流量調整手段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できる。
【0131】
前記センサとしては、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=1.0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酸素濃度計を好適に用いることができる。また、前記センサとしては、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こともできる。
【0132】
以上のようなセンサの取付位置は、好ましくは、前記触媒の二次側とするが、これに限定されるものではなく、前記触媒の一次側や、前記触媒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。
【0133】
前記空気比調整手段は、予め記憶した空気比制御プログラムに基づき、前記センサの検出値を入力して、前記モータの駆動量をフィードバック制御して、前記触媒の一次側の前記ガスにおける一酸化炭素濃度が前記酸化により前記触媒内で低減される一酸化炭素濃度と前記還元により前記触媒内で低減される一酸化炭素濃度とを加えた値とほぼ等しいか、それ以上となるように、または、前記式(3)を満たすように、前記空気比を1の設定空気比に制御(濃度比Kの一定制御)する。
【0134】
前記空気比制御プログラムは、好ましくは、前記検出空気比と前記設定空気比との差に応じて前記モータ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前記駆動量を固定の設定値とする第二制御帯とを設けて、前記モータの駆動量を制御するように構成する。この制御は、前記検出空気比が前記設定空気比を中心にした設定範囲内に収まるように制御する前記電気的制御手段を構成する。なお、この空気比制御プログラムは、この制御方式に限定されるものではなく、種々のPID制御とすることができる。前記第一制御帯における制御量は、検出空気比と設定空気比との差と設定ゲインとの積の式により制御することができる。こうした制御により、設定空気比に速やかに制御できるととともに、オーバーシュートおよびハンチングの少ない制御を行うことができる効果を奏することができる。
【0135】
前記バーナおよび前記吸熱手段による濃度比調整は、前記吸熱手段以外の前記バーナから前記触媒までのガス通路を構成する要素およびこのガス通路に含まれる要素によりおこなう形態を含むものである。
【0136】
また、前記機械的制御手段は、燃焼空気の給気通路を主通路とこれと並列の補助通路とから構成し、前記主通路に設けた弁体の作動で空気流量を粗調整し、前記補助通路に設けた弁体の作動で空気流量を微調整するように構成することができる。また、機械的制御手段は、燃料供給通路を主通路とこれと並列の補助通路とから構成し、前記主通路に設けた弁体の作動で空気流量を粗調整し、前記補助通路に設けた弁体の作動で空気流量を微調整するように構成することができる。
【0137】
前記空気比調整手段の流量調整手段は、送風機のモータをインバータにより制御するものとすることができる。このインバータは、周知の構成のものを利用できる。このインバータを用いる場合も、ダンパ制御に用いる前記空気比制御プログラムにより制御することができる。
【0138】
(燃焼装置の実施の形態2)
この発明は、つぎの燃焼装置の実施の形態2を含む。この燃焼装置は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この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し窒素酸化物を一酸化炭素により
還元する触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段とを備え、前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を1.0の近傍にて調整することにより得られる前記触媒の一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含む前記ガスに関する前記触媒の一次側の空気比−NOx・CO特性(一次特性)を有し、前記触媒は、この一次側の空気比−NOx・CO特性を有するガスを前記触媒と接触させることにより得られる前記触媒の二次側の空気比−NOx・CO特性(二次特性)を有するように構成され、前記空気比調整手段は、前記二次側の空気比−NOx・CO特性のNOx・CO低減領域の設定空気比にて前記バーナの空気比を制御することを特徴としている。前記一次特性は、この発明の前記バーナおよび前記吸熱手段による濃度比特性であり、空気比−NOx特性と空気比−CO特性とを含む。また、前記二次特性は、前記触媒による特性(触媒特性)であり、空気比−NOx特性と空気比−CO特性とを含む。
【0139】
(実施の形態2の態様1)
前記設定空気比は、一つの態様として、前記二次特性における窒素酸化物濃度(排出NOx濃度)を実質的に零とする値に設定される。この窒素酸化物濃度を実質的に零とするのは、前記バーナの空気比を実質的に1.0に制御することにより実現される。この制御は、好ましくは、前記触媒の二次側の空気比により行うが、前記触媒での反応の結果、実質的に1.0の設定空気比を満たし得る前記触媒の一次側の酸素濃度(O2濃度)が所定濃度となるように一次側のO2濃度により行うように構成することもできる。
【0140】
この態様1においては、前記バーナの燃焼により生成されるガスは、前記吸熱手段にて吸熱作用を受け、所定濃度比で酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスとなる。前記バーナの空気比を低空気比の領域で変化させると、前記バーナおよび前記吸熱手段による濃度比特性である前記一次特性と前記触媒の特性による前記二次特性が得られる。そして、前記二次特性のNOx濃度が前記一次特性のNOx濃度より低く、一酸化炭素濃度(CO濃度)が前記一次特性のCO濃度より低い領域,すなわちNOx・CO低減領域にて、前記設定空気比が設定されるので、前記触媒の酸化、還元作用により、窒素酸化物の排出量が低減されるとともに、一酸化炭素の排出量が低減される。このNOx・CO低減領域において前記空気比を設定することにより、前記調整0,前記調整1および前記調整2を実現することができる。
【0141】
(実施の形態2の態様2)
この態様2は、前記設定空気比を、前記二次特性におけるNOx濃度が実質的に零を越え、かつ前記一次特性におけるNOx濃度より低くなる値に設定したことを特徴とする。前記値は、前記設定空気比が、実質的に1.0を越える前記二次特性のNOx・CO低減領域の空気比に設定することにより実現される。この態様2は、前記調整2を実現する。
【0142】
この態様2においては、前記設定空気比が、空気比1.0を越えているため、前記触媒の二次側で酸素が存在する。このことは、前記触媒内において、酸化反応の方が還元反応より優位なために、排出NOx濃度は、前記一次特性のNOx濃度よりも低い値に低減されるが、零にはならず前記触媒の二次側に存在する。また、前記触媒の酸化作用により、排出CO濃度は、実質的に零に低減される。
【0143】
前記一次特性は、燃焼装置の前記バーナおよび吸熱手段の種類に応じて曲線および濃度値が異なるが、前記一次特性の典型的なCO特性は、空気比が小さくなるに連れてCO濃度が増加する傾向がみられる。特に、前記一次特性のCO特性は、空気比1.0に近づくとCO濃度が急激に増加する。
【0144】
(実施の形態2の態様3)
前述の態様1,2は、つぎの態様3にて表現することができる。この態様3は、炭化水
素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この吸熱手段を通過後の前記ガスと接触され酸素により一酸化炭素を酸化し、一酸化炭素により窒素酸化物を還元する酸化触媒と、前記バーナへ供給する燃焼空気量と燃料量との割合を調整する空気比調整手段とを備え、前記酸化触媒は、前記ガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比がNOx非低減領域のとき、一酸化炭素を低減し、窒素酸化物を低減せず、前記濃度比がNOx低減領域のとき、一酸化炭素および窒素酸化物を低減する特性を有し、前記空気比調整手段は、前記濃度比が前記NOx低減領域となるように、前記バーナへの燃焼空気量と燃料量との割合を調整することを特徴とする燃焼装置である。
【0145】
この態様3におけるNOx低減領域は、前記実施の形態1,2のNOx・CO低減領域に相当する。この態様3において、前記調整は、好ましくは、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするように構成する。さらに、前記調整は、好ましくは、前記酸化触媒二次側の酸素濃度を実質的に零とするように構成する。前記触媒における一酸化炭素の低減は、酸化により、窒素酸化物の低減は一酸化炭素による還元によりなされる。

【0146】
また、この態様3において、好ましくは、前記バーナおよび前記吸熱手段による濃度比調整は、生成される有害物質濃度を設定濃度以下に抑制するように構成する。ここで、有害物質(公害物質と称することもできる。)とは、窒素酸化物または窒素酸化物および一酸化炭素である。この設定濃度は、有害物質を窒素酸化物とした場合、たとえば300ppmとすることができる。すなわち、前記濃度比調整により生成される有害物質濃度を設定濃度以下に抑制しておくことにより、前記酸化触媒における処理量,すなわち前記触媒の量を少なくすることができる。
【0147】
(燃焼装置の実施の形態3)
さらに、この発明は、つぎの燃焼装置の実施の形態3を含む。この実施の形態3は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱する吸熱手段と、この吸熱手段通過後の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスと接触され、前記ガス中の酸素により一酸化炭素を酸化する第一反応と、前記ガス中の一酸化炭素により窒素酸化物を還元する第二反応とを主反応として行う触媒と、前記バーナの燃焼空気と燃料との割合を調整する空気比調整手段とを備え、前記触媒は、その二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする前記触媒の一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を基準所定濃度比として、前記濃度比を前記基準所定濃度比とすると、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記基準所定濃度比に対応する基準酸素濃度よりも一次側酸素濃度を高くすると、前記触媒二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とし、窒素酸化物濃度を低減し、前記基準酸素濃度よりも一次側酸素濃度を低くすると、前記触媒の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度実質的に零とし、一酸化炭素濃度を低減する特性を有し、前記空気比調整手段は、前記触媒の特性を利用して、前記触媒の二次側の酸素濃度に基づき前記バーナの燃焼空気量と燃料量との割合を調整することにより、前記触媒の一次側の酸素濃度を前記基準酸素濃度に対して調整して、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を低減することを特徴とする燃焼装置である。
【0148】
前述の実施の形態2は、前記触媒二次側の酸素濃度および/または一酸化炭素濃度などにより求められる空気比に対する前記バーナおよび吸熱手段の前記一次特性と前記二次特
性とに基づいて表現したものである。これに対して、この実施の形態3は、前記触媒の一次側の酸素濃度に対する前記バーナおよび前記吸熱手段の前記一次特性と前記触媒の特性とに基づいて表現したものである。
【0149】
この触媒特性とは、つぎのような特性である。すなわち、図7の模式図に示すように、前記触媒一次側の前記濃度比の特性ラインL(二次側[NOx]=0,[CO]=0ライン)を有している。このラインL上に前記触媒一次側の前記濃度比Kが位置すると、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度が実質的に零となる。このラインLは、理論的には前記式(3)の前記所定濃度比Kが1.0(前記式(2)ではK0=1.0)に対応している。しかしながら、前述のように、実験的に前記濃度比Kが1.0を越える2.0までの範囲で、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とすることができることが確認されているので、前記特性ラインLは、図7のラインに限定されない。
【0150】
そして、前記バーナおよび前記吸熱手段の前記一次特性のラインMと、前記特性ラインLとの交点における酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Kを仮に特異基準所定濃度比K0X(以下、特異基準濃度比という。)と称する。前記触媒の一次側の前記濃度比Kを前記特異基準濃度比K0Xに調整する(前記調整0)と、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする。そして、前記特異基準濃度比K0Xに対応する基準酸素濃度SKよりも一次側酸素濃度を高くする,すなわち前記空気比調整手段により一次側酸素濃度を高くする(前記調整2)と、前記触媒二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度が一次側の窒素酸化物濃度よりも低減し、かつ二次側の一酸化炭素濃度が実質的に零となる。また、前記特異基準濃度比K0Xよりも一次側酸素濃度を低くする(前記調整1)と、前記触媒の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度が実質的に零となり、かつ二次側の一酸化炭素濃度が低減する。
【0151】
こうした前記触媒の特性と前記バーナおよび前記吸熱手段の前記一次特性とを利用すると、前記触媒の二次側の酸素濃度および/または一酸化炭素濃度を零に制御する,すなわち空気比を1.0に制御することで、簡易に排出NOx濃度および排出CO濃度を実質的に零に制御することができる。すなわち、前記触媒の二次側の酸素濃度および/または一酸化炭素濃度の制御により、空気比1.0で燃焼することによる省エネルギと、排出NOx濃度および排出CO濃度が実質的に零の超低公害化とを同時に実現することができる。
【0152】
また、前記触媒の二次側の酸素濃度および/または一酸化炭素濃度を零の近傍にてその量を制御することにより、排出NOx濃度を実質的に零とすることができないまでも零に近い低い値に低減することができる。
【実施例1】
【0153】
ついで、この発明の燃焼装置を蒸気ボイラに適用した実施例を図面に従い説明する。図1は、本実施例1の蒸気ボイラの縦断面の説明図であり、図2は、図1のII−II線に沿う断面図であり、図3は、図2の酸化触媒を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図であり、図4は、本実施例1の空気比−NOx・CO特性を説明する図であり、図5は、同実施例1のダンパ位置調整装置の使用状態の一部断面の説明図であり、図6は、ダンパ位置調整装置の使用状態の一部断面の説明図であり、図7は、本実施例1のバーナおよび吸熱手段特性および触媒の特性を説明する模式図であり、図8は、本実施例1のセンサの出力特性を説明する図であり、図9は、本実施例1のモータ制御特性を説明する図であり、図10は、本実施例1のNOxおよびCO低減特性を説明する図である。
【0154】
まず、本実施例1の蒸気ボイラについて説明する。この蒸気ボイラは、バーナ1と、このバーナ1から生成されるガスの吸熱を行う吸熱手段としての伝熱管(水管)群2を含む缶体3と、前記伝熱管群2通過後の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素をそれぞれ所定濃度比で含むガスが接触して通過し、一酸化炭素を酸化させるとともに窒素酸化物を還元させる酸化触媒(以下、単に「触媒」と称することもできる。)4と、前記バーナ1へガス燃料を供給する燃料供給手段5と、前記バーナ1へ燃焼空気を供給するとともに燃焼空気および燃料を予混合する燃焼空気供給手段6と、前記触媒4の下流において酸素濃度を検出するセンサ7と、このセンサ7などの信号を入力して前記燃料供給手段5および前記燃焼空気供給手段6などを制御するボイラ制御器としての制御器8とを主要部として備えている。
【0155】
前記バーナ1は、平面状の燃焼面(予混合気の噴出面)を有する完全予混合式バーナである。このバーナ1は、特許文献1に記載のバーナと同様の構成である。
【0156】
前記缶体3は、上部管寄せ9および下部管寄せ10を備え、この両管寄せ間に前記水管群2を構成する複数の内側水管11,11,…を配置している。そして、図2に示すように、前記缶体3の長手方向の両側部に外側水管12,12,…を連結部材13,13,…で連結して構成した一対の水管壁14,14を設け、この両水管壁14,14と前記上部管寄せ9および前記下管寄せ10との間に前記バーナ1からのガスがほぼ直線的に流通する第一ガス通路15を形成している。前記第一ガス通路15の一端には前記バーナ1が設けられ、他端の排ガス出口16には排ガスが流通する第二ガス通路(煙道)17が接続されている。この実施例1においては、前記バーナ1および前記缶体3は、公知のものを用いている。
【0157】
前記第二ガス通路17は水平部18と垂直部19とを含み、前記水平部18には、前記触媒4が装着されている。前記垂直部19には、前記触媒4の下流側に位置するように排熱回収器としての給水予熱器20が装着され、前記触媒4および前記給水予熱器20の間に前記センサ7が配置されている。
【0158】
前記バーナ1,前水管群2を含む前記バーナ1から前記触媒4に至る構成要素(特にバーナ1と水管群2がその主要部)は、前記触媒4の一次側のガスにおける前記濃度比Kを前記所定濃度比K0,K1に調整する機能をなすものである。すなわち、後述する空気比調整手段28により設定空気比に調整したとき、図4に示す空気比―NOx・CO特性が得られるように構成されている。この空気比―NOx・CO特性は、前記空気比調整手段28を制御して、空気比を変化して燃焼させた時に得られる前記触媒4の一次側の空気比―NOx・CO特性(以下、一次特性という。)である。そして、前記触媒4は、前記一次特性を有する前記ガスを前記触媒4に接触させることにより得られる前記触媒4の二次側空気比―NOx・CO特性(以下、二次特性という。)を有している。前記一次特性は、前記バーナ1から前記触媒4に至る構成要素による前記濃度比特性であり、前記二次特性は、前記触媒4による特性である。前記一次特性は、前記設定空気比を1.0に調整したとき、前記触媒4の二次側のNOx濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする。このとき、前記触媒4の一次側のガスにおける基準所定濃度比K0は、特異基準濃度比K0Xとなる(図7参照)。
【0159】
図4は、縦軸,横軸の目盛りの付け方は異なるが、図18の低空気比領域Z2を引き延ばした模式図である。この図4において、第一ライン(特性線)Eは、前記触媒4一次側のCO濃度を示し、第二ラインFは、同じく一次側のNOx濃度を示している。また、第三ラインJは、前記触媒4二次側のCO濃度を示し、空気比1.0以上でCO濃度が実質的に零となり、空気比が1.0より小さくなるに従い、濃度が急激に増加する特性を有している。また、第四ラインUは、前記触媒4二次側のNOx濃度を示し、空気比1.0以
下の所定の領域でNOx濃度が実質的に零となり、空気比が1.0を越えるに従い、実質的に零から濃度が増加し、やがて前記触媒4の一次側の濃度と等しくなる特性を有している。この前記触媒4の二次側NOx濃度が、一次側の濃度と等しくなる空気比以下の領域をNOx・CO低減領域と称する。このNOx・CO低減領域の下限は、前記触媒4の二次側のCO濃度が300ppm(日本のCO排出基準)となる空気比とすることができる。この低空気比領域の空気比―NOx・CO特性は、これまで研究されてこなかった新規な特性である。
【0160】
前記触媒4は、前記水管群2を通過後の炭化水素を含まない前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸化する(第一反応)とともに窒素酸化物を還元する(第二反応)機能を有し、本実施例1では、触媒活性物質を白金とした触媒を用いている。前記「発明を実施するための最良の実施の形態」の欄で説明したように、実験結果に基づいて理論的に考察すると、前記式(3)の濃度比式を満たす前記ガスと前記触媒4の触媒活性物質との接触により、主に一酸化炭素を酸化させる第一反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる第二反応とが生じると考えられる。前記第一反応は、酸素濃度により反応が進行するか、しないかが決定され、この触媒4においては、前記第一反応が前記第二反応に対して優位であると考えられる。
【0161】
前記触媒4をより具体的に説明すると、この触媒は、図3に示すような構造のもので、たとえば,つぎのようにして形成される。前記基材としての共にステンレス製の平板21および波板22のそれぞれの表面に多数の微小凹凸を形成し、その表面に触媒活性材料(図示省略)を担持する。ついで、所定幅の前記平板21および波板22を重ね合わせたうえで、螺旋状に巻回してロール状に形成する。このロール状のものを側板23にて包囲し固定して形成している。前記触媒活性材料としては、白金を用いている。なお、図3においては、前記平板21および前記波板22の一部のみを示している。
【0162】
この触媒4は、低温域で酸化活性を有し、前記第二ガス通路17の途中の前記水平部18であって、排ガス温度が約150℃〜350℃程度の位置に配置されている。そして、この触媒4は、性能が劣化した場合に交換可能なように、前記第二ガス通路17に対して着脱自在に装着されている。
【0163】
前記燃料供給手段5は、ガス燃料供給管24と、このガス燃料供給管24に設けた燃料流量を調整する流量調整弁25とを含んで構成されている。前記流量調整弁25は、燃料供給量を高燃焼用流量と低燃焼用流量とに制御する機能を有する。
【0164】
前記燃焼空気供給手段6は、送風機26と、この送風機26から前記バーナ1へ燃焼空気を供給する給気通路27と、この給気通路27を流れる燃焼空気量を調整することで前記バーナ1の空気比を調整する空気比調整手段28を含んで構成されている。前記給気通路27内へは、前記ガス燃料供給管24が燃料ガスを噴出するように接続されている。
【0165】
前記空気比調整手段28は、前記給気通路27の開度(流路断面積)を調整する流量調整手段としてのダンパ29と、このダンパ29の開度位置を調整するためのダンパ位置調整装置30と、このダンパ位置調整装置30の作動を制御する前記制御器8とを含んで構成されている。
【0166】
前記ダンパ位置調整装置30は、図5に示すように、前記ダンパ29の回転軸31に着脱自在に連結される駆動軸32を備え、この駆動軸32は、減速機33を介してモータ34にて回転可能である。このモータ34としては、回転停止位置を任意に調整可能なモータが使用される。本実施例ではステッピングモータ(パルスモータ)が使用される。
【0167】
前記駆動軸32は、前記ダンパ29の回転軸31と、カップリング35を介して連結されることで、略同一軸線上で一体回転可能とされる。前記カップリング35は、段付き円柱形状とされ、その中央部には軸方向に貫通して小径穴36および大径穴37が形成されている。その小径穴36には前記駆動軸32が挿入され、この駆動軸32は取付ネジ38にて前記カップリング35と一体化される。一方、前記大径穴37には前記ダンパ29の回転軸31が挿入可能とされ、この回転軸31はキー39にて前記カップリング35と一体回転可能とされる。そのために、前記回転軸31および前記カップリング35の前記大径穴37には、それぞれキー溝40,41が形成されている。
【0168】
このようなカップリング35は、一端部に前記駆動軸32が挿入された状態で、他端部が軸受42を介して前記ダンパ位置調整装置30の外ケース43に回転可能に保持される。この外ケース43には、一端部に前記減速機33および前記モータ34が保持され、他端部に前記カップリング35のキー溝41付きの前記大径穴37を露出した状態で、前記カップリング35や回転異常検出手段44を内部に密閉する構造である。
【0169】
前記回転異常検出手段44は、被検出板45と検出器46とを備える。前記被検出板45は、前記カップリング35の軸方向中央部の段付き部に、半径方向外側へ延出して固定される。この被検出板45は、前記カップリング35や前記駆動軸32と同心に設けられる。前記被検出板45の外周部の一部には、周方向等間隔に多数のスリット47,47…を形成したスリット形成領域48が設けられる。本実施例では、四分の一(90度)の円弧分だけ、前記スリット形成領域48が設けられる。このスリット形成領域48に形成される前記各スリット47は、同一の形状および大きさである。本実施例では、前記被検出板45の半径方向に沿った細長い矩形状の溝が、周方向に沿って等間隔に打ち抜き形成されている。
【0170】
前記スリット47を検出するための前記検出器46は、前記外ケース43に固定される。この検出器46は、透過型フォトインタラプタからなり、発光素子49と受光素子50との間に前記被検出板45の外周部が介在された状態に取り付けられる。前記検出器46の前記発光素子49と前記受光素子50との間に前記被検出板45を介在させることで、前記検出器46と対応した位置(前記発光素子49から前記受光素子50への光路と対応した位置)に前記被検出板45の前記スリット47が配置されるか否かにより、前記受光素子50における前記発光素子49からの受光の有無が切り替えられる。これにより、前記ダンパ29の開度位置の検出が可能とされる。
【0171】
前記ダンパ位置調整装置30は、図6において前記スリット形成領域48の時計方向の端部スリット51が、前記検出器46と対応した位置に配置された状態で、前記ダンパ29が前記給気通路路27を全閉状態とするように位置決めされて、前記ダンパ29の前記回転軸31に取り付けられる。
【0172】
そして、前記スリット形成領域48は、前記被検出板45の90度分だけ形成しているので、このスリット形成領域48の時計方向の端部スリット51が、前記検出器46と対応した位置に配置された状態では、上述したように前記ダンパ29が前記給気通路27を全閉する一方、前記スリット形成領域48の反時計方向の端部スリット52が、前記検出器46と対応した位置に配置された状態では、前記ダンパ29が前記給気通路27を全開することになる。
【0173】
前記ダンパ位置調整装置30は、前記モータ34と前記検出器46とが前記制御器8と接続され、前記ダンパ29の回転異常を監視しつつ、前記モータ34の回転を制御することができるように構成されている。すなわち、前記モータ34を制御するために、このダンパ位置調整装置30は、前記モータ34への駆動パルスを含む制御信号の作成回路を有
し、その作成した制御信号を前記モータ34へ出力可能である。これにより、前記モータ34は、正転または逆転と、駆動量,すなわち駆動パルスの数に対応してその回転角が任意に制御される。また、駆動パルスの間隔(送り速度)を変えることで、回転速度を制御可能に構成されている。
【0174】
実際に前記ダンパ29を開閉制御するに際し、前記制御器8は、まず前記ダンパ29の全閉位置を原点とするために原点検出動作を行う。まず図5において、反時計方向へ前記被検出板45を回転させる。いま、この被検出板45の前記スリット形成領域48内に前記検出器46が配置されているとすれば、前記被検出板45の回転に伴い前記検出器46は定期的に前記スリット47を検出するので、その検出パルスが検出信号として前記制御器8へ入力される。そして、前記検出器46が前記スリット形成領域48外に配置されるまで前記被検出板45が回転されると、パルスが検出されなくなる。所定時間パルスが検出されないと、前記制御器8は、前記検出器46が前記スリット形成領域48外にあると認識し、回転方向を逆方向へ切り替える。すなわち、本実施例では、前記被検出板45を時計方向へ逆転させ、最初にパルス(時計方向の端部スリット51)が検出された位置を原点とする。この時計方向への回転による原点確認は、回転方向切替え前の反時計方向の回転よりも低速でなされる。
【0175】
このようにして検出された原点は、前記ダンパ29の全閉位置と対応しているので、この状態を基準として、前記制御器8は、前記モータ34へ駆動信号を出力し、前記ダンパ29を開閉制御することができる。前記制御器8は、前記ダンパ29の開閉のために前記モータ34を駆動すれば、それに伴い前記検出器46から前記スリット47の検出信号がパルスとして取得される。従って、前記制御器8は、前記検出器46からの検出信号を前記モータ34への制御信号と比較して、前記ダンパ29の回転異常を監視することができる。具体的には、前記モータ34への駆動パルスからなる制御信号と、前記検出器46による前記スリット47の検出パルスからなる検出信号とを比較し、回転異常の有無を監視する。
【0176】
たとえば、前記モータ34へ駆動パルスを送ったにもかかわらず、前記検出器46から検出パルスが検出されない場合に、前記制御器8は、回転異常と判定する。この際、前記検出器46からの検出パルスは、前記モータ34への駆動パルスの周波数と異なるのが通常であるから、この相違を考慮して制御する。たとえば、駆動信号の所定パルス分の時間が経過しても、なお検出信号のパルスが一つも検出されない場合に、はじめて回転異常と判断するよう制御する。前記制御器8は、回転異常と判定した場合、異常の報知や燃焼を停止させるなどの処置を行う。また逆に、前記モータ34へ駆動パルスを送っていないのに、前記検出器46からパルスが検出された場合にも、回転異常を検知することができる。
【0177】
前記制御器8は、予め記憶した空気比制御プログラムにより、前記センサ7の検出信号に基づき、前記バーナ1の空気比が設定空気比となるように(第一制御条件)、かつこの設定空気比において前記触媒4の一次側の前記ガスの濃度比Kが次式(3)を満たすように(第二制御条件)、前記モータ34を制御するように構成されている。
([NOx]+2[O])/[CO]≦2.0 …(3)
(式(3)において、[CO]、[NOx]および[O]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O]>0の条件を満たす。)
この実施例1においては、直接制御しているのは、前記第一制御条件であり、この第一制御条件を満たすことにより、自動的に前記第二制御条件が満たされるように構成している。この点を図4および図7に基づき以下に説明する。
【0178】
図4の空気比―NOx・CO特性は、前記バーナ1および前記水管群2を含む構成要素
の前記一次特性と前記触媒による前記二次特性とに基づいて表現したものであるが、図7は、これを前記触媒4一次側の酸素濃度に対する前記構成要素の前記一次特性と前記触媒4の特性とに基づいて表現したものである。
【0179】
前記触媒4の特性は、図7に示すように、前記触媒4一次側の前記基準所定濃度比K0に関する第五ラインL(二次側[NOx]=0,[CO]=0ライン)にてその特徴を表している。この第五ラインLは、そのライン上に前記触媒4一次側の前記濃度比Kが位置する(載る)と、前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする,すなわち前記基準所定濃度比K0を満たすラインである。この第五ラインLは、前記式(3)の前記所定濃度比が1の場合に対応している。すなわち、この第五ラインLは、次式(3A)を表したラインである。
[NOx]+2[O2]=[CO] …(3A)
【0180】
ここで、[NOx]は、図10に示すように[CO]の1/30〜1/50程度であるので、図7においては、酸素濃度に対するNOx濃度特性を省略するとともに、式(3A)における[NOx]を無視できるものとしている。この第五ラインLにおいて、一次側酸素濃度をX1とした場合、一次側一酸化炭素濃度Y1は、Y1=2X1+[NOx]となる。なお、前記濃度比Kの値が1.0を越える2.0までの範囲で、前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする前記基準所定濃度比K0とすることができることが確認されているので、前記第五ラインLは、図示のラインLに限定されず、前記式(2)を満たすラインとすることができる。
【0181】
そして、前記バーナ1および前記水管群2の前記一次特性曲線を表す第六ラインMと、前記第五ラインLとの交点における酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の基準所定濃度比K0が前記特異基準濃度比K0Xである。前記触媒4は、その一次側の前記濃度比Kを前記特異基準濃度比K0Xとした場合、前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有している。この前記基準濃度比K0Xとする調整が、この発明の調整0に相当する。
【0182】
そして、前記触媒4は、前記特異基準濃度比K0Xに対応する基準酸素濃度SKよりも一次側酸素濃度を高くすると前記触媒4二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒4の二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度を還元反応により一次側の窒素酸化物濃度よりも低減する特性を有している。この前記触媒4二次側において酸素が検出されるとともに、一次側の窒素酸化物濃度よりも低減する特性の領域を二次側NOx漏れ領域R1と称する。この二次側NOx漏れ領域R1は、この発明の調整2を実現する領域であり、前記バーナ1の空気比は、1.0を越える。
【0183】
また、前記基準酸素濃度SKよりも一次側酸素濃度を低くすると前記触媒4の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度SKの差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに、所定の範囲で前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする特性を有している。この前記触媒4二次側において一酸化炭素が検出されるとともに、窒素酸化物濃度を実質的に零とする特性の領域を二次側CO漏れ領域R2と称する。この二次側CO漏れ領域R2は、この発明の調整1を実現する領域であり、前記バーナ1の空気比が1.0未満である。前記バーナ1の空気比は、1.0未満に設定される場合でも、前記触媒4の一次側で、炭化水素を含まず、酸素を含む範囲で設定される。前記二次側NOx漏れ領域R1と前記二次側CO漏れ領域R2とを合わせた領域をNOx・CO低減領域R3と称する。
【0184】
こうした図7に示す触媒4の特性は、図4に示す空気比―NOx・CO特性に符合する
ものである。この図7から明らかなように、前記触媒4の二次側の酸素濃度および/または一酸化炭素濃度を検出し、この酸素濃度および/または一酸化炭素濃度が零となるように前記空気比調整手段28を制御すると、前記触媒4の一次側における前記濃度比Kが前記特異基準濃度比K0Xに制御され、前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零に制御できる。こうして、前記第一制御条件を満たすと前記第二制御条件が満たされることになる。
【0185】
前記第一制御条件は、これが満たされないと、炭化水素などの未燃分が生成される。そうなると、エネルギーのロスとなるとともに、前記触媒4におけるNOx低減が効果的に行われないことになる。
【0186】
前記第二制御条件は、排出窒素酸化物濃度をほぼ零とするために必要な条件である。前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度,一酸化炭素濃度を零とするには、前記第一反応と前記第二反応とから、([NOx]+2[O])/[CO]なる濃度比Kをほぼ1.0とすればよいことを実験および理論的考察により見出した。しかしながら、前記濃度比Kが1以上の1.0〜2.0でも排出窒素酸化物濃度をほぼ零とすることができることが確認されている。
【0187】
前記センサ7として、排出酸素濃度の分解能が50ppmで応答時間2sec以下の応答性の良好なジルコニア式空燃比センサを用いている。このセンサ7の出力特性は、図8に示すように、出力Eが正側で酸素濃度に関係する出力となり、負側で一酸化炭素濃度等に関係する出力となる。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。図8において、Q1は、酸素濃度検出帯を示し、Q2は、一酸化炭素濃度検出帯を示している。
【0188】
そして、前記空気比制御プログラムは、前記センサ7の出力信号に基づき、前記バーナの空気比mが基準設定空気比m0になるように制御するものであるが、具体的には、つぎのように構成されている。すなわち、図9に示すように、前記センサ7からの出力値Eと基準設定空気比m0に対応する設定値との差に応じて前記モータ34の送り速度V(単位時間当たりの駆動量)を変える第一制御帯C1と、この第一制御帯C1の外側において送り速度Vをそれぞれ第一設定値V1,第二設定値V2とする第二制御帯C2A,C2Bとを設けて、前記モータ34の駆動量を制御する制御手順が含まれている。図9において、P1は、ダンパ開領域,P2は、ダンパ閉領域を示す。
【0189】
前記第一制御帯C1の設定範囲は、酸素濃度N1(たとえば100ppm)と一酸化炭素濃度等N2(たとえば50ppm)とで設定され、空気比を実質的に1の設定空気m0(前記基準酸素濃度SKに対応)とすべく制御される。
【0190】
前記第一制御帯C1における送り速度Vは、次式(4)で計算される。前記送り速度Vは、単位時間当たりの駆動量である。本実施例1の前記モータ34の1ステップによる回転角度は、0.075度で、Oに換算すると約30ppmの変動に相当する。
【0191】
V=K×△X …(4)
(但し、Kはゲインであり、△Xは、(前記センサ7の前記出力値)−(前記設定値)との差である。)
【0192】
つぎに、以上の構成の前記蒸気ボイラの動作を説明する。まず、蒸気ボイラの概略的動作について、前記送風機26から供給される燃焼空気(外気)は、前記ガス燃料供給管24から供給される燃料ガスと前記給気通路27内において予混合される。この予混合気は
前記バーナ1から前記缶体3内の前記第一ガス通路15へ向けて噴出される。予混合気は、着火手段(図示しない)により着火され、燃焼する。この燃焼は、1.0近傍の低空気比にて行われる。
【0193】
この燃焼に伴い生ずるガスは、上流側の水管群2と交叉して冷却された後、下流側の水管群2と熱交換して吸熱されて約150℃〜350℃のガスとなる。このガスは、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含み、前記触媒4にて、処理され、窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度がほぼ零とされた後、排ガスとして前記第二ガス通路17から大気中へ排出される。
【0194】
つぎに、前記空気比調整手段28による空気比制御について説明する。本実施例のボイラは、高燃焼と低燃焼とを切り替えて運転する。そのために、前記ダンパ29は、高燃焼風量位置と低燃焼風量位置のいずれかを選択して位置決めされる。
【0195】
このダンパ29の位置調整は、前記制御器8からの指令により前記ダンパ位置調整装置30により行う。すなわち、前記制御器8は、高燃焼か低燃焼かの選択信号と、前記センサ7の検出空気比に対応した出力値を入力して、前記モータ34の駆動信号を出力して、前記ダンパ29の開度位置を調整させる。前記制御器8は、高燃焼時と低燃焼時の各基準設定空気比m0に対応した設定値となる前記ダンパ29の設定開度位置を原点からのパルス数でそれぞれ初期値として記憶している。
【0196】
まず、高燃焼時の制御について説明する。前記制御器8は、現在の前記ダンパ29の開度位置が前記設定開度位置に対して開放側(閉じる方向へ制御しなければいけない側)か、閉鎖側(開く方向へ制御しなければいけない側)かを判定するとともに、前記モータ34の駆動パルス数を演算する。併せて、前記出力値が図9において、前記第一制御帯C1および前記第二制御帯C2A,C2Bのいずれに属するかを判定する。
【0197】
前記第二制御帯C2Aに属する場合には、第一設定送り速度V2で、かつ演算された駆動パルスで前記モータ34を駆動し、早い速度で前記ダンパ29を閉じる。前記第二制御帯C2Bに属する場合には、第二設定送り速度V1で、かつ演算された駆動パルスで前記モータ34を駆動し、早い速度で前記ダンパ29を開く。こうして、基準設定空気比m0に対応した設定値から比較的離れている場合は、早い速度で検出空気比に対応した出力値を基準設定空気比m0に対応した設定値に近づける制御を行うので、応答性の良い空気比制御を行うことができる。
【0198】
また、前記第一制御帯C1に属する場合は、回転方向を判定したうえで、前記式(4)に基づいて、前記モータ34の送り速度を演算し、演算した送り速度と演算した駆動パルスで前記モータ34を駆動する。この第一制御帯C1における制御は、基準設定空気比m0に対応した設定値から遠ざかるにつれて送り速度を早くする。こうした制御により、目標とする基準設定空気比m0に対応した設定値に速やかに近づけることができる。また、回転位置制御を確実に行えるステッピングモータにより行っていることと、検出空気比に対応した出力値が基準設定空気比m0に対応した設定値に近づくにつれて送り速度を遅くする制御としていることとにより、基準設定空気比m0に対応した設定値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。
【0199】
こうした空気比制御により、前記バーナ1の空気比を1.0に近い低空気比とし、かつ前記触媒4の一次側のガスの濃度比変化幅が少なく制御され、前記式(2)を安定的に満たすことができる。その結果、前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度をほぼ零にするとともに、一酸化炭素濃度をほぼ零に低減することができる。設定空気比m0を1.0未満とすると、二次側の窒素酸化物濃度をほぼ零にするとともに、一酸化炭素濃度を実用範囲の
所定値以下に低減する。
(実験例1)
【0200】
単位時間当たり蒸発量を800kgの缶体3(出願人が製造の型式:SQ―800と称される缶体)で、燃焼量45.2m3N/hの予混合バーナ1で燃焼させ、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の触媒とした場合の実験結果について説明する。前記基準設定空気比m0を1とした場合、前記触媒4の一次側(前記触媒4通過前)の一酸化炭素濃度,窒素酸化物濃度,酸素濃度がそれぞれ10分間の平均値で2295ppm,94ppm,1655ppmに調整され、前記触媒4の二次側(前記触媒1通過後)のそれぞれの濃度が10分間の平均値で13ppm,0.3ppm,100ppm未満となった。ここで、前記触媒4の二次側の酸素濃度100ppmは、酸素濃度の測定限界である。また、前記触媒4の前後でのガスの温度は、それぞれ、約302℃,327℃であった。本実験例1および以下の実験例2,3においては、前記触媒4を前記給水予熱器20のやや上流に配置し、その前後に測定装置を配置し、前記触媒4の通過後の各濃度およびガスの温度は、株式会社堀場製作所製PG−250を用い、通過前の各濃度は、株式会社堀場製作所製COPA−2000を用いて計測した。勿論、前記触媒4を図1に示す位置に配置しても測定濃度値は殆ど変わらないと考えられる。
(実験例2)
【0201】
実験例1と同じバーナ1および缶体3を用い、燃焼量を実験例1と同じとし、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の触媒とした場合の一酸化炭素濃度,窒素酸化物濃度,酸素濃度の各濃度比Kにおける値を図10に示す。ここで、触媒通過後の酸素濃度を実験例1と同様の酸素濃度センサを用いて測定したので、実際は100ppm以下の値であっても100ppmで示した。前記触媒4の前後でのガスの温度は、それぞれ、約323〜325℃,約344℃〜346℃であった。
【0202】
前記実施例1によれば、燃焼空気と燃料の割合を調整するダンパ位置調整手段(空気比調整手段)30により、空気比を1.0に制御することで、前記触媒4の一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を前記特異基準濃度比K0Xに制御(前記調整0)することができ、排出NOx濃度および排出CO濃度を実質的に零に低減できる。したがって、水/蒸気添加による低NOx化技術や、脱硝剤の投入による低NOx化技術と比較して、空気比調整手段と触媒を用いた簡易な構成にて低NOxおよび低COを実現できる。
【0203】
また、空気比を実質的に1.0としているので、省エネ運転を行える。ちなみに、通常のボイラにおける酸素濃度4%(空気比約1.235)の運転と、酸素濃度0%(空気比約1.0)の運転とを比較すると、ボイラ効率約1〜2%アップを達成することができる。地球温暖化対策が叫ばれている昨今において、このボイラ効率アップ達成は、産業的価値が多大である。
【0204】
さらに、前記触媒4の二次側に前記センサ7を設けて、空気比を制御しているので、前記触媒4の一次側にセンサを設けて制御するものと比較して制御を安定化することができる。また、酸素濃度100ppm以下の分解能で空気比を制御しているので、CO量が多く、かつ空気比−CO特性においてCO増加率の高い領域での空気比制御を応答性よく、安定的に行うことができる。
【実施例2】
【0205】
この発明の他の実施例2を図11および図12に従い説明する。この実施例2は、酸素濃度を検出するセンサ7を前記触媒4の二次側でなく、一次側に設けたものである。このセンサ7は酸素濃度のみを検出するセンサとしている。そして、このセンサ7に基づく前記モータ34の制御特性を図12に示す。以下、前記実施例1と異なるところのみを説明
し、共通箇所は説明を省略する。
【0206】
この実施例2では、基準設定空気比m0を1.0(前記触媒4の二次側の酸素濃度を零)とするように、前記センサ7により、前記触媒4の一次側の酸素濃度を検出して間接的に空気比を制御するものである。種々の実験結果に基づき、前記触媒4の一次側の酸素濃度Oを0%<O≦1.00%の値に制御すると、前記式(2)を満たして、前記触媒4の二次側の酸素濃度をほぼ零にする,すなわち空気比をほぼ1にすることが可能であることが分かっている。
【0207】
そこで、この実施例2の空気比制御プログラムには、図12に示すように、前記センサ7からの検出値E(酸素濃度信号)に基づき、この検出値と設定酸素濃度値との差に応じて前記モータ34の送り速度V(単位時間当たりの駆動量)を変える第一制御帯C1と、この第一制御帯C1の外側において送り速度Vをそれぞれ第一設定値,第二設定値とする第二制御帯C2A,C2Bとを設けて、前記モータ34の駆動量を制御する制御手順が含まれている。
【0208】
前記第一制御帯C1の設定範囲は、酸素濃度N1と酸素濃度N2とで設定される範囲に収まるように制御される。前記第一制御帯C1における送り速度Vは、前記実施例1と同様に、前記式(4)で計算される。
【実施例3】
【0209】
この実施例3は、前記設定空気比を、図13に示すように、前記二次特性におけるNOx濃度が実質的に零を越え、前記一次特性におけるNOx濃度より低くなる値に設定した例である。この値は、前記設定空気比が、実質的に1.0を越える前記二次特性の二次側NOx漏れ領域R1の空気比である。この実施例3における濃度比Kの調整は、前記調整2である。
【0210】
この実施例3における前記第一制御帯C1は、制御範囲の中心(目標空気比)が空気比1.005(O2濃度:約1000ppm)、左端が実質的に空気比1.0よりも低い領域の値で、右端が空気比1.01(O2濃度:約2000ppm)である。これを図7にて説明すると、前記触媒4一次側の酸素濃度が前記基準酸素濃度SKよりも高い前記二次側NOx漏れ領域(前記調整2を実現する領域)R1にて空気比制御を行うことになる。

【0211】
(実験例3)
この実施例3において、前記実験例1と同じ条件(設定空気比を除く)で実験した場合、前記触媒4の一次側(前記触媒4通過前)のCO濃度,NOx濃度,O2濃度がそれぞれ10分間の平均値で1878ppm,78ppm,3192ppmに調整され、前記触媒4の二次側(前記触媒4通過後)のそれぞれの濃度が10分間の平均値で0ppm,42ppm,1413ppmとなった。
【0212】
この実験例3から明らかなように、実施例3の空気比制御によれば、前記触媒4の還元作用により、排出NOx濃度は、前記一次特性のNOx濃度よりも低い値に低減されるとともに、排出CO濃度は、零に低減されることになる。
【0213】
この実施例3においては、前記第一制御帯を前記二次側NOx漏れ領域R1の範囲で自由に設定することができる。前記第一制御帯C1を空気比1に近づけるほど、NOxの低減効果および省エネ効果が大きくなる。しかしながら、処理するCO濃度が高い(勾配が急な場合もある)ので、COが漏れやすく、制御が難しく、触媒量を多く必要とする。そこで、前記第一制御帯を空気比1から離れるように右側に設定すると、制御が容易となる
とともに、前記触媒4の量を少なくすることができる。
【0214】
具体的には、前記第一制御帯C1の左端を前記実施例3が空気比1.0以下とする(図13)のではなく、空気比1.0とすることができる。また、前記第一制御帯C1の左端を空気比1.0を越える値に設定することも可能である。
【実施例4】
【0215】
この実施例4は、図15を参照して、前記空気比制御手段28を、前記送風機26を駆動する送風機用モータ52、このモータ52の回転数を制御するインバータ53とを含んで構成したものである。この実施例4では、空気比制御と前記濃度比一定制御とを前記ダンパ29を用いて行うのではなく、前記インバータ53を用いて行うように構成している。前記制御器8による前記送風機用モータ52の制御は、前記実施例1の図9に示すオーバーシュートおよびハンチングを抑制する制御とすることができる。前記ダンパ29は、着火時は開度を低くし、着火後の定常燃焼に入ると、開度を大きくして、高燃焼および低燃焼の風量制御を行う。この風量制御は、前記インバータ53を用いて行うことができるが、これに限定されることなく、前記ダンパ29および前記インバータ53のいずれか一方で着火時などの風量制御を行うように構成することができる。この実施例4において、その他の構成は、前記実施例1と同様であるので、その説明を省略する。
【実施例5】
【0216】
つぎに、前記実施例1における前記濃度比調整ステップにおいて、前記ガス中の一酸化炭素濃度を制御する一酸化炭素制御ステップを行う実施例5を図15〜図17に基づき説明する。本実施例5は、基本的には、前記実施例1と同様であるが、異なるのは、前記バーナ1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60を設けた点である。この補助燃料供給部60は、前記濃度比Kを補助的に調整する補助調整手段として機能し、ガス燃料を噴出することによって、前記バーナ1にて部分的な拡散燃焼を形成すべく構成されている。以下、共通部分は同じ符号を付して説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
【0217】
図15および図16を参照して、前記補助燃料供給部60は、ガス中の一酸化炭素濃度を調整する必要がある場合に、適宜ガス燃料を噴出して、前記バーナ1にて部分的な拡散燃焼を発生させるべく機能する。
【0218】
図17を参照して、「破線」で示したラインL1は、図7のラインLに対応するラインであり、COとO2の最適調整開始ラインである(以下、単に「最適調整開始ライン」ともいう。)。前記ラインL1は、前記式(3)の右辺の値を2.0としたものであり、前記ラインLは、前記式(3)の右辺の値を1.0としたものである。前記最適調整開始ラインL1の左側の領域(矢印方向領域)に形成されるラインの近傍に一酸化炭素(CO)と酸素(O2)とのバランスを近づけることによって、より効果的に極超低NOx化と低CO化とを実現可能である。なお、この図17に示した最適調整開始ラインL1は、「CO=(NOx/2)+2O2」にて形成されるラインである。この図17において、最適調整開始ラインL1は、原点を始点とする直線として示されているが、前記式(3A)からも明らかなように、Y軸上の切片の値は「NOx」で表されるが、図17では図示省略している。
【0219】
今、本実施例5の燃焼装置を構成するバーナ1が、例えば、図17の「一点差線」にて示すラインMA(「改良前」のライン)のような燃焼特性を有するものとする。この「改良前」ラインMAにて示された燃焼特性を有する場合、最適調整開始ラインL1近傍にて前記バーナ1を燃焼させると、空気比(O2)が若干低下するだけで、一酸化炭素(CO)の値が大きく増加するため、極超低NOx化と低CO化とが容易ではなくなる。
【0220】
そこで、本実施例5においては、上記のような燃焼特性(「改良前」ラインMA)を有する場合には、一酸化炭素制御手段たる前記補助燃料供給部60からガス燃料を噴出させ、前記バーナ1にて部分的な拡散燃焼を発生させる。つまり、前記バーナ10(予混合バーナ)にて一部拡散的な燃焼を生じさせ、一酸化炭素濃度を高めて、CO特性を改良する。図17の「実線」にて示すラインMB(「改良後」ライン)が、「改良前」ラインMAの燃焼特性を有する前記バーナ1に対し、前記補助燃料供給部60を機能させた際の燃焼特性を示したものである。
【0221】
このように、本実施例5においては、前記補助燃料供給部60を機能させることによって、その燃焼特性を制御することができる。図17に示すように、「改良前」ラインMAから「改良後」ラインMBに燃料特性を調整すれば、最適調整開始ラインL1近傍(あるいは最適調整開始ラインの左側領域)にて前記バーナを燃焼させても、安定した低空気比燃焼を継続して行うことができる。つまり、「改良後」ラインMBの燃焼特性を有する場合であれば、最適調整開始ラインL1近傍(あるいは最適調整開始ラインの左側領域)で運転している際に、空気比(O2)に変動が生じても(例えば、若干低下しても)、一酸化炭素(CO)の値は大きく変動しない。したがって、本実施例5によれば、低O2領域における一酸化炭素濃度を制御して安定した低空気比燃焼を行い、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化とを容易に実現可能となる。
【0222】
また、本実施例5においては、必要に応じて(例えば、バーナの個体差等(燃焼特性)に応じて)、前記補助燃料供給部60からガスを供給して(前記バーナ1に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。
【0223】
本実施例5においては、一酸化炭素制御手段として、一酸化炭素の濃度を高めるべく、前記バーナ1の上流側に前記補助燃料供給部60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、適宜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、前記バーナ1表面と水管との距離を操作して、一酸化炭素の濃度を制御すべく構成してもよい。また、例えば、缶体内部に補助燃料供給部や空気供給部を設けて、一酸化炭素の濃度を制御すべく構成してもよい。
【実施例6】
【0224】
つぎに、前記実施例1において、前記触媒4の活性化を行う触媒活性化ステップを行う実施例6につき説明する。本実施例6のハード的構成は、前記実施例5と同様であり、図15および図16に基づき、本実施例6を説明する。本実施例6では、前記実施例5と同様の補助燃料供給部60が設けられ、この補助燃料供給部は、触媒活性化手段として機能する。
【0225】
そして、本実施例6においては、前記補助燃料供給部60は、ボイラ1起動時、あるいは低燃焼時等、前記触媒4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。
【0226】
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、前記触媒4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、前記触媒4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。
【0227】
そこで、本実施例6においては、起動時や低燃焼時に、ガス温度を高めるべく、前記バーナ1の一次側(上流側)に前記補助燃料供給部60が設けられている。この補助燃料供給部60は、前記触媒4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。
【0228】
また、起動時あるいは低燃焼時であっても、前記触媒4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60からのガス供給を行わないように構成されている。
【0229】
本実施例6にかかるボイラ(燃焼装置)は、本来、ガス(排ガス)温度が低下して、前記触媒4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60(触媒活性化手段)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6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ー化と共に、前記触媒4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。
【0230】
ところで、白金にて構成された前記触媒4を用いる場合、COを酸化(浄化)させるために必要な温度(前記触媒4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(前記触媒4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)によって前記触媒4が150℃以上に昇温される場合)には、COの酸化およびNOxの還元は前記触媒4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)によっても前記触媒4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、本実施例6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)によっても前記触媒4が150℃以上に昇温されない場合)において、前記補助燃料供給部60を作動させることによってCOを導入し、このCOの反応熱により前記触媒4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。
【0231】
本実施例6においては、触媒活性化手段として、一酸化炭素の濃度を高めるべく、バーナ1の上流側に補助燃料供給部60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(図示省略)を設けるような構成としてもよい。
【0232】
また、前記触媒4を活性化させるべく、前記触媒4近傍に触媒の温度を高める触媒加温手段を設けてもよい。
【0233】
さらに、前記触媒4の活性化とは、換言すれば、前記触媒4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(触媒における性能向上)から、触媒活性化手段として、複数の前記触媒を多段に設置するような構成としてもよい。
【0234】
この発明は、前記実施例1〜5に限定されるものではない。たとえば、図4および図13に示す空気比−NOx・CO特性は、燃焼装置の前記バーナ1および前記缶体3の構造
に応じて曲線および濃度値が異なるので、異なった特性を用いることができる。また、前記実施例1,2では、設定空気比を1.0以上としているが、燃焼性を損なわず、炭化水素を含まない範囲で、空気比1.0より低い値とすることができる。
【0235】
また、前記実施例2において、前記センサ7をO2濃度センサとしているが、CO濃度センサとすることができる。また、前記ダンパ位置調整装置30の構造は、種々変形可能である。また、前記モータ34は、ステッピングモータ以外の、たとえばギヤモータ(図示省略)とすることができる。さらに、前記ダンパ位置調整装置30を単一の制御器(ボイラ制御用の制御器)8にて制御しているが、この制御器8と別に前記ダンパ位置調整装置30用の別の制御器(図示省略)を設け、この制御器と前センサ7,前記制御器8を接続して、空気比制御を行うように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0236】
【図1】本実施例1の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図2】図1のII−II線に沿う断面図である。
【図3】図2の酸化触媒を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図である。
【図4】本実施例1の空気比−NOx・CO特性を示す図である。
【図5】本実施例1のダンパ位置調整装置の使用状態の一部断面の説明図である。
【図6】同ダンパ位置調整装置の要部の断面説明図である。
【図7】本実施例1のバーナおよび吸熱手段の特性および触媒の特性を説明する模式図である。
【図8】本実施例1のセンサの出力特性を説明する図である。
【図9】本実施例1のモータ制御特性を説明する図である。
【図10】本実施例1のNOxおよびCO低減特性を説明する図である。
【図11】本実施例2の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図12】本実施例2のモータ制御特性を説明する図である。
【図13】本実施例3の空気比−NOx・CO特性を用いた空気比制御を説明する図である。
【図14】本実施例4の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図15】本実施例5,6にかかる蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図16】同実施例5,6における図16の横断面の説明図である。
【図17】同実施例5にかかる燃焼装置における燃焼特性等の一例を示す模式図である。
【図18】この発明によるNOx・CO一次特性および二次特性を説明する図である。
【符号の説明】
【0237】
1 バーナ
4 酸化触媒
7 センサ
8 制御器
28 空気比調整手段
29 ダンパ
30 ダンパ位置調整装置
34 モータ
【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19年4月13日(2007.4.13)
【代理人】
【公開番号】 特開2008−57955(P2008−57955A)
【公開日】 平成20年3月13日(2008.3.13)
【出願番号】 特願2007−106260(P2007−106260)