JP2004125380A

JP2004125380A - 低ＮＯｘ燃焼装置

Info

Publication number: JP2004125380A
Application number: JP2003141254A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kayahara; 茅原　敏広; Hideo Furukawa; 古川　英夫; Tomohisa Takeda; 武田　知久; Kanta Kondo; 近藤　幹太
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-04-22
Also published as: US20040106079A1; KR20040012524A; US6793485B2

Abstract

【課題】安定した低ＮＯｘ化を簡易な手段により実現できる低ＮＯｘ燃焼方置を提供すること。
【解決手段】バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘを実現する低ＮＯｘ燃焼装置であって、空気比対ＮＯｘ特性を前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少するものとし、空気比対ＣＯ特性が空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増大するものとする低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定空気比に制御する空気比制御手段とを具備し、前記空気比制御手段が、外気温検出手段を含み、前記外気温検出手段からの検出信号に基づき前記所定高空気比に制御するように構成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水管ボイラ，吸収式冷凍機の再熱器などに適用される低ＮＯｘ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＮＯｘの発生の抑制原理として、▲１▼火炎（燃焼ガス）温度の抑制，▲２▼高温燃焼ガスの滞留時間の短縮，▲３▼酸素分圧を低くすること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発生源に対しても時代と共に排ガス規制が厳しくなり、一層の低ＮＯｘ化が求められるようになってきている。出願人は、これらの要請に対する低ＮＯｘ化技術が、特開平１１−１３２４０４号公報（米国特許第６０２９６１４号明細書）にて提案した。
【０００４】
この先行技術は、水管群による燃焼反応中ガスの冷却と、排ガス再循環による燃焼反応中ガスの冷却との組合せによって低ＮＯｘ化を図るものである。しかしながら、ＮＯｘ低減は、２５ｐｐｍ程度にとどまり、１０ｐｐｍを下回る低ＮＯｘ化を実現するものではなかった。以下、生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化を超低ＮＯｘ化という。
【０００５】
また、近年のＮＯｘ値の規制は、ある運転点だけでなく、広い運転点，すなわち１日を通じて、１年を通じての運転点において、規制値を達成することが求められるようになってきている。前記の先行技術は、この要請に答えるものではなかった。
【０００６】
さらに、出願人は、社会の要請に答えて、蒸気ボイラの超低ＮＯｘ化技術の研究を進めてきた結果、蒸気ボイラにおいて超低ＮＯｘ化の技術を実用化するに至った。この超低ＮＯｘ化技術の研究の過程において、安定した超低ＮＯｘ化を実現させるためには、空気比を一定に制御することが、重要であり、空気比変動の最大要因が外気温であることを見出した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、安定した低ＮＯｘ化を簡易な手段により実現できる低ＮＯｘ燃焼方置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘを実現する低ＮＯｘ燃焼装置であって、空気比対ＮＯｘ特性が前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少するものであり、空気比対ＣＯ特性が空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増大するものである低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定空気比に制御する空気比制御手段とを具備し、前記空気比制御手段が、外気温検出手段を含み、前記外気温検出手段からの検出信号に基づき前記所定空気比に制御するように構成することを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記空気比制御手段が、前記バーナへ燃焼用空気を送る給気通路に設けた燃焼用空気流量調整手段を含み、前記外気温検出手段からの検出信号に基づき前記燃焼用空気流量調整手段の開度を制御することにより前記所定空気比に制御するように構成することを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記燃焼用空気流量調整手段が、ダンパと、前記ダンパの回転位置を決める位置決め手段と、前記位置決め手段に作用して前記ダンパの回転位置を前記外気温検出手段の検出温度に応じて微調整する微調整手段とを含むことを特徴としている。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記空気比制御手段が、前記外気温検出手段からの検出信号に基づき前記バーナへ燃焼用空気を送る送風機の回転数を制御することにより前記所定高空気比に制御するものであることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の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。燃焼ガスは、燃焼反応中（燃焼過程）の燃焼ガスと燃焼反応が完結した燃焼ガスとを含む。そして、燃焼反応中ガスは燃焼反応中の燃焼ガスを意味し、燃焼完結ガスは燃焼反応が完結した燃焼ガスを意味する。また、燃焼反応中ガスは、物質概念であるが、一般的には目視可能な火炎を含み火炎状態であるので、状態概念として火炎と称することもできる。よって、本明細書においては、燃焼反応中ガスを火炎または燃焼火炎と称する場合もある。また、排ガスとは伝熱管などによる吸熱作用を受けて温度低下した燃焼完結ガスをいう。
【００１３】
また、燃焼ガス温度は、特に断らなければ、燃焼反応中ガスの温度を意味し、燃焼温度あるいは燃焼火炎温度と同義である。さらに、燃焼ガス温度の抑制とは、燃焼ガス（燃焼火炎）温度の最高値を低く抑えることを意味する。なお、通常、燃焼反応は、燃焼完結ガス中においても極微量であるが継続しているので、燃焼完結とは、燃焼反応の１００％完結を意味するものではない。
【００１４】
さらに、空気比は、実際燃焼空気量／理論燃焼空気量であるが、排ガスＯ_２（％）（排ガス中の酸素濃度）と所定の関係で対応しているので、排ガスＯ_２（％）にて表示する。また、ＮＯｘ値は、排ガス０％Ｏ_２換算の値を示し、ＣＯ値は、換算値でなく読取値を示す。
【００１５】
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，吸収式冷凍機の再熱器などの熱機器（燃焼機器と称しても良い。）に適用される。この熱機器は、バーナとこのバーナからの燃焼ガスによって加熱される吸熱体群を有する。
【００１６】
この発明の方法の実施の形態は、バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘを実現する低ＮＯｘ燃焼装置であって、空気比対ＮＯｘ特性が前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少するものであり、空気比対ＣＯ特性が空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増大するものである低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定空気比に制御する空気比制御手段とを具備し、前記空気比制御手段が、外気温検出手段を含み、前記外気温検出手段からの検出信号に基づき前記所定高空気比に制御するように構成する低ＮＯｘ燃焼装置である。
【００１７】
前記所定高空気比は、つぎのようにして決める。ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍとすると、前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性において前記目標値に対応する空気比を求め、こうして求めた空気比またはこの空気比以上の値を所定高空気比とする。結局、所定高空気比はＮＯｘ低減目標値に対応する。
【００１８】
前記外気温検出手段は、外気，すなわち熱機器が設置されている室の室温を検出する。この外気温検出手段により前記送風機または前記送風機と前記バーナとの間の吸気通路に設けたダンパなどの燃焼用空気流量調整手段を制御して、空気比を一定に制御するように構成する。
【００１９】
この外気温検出手段による空気比制御によれば、熱機器の空気比変動，すなわち生成ＮＯｘ値変動の最大の要因である外気温を直接的に捉えて制御するので、シンプルな制御構成にも拘わらず、ＮＯｘ値の安定制御を効果的に行うことができる。また、低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値も一定に制御できる。
【００２０】
また、前記空気比制御手段は、実施に応じて、前記送風機の上流，たとえば前記送風機の吸気通路に設けたダンパ，弁などの燃焼用空気流量調整手段の開度を制御することによって空気比を一定に制御するように構成できる。
【００２１】
前記燃焼用空気流量調整手段は、好ましくは、ダンパと、前記ダンパの回転位置を決める位置決め手段と、前記位置決め手段に作用して前記ダンパの回転位置を前記外気温検出手段の検出温度に応じて微調整する微調整手段とを含む。
【００２２】
前記低ＮＯｘ化手段は、好ましくは生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化手段とする。この低ＮＯｘ化手段は、空気比対ＮＯｘ特性が前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少し、所定空気比以上で生成ＮＯｘ値が１０ｐｐｍ以下に減少するものであり、空気比対ＣＯ特性が空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増大する特性を有している。そして、この空気比対ＣＯ特性は、空気比を生成ＮＯｘ値が１０ｐｐｍを下回るような値とすると排出ＣＯ値が急激に増加する特徴を有している。
【００２３】
前記低ＮＯｘ化手段の好ましい形態は、完全予混合式のバーナを高空気比で燃焼させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第一抑制手段」という。）と、吸熱体群による燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第二抑制手段」という。）と、燃焼完結ガスを燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第三抑制手段」という。）と、前記燃焼反応領域への水添加または蒸気添加（以下、「水／蒸気添加」という。）による燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第四抑制手段」という。）とを組み合わせて行うことで、燃焼ガス温度を抑制するものである。前記燃焼反応領域とは、燃焼反応中ガスが存在する領域である。
【００２４】
前記第一抑制手段は、つぎの原理に基づく。前記バーナを高空気比にて燃焼させると、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が低減する。ここにおける高空気比とは、排ガス中に含まれるＯ_２（％）：５以上であり、好ましくは５．５以上である。この抑制作用は、前記バーナにより形成される燃焼反応領域全体にほぼ均一に作用する。
【００２５】
前記第二抑制手段は、つぎの原理に基づく。前記バーナからの燃焼反応中ガス中，すなわち燃焼反応領域に吸熱体を多数配置して構成した吸熱体群の冷却作用により燃焼ガス温度を抑制して、ＮＯｘ値を低減する。この第二抑制手段は、前記吸熱体群を配置して燃焼反応中ガスを冷却するので、不均一冷却である。そして、前記燃焼反応領域の吸熱体間の隙間においては燃焼が活発に行われている部位もある。特に、前記吸熱体の後流においては、渦流が形成されて、燃焼火炎は伝熱管により保炎される。前記吸熱体は、水管などの伝熱管にて構成されるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
燃焼反応中ガスの流れに対してどのように前記吸熱体群を配置するかの配置構成として、つぎの二つの形態を含む。その一つは、前記バーナから排ガス出口までほぼ直線状に燃焼ガスが流通する燃焼ガス通路を形成し、前記バーナからの燃焼反応中ガスと交叉するように前記吸熱体群を互いに燃焼ガスの流通を許容する間隙を存して配置する構成である。他の一つは、吸熱体群を互いに燃焼ガスの流通を許容する間隙を存して環状に配列し、前記バーナからの燃焼ガスを前記環状吸熱体群の内側から前記吸熱体群に向けて放射方向に流通させるように構成して、前記バーナからの燃焼反応中ガス中に前記吸熱体群に配置する構成である。後者の構成は、米国特許第６０２９６１４号明細書に示されるものと同様である。
【００２７】
前記第三抑制手段は、所謂排ガス再循環燃焼法と称されるもので、前記吸熱体群による吸熱作用を受けて温度低下した後大気へ放出される排ガスの一部が、排ガス再循環通路を介して燃焼用空気に混入される。混入した排ガスの冷却効果により、燃焼ガス温度を抑制して、ＮＯｘ値を低減する。この第三抑制手段も燃焼ガスの均一冷却である。
【００２８】
前記第四抑制手段は、前記燃焼反応領域への水／蒸気添加である。この水／蒸気添加により、燃焼反応中ガスが冷却され、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が低減する。この第四抑制手段も燃焼ガスの均一冷却である。前記水／蒸気添加は、実施に応じて前記排ガス循環通路において行うことができる。さらには、前記バーナを完全予混合式バーナとし、送風機により燃焼用空気と排ガスとの混合気を前記バーナへ送る実施の形態においては、前記バーナと前記送風機との間において蒸気添加を行うことができる。なお、水添加は、水を霧状として添加する。
【００２９】
この第一抑制手段から第四抑制手段の組合せによる効果はつぎの通りである。個々の抑制手段の機能を単独に強化すると、各抑制手段の有する欠点が問題化してくるが、４つの抑制手段を組み合わせることで、これらの欠点を問題化することなく、比較的簡単に超低ＮＯｘを実現できる。特に、後述する前記第四抑制手段よる不安定特性を緩和して安定した低ＮＯｘ化を実現できる。
【００３０】
なお、前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）の機能強化は、空気比を増加させることである。この機能強化により燃焼反応の停止および前記燃焼バーナの不安定燃焼が発生する。また、前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）の機能強化は、前記伝熱管を前記バーナと接触して設けたり、吸熱体群の伝熱面密度を増加することである。この機能強化により、圧力損失が増大したり、振動燃焼などの不安定燃焼を生ずる。
【００３１】
また、前記第三抑制手段（排ガス再循環）の機能強化は、排ガス循環量を増加させることである。この機能強化により、前記第三抑制手段が有する不安定特性を増幅する。すなわち、排ガス再循環は、燃焼量の変化や負荷の変化により、排ガス流量や温度が変化する特性を有している。排ガス再循環量を増大させると、これらの不安定特性が増幅される結果、安定した超低ＮＯｘ化を実現できない。また、前記第三抑制手段の機能強化により、燃焼反応が抑制され、ＣＯおよび未燃分の排出増加をもたらすと共に、熱的ロスの増大を招く。また、排ガス再循環量を増大させると、送風機負荷が増加する。
【００３２】
また、前記第四抑制手段（水添加／蒸気添加）の機能強化は、付加する水分量を増加させることである。この機能強化により、熱的ロスが増大すると共に結露量が増加し、特に前記吸熱体へ供給する水を排ガスにより予熱する給水予熱器を有するボイラにおいては、前記給水予熱器の結露による腐食が問題となる。
【００３３】
前記低ＮＯｘ化手段の好ましい実施の形態によれば、前記第一抑制手段〜第四抑制手段を組み合わせているので、前記各抑制手段の機能を単独に強化することによる問題点の表面化を防止できる。
【００３４】
さらに、前記低ＮＯｘ化手段は，つぎの５つの変形例を含む。▲１▼前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）を除き、前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）と前記第四抑制手段（水／蒸気添加）との三つの抑制手段を組み合せた形態。▲２▼前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）と前記第二抑制手段（水管群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）との三つの抑制手段を組み合せた形態。▲３▼前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）と前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第四抑制手段（水／蒸気添加）との三つの抑制手段を組み合せた形態。▲４▼前記第二抑制手段（水管群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）との二つの抑制手段を組み合せた形態。▲５▼前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第四抑制手段（水／蒸気添加）との二つの抑制手段を組み合せた形態。
【００３５】
【実施例】
この発明の低ＮＯｘおよび低ＣＯ燃焼方法とその装置を水管ボイラの一種である貫流式の蒸気ボイラに適用した実施例について、以下に図面に従い説明する。図１は、この発明の一実施例を適用した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１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面図であり、図４および図５は、それぞれ同実施例の高燃焼時，低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性を示す図であり、図６は、同実施例の空気比制御手段の要部分解の説明図であり、図７は、同実施例の要部制御回路図であり、図８は、同実施例の外気温対空気比補正データを示す図であり、図９は同実施例のＣＯ酸化触媒体を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図である。
【００３６】
以下に、この実施例のボイラの全体構成を説明し、ついで特徴部分の構成につき説明する。特徴部分とは、完全予混合式のバーナを高空気比で燃焼させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（第一抑制手段），多数の伝熱管による燃焼ガス温度の抑制手段（第二抑制手段），燃焼完結ガスを燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（第三抑制手段）および前記燃焼反応領域への水添加または蒸気添加による燃焼ガス温度の抑制手段（第四抑制手段）を組み合わせて行う低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定の高空気比に維持すべく制御する空気比制御手段と、前記低ＮＯｘ化手段から排出されるＣＯを酸化させて排出ＣＯ値を所定値以下とする低ＣＯ化手段である。
【００３７】
まず、前記蒸気ボイラの全体構成につき説明する。この蒸気ボイラは、高燃焼と低燃焼とを切替えて運転できる。そして、面状，すなわち平面状の燃焼面（予混合気噴出面）を有するの完全予混合式のバーナ１および多数の熱吸収用の伝熱管２，２，・・・を有する缶体３と、前記バーナ１へ燃焼用空気を送る送風機４および給気通路５と、ガス燃料供給管６と、前記缶体３から排出される排ガスを排出する排ガス通路（通常煙突と称される。）７と、この排ガス通路７を流通するの排ガスの一部を燃焼用空気に混入させて前記バーナ１へ供給する排ガス再循環通路８と、燃焼用空気へ蒸気を添加する蒸気添加管９（図３参照）とを備えている。なお、前記各伝熱管２の外径は、６０．５ｍｍである。
【００３８】
前記缶体３は、上部管寄せ１０および下部管寄せ１１を備え、この両管寄せ１０，１１間に複数の前記各伝熱管２を配置している。図２において、前記缶体３の長手方向の両側部に外側伝熱管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１０および下管寄せ１１との間に前記バーナ１からの燃焼反応中ガスおよび燃焼完結ガスがほぼ直線的に流通する燃焼ガス通路１５を形成している。
【００３９】
つぎに、前記各要素間の接続関係を説明する。図１に示すように、前記燃焼ガス通路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には排ガス通路７が接続されている。前記バーナ１には前記給気通路５が接続され、前記給気通路５には前記ガス燃料供給管６が燃料ガスを前記給気通路５内に噴出するように接続されている。前記ガス燃料供給管６には、高燃焼と低燃焼とで燃料流量を調整する燃料流量調整手段としての第一弁１７を備えている。前記吸気通路５の前記送風機４下流側にには、高燃焼と低燃焼とで燃焼用空気量を調整する前記燃焼用空気流量調整手段としての第一ダンパ１８を備えている。なお、前記給気通路５には、前記燃料ガスと燃焼用空気との混合性を良くするためのベンチュリーと称される絞り部（図示しない）を設けているが、圧損低減のために実施に応じて前記絞り部を削除することができる。
【００４０】
さらに、図３に示すように、前記送風機４の吸込口１９には吸気通路２０が接続され、この吸気通路２０と前記排ガス通路７との間に前記排ガス再循環通路８が接続されている。前記吸気通路２０内には前記蒸気添加管９が挿入されている。
【００４１】
以上の構成に基づく、前記蒸気ボイラの概略動作は、以下の通りである。前記吸気通路１９から供給される燃焼用空気（外気）は、前記ガス燃料供給管６から供給される燃料ガスと前記給気通路５内において予混合され、この予混合気は前記バーナ１から前記缶体３内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。この燃焼に伴い生ずる燃焼反応中ガスは、上流側の伝熱管２群と交叉して冷却された後、燃焼完結ガスとなり下流側の伝熱管２群と熱交換して吸熱されて排ガスとなる。この排ガスは、前記排ガス通路７から大気中へ排出される。そして、排ガスの一部は、前記排ガス再循環通路８を経て前記バーナ１へ供給され、燃焼ガス温度の抑制に用いられる。
【００４２】
また、前記各伝熱管２中の水は、燃焼ガスとの熱交換により加熱され、蒸気化される。この蒸気は、前記上部管寄せ１０に接続される蒸気取出手段（図示しない）から蒸気使用設備（図示しない）へ供給されると共に、その一部が前記蒸気添加管９へ供給され、燃焼ガス温度の抑制に用いられる。
【００４３】
つぎに、この実施例の前記特徴部分につき説明する。前記低ＮＯｘ化手段は、所定空気比以上において生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下に低減する。まず、前記低ＮＯｘ化手段を構成する前記第一抑制手段につき説明する。この第一の抑制手段は、前記完全予混合式のバーナ１を高空気比で燃焼させる構成である。前記バーナ１を高空気比にて燃焼させると、燃焼ガス温度が低下し、ＮＯｘ値が低下する。前記バーナ１は、大きさ縦６０ｃｍ，横１８ｃｍの矩形状のバーナであり、多数の予混合気噴出口（図示しない）がほぼ均等に形成されている。
【００４４】
前記第二抑制手段は、多数の前記伝熱管２を前記バーナ１により形成される燃焼反応領域（燃焼ガス温度が約９００℃以上の領域）２１のほぼ全域に互いに燃焼ガスが流通する間隙を存して配設した構成である。前記バーナ１からの燃焼反応中ガスはこれら伝熱管２群により冷却される。この冷却により、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が下がる。燃焼ガスの冷却度合いに影響を与える前記伝熱管２群の配列ピッチは、時間当りの燃焼量および圧損などを考慮して決めている。
【００４５】
前記第三抑制手段は、前記排ガス通路７と前記排ガス再循環通路８と前記給気通路５と前記バーナ１とから構成される排ガス再循環手段である。前記排ガス再循環通路８内の適所には、排ガス再循環量を高燃焼時と低燃焼時とで所定量に調整する排ガス流量調整手段としての第二ダンパ２２を設けている。前記バーナ１へ供給される予混合気に排ガスを混入させることで、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が下がる。再循環される排ガス量（排ガス再循環量）と燃焼用空気量（実際燃焼空気量）との比率（排ガス再循環率）は、高燃焼時と低燃焼時とで同じとなるように前記第二ダンパ２２により調整される。
【００４６】
前記第四抑制手段は、図３に示すように、前記蒸気添加管９と前記吸気通路２０と前記送風機４と前記給気通路５と前記バーナ１とから構成される。この蒸気添加管９の反添加側端は、蒸気添加量を調整する蒸気流量調整手段としての第二弁２３を介して前記上部管寄せ１０に接続され、前記蒸気ボイラにて生成される蒸気がそのまま利用されるよう構成されている。前記第二弁２３と前記上部管寄せ１０との間にはオリフィスなどの減圧機構（図示しない）を設ける。蒸気は、前記バーナ１へ供給される燃焼用空気に均一に混入され、前記バーナ１の多数の予混合気噴出口（図示しない）からほぼ均一に前記缶体３内へ噴出される。その結果、形成される予混合燃焼火炎に対し効果的な冷却がなされる。
【００４７】
この実施例の蒸気ボイラは、前記のように高燃焼と低燃焼とを切替えて行うことができる。同蒸気ボイラの前記低ＮＯｘ化手段は、図４および図５に示す高燃焼時および低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性を有している。この空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性は、前記第一抑制手段〜第四抑制手段の組合せにより得られる。以下に、この低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性について説明する。
【００４８】
まず、高燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性は、ある運転条件にて空気比を変化させることでそれぞれ図４の曲線Ａ，曲線Ｂのように求められる。前記運転条件は、燃料がＬＰＧであり、前記バーナ１の燃焼量が５０Ｎｍ^３／ｈ（前記蒸気ボイラの高燃焼時の燃焼量）であり、排ガス再循環率が４％（排ガス再循環量／実際燃焼空気量）であり、蒸気添加量が１７ｋｇ／ｈである。そして、排ガス再循環率４％における実際燃焼空気量および排ガス再循環量は、たとえばＯ_２（％）：６において、それぞれ１６６９Ｎｍ^３／ｈ，６７Ｎｍ^３／ｈとなる。空気比の変化は、実際燃焼空気量を変化させることで行われる。
【００４９】
この実際燃焼空気量の変化は、前記送風機４のファン２４を駆動する交流駆動の第一電動機２５（図３参照）の回転数を制御するか、前記第一ダンパ１８の開度（回転位置）を変化させるかにより行われる。なお、図４の曲線Ｃ，曲線Ｄは、前記第三抑制手段および第四抑制手段による燃焼ガス温度の抑制を行わない対比例の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性であって、実施例の曲線Ａ，曲線Ｂと対比するためのものである。
【００５０】
この高燃焼時の前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性は、曲線Ａに示すように空気比の増加に対してＮＯｘ値が減少するものとなっている。また、空気比対ＣＯ特性は、曲線Ｂに示すように空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加し、特に、Ｏ_２（％）：５以上で急激に排出ＣＯ値が増加するものとなっている。
【００５１】
つぎに、低燃焼時の前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性について説明する。これらの特性は、高燃焼時のものと同様にそれぞれ図５の曲線Ｅ，曲線Ｆのように求められる。低燃焼時の運転条件は、燃料がＬＰＧであり、前記バーナの燃焼量が２５Ｎｍ^３／ｈ（前記蒸気ボイラの低燃焼時の燃焼量）であり、排ガス再循環率が４％（排ガス再循環量／実際燃焼空気量）であり、蒸気添加量が８．５ｋｇ／ｈである。そして、排ガス再循環率４％における実際燃焼空気量および排ガス再循環量は、たとえばＯ_２（％）：６において、それぞれ８３４Ｎｍ^３／ｈ，３３Ｎｍ^３／ｈとなる。なお、図５の曲線Ｇ，曲線Ｈは、前記第三抑制手段および第四抑制手段による燃焼ガス温度の抑制を行わない対比例の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性である。
【００５２】
この低燃焼時の前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性も、曲線Ｅに示すように空気比の増加に対してＮＯｘ値が減少するものとなっている。また、空気比対ＣＯ値特性は、曲線Ｆに示すように空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加し、特に、Ｏ_２（％）：５．５以上で急激に排出ＣＯ値が増加するものとなっている。
【００５３】
前記空気比制御手段は、前記バーナ１の空気比を所定の高空気比（所定値）に制御する。この実施例においては、前記所定値は、ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍとした場合、高燃焼時は図４の曲線Ａと１０ｐｐｍとから、Ｏ_２（％）：５．８として求められる。勿論、５．８％以上であれば、低減目標値をクリアできるので、前記所定値を例えば６％とすることもできる。低燃焼時は、図５の曲線Ｅと１０ｐｐｍとから、Ｏ_２（％）：６．２５として求められる。
【００５４】
前記空気比制御手段の具体的構成を図６〜図８に従い説明する。前記空気比制御手段は、図６に示すように、前記第一ダンパ１８（図１参照）の回転軸２９に連結され前記第一ダンパ１８を回転させる交流駆動の第二電動機２６（図７参照）と、燃焼用空気流量を調整する前記第一ダンパ１８と、前記第一ダンパ１８の回転位置を決める位置決め手段２７と、前記第一ダンパ１８の回転位置を微調整する微調整手段２８とを含む。前記位置決め手段２７および前記微調整手段２８は、前記給気通路５の外側に設けられる。
【００５５】
前記位置決め手段２７は、前記給気通路５の外側において前記回転軸２９の一端に固定した回転位置規制板３０に当接する高燃焼用の第一調整螺子３１および低燃焼用の第二調整螺子３２と、これら螺子３１，３２を回転することにより長手方向に移動可能に取り付ける基板３３とから構成される。
【００５６】
前記微調整手段２８は、前記第一調整螺子３１，前記第二調整螺子３２の各先端に設けた第一駆動部３４，第二駆動部３５に対してそれぞれ着脱自在に連結される第一連結部材３６，第二連結部材３７と、これら第一連結部材３６，第二連結部材３７を回転軸（図示しない）により回転駆動する直流駆動の第三電動機３８，第四電動機３９と、前記第一連結部材３６，第二連結部材３７の回転位置情報を得るための第一回転位置検出手段４０，第二回転位置検出手段４１から構成される。前記第一調整螺子３１および第二調整螺子３２は、実施に応じて、途中に連結用コイルバネ（図示省略）を介在させた構成のものとすることができる。前記連結用コイルバネの介在させる構成により、前記第一調整螺子３１および第二調整螺子３２が屈曲可能となるので、前記第一連結部材３６および前記第二連結部材３７との連結が容易となる。
【００５７】
前記位置決め手段２７と前記微調整手段２８との結合状態について、詳述する。前記第一駆動部３４，第二駆動部３５は、それぞれ前記第一連結部材３６，第二連結部材３７に嵌合し、両者が互いに滑ることなく、一体となって回転するように構成される。この嵌合の態様は、実施例では正六角形による嵌合としているが、実施に応じて前記第一駆動部３４，第二駆動部３５を多数のギア溝を有するギア形状（図示しない）とし、ギア溝による嵌合とすることができる。
【００５８】
第７図に示すように、前記第三〜第四電動機３８，３９は、前記吸気通路２０の入り口近傍の外気温度（吸気温度）を検出する前記外気温度検出手段としての外気温センサ４２と前記第一回転位置検出手段４０と第二回転位置検出手段４１の信号を入力する第一制御回路４３により空気比が所定値となるように制御される。
【００５９】
すなわち、前記制御回路４３は、外気温が変化しても前記バーナ１の空気比がほぼ一定の値となるように、前記第三電動機３８，第四電動機３９の回転を制御するプログラムを記憶している。具体的には、第８図に示すような外気温に対する第一連結部材３６，第二連結部材３７の回転位置データの特性（空気比補正データ）を記憶している。前記回転位置データは、前記第一回転位置検出手段４０，第二回転位置検出手段４１により得られる第一連結部材３６，第二連結部材３７の回転位置データを表し、ひいては前記第一調整螺子３１，前記第二調整螺子３２を表し、ひいては前記第一ダンパ１８の回転位置データを表す。
【００６０】
前記空気比補正データは、つぎのようにして前記第一制御回路４３に記憶される。まず、ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍとし、高燃焼時とした場合について説明する。前記蒸気ボイラを高燃焼として、前記外気温センサ４２により現在の外気温を測定する。ついで、前記排ガス通路７に測定のために設けたＮＯｘ値測定センサ（図示しない）により、ＮＯｘ値が１０ｐｐｍとなるように前記第三電動機３８を回転させる。１０ｐｐｍとなった時点での前記第一回転位置検出手段４０から得られた回転位置データを測定する。そして、外気温データとこの回転位置データとからなる図８における測定点ａのデータを得て、前記制御回路４３に入力する。
【００６１】
つぎに、この測定を異なる外気温時に同様に行い、図８におけるｂ，ｃ，ｄの３点のデータを入手し、前記第一制御回路４３に入力する。４点のデータが入力されると、それらの点間のデータは、前記第一制御回路４３により自動的に補間され、曲線Ｘを作成するよう構成されている。図８では、４点についてデータを入力しているが、最低２点のデータを入力すれば曲線（この場合は直線）Ｘを自動的に作成するように構成されている。
【００６２】
ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍとした場合の低燃焼時の曲線Ｙの空気比補正データは、曲線Ｘと同様に作成され、前記第一制御回路４３に入力される。
【００６３】
なお、測定データの入力は、前記のようにデータを測定し、測定値を入力するのではなく、測定時に設定手段（図示しない）を押すことで自動的に入力し、記憶するように構成できる。
【００６４】
ついで、前記低ＣＯ化手段につき説明する。この低ＣＯ化手段は、前記低ＮＯｘ化手段から排出されるＣＯを酸化し、ＣＯ低減目標値以下に低減するものである。実施例の低ＣＯ化手段は、ＣＯ値を約１／１０に低減するＣＯ酸化触媒体４４にて構成される。このＣＯ酸化触媒体４４によるＣＯ低減特性は、図４の曲線Ｍ、図５の曲線Ｎにて示される。結局、曲線Ｄ，曲線Ｅにて示される排ガス中のＣＯは、曲線Ｍ，曲線Ｎのように低減される。
【００６５】
このＣＯ酸化触媒体４４は、図７に示すような構造のもので、例えば、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４５および波板４６のそれぞれの表面に多数の微小凹凸を形成し、その表面に酸化触媒を塗布する。ついで、前記平板４５および波板４６を所定の長尺状に切断し、両者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している。このロール状のものを側板４７にて包囲し固定している。こうして図７に示すような前記ＣＯ酸化触媒体４４が形成される。前記酸化触媒としては、白金を用いている。なお、図７においては、前記平板４５および前記波板４６の一部のみを示している。
【００６６】
前記ＣＯ酸化触媒体４４は、図１に示すように、前記排ガス出口１６部に着脱自在に装着される。このＣＯ酸化触媒体４４の大きさ及び処理容量は、酸化触媒の性能と、酸化させるべきＣＯの量と、前記ＣＯ酸化触媒体４４を排ガスが流通するときに生ずる圧力損失とを考慮して設計している。
【００６７】
さらに、前記低ＮＯｘ化手段は、図２に示すように、前記ＣＯ酸化触媒体４４と別の低ＣＯ化手段を含んでいる。この低ＣＯ化手段は、吸熱体群中に形成される断熱空間と称される伝熱管除去空間４８である。そして、図２に示すように、前記伝熱管２群の一部、この実施例では４本の前記伝熱管２を除去して燃焼ガス温度が１４００℃以下で、９００℃以上の温度範囲となる前記伝熱管除去空間４８を形成している。
【００６８】
前記伝熱管除去空間４８は、高燃焼時に、ほぼ前記温度範囲となるが、低燃焼時には燃焼火炎が短い，すなわち燃焼反応領域が狭くなるので、前記温度範囲に入らなくなる。したがって、高燃焼時は、前記ＣＯ酸化触媒体４４前記伝熱管除去空間４８が低ＣＯ化手段として機能し、低燃焼時は、前記伝熱管除去空間４８は低ＣＯ化手段として機能せず、前記ＣＯ酸化触媒体４４が低ＣＯ化手段として機能する。
【００６９】
前記構成の実施例の動作および作用を以下に説明する。前記バーナ１からの燃焼反応中ガスは、低ＮＯｘ化作用，すなわち前記の第一抑制手段〜第四抑制手段による燃焼ガス温度抑制作用を同時に受け、しかも前記空気比制御手段によりＯ_２（％）を高燃焼時５．８，低燃焼時６．２５とする定空気比制御を受ける。
【００７０】
この定空気比制御制御について、図に従い説明する。今、外気温が２０℃で、前記蒸気ボイラが高燃焼運転をしているとする。図６において、前記第一ダンパ１８は、前記第二電動機２６により右回りに回転され、前記回転位置規制板３０が前記第一調整螺子３１の先端に当接状態となるように制御される。そして、前記制御回路４３は、図８の空気比補正データと前記外気温センサ４２による検出温度，すなわち外気温度２０℃とから回転位置データを求める。図８で説明すると、ｅ点の回転位置データαを求めて、この値を基に前記第三電動機３８を駆動し、前記第一連部材３６を回転し、前記第一調整螺子３１を回転して、前記第一ダンパ１８の回転位置を調整することにより空気比がＯ_２（％）：５．８となるように制御する。
【００７１】
外気温が変化すると、同様にして第一ダンパ１８の回転位置を微調整して所定空気比がＯ_２（％）：５．８となるように制御する。
【００７２】
低燃焼時、前記制御回路４３は、前記外気温センサ４２からの信号と図８の曲線Ｙの空気比補正データを基に前記第四電動機３９を制御し、前記第二連結部材３７、前記第二調整螺子２８を回転して、前記第一ダンパ１８の回転位置を微調整して、Ｏ_２（％）：６．２５となるように制御する。
【００７３】
こうした定空気比制御により、外気温が変動しても常にほぼ一定の空気比制御を受ける結果、生成ＮＯｘ値は１０ｐｐｍに抑制される。すなわち、前記低ＮＯｘ手段による燃焼ガス温度抑制作用により、燃焼ガス温度は、前記第三抑制手段および第四抑制手段の作用を受けない前記対比例と比較して、約１００℃程度平均的に低下する。その結果、上流側伝熱管２群から流出するの燃焼ガス中のＮＯｘ値は、図４および図５の曲線Ａ，曲線Ｅに示すように１０ｐｐｍ程度に抑制される。
【００７４】
また、前記の定空気比制御により、前記低ＮＯｘ化手段から排出されるＣＯ値も所定値に制御される。図４および図５の特性曲線Ｂ，曲線Ｆに示されるように、高燃焼時は約４００ｐｐｍで、また低燃焼時は約１００ｐｐｍ程度となる。
【００７５】
つぎに、ＣＯの低減化について説明する。前記の低ＮＯｘ化において生成されたＣＯは、高燃焼時においてはまず伝熱管除去空間４８にてその一部が酸化され、低燃焼時にはほとんど酸化されずに排ガスとなって前記排ガス出口１６に至る。この排ガス中に残存するＣＯは、前記ＣＯ酸化触媒体４４により酸化され、図４、５の特性曲線Ｍ，Ｎに示されるようにＣＯ値が約１／１０に低減される。
【００７６】
この実施例によれば、つぎの作用効果を奏する。前記空気比制御手段により空気比をほぼ一定の高空気比に制御するので、外気温が変動しても安定した低ＮＯｘ効果を得ることができる。その結果、１日および年間の広範な運転点においてＮＯｘ低減目標値をクリアできる。また、ＮＯｘ値の変動の最大の要因である外気温と空気比との関係を捉えて定空気比制御を行うようにしているので、外気温以外の変動要因をも加味して制御するものと比較して、制御構成が極めてシンプルとなる。また、外気温センサは、酸素濃度検出センサと比較して、性能が安定し、長寿命であると共に、安価であり、実用的な低ＮＯｘ燃焼装置を提供できる。
【００７７】
また、前記定空気比制御により、前記低ＮＯｘ化手段よりの排出ＣＯ値も一定に制御される。その結果、空気比の変動により排出ＣＯ値が増加して、前記ＣＯ酸化触媒体４４の処理能力を超えるということがなくなり、安定した低ＣＯ化をも実現できる効果を奏する。特に、ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍ以下とするような低ＮＯｘ化手段においては、１０ｐｐｍ近傍では、排出ＣＯ値が急激に増加するので、定空気比制御は、ＣＯ低減目標値の達成および前記ＣＯ酸化触媒体４４の容量の設計を容易にする点においてに非常に効果が大きい。
【００７８】
前記ＣＯ酸化触媒体４４の容量の設計を容易にする点について、さらに説明する。前記ＣＯ酸化触媒体４４は、容量を大きくすると圧力損失が増加するので、ＣＯ低減目標値をぎりぎりでクリアできるように設計される。定空気比制御を行わないと、前記ＣＯ酸化触媒体４４の処理容量を余裕をもって設計する必要が生ずる。また、処理容量を大きくすると、圧力損失が増大する。その結果、前記蒸気ボイラ自体の圧力損失が増大し、前記送風機４や前記缶体３を設計し直す必要が生ずる。この実施例のように定空気比制御を行うことで、これらの問題を解決できる効果を奏する。
【００７９】
また、この実施例によれば、生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを同時に達成でき、大気汚染防止に大きく寄与できる。また、低燃焼時は、前記伝熱管除去空間４８は低ＣＯ化手段として有効に機能しないが、前記ＣＯ酸化触媒体４４によりＣＯが酸化されるので、高燃焼時，低燃焼時に拘わらず、低ＣＯ化を実現できる。
【００８０】
なお、この発明は前記実施例に限定されるものではなく、つぎの変形例を含む。前記実施例においては、前記空気比制御手段を前記第一ダンパ１８により制御するように構成しているが、実施に応じて、前記送風機４の回転数を制御するように構成できる。この場合、前記第一電動機２５は、インバータ制御可能な構成のものを用いる。そして、所定燃焼量および所定排ガス再循環量において、外気温と空気比との関係を実験にて予め求め、外気温対送風機回転数の空気比補正テーブルを作成する。この補正テーブルを図１０に示すように、制御回路４９のメモリ（図示しない）に記憶させておき、この補正テーブルに基づき空気比がほぼ一定となるように、前記送風機４の電動機２５を制御するように構成することができる。
【００８１】
また、前記実施例においては、前記第一抑制手段を完全予混合式のバーナとしているが、実施に応じて部分予混合のバーナとすることができる。
【００８２】
また、前記実施例においては、前記第二抑制手段の前記各伝熱管２を垂直水管により構成しているが、水平あるいは傾斜して配置される水管により構成することができる。さらに、前記各伝熱管２の形状も前記実施例の真円に限定されるものではなく、実施に応じて楕円などの形状とすることができる。
【００８３】
また、前記実施例においては、前記第二抑制手段の前記各伝熱管２を裸管としているが、実施に応じて、前記伝熱管除去空間４８の下流の前記各伝熱管２に水平のヒレ状フィンや全周フィン（いずれも図示しない）を取り付けて、熱回収率を向上させるようにすることができる。
【００８４】
また、前記実施例においては、前記低ＮＯｘ化手段に前記伝熱管除去空間４８を含ませているが、実施に応じて、図１２に示すように、前記伝熱管除去空間４８を省略する，すなわち伝熱管を除去しないよう構成することができる。
【００８５】
また、前記実施例の蒸気ボイラは、燃焼量を高燃焼と低燃焼とに切替え可能なように構成しているが、実施に応じて、燃焼量の切替の無い蒸気ボイラとすることもできる。
【００８６】
さらに、前記実施例においては、前記ＣＯ酸化触媒体４４を前記排ガス出口１６部に取り付けているが、給水予熱器（エコノマイザ）を前記排ガス通路７に設けるものおいては、前記給水予熱器を収容する室において前記給水予熱器の上流側に配置することができる。
【００８７】
【発明の効果】
この発明によれば、外気温が変動しても安定した低ＮＯｘと低ＣＯとを同時に実現できるなど、産業的価値は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を適用した蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面説明図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面説明図である。
【図４】同蒸気ボイラの高燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性曲線を示す図である。
【図５】同蒸気ボイラの低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性曲線を示す図である。
【図６】同蒸気ボイラの要部分解の説明図である。
【図７】同蒸気ボイラの要部制御回路図である。
【図８】同蒸気ボイラの外気温対空気比補正データを示す図である。
【図９】同蒸気ボイラのＣＯ酸化触媒体の要部構成を示す正面図である。
【図１０】この発明の他の実施例の要部制御回路図である。
【図１１】この発明の他の実施例の縦断面の説明図である。
【図１２】この発明の他の実施例の図２に相当する断面説明図である。
【符号の説明】
１　バーナ
２　伝熱管
３　缶体
４　送風機
７　排ガス通路
８　排ガス再循環通路
９　蒸気添加管
１７　第一ダンパ

Claims

バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘを実現する低ＮＯｘ燃焼装置であって、空気比対ＮＯｘ特性を前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少するものとし、空気比対ＣＯ特性が空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増大するものとする低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定空気比に制御する空気比制御手段とを具備し、前記空気比制御手段が、外気温検出手段を含み、前記外気温検出手段からの検出信号に基づき前記所定空気比に制御するように構成することを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
前記空気比制御手段が、前記バーナへ燃焼用空気を送る給気通路に設けた燃焼用空気流量調整手段を含み、前記外気温検出手段からの検出信号に基づき前記燃焼用空気流量調整手段の開度を制御することにより前記所定空気比に制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の低ＮＯｘ燃焼装置。
前記燃焼用空気流量調整手段が、ダンパと、前記ダンパの回転位置を決める位置決め手段と、前記位置決め手段に作用して前記ダンパの回転位置を前記外気温検出手段の検出温度に応じて微調整する微調整手段とを含むことを特徴とする請求項２に記載の低ＮＯｘ燃焼装置。
前記空気比制御手段が、前記外気温検出手段からの検出信号に基づき前記バーナへ燃焼用空気を送る送風機の回転数を制御することにより前記所定空気比に制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の低ＮＯｘ燃焼装置。