JP2007125485A - 窒素酸化物および一酸化炭素の低減方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒素酸化物および一酸化炭素の低減を可能とし、しかも省エネルギーを実現できる方法およびその装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 ボイラ２から生じるガス中の酸素濃度を、前記触媒９内において、前記触媒の作用により一酸化炭素を酸素により酸化させる反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる反応とを起こす濃度に調整し、このガスを前記触媒９へ通過させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、触媒を用いることで燃焼装置から大気中へ排出される窒素酸化物および一酸化炭素の低減を実現する低減方法およびその装置に関するものである。

燃焼装置（バーナ）から生じるガス中の窒素酸化物および一酸化炭素を抑制するものとして特許文献１に記載されるものが知られている。特許文献１に記載の発明では、窒素酸化物を低減させるために、空気比（λ）をλ＜１で燃焼させ、この燃焼により生じたガスを第一触媒へ通過させ、この第一触媒内のガス中の一酸化炭素含有量を、窒素酸化物が所定の値になる程度に窒素酸化物が一酸化炭素により還元される含有量としている。そして、前記第一触媒を通過した後の酸化されなかった一酸化炭素を低減するため、前記第一触媒を通過した後のガスに酸素を導入するとともに、このガスを酸化触媒である第二触媒へ通過させて一酸化炭素を二酸化炭素へと酸化させている。
特表２００１−５２０１１０号公報

しかしながら、前記従来技術では、窒素酸化物の低減を行うステップと、一酸化炭素の低減を行うステップを別々のステップで行っているので、前記第一触媒および前記第二触媒の二つの触媒が必要であること、および前記第一触媒を通過した後のガスへ酸素を導入する構成が必要であったので構成が複雑であった。これは、空気比（λ）をλ＜１で燃焼させているため、燃料の未燃分が多く、前記第一触媒を通過した後でもガス中の一酸化炭素が十分に低減されていないからである。

一酸化炭素を低減させるため、この従来技術とは別に、空気比（λ）を、たとえばλ＝１．２で燃焼させることも考えられる。しかし、これを特許文献１に記載される従来技術に適用すれば、前記第一触媒を通過する前のガス中の酸素が多くなるので、前記第一触媒内において、一酸化炭素が酸素によって酸化される反応が主に起こり、窒素酸化物が一酸化炭素によって還元される反応が起こりにくく、窒素酸化物の低減を実現することができない。これは、一酸化炭素が酸素によって酸化される反応の反応速度の方が、窒素酸化物が一酸化炭素によって還元される反応の反応速度よりも速いからである。

この発明は、このような従来技術の問題点を解決することを目的とする。具体的には、簡単な構成にて燃焼装置から大気中へ排出されるガス中の窒素酸化物および一酸化炭素を低減できる方法およびその装置を提供することを目的とする。

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、燃焼装置から生じるガス中の窒素酸化物および一酸化炭素を触媒により低減する方法であって、前記触媒を通過する前のガス中の酸素濃度を、前記触媒内において、前記触媒の作用により一酸化炭素を酸素により酸化させる反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる反応とを起こす濃度に調整し、調整後のガスを前記触媒へ通過させることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、燃焼装置から生じるガス中の窒素酸化物および一酸化炭素を触媒により低減する低減装置であって、前記触媒を通過する前のガス中の酸素濃度を、前記触媒内において、前記触媒作用により一酸化炭素を酸素により酸化させる反応と窒素酸
化物を一酸化炭素により還元させる反応とを起こす濃度に調整する調整部を備えたことを特徴としている。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、簡単な構成にて大気中へ排出される窒素酸化物および一酸化炭素を低減することができる。

（実施の形態）
この発明の実施の形態について説明する。まず、本願の説明において使用する「ガス」の用語は、燃焼反応中（燃焼過程）のガスと燃焼反応が完結したガスの少なくとも一方を含み、「燃焼ガス」と称することがある。また、本願において「触媒」の用語は、白金などの触媒成分そのものを指す場合と、触媒成分と担体とを含む構成を指す場合に用いられる。

さて、この実施の形態に係る低減方法は、燃焼装置から生じるガス中の窒素酸化物および一酸化炭素を触媒により低減する方法であって、前記燃焼装置の空気比（λ）をλ＞１で燃焼させ、前記触媒を通過する前のガス中の酸素濃度を、前記触媒内において、前記触媒の作用により一酸化炭素を酸素により酸化させる反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる反応とを起こす濃度に調整し、調整後のガスを前記触媒へ通過させている。ここで、空気比（λ）は、実際に燃焼に用いた空気量と理論空気量との比を表し、後述する酸素濃度（Ａ）は、前記燃焼装置から生じるガスの全重量に対する酸素の重量％を表している。したがって、空気比（λ）がλ≧１である前提においては、空気比（λ）を大きくすれば、酸素濃度（Ａ）も大きくなり、逆に空気比（λ）を小さくすれば、酸素濃度（Ａ）も小さくなる関係にある。

この発明の低減方法は、窒素酸化物および一酸化炭素の低減装置としても実施することができ、この場合は、前記触媒を通過する前のガス中の酸素濃度を、前記触媒内において、前記触媒の作用により一酸化炭素を酸素により酸化させる反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる反応とを起こす濃度に調整する調整部を備えている。

前記低減方法は、種々の燃焼装置に適用することができ、前記燃焼装置としては、バーナ，ボイラ，吸収式冷凍装置，内燃機関などを例示することができる。燃料と燃焼用の空気の混合は、均一であることが好ましく、そのための前記バーナは、予混合式のものが適している。前記バーナのバーナエレメントとしては、薄肉の平板と波板とを交互に積層することによって予混合気の噴出流路を形成したハニカム構造のものが好適である。前記燃焼装置の燃料としては、燃料と燃焼用の空気との良好な混合を考慮すると、常温で気体である燃料が好ましい。

前記触媒は、酸化触媒であり、触媒成分としては、貴金属のものを好適に用いることができる。具体的には、白金，ロジウム，ルテニウム，パラジウムを例示することができ、特に白金を好適に用いることができる。触媒の担体構造としては、メタルハニカム，コーデライト（セラミックハニカム），メタルリボン，ペレット，発泡金属を例示することができるが、ガスの圧力損失が少ないハニカム構造（メタルハニカム，コーデライト）が好ましく、ガスの温度による破損を考慮すると、メタルハニカムを好適に用いることができる。

前記触媒内において一酸化炭素を酸素により酸化させる反応を起こすには、前記触媒を通過する前のガス中に酸素が残存していることが必要である。この酸化反応は、反応式１：ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２で表すことこができる。この酸化反応において酸素がすべて
消費されていることが好ましい。

一方、空気比（λ）をλ＜１で燃焼させた場合には、前記触媒を通過する前のガス中の酸素がほとんどゼロか，あるいはゼロであり、一酸化炭素をより効果的に低減することができない。これは、窒素酸化物と一酸化炭素との反応式は、反応式２：ＮＯＸ＋ＣＯ→１／２Ｎ２＋ＣＯ２と表すことができるが、空気比（λ）をλ＜１で燃焼させると、前記触媒を通過する前の酸素は、ほとんどゼロか，あるいはゼロなので、前記反応式１の化学反応による一酸化炭素の低減が見込まれないこと、および前記燃焼装置での燃焼が十分に行われないので一酸化炭素がより多く発生しており、前記反応式２の化学反応による一酸化炭素の低減によっても、低減できない一酸化炭素が多く残ってしまうことによる。

ここで、前記燃焼装置を空気比（λ）をλ＜１で燃焼させると、理想的には前記触媒を通過する前の酸素はゼロになるが、実際上、多くの場合、混合気中には燃料と燃焼用の空気との混合が不均一となっているところがあり、前記触媒を通過する前の酸素はゼロにならない。そのため、この残存する酸素によって、前記触媒内では前記反応式１の化学反応も起こすことがあるが、空気比（λ）をλ＜１で燃焼させると、燃料の未燃分が存在し、エネルギーの有効利用が十分でなく、また一酸化炭素の発生量が多くなってしまう。

前記触媒を通過する前の酸素濃度（Ａ）は、好ましくは、０．５％以下であり、前記触媒内において、酸素によって酸化されずに残存する一酸化炭素の物質量と、窒素酸化物の物質量の比率は、１対１となるような酸素濃度（Ａ）に調整することが好ましい。前記触媒を通過する前のガス中の一酸化炭素、窒素酸化物，酸素の濃度の関係を、Ｂ＝［ＣＯ］／（［ＮＯＸ］＋２［Ｏ２］）とすると、Ｂ＝１．０であることが好ましいが、窒素酸化物をゼロにし、かつ一酸化炭素の抑制を考慮すると、１．０＜Ｂ≦１．２となるように酸素濃度（Ａ）を調整してもよい。ただし、［ＣＯ］は、一酸化炭素濃度であり、［ＮＯＸ］は、窒素酸化物濃度であり、さらに［Ｏ２］は、酸素濃度を表す。

前記触媒内において、前記反応式１および前記反応式２の各化学反応が起こる順序は、先に前記反応式１の化学反応が起こり、つぎに前記反応式２の化学反応が起こる順序だけでなく、同時に前記反応式１および前記反応式２の各化学反応が起こることを含む。

前記調整部は、酸素濃度（Ａ）を増減させるもので、前記燃焼装置へ導入する燃焼用の空気量を調整することや、燃焼用の空気とは別に酸素ボンベを配置し、これによって酸素濃度（Ａ）を調整する構成であってもよい。一般的には、燃焼用の空気量を増減（酸素濃度（Ａ）を増減させることに対応する。）させることで、ガス中の窒素酸化物および一酸化炭素の濃度も変動する。したがって、燃焼用の空気量を増減させることで窒素酸化物および一酸化炭素の物質量を増減させることができる。

以下、この発明を実施した低減装置の実施例を図１から図３に基づいて詳細に説明する。図１は、低減装置１を燃焼装置の具体例であるボイラ２に適用したものを示し、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面説明図を示している。この実施例において、前記ボイラ２の燃料として天然ガス（１３Ａ）が使用されている。

図１において、前記ボイラ２は、缶体３の一側面４に接続された予混合式のバーナ５と、このバーナ５へ燃焼用の空気を送る送風機６と、前記バーナ５とは反対側の前記缶体３の側面７に接続された煙道８などから構成されている。前記低減装置１は、前記煙道８に配置された触媒９と、この触媒９の上流側のガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度計１０と、前記送風機６の回転数を変えるインバータ１１と、前記酸素濃度計１０からの信号によって前記インバータ１１の回転数を制御する制御部１２とから構成されている。前記低
減装置１によって、前記触媒９を通過する直前のガス中の酸素濃度（Ａ）が、０．５％以下となるように燃焼用の空気量を調整している。また、前記バーナ５には、電磁弁１３によりガスの流量を制御する燃料供給管１４と、前記一側面４に設けられ、前記バーナ５の先端部に設けられたハニカム構造のバーナエレメント１５が設けられている。さらに、前記触媒９の触媒量は、前記触媒９を通過する直前のガス温度，窒素酸化物量および一酸化炭素量などにより設定される。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面説明図であり、図２に示すように、ガスの流れ方向と平行する前記缶体３の両側面には、連結部材１７，１７，…を介して接続された隣り合う複数の水管１６，１６，…からなる水管壁１８，１８が配置されている。前記両水管壁１８の間には、ガスの流れ方法に沿って三列の水管群１９，１９，１９が並設され、前記各水管群１９を構成する水管２０，２０，…はそれぞれ適切な間隔を隔てて、他の前記各水管群１９の前記各水管２０と千鳥状になるように配置されている。

図３は、ガスの流れる方向から見た前記触媒９の要部構成を示したものである。前記触媒９の筒状外枠２１の内部には、径が一定間隔で異なる複数の同心円状の筒板２２，２２，…と、この各筒板２２の間に波板２３，２３，…が配置され、メタルハニカムを構成している。触媒成分として白金が用いられている。

以上のような構成において、前記燃料供給管１４から燃料（天然ガス：１３Ａ）が噴出され、この燃料は、前記バーナ５の予混合領域２４において前記送風機６から送られてくる燃焼用の空気と均一に混合され、前記バーナ５により燃焼させられる。燃焼したガス（燃焼ガス）は、前記各水管群１９の隙間を通過し、前記各水管１６，２０内部の水と熱交換しながら徐々に冷却された後、前記煙道８へ送られ、前記触媒９を通過して大気中へ排出される。前記触媒９を通過する直前のガス温度は、約１６０℃である。前記酸素濃度計１０は、前記触媒９を通過する直前のガス中の酸素濃度（Ａ）を計測し、この測定値を前記制御部１２へ出力する。前記制御部１２は、この測定値を得て酸素濃度（Ａ）が０．５％以下となるように前記インバータ１１の回転数を制御し、燃焼用の空気量を調整する。

前記触媒９内では、ガス中の一酸化炭素が酸素によって二酸化炭素へ酸化される反応と、この反応によって残った一酸化炭素と窒素酸化物とが反応し、二酸化炭素と窒素を生成する反応が起こり、一酸化炭素および窒素酸化物の低減が実現される。すなわち、前記触媒９内では、反応式１（ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２）および反応式２（ＮＯＸ＋ＣＯ→１／２Ｎ２＋ＣＯ２）に示す化学反応が起こることで、大気中へ排出されるガス中の一酸化炭素および窒素酸化物が低減される。前記触媒９を通過する直前のガス中の酸素濃度が０．５％よりも高いと、この酸素によって前記触媒９内のガス中のほとんどの一酸化炭素が酸化されるので（反応式１）、窒素酸化物を還元させる一酸化炭素が十分でなく（反応式２）、その結果、窒素酸化物の低減を図ることが困難となる。

この実施例によると、前記触媒９を通過する直前のガス中の酸素濃度（Ａ）を０．５％以下となるように燃焼用の空気量を調整しているので、前記反応式１の化学反応によって低減した残りの一酸化炭素の物質量と窒素酸化物の物質量の比率がほぼ１対１（誤差は約±２０％程度）となっており、前記触媒９を通過し、大気中へ排出される一酸化炭素および窒素酸化物をほぼゼロに低減することができる。また、この実施例によると、省エネルギーを実現することができる。すなわち、前記触媒９を通過する直前の前記煙道８内のガス中の酸素濃度（Ａ）を０．５％以下になるように制御しているので、ガスの保有熱の大気中への排出を少なくできるとともに、燃料の未燃分が少なく、また前記送風機６の駆動電力を抑えることができる。

この実施例の前記低減装置１は、前記ボイラ２に適用されているので、前記各水管１６
，２０によってガスの温度を低下させることができる。また、前記触媒９の上流側の前記煙道８に節炭器（図示省略）を設けることもでき、さらにガスの温度を下げることができる。ガスの温度を下げることで前記触媒９の破損を抑制することができる。また、前記触媒９を通過するガスの温度は、触媒作用が活性化される温度となるように調整することもできるが、前記触媒９を通過するガスの温度に応じて適量の触媒量とすることもできる。

変形例として、この実施例においては、燃焼用の空気量を調整することによって前記反応式１および前記反応式２の各化学反応が起こるようにしていたが、燃焼用の空気量を一定とし、前記触媒９を通過する直前の前記煙道８内のガス中の酸素濃度（Ａ）が０．５％以下となるように比例弁などで燃料の流量を調整してもよい。これによると、液体燃料を用いたときは、酸素濃度（Ａ）を０．５％以下に調整しやすい。

別の変形例では、この実施例においては、前記触媒９を前記煙道８に配置しているが、窒素酸化物が発生する領域より下流の前記缶体３内に設けてもよい。この場合、前記触媒９は、すべてのガスが触媒を通過するように、前記各水管１６，２０同士の隙間に触媒を設けることもできるが、ガスの流れる方向に対し垂直な前記缶体３の断面を覆うように、四角形状の触媒を設け、すべてのガスがこの触媒を通過する構成としてもよい。このように、前記缶体３内に触媒を設けるときは、触媒を通過しないガスがないような構成とすることが好ましい。

さらに、別の変形例では、この実施例では、前記インバータ１１を用いて燃焼用の空気量を調整したが、前記送風機６の上流側または下流側にダンパ（図示省略）を設け、このダンパの開度を調整することによって燃焼用の空気量を調整することもできる。

また、さらに別の変形例では、前記触媒９を通過する直前のガス中の窒素酸化物および一酸化炭素を増減させることによっても前記触媒９内において前記反応式１および前記反応式２の各化学反応が起こるようにすことができる。窒素酸化物の調整としては、前記煙道８内のガスを前記バーナ５へ再循環（ＥＧＲ）させて燃焼温度を下げることや、前記燃焼装置において燃焼を発生させる箇所に冷却手段（前記燃焼装置がボイラであれば、たとえば水管である。）を設けることが考えられる。一酸化炭素の調整としては、燃焼用の空気量の調整、すなわち酸素量を調整することや、前記燃焼装置とは別にバーナなどを前記触媒９の上流側に設け、不完全燃焼させて前記燃焼装置から生じるガスと混合させてもよい。これらの調整は、酸素，窒素酸化物，一酸化炭素のうちいずれか一つを調整することや、複数を組み合わせて調整することを含む。このような酸素，窒素酸化物，一酸化炭素の調整は、前記触媒９を通過する直前の調整に含まれる。

この発明の実施例を適用したボイラの縦断面の説明図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面説明図。 触媒の要部構成を示す一部説明図。

符号の説明

２ ボイラ（燃焼装置）
９ 触媒

Claims (2)

1. 燃焼装置から生じるガス中の窒素酸化物および一酸化炭素を触媒により低減する方法であって、前記触媒を通過する前のガス中の酸素濃度を、前記触媒内において、前記触媒の作用により一酸化炭素を酸素により酸化させる反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる反応とを起こす濃度に調整し、調整後のガスを前記触媒へ通過させることを特徴とする窒素酸化物および一酸化炭素の低減方法。
2. 燃焼装置から生じるガス中の窒素酸化物および一酸化炭素を触媒により低減する低減装置であって、前記触媒を通過する前のガス中の酸素濃度を、前記触媒内において、前記触媒作用により一酸化炭素を酸素により酸化させる反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる反応とを起こす濃度に調整する調整部を備えたことを特徴とする窒素酸化物および一酸化炭素の低減装置。
   
   

Images