JP2008057960A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼量の変更時、排出基準以上の多量の一酸化炭素が大気中に排出されること
を簡易な手段により防止すること。
【解決手段】 バーナ１と、このバーナ１にて生成されるガスから吸熱する吸熱手段２と、この吸熱手段２通過後の前記ガス中の少なくとも一酸化炭素を酸化する触媒４と、この触媒４の一次側における前記ガス中の一酸化炭素濃度が第一設定値となるように、前記バーナ１の燃焼を第一設定条件に制御する制御手段８とを備える燃焼装置であって、前記バーナ１が燃焼量を第一燃焼量と第二燃焼量とに切り替え可能とされ、前記制御手段８は、前記第一燃焼量から前記第二燃焼量へ、またはその逆の燃焼量変更時、一酸化炭素の生成を抑制する燃焼量変更時制御を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

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装置に関する。

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。

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。

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。

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。

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。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。

そして、特許文献２に記載の低ＮＯx化技術は、空気比が１．３８以上の所謂高空気比燃焼領域に属するものである。一方、限りなく１に近い低空気比の燃焼領域では窒素酸化物の発生量が増えて、低ＮＯx化と低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は、これまで殆ど研究開発の対象とされていなかった。

この出願の発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、これまで殆ど研究が行われていなかった限りなく１に近い低空気比の燃焼領域において、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できるとともに、低空気比による省エネルギーを実現できる業界初の燃焼方法の発明を創出し、これを先に出願した（特願２００５−３００３４３）。

この出願済の発明は、一酸化炭素を用いて窒素酸化物を還元する酸化触媒を用い、酸化
触媒の一次側のガスにおける酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を調整することにより酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とすることができるものである。

特許第３２２１５８２号公報（対応米国特許：米国特許第５３５３７４８号明細書） 特開２００４−１２５３７８号公報（対応米国特許：米国特許第６７９２８９５号明細書）

この発明が解決しようとする課題は、燃焼量変更時、排出基準以上の一酸化炭素が大気中に排出されることを簡易な手段により防止することである。

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、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前記ガス中の少なくとも一酸化炭素を酸化する酸化触媒と、この酸化触媒の一次側における前記ガス中の一酸化炭素濃度が第一設定値となるように、前記バーナの燃焼を第一設定条件に制御する制御手段とを備える燃焼装置であって、前記バーナが燃焼量を第一燃焼量と第二燃焼量とに切り替え可能とされ、前記制御手段は、前記第一燃焼量から前記第二燃焼量へ、またはその逆の燃焼量変更時、一酸化炭素の生成を抑制する燃焼量変更時制御を行うことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、前記バーナの燃焼量変更時、排出一酸化炭素濃度を低減できる効果を奏する。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記燃焼量変更時制御は、前記酸化触媒の一次側の一酸化炭素濃度が第一設定値より低い第二設定値となるように、前記バーナの燃焼を第二設定条件に制御した後、前記第一設定条件へ移行する制御であることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、前記第二設定条件の燃焼後に前記第一設定条件の燃焼へ移行するので、燃焼量の移行時に一酸化炭素が多量に排出することを防止できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２において、前記第一設定条件および前記第二設定条件の変更を前記バーナの空気比を変更することにより行うことを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明による効果に加えて、前記第一設定条件および第二設定条件の変更を簡易に行うことができるという効果を奏する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３において、前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により、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ことを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項３において、前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により、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を調整する濃度比調整を行い、前記濃度比調整は、下記の調整０，調整１，調整２のいずれかである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。

請求項６に記載の発明は、請求項５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Ｋ１を前記基準所定濃度比Ｋ０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いる。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ₂］）／［ＣＯ］＝Ｋ …（１）
１．０≦Ｋ＝Ｋ０≦２．０ …（２）
（式（１）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ₂］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、［Ｏ₂］＞０の条件を満たす。）

請求項４〜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、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とすることができる。

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。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項３において、前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により前記酸化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を調整することにより前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とすることを特徴としている。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜請求項３による効果に加えて、排出窒素酸化物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。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項３において、前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により、前記酸化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酸化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、前記酸化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を調整することを特徴としている。

請求項８に記載の発明によれば、請求項１〜請求項３による効果に加えて、排出窒素酸化物を実質的に零とし、排出一酸化炭素濃度を低減することができるという効果を奏する。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項３において、前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により、前記酸化触媒の一次側の前記ガスの濃度比が次式（３）を満たすように調整することを特徴としている。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ₂］）／［ＣＯ］≦２．０ …（３）
（式（３）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ₂］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、［Ｏ₂］＞０の条件を満たす。）

請求項９に記載の発明によれば、請求項１または請求項６による効果に加えて、排出窒素酸化物を実質的に零とし、排出一酸化炭素濃度を低減することができるという効果を奏する。

この発明によれば、バーナの燃焼量変更時、多量の一酸化炭素が大気中に排出されることを簡易な手段により防止することができる。

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、バーナから触媒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。

また、「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。さらに、空気比ｍは、ｍ＝２１／（２１−[Ｏ₂]）と定義する。ただし、 [Ｏ₂]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[Ｏ₂]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。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（ＨＣ）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。

つぎに、この発明の実施の形態１〜４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。

（実施の形態１）
この実施の形態１は、燃焼量変更時、排出基準以上の一酸化炭素が大気中に排出されることを簡易な手段により防止する燃焼装置である。この実施の形態１は、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、少なくとも一酸化炭素を酸化する酸化触媒（以下、触媒という。）と、この触媒の一次側における前記ガス中の一酸化炭素濃
度が第一設定値となるように、前記バーナの燃焼を第一設定条件に制御する制御手段とを備える燃焼装置であって、前記バーナが燃焼量を第一燃焼量と第二燃焼量とに切り替え可能とされ、前記制御手段は、前記第一燃焼量から前記第二燃焼量へ、またはその逆の燃焼量変更時、一酸化炭素の生成を抑制する燃焼量変更時制御を行うことを特徴とする燃焼装置である。

前記燃焼量変更時制御は、好ましくは、前記触媒の一次側の一酸化炭素濃度が前記第一設定値より低い第二設定値となるように、前記バーナの燃焼を第二設定条件に制御した後、前記第一設定条件へ移行するように構成する。

また、前記制御手段による前記第一設定条件および前記第二設定条件の変更は、好ましくは、前記バーナの空気比を変更（第一変更制御）することにより行うように構成する。また、この空気比変更に代えて、燃料の供給のタイミングと燃焼空気（燃焼用空気）の供給のタイミングを空気比が高くなるようにずらせる制御（第二変更制御）を行うように構成することができる。さらに、前記第一変更制御と前記第二変更制御とを組み合わせて行うように構成することができる。

この実施の形態１においては、前記バーナは、前記制御手段により前記第一設定条件で燃焼する。この燃焼により生成され、前記吸熱手段にて吸熱作用を受けたガス中には、調整された濃度の一酸化炭素を含む。このガスは、前記触媒と接触して一酸化炭素が酸化される。その結果、前記ガス中の一酸化炭素の排出量を排出基準値以下に低減することができる。この作用において、前記バーナの燃焼量変更時、前記制御手段は、まず燃焼条件を前記第二設定条件とし、前記ガス中の一酸化炭素の発生量が少ない燃焼を行い、その後一酸化炭素発生量が多い前記第一設定条件に戻す。こうして、燃焼量変更時、多量の一酸化炭素が排出されることが防止される。

以上の発明の実施の形態１は、つぎの実施の形態２，３において好適に実施され、前記実施の形態１は、下記実施の形態４においても実施可能である。

（実施の形態２）
この実施の形態３は、前記触媒により窒素酸化物および一酸化炭素濃度を低減する形態である。この実施の形態３においては、制御手段が、前記第一設定条件による燃焼により、前記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。

（実施の形態４）
実施の形態４は、制御手段が、前記第一設定条件による燃焼により、前記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を調整する濃度比調整を行い、前記濃度比調整は、下記の調整０，調整１，調整２のいずれかである。
調整０：前記濃度比Ｋを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。

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。

この実施の形態４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［Ｏ₂］）／［ＣＯ］＝Ｋ …（１）
１．０≦Ｋ＝Ｋ０≦２．０ …（２）
（式（１）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ₂］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、［Ｏ₂］＞０の条件を満たす。）

前記基準所定濃度比Ｋ０は、前記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。

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となるように前記触媒の一次側の濃度比Ｋを調整する（前記調整１）と、前記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。

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となるように前記触媒の一次側の濃度比Ｋを調整する（前記調整２）と、前記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。

この実施の形態４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を行うように構成する。

この実施の形態４においては、まず、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作用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後の有害物質低減作用により、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後の有害物質低減作用により、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が重要である。

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（３）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。）

前記触媒によ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、前記触媒における反応（触媒反応）において、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。

要するに、前記触媒において、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。

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_２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。

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。

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。
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）
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）
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。
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］_ａ …（III）
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］_ｂ＝[ＮＯ] …（IV）
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］_ａ ＋［ＣＯ］_ｂ ＝２［Ｏ₂］＋ ［ＮＯ］ ・…（V）
［ＣＯ］_ａ＋［ＣＯ］_ｂ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。

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。

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。

つぎに、この発明の実施の形態１〜４の構成要素について説明する。
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。また、前記式（２）（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Ｏ₂を０％＜Ｏ₂≦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。

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１〜２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。

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。

前記バーナによる濃度比調整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特性を求めることにより行われる。この濃度比調整は、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ものである。そして、この濃度比調整は、前記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に調整するものであるが、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。この第一，第二濃度比調整手段は、好ましくは、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による濃度比の調整を行う。

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。

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。

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触媒の間に配置され補助調整手段を用いて行うものである。

前記補助調整手段は、前記バーナと前記触媒との間（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。

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。

前記濃度比調整手段による濃度比調整は、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、それ以上とする調整と表現することができる。この濃度比調整が不可能な場合には、一酸化炭素の注入や酸素の注入による調整を行うように構成することができる。

この濃度比において、空気比を実質的に１．０の低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。また、この濃度比調整は、好ましくは、燃焼温度の調整により窒素酸化物量および一酸化炭素量を所定量以下に抑制するとともに、ガス温度を保持して得られた一酸化炭素濃度を低減させないことにより行われる。一酸化炭素は、ガス温度が約９００℃以上となると酸化されやすいので、好ましくは、前記触媒の一次側におけるガス温度が６００℃以下に保持されるように前記バーナおよび前記吸熱手段とが構成される。

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する。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。

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。

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。

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、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。

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、前記駆動量が駆動パルスにより決定され、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。

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。

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。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。

前記制御手段は、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制御して、前記触媒の一次側の一酸化炭素濃度が前記第一設定値となるように前記空気比を変更時第一設定空気比に制御する前記第一設定条件と、前記触媒一次側の一酸化炭素濃度が第二設定値となるように前記空気比を変更時第二設定空気比に制御する前記第二設定条件とを実行可能に構成されている。前記の変更時設定条件および変更時設定値は、前記バーナの高燃焼時と低燃焼時とにそれぞれ設定される。

前記制御手段は、前記バーナの燃焼量変更時，すなわち低燃焼から高燃焼への移行時と高燃焼から低燃焼への移行時、一酸化炭素の生成を抑制する燃焼量変更時制御を行う。この燃焼量変更制御は、前記バーナの燃焼を前記第二設定条件に制御した後、前記第一設定条件による燃焼へ移行する制御である。

こうした燃焼量変更時制御により、燃焼量変更時に設定空気比がずれることにより生ずる一酸化炭素が多量に漏れて排出されることを防止することができる。

（実施の形態４）
この実施の形態４は、前記触媒により一酸化炭素濃度を主として低減する形態である。この実施の形態４においては、前記実施の形態１において、前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により生成される所定の高濃度の一酸化炭素を前記触媒により酸化して、前記触媒の二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするように構成される。この実施の形態４は、前記特許文献２に記載のように、ＮＯx発生の抑制を排出ＣＯ値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化を行い、その後にＣＯ触媒により前記低ＮＯx化後に排出ＣＯ値を所定値以下とする低ＣＯ化を行う燃焼装置である。

この実施の形態４においても、この実施の形態２においても、前記実施の形態１と同様に、前記バーナの燃焼量変更時、前記第二設定条件で設定時間だけ燃焼を行い、その後前
記第二設定条件の燃焼から前記第一設定条件の燃焼へ移行する。この実施の形態２の前記第一設定条件の第一設定空気比が、たとえば１．３８であり、前記第二設定条件の第二設定空気比は、前記触媒の一次側におけるＣＯ濃度がＣＯ排出基準（たとえば、日本では３００ppm、米国では５０ppm）以下となるように設定される。

この発明は、前記の発明の実施の形態１〜４に限定されるものではなく、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。

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１を図面に従い説明する。この実施例１は、バーナの燃焼量変更時、一酸化炭素の生成および／または排出を抑制する燃焼量変更時制御を行うプログラムを備えた実施例である。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線に沿う断面の説明図であり、図３は、図２の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、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り、図６は、同ダンパ位置調整装置の要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り、図１１は、本実施例１の燃焼量変更時制御を説明するタイムチャート図であり。図１２は、本実施例１の燃焼量変更時制御を説明するテーブルである。

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にて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、前記水管群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触媒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（燃焼用空気）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。

前記バーナ１は、平面状の燃焼面（予混合気の噴出面）を有する全一次空気式の予混合式バーナである。このバーナは、特許文献１に記載のバーナと同様の構成である。

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。

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。

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所定濃度比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１．０の設定空気比に調整したとき、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）。

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より小さくなると、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。ここにおいて、低空気比とは、空気比１．１以下，好ましくは、１．０５以下であり、この空気比の領域を低空気比領域と称する。

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。

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。

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の途中の水平部１８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。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。

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に設けた燃料流量の調整用の流量調整弁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。

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。

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。

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。

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の大径穴３７には、それぞれキー溝４０，４１が形成されている。

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。

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、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。

前記スリット４７を検出するための検出器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の発光素子４９と受光素子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。

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の回転軸３１に取り付けられる。

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。

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、前記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。

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６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。

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。

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。

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、前記モータ３４を制御する。この空気比制御プログラムは、前記触媒４二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするように前記濃度比を制御する基本制御プログラム（第一プログラム）と、前記バーナ１の燃焼開始時、多量の一酸化炭素の排出を防止するように前記モータを制御する燃焼開始時制御プログラム（第二プログラム）と、前記バーナ１の燃焼を低燃焼から高燃焼へ、または高燃焼から低燃焼へ切り換える時、多量の一酸化炭素の排出を防止するように前記モータを制御する燃焼量変更時制御プログラム（第三プログラム）と、前記触媒４の機能低下時および前記センサ７の異常時に多量の一酸化炭素の排出を防止する異常時制御プログラム（第四プログラム）とを含んで構成されている。前記第二プログラムおよび前記第三プログラムは、前記第一プログラムを含んで構成されている。また、前記第二プログラムおよび前記第四プログラムは、この発明とは直接関係ないのでその説明を省略している。

まず、前記基本制御プログラムについて説明する。前記制御器８は、前記センサ７の検出信号に基づき、前記バーナ１の空気比が第一設定空気比λ１（＝１．０）となるように（第一制御条件）、かつこの第一設定空気比λ１において前記触媒４の一次側（流入前）の前記ガスの濃度比が次式（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［Ｏ₂］）／［ＣＯ］≦２．０ …（３）
（式（３）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ₂］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、［Ｏ₂］＞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。この点を図４および図７に基づき以下に説明する。

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４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。

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）

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（３）を満たすラインとすることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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［Ｏ₂］）／［ＣＯ］なる濃度比をほぼ１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、前記濃度比が１〜２．０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。

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。

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１の空気比が設定空気比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からの出力値と設定空気比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速度Ｖ２，第二設定速度Ｖ１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。

前記第一制御帯Ｃ１の設定範囲は、設定酸素濃度Ｎ１（たとえば１００ppm）と設定一酸化炭素濃度等Ｎ２（たとえば５０ppm）とで設定され、空気比を実質的に１．０とすべく前記設定酸素濃度Ｎ１および前記設定一酸化炭素濃度等Ｎ２で規定される設定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、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の前記モータの１ステップによる回転角度は、０．０７５度で、Ｏ₂に換算すると約３０ppmの変動に相当する。
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。）

つぎに、この発明の特徴部分である前記燃焼変更時制御プログラムを図１１および図１２に基づき説明する。このプログラムは、前記センサ７による検出空気比が設定空気比となるように前記ダンパ２９をフィードバック制御するように構成されている。まず、低燃焼時は、低燃焼時の第一設定条件により第一設定空気比λ１Ｌ燃焼を行っている。このときの前記バーナ１へ供給される空気量，燃料量は、それぞれＡ１，Ｆ１であり、前記触媒４の一次側における一酸化炭素濃度はＣ１である。高燃焼時は、高燃焼時の第一設定条件により第一設定空気比λ１Ｈ燃焼を行っている。このときの前記バーナ１へ供給される空気量，燃料量は、それぞれＡ２，Ｆ２であり、前記触媒４の一次側における一酸化炭素濃度はＣ３である。

低燃焼から高燃焼への変更時、前記制御器８は、高燃焼時の第二設定条件の第二設定空気比λ２Ｈ（＞高燃焼時の第一設定空気比λ１Ｈ）に基づく燃焼を指令する。このλ２Ｈの空気量，燃料量は、それぞれＡ３（＞Ａ２），Ｆ２（＞Ｆ１）であり、前記触媒４の一次側における一酸化炭素濃度はＣ４（＜Ｃ３）である。その後、前記制御器８は、高燃焼時の第一設定条件の第一設定空気比λ１Ｈへ移行させる。

高燃焼から低燃焼への変更時、前記制御器８は、低燃焼時の第二設定条件の第二設定空気比λ２Ｌ（＞低燃焼時の第一設定空気比λ１Ｌ）に基づく燃焼を指令する。このλ２Ｌの空気量，燃料量は、それぞれＡ４（＞Ａ１），Ｆ１であり、前記触媒４の一次側における一酸化炭素濃度はＣ２（＜Ｃ１）である。その後、前記制御器８は、低燃焼時の第一設定空気比λ１Ｌへ移行させる。この実施例３では、前記第一設定空気比λ１Ｌ，λ１Ｈは、空気比１．０に設定され、前記第二設定空気比λ２Ｌ，λ２Ｈは、前記第二制御帯Ｃ２Ａに属するように予め実験により定める。

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、前記のように低空気比にて行われる。

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１００℃〜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、酸化、還元処理され、窒素酸化物濃度がほぼ零とされ、一酸化炭素濃度が排出基準値以下の濃度に低減された後、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。

（前記基本制御プログラムによる動作）
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。

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第一設定空気比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。

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８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。

前記第二制御帯Ｃ２Ａに属する場合には、第一設定速度Ｖ２で、かつ演算された駆動パルスで前記モータを駆動し、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、設定空気比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前記第一設定空気比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。

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、設定空気比に対応
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、目標とする設定空気比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設定空気比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、設定空気比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。

こうした空気比制御により、前記バーナ１一次側の空気比を１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（３）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、一酸化炭素濃度を実用範囲の値に低減することができる。

（実験例１）
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、Ｐｔを用い２．０g/Lの割合で担持した体積１０L、内径３６０ｍｍの触媒４とした場合の実験結果について説明する。前記設定空気比を１．０とした場合、前記触媒１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１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１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）
実験例１と同じバーナ１および缶体３を用い、燃焼量および設定空気比を実験例１と同じとし、触媒活性物質としてＰｄを用い２．０g/Lの割合で担持した体積１０L、内径３６０ｍｍの触媒４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。

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、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Ｋ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。

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。

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、空気比制御を応答性よく、安定的に行うことができる。

（前記燃焼量移行時制御プログラムによる動作）
つぎに、前記バーナ１の燃焼量変更時の動作を図１１および図１２に基づき説明する。まず、低燃焼から高燃焼への変更時の動作を説明する。低燃焼時は、低燃焼時の第一設定条件により空気比λ１Ｌ燃焼を行う。前記制御器８は、前記センサ７からの信号に基づき前記ダンパ位置調整装置３０のモータを制御して、前記ダンパ２９を前記空気比λ１Ｌに対応する低燃焼位置へ回動するとともに、前記流量調整弁２５を低燃焼位置へ制御する。

その後、燃焼量が低燃焼から高燃焼へ切り替えられると、制御器８は、前記モータ３４を制御して、高燃焼時の第二設定条件である空気比λ２Ｈとなるように、前記ダンパ２９の回動位置を前記第一設定空気比λ１Ｈに対応する高燃焼位置よりも開度の大きい前記第二設定空気比λ２Ｈに対応した位置に制御するとともに、前記流量調整弁２５を高燃焼位置へ制御する。この空気比λ２Ｈは、前記第一設定空気比λ１Ｈより空気比が大きく、前記触媒４の一次側の一酸化炭素濃度が低い燃焼が行われている。その後、前記ダンパ位置調整装置３０の機能により前記第二設定空気比λ２Ｈに対応した位置への移動が確認されると、前記制御器８は、前記第一設定条件の第一設定空気比λ１Ｈの燃焼を指令する。その結果、前記第一設定空気比λ１Ｈの燃焼により、前記触媒４の一次側のガスの濃度比が前記式（３）を満たし、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ことができる。

つぎに、高燃焼から低燃焼への変更時の動作を説明する。高燃焼時は、高燃焼時の第一設定条件により前記第一設定空気比λ１Ｈ燃焼を行う。前記制御器８は、前記センサ７からの信号に基づき前記ダンパ位置調整装置３０のモータを制御して、前記ダンパ２９を前記第一設定空気比λ１Ｈに対応する高燃焼位置へ回動するとともに、前記流量調整弁２５を高燃焼位置へ制御する。

燃焼量が高燃焼から低燃焼へ切り替えられると、制御器８は、前記モータを制御して、低燃焼時の第二設定条件である第二設定空気比λ２Ｌとなるように、前記ダンパ２９の回動位置を前記低燃焼第一設定条件の第一設定空気比λ１Ｌに対応した低燃焼位置よりも開度が大きい位置に制御するとともに、前記流量調整弁２５を低燃焼位置へ制御する。この第二設定空気比λ２Ｌは、第一設定空気比λ１Ｌより空気比が大きく、前記触媒４の一次側の一酸化炭素濃度が低い燃焼が行われている。その後、前記ダンパ位置調整装置３０の機能により前記第二設定空気比λ２Ｌに対応した位置への移動が確認されると、前記制御器８は、前記第一設定条件の第一設定空気比λ１Ｌの燃焼を指令する。その結果、前記ダンパ２９を閉じて前記第一設定空気比λ１Ｌの燃焼を行うことにより、前記触媒４の一次側のガスの濃度比が前記式（３）を満たし、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ことができる。

この実施例１の燃焼量変更時制御によれば、燃焼量変更時に一旦高空気比燃焼をさせた後、設定空気比燃焼へ移行するので、空気比のずれによる多量の一酸化炭素が排出されることを防止できる。

前記実施例１の変形例である実施例２を図１３および図１４に従い説明する。前記実施例１が前記第二設定条件の第二設定空気比λ２Ｌ，第二設定空気比λ２Ｈの前記ダンパ２９の開度量をそれぞれ前記第一設定条件の第一設定空気比λ１Ｌ，λ１Ｈの開度量よりも
大きく設定している，すなわち前記実施例４が燃焼空気量の調整により空気比を調整している。これに対して、この実施例２では、前記第二設定条件の第二設定空気比λ２Ｌ，λ２Ｈの前記燃料供給手段５の流量調整弁２５の流量を前記第一設定条件の第一設定空気比λ１Ｌ，λ１Ｈの流量よりも絞る，すなわち燃料量の調整により空気比を調整することで、前記第一設定条件の空気比よりも前記第二設定条件のそれを大きくしている。

この実施例２の燃焼量変更時制御プログラムを以下に説明する。図１４を参照して、まず、低燃焼時は、低燃焼時の第一設定条件により第一設定空気比λ１Ｌ燃焼を行っており、このときの前記バーナ１へ供給される空気量，燃料量は、それぞれＡ１，Ｆ１であり、前記触媒４の一次側における一酸化炭素濃度はＣ１である。高燃焼時は、高燃焼時の第一設定条件により第一設定空気比λ１Ｈにて燃焼を行っており、このときの前記バーナ１へ供給される空気量，燃料量は、それぞれＡ２，Ｆ２であり、前記触媒４の一次側における一酸化炭素濃度はＣ３である。

低燃焼から高燃焼への燃焼量変更時、前記制御器８は、高燃焼時の第二設定条件の第二設定空気比λ２Ｈ（＞高燃焼時の第一設定空気比λ１Ｈ）に基づく燃焼を指令する。このλ２Ｈの空気量，燃料量は、それぞれＡ２，Ｆ３（＜Ｆ２）であり、前記触媒４の一次側における一酸化炭素濃度はＣ４（＜Ｃ３）である。その後、前記制御器８は、高燃焼時第一設定空気比λ１Ｈへ移行させる。

また、高燃焼から低燃焼への燃焼量変更時、前記制御器８は、低燃焼時の第二設定条件の第二設定空気比λ２Ｌ（＞低燃焼時の第一設定空気比λ１Ｌ）に基づく燃焼を指令する。このλ２Ｌの空気量，燃料量は、それぞれＡ１，Ｆ４（＜Ｆ１）であり、前記触媒４の一次側における一酸化炭素濃度はＣ２（＜Ｃ１）である。その後、前記制御器８は、低燃焼時の第一設定空気比λ１Ｌへ移行させる。この実施例２においても、前記第一設定空気比λ１Ｌ，λ１Ｈは、空気比１．０に設定され、前記第二設定空気比λ２Ｌ，λ２Ｈは、前記第二制御帯Ｃ２Ａに属するように予め実験により定める。

つぎに、この実施例２による燃焼量変更時の動作を説明する。まず、低燃焼から高燃焼への変更時の動作について説明する。低燃焼時は、低燃焼時の第一設定条件により第一設定空気比λ１Ｌ燃焼を行う。前記制御器８は、前記センサ７からの信号に基づき前記ダンパ位置調整装置３０のモータを前記ダンパ２９を前記第一設定空気比λ１Ｌに対応する低燃焼位置へ回動するとともに、前記流量調整弁２５を低燃焼位置へ制御する。

その後、燃焼量が低燃焼から高燃焼へ切り替えられると、制御器８は、高燃焼時の第二設定条件である第二設定空気比λ２Ｈとなるように、前記ダンパ２９の回動位置を前記第二設定空気比λ２Ｈに対応した高燃焼位置に制御するとともに、前記流量調整弁２５の開度位置を前記第一設定空気比λ１Ｈに対応する開度位置よりも絞った位置に制御する。その後、前記制御器８は、高燃焼時の第一設定条件の第一設定設定空気比λ１Ｈの燃焼を指令する。その結果、前記流量調整弁２５が開かれ、第一設定空気比λ１Ｈの燃焼が行われる。これにより、前記触媒４の一次側のガスの濃度比が前記式（３）を満たし、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ことができる。

つぎに、高燃焼から低燃焼への変更時の動作を説明する。高燃焼時は、高燃焼時の第一設定条件により第一設定空気比λ１Ｈ燃焼を行う。前記制御器８は、前記センサ７からの信号に基づき前記ダンパ位置調整装置３０のモータ３４を前記ダンパ２９を前記第一設定空気比λ１Ｈに対応する高燃焼位置へ回動するとともに、前記流量調整弁２５を低燃焼位置へ制御する。

その後、燃焼量が高燃焼から低燃焼へ切り替えられると、制御器８は、低燃焼時の第二
設定条件である第二設定空気比λ２Ｌとなるように、前記ダンパ２９の回動位置を前記第二設定空気比λ２Ｌに対応した低燃焼位置に制御するとともに、前記流量調整弁２５を前記第一設定空気比λ１Ｌに対応する開度位置よりも絞った位置へ制御する。その後、前記制御器８は、前記第一設定条件の第一設定空気比λ１Ｌの燃焼を指令する。その結果、前記流量調整弁２５が徐々に開かれ、第一設定空気比λ１Ｌの燃焼が行われる。これにより、前記触媒４の一次側のガスの濃度比が前記式（３）を満たし、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ことができる。

この実施例２においても、前記実施例１と同様に、燃焼量変更時に一旦高空気比燃焼をさせた後、第一設定空気比の燃焼へ移行するので、空気比のずれによる多量の一酸化炭素が排出されることを防止できる。

この実施例２の図１３および図１４いて、空気比，空気量，燃料量および一酸化炭素濃度は、図１１および図１２との対応付けを分かり易くするために同じ符号を付しているが、実数値を異ならせることができる。

この発明の他の実施例３を図１５および図１６に従い説明する。この実施例３は、酸素濃度などを検出するセンサ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１６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。

この実施例３では、前記第一設定空気比λ１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、前記式（１）を満たすという条件下で、前記触媒４の一次側の酸素濃度Ｏ₂を０％＜Ｏ₂≦１．００％の値に制御すると、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。

そこで、この実施例３の空気比制御プログラムには、前記センサ７からの検出値（酸素濃度信号）に基づき、この検出値と設定酸素濃度の設定値との差に応じて前記モータの送り速度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速度Ｖ２，第二設定速度Ｖ１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。

前記第一制御帯Ｃ１の設定範囲は、設定酸素濃度Ｎ１と設定酸素濃度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。

この実施例４は、前記設定空気比を、図１７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。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。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４における濃度比Ｋの調整は、前記調整２である。

この実施例４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。

（実験例３）
この実施例４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。

この実験例３から明らかなように、実施例４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。

この実施例４においては、前記第一制御帯Ｃ１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Ｃ１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。

具体的には、前記第一制御帯Ｃ１の左端を空気比１．０以下とするのではなく、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。この実施例４は、前記実施例３に適用可能である。

この実施例５は、図１８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５４、このモータ５４の回転数を制御するインバータ５５とを含んで構成したものである。この実施例５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５５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５４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５５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５５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５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。

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、前記実施例１，２では、設定空気比を実質的に１．０に設定しているが、図４の特性図において、空気比１．０を越える空気比，たとえば１．００５に設定することができる。また、前記実施例２において、前記センサ７を酸素濃度センサとしているが、一酸化炭素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、この制御器と前記センサ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。

本実施例１の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 図２の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。 本実施例１の空気比−ＮＯx・ＣＯ特性を示す図である。 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。 同ダンパ位置調整装置の要部断面の説明図である。 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。 本実施例１のセンサの出力特性を説明する図である。 本実施例１のモータ制御特性を説明する図である。 本実施例１のＮＯxおよびＣＯ低減特性を説明する図である。 本実施例１の燃焼量変更時制御を説明するタイムチャート図である。 本実施例１の燃焼変更時制御を説明するテーブルである。 本実施例２の燃焼量変更時制御を説明するタイムチャート図である。 本実施例２の燃焼変更時制御を説明するテーブルである。 本実施例３の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。 本実施例３のモータ制御特性を説明する図である。 本実施例４の空気比−ＮＯx・ＣＯ特性を示す図である。 本実施例５の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。

符号の説明

１ バーナ
４ 触媒
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

Claims (9)

1. 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前記ガス中の少なくとも一酸化炭素を酸化する酸化触媒と、
   この酸化触媒の一次側における前記ガス中の一酸化炭素濃度が第一設定値となるように、前記バーナの燃焼を第一設定条件に制御する制御手段とを備える燃焼装置であって、
   前記バーナが燃焼量を第一燃焼量と第二燃焼量とに切り替え可能とされ、
   前記制御手段は、前記第一燃焼量から前記第二燃焼量へ、またはその逆の燃焼量変更時、一酸化炭素の生成を抑制する燃焼量変更時制御を行うことを特徴とする燃焼装置。
2. 前記燃焼量変更時制御は、前記酸化触媒の一次側の一酸化炭素濃度が第一設定値より低い第二設定値となるように、前記バーナの燃焼を第二設定条件に制御した後、前記第一設定条件へ移行する制御であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記第一設定条件および前記変更時第二定条件の変更を前記バーナの空気比を変更することにより行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃焼装置。
4. 前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、
   前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により、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ことを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の燃焼装置。
5. 前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、
   前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により、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を調整する濃度比調整を行い、
   前記濃度比調整は、下記の調整０，調整１，調整２のいずれかであることを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の燃焼装置。
   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。
6. 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Ｋ１を前記基準所定濃度比Ｋ０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する請求項５に記載の燃焼装置。
   （［ＮＯｘ］＋２［Ｏ₂］）／［ＣＯ］＝Ｋ …（１）
   １．０≦Ｋ＝Ｋ０≦２．０ …（２）
   （式（１）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ₂］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、［Ｏ₂］＞０の条件を満たす。）
7. 前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、
   前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により前記酸化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を調整することにより前記酸化触媒の二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とすることを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の燃焼装置。
8. 前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、
   前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により、前記酸化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酸化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、前記酸化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を調整することを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の燃焼装置。
9. 前記酸化触媒が一酸化炭素を酸化するとともに窒素酸化物を還元するものとされ、
   前記制御手段は、前記第一設定条件による燃焼により、前記酸化触媒の一次側の前記ガスの濃度比が次式（３）を満たすように調整することを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の燃焼装置。
   （［ＮＯｘ］＋２［Ｏ₂］）／［ＣＯ］≦２．０ …（３）
   （式（３）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ₂］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、［Ｏ₂］＞０の条件を満たす。）

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