JP2014005822A - 排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排ガスの酸素含有率に基づいて排ガスの還流量を制御可能な排気還流装置を提供する。
【解決手段】 排気管１２および吸気管１１に接続する排気還流管３０には、排気管１２と吸気管１１との連通または遮断を制御する弁４０が設けられる。センサ部が排気管１２に設けられる酸素センサ５０が検出する排ガスの酸素含有率は、電圧信号に変換されコントローラ６０に出力される。マイクロプロセッサから構成されるコントローラ６０は、酸素センサ５０が出力する電圧信号に基づいて弁４０の開度を制御する。排ガスの酸素含有率が設定値以上になるとき、弁４０の開度を０％より大きくし、排気還流管３０を介して排気管１２を流れる高濃度の酸素を含む排ガスを吸気管１１へ還流する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、排気還流装置に関し、詳しくは排ガスの酸素含有率に基づいて還流する排ガス量の調節を行う排気還流装置に関する。

原油価格や電気代の高騰、および地球温暖化に伴い、省エネルギーおよび二酸化炭素削減は現今の生活および工業において最も先に解決すべき問題となる。特に工業において、ボイラー、焼却炉、発電装置などの設備では必要なエネルギーを生成するには、燃料を使用する。これらの設備での燃焼時に、排ガスの大量発生を免れることができない。しかしながら、これらの設備に必要なエネルギーを生成するには、燃料を燃焼させることが必要である。燃料が燃焼して生じた排ガスは大気へ持続的に排出される。ボイラーの場合、下記の欠点を抱えている。
（１）ボイラーの排ガスは種類によって温度が異なり、大体１５０℃から２８０℃の間である。高温の排ガスが大気へ排出されると、大気を汚染するだけでなく、地球温暖化を加速させ、極めて深刻な環境問題を引き起こす。
（２）温度が１５０℃から２８０℃の排ガスを持続的に排出し燃焼室での温度を連続的に失うため、設備に燃料および空気を持続的に供給しなければならず、コストが増加する。
（３）設備から排出される排ガスの酸素含有率の平均は９％を超え、多い場合、１８％に達する。図１は、設備の燃焼効率と排ガスの酸素含有率の関係を示す特性図であり、ボイラーの排ガス温度が１５０℃、１７５℃、２００℃、２３０℃および２８０℃のデータを示している。図１に示すように、排ガスの酸素含有率が多ければ多いほど、燃焼効率（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が低くなる。即ち、燃焼時に発生する熱エネルギーの一部が過剰な空気に奪われ、設備から逃げてしまうことが判明した。一般的に言えば、排ガスの酸素含有率を３％減らすと１から２％の燃料を節約することが可能である。

排ガスの酸素含有率を制御し、省エネルギーおよび二酸化炭素削減を達成するために、近年、空燃比制御システムが採用されている。空燃比制御システムでは、機械式空燃比制御システムと異なりマイクロコンピュータによって空燃比を制御する。マイクロコンピュータによる空燃比制御システムでは、変化する排ガスの酸素含有率に対して連続制御を行い、機械式空燃比制御システムでの燃焼操作で解決できない問題を解決することができる。

特開平０５−０６００２０号公報

マイクロコンピュータによる空燃比制御システムでは、燃焼器のプログラムおよび燃焼用空気送風機の回転速度を制御する。マイクロコンピュータによる空燃比および可変周波数制御システムによって排ガスの酸素含有率を減らすことができるが、一部の設備から排出される排ガスの酸素含有率は高い。また、温度が１５０℃から２８０℃までの高温の排ガスの回収および再利用ができない。

本発明の目的は、排ガスの酸素含有率に基づいて排ガスの還流量を制御可能な排気還流装置を提供することにある。

本発明は、燃焼装置に接続する排気管を流れる排ガスの一部を還流排ガスとして燃焼装置に接続する吸気管を流れる空気に混合する排気還流装置であって、吸気管と排気管とを連通可能な排気還流管と、排気還流管に設けられ吸気管と排気管とを連通または遮断する弁と、排気管または排気還流管に設けられ排ガスの酸素含有率を検出し排ガスの酸素含有率を電圧信号に変換し出力する酸素センサと、酸素センサが出力する電圧信号に基づいて弁の開閉を制御する制御部と、を備え、排ガスの酸素含有率が設定値以上になったとき、弁は吸気管と排気管とを連通し、排気管を流れる排ガスが排気還流管を通って吸気管へ還流されることを特徴とする。

弁は、ゲート弁、電磁弁またはバタフライ弁から構成される。バタフライ弁はサーボモータに接続される。制御部は信号に基づいてサーボモータの回転を調整することによってバタフライ弁の開度を制御する。

排気還流管は、さらにファンを有する。ファンは制御部によって起動または停止が制御される。また、ファンは、インバータモータによって駆動され、インバータモータはファンの回転速度を制御する。

本発明の排気還流装置では、排気還流管を介して燃焼装置の排気管を流れる高濃度の酸素を含む排ガスを吸気管へ導入することにより、燃焼装置の内部温度が大幅に降下することを防止する。これにより、外部からの吸入空気量を減らし、エネルギーを節約することができる。また、排ガスのほとんどは回収される一方、排出される排ガス量は少なくなるため、地球温暖化の進行を緩和することができる。

従来の燃焼における燃焼効率と排ガスの酸素含有率との関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態による排気還流装置を示す模式図である。 本発明の一実施形態による排気還流装置における排ガスの還流を制御するプロセスを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による排気還流装置における排ガスの酸素含有率の設定値の比較的好ましい範囲を示す特性図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
図２に示すように、一実施形態による排気還流装置１００は、排気還流管３０、弁４０、酸素センサ５０、および「制御部」としてのコントローラ６０などを備える。

燃焼装置１０は、燃焼室を有し排ガスを生成する設備、例えばボイラー、焼却炉または発電装置を含む。燃焼装置１０は燃焼用の吸入空気が流れる吸気管１１、および排気管１２が接続する。排気管１２は、燃焼装置１０で生成される排ガスが流れる。また、燃焼装置１０の吸気管１１の上流側には空気調節ユニット２０が設けられる。空気調節ユニット２０は、燃焼装置１０に空気を適切に供給する送風機であってもよい。空気調節ユニット２０が供給する空気は２１％前後の酸素を含有する。上述した構造は、公知技術であり、本願の特許請求の範囲に含まれないため、詳細な説明を省略する。

一実施形態による排気還流装置１００の主な特徴は次の通りである。排気還流管３０は、排気管１２および吸気管１１に接続する。排気還流管３０には、排気管１２と吸気管１１との連通または遮断を制御する弁４０が設けられる。本実施形態において、弁４０は、サーボモータ（ＳＭ）４１によって駆動されるバタフライ弁であるが、これに限らず、ゲート弁または電磁弁であってもよい。

酸素センサ５０は、センサ部が排気管１２または排気還流管３０に配置され、排ガスの酸素含有率を検出する。酸素センサ５０が検出する排ガスの酸素含有率を電圧信号に変換し、コントローラ６０に出力する。

本実施形態において、コントローラ６０はマイクロプロセッサから構成され、酸素センサ５０の信号が入力され、入力された酸素センサ５０の信号に基づいて弁４０の開度を制御する。排ガスの酸素含有率がコントローラ６０の設定値以上になるとき、弁４０は開度が０％より大きくなるように制御され、排気管１２を流れる高濃度の酸素を含む排ガスを排気還流管３０によって吸気管１１へ還流する。

コントローラ６０は、排ガスの酸素含有率に応じてサーボモータ４１の回転を制御することによりバタフライ弁である弁４０の開度を０から１００％まで制御する。排ガスの酸素含有率が多い場合、サーボモータ４１を制御し、弁４０の開度を増大させることによって排ガスの還流量を増やすことができる。また、排ガスの酸素含有率が設定値より小さくなる場合、弁４０は吸気管１１と排気管１２とを遮断し、低濃度の酸素を含む排ガスは排気管１２から流出する。

排気還流管３０は、さらにファン３１を有する。ファン３１はコントローラ６０によって起動または停止が制御される。排ガスの酸素含有率が高い場合、ファン３１が起動する。好ましい実施形態において、ファン３１はインバータモータによって駆動される。インバータモータは、ファン３１の回転速度の加速を制御する。排ガスの酸素含有率が少ない場合、ファン３１の回転速度を減速するかまたはファン３１の回転を停止する。燃焼装置１０が生成する排ガスを排気還流管３０によって容易に吸気管１１に導入することができれば、ファンの３１を設けなくてもよい。

コントローラ６０は、入力インターフェース６１および表示ユニット６２を有する。入力インターフェース６１は燃焼装置１０の種類および特性に応じて酸素含有率の設定値をコントローラ６０に入力することができる。すなわち、ボイラーの種類または発電装置の特性に応じて排ガスの酸素含有率の設定値を決めることができる。例えば、図４に示すように、排ガスの酸素含有率の設定値が８％または６％以上になった場合、または２％以上になった場合、排気還流装置は、排気管１２を流れる高濃度の酸素を含む排ガスを排気還流管３０によって吸気管１１へ還流させ、リサイクルする。

コントローラ６０は、弁４０を制御するとともに、酸素センサ５０によって検出された排ガスの酸素含有率に基づいて空気調節ユニット２０が供給する空気を調整し、燃焼装置１０の空燃比を最適化することによって窒素酸化物の低減および燃焼効率の向上を達成することができる。

図４に示すように、ボイラーなどの燃焼装置の燃焼効率は排ガスの酸素含有率に反比例することが判明した。排ガスの酸素含有率が１４％から１８％である場合、排ガス温度によっても異なるが燃焼効率は７５％から８０％の間である。排ガスの酸素含有率を２％から８％減らすと、燃焼効率は８５％から９０％の間となる。酸素含有率が１５％の排ガスの酸素含有率を６％まで、即ち排ガスの酸素含有率を９％減らすと、３％から６％の燃料を節約することができる。

図３に示すように、本発明は上述した技術手段により、酸素含有率に基づいて排ガスの還流量を制御する。ステップは下記の通りである。

最初に、ステップ１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号Ｓで示す）において、酸素センサ５０によって排ガスの酸素含有率を検出する。

次に、Ｓ２において、排ガスの酸素含有率を示す信号をコントローラ６０に送信する。

次に、Ｓ３において、排ガスの酸素含有率が設定値以上であるか否かをコントローラ６０が判断する。排ガスの酸素含有率が設定値以上である場合、Ｓ４に進む。また、排ガスの酸素含有率が設定値より小さい場合、Ｓ５に進む。

排ガスの酸素含有率が設定値以上である場合、Ｓ４において排気還流管３０により排気管１２と吸気管１１とを連通し、高濃度の酸素を含む排ガスを吸気管１１へ還流させ、燃焼装置１０でリサイクルする。

また、排ガスの酸素含有率が設定値より小さい場合、Ｓ５において排気管１２と吸気管１１とを遮断し、低濃度の酸素を含む排ガスはそのまま排気管１２から排出される。

一実施形態による排気還流装置１００により、排気還流管３０を介して燃焼装置１０の排気管１２から高濃度の酸素を含む排ガスを吸気管１１へ導入することによって燃焼装置１０の内部温度が大幅に低下することを防止する。これにより、空気調節ユニット２０を介して外部の空気を大量注入する必要がないだけでなく、エネルギーを節約することできる。一方、排ガスのほとんどは回収され、外部に排出される排ガスが少なくなるため、大気汚染を抑制し、地球温暖化を緩和することができる。

また、一実施形態による排気還流装置１００は、燃焼装置の空燃比を制御することによって排ガスの酸素含有率を減らす従来の技術に対し、酸素センサ５０によって排ガスの酸素含有率を検出し、かつ排ガスの酸素含有率に基づいて排気還流管３０の排ガスの還流量を制御する。これにより、排ガスの還流量の最適化をはかり、二酸化炭素を削減し、燃焼効率を向上させる効果を達成することができる。

１０：燃焼装置、
１１：吸気管、
１２：排気管、
２０：空気調節ユニット、
３０：排気還流管、
３１：ファン、
４０：開閉弁、
４１：サーボモータ
５０：酸素センサ、
６０：コントローラ、
６１：入力インターフェース、
６２：表示ユニット。

Claims (6)

1. 燃焼装置に接続する排気管を流れる排ガスの一部を還流排ガスとして前記燃焼装置に接続する吸気管を流れる空気に混合する排気還流装置であって、
   前記吸気管と前記排気管とを連通可能な排気還流管と、
   前記排気還流管に設けられ、前記吸気管と前記排気管とを連通または遮断する弁と、
   前記排気管または前記排気還流管に設けられ、排ガスの酸素含有率を検出し、排ガスの酸素含有率を電圧信号に変換し出力する酸素センサと、
   前記酸素センサが出力する電圧信号に基づいて前記弁の開閉を制御する制御部と、
   を備え、
   排ガスの酸素含有率が設定値以上になったとき、前記弁は前記吸気管と前記排気管とを連通し、前記排気管を流れる排ガスが前記排気還流管を通って前記吸気管へ還流されることを特徴とする排気還流装置。
2. 前記弁は、ゲート弁、電磁弁およびバタフライ弁を含むことを特徴とする請求項１に記載の排気還流装置。
3. 前記バタフライ弁は、サーボモータに接続し、
   前記制御部は、信号に基づいて前記サーボモータの回転を調整することにより前記バタフライ弁の開度を制御することを特徴とする請求項２に記載の排気還流装置。
4. 前記排気還流管は、さらにファンを有し、
   前記ファンは、前記制御部によって起動または停止が制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の排気還流装置。
5. 前記ファンは、インバータモータによって駆動され、前記インバータモータはファンの回転速度を制御することを特徴とする請求項４に記載の排気還流装置。
6. 前記制御部は、入力インターフェースおよび表示ユニットを有することを特徴とする請求項５に記載の排気還流装置。

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