JP4169513B2 - 排出ガスの清浄化と共に窒素酸化物類、炭化水素類及び一酸化炭素の濃度を制御する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は排出ガスの清浄化と共に酸化窒素類（ＮＯ_x）、炭化水素類（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を制御するための調節システム（ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に関し、そして又、この目的のための装置に関する。
【０００２】
スウェーデン特許明細書第９８００４７３−２号に、ガスバーナー又は他の何らかの燃焼源、例えば、油燃焼バーナー又は内燃機関からの煙霧、排出ガスのような廃ガスを清浄化する方法が記載されている。本発明は、又、該方法を利用するガスバーナーにも関する。
【０００３】
（背景技術）
ガスバーナー類を用いて工業用炉を加熱することは、一般的に行なわれている。この点に関しては、天然ガスが代表的な燃料であるが、他のガス、例えばプロパン、ブタン及びＬＰガスも使用することができる。
【０００４】
有効なガスバーナーは、例えば、閉鎖した底部を有する保護管で囲まれた内管の一端にバーナーヘッドが配置されたものである。バーナー室からの煙霧は内管の内側を通過して外管の底部に降下し、そこで反転して外管と内管の間を反対方向に上昇し、次いで外部に通じる排出導管へ流入する。保護管は炉空間に熱を放出するが、この熱の３０％は対流熱であり、７０％は輻射熱である。
【０００５】
類似したタイプのバーナーとして、又、内管が外側の保護管によって囲まれているが、保護管の底部は閉鎖していないバーナーもある。その保護管はアーチ状、例えばＵ字型、に伸びていて、保護管の自由端は排出導管に連結している。バーナーヘッドを有する内管は直線状であり、保護管の直線部分の範囲内に位置している。そのようなガスバーナーは高濃度の炭化水素類（ＨＣ）及び窒素化合物類（ＮＯ_x）を排出する。
【０００６】
バーナーの出力集中を強化するためには、外管を１１５０〜１２００℃までの温度に維持することが望ましい。このことは、外管を炭化珪素（ＳｉＣ）又はＡＰＭのような耐熱材料で製作することによって達成することができる。ＡＰＭは最新粉末冶金（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）の略語で、この材料は約７３％の鉄、２２％のクロム及び５％のアルミニウムを含む。この粉末材料は管状に押出し成型される。
【０００７】
しかしながら、廃ガス中のＮＯ_xの濃度は、そのような高温においては著しく増大する。
【０００８】
高温において発生する一つの問題は、触媒が高い熱応力を受け、そのために一体式のセラミック（ｃｅｒａｍｉｃ ｍｏｎｏｌｉｔｈ）を含む従来の触媒は、冷却しないと破壊され得ることである。
【０００９】
前記の特許明細書に定義された発明はこれらの問題に対する回答を与え、従来の触媒による廃ガス清浄化プロセスで得られる濃度より遥かに低いＣＯ及びＮＯ_x、並びにＨＣの濃度を与える。
【００１０】
前記の特許明細書は、酸化窒素（ＮＯ_x）、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含有する廃ガス、例えばバーナーの煙霧や内燃機関の排出ガス、を清浄化する方法に関し、この方法では、廃ガスは、該ガスを触媒清浄化するための触媒中を通過させられる。本特許明細書に従えば、ラムダ値は１未満の値に維持される。廃ガス又は排出ガスは、第一触媒次いで第二触媒の中に導かれる。ここで、ガス中のＣＯ濃度は、第一触媒中では、ＮＯ_xをＮ₂に還元するのに十分な高さに保たれてＮＯ_xの濃度を予め定められた値まで引き下げ、第一及び第二触媒の間では、ＣＯ及びＨＣをＣＯ₂及びＨ₂Ｏに酸化するのに十分な量の酸素が導入され、ＣＯ濃度を予め定められた値まで引き下げる。
【００１１】
前記特許に従って本発明を実施する上での一つの重要な問題は、ラムダ値を直接測定することが不可能で、間接的に測定しなければならないことである。
【００１２】
この問題は本発明によって解決され、本発明によってシステムの運転中に能動的調節（ａｃｔｉｖｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）を遂行することが可能になる。
【００１３】
（発明の概要）
即ち、本発明は、バーナーの煙霧及び内燃機関の排出ガスのような廃ガスの酸化窒素類（ＮＯ_x）、炭化水素類（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を制御する方法であり、ここで、廃ガスは該ガスの触媒清浄化のために触媒中を通過し、供給される燃料混合物の第一ラムダ値（λ１）が１未満になるようにし、廃ガスは第一触媒次いで第二触媒を通過し、第一触媒中のガスのＣＯ濃度を十分高くして、ＮＯ_xの濃度を予め定められた値に引き下げる程度にＮＯ_xをＮ₂に還元し、十分な量の酸素（Ｏ₂）を第一触媒及び第二触媒の間に送入して、ＣＯ濃度を予め定められた値に引き下げる程度にＣＯ及びＨＣをＣＯ₂及びＨ₂Ｏに酸化する方法であって、該第二触媒下流の廃ガス中の第二ラムダ値（λ２）を、マイクロプロセッサーへ信号を送るように適応した、協同メモリー（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｍｅｍｏｒｙ）を有する測定装置又は相当する装置を用いて測定し又は決定し；且つ、燃料の供給量に対応して酸素供給量を調節するための弁が、該マイクロプロセッサーによって、該第二ラムダ値（λ２）を下限値が１を超える予め定められた範囲内に納めるように制御されることを特徴とする方法に関する。
【００１４】
（発明の詳細な説明）
さて、付属の図面に示される本発明を例示する実施態様を一部参照しながら、本発明を更に詳細に説明する。
【００１５】
図１に、公知のタイプの炉加熱用ガスバーナーを図示する。このタイプのバーナーでは、バーナーヘッド１が内管２の一端に配置され、その内管は外側の保護管３で囲まれている。保護管３の底部４は閉鎖している。このことは、バーナーヘッドからの煙霧又は廃ガスは内管２の中を下方へ通過して外管３の底部４に達し、そこで反転して外管と内管の間を逆向きに流れた後、外部に通じる排出ガス通路５に流入することを意味する。
【００１６】
本発明は、いかなる特別のバーナー又はいかなる他のバーナーにも限定されるものではなく、外側の保護管に囲まれた内管を有しているが、保護管の底部が開放されていてアーチ状に湾曲しており、その自由端が排出ガス通路に連結しているバーナーについても、上記のタイプのバーナーを参照して同様に等しく説明される。
【００１７】
レキュペレータ（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）は内管２のバーナーヘッドを囲んでいる部分、又は、それに代わって、該バーナーヘッドを囲む分離管を含み、該分離管の延長上に特殊な内管が設けられている。ここで、この分離管及び特殊な内管は互いの軸が一直線に並んでいる。特殊な内管は、該分離管の開放端から始まる。
【００１８】
気体状の燃料は入口６に送入され、空気は入口７に送入される。
【００１９】
二つの触媒８、９は、流れ方向に対して互いに連続して配置される。排出ガスのＣＯ濃度が十分高い状態においては、第一触媒８はＮＯ_xをＮ₂に還元するように機能し、ＮＯ_x濃度を予め定められた値まで引き下げる。更に、第一触媒８と第二触媒９との間に酸素（Ｏ₂）入口１０が設けられている。酸素が入口１０に供給されると、第二触媒がＣＯ及びＨＣをＣＯ₂及びＨ₂Ｏに酸化するように機能し、ＣＯ濃度が予め定められた値まで低下する。供給される酸素は、好ましくは空気である。
【００２０】
前記の特許明細書に従えば、ラムダ値（λ）は１未満の値に維持される。好適なラムダ値は０．９４０から０．９９５である。ここで、排出ガスは第一触媒８、次いで第二触媒を通過して流される。第一触媒の不足化学量論的な（サブストイキオメトリック（ｓｕｂｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ））ラムダ値のために、ＣＯ濃度は、ＮＯ_xをＮ₂に還元してＮＯ_x濃度を予め定められた値まで引き下げるのに十分な程度に高く維持される。ＮＯ_xの還元反応は：
【式１】
ＮＯ_x＋ＣＯ → １／２Ｎ₂＋ＣＯ₂
のように書くことができる。排出ガス中のＣＯ濃度の増加は、この反応を更に右側に進める。
【００２１】
第一触媒８から流れ出る排出ガスは、実質的にＣＯ及び炭化水素類ＨＣを含有する。
【００２２】
酸素（Ｏ₂）は、第一触媒８及び第二触媒９の間で、ＣＯ及びＨＣの両者をＣＯ₂及びＨ₂Ｏに酸化してＣＯ濃度を予め定められた値に引き下げるのに十分な量で供給される。酸素は、好ましくは入口１０を通じて空気を流入させることによって供給される。第二触媒９において起こる反応は：
【式２】
ＣＯ ＋ １／２Ｏ₂ → ＣＯ₂、 及び
【式３】
Ｈ_nＣ_m ＋ （ｍ＋ｎ／２）Ｏ₂ → ｍＣＯ₂ ＋ ｎ／２Ｈ₂Ｏ
と書くことができる。これらの反応はどちらも、十分な酸素が入口１０を通じて送入された場合、更に右側へ進めることができる。
【００２３】
このように、ＣＯはＮＯ_xを還元する燃料である。
【００２４】
触媒８及び９の一方又は両者は、触媒としてロジウム、白金及びパラジウム、或いは他のタイプの触媒を含む層で被覆された、耐熱ワイヤ織物の網目構造の形態を有してよい。
【００２５】
第一触媒８におけるそのようなリング状の網目構造は図１の１１に見られ、他方第二触媒９における円盤状の網目構造は１２に見られる。第一触媒８は、レキュペレータ１３の位置における内管２と外管３の間に位置しており、一方第二触媒９は、排出ガス通路に位置している。
【００２６】
これらの触媒の間で、バーナーに送入される燃焼空気量の約１０〜２０％に相当する量の空気が供給されることが好ましい。
【００２７】
図２は、図１に記載のバーナーの別の実施態様を図示したものである。この別の実施態様においては、内管は、示されるように二つの、軸方向に互いに連続した内管２５、２６に分割されている。内管２５、２６の長手方向の間隙は、２０〜３０ミリメートル又はそれより若干大きくてよい。この実施態様の場合、煙霧又は排出ガスの一部は、矢印２７、２８で示されるように下部内管２５の周りを再循環させられる。
【００２８】
前記したように、気体状の燃料は入口６に、そして空気は入口７に送入される。燃料が燃焼空気と十分に混合された場合、燃焼はより完全になるということが見出されている。この理由から、一つの好ましい実施態様に従えば、一定量の空気が燃料と共に燃料入口６に供給され、一方、燃焼空気の残分が入口７を通じて送入される。このことは、図１のバーナー及び図２のバーナーの両者に適用される。
【００２９】
前記したことは、又、最初に記載した特許明細書からも明らかである。
【００３０】
図３に、図１に示したものと同種のバーナーを示す。
【００３１】
本発明によれば、第二ラムダ値（λ２）は、該第二触媒下流の排気ガスにおいて測定装置２９を用いて測定される。測定装置２９は、好ましくはラムダプローブ（ｐｒｏｂｅ）である。このプローブは、協同メモリーを有するマイクロプロセッサー３０又は何らかの相当する手段へ信号を送るように設計されている。該メモリーに設定値が保存されている。
【００３２】
図３の実施態様は、又、燃料供給量に対応して酸素供給量を調節するための弁３１を含む。弁は、第二ラムダ値（λ２）がマイクロプロセッサーのメモリーに保存された予め定められた範囲に納まるように、マイクロプロセッサー３０によって制御される。更に別の弁３２が燃料導管６に設けられてもよく、該別の弁も又マイクロプロセッサー３０によって制御される。バーナーに送入された燃料混合物は、該弁の一つ又は両者によって制御されてよい。
【００３３】
第二ラムダ値は常に１より大きく、公知の技術で直ちに測定し得ることを意味している。
【００３４】
本発明は、第二触媒９下流の第二ラムダ値とＮＯ_x及びＣＯの濃度との間に、非常に良い相関が広く存在するという認識に基づいている。
【００３５】
一つの好ましい実施態様に従えば、第一ラムダ値は、０．９２〜０．９６の範囲に納められる。このことは図４から明らかである。図４は、異なる大きさの第一ラムダ値λ１に対する第二触媒９の下流のＮＯ_x及びＣＯの濃度を示す。この図からも、又、長方形で示される好ましい運転範囲（ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｎｄｏｗ）があり、その内側ではＮＯ_x及びＣＯの濃度が低いということが明らかであろう。この範囲の内側では、両濃度は５０ｐｐｍ未満である。
【００３６】
図５は、第二ラムダ値λ２に関する対応する図である。この図は、λ２に関して１．０９から１．１６の範囲に、対応する範囲を有する。
【００３７】
図３において、数字３３は導管６中の燃料に一定量の混合空気を送入するための導管を示す。導管６を通過する空気の量は、黒い煙霧が発生しないように調整される。黒い煙霧、又は黒い排ガス、は混合空気の流量が低すぎ、λ１が１未満の時に発生する。ＣＯ濃度も、又、混合空気の流量が低すぎる時高くなる。これに対して、ＮＯ_x濃度は、混合空気の流量が高すぎると全てのλ１の値において増大する。正常な状態では、混合空気の量は、導管７中の燃焼空気の約５〜１５％に相当する。
【００３８】
導管１０を経由して送入される第二空気の流量に関しては、この流量は、ＮＯ_xとの反応に続いて過剰なＣＯを酸化するのに十分な程度に高くなければならない。もしその流量が大きすぎると、第二触媒中の温度が高くなりすぎてＮＯ_xが形成される。
【００３９】
混合空気及び第二空気の流量は、最適なラムダ値において最少のＮＯ_x及びＣＯが得られるように、対象とするバーナーのタイプに適合されなければならない。この条件が満たされた場合、λ２の値によって制御を行うことが可能になる。
【００４０】
図５は、λ２についての枠で囲まれた範囲又は間隔を示す。しかしながら、この範囲は、対象とするバーナーのタイプ及びその出力によってある程度変わるということが分かっている。従って、各タイプのバーナーに対して、その範囲を決定する必要がある。その後で、その範囲内での調整は、λ２を用いて行うことができる。
【００４１】
異なるバーナーに対する範囲の例を以下の表に示す。
【００４２】
【表１】

【００４３】
もしラムダ値λ２が低すぎる場合は、燃焼空気の供給量を増すかガスの供給量を減らす必要がある。もしラムダ値が高すぎる場合は、燃焼空気の供給量を減少するかガスの供給量を増す必要がある。
【００４４】
本発明は、ガスバーナーの煙霧の清浄化に関してこれまで説明したけれども、本発明の方法は、他のタイプのバーナーからの煙霧に関して、及び、ディーゼルエンジン及びガソリンエンジンのような内燃エンジンからの排出ガスの清浄化に関しても、同様に適用できることは明らかであろう。
【００４５】
本発明が、序文で述べた諸問題を解決することも又明らかであろう。
【００４６】
このように、本発明が、本発明の概念、即ち、第二触媒下流のラムダ値に基づいて燃料−空気の混合物を調節するという考えから逸脱することなしに、バーナーのタイプやエンジンのタイプ等のような異なる条件に対して、変更し適合させることができることは理解されるであろう。
【００４７】
従って、本発明は、前記した本発明の実施態様に限定して考えるべきでなく、添付する特許請求の範囲の範囲内において、変更や改善が行われ得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、第一の実施態様に従うガスバーナーの概略断面図である。
【図２】 図２は、他の実施態様に従うバーナーの概略断面図である。
【図３】 図３は、本発明の調節システムの概略説明図である。
【図４】 図４は、送入される燃料混合物のラムダ値の関数としての、ＮＯ_x及びＣＯの濃度に関するグラフである。
【図５】 図５は、１２ＫＷの出力を有するバーナーにおける、第二触媒下流のラムダ値の関数としての、ＮＯ_x及びＣＯの濃度に関するグラフである。

Claims (5)

1. バーナーの煙霧及び内燃エンジンの排気ガスのような廃ガス中の酸化窒素類（ＮＯ_x）、炭化水素類（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を制御する方法であり、ここで、本方法は、廃ガスの触媒清浄化のために該ガスが触媒中を通過することを含み、前記バーナー又はエンジンに供給される燃料混合物の第一ラムダ値（λ１）が１未満になるようにし、廃ガスは第一触媒（８）次いで第二触媒（９）を通過し、第一触媒（８）中のガスのＣＯ濃度を十分高くして、ＮＯ_xの濃度を予め定められた値に引き下げる程度にＮＯ_xをＮ₂に還元し、十分な量の酸素（Ｏ₂）を第一触媒（８）及び第二触媒（９）の間に送入して、ＣＯ濃度を予め定められた値に引き下げる程度にＣＯ及びＨＣをＣＯ₂及びＨ₂Ｏに酸化する方法であって、該第二触媒下流の廃ガス中の第二ラムダ値（λ２）を、マイクロプロセッサー（３０）へ信号を送るように適応した、協同メモリーを有する測定装置（２９）又は何らかの相当する装置を用いて測定し；且つ、燃料又は燃料／空気混合物の導管及び（又は）燃焼空気の導管に設けられた弁（３１；３２）が、該マイクロプロセッサーによって、該第二ラムダ値（λ２）を下限値が１を超える予め定められた範囲内に納めるように制御されることを特徴とする方法。
2. 第一ラムダ値（λ１）が０．９２から０．９６の範囲に納まるようにすることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 第二ラムダ値（λ２）を調節するために、弁を用いて燃焼空気の流量を調整することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 第二ラムダ値（λ２）を調節するために、燃焼のための燃料の流量を調整することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
5. 異なる大きさの第二ラムダ値（λ２）に対して、第二触媒下流のＮＯ_x、ＨＣ及びＣＯの濃度を定量することにより、第二ラムダ値（λ２）に関する前記予め定められた範囲を確定することを特徴とする、請求項１、２、３又は４記載の方法。

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