JP5088673B2 - 燃焼装置 - Google Patents
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Description
この発明は、一酸化炭素を用いて窒素酸化物を還元する触媒を用い、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。
([NOx]+2[O 2 ])/[CO]≦2.0 …(1)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O 2 ]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、[O 2 ]>0の条件を満たす。)
([NOx]+2[O 2 ])/[CO]≦2.0 …(2)
(式(2)において、[CO]、[NOx]および[O 2 ]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、[O 2 ]>0の条件を満たす。)
この実施の形態1は、燃焼開始時、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、燃焼によりガスを生成するバーナと、前記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(以下、触媒という。)と、この触媒一次側における前記ガス中の一酸化炭素濃度が開始時第一設定値となるように、前記バーナの燃焼を開始時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、前記制御手段は、前記バーナの燃焼開始時、一酸化炭素の生成および/または排出を抑制する燃焼開始時制御を行うことを特徴とする燃焼装置である。前記燃焼開始時制御は、一酸化炭素の生成の抑制を行うものと、一酸化炭素の排出の抑制を行うものと、両者を行うものとを含む。
この実施の形態2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2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触媒と、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変更時第一設定値(第三設定値と称することができる。)となるように、前記バーナの燃焼を変更時第一設定条件(第三設定条件と称することができる。)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。
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、前記開始時第一設定条件または前記変更時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は、制御手段が、前記開始時第一設定条件または前記変更時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。
([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。)
([NOx]+2[O2])/[CO]=K≦2.0 …(3)
(式(1)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。
前記実施の形態1の制御手段は、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開始時第一設定値となるように、前記空気比を開始時第一設定空気比λ1(=1.0)に制御する前記開始時第一設定条件と、前記触媒二次側の一酸化炭素濃度を排出基準値以下とすべく、前記触媒の一次側の一酸化炭素濃度が排出基準値以下の開始時第二設定値となるように前記空気比を開始時第二設定空気比λ2(たとえば、1.25)に制御する前記開始時第二設定条件とを実行する。
前記実施の形態2の制御手段は、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変更時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変更時第一設定条件と、前記触媒一次側の一酸化炭素濃度が変更時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変更時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。
更時第一設定条件による燃焼へ移行する制御である。
この実施の形態5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5においては、前記実施の形態1〜2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5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。
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。
37には、それぞれキー溝40,41が形成されている。
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。
(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。)
[NOx]+2[O2]=[CO] …(3A)
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。
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、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1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。
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。
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。
つぎに、前記バーナ1の燃焼開始時の動作を図11および図12に基づき説明する。前記制御器8は、周知のプレパージおよび着火を行った後、短時間低燃焼を行い高燃焼へ移行する。基本的な空気比制御は、前述の通りであるが、前記制御器8は、着火終了後、図11の処理ステップS1(以下、処理ステップSNは、単にSNと称する。)において、前記第二設定空気比λ2にて前記バーナ1を燃焼(前記低燃焼と前記高燃焼を含む)させる。
る。この図14において、図11制御手順と異なるのはS4のみで、S1およびS3は図11と同様である。この実施例2における基本的な動作は、前記第二設定空気比λ2による燃焼の制御を時間で行う代わりに温度制御しているだけであり、前記実施例1と同様であるので、説明を省略する。この実施例2によれば、前記実施例1と比較して、前記触媒4の予熱を確実に行うことができるという効果を奏する。この実施例2では、前記温度センサ53を前記触媒4の出口側(二次側)に設けているが、入口側(一次側)に設けて、同様な温度制御を行うことができる。
つぎに、前記バーナ1の燃焼量変更時の動作を図15および図16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。
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。
炭素が排出されることを防止できる。
この実施例6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,141
3ppmとなった。
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
31 温度センサ
Claims (5)
- 燃焼によりガスを生成するバーナと、
前記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触媒と、
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開始時第一設定値となるように、前記バーナの燃焼を開始時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、
前記制御手段は、前記バーナの燃焼開始時、一酸化炭素の生成および/または排出を抑制する燃焼開始時制御を行い、
前記燃焼開始時制御は、前記触媒の一次側の一酸化炭素濃度が前記開始時第一設定値より低い開始時第二設定値となるように、前記バーナの燃焼を開始時第二設定条件に制御することを特徴とする燃焼装置。 - 前記開始時第二設定条件の燃焼により、前記触媒を活性化温度に上昇させる予熱を行い、一酸化炭素の排出を抑制することを特徴とする請求項1に記載の燃焼装置。
- 前記開始時第一設定条件および前記開始時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する請求項1または請求項2に記載の燃焼装置。
- 燃焼によりガスを生成するバーナと、
前記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触媒と、
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開始時第一設定値となるように、前記バーナの燃焼を開始時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、
前記制御手段は、前記バーナの燃焼開始時、一酸化炭素の生成および/または排出を抑制する燃焼開始時制御を行い、
前記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、前記触媒の一次側の前記ガスの濃度比が次式(1)を満たすように調整することを特徴とする燃焼装置。
([NOx]+2[O 2 ])/[CO]≦2.0 …(1)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O 2 ]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、[O 2 ]>0の条件を満たす。) - 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触媒と、
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変更時第一設定値となるように、前記バーナの燃焼を変更時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い、
前記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、前記触媒の一次側の前記ガスの濃度比が次式(2)を満たすように調整することを特徴とする燃焼装置。
([NOx]+2[O 2 ])/[CO]≦2.0 …(2)
(式(2)において、[CO]、[NOx]および[O 2 ]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、[O 2 ]>0の条件を満たす。)
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