JP5458818B2

JP5458818B2 - 熱機器

Info

Publication number: JP5458818B2
Application number: JP2009259501A
Authority: JP
Inventors: 明吉岡部
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: JP2011106694A

Description

この発明は、水管ボイラ，吸収式冷凍機の再生器などの熱機器に関する。

出願人は、酸化触媒を用いて、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近い値まで低減、または許容範囲に低減するとともに、安定した有害物質低減効果を得る熱機器の研究開発を行い、その成果について特許出願を行った（特許文献１参照）。

一般的に、内部に燃焼空間を形成し、この燃焼空間と連通する開口部を備えた熱機器本体と、前記開口部に臨ませて取り付けられるバーナとを備える熱機器においては、熱機器本体とバーナとの接合面間において、熱機器本体内の燃焼空間から高温の燃焼ガスが熱機器本体外へ流出することを防止するためのシール手段を備える必要がある。

このシール手段としては、特許文献２に記載のように、熱機器本体とバーナとの接合面間であって前記開口部よりも外方位置に介在させたシール部材を備え、前記接合面間であってシール部材の燃焼空間側の周面に沿って気体導入領域を形成し、気体導入領域内の圧力を、燃焼空間内の圧力よりも高く設定することが、高温の燃焼ガスが熱機器本体外へ流出することを防止するために有効である。

このシール手段は、気体導入領域の外周側は前記シール部材の内周によって区画されるが、二つの態様が提案されている。すなわち、第一の態様は、気体導入領域の内周側を前記シール部材の内周囲に何らかの構成部材を配置する等して明確に規定する構成のものであり、第二の態様は、気体導入領域の内周側を明確に規定しない構成のものである（特許文献２の段落０００７参照）。

特許第４１２３２９８号公報特開平９−２８０５４９号公報

この出願の発明者は、特許文献１に記載のような熱機器の製品化のための更なる開発を行う過程において、第二の態様によるシール手段を用いて実験を行っていたところ、つぎの新たな課題を見出すに至った。すなわち、予混合バーナの空気比を検出するためのセンサの検出信号に基づき空気比調整手段により予混合バーナを設定空気比に制御する特許文献１のような熱機器において、第二の態様によるシール手段を用いると、前記気体が予混合バーナの燃焼火炎に接触して燃焼状態が不均一となり、触媒の一次側の一酸化炭素の発生量が部分的に増加する。その結果、触媒の二次側の一酸化炭素量が増加する（この現象は、触媒の性能劣化が進行すると顕著となる。）と、空気比調整手段は、センサ信号により空気比が増加する方向へ制御され、触媒の二次側の排出ＮＯx量が増加して、所期の有害物質低減効果を発揮できないという課題である。この課題は、予想外のものであった。

この課題は、予混合バーナに接合される熱機器本体だけではなく、前記予混合バーナの周囲に配置され、前記燃焼空間内圧力よりも高圧の気体を供給することにより前記燃焼空間内のガスが前記燃焼空間外へ漏れることを防止するシール手段を備えた熱機器構成部材においても存在する。

この発明が解決しようとする課題は、予混合バーナの不均一な燃焼状態を防止し、所期
の有害物質低減効果を発揮させることができる熱機器を提供することである。

この発明は、前記課題を解決すべくなされたもので、請求項１に記載の発明は、内部に形成した燃焼空間と連通する開口部を備えた熱機器本体と、前記開口部に臨ませて取り付けられ、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、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むガスを生成させる予混合バーナと、この予混合バーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この吸熱手段を通過後の前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記予混合バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき前記予混合バーナを設定空気比に調整して、一酸化炭素および窒素酸化物の排出量を低減するように制御する空気比調整手段とを備えるとともに、前記予混合バーナと接合されるか、または前記予混合バーナの周囲に配置され、前記燃焼空間内圧力よりも高圧の気体を供給することにより前記燃焼空間内のガスが前記燃焼空間外へ漏れることを防止するシール手段を備え、前記シール手段は、前記熱機器本体と前記予混合バーナとの接合面間であって前記開口部よりも外方位置に介在させた第一シール部材と、前記接合面間であって前記第一シール部材の前記燃焼空間側の周面に沿って形成され前記燃焼空間内の圧力よりも高い気体が導入される気体導入領域と、前記気体導入領域の内周側を区画する第二シール部材と、前記第二シール部材の内周側に、該第二シール部材の前記燃焼空間側を覆うように配置される断熱部材と、を備え、前記断熱部材は、前記燃焼空間のガスの輻射熱が前記第二シール部材に到達しないように遮熱することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、前記不均一燃焼防止手段により、前記気体により前記バーナの燃焼状態の不均一が生ずることが無くなり、予混合バーナの燃焼状態が不均一となることによる一酸化炭素の発生量の増加を防止でき、所期の安定した有害物質低減効果を実現できる。

この発明によれば、前記熱機器本体と前記予混合バーナとの接合部に設けたシール手段から前記燃焼空間へ前記気体が漏れることが防止されるので、前記気体が漏れることにより前記予混合バーナの燃焼状態が不均一となることが防止されて、一酸化炭素の発生量の増加を防止でき、所期の安定した有害物質低減効果を実現できるという効果を奏する。

この発明によれば、前記第一シール部材，前記気体導入領域の気体および前記第二シール部材により、前記燃焼空間から高温のガスが流出することを確実に防止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、前記断熱部材により前記第二シール部材の劣化を抑えることができ、長期に亘り前記気体導入領域から気体が前記燃焼空間内へ漏れることを防止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、予混合バーナの燃焼状態が不均一となることによる一酸化炭素の発生量の増加を防止でき、所期の有害物質低減効果を発揮させることができる。

本発明の熱機器の実施例１を示す正面図である。図１の一点鎖線ＩＩ部分の拡大断面による説明図である。図２の一点鎖線ＩＩＩ部分の拡大断面による説明図である。ウインドボックス底板を燃焼空間側から見た要部拡大の説明図である。同実施例１の空気比−ＮＯx・ＣＯ特性を説明する図である。同実施例１のセンサの出力特性を説明する図である。

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、予混合から酸化触媒（酸化・還元触媒と称することができる。以下。単に「触媒」と称することができる。）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。

「触媒の一次側」とは、触媒に対し予混合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。

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。

さらに、空気比ｍは、ｍ＝２１／（２１−[Ｏ_２]）と定義する。ただし、 [Ｏ_２]は、触媒二次側の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[Ｏ_２]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。

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熱機器（燃焼装置または燃焼機器と称しても良い。）に適用される。

この発明の実施の形態の熱機器は、内部に燃焼空間を形成し、前記燃焼空間と連通する開口部を備えた熱機器本体と、前記開口部に臨ませて取り付けられ、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、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むガスを生成させる予混合バーナと、この予混合バーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この吸熱手段を通過後の前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記予混合バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき前記予混合バーナを設定空気比に制御する空気比
調整手段とを備え、この空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整して、一酸化炭素および窒素酸化物の排出量を低減するように構成される。

この熱機器は、特許文献１や特開２００８−５７９５４号公報に示されるものと同様であり、前記酸化触媒一次側のガス中の濃度の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を、前記予混合バーナの空気比調整手段を用いて所定濃度比に調整することにより、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近い値まで低減、または許容範囲に低減するとともに、安定した有害物質低減効果を得るように構成されている。

さらに、この実施の形態は、前記予混合バーナと接合されるか、または前記予混合バーナの周囲に配置され、前記燃焼空間内圧力よりも高圧の気体を供給することにより前記燃焼空間内のガスが前記燃焼空間外へ漏れることを防止するシール手段を備えた熱機器構成部材を備える。そして、前記シール手段は、前記気体により前記バーナの燃焼状態の不均一が生じることを防止する不均一燃焼防止手段を備える。

前記熱機器構成部材は、好ましくは、前記熱機器本体とされる。この場合、前記シール手段は、前記熱機器本体と前記予混合バーナとの接合面間に前記燃焼空間内圧力よりも高圧の気体を供給して前記接合面間をシールするものである。そして、不均一燃焼防止手段は、前記気体が前記燃焼空間内へ漏れないように構成されるものである。

前記シール手段へ供給される気体が前記燃焼空間内へ漏れると、前記予混合バーナの燃焼反応中のガス（燃焼火炎と称することができる。）に漏れた気体が接触し、部分的に燃焼火炎温度が低下するとともに、空気比が変化して、燃焼状態が不均一となる。その結果、想定外の多量の一酸化炭素が生成され、前記濃度比が変化する。前記触媒の二次側から排出される一酸化炭素の量が増加する。前記触媒二次側の一酸化炭素濃度が高くなると、前記センサがこれを検出して、前記空気比調整手段は、前記バーナの空気比が大きくなるように制御する。すると、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度が増加し、所期の有害物質低減効果を実現できなくなる。この現象は、前記触媒の劣化が進行すると顕著になる。

これに対して、この実施の形態によれば、前記不均一燃焼防止手段の機能により、前記シール手段へ供給される気体が前記燃焼空間内へ漏れないので、燃焼状態の不均一化による一酸化炭素量の生成が防止されるので、係る不都合を防止できる。前記気体は、好ましくは、前記予混合バーナへ供給される燃焼用空気とするが、空気以外の気体とすることができる。

前記シール手段は、好ましくは、熱機器本体と予混合との接合面間であって前記開口部よりも外方位置に介在させた第一シール部材と、前記接合面間であって前記第一シール部材の前記燃焼空間側の周面に沿って形成され燃焼空間内の圧力よりも高い気体が導入される気体導入領域（気体導入室と称することができる。）と、前記気体導入領域の内周側を区画する第二シール部材とを含んで構成される。また、前記不均一燃焼防止手段は、前記気体導入領域へ供給される気体が前記燃焼空間内へ漏れることを防止する前記第二シール部材である。

前記シール手段は、さらに好ましくは、前記第二シール部材の内周側に遮熱用の断熱材を配置する。

前記第一シール部材および第二シール部材は、好ましくは、耐熱性の高いグランドパッキンにて構成されるが、これに限定されるものではない。

また、前記断熱材は、前記燃焼空間内の高温のガスの輻射熱から前記第二シール部材を
遮断する機能を有するものであればよく、通気性の部材，たとえば結晶質アルミナファイバーにて構成される。

ここで、この実施の形態の構成要素を説明する。前記予混合バーナは、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。しかしながら、予混合バーナ以外の部分予混合バーナとすることができる。

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、通気性を有する基材に触媒活性物質を担持した構成とし、構造は特定のものに限定されない。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。

また、前記触媒は、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。

前記熱機器構成部材は、前記熱機器本体に限定されるものではなく、前記バーナの周囲に前記燃焼空間内へ先端が突出するように設けられるパイロットバーナとすることができる。この場合、従来のパイロットバーナのシール手段は、通常前記バーナ（メインバーナ）の点火が終了すると、パイロットバーナの燃焼を停止し、前記パイロットバーナ内へ燃焼用空気を供給することにより、前記燃焼空間内の高温ガスが前記燃焼空間外へ流出することを防止するものである。このシール手段において、前記不均一燃焼防止手段は、点火が終了してもパイロットバーナを燃焼させ続けることにより、前記気体により前記バーナの燃焼状態の不均一が生じないように構成される。

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、前記予混合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と、前記予混合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、前記予混合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。

前記センサは、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＝１．０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。

前記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。

前記空気比調整手段は、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、フィードバック制御により、つぎの制御を行うように構成される。すなわち、前記空気比調整手段は、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、前記バーナの空気比を変化させて燃焼させることにより生成したガスの、前記吸熱手段の全部または一部を通過後に一酸化炭素濃度および窒素酸化物濃度が変化する特性に基づき、調整０，調整１，調整２のいずれかに調整するように構成される。

前記調整０は、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に調整するものである。前記調整１は、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に調整するものである。前記調整２は、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に調整するものである。

そして、前記基準所定濃度比Ｋ０を判定する式を、次式（２）を満たす次式（１）とし、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より大きくする設定空気比に制御する。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ_２］）／［ＣＯ］＝Ｋ・・（１）
１．０≦Ｋ＝Ｋ０≦２．０・・・・・・・・・・（２）
（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。）

ついで、この発明の熱機器を蒸気ボイラに適用した実施例を図面に従い説明する。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の一点鎖線II部分の拡大断面による説明図であり、図３は、図２の要部IIIの拡大断面による説明図であり、図４は、ウインドボックス底板を燃焼空間側から見た要部拡大の説明図であり、図５は、同実施例１の空気比−ＮＯx・ＣＯ特性を説明する図であり、図６は、同実施例１のセンサの出力特性を説明する図である。

前記蒸気ボイラ１は、特許文献１などで公知のボイラであって、予混合バーナ２と、この予混合バーナ２から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３を含む缶体（熱機器本体に相当）４と、前記伝熱管群３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酸化触媒５とを主要部として備えている。

また、前記蒸気ボイラ１は、前記予混合バーナ２へガス燃料を供給する燃料供給手段６と、前記予混合バーナ２へ燃焼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７と、前記触媒５の下流において酸素濃度を検出するセンサ８と、このセンサ８などの信号を入力して前記燃料供給手段６および前記燃焼空気供給手段７などを制御するボイラ制御器としての制御器９とを主要部として備えている。前記予混合バーナ２は、平面状の燃焼面（予混合気の噴出面）を有する完全予混合式バーナである。

前記缶体４は、上部管寄せ１０Ａおよび下部管寄せ１０Ｂを備え、この両管寄せ間に前記伝熱管群３を構成する複数の水管１１，１１，・・・を配置している。そして、前記缶体４の長手方向の両側部に一対の水管壁１２，１２を設け、この両水管壁１２，１２と前記上部管寄せ１０Ａおよび前記下部管寄せ１０Ｂとの間に、伝熱管群３に前記予混合バーナ２からの高温ガス（燃焼火炎、燃焼ガスを含む。）が接触する燃焼空間１３を形成している。前記燃焼空間１３の一端には前記予混合バーナ２が設けられ、他端の排ガス出口１４には排ガスが流通する煙道１５が接続されている。この煙道１５には、前記触媒５が設置されている。

前記煙道１５は、図１に示すように、第一水平部分１５Ａ―第一垂直上昇部分１５Ｂ−垂直下降部分１５Ｃ−第二水平部分１５Ｄ−第二垂直上昇部分１５Ｅから構成している。前記第一垂直上昇部分１５Ｂの通路断面積は、前記排ガス出口１４の通路断面積より広くして、前記触媒５のガスが流通する断面積を広くとれるようにしている。

図２および図３を参照して、前記缶体４は、前記予混合バーナ２を取り付けるための固定部材１６を有しており、この固定部材１６には、前記予混合バーナ２によって前記燃焼空間１３内に高温ガスを形成させるための第一開口部１７を形成している。

図１を参照して、前記予混合バーナ２は、予混合気供給流路１８の下流側にバーナエレメント１９を備え、このバーナエレメント１９に形成した多数の予混合気噴出孔（図示省略）から予混合気を噴出させて燃焼させるものである。この予混合気供給流路１８は、筒形状のウインドボックス２０によって画成されている。

再び、図２を参照して、前記ウインドボックス２０の一側壁の底板２１の下流側には、バーナエレメント取付用の第二開口部２２を形成しており、この第二開口部２２にバーナエレメント１９を取り付けている。

前記バーナエレメント１９は、支持枠２３を介して前記第二開口部２２に取り付けている。すなわち、前記支持枠２３は、前記バーナエレメント１９を保持する枠状部分２３Ａと、前記ウインドボックス２０に前記バーナエレメント１９を固定するためのフランジ状部分２３Ｂとを備えている。符号２４は、前記予混合気供給流路１８内の予混合気が前記バーナエレメント１９を通過することなく前記燃焼空間１３内へバイパスして流れることを防止する環状のシール部材である。

前記缶体４の固定部材１６と前記予混合バーナ２の底板２１との接合面間に前記燃焼空間１３圧力よりも高圧の気体を供給して前記接合面間をシールし、前記気体が前記燃焼空間１３内へ漏れないように構成されるシール手段２６を備えている。

図３を参照して、前記シール手段２６は、前記缶体４と前記予混合バーナ２との接合面間をシールし前記第一開口部１７よりも外方位置に介在させた第一シール部材２７と、前記接合面間であって前記第一シール部材２７の前記燃焼空間１３側の周面に沿って形成され前記燃焼空間１３内の圧力よりも高い圧力の空気が導入される空気導入領域２８と、前記空気導入領域２８の内周側を区画し、前記接合面間をシールする第二シール部材２９と、前記第二シール部材２９の内周側に前記燃焼空間１３のガスの輻射熱が前記第二シール部材２９に到達しないように遮熱する断熱部材３０とから構成している。

前記第一シール部材２７，前記空気導入領域２８，前記第二シール部材２９および前記断熱部材３０は、前記接合面間において前記第一開口部１７および前記第二開口部２２を取り囲むように環状に形成されている。前記第一シール部材２７および前記第二シール部材２９は、弾力性を有する通気性を有しないグランドパッキンにて構成され、前記断熱部材３０は、前記第一シール部材２７および前記第二シール部材２９よりも柔らかく、通気性を有する結晶質アルミナファイバーにて構成されている。

図４を参照して、前記第一シール部材２７および前記第二シール部材２９は、前記底板２１に形成した第一溝部３１および第二溝部３２にそれぞれ嵌め込まれる。前記第一溝部３１は、前記底板２１と、前記底板２１に固定した第一溝形成部材３３と、この第一溝形成部材３３に対して前記第一シール部材２７の幅と等しいか若干狭い幅の間隔を存して固定される第二溝形成部材３４とで構成される。また、前記第二溝部３２は、前記底板２１と、前記第二溝形成部材３４と、この第二溝形成部材３４に対して前記第二シール部材２９の幅と等しいか若干狭い幅の間隔を存して固定される第三溝形成部材３５とで構成される。

前記第一溝形成部材３３，前記第二溝形成部材３４および第三溝構成部材３５は、鉄等
の金属にて構成され、溶接により金属製の前記底板２１に固定され、シール性を高めるために、好ましくは連続的に構成する。しかしながら、製作を容易にするために複数の部材に分割して、不連続に形成できる。

特に、前記第二溝形成部材３４は、図４に示すように、多数の部材に分割して不連続的に構成され、前記第一溝部３１および前記第二溝部３２に面しない溶接箇所３６，３６において溶接される。これは、前記第一溝部３１および前記第二溝部３２に面した箇所で溶接すると、前記第一シール部材２７および前記第二シール部材２９を前記第一溝部３１および前記第二溝部３２に嵌め込む際に、所定の位置に入らないなどの支障を来たす場合があるからである。前記第一溝形成部材３３および前記第三溝構成部材３５は、前記第一溝部３１および前記第二溝部３２に面しない箇所で溶接している。

前記予混合バーナ２は、つぎのようにして前記缶体４に取り付けられる。図２および図３を参照して、前記缶体４の固定部材１６に所定個数のボルト３７を取り付け、これら各ボルト３７のそれぞれに、第一押え具３８挿入し、これらの押え具３８を前記予混合バーナ２の底板２１の周辺に当接させた状態で前記各ボルト３７のそれぞれにナット３８をねじ込むことによって行っている。このナット３８のねじ込みにより、前記第一シール部材２７および前記第二シール部材２９は、前記固定部材１６および前記底板で挟まれて圧縮された状態となり、前記固定部材１６および前記底板２１との接触によるシール性を確保している。

符号４０は、前記断熱部材３０が脱落しないように固定する環状の第二押え具である。前記断熱部材３０は、前記予混合バーナ２を取り付ける前に予め前記底板２１に接着により固定され、前記予混合バーナ２を取り付けると、前記底板２１と前記第二押え具４０とで挟持されるように構成されている。

前記ウインドボックス２０の側方には、前記底板２１と、前記ウインドボックス２０の側板４１と、これらに固定される断面Ｌ字状の流路形成板４２とで、空気導入流路４３を形成している。この空気導入流路４３は、前記燃料供給手段６の上流側において、前記ウインドボックス２０の後記給気通路４９（図１参照）と連通され、前記燃焼空気供給手段７により、前記ウインドボックス２０経由で空気が導入される。

前記底板２１と前記第二溝部形成部材３４には、互いに連通する第一空気供給孔４４および第二空気供給孔４５をそれぞれ形成している。これら第一空気供給孔４４および第二空気供給孔４５を通して、前記空気導入流路４３と前記空気導入領域２８とを連通させている。前記空気導入領域２８内の空気の圧力は、前記バーナエレメント１９などの圧損により前記燃焼空間１９内の圧力より高圧となっている。

ここで、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近い値まで低減、または許容範囲に低減するとともに、安定した有害物質低減効果を得るための蒸気ボイラ１の構成について説明する。

図１を参照して、前記バーナ２，前伝熱管群３を含む前記バーナ２から前記触媒５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５の一次側のガスにおける濃度比Ｋを所定濃度比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５０により設定空気比に調整したとき、図５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５０を制御して、空気比を変化して燃焼させた時に得られる前記触媒５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５は、前記一次特性を有する前記ガスを前記触媒５に接触させることにより得られる前記触
媒５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２から前記触媒５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５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。

前記バーナ２および前記水管群３の濃度比特性に基づき、前記空気比調整手段５０を用いて、下記調整０〜調整２のいずれかに調整することができる。
調整０：前記濃度比Ｋを前記触媒５二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５二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５二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５は、前記調整０を行うと、それぞれ前記触媒５二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５二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５二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。

ここで濃度比Ｋとは、前記触媒５一次側の一酸化炭素濃度、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より大きくするように設定される。

（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ_２］）／［ＣＯ］＝Ｋ・・・（１）
１．０≦Ｋ＝Ｋ０≦２．０・・・・・・・・・・（２）
（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。）

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５二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酸化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［Ｏ_２］）／［ＣＯ］＝Ｋ≦２．０・・・（３）

図５において、第一ライン（特性線）Ｅは、前記触媒５一次側の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５二次側の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より小さくなるに従い、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５二次側のＮＯx濃度を示し、空気比１．０以の所定の領域で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５の一次側の濃度と等しくなる特性を有している。

前記触媒５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。そして、前記ガスと前記触
媒５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５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。

図１を参照して、前記燃料供給手段６は、ガス燃料供給管４６と、このガス燃料供給管４６に設けた燃料流量を調整する流量調整弁４７とを含んで構成されている。前記流量調整弁４７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７は、送風機４８と、この送風機４８から前記予混合バーナ２へ燃焼空気を供給する給気通路４９と、この給気通路４９を流れる燃焼空気量を調整することで前記予混合バーナ２の空気比を調整する空気比調整手段５０を含んで構成されている。前記給気通路４９内へは、前記ガス燃料供給管４６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５０は、前記給気通路４９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５１と、このダンパ５１の開度位置を調整するためのダンパ位置調整装置３０と、この位置調整装置５２の作動を制御する前記制御器９とを含んで構成されている。前記空気比調整手段５０は、前記送風機４８の回転数をインバータにより制御するものとすることができる。

前記制御器９は、予め記憶した空気比制御プログラムにより、前記調整０を行う場合、前記センサ８の検出信号に基づき、前記予混合バーナ２の空気比が設定空気比となるように、かつこの設定空気比において前記触媒５の一次側の前記ガスの濃度比Ｋが式（２）を満たすように、前記ダンパ５１を制御する。前記調整１，２については、説明を省略する。

前記センサ８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８の出力特性は、図６に示すように、出力Ｅ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。図６において、Ｑ１は、酸素濃度検出帯を示し、Ｑ２は、一酸化炭素濃度検出帯を示している。

前記空気比制御プログラムは、前記調整０を行う場合、具体的には、前記センサ８の出力信号に基づき、前記バーナ２の空気比ｍが基準設定空気比ｍ０になるように制御するものである。

つぎに、以上の構成の前記蒸気ボイラ１の動作を説明する。今、基準設定空気比ｍ０を１．０としている。まず、図１を参照して、蒸気ボイラ１の概略的動作について、前記送風機４８から供給される燃焼空気（外気）は、前記ガス燃料供給管４６から供給される燃料ガスと前記給気通路４９内において予混合される。この予混合気は前記バーナエレメント１９から前記缶体４内の前記燃焼空間１３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。

この燃焼に伴い生ずるガスは、上流側の水管群３と交叉して流れる際に冷却された後、下流側の水管群３と熱交換して吸熱されて約１５０〜３５０℃のガスとなる。このガスの濃度比Ｋは、前記空気比調整手段５０により、基準設定空気比ｍ０となるように制御される。その結果、前記触媒５の一次側において、図５のｍ０＝１．０における炭化水素を含
まず、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含んだ濃度比Ｋ０のガスが生成され、前記触媒５を通過する。この通過の際に、前記ガスが前記触媒５にて、処理され、窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度がほぼ零とされた後、排ガスとして前記煙道１５から大気中へ排出される。

図２、３を参照して、この蒸気ボイラ１の運転時，すなわち前記予混合バーナ２の動作時には、前記ウインドボックス２０内の高圧の空気が前記空気導入流路４３を経て前記空気導入領域２８に導入されている。その結果、前記底板２１と前記固定部材１６との接合面間は、前記第一シール部材２７，前記空気導入領域２８の空気および前記第二シール部材２９によって三重にシールされている。

その結果、前記燃焼空間１３内の高温のガスが前記接合面間を通して前記缶体４外へ流出して、火災の原因や作業者の火傷の原因になる虞を低減できる。

また、前記第二シール部材２９のシール作用により、前記空気導入領域２８内の空気が前記燃焼空間１３内へ漏れ出ることが防止される。前記空気導入領域２８から前記燃焼空間１３へ空気が漏れ出すと、この空気により前記予混合バーナ２から噴出される燃焼反応中の高温のガス火炎と接触し、局部的な冷却と空気比の変化によりＣＯが生成されることになる。

このＣＯの生成について、第二シール部材２９によるシール作用がない場合、シール作用がある場合について行った実験結果について説明する。

前記第二シール部材２９によるシール作用がない場合の低燃焼時および高燃焼時の前記触媒５一次側のＣＯ量をそれぞれＰＬ１，ＰＨ１、前記第二シール部材２９によるシール作用がある場合の低燃焼時および高燃焼時の前記触媒５一次側のＣＯ量をそれぞれＰＬ２，ＰＨ２とすると、ＰＬ１，ＰＨ１，ＰＬ２，ＰＨ２の値は、つぎの通りであった。
ＰＬ１＝約2200（ppm）、ＰＨ１＝約3700（ppm）
ＰＬ２＝約1200（ppm）、ＰＨ２＝約1700（ppm）

この実験の条件は、つぎの通りである。実験した蒸気ボイラ１は、ＳＱ−８００（三浦工業株式会社製）に相当するボイラで、蒸発量800kg/h，バーナは、全一次空気式バーナである。また、低燃焼時、高燃焼時の空気比，燃焼量，炉内圧力は、それぞれほぼ1.0，45.6m³ _N/h，88mmAqであり、高燃焼時の空気比，燃焼量，炉内圧力は、それぞれほぼ1.0，22.8m³ _N/h，22mmAqであった。さらに、センサ８は、ジルコニア式空燃比センサを用いた。また、前記触媒５の上流側のＣＯ量の測定位置Ｓは、図１に示す前記前記触媒の上流側から見て触媒を４分割した一区画の中央部とした。

この実験結果によれば、前記シール作用がない場合、前記予混合バーナ２の高燃焼時および低燃焼時、それぞれ前記触媒５一次側におけるＣＯ量が、低燃焼時：約1.8倍、高燃焼時：約2.2倍と大幅に増加している。このＣＯの増加は、前記触媒５の一次側における前記濃度比Ｋの不均一性を表す指標となると考えられている。

濃度比Ｋが不均一な状態で前記触媒５を通過すると、一酸化炭素が前記触媒５の二次側に漏れる。そうすると、前記センサ８によりＣＯが検出され、前記空気比調整手段５０が空気比が１．０より高くなるように制御される。空気比が１．０より高くなるように制御されると、図５の第四ラインＵから明らかなように、前記触媒５の二次側のＮＯx量が増加することになる。これは、所期の有害物質低減効果が得られないことを意味する。

これに対して、この実施例１では前記空気導入領域２８から前記燃焼空間１３内への空
気の漏れを防止しているので、空気が漏れ出すことによるＣＯの発生が防止され、前記触媒５の二次側から排出されるＣＯ量を低減でき、所期の有害物質低減効果を得ることができる。

また、前記断熱部材３０により前記燃焼空間１３内の高温ガスからの輻射熱が前記第二シール部材２９へ到達するのを遮断するので、前記第二シール部材２９の劣化を抑えることができる。その結果、長期に亘り前記空気導入領域２８から気体が前記燃焼空間１３内へ漏れることを防止することができる。

１蒸気ボイラ（熱機器）
２予混合バーナ
４缶体（熱機器本体）
５酸化触媒
８センサ
１７第一開口部（開口部）
２６シール手段
２７第一シール部材
２８空気導入領域（気体導入領域）
２９第二シール部材（不均一燃焼防止手段）
３０断熱部材
５０空気比調整手段

Claims

内部に形成した燃焼空間と連通する開口部を備えた熱機器本体と、
前記開口部に臨ませて取り付けられ、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、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むガスを生成させる予混合バーナと、
この予混合バーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、
この吸熱手段を通過後の前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、
前記予混合バーナの空気比を検出するためのセンサと、
このセンサの検出信号に基づき前記予混合バーナを設定空気比に調整して、一酸化炭素および窒素酸化物の排出量を低減するように制御する空気比調整手段とを備えるとともに、
前記予混合バーナと接合されるか、または前記予混合バーナの周囲に配置され、前記燃焼空間内圧力よりも高圧の気体を供給することにより前記燃焼空間内のガスが前記燃焼空間外へ漏れることを防止するシール手段を備え、
前記シール手段は、
前記熱機器本体と前記予混合バーナとの接合面間であって前記開口部よりも外方位置に介在させた第一シール部材と、
前記接合面間であって前記第一シール部材の前記燃焼空間側の周面に沿って形成され前記燃焼空間内の圧力よりも高い気体が導入される気体導入領域と、
前記気体導入領域の内周側を区画する第二シール部材と、
前記第二シール部材の内周側に、該第二シール部材の前記燃焼空間側を覆うように配置される断熱部材と、を備え、
前記断熱部材は、前記燃焼空間のガスの輻射熱が前記第二シール部材に到達しないように遮熱することを特徴とする熱機器。