(57)【要約】【課題】  低Ｏ２領域における一酸化炭素濃度を制御して安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能な燃焼装置を提供することを課題とする。【解決手段】  本発明は、連続燃焼によりガスを生成するバーナ１０と、前記ガスから吸熱する吸熱手段とを備えた燃焼装置１であって、前記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化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部５０と、前記触媒部５０の下流側にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出手段６０と、前記検出手段６０からの検出信号に基づき、前記バーナ１０における空気比を制御する空気比制御手段と、予混合バーナである前記バーナ１０の上流側に設けられた一酸化炭素制御手段８０とを有することを特徴としている。【選択図】  図１
2008032365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナを連続燃焼させてガスを生成するガス生成工程と、前記ガスから吸熱する吸熱工程とを備えた燃焼方法であって、
前記吸熱工程後、前記一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部に対して、前記ガスを接触させる触媒部接触工程と、
前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出工程と、
前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御工程と、
前記ガス中の一酸化炭素濃度を制御する、一酸化炭素制御工程とを含む
ことを特徴とする燃焼方法。
【請求項２】
前記一酸化炭素制御工程にて、前記ガス中における前記一酸化炭素濃度を高める
請求項１に記載の燃焼方法。
【請求項３】
前記空気比制御工程にて、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく制御されている
請求項１または２に記載の燃焼方法。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦２．０
（上記数式において、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たす。）
【請求項４】
連続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を備えた燃焼装置であって、
前記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化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部と、
前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御手段と、
予混合バーナである前記バーナの上流側に設けられた一酸化炭素制御手段とを有する
ことを特徴とする燃焼装置。
【請求項５】
前記検出手段が前記触媒部の下流側に設けられている
請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記空気比制御手段が、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナに供給される空気量および燃料量の少なくとも一方を制御すべく構成されている
請求項４または５に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記検出手段が、前記ガスの酸素濃度を検出すべく構成されている
請求項４から６のいずれか１項に記載の燃焼装置。
【請求項８】
前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、前記空気比制御手段にて制御されている請求項４から７のいずれか１項に記載の燃焼装置。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦２．０
（上記数式において、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たす。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水管ボイラや吸収式冷凍機の再生器等に適用される燃焼方法および燃焼装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＮＯｘ発生の抑制原理として、火炎（燃焼ガス）温度の制御、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化技術が提案されている。例えば、二段燃焼法、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等が提案され実用化されている。
【０００３】
ところで、水管ボイラ等の比較的容量の小さいＮＯｘ発生源に対しても、環境への関心が高まり、一層の低ＮＯｘ化が求められている。しかしながら、通常、ＮＯｘの生成を低減するとＣＯの排出量が増加する場合が多いため、ＮＯｘとＣＯとを同時に削減することが難しい。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
また、出願人は、他の方法として、ＮＯｘ発生の抑制を排出ＣＯ値の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。
【０００７】
ところで、特許文献２記載の低ＮＯｘ化技術は、空気比が高い燃焼領域（いわゆる高空気比燃焼領域、例えば、空気比が１．３８以上の高空気比燃焼領域）における技術であるが、これに対して、空気比が低い燃焼領域（例えば、限りなく零に近い低Ｏ２の予混合燃焼領域）については、一酸化炭素の発生量が大幅に上回り実用化が困難であること、および空気比が１以下となるとバックファイアを起こす等安定した燃焼制御が困難なために、これまで殆ど研究開発の対象とされていなかった。
【０００８】
また、近年は、環境問題（低ＮＯｘ化、低ＣＯ化等）に加えて、省エネルギ化も叫ばれており、低空気比燃焼が実現できれば、省エネルギ化に大きく寄与するところであるが、上記理由（ＣＯの発生量の増大、不安定な燃焼状態）により、実用化は困難であった。
【０００９】
このような状況において、本件出願にかかる発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、これまで実現不可能とされていた低空気比燃焼を実現することによって、窒素酸化物および一酸化炭素を限りなく零に近く低減して極超低ＮＯｘ化を実現可能な、新規で有用な発明を創出するに至った。
【００１０】
【特許文献１】特許第３２２１５８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１２５３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
さて、上述した低空気比燃焼にて極超低ＮＯｘ化およびＣＯの低減を図るためには、ガス中に、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、および酸素（Ｏ２）が、一定の割合で存在する必要がある。特に、低Ｏ２領域では、Ｏ２濃度のわずかな揺らぎにより一酸化炭素（ＣＯ）濃度の変化が大きい。
【００１２】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、低Ｏ２領域における一酸化炭素濃度の変化を小さくし、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能な燃焼方法および燃焼装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、バーナを連続燃焼させてガスを生成するガス生成工程と、前記ガスから吸熱する吸熱工程とを備えた燃焼方法であって、前記吸熱工程後、前記一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部に対して、前記ガスを接触させる触媒部接触工程と、前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出工程と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御工程と、前記ガス中の一酸化炭素濃度を制御する、一酸化炭素制御工程とを含むことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明にかかる燃焼方法においては、前記一酸化炭素制御工程にて、前記ガス中における前記一酸化炭素濃度を高める構成とすることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明にかかる燃焼方法においては、前記空気比制御工程にて、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく制御されていることが好ましい。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦２．０
ここで、上記数式において、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たすものとする。
【００１６】
また、本発明にかかる燃焼方法においては、前記空気比制御工程にて、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく制御されていることがより好ましい。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦１．５
ここで、上記数式においては、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たすものとする。
【００１７】
さらに、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、連続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を備えた燃焼装置であって、前記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化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部と、前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御手段と、予混合バーナである前記バーナの上流側に設けられた一酸化炭素制御手段とを有することを特徴としている。ここで、前記吸熱手段は、前記触媒部へ流入するガス温度を前記触媒部の活性化温度近くに制御する機能をも有する。すなわち、ガス温度を、後述する酸化反応および還元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。
【００１８】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記検出手段が前記触媒部の下流側に設けられている構成が好ましい。
【００１９】
さらに、本発明にかかる燃焼装置においては、前記空気比制御手段が、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナに供給される空気量および燃料量の少なくとも一方を制御すべく構成されていることが好ましい。
【００２０】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記空気比制御手段が、ステッピングモータにて駆動するダンパを用いて、前記バーナに供給される空気量を制御すべく構成されていることが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明にかかる燃焼装置においては、前記空気比制御手段が、送風機の回転数を制御するインバータを用いて、前記バーナに供給される空気量を制御すべく構成されていることが好ましい。
【００２２】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記空気比制御手段が、燃料供給部に設けられた燃料制御手段を用いて、前記バーナに供給される燃料量を制御すべく構成されていることが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明にかかる燃焼装置においては、前記検出手段が、前記ガスの酸素濃度を検出すべく構成されていることが好ましい。
【００２４】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、前記空気比制御手段にて制御されていることが好ましい。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦２．０
ここで、上記数式においては、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たすものとする。
【００２５】
また、本発明にかかる燃焼装置においては、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、前記空気比制御手段にて制御されていることがより好ましい。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦１．５
ここで、上記数式においては、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たすものとする。
【００２６】
さらに、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、連続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を備えた燃焼装置であって、前記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化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部と、前記触媒部の下流にて前記ガスの酸素濃度を直接的または間接的に検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御手段と、予混合バーナである前記バーナの上流側に設けられた一酸化炭素制御手段とを有し、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、前記空気比制御手段にて制御されていることを特徴としている。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦２．０
ここで、上記数式においては、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たすものとする。
【００２７】
また、上述した燃焼装置を構成する前記触媒部は、通気性を有する基材と、前記基材表面に担持された触媒（触媒層）とを用いて構成されている。前記基材は、耐熱性材料（例えば、アルミナ等のセラミック材料、ステンレス等の金属材料等）を用いて構成されており、通気面積を確保すべく、ハニカム構造等の構成を有している。さらに、触媒（酸化触媒）としては白金が用いられるが、必要に応じて、白金に代表される貴金属（Ａｇ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ）のいずれか、あるいはこれらの酸化物が用いられてもよい。また、触媒としては、これらの貴金属の二種以上のものを併用してもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、低Ｏ２領域における一酸化炭素濃度を制御して安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能な燃焼方法および燃焼装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００３０】
まずは、本発明の実施形態を説明する前に、本明細書において使用する用語について説明する。「ガス」とは、バーナから触媒部を通過し終わるまでのガスをいい、触媒部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、触媒部がガスの流れに沿って多段に設けられている場合、「ガス」とは、最終段の触媒部を通過し終わるまでのガスをいい、「排ガス」とは、最終段の触媒部を通過した後のガスをいう。
【００３１】
また、「触媒部の一次側」とは、触媒部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、ガスがこの触媒部を通過する直前をいい、「触媒部の二次側」とは、触媒部の一次側の反対側をいう。
【００３２】
また、「ＨＣを含まない」とは、ガス中に窒素酸化物を還元するＨＣ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。
【００３３】
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。
【００３４】
本実施形態の第一態様にかかる燃焼方法は、バーナを連続燃焼させてガスを生成するガス生成工程と、前記ガスから吸熱する吸熱工程とを備えた燃焼方法であって、前記吸熱工程後、前記一酸化炭素を酸化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部に対して、前記ガスを接触させる触媒部接触工程と、前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出工程と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御工程と、前記ガス中の一酸化炭素濃度を制御する、一酸化炭素制御工程とを含むことを特徴としている。
【００３５】
このように構成された燃焼方法によれば、触媒部を経由したガスの性状を検出手段によって検出し、その検出信号に基づいて空気比制御手段を駆動させ、バーナにて安定した低空気比燃焼を実現している。つまり、本実施形態にかかる燃焼方法は、検出手段と空気比制御手段とを用いてフィードバック制御を行うことによって、バックファイア等を起こすことなく、安定した低空気比にてバーナを連続燃焼させている。このような構成によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化を実現可能な燃焼方法を得ることができる。加えて、この燃焼方法によれば、一酸化炭素制御工程にて、ガス中に含まれている一酸化炭素濃度の制御を行っている。つまり、この燃焼方法によれば、低Ｏ２領域における一酸化炭素濃度を制御することができる。したがって、このような構成によれば、低Ｏ２領域における一酸化炭素濃度を制御して安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能な燃焼方法を得ることができる。
【００３６】
また、本実施形態の第二態様にかかる燃焼方法は、第一態様において、前記一酸化炭素制御工程にて、前記ガス中における前記一酸化炭素濃度を高めるべく構成されている。
【００３７】
さらに、本実施形態の第三態様にかかる燃焼方法は、第一態様および第二態様において、前記空気比制御工程にて、前記触媒部に接触前の前記ガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく制御されている。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦２．０
ここで、上記数式において、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たす。
【００３８】
また、本実施形態の第四態様にかかる燃焼装置は、連続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を備えた燃焼装置であって、前記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化すると共に前記窒素酸化物を還元する触媒部と、前記触媒部の下流側および上流側の少なくとも一方にて前記ガスの性状を直接的または間接的に検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号に基づき、前記バーナにおける空気比を制御する空気比制御手段と、予混合バーナである前記バーナの上流側に設けられた一酸化炭素制御手段とを有することを特徴としている。
【００３９】
このように構成された燃焼装置によれば、触媒部を経由したガスの性状を検出手段によって検出し、その検出信号に基づいて空気比制御手段を駆動させ、バーナにて安定した低空気比燃焼を実現している。つまり、本実施形態にかかる燃焼装置は、検出手段と空気比制御手段とを用いてフィードバック制御を行うことによって、バックファイア等を起こすことなく、安定した低空気比にてバーナを連続燃焼させている。このような構成によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化を実現可能な燃焼装置を得ることができる。
【００４０】
また、このように構成された燃焼装置によれば、触媒部にて、一酸化炭素を酸化させる酸化反応と、窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる還元反応とが行われるため、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現することができる。すなわち、本実施形態にかかる燃焼装置によれば、酸素、窒素酸化物、および一酸化炭素を含むガスを触媒部へ通過させて、この触媒部内にて、酸化反応により酸素を消費して一酸化炭素濃度を低減し、残存する一酸化炭素による還元反応によって窒素酸化物濃度を低減することができる。
【００４１】
さらに、この燃焼装置によれば、予混合バーナを用いているため、先混合方式のバーナを用いる場合より、低Ｏ２領域における一酸化炭素濃度を低減させることができる。加えて、この燃焼装置は、予混合バーナの上流側に一酸化炭素制御手段（例えば、補助燃料供給）部を有しているため、適宜ガス中の一酸化炭素濃度を制御することができる。このように、ガス中の一酸化炭素濃度を制御可能であるため、この燃焼装置によれば、低Ｏ２領域における安定した低空気比燃焼を実現することができる。
【００４２】
また、本実施形態の第五態様にかかる燃焼装置は、第四態様の構成において、検出手段が触媒部の下流側に設けられていることを特徴としている。
【００４３】
このような構成であれば、触媒部通過後の比較的安定したガスの性状を検出手段にて安定して検出することができる。したがって、このような構成であれば、安定して検出される検出値（ガス性状を示す検出値）に基づいて、空気比制御手段を適切にコントロールすることができる。
【００４４】
さらに、本実施形態の第六態様にかかる燃焼装置は、第四態様および第五態様の構成において、空気比制御手段が、検出手段からの検出信号に基づき、バーナに供給される空気量および燃料量の少なくとも一方を制御すべく構成されている。
【００４５】
また、本実施形態の第七態様にかかる燃焼装置は、第四態様乃至第六態様の構成において、空気比制御手段が、ステッピングモータにて駆動するダンパを用いて、バーナに供給される空気量を制御すべく構成されている。
【００４６】
さらに、本実施形態の第八態様にかかる燃焼装置は、第四態様乃至第七態様の構成において、空気比制御手段が、送風機の回転数を制御するインバータを用いて、前記バーナに供給される空気量を制御すべく構成されている。
【００４７】
また、本実施形態の第九態様にかかる燃焼装置は、第四態様乃至第八態様の構成において、空気比制御手段が、燃料供給部に設けられた燃料制御手段を用いて、バーナに供給される燃料量を制御すべく構成されている。
【００４８】
さらに、本実施形態の第十態様にかかる燃焼装置は、第四態様乃至第九態様の構成において、バーナが予混合バーナであることを特徴とている。
【００４９】
また、本実施形態の第十一態様にかかる燃焼装置は、第四態様乃至第十態様の構成において、検出手段が、ガスの酸素濃度を検出すべく構成されている。
【００５０】
さらに、本実施形態の第十二態様にかかる燃焼装置は、第四態様乃至第十一態様の構成において、触媒部に接触前のガスが、以下の数式に示す濃度比を満足すべく、空気比制御手段にて制御されている。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦２．０
ここで、上記数式において、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たす。
【００５１】
以下、図面に基づき、本発明の実施例にかかる燃焼装置（蒸気ボイラ）について説明する。
【００５２】
図１は、本発明の実施例にかかる蒸気ボイラの縦断面の説明図である。また、図２は、図１のII−II線に沿う横断面の説明図である。
【００５３】
これらの図１および図２に示すように、本実施例にかかるボイラ１は、平面状の予混合ガス噴出面（平板状で、予混合ガス噴出孔が略同一平面状に形成された燃焼面）を有する完全予混合式のバーナ１０（本発明の「バーナ」に相当）、多数の熱吸収用の水管（伝熱管）２０，２１，２２（本発明の「吸熱手段」に相当）を用いて構成された缶体２、バーナ１０に対して燃焼用空気を送るために設けられた送風機３０、および缶体２内の排ガスをボイラ１外部に排出するために設けられた煙突部４０等を用いて構成されている。また、本実施例においては、缶体２の下流側に設けられた煙突部４０内に、触媒部５０が設けられ、この触媒部５０の下流側に空気比検出手段たる酸素濃度検出器６０（本発明の「検出手段」に相当）が設けられている。さらに、本実施例においては、バーナ１０における空気比を予め定められた設定値に制御する空気比制御手段（詳細は後述する。）を構成する空気比制御部７０が設けられている。また、本実施例においては、バーナ１０の一次側（上流側）に補助燃料供給部８０（本発明の「一酸化炭素制御手段」に相当）が設けられている。
【００５４】
本実施例にかかるボイラ１を構成するバーナ１０は、予混合ガス噴出孔が略同一平面状に形成された予混合ガス噴出面を有する予混合ガスバーナであって、波板と平板とを交互に積層して構成されている。このような構成に基づき、バーナ１０の予混合ガス噴出面（燃焼面）１０ａには、多数の予混合ガス噴出孔が形成されることとなる。なお、詳細な構造等はここでは省略するが、本実施例にかかるバーナ１０は、例えば、特許文献１（特許第３２２１５８２号公報）に記載された「燃焼バーナ」と同様な構成を有している。そして、本実施例においては、このバーナ１０の上流側に、必要に応じてガス燃料を噴出する、補助燃料供給部８０が設けられている。この補助燃料供給部８０は、ガス燃料を噴出ことによって、バーナ１０にて部分的な拡散燃焼を形成すべく構成されている。
【００５５】
また、本実施例にかかるボイラ１を構成する缶体２は、上部管寄せ２４、下部管寄せ２５、およびこれらの上下部管寄せ２４，２５間に立脚して配設された複数の水管（壁面水管２０，壁面側水管２１，中央水管２２）等を用いて構成されている。この缶体２内においては、壁面水管２０、壁面側水管２１、および中央水管２２が、ガス流動方向（缶体２の長手方向）に配置されており、中央水管群（中央水管２２を用いて構成された水管群）を中心として、壁面側水管群（壁面側水管２１を用いて構成された水管群）、および壁面水管群（壁面水管２０を用いて構成された水管群）が構成されている。また、隣り合う水管同士は、千鳥状に配設されている。
【００５６】
さらに、図２に示すように、本実施例にかかる缶体２においては、長手方向の両側部に設けられた壁面水管２０と、各壁面水管２０間を連結した連結部２６とを用いて、一対の水管壁２７が構成されている。缶体２は、この一対の水管壁２７と、上下部管寄せ２４，２５とを用いて、略矩形のガス流動空間２９が形成されることとなり、このガス流動空間２９内に、所定間隔を隔てて、壁面側水管２１および中央水管２２が配設されている。
【００５７】
本実施例にかかるボイラ１を構成する送風機３０は、バーナ１０に対して燃焼用空気を送るために設けられたものである。送風機３０には、ファン（図示省略）を備えたモータ３９が設けられている。また、この送風機３０とバーナ１０とは、空気供給経路部３１を用いて接続されており、この空気供給経路部３１内には、ステッピングモータ３６にて駆動するダンパ３５が設けられている。本実施例においては、このダンパ３５が、ステッピングモータ３６の回転状態によって、空気供給経路部３１の開口面積を調節すべく機能する。つまり、本実施例においては、送風機３０を構成するモータ３９を駆動させることによって吸気される燃焼用空気が、ダンパ３５によって調節された量だけ（開口面積に応じた量だけ）、空気供給経路部３１を介してバーナ１０へ供給される。なお、本実施例によれば、回転位置制御を確実に行えるステッピングモータ３６を用い、検出空気比が設定空気比に近づくにつれてステッピングモータ３６の送り速度を遅くする制御を採用しているため、設定空気比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。
【００５８】
また、この空気供給経路部３１中には、ガス燃料供給管３２（本発明の「燃料供給部」に相当）が設けられており、ガス燃料供給管３２には、ガス燃料の流量を調整する燃料調整弁３３（本発明の「燃料制御手段」に相当）が設けられている。なお、この空気供給経路部３１には、必要に応じて、燃料と空気との混合性を向上させるために絞り部を設けることも可能である。
【００５９】
さらに、本実施例にかかるボイラ１を構成する煙突部４０は、その入口がバーナ１０と対向すべく、缶体２の最下流側に設けられている。したがって、本実施例にかかるボイラ１においては、バーナ１０にて生成されたガスは、缶体２を構成する水管２０，２１，２２と接触した後（接触して熱交換を行った後）、排ガスとして煙突部４０を介してボイラ１外部に排出される。
【００６０】
ただし、先にも説明した通り、本実施例においては、缶体２の下流側（煙突部４０入口側）に、触媒部５０が設けられている。この触媒部５０は、排ガス経路の途中であって、排ガス温度が約１００℃〜３５０℃程度の位置に配置されている。本実施例にかかるボイラ１においては、缶体２内部を経由したガスは、触媒部５０を介して、排ガスとしてボイラ１外部に排出される。本実施例にかかる触媒部５０は、性能が劣化した場合に交換可能なように、着脱自在に装着されている。
【００６１】
また、この触媒部５０の下流側には、ジルコニアからなる酸素濃度検出器６０が設けられている。したがって、触媒部５０を経由した排ガスの性状（酸素濃度）は、この酸素濃度検出器６０にて検出されることとなる。ここで、検出された酸素濃度に関する信号は、空気比制御部７０に送信される。なお、本実施例においては、酸素濃度検出器６０として、排出酸素濃度の分解能（Ｏ２分解能）が５０ｐｐｍで応答時間２ｓｅｃ以下の応答特性の良好なジルコニア式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が用いられている。この酸素濃度検出器６０（Ａ／Ｆ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。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。
【００６２】
ここで、図３は、本実施例にかかる触媒部をガスの流れ方向から見た要部構成を示す図である。本実施例にかかる触媒部５０は、ガス中にＨＣが含まれない状態で、ガス中の窒素酸化物を還元する機能を有すべく構成されており、通気性を有する基材に触媒活性物質（触媒材料）が担持されている。そして、この図３に示す触媒部５０は、例えば、次のようにして構成される。
【００６３】
まず、基材として、ステンレス製の平板５１および波板５２を用意し、これらの表面に多数の微小凹凸を形成する。次いで、その表面に触媒材料（図示省略）を担持する。つまり、基材表面に触媒層を形成させる。次いで、触媒を担持させた所定幅の平板５１および波板５２を重ね合わせた状態で、螺旋状に巻回してロール状に形成する。次いで、このロール状に巻回された平板５１および波板５２を側板５３にて包囲し固定する。このようにして、ハニカム構造を有する触媒部５０が構成される。ここで、触媒材料としては、白金が用いられるが、必要に応じて、白金に代表される貴金属（Ａｇ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ）のいずれか、あるいはこれらの酸化物が用いられてもよい。また、触媒としては、これらの貴金属の二種以上のものを併用してもよい。なお、図３においては、平板５１および波板５２の一部のみを示している。
【００６４】
このように構成された本実施例にかかる触媒部５０は、缶体２を構成する水管群を通過した後のＨＣを含まないガスに含まれる一酸化炭素を酸化する機能と共に窒素酸化物を還元する機能を有する。
【００６５】
また、本実施例における空気比制御手段は、触媒部５０の下流側に設けられた酸素濃度検出器６０からの検出信号を受信する空気比制御部７０と、この空気比制御部７０からの制御信号に基づいて駆動する空気量調整手段および燃料量調整手段の少なくとも一つとを用いて構成されている。つまり、本実施例によれば、酸素濃度検出器６０にて検出されるガス性状（酸素濃度）が、予め定められた設定値となるように、空気比制御手段を用いて、バーナ１０に供給される空気量および燃料量（燃焼ガス量）の少なくとも一方が制御される。
【００６６】
この図１においては、空気比制御部７０にて制御可能な装置として、送風機３０を構成するモータ３９、ダンパ３５を駆動させるステッピングモータ３６、およびガス燃料供給管３２に設けられた燃料調整弁３３が示されている。本発明は、これらのいずれか一つを用いて、バーナ１０における空気比の制御を行ってもよく、または、これらを複合的に用いて、バーナ１０における空気比の制御を行ってもよい。例えば、送風機３０を構成するモータ３９を利用する場合には、モータ３９に内蔵されている、あるいは空気比制御部７０とモータ３９との間に設けられているインバータ（図示省略）を用いて、送風機３０（モータ３９）の回転数を調整して空気量（延いては空気比）を制御する。また、ダンパ３５を駆動させるステッピングモータ３６を利用する場合には、空気流量調整手段たるダンパ３５の開度位置を、制御信号に基づく駆動パルスの数に応じた量だけ開閉移動（開方向への移動、あるいは閉方向への移動）させることによって、空気供給経路部３１の開口面積に調節し、空気量（延いては空気比）を制御する。さらに、燃料調整弁３３を利用する場合には、制御信号に基づいて、適宜燃料調整弁３３の開度を調整して、ガス燃料供給嵌２から供給されるガス燃料供給量（延いては空気比）を制御する。
【００６７】
さて、以上のように構成された本実施例にかかるボイラ（燃焼装置）においては、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化を実現している。また、安定した低空気比燃焼を行いつつ、触媒部５０を用いることによって、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化とＣＯの低減とを実現している。より具体的には、触媒部５０と、この触媒部５０の下流側に設けられたジルコニアからなる酸素濃度検出器６０と、この酸素濃度検出器６０から検出信号を受信して機能する空気比制御手段とを用いて、予め設定された空気比領域（低空気比領域）における燃焼（低空気比燃焼）を実現し、上述した効果を得ている。
【００６８】
以下においては、本実施例における極超低ＮＯｘ化とＣＯの低減とを実現するためのプロセス、およびガス性状の制御方法等について、具体的に説明する。
【００６９】
本実施例においては、一酸化炭素を酸化させる酸化反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる還元反応とを生じる触媒部５０を用い、酸素、窒素酸化物、および一酸化炭素を含むガスを触媒部５０へ通過させ、この触媒部５０内にて酸化反応により酸素を消費して一酸化炭素濃度を低減し、消費しきれない一酸化炭素による還元反応によって窒素酸化物濃度を低減している。ここで、触媒部５０の一次側におけるガス（触媒部５０に接触前のガス）は、空気比制御手段等を用いて、酸素、窒素酸化物、および一酸化炭素のそれぞれの所定濃度が以下の数１を満たすように制御されている。
【００７０】
〔数１〕  （［ＮＯx］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］≦２．０
上記数１において、［ＮＯｘ］、［Ｏ２］、および［ＣＯ］は、それぞれ窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度を示し、［Ｏ２］＞０の条件を満たす。
【００７１】
ここで、（［ＮＯx］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］の値（濃度比の値）は、２．０以下としているが、この濃度比の値は、１．５以下とすることが好ましい。また、窒素酸化物濃度（［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。また、以下においては、上記数１を満たす窒素酸化物濃度、酸素濃度、および一酸化炭素濃度の濃度比を「所定濃度比」という。
【００７２】
上記数１に示す所定濃度比を有するガスが触媒部５０を通過すると、ガス中の窒素酸化物の排出量は、５ｐｐｍ以下の零に近い値に低減される。また、一酸化炭素の排出量は、５０ｐｐｍ以下に低減される。
【００７３】
この低減作用は、次のようにして行われると考えられる。触媒部５０では、主反応として、一酸化炭素を酸化させる酸化反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる還元反応とが生じている。そして、触媒部５０における反応（触媒反応）において、酸素存在下では、酸化反応が還元反応よりも優位であり、酸化反応に基づき、一酸化炭素は酸素により消費されて、濃度調整された後、還元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、酸化反応は、還元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還元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（酸化反応）が行われ、第二段階で窒素酸化物が還元（還元反応）されると考えられる。
【００７４】
要するに、触媒部５０において、酸素の存在下では、ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２なる酸化反応により酸素が消費され、残りのＣＯを用いて、２ＣＯ＋２ＮＯ→Ｎ２＋２ＣＯ２なる還元反応により窒素酸化物が還元されて、排出窒素酸化物濃度が低減される。
【００７５】
ここで、上記数１における［ＮＯｘ］は、先にも説明した通り、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（２ＣＯ＋２ＮＯ→Ｎ２＋２ＣＯ２）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、高温場での生成窒素酸化物の組成は、主成分がＮＯであり、ＮＯ２は数％に過ぎず、［ＮＯ］にて近似的に説明することができるからである。ＮＯ２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。
【００７６】
ところで、上記数１を満足する条件の一つとして、（［ＮＯx］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］の値（所定濃度比の値）が「１」である場合、理論上は、触媒部５０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、わずかに一酸化炭素が排出されることもある。そして、上記所定濃度比（（［ＮＯx］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］）の値が１よりも小さい場合は、一酸化炭素の濃度が窒素酸化物の還元に必要な濃度以上に存在するので、排出酸素濃度が零となって、触媒部５０通過後のガス中には一酸化炭素が残留することとなる。このような場合には、この残留一酸化炭素を酸化する酸化手段を更に設けることが好ましい。この酸化手段としては、触媒部５０と別個の触媒部を設け、この新たな触媒部の上流側へ酸素を投入して一酸化炭素を酸化するように構成することができる。
【００７７】
また、上記数１における所定濃度比の値「２．０」は、実験的に得られた値であるが、次の理由によると考えられる。触媒部５０中で生じている反応は、完全に解明されておらず、前記酸化反応および前記還元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。このように、前記所定濃度比の値は、触媒部５０中の主反応以外の反応により、若干の変動を生ずることが考えられる。
【００７８】
また、上記数１を満たすという条件下で、触媒部５０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が実現され、低公害で、省エネルギの燃焼装置を提供することができる。
【００７９】
さらに、本実施例においては、上述したように、バーナ１０の上流側に必要に応じてガス燃料を噴出する、補助燃料供給部８０が設けられている。この補助燃料供給部８０は、ガス中の一酸化炭素濃度を調整する必要がある場合に、適宜ガス燃料を噴出して、バーナ１０にて部分的な拡散燃焼を発生させるべく機能する。
【００８０】
ここで、図４は、本実施例にかかる燃焼装置における燃焼特性等の一例を示すグラフである。この図４において、横軸はガス中の酸素濃度、縦軸は一酸化炭素濃度を示している。
【００８１】
本件出願にかかる発明者らは、種々の実験等に基づき、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能である、ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）と酸素（Ｏ２）との最適バランス領域（図４における「ＣＯとＯ２の最適調整開始ライン」参照）を見出すに至った。図４にて「破線」で示したライン（ＣＯとＯ２の最適調整開始ライン）（以下、単に「最適調整開始ライン」ともいう。）がそうであり、この最適調整開始ラインの左側の領域（矢印方向領域）に形成されるラインの近傍に一酸化炭素（ＣＯ）と酸素（Ｏ２）とのバランスを近づけることによって、より効果的に極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能であることを見出した。なお、この図４に示した最適調整開始ラインは、先に説明した数１の関係に基づくものであり、上記数１が等号にて結ばれる場合の数式を展開した「ＣＯ＝（ＮＯｘ／２）＋Ｏ２」（展開式）にて形成されるラインである。この図４において、最適調整開始ラインは、原点を始点とする直線として示されているが、上記展開式からも明らかなように、Ｙ軸上の切片の値は「ＮＯｘ／２」で表されるため、ＮＯｘの値によってこの最適調整開始ラインの始点位置は変化する。また、上記数１においては、左辺（（［ＮＯx］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］）の値は「２」以下であることが好ましく、理想は「１」である。この理想値である「１」にて、上記数１を展開すると「ＣＯ＝ＮＯｘ＋２Ｏ２」となる。したがって、この理想値（「１」）を含んだ本実施形態にかかる数１にて表現された領域は、図４に示した最低調整開始ラインの左側の領域（最適バランス領域）に位置することとなる。
【００８２】
ところで、燃焼装置１を構成するバーナ１０によっては、例えば、図４の「一点差線」にて示すライン（図４における「改良前」のライン）のような燃焼特性を有する場合がある。この「改良前」ラインにて示された燃焼特性を有する場合、最適調整開始ライン近傍にて燃焼装置１を駆動させると、空気比（Ｏ２）が若干低下するだけで、一酸化炭素（ＣＯ）の値が大きく増加するため、極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現できなくなる。
【００８３】
そこで、本実施例においては、上記のような燃焼特性（「改良前」ライン）を有する場合には、一酸化炭素制御手段たる補助燃料供給部８０からガス燃料を噴出させ、バーナ１０にて部分的な拡散燃焼を発生させる。つまり、バーナ１０（予混合バーナ）にて一部拡散的な燃焼を生じさせ、一酸化炭素濃度を高めて、ＣＯ特性を改良する。図４の「実線」にて示すライン（図４における「改良後」ライン）が、「改良前」ラインの燃焼特性を有するバーナ１０に対し、補助燃料供給部８０を機能させた際の燃焼特性を示したものである。
【００８４】
このように、本実施例においては、補助燃料供給部８０を機能させることによって、その燃焼特性を制御することができる。図４に示すように、「改良前」ラインから「改良後」ラインに燃料特性を調整すれば、最適調整開始ライン近傍（あるいは最適調整開始ラインの左側領域）にて燃焼装置１を駆動させても、安定した低空気比燃焼を継続して行うことができる。つまり、「改良後」ラインの燃焼特性を有する場合であれば、最適調整開始ライン近傍（あるいは最適調整開始ラインの左側領域）で運転している際に、空気比（Ｏ２）に変動が生じても（例えば、若干低下しても）、一酸化炭素（ＣＯ）の値は大きく変動しない。したがって、本実施例によれば、低Ｏ２領域における一酸化炭素濃度を制御して安定した低空気比燃焼を行い、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能となる。
【００８５】
本実施例にかかるボイラ１は、以上のように構成されており、この構成に基づき、そのボイラ1内部では、次のような燃焼状態が形成される。
【００８６】
まず、ガス燃料供給管３２から供給されたガス燃料と、送風機３０から供給された空気とが、空気供給経路部３１中で混合され、ここで混合された予混合ガス（以下、排ガスを含んだ予混合ガスも単に「予混合ガス」という。）がバーナ１０に供給される。ここで、ガス燃料供給管３２からは、ボイラ１にて必要とされる燃焼量のガス燃料が供給される。このガス燃料の供給量の調整は、燃料調整弁３３によって行われる。送風機３０からは、予混合ガスの空気比が設定空気比（ほぼ１）となるように、空気が供給される。
【００８７】
バーナ１０の予混合ガス噴出面１０ａから噴出された予混合ガス等は、着火手段（図示省略）により着火され、バーナ１０にて火炎を伴う燃焼反応中のガスＦが形成される。予混合ガス等は、バーナ１０から、缶体２内の水管２０，２１，２２に対して、略垂直となるように（直交するように）噴出されているため、燃焼反応中のガスＦは、缶体２内の水管２０，２１，２２と交差するように接触を繰り返して（水管と熱交換を行った後）、排ガスとなる。そして、この排ガスは、缶体２の最下流側に設けられた煙突部４０を介してボイラ１外部に排出される。
【００８８】
この際、排ガスの性状は、煙突部４０入口付近に設けられた酸素濃度検出器６０によって検出され、ここで検出された検出信号は空気比制御部７０に送信される。本実施例にかかる空気比制御部７０は、この制御信号に基づき、バーナにて生成されるガスが所定の設定空気比にて連続安定燃焼を行うように、例えば、ステッピングモータ３６の駆動量（ダンパ３５の開閉移動量）を制御して、空気供給経路部３１の開口面積を調節する。
【００８９】
また、必要に応じて（例えば、バーナの個体差等（燃焼特性）に応じて）、補助燃料供給部８０からガスを供給して（バーナ１０にて部分的な拡散燃焼を形成して）、ガス中の一酸化炭素濃度を適切な濃度に調整する。
【００９０】
さて、ここで、バーナ１０の構成および設定空気比等について説明する。
【００９１】
本実施例にかかるバーナ１０は、ガス燃料を予混合燃焼させる予混合バーナであることが好ましい。触媒部５０にて、上述した酸化反応および還元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濃度比が、上記数１で示すような濃度比であることが重要となる。その点、バーナ１０を予混合バーナとすれば、低Ｏ２領域でバーナ１０における濃度比を比較的容易に数１で示す濃度比とすることができる。しかしながら、本発明はこの構成に限定されず、触媒部５０の一次側（上流側）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、それぞれの濃度を数１で示した所定濃度とする制御が可能であれば、予混合バーナ以外のバーナを用いてもよい。
【００９２】
数１を満たす条件下で、触媒部５０へ流入する前のガスの酸素濃度Ｏ２が０％＜Ｏ２≦１．００％となるように低空気比で燃焼させると、触媒部５０の二次側の酸素濃度をほぼ零にすることができる。触媒部５０へ流入する前のガスの酸素濃度Ｏ２が０％＜Ｏ２≦１．００％の場合、バーナ１０における空気比は、ほぼ１（設定空気比）となる。このような構成とすれば、極めて低い空気比によりバーナ１０を燃焼させて、排出濃度が零に近い極超低ＮＯｘと低ＣＯに加えて省エネルギ化が実現され、低公害で、省エネルギのボイラ（燃焼装置）を得ることができる。
【００９３】
つまり、本実施例においては、バーナ１０における設定空気比をほぼ１（換言すれば、触媒部５０へ流入する前のガスの酸素濃度Ｏ２が０％＜Ｏ２≦１．００％）とすべく、空気比制御手段による制御を行う。空気比制御手段を構成する空気比制御部７０は、予め空気比制御プログラムを搭載し、酸素濃度検出器６０からの検出信号に基づき、例えば、ステッピングモータ３６の駆動量を制御して、空気比をほぼ１に制御する。
【００９４】
空気比制御プログラムは、例えば、検出空気比（または検出酸素濃度）と設定空気比（設定酸素濃度）との差に応じて、ステッピングモータ３６の単位時間当たり駆動量（１駆動単位当たりの時間で表現することができる。）を変える第一制御帯と、この第一制御帯の外側において単位時間当たりの駆動量を固定の所定値とする第二制御帯とを設けて、ステッピングモータ３６の駆動量を制御するように構成される。
【００９５】
以上説明したように、本実施例にかかるボイラ１（燃焼装置）は、上述したように構成され機能するため、次のような効果を得ることができる。すなわち、本実施例によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化を実現可能なボイラ１（燃焼装置）を得ることができる。また、本実施例によれば、安定した低空気比燃焼を行うことによって、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能なボイラ１（燃焼装置）を得ることができる。また、本実施例によれば、上述した数１等を満たしたガスを生成し、酸素濃度検出器６０にて酸素濃度（Ｏ２＝０％）をモニタリングすることにより、窒素酸化物濃度を実質的に零にすることができる。
【００９６】
さらに、本実施例にかかるボイラ１（燃焼装置）は、補助燃料供給部８０を機能させることによって、その燃焼特性を制御することができる。より具体的には、バーナ１０にて部分的な拡散燃焼を形成することによって、ガス中の一酸化炭素濃度を制御することができる。したがって、本実施例によれば、低Ｏ２領域における一酸化炭素濃度を制御して安定した低空気比燃焼を行い、省エネルギ化と共に、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現可能となる。
【００９７】
（実験例１）
以下に、具体的な実験例を示す。ただし、この実験例１は、補助燃料供給部８０を作動させていない場合についての実験例である。実験例１は、単位時間当たりの蒸発量が８００ｋｇであるボイラ１（ＳＱ−８００：三浦工業株式会社製）において、燃焼量４５．２ｍ３Ｎ／ｈのバーナ１０と、触媒活性物質としてＰｔを２．０ｇ／Ｌの割合で担持した体積１０Ｌ、内径３６０ｍｍの触媒部５０とを設置した場合について示す。本実験例においては、このようなボイラ１等を用いて、設定空気比を「１」とした場合、触媒部５０の一次側における一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の１０分間の平均値は、それぞれ２２９５ｐｐｍ、９４ｐｐｍ、および１６５５ｐｐｍに調整され、触媒部５０の二次側における一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の１０分間の平均値は、それぞれ１３ｐｐｍ、０．３ｐｐｍ、および１００ｐｐｍ未満となった。ここで、触媒部５０の二次側の酸素濃度１００ｐｐｍは、酸素濃度の測定限界である（酸素濃度測定装置（ＰＧ−２５０）：株式会社堀場製作所製）。
【００９８】
この実験例１に示すように、上述した本発明にかかる構成によれば、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現することができる。
【００９９】
この実験例１にかかるボイラ１は、先に説明した補助燃料供給部８０を有している。よって、ボイラ１やバーナ１０の製造誤差等によって、燃焼状態等が不安定であっても、補助燃料供給部８０を用いてバーナ１０にて部分的な拡散燃焼を形成することによって、ガス中の一酸化炭素濃度を制御することができる。
【０１００】
（実験例２）
次に、実験例２を示す。ただし、この実験例２も、補助燃料供給部８０を作動させていない場合についての実験例である。実験例２は、実験例１と同様のボイラ１およびバーナ１０（燃焼量も同様）を用い、触媒活性物質としてＰｄを２．０ｇ／Ｌの割合で担持した体積１０Ｌ、内径３６０ｍｍの触媒部５０を設置した場合について示す。この実験例は、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の濃度比（（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］）の違いによって、触媒部５０の一次側および二次側のそれぞれの濃度比がどのように変化するかを示したものである。図５は、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の各濃度比（０．９１〜５．１１）におけるそれぞれの値（触媒部５０の一次側および二次側における一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の値）を示したものである。ここで、触媒部５０の二次側の酸素濃度１００ｐｐｍは、酸素濃度の測定限界である（酸素濃度測定装置（ＰＧ−２５０）：株式会社堀場製作所製）。
【０１０１】
この実験例２に示すように、上述した本発明にかかる構成によれば、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の濃度比（（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ２］）／［ＣＯ］）が、「１．８４」（図５参照）以下であれば、排出ＮＯｘ値が５ｐｐｍを下回るような極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを実現することができる。なお、ここでは示していないが、本発明によれば、濃度比が「２．０」以下であれば、良好な効果（極超低ＮＯｘ化と低ＣＯ化）を得ることができる。
【０１０２】
この実験例２にかかるボイラ１も、上述した実験例１と同様に、先に説明した補助燃料供給部８０を有している。よって、ボイラ１やバーナ１０の製造誤差等によって、燃焼状態等が不安定であっても、補助燃料供給部８０を用いて、ガス中の一酸化炭素濃度を制御することができる。
【０１０３】
＜その他の実施例等＞
なお、本発明は、上記実施形態、実施例、および実験例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で必要に応じて種々の変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１０４】
上記実施例においては、一酸化炭素制御手段として、一酸化炭素の濃度を高めるべく、バーナ１０の上流側に補助燃料供給部８０を設ける場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、適宜ガス中の一酸化炭素の濃度を高めることが可能であれば、如何なる構成のものを用いてもよい。したがって、例えば、バーナ１０表面と水管との距離を操作して、一酸化炭素の濃度を制御すべく構成してもよい。また、例えば、缶体内部に補助燃料供給部や空気供給部を設けて、一酸化炭素の濃度を制御すべく構成してもよい。
【０１０５】
また、上記実施例においては、ボイラ１が蒸気ボイラである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、温水ボイラでもよい。
【０１０６】
さらに、上記実施形態および実施例においては、本発明にかかる燃焼装置がボイラである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。したがって、本発明にかかる燃焼装置は、例えば、給湯器、吸収式冷凍機の再生器等であってもよい。つまり、上記実施例等においては、燃焼装置がボイラであるため、吸熱手段を水管としているが、本発明はこれに限定されず、燃焼装置が再生器の場合には、吸熱手段を吸収液濃縮管としてもよい。
【０１０７】
また、上記実施例においては、空気比制御手段として、主にステッピングモータ３６を駆動させる場合について説明しが、本発明はこの構成に限定されない。つまり、本発明にかかる空気比制御手段は、バーナに供給される空気量あるいは燃料量の少なくとも一方を制御する手段を用いて構成される。つまり、空気比制御手段は、バーナに供給される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、バーナの空気比を調整するための手段である。この燃焼空気量を調整するものとしては、実施例中で説明したダンパ５０（弁の意味を含む）を用いることが好ましいが、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（実施例にて説明したもの）の他に、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を用いることもできる。また、当然のことながら、空気比制御手段としては、実施例中にも説明したインバータを備えたモータ３９や燃料調整弁３３を用いることも可能である。さらに、燃料調整弁３３、ステッピングモータ３６、およびモータ３９の二つ以上を用いることも可能である。
【０１０８】
さらに、上記実施例においては、ダンパ３５を駆動させるモータとしてステッピングモータ３６を用いる場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ギアモータ（ギアドモータと称することができる。）やサーボモータを用いることも可能である。ステッピングモータ３６を用いた場合は、先にも説明した通り、駆動量が印可される駆動パルスであり、ダンパ３５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することができる。また、ギアモータまたはサーボモータを用いた場合は、駆動量が開閉駆動時間であり、ダンパ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することができる。
【０１０９】
また、上記実施例においては、検出手段として酸素濃度検出器６０が用いられ、この酸素濃度検出器６０によって、酸素が検出され、この検出された値から空気比を演算して求める場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、ガスの空気比を直接的または間接的に検出可能であれば、どのような構成の検出手段であってもよい。したがって、例えば、検出手段としては、酸素濃度検出器６０と別の空気比を間接的に検出する一酸化炭素濃度検出器を用いてもよい。この一酸化炭素濃度検出器は、一酸化炭素濃度を検出し、この検出値により空気比を演算して求めることができる。また、検出手段としては、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ようにしてもよい。なお、検出手段の取付位置は、好ましくは、触媒部の二次側（下流側）とするが、これに限定されるものではなく、触媒部の一次側（上流側）や、触媒部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。また、必要に応じて、触媒部の一次側および二次側に検出手段を設けてもよい。ただし、構成要素の簡略化、およびコスト低減等を鑑みれば、上記実施例にように、検出手段は触媒部の二次側に設けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の実施例にかかる蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図２】図１のII−II線に沿う横断面の説明図である。
【図３】本実施例にかかる触媒部の要部構成を示す正面図である。
【図４】本実施例にかかる燃焼装置における燃焼特性等の一例を示すグラフである。
【図５】実験例２における一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、および酸素濃度の各濃度比の違いに対応したそれぞれの値を示した表である。
【符号の説明】
【０１１１】
１…ボイラ
２…缶体
１０…バーナ
１０ａ…予混合ガス噴出面
２０…壁面水管（水管）
２１…壁面側水管（水管）
２２…中央水管（水管）
２４…上部管寄せ
２５…下部管寄せ
２６…連結部
２７…水管壁
２９…ガス流動空間
３０…送風機
３１…空気供給経路部
３２…ガス燃料供給管
３３…燃料調整弁
３５…ダンパ
３６…ステッピングモータ
３９…モータ
４０…煙突部
５０…触媒部
５１…平板
５２…波板
５３…側板
６０…酸素濃度検出器
７０…空気比制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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