(57)【要約】【課題】  特別な脱硝剤を必要とすることなく、かつ比較的低い空気比にて、５ppmを下回る低ＮＯx化が可能なボイラを提供することにある。【解決手段】  燃料を燃焼させるバーナ２と、このバーナ２により生成されたガスが流通するガス流路３に水管８を配設した熱交換器４と、前記ガス中に含まれる水蒸気と一酸化炭素とから水素を生成する変成触媒１１を含む変成器５と、この変成器５にて生成された水素により前記熱交換器４を通過したガス中の窒素酸化物を還元する還元触媒６とを備えたことを特徴とする。また、前記変成器５の前記ガス流路３における配置位置が前記変成触媒１１の好適反応温度域とされることを特徴とする。さらに、前記変成器５が前記熱交換器４の構成部材に前記変成触媒１１を付着させて構成されることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナと、このバーナにより生成されたガスが流通するガス流路を有する熱交換器と、前記ガス中に含まれる水蒸気と一酸化炭素とから水素を生成する変成触媒を含む変成器と、この変成器にて生成された水素により前記熱交換器を通過したガス中の窒素酸化物を還元する還元触媒とを備えたことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
前記変成器の前記ガス流路における配置位置が前記変成触媒の好適反応温度域とされることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボイラ。
【請求項３】
前記変成器が前記熱交換器の構成部材に前記変成触媒を付着させて構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記構成部材が前記熱交換器の水管に装着のフィンであることを特徴とする請求項３に記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気ボイラなどのボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、低ＮＯx化が求められている。
【０００３】
これに対して、出願人は、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て生成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１参照）。この特許文献１に記載の技術によれば、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。これは、燃焼の特性により、５ppm以上のＮＯxの生成が避けられないことによる。
【０００４】
そして、近年低ＮＯx化の要求が一層高まっている。こうした低ＮＯx化における課題は、つぎの通りである。
（１）５ｐｐｍを下回る低ＮＯｘ化
（２）低空気比燃焼による省エネルギ化
【０００５】
前記（１）の５ｐｐｍを下回る低ＮＯｘ化を実現するには、尿素などの脱硝剤による脱硝装置を採用することにより可能であるが、身近に存在しない脱硝剤を用意し、管理する必要がある。また、尿素などの脱硝剤を用いた場合は、脱硝剤を噴霧するノズルに結晶が析出し、詰まるなどの問題がある。
【０００６】
また、前記（２）の低空気比燃焼を行う場合、例えば、限りなく零に近い低Ｏ2の燃焼を行うと、一酸化炭素の発生量が多量となったり、安定した燃焼制御が困難である。
【０００７】
【特許文献３】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】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、特別な脱硝剤を必要とすることなく、かつ比較的低い空気比にて、５ppmを下回る低ＮＯx化が可能なボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、請求項１に記載の発明のボイラは、バーナと、このバーナにより生成されたガスが流通するガス流路を有する熱交換器と、前記ガス中に含まれる水蒸気と一酸化炭素とから水素を生成する変成触媒を含む変成器と、この変成器にて生成された水素により前記熱交換器を通過したガス中の窒素酸化物を還元する還元触媒とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、前記バーナにより生成されるガス中に含まれる水蒸気と一酸化炭素とを用いて生成される水素を利用してＮＯxを還元するので、特別な脱硝剤を必要とすることなく、５ppm以下の低ＮＯx化を実現できる。また、空気比を限りなく零に近い値にすることなく、空気比１．０５〜１．１０（酸素濃度１〜２％相当）程度の燃焼で前記低ＮＯx化を実現できるので、比較的低い空気比により省エネルギーを実現でき
、かつ燃焼制御を容易に行うことができる。
【００１１】
請求項２記載の発明のボイラは、請求項１において、前記変成器の前記ガス流路における配置位置が前記変成触媒の好適反応温度域とされることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、前記変成器は、使用する触媒の種類などによって水素を効率的に生成する上での好適な位置に配置されるので、前記変成器による効率的な水素の生成が行える。
【００１３】
請求項３に記載の発明のボイラは、請求項１または請求項２において、前記変成器が前記熱交換器の構成部材に前記変成触媒を付着させて構成されることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明による効果に加えて、前記変成器のための特別な部材を必要としないので、前記変成器の構成、ひいてはボイラの構成を簡素化できるという効果を奏する。
【００１５】
請求項４に記載の発明のボイラは、請求項３において、前記構成部材が前記熱交換器の水管に装着のフィンであることを特徴としている。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明による効果に加えて、前記フィンの枚数などを調整することにより、前記変成器の水素生成能力の調整を容易に行うことができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、特別な脱硝剤を必要とすることなく、かつ比較的低い空気比にて、５ppmを下回る低ＮＯx化が可能なボイラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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のボイラは、燃料を燃焼させるバーナと、このバーナにより生成されたガスが流通するガス流路に水管を配設した熱交換器と、前記ガス中に含まれる水蒸気と一酸化炭素とから水素を生成する変成触媒を含む変成器と、この変成器にて生成の水素の存在下において前記熱交換器を通過したガス中の窒素酸化物を還元する還元触媒とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
この実施の形態においては、前記バーナにより燃料と燃焼空気とが混合されて燃焼する。このバーナの燃焼により生成されたガス（以下、燃焼ガスと称する。この燃焼ガスは、燃焼反応中のガスと燃焼反応が完了したガスとを含む概念である。）は、前記水管にて吸熱され、その温度は下流へゆくに従い低下する。燃焼ガス中に含まれる水蒸気（以下、単に蒸気という。）と一酸化炭素とから前記変成器にて水素が生成される。生成された水素は、前記還元触媒へと流れる。そして、この還元触媒において、生成された水素により、燃焼ガス中に含まれるＮＯxを還元し、排出ＮＯx量を低減する。この低減量は、燃焼ガス中に含まれるＮＯx量に対する水素供給量により調整することができる。
【００２０】
ここで、前記実施の形態の各構成要素について説明する。前記バーナは、好ましくは、予混合バーナとするが、先混合バーナとすることができる。このバーナには、１３Ａ，ＬＰＧ等のガス燃料と燃焼空気とが供給され、好ましくは、前記バーナが安定燃焼可能という条件で、空気比を小さくする。具体的には、前記バーナを特許第３２２１５８２号公報に記載のような全一次空気式の予混合バーナとする場合、空気比を安定燃焼が可能で、燃焼制御が容易な１．０５〜１．１０とする。
【００２１】
前記熱交換器は、缶体と称することができ、好ましくは、上，下ヘッダ間に多数の水管群を配した構成とするが、これに限定されるものではない。この熱交換器は、好ましくは、前記水管群により燃焼反応中の燃焼ガス（火炎と称することができる。）を冷却することにより燃焼温度を抑制して生成ＮＯxを低減するものとする。こうすることで、前記変成器で生成する水素の量を低減することができる。
【００２２】
前記熱交換器は、一対の水管壁間に多数の水管群を配設した所謂角型の缶体，または丸型の缶体とすることができる。角型のものは、矩形缶体内のガス流路に多数本の水管を縦方向（燃焼ガス流れ方向）に配列したものであり、例えば特許第３２２１５８２号公報に示される。丸型のものは丸型缶体内に円周方向に沿って形成されたガス流路に沿って多数本の水管を縦方向に配列したもので、例えば、特開２００６−１８３９２７号公報，特開２００４−１９７９７０号公報に示される。
【００２３】
前記熱交換器は、ボイラを蒸気ボイラとする場合は、前記水管により蒸気を生成するように構成され、温水ボイラ（温水器）とする場合は、前記水管により温水を生成するように構成される。
【００２４】
前記変成器は、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素と蒸気とから変成触媒を用いて水素を生成する機能を有する。一酸化炭素と蒸気とから水素を生成する反応は、つぎの反応式（１）で表現される。なお、前記変成器にて生成される水素量は、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素濃度に依存するため、燃焼ガス中の一酸化炭素の量を調整することで調整可能である。燃焼ガスは、好ましくは、その組成を一酸化炭素量がＮＯxと同じか、数十ppm過剰であるものとするが、これに限定されるものではない。
（１）  ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
【００２５】
前記変成器は、好ましくは、前記熱交換器の構成部材に変成触媒を担持させ（付着させ）て構成される。前記構成部材としては、好ましくは、前記熱交換器を構成する水管に装着したフィンとする。このフィンの形状は、特に限定されないが、好ましくは、環状または螺旋状のフィンとする。前記フィン表面には、前記変成触媒を塗布するなどして付着させる。
【００２６】
こうした前記変成触媒を付着させたフィンを前記変成器として用いることにより、前記変成触媒を付着させるための特別な基材を必要としないので、変成器の構成を簡素化できる。また、前記フィンの枚数、フィンの間隔を調整することにより、前記変成器の性能の調整を容易に行うことができる。また、前記変成器を前記熱交換器内に配置するので、省スペース化において効果が大きい。前記変成触媒を付着させる構成部材としては、前記熱交換器を構成する水管とすることもでき、また前記構成部材を前記水管おおよび前記フィンとすることもできる。
【００２７】
前記変成触媒としては、例えばＦｅ2Ｏ3，Ｃｒ2Ｏ3の混合物を用いることができる。この場合において、前記変成器を前記熱交換器のガス流路の前記ガス流路の３２０〜４００℃の温度領域を有する部分に設置する。また、前記変成触媒としてＣｕＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2Ｏ3の混合物を用いることができる。この場合において、前記変成器を前記熱交換器のガス流路の中に組み込む場合は、１８０〜２５０℃の温度領域を有する部分に設置する。
【００２８】
前記還元触媒は、水素の存在下、または水素と一酸化炭素の存在下において前記燃焼ガス中の窒素酸化物を還元する機能を有する触媒であり、好ましくは、貴金属を用いたＣＯ酸化触媒とする。
【００２９】
前記還元触媒による窒素酸化物の還元反応は、つぎの反応式（２）（３）で表現される
。
（２）  ２ＮＯ＋２Ｈ2→２Ｈ2Ｏ＋Ｎ2  
（３）  ２ＮＯ＋Ｈ2→Ｈ2Ｏ＋Ｎ2Ｏ  
【００３０】
前記ＣＯ酸化触媒は、通気性を有する基材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、燃焼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。
【実施例１】
【００３１】
以下、この発明の実施例１のボイラ１を図面に基づいて説明する。図１は、同実施例１の概略構成図であり、図２は、同実施例１の要部拡大断面の説明図である。前記ボイラ１は、蒸気ボイラであって、バーナ２と、このバーナ２による燃焼により生成される燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路３を形成した角型（直方体形状）の熱交換器としての缶体４と、前記燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素と蒸気とから水素を生成する変成器５と、この変成器５にて生成の水素の存在下で窒素酸化物を還元する還元触媒６とを主要部として備える。
【００３２】
前記バーナ２は、メタンからなる燃料と燃焼空気とを上流側でほぼ完全に予混合する特許第３２２１５８２号公報に記載のバーナと同様の予混合バーナとし、前記燃焼ガス流路３の上流側端部に設けている。このバーナ２の空気比は、省エネルギー，安定燃焼および燃焼制御の容易化の為、１．０５（酸素濃度で、1％に相当）としている。
【００３３】
前記缶体４は、上部ヘッダ，下部ヘッダ（図示省略）と水管壁（略して図示）７，７との間に前記燃焼ガス流路３を形成し、前記両ヘッダ間に多数の水管８群を設けている。前記水管８群における上流側の水管群は、燃焼反応中の燃焼ガスを冷却することにより燃焼温度を抑制して生成ＮＯxを低減する位置に配設されている。この水管８群の配置と前記バーナ２の空気比１．０５での燃焼により、前記燃焼ガス流路３の燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物濃度は、約４０ppm程度となっている。また、燃焼の結果、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素と蒸気との含有量は、たとえばそれぞれ約５０ppm，約１５％である。
【００３４】
前記変成器５は、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とから水素を生成する機能を有する。この変成器５は、前記缶体４の構成部材であって、図２に示すように、基材としてのフィン９，９，…と、この各フィン９の表面に塗布された変成触媒１１とから主構成される。前記各フィン９は、前記水管８群の下流域に設けた所定本数の水管８，８，…に装着されている。この水管８，８，…は、前記基材のフィン９を支持する支持部材として機能している。
【００３５】
前記変成触媒１１としては、Ｆｅ2Ｏ3およびＣr2Ｏ3の混合物を用いている。そして、前記変成触媒１１の機能を効果的に発揮させるために、前記変成器５を前記燃焼ガス流路３中の３２０〜４００℃の温度領域を有する部分に配設している。
【００３６】
この実施例１においては、前記各フィン９の厚みを約１mmとし，前記各水管８の厚みを約３．２mmとし、前記変成触媒１１の厚みを約１０ミクロンとしたフィン９，９，…を有する１０本の水管８，８，…により、前記変成器５を構成している。        
【００３７】
前記還元触媒６は、前記缶体４の排ガス出口（前記燃焼ガス流路３の終端）１２に接続の排ガス通路１３に設けている。この還元触媒６は、水素と一酸化炭素の存在下において燃焼ガス中の窒素酸化物を還元するＣＯ酸化触媒である。
【００３８】
前記ＣＯ酸化触媒は、通気性を有する基材（図示省略）に触媒活性物質（図示省略）を担持した構成としている。前記基材としては、ステンレスを用い、燃焼ガスとの接触面積を広くするような表面処理を施している。触媒活性物質としては、白金を用いている。
【００３９】
つぎに、前記実施例１の動作を説明する。図１において、燃料と燃焼空気とが混合された状態で、押し込み型送風機（図示省略）により前記バーナ２へ供給される。前記バーナ２において、燃焼が行われ、生成された燃焼ガスは、前記各水管８を加熱しながら、前記燃焼ガス流路３を前記排ガス出口１２へ向けて流れる。燃焼ガスは、前記各水管８を加熱して蒸気を生成するとともに、吸熱により燃焼温度が抑制され、所定量、例えば約４０ppmのＮＯxを含むガスとなる。燃焼ガスは、前記各水管８による吸熱により、その温度が下流へゆくに従い低下する。この燃焼ガス中には、前記バーナ２の燃焼と前記水管８群の冷却により生成された一酸化炭素と蒸気とが、それぞれ約５０ppm，約１５％程度含まれている。
【００４０】
そして、前記変成器５において、蒸気と一酸化炭素の存在下で、前記変成触媒５の機能により水素が生成される。この反応は、つぎの式で表現される。
（１）  ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
【００４１】
前記変成器５にて生成の水素は、前記還元触媒６へ流入する。この還元触媒６において、燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物をつぎの反応式により還元し、排出ＮＯx量を低減する。
（２）  ２ＮＯ＋２Ｈ2→２Ｈ2Ｏ＋Ｎ2  
（３）  ２ＮＯ＋Ｈ2→Ｈ2Ｏ＋Ｎ2Ｏ  
【００４２】
前記ＮＯx低減量は、燃焼ガス中に含まれる一酸化炭素および蒸気の量と、前記変成触媒１１の量とにより決まる。燃焼ガスの組成は、前記缶体、前記バーナおよび酸素濃度により、異なるため、各条件下での濃度の変動幅からあらかじめ変成触媒の量を決定する。
【００４３】
この実施例１によれば、燃焼ガス中に含まれる蒸気と一酸化炭素とを用いて水素を生成し、この水素を利用してＮＯxを還元するので、特別な脱硝剤を必要とすることなく、簡易に５ppm以下の超ＮＯxを実現できる。また、前記バーナ２の空気比を１．０５（酸素濃度１％）程度の低空気比としているので、省エネルギ-を実現できるとともに、前記バーナ２を安定的に燃焼させることができ、前記バーナ２の燃焼制御を容易に行うことができる。
【００４４】
また、この実施例１によれば、前記変成器５の変成触媒１１を塗布する基材として前記各フィン９を用いているので、前記変成器５の構造を簡素化できるとともに、前記変成器５が前記缶体４の燃焼ガス流路３内に組み込まれて、燃焼ガスが水素を生成するための熱源として利用されているので、設備全体の小型化が可能となる。さらに、前記変成器５を水素変成に最適温度となる前記缶体４の燃焼ガス流路３の温度領域に配置しているので、前記変成器５による効率的な水素の生成が行える。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の実施例１のボイラの概略構成図である。
【図２】同実施例１の要部拡大断面の説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    ボイラ
２    バーナ
３    燃焼ガス流路（ガス流路）
４    缶体（熱交換器）
５    変成器
６    還元触媒
８    水管
９    フィン
１１    変成触媒
【図１】
2008082610.tif 000003
【図２】
2008082610.tif 000004