(57)【要約】【課題】排出ＮＯｘ値が１０ｐｐｍを下回る超低ＮＯｘ化を容易に実現できる低ＮＯｘおよび低ＣＯ燃焼方法とその装置を提供すること。【解決手段】バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘを実現する低ＮＯｘ燃焼方法であって、吸熱体群による燃焼ガス温度の抑制と、燃焼完結ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制と、前記バーナの燃焼用空気への水または蒸気添加による燃焼ガス温度の抑制とを組み合わせて行うことにより、前記バーナからの燃焼ガス温度の抑制をなすことを特徴とする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘ化を実現する低ＮＯｘ燃焼方法であって、吸熱体群による燃焼ガス温度の抑制と、燃焼完結ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制と、前記バーナの燃焼用空気への水または蒸気添加による燃焼ガス温度の抑制とを組み合わせて行うことにより、燃焼ガス温度の抑制をなすことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項２】
前記バーナを完全予混合式のバーナとして高空気比で燃焼させることによる燃焼ガス温度の抑制を組み合わせたことを特徴とする請求項１に記載の低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項３】
バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘ化を実現する低ＮＯｘ燃焼装置であって、燃焼反応領域に設けた吸熱体群により燃焼ガス温度を抑制する第一抑制手段と、燃焼完結ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることにより燃焼ガスを抑制する第二抑制手段と、前記バーナの燃焼用空気への水または蒸気添加により燃焼ガス温度を抑制する第三抑制手段とを具備したことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項４】
前記バーナを完全予混合式のバーナとして高空気比で燃焼させることによる燃焼ガス温度を抑制する第四抑制手段を組み合わせたことを特徴とする請求項３に記載の低ＮＯｘ燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水管ボイラ、吸収式冷凍機の再熱器などに適用される低ＮＯｘ燃焼方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＮＯｘの発生の抑制原理として、▲１▼火炎（燃焼ガス）温度の抑制，▲２▼高温燃焼ガスの滞留時間の短縮，▲３▼酸素分圧を低くすること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化技術がある。たとえば、２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などが提案され実用化されている。
【０００３】
ところで、水管ボイラなどの比較的容量の小さいＮＯｘ発生源に対しても時代と共に排ガス規制が厳しくなり、一層の低ＮＯｘ化が求められるようになってきている。出願人は、これらの要請に対する低ＮＯｘ化技術を特開平１１−１３２４０４号公報（米国特許第６０２９６１４号明細書）にて提案している。
【０００４】
この先行技術は、水管群による燃焼ガス温度の抑制と、排ガス再循環による燃焼ガス温度の抑制との組合せによって低ＮＯｘ化を図るものである。しかしながら、ＮＯｘ低減は、２５ｐｐｍ程度にとどまり、１０ｐｐｍを下回る低ＮＯｘ化を実現するものではなかった。以下、生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化を超低ＮＯｘ化という。
【０００５】
この先行技術において、水管群による燃焼ガス温度抑制の機能強化によって超低ＮＯｘ化を図ることも考えられる。この機能強化とは、水管群をバーナと接触して設けたり、水管群の伝熱面密度を増加することである。しかしながら、この機能の過度の強化は、圧力損失が増大したり、振動燃焼などの不安定燃焼を生ずる。
【０００６】
また、排ガス再循環による燃焼ガス温度抑制の機能強化によって超低ＮＯｘ化を図ることも考えられる。この機能強化とは、排ガス循環量を増加させることである。しかしながら、この機能強化により、排ガス再循環が有する不安定特性を増幅する。すなわち、排ガス再循環は、燃焼量の変化や負荷の変化により、排ガス流量や温度が変化する特性を有している。排ガス再循環量を増大させると、これらの不安定特性が増幅される結果、安定した低ＮＯｘ化を実現できない。
【０００７】
また、排ガス再循環の機能強化により、燃焼反応が抑制され、ＣＯおよび未燃分の排出増加をもたらすと共に、熱的ロスの増大を招く。また、排ガス再循環量を増大させると、送風機負荷が増加する。燃焼反応の過度の抑制は、ＣＯ及び未燃分の排出増加をもたらすと共に熱的ロスの増大を招く。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、排出ＮＯｘ値が１０ｐｐｍを下回る低ＮＯｘ化を容易に実現できる低ＮＯｘ燃焼方法とその装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘ化を実現する低ＮＯｘ燃焼方法であって、吸熱体群による燃焼ガス温度の抑制と、燃焼完結ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制と、前記バーナの燃焼用空気への水または蒸気添加による燃焼ガス温度の抑制とを組み合わせて行うことにより、燃焼ガス温度の抑制をなすことを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記バーナを完全予混合式のバーナとして高空気比で燃焼させることによる燃焼ガス温度の抑制を組み合わせたことを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘ化を実現する低ＮＯｘ燃焼装置であって、燃焼反応領域に設けた吸熱体群により燃焼ガス温度を抑制する第一抑制手段と、燃焼完結ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることにより燃焼ガスを抑制する第二抑制手段と、前記バーナの燃焼用空気への水または蒸気添加により燃焼ガス温度を抑制する第三抑制手段とを具備したことを特徴としている。
【００１２】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記バーナを完全予混合式のバーナとして高空気比で燃焼させて燃焼ガス温度を抑制する第四抑制手段を組み合わせたことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の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。燃焼ガスは、燃焼反応中（燃焼過程）の燃焼ガスと燃焼反応が完結した燃焼ガスとを含む。そして、燃焼反応中ガスは燃焼反応中の燃焼ガスを意味し、燃焼完結ガスは燃焼反応が完結した燃焼ガスを意味する。また、燃焼反応中ガスは、物質概念であるが、一般的には目視可能な火炎を含み火炎状態であるので、状態概念として火炎と称することもできる。よって、本明細書においては、燃焼反応中ガスを火炎または燃焼火炎と称する場合もある。また、排ガスとは伝熱管などによる吸熱作用を受けて温度低下した燃焼完結ガスをいう。
【００１４】
また、燃焼ガス温度は、特に断らなければ、燃焼反応中ガスの温度を意味し、燃焼温度あるいは燃焼火炎温度と同義である。さらに、燃焼ガス温度の抑制とは、燃焼ガス（燃焼火炎）温度の最高値を低く抑えることを意味する。なお、通常、燃焼反応は、燃焼完結ガス中においても極微量であるが継続しているので、燃焼完結とは、燃焼反応の１００％完結を意味するものではない。
【００１５】
さらに、空気比は、実際燃焼空気量／理論燃焼空気量であるが、排ガスＯ２（％）（排ガス中の酸素濃度）と所定の関係で対応しているので、排ガスＯ２（％）にて表示する。また、ＮＯｘ値は、排ガス０％Ｏ２換算の値を示し、ＣＯ値は、換算値でなく読取値を示す。
【００１６】
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，吸収式冷凍機の再熱器などの熱機器（燃焼機器と称しても良い。）に適用される。この熱機器は、バーナとこのバーナからの燃焼ガスによって加熱される吸熱体群を有する。
【００１７】
この発明の方法の実施の形態は、バーナからの燃焼ガスの温度の抑制を、吸熱体群による燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第一抑制手段」という。）と、燃焼完結ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第二抑制手段」という。）と、前記バーナの燃焼用空気への水または蒸気添加（以下、「水／蒸気添加」という。）による燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第三抑制手段」という。）とを組み合わせた低ＮＯｘ化手段によりなすものである。前記低ＮＯｘ化手段は、所定空気比以上で生成ＮＯｘ値をＮＯｘ低減目標値である１０ｐｐｍ以下に低減するよう構成される。
【００１８】
前記低ＮＯｘ化手段を構成する前記第一抑制手段は、つぎの原理に基づく。前記バーナからの燃焼反応中ガス中，すなわち燃焼反応領域に吸熱体を多数配置して構成した吸熱体群の冷却作用により燃焼ガス温度を抑制して、ＮＯｘ値を低減する。この第二抑制手段は、前記吸熱体群を配置して燃焼反応中ガスを冷却するので、不均一冷却である。そして、前記燃焼反応領域の吸熱体間の隙間においては燃焼が活発に行われている部位もある。特に、前記吸熱体の後流においては、渦流が形成されて、燃焼火炎は伝熱管により保炎される。前記吸熱体は、水管などの伝熱管にて構成されるが、これに限定されるものではない。
【００１９】
燃焼反応中ガスの流れに対してどのように前記吸熱体群を配置するかの配置構成として、つぎの二つの形態を含む。その一つは、前記バーナから排ガス出口までほぼ直線状に燃焼ガスが流通する燃焼ガス通路を形成し、前記バーナからの燃焼反応中ガスと交叉するように前記吸熱体群を互いに燃焼ガスの流通を許容する間隙を存して配置する構成である。他の一つは、吸熱体群を互いに燃焼ガスの流通を許容する間隙を存して環状に配列し、前記バーナからの燃焼ガスを前記環状吸熱体群の内側から前記吸熱体群に向けて放射方向に流通させるように構成して、前記バーナからの燃焼反応中ガス中に前記吸熱体群に配置する構成である。後者の構成は、特開平１１−１３２４０４号公報（米国特許第６０２９６１４号明細書）に示されるものと同様である。
【００２０】
前記第二抑制手段は、所謂排ガス再循環燃焼法と称されるもので、前記吸熱体群による吸熱作用を受けて温度低下した後大気へ放出される排ガスの一部が、排ガス再循環通路を介して燃焼用空気に混入される。混入した排ガスの冷却効果により、燃焼ガス温度を抑制して、ＮＯｘ値を低減する。この第二抑制手段は燃焼ガスの均一冷却である。
【００２１】
前記第三抑制手段は、前記燃焼反応領域への水／蒸気添加である。この水／蒸気添加により、燃焼反応中ガスが冷却され、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が低減する。この第三抑制手段も燃焼ガスの均一冷却である。前記水／蒸気添加は、実施に応じて前記排ガス循環通路において行うことができる。さらには、前記バーナを完全予混合式バーナとし、送風機により燃焼用空気と排ガスとの混合気を前記バーナへ送る実施の形態においては、前記バーナと前記送風機との間において蒸気添加を行うことができる。なお、水添加は、水を霧状として添加する。
【００２２】
この第一抑制手段から第三抑制手段の組合せによる効果は、つぎの通りである。前記第一抑制手段および第二抑制手段による燃焼ガス温度の抑制機能を強化すると、各抑制手段の有する欠点が問題化してくるが、３つの抑制手段を組み合わせることで、これらの欠点を問題化することなく、比較的簡単に超低ＮＯｘを実現できる。特に、第三抑制手段を組み合わせることにより、第二抑制手段の不安定特性を緩和でき、安定した超低ＮＯｘ化を実現できる効果を奏する。
【００２３】
この実施の形態においては、好ましくは前記バーナを完全予混合式バーナとして高空気比にて燃焼させることによる燃焼ガス温度の抑制（以下、第四抑制手段という。）を組み合わせることができる。前記第四抑制手段は、つぎの原理に基づく。前記バーナを高空気比にて燃焼させると、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が低減する。ここにおける高空気比とは、排ガス中に含まれるＯ２（％）：５以上であり、好ましくは５．５以上である。この抑制作用は、前記バーナにより形成される燃焼反応領域全体にほぼ均一に作用する。
【００２４】
この第四抑制手段を組み合わせることで、前記各抑制手段の機能強化による問題をさらに緩和できる。
【００２５】
さらに、前記実施の形態においては、好ましくは、前記空気比を所定高空気比に制御する空気比制御手段を付加する。より具体的には、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設け、この酸素濃度検出手段による検出酸素濃度が前記所定高空気比に対応する設定値となるように、前記バーナへ燃焼用空気を送風する送風機の回転数を制御する。前記の所定高空気比は、つぎのようにして決められる。ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍとすると、前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性において前記目標値に対応する空気比を求め、こうして求めた空気比またはこの空気比以上の値を所定高空気比とする。結局、所定高空気比はＮＯｘ低減目標値に対応する。
【００２６】
また、前記空気比制御手段は、つぎの変形例を含む。前記空気比制御手段は、前記送風機の回転数を制御する構成であるが、これに代えて前記送風機の下流または上流に設けたダンパ，弁などの燃焼用空気流量調整手段を設け、この燃焼用空気流量調整手段の開度を制御することによって空気比を一定に制御するように構成できる。さらに、実施に応じては、前記酸素濃度検出手段の代わりに、外気温を検出する外気温検出手段を設け、この外気温検出手段により前記送風機または前記流量調整機構を制御して、空気比を一定に制御するように構成することができる。
【００２７】
つぎに、この発明の装置に関する実施の形態につき説明する。この発明は、前記の方法の実施の形態に対応するつぎの装置の実施の形態（１）〜（４）を含む。
【００２８】
実施の形態（１）：バーナからの燃焼ガスの温度を制御することにより低ＮＯｘ化を実現する低ＮＯｘ燃焼装置であって、前記第一抑制手段と、前記第二抑制手段と、前記第三抑制手段とから低ＮＯｘ化手段を構成することを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【００２９】
実施の形態（２）：実施の形態（１）において前記低ＮＯｘ化手段に第四抑制手段を含ませたことを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【００３０】
さらに、前記装置に関する実施の形態は、さらに、次の実施の形態（３）から（６）を含む。
実施の形態（３）：実施の形態（１）において、空気比対ＮＯｘ特性を前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少するものとし、空気比対ＣＯ特性を前記空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加するものとする低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定高空気比に制御する空気比制御手段とを具備し、前記空気比対ＮＯｘ特性とＮＯｘ低減目標値とから前記所定空気比が求められることを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【００３１】
実施の形態（４）：前記実施の形態（２）において、空気比対ＮＯｘ特性を前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少するものとし、空気比対ＣＯ特性を前記空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加するものとする低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定高空気比に制御する空気比制御手段とを具備し、前記空気比対ＮＯｘ特性とＮＯｘ低減目標値とから前記空気比が求められることを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【００３２】
前記実施の形態（３）〜（４）によれば、外気温度が変動しても空気比の制御により安定した超低ＮＯｘ化を実現できる。
【００３３】
実施の形態（５）：前記実施の形態（１）において、前記バーナを高燃焼と低燃焼とを切替可能に構成し、高燃焼時および低燃焼時ともに前記第一抑制手段と第二抑制手段と第三抑制手段により燃焼ガス温度を抑制し、低燃焼時と高燃焼時とで前記第二抑制手段による排ガス循環量と第三抑制手段による水／蒸気添加量を調整することを特徴とする低ＮＯｘおよび低ＣＯ燃焼装置。
【００３４】
この実施の形態（５）によれば、燃焼量の増減に合わせて排ガス循環量と水／蒸気添加量を調整するので、第二抑制手段または第三抑制手段の一方の機能のみを強化することによる問題を解消または緩和できる効果がある。
【００３５】
実施の形態（６）：前記実施の形態（１）において、前記バーナを高燃焼と低燃焼とを切替可能に構成し、低燃焼時には前記第一抑制手段と第二抑制手段により燃焼ガス温度を抑制し、高燃焼時には前記第一抑制手段と第二抑制手段と第三抑制手段により燃焼ガス温度を抑制し、低燃焼時と高燃焼時とで前記第二抑制手段による排ガス循環量を同じとすることを特徴とする低ＮＯｘおよび低ＣＯ燃焼装置。
【００３６】
実施の形態（７）：前記実施の形態（１）において、前記バーナを高燃焼と低燃焼とを切替可能に構成し、低燃焼時および高燃焼時に前記第一抑制手段と第二抑制手段により燃焼ガス温度を抑制し、低燃焼時と高燃焼時とで前記第二抑制手段による排ガス循環量を同じとすると共に、高燃焼時の第三抑制手段による水／蒸気添加量を低燃焼時のそれよりも多くすることを特徴とする低ＮＯｘおよび低ＣＯ燃焼装置。
【００３７】
この実施の形態（６）および（７）は、排ガス再循環量を低燃焼時と高燃焼時とで同じにする，すなわち排ガス循環量を調整せずに、同じとし、高燃焼時と低燃焼時とで水または蒸気添加量を調整するものである。その結果、高燃焼と低燃焼との切替に伴う、排ガス再循環量の調整手段が不要となると共に、排ガス循環量を増大させることによる排ガス再循環の不安定特性を緩和できる効果を奏する。
【００３８】
【実施例】
この発明の低ＮＯｘ燃焼方法とその装置を水管ボイラの一種である貫流式の蒸気ボイラに適用した実施例について、以下に図面に従い説明する。図１は、この発明の一実施例を適用した蒸気ボイラの縦断面の説明図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面図であり、図４および図５は、それぞれ同実施例の高燃焼時，低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性を示す図であり、図６は、同実施例の要部制御回路図であり、図７は、同実施例のＣＯ酸化触媒体を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図である。
【００３９】
以下に、この実施例のボイラの全体構成を説明し、ついで特徴部分の構成につき説明する。特徴部分とは、多数の伝熱管による燃焼ガス温度の抑制手段（第一抑制手段）、燃焼完結ガスを燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（第二抑制手段）、前記燃焼反応領域への蒸気添加による燃焼ガス温度の抑制手段（第三抑制手段）および完全予混合式のバーナを高空気比で燃焼させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（第四抑制手段）の組合せによる低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定の高空気比に維持すべく制御する空気比制御手段とである。
【００４０】
まず、前記蒸気ボイラの全体構成につき説明する。この蒸気ボイラは、高燃焼と低燃焼とを切替えて運転できる。そして、平面状の燃焼面（予混合気噴出面）を有する完全予混合式のバーナ１および多数の熱吸収用の伝熱管２，２，・・・を有する缶体３と、前記バーナ１へ燃焼用空気を送る送風機４および給気通路５と、ガス燃料供給管６と、前記缶体３から排出される排ガスを排出する排ガス通路（通常煙突と称される。）７と、この排ガス通路７を流通する排ガスの一部を燃焼用空気に混入させて前記バーナ１へ供給する排ガス再循環通路８と、燃焼用空気へ蒸気を添加する蒸気添加管９（図３参照）とを備えている。なお、前記各伝熱管２の外径は、６０．５ｍｍである。
【００４１】
前記缶体３は、上部管寄せ１０および下部管寄せ１１を備え、この両管寄せ１０，１１間に複数の前記各伝熱管２を配置している。図２において、前記缶体３の長手方向の両側部に外側伝熱管１２，１２，・・・を連結部材１３，１３・・・で連結して構成した一対の水管壁１４，１４を設け、この両水管壁１４，１４と前記上部管寄せ１０および下管寄せ１１との間に前記バーナ１からの燃焼反応中ガスおよび燃焼完結ガスがほぼ直線的に流通する燃焼ガス通路１５を形成している。
【００４２】
つぎに、前記各要素間の接続関係を説明する。図１に示すように、前記燃焼ガス通路１５の一端には前記バーナ１が設けられ、他端の排ガス出口１６には排ガス通路７が接続されている。前記バーナ１には前記給気通路５が接続され、前記給気通路５には前記ガス燃料供給管６が燃料ガスを前記給気通路５内に噴出するように接続されている。前記ガス燃料供給管６には、高燃焼と低燃焼とで燃料流量を調整する燃料流量調整手段としての第一弁１７を備えている。なお、前記給気通路５には、前記燃料ガスと燃焼用空気との混合性を良くするためのベンチュリーと称される絞り部（図示しない）を設けているが、圧損を低減するために、実施に応じて前記絞り部を削除するように構成できる。
【００４３】
さらに、図３に示すように、前記送風機４の吸込口１８には吸気通路１９が接続され、この吸気通路１９と前記排ガス通路７との間に前記排ガス再循環通路８が接続されている。前記吸気通路１９内には前記蒸気添加管９が挿入されている。
【００４４】
以上の構成に基づく、前記蒸気ボイラの概略動作は、以下の通りである。前記吸気通路１９から供給される燃焼用空気（外気）は、前記ガス燃料供給管６から供給される燃料ガスと前記給気通路５内において予混合され、この予混合気は前記バーナ１から前記缶体３内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燃焼反応中ガスは、上流側の伝熱管２群と交叉して冷却された後、燃焼完結ガスとなり下流側の伝熱管２群と熱交換して吸熱されて排ガスとなる。この排ガスは、前記排ガス通路７から大気中へ排出される。そして、排ガスの一部は、前記排ガス再循環通路８を経て前記バーナ１へ供給され、燃焼ガス温度の抑制に用いられる。
【００４５】
また、前記各伝熱管２中の水は、燃焼ガスとの熱交換により加熱され、蒸気化される。この蒸気は、前記上部管寄せ１０に接続される蒸気取出手段（図示しない）から蒸気使用設備（図示しない）へ供給されると共に、その一部が前記蒸気添加管９へ供給され、燃焼反応中ガスの冷却に用いられる。
【００４６】
つぎに、この実施例の前記特徴部分につき説明する。前記低ＮＯｘ化手段は、所定空気比以上において生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下に低減する。前記低ＮＯｘ化手段を構成する前記第一抑制手段につき説明する。この第一抑制手段は、多数の前記伝熱管２を前記バーナ１により形成される燃焼反応領域（燃焼ガス温度が約９００℃以上の領域）２０のほぼ全域に互いに燃焼ガスが流通する間隙を存して配設した構成である。前記バーナ１からの燃焼反応中ガスはこれら伝熱管２群により冷却される。この冷却により、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が下がる。燃焼ガスの冷却度合いに影響を与える前記伝熱管２群の配列ピッチは、時間当りの燃焼量および圧損などを考慮して決めている。
【００４７】
前記第二抑制手段は、前記排ガス通路７と前記排ガス再循環通路８と前記給気通路５と前記バーナ１とから構成される排ガス再循環手段である。前記排ガス再循環通路８内の適所には、排ガス再循環量を所定量に調整する排ガス流量調整手段としての第一ダンパ２１を設けている。前記バーナ１へ供給される予混合気に排ガスを混入させることで、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が下がる。再循環される排ガス量（排ガス再循環量）と燃焼用空気量（実際燃焼空気量）との比率は、高燃焼時と低燃焼時とで同じとなるように前記第一ダンパ２１により調整される。
【００４８】
前記第三抑制手段は、図３に示すように、前記蒸気添加管９と前記吸気通路１９と前記送風機４と前記給気通路５と前記バーナ１とから構成される。この蒸気添加管９の反添加側端は、蒸気添加量を調整する蒸気流量調整手段としての第二弁２２を介して前記上部管寄せ１０に接続され、前記蒸気ボイラにて生成される蒸気がそのまま利用されるよう構成されている。前記第二弁２２と前記上部管寄せ１０との間にはオリフィスなどの減圧機構（図示しない）を設ける。蒸気は、前記バーナ１へ供給される燃焼用空気に均一に混入され、前記バーナ１の多数の予混合気噴出口（図示しない）からほぼ均一に前記缶体３内へ噴出される。その結果、広がって形成される予混合燃焼火炎に対し効果的な冷却がなされる。
【００４９】
さらに第四抑制手段は、前記完全予混合式のバーナ１を高空気比で燃焼させる構成である。前記バーナ１を高空気比にて燃焼させると、燃焼ガス温度が低下し、ＮＯｘ値が低下する。前記バーナ１は、大きさ縦６０ｃｍ，横１８ｃｍの矩形状のバーナであり、前記予混合気噴出口がほぼ均等に形成されている。そして、前記バーナ１は、例えば平板と波板（いずれも図示しない）を交互に多数枚積層して構成する周知のものが用いられる。
【００５０】
この実施例の蒸気ボイラは、前記のように高燃焼と低燃焼とを切替えて行うことができる。そして、同蒸気ボイラの前記低ＮＯｘ化手段は、図４および図５に示す高燃焼時と低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性を有する。この空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性について以下に説明する。
【００５１】
まず、高燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性は、ある運転条件にて空気比を変化させることでそれぞれ図４の曲線Ａ，曲線Ｂのように求められる。前記運転条件は、燃料がＬＰＧであり、前記バーナ１の燃焼量が５０Ｎｍ３／ｈ（前記蒸気ボイラの高燃焼時の燃焼量）であり、排ガス再循環率が４％（排ガス再循環量／実際燃焼空気量）であり、蒸気添加量が１７ｋｇ／ｈである。そして、排ガス再循環率４％における実際燃焼空気量および排ガス再循環量は、たとえばＯ２（％）：６において、それぞれ１６６９Ｎｍ３／ｈ，６７Ｎｍ３／ｈとなる。
【００５２】
空気比の変化は、実際燃焼空気量を変化させることで行われる。この実際燃焼空気量の変化は、前記送風機４のファン２３を駆動する電動機２４（図３参照）の回転数を制御することにより行われる。なお、図４の曲線Ｃ，曲線Ｄは、前記第二抑制手段および第三抑制手段による冷却を行わない対比例の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性であって、実施例の曲線Ａ，曲線Ｂと対比するためのものである。
【００５３】
この高燃焼時の前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性は、曲線Ａに示すように空気比の増加に対してＮＯｘ値が減少するものとなっている。また、空気比対ＣＯ特性は、曲線Ｂに示すように空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加し、特に、Ｏ２（％）：５以上で急激に排出ＣＯ値が増加するものとなっている。なお、図４の曲線Ｃ，曲線Ｄは、前記第二抑制手段および第三抑制手段による燃焼ガス温度の抑制を行わない対比例の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性であって、実施例の曲線Ａ，曲線Ｂと対比するためのものである。
【００５４】
つぎに、低燃焼時の前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性について説明する。これらの特性は、高燃焼時のものと同様にそれぞれ図５の曲線Ｅ，曲線Ｆのように求められる。低燃焼時の運転条件は、燃料がＬＰＧであり、前記バーナの燃焼量が２５Ｎｍ３／ｈ（前記蒸気ボイラの低燃焼時の燃焼量）であり、排ガス再循環率が４％（排ガス再循環量／実際燃焼空気量）であり、蒸気添加量が８．５ｋｇ／ｈである。そして、排ガス再循環率４％における実際燃焼空気量および排ガス再循環量は、たとえばＯ２（％）：６において、それぞれ８３４Ｎｍ３／ｈ，３３Ｎｍ３／ｈとなる。
【００５５】
この低燃焼時の前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性も、曲線Ｅに示すように空気比の増加に対してＮＯｘ値が減少するものとなっている。また、空気比対ＣＯ値特性は、曲線Ｆに示すように空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加し、特に、Ｏ２（％）：５．５以上で急激に排出ＣＯ値が増加するものとなっている。なお、図５の曲線Ｇ，曲線Ｈは、前記第二抑制手段および第三抑制手段による燃焼ガス温度の抑制を行わない対比例の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性である。
【００５６】
前記空気比制御手段は、図６に示すように、前記排ガス通路７に設けた前記酸素濃度検出手段としての酸素濃度センサ２５（図１参照）とこの酸素濃度センサ２５の出力を入力して、前記電動機２４の回転数を制御する制御回路２６とから構成される。前記電動機２４は、インバータ制御による回転数制御可能なように構成される。前記ファン２３の回転数を前記バーナ１の空気比が所定の高空気比（所定値）となるように制御することで、外気温の変化に対して所定の低ＮＯｘ効果を維持する。
【００５７】
前記所定値は、この実施例においては、ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍとした場合、高燃焼時は図４の曲線Ａと１０ｐｐｍとから、Ｏ２（％）：５．８として求められる。勿論、５．８％以上であれば、低減目標値をクリアできるので、前記所定値を例えば６％とすることもできる。低燃焼時は、図５の曲線Ｅと１０ｐｐｍとから、Ｏ２（％）：６．２５として求められる。
【００５８】
この実施例においては、前記低ＮＯｘ化手段から排出されるＣＯをＣＯ低減目標値以下とする低ＣＯ化手段を備えている。この低ＣＯ化手段は、前記低ＮＯｘ化手段から排出されるＣＯを酸化し、ＣＯ低減目標値以下に低減するものである。実施例の低ＣＯ化手段は、ＣＯ値を約１／１０に低減するＣＯ酸化触媒体２７にて構成される。このＣＯ酸化触媒体２７によるＣＯ低減特性は、図４の曲線Ｍ、図５の曲線Ｎにて示される。結局、曲線Ｄ，曲線Ｅにて示される排ガス中のＣＯは、曲線Ｍ，曲線Ｎのように低減される。
【００５９】
このＣＯ酸化触媒体２７は、図７に示すような構造のもので、例えば、つぎのようにして形成される。前記基材としての共にステンレス製の平板２８および波板２９のそれぞれの表面に多数の微小凹凸を形成し、その表面に酸化触媒を塗布する。ついで、前記平板２６および波板２７を所定の長尺状に切断し、両者を重ね合わせたうえで、螺旋状に巻回してロール状に形成している。このロール状のものを側板３０にて包囲し固定している。こうして図７に示すような前記ＣＯ酸化触媒体２７が形成される。前記酸化触媒としては、白金を用いている。なお、図７においては、前記平板２８および前記波板２９の一部のみを示している。
【００６０】
前記ＣＯ酸化触媒体２７は、図１に示すように、前記排ガス出口１６部に着脱自在に装着される。このＣＯ酸化触媒体２７の大きさ及び処理容量は、酸化触媒の性能と、酸化させるべきＣＯの量と、前記ＣＯ酸化触媒体２７を排ガスが流通するときに生ずる圧力損失とを考慮して設計している。
【００６１】
さらに、前記低ＮＯｘ化手段は、図２に示すように、前記ＣＯ酸化触媒体２７と別の低ＣＯ化手段を含んでいる。この低ＣＯ化手段は、吸熱体群中に形成される断熱空間と称される伝熱管除去空間３１である。そして、図２に示すように、前記伝熱管２群の一部、この実施例では４本の前記伝熱管２を除去して燃焼ガス温度が１４００℃以下で、９００℃以上の温度範囲となる前記伝熱管除去空間３１を形成している。
【００６２】
前記伝熱管除去空間３１は、高燃焼時に、ほぼ前記温度範囲となるが、低燃焼時には燃焼火炎が短い，すなわち燃焼反応領域が狭くなるので、前記温度範囲に入らなくなる。したがって、高燃焼時は、前記ＣＯ酸化触媒体２７と前記伝熱管除去空間３１が低ＣＯ化手段として機能し、低燃焼時は、前記伝熱管除去空間３１は低ＣＯ化手段として機能せず、前記ＣＯ酸化触媒体２７が低ＣＯ化手段として機能する。
【００６３】
前記構成の実施例の動作および作用を以下に説明する。前記バーナ１からの燃焼反応中ガスは、低ＮＯｘ化作用，すなわち前記の第一抑制手段〜第四抑制手段による燃焼ガス温度抑制作用を同時に受け、しかも前記空気比制御手段によりＯ２（％）を高燃焼時５．８，低燃焼時６．２５とする定空気比制御を受ける。
【００６４】
こうした定空気比制御により、外気温が変動しても常にほぼ一定の空気比となり、生成ＮＯｘ値は１０ｐｐｍに抑制される。すなわち、前記低ＮＯｘ手段による燃焼ガス温度抑制作用により、燃焼ガス温度は、前記第二抑制手段および第三抑制手段の作用を受けない前記対比例と比較して、約１００℃程度平均的に低下する。その結果、上流側伝熱管２群から流出するの燃焼ガス中のＮＯｘ値は、図４および図５の曲線Ａ，曲線Ｅに示すように１０ｐｐｍ程度に抑制される。
【００６５】
また、前記の空気比制御により、前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値も所定値に制御される。図４および図５の特性曲線Ｂ，曲線Ｆに示されるように、高燃焼時は約４００ｐｐｍで、また低燃焼時は約１００ｐｐｍ程度となる。
【００６６】
前記低ＮＯｘ化の際に生成されるＣＯは、つぎのようにして低減化される。生成されたＣＯは、高燃焼時においてはまず伝熱管除去空間３１にてその一部が酸化され、低燃焼時にはほとんど酸化されずに排ガスとなって前記排ガス出口１６に至る。この排ガス中に残存するＣＯは、前記ＣＯ酸化触媒体２７により酸化され、図４および図５の特性曲線Ｍ，Ｎに示されるようにＣＯ値が約１／１０に低減される。
【００６７】
この実施例によれば、第一抑制手段から第四抑制手段を組合せて低ＮＯｘ化手段を構成しているので、つぎの作用効果を奏する。個々の抑制手段の機能を単独に強化すると、各抑制手段の有する欠点が問題化してくるが、４つの抑制手段を組み合わせることで、これらの欠点を問題化することなく、比較的簡単に超低ＮＯｘ化を実現できる。特に、後述する前記第四抑制手段よる不安定特性を緩和して安定した超低ＮＯｘ化を実現できる。以下に、これについて詳述する。
【００６８】
なお、前記第一抑制手段（吸熱体群冷却）の機能強化は、前記伝熱管２を前記バーナ１と接触して設けたり、前記伝熱管２群の伝熱面密度を増加することである。この機能強化により、圧力損失が増大したり、振動燃焼などの不安定燃焼を生ずる。
【００６９】
また、前記第二抑制手段（排ガス再循環）の機能強化は、排ガス循環量を増加させることである。この機能強化により、前記第二抑制手段が有する不安定特性を増幅する。すなわち、排ガス再循環は、燃焼量の変化や負荷の変化により、排ガス流量や温度が変化する特性を有している。排ガス再循環量を増大させると、これらの不安定特性が増幅される結果、安定した低ＮＯｘ化を実現できない。また、前記第二抑制手段の機能強化により、燃焼反応が抑制され、ＣＯおよび未燃分の排出増加をもたらすと共に、熱的ロスの増大を招く。また、排ガス再循環量を増大させると、送風機負荷が増加する。
【００７０】
また、前記第三抑制手段（水／蒸気添加）の機能強化は、付加する水分量を増加させることである。この機能強化により、熱的ロスが増大すると共に結露量が増加し、特に前記伝熱管２へ供給する水を排ガスにより予熱する給水予熱器を有するボイラにおいては、前記給水予熱器の結露による腐食が問題となる。
【００７１】
さらに、前記第四抑制手段（予混合高空気比燃焼）の機能強化は、空気比を増加させることである。この機能強化により燃焼反応の停止および前記バーナ１の不安定燃焼が発生する。また、
【００７２】
これに対して、この実施例によれば、前記第一抑制手段〜第四抑制手段を組み合わせているので、前記各抑制手段の機能を単独に強化することによる問題点の表面化を防止できる。
【００７３】
また、この実施例によれば、つぎの作用効果を奏する。前記空気比制御手段により空気比をほぼ一定の高空気比に制御するので、外気温が変動しても安定した低ＮＯｘ効果を得ることができる。その結果、１日および年間の広範な運転点においてＮＯｘ低減目標値をクリアできる。
【００７４】
また、前記定空気比制御により、前記低ＮＯｘ化手段より排出のＣＯ値も一定に制御される。その結果、空気比変動により排出ＣＯ値が増加して、前記ＣＯ酸化触媒体２７の処理能力を超えるということがなくなり、安定した低ＣＯ化をも実現できる効果を奏する。特に、ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍ以下とするような低ＮＯｘ化手段においては、１０ｐｐｍ近傍では、排出ＣＯ値が急激に増加するので、定空気比制御は、ＣＯ低減目標値の達成および前記ＣＯ酸化触媒体２７の容量の設計を容易にする点においてに非常に効果が大きい。
【００７５】
前記ＣＯ酸化触媒体２７の容量の設計を容易にする点について、さらに説明する。前記ＣＯ酸化触媒体２７は、容量を大きくすると圧力損失が増加するので、ＣＯ低減目標値をぎりぎりでクリアできるように設計される。定空気比制御を行わないと、前記ＣＯ酸化触媒体２７の処理容量を余裕をもって設計する必要が生ずる。また、処理容量を大きくすると、圧力損失が増大する。その結果、前記蒸気ボイラ自体の圧力損失が増大し、前記送風機４や前記缶体３を設計し直す必要が生ずる。この実施例のように定空気比制御を行うことで、これらの問題を解決できる効果を奏する。
【００７６】
さらに、この実施例によれば、生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを同時に達成でき、大気汚染防止に大きく寄与できる。また、低燃焼時は、前記伝熱管除去空間３１は低ＣＯ化手段として有効に機能しないが、前記ＣＯ酸化触媒体２７によりＣＯが酸化されるので、高燃焼時，低燃焼時に拘わらず、低ＣＯ化を実現できる。
【００７７】
なお、この発明は前記実施例に限定されるものではなく、つぎの変形例を含む。前記実施例においては、前記第一抑制手段の前記各伝熱管２を垂直水管により構成しているが、水平あるいは傾斜して配置される水管により構成することができる。さらに、前記各伝熱管２の形状も前記実施例の真円に限定されるものではなく、実施に応じて楕円などの形状とすることができる。
【００７８】
また、前記実施例においては、前記第一抑制手段の前記各伝熱管２を裸管としているが、実施に応じて、前記伝熱管除去空間３１の下流の前記各伝熱管２に水平のヒレ状フィンや全周フィン（いずれも図示しない）を取り付けて、熱回収率を向上させるようにすることができる。
【００７９】
また、前記実施例においては、前記第三抑制手段の前記蒸気添加管９の蒸気を前記吸気通路１９中へ噴出するように構成しているが、実施に応じて、図８に示すように、前記蒸気添加管９を前記バーナ１と前記送風機４との間に蒸気を噴出するように取り付けることができる。この変形例によれば、前記送風機４の下流側にて蒸気を供給しているので、上流側にて供給する前記実施例と比較して前記送風機４の送風負荷の増大を少なくできると共に、結露による前記送風機４の腐食を防止できる。
【００８０】
また、実施に応じて、図９に示すように前記蒸気添加管９を前記排ガス再循環通路８に蒸気を噴出するように取り付けることができる。蒸気を前記排ガス再循環通路８に噴出させることにより、結露がしにくくなり、錆の発生を少なくできると共に、蒸気と燃焼用空気との混合の均一化がなされるなどの効果を発揮する。
【００８１】
また、前記実施例においては、前記第四抑制手段を完全予混合式のバーナとしているが、実施に応じて、部分予混合のバーナとすることができる。
【００８２】
また、前記実施例においては、前記空気比制御手段を前記送風機４の回転数を制御するように構成しているが、実施に応じて、図１０に示すように、前記送風機４の下流側に設けた燃焼空気量調整手段としての第二ダンパ３２により空気比を制御するように構成できる。
【００８３】
また、前記実施例においては、前記空気比制御手段を酸素濃度センサ２５の信号により制御するものとしているが、実施に応じて前記送風機４の吸気温度を検出する前記外気温検出手段としての外気温センサ３３を設け、図１１に示すように、この外気温センサ３３出力により、空気比を制御するように構成することができる。この場合、所定燃焼量および所定排ガス再循環量において、外気温と空気比との関係を実験にて予め求め、外気温対送風機回転数の対比テーブルを作成する。そして、この対比テーブルを制御回路３４のメモリ（図示しない）に記憶させておき、このテーブルに基づき空気比がほぼ一定となるように、前記送風機４の電動機２４を制御するように構成することができる。
【００８４】
また、前記実施例においては、前記低ＮＯｘ化手段に前記伝熱管除去空間３１を含ませているが、実施に応じて、図１２に示すように、前記伝熱管除去空間３１を省略する，すなわち伝熱管を除去しないよう構成することができる。
【００８５】
また、前記実施例の蒸気ボイラは、燃焼量を高燃焼と低燃焼とに切替え可能なように構成しているが、実施に応じて、燃焼量の切替の無い蒸気ボイラとすることもできる。
【００８６】
さらに、前記実施例においては、前記ＣＯ酸化触媒体２７を前記排ガス出口１６部に取り付けているが、給水予熱器（エコノマイザ）を前記排ガス通路７に設けるものおいては、前記給水予熱器を収容する室において前記給水予熱器の上流側に配置することができる。
【００８７】
【発明の効果】
この発明によれば、生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘを容易に実現できるなど産業的価値は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の縦断面の説明図である。
【図２】同実施例の図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面説明図である。
【図３】同実施例の図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面説明図である。
【図４】同実施例の高燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性曲線を示す図である。
【図５】同実施例の低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性曲線を示す図である。
【図６】同実施例の要部制御回路図である。
【図７】同実施例のＣＯ酸化触媒体の要部構成を示す正面図である。
【図８】この発明の他の実施例の第四抑制手段を備えた縦断面の説明図である。
【図９】この発明の他の実施例の第四抑制手段を備えた縦断面の説明図である。
【図１０】この発明の他の実施例の空気比制御手段を備えた縦断面の説明図である。
【図１１】この発明の他の実施例の空気比制御手段の要部制御回路図である。
【図１２】この発明の他の実施例の図２に相当する断面説明図である。
【符号の説明】
１　バーナ
２　伝熱管
３　缶体
４　送風機
７　排ガス通路
８　排ガス再循環通路
９　蒸気噴射管
２５　酸素濃度センサ
２７　ＣＯ酸化触媒体
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004125379.tif 000010
【図９】
2004125379.tif 000011
【図１０】
2004125379.tif 000012
【図１１】
2004125379.tif 000013
【図１２】
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