(57)【要約】【課題】排ガス中に含まれるＮＯ２の溶解による凝縮水のｐＨ低下を抑制可能な潜熱回収装置及びかかる潜熱回収装置を搭載した給湯器を提供する。【解決手段】燃焼排ガス中には燃焼室１６における燃焼及び熱交換器５における急冷に伴って発生するＮＯ２が含まれている。このＮＯ２成分を含んだ燃焼排ガスは、触媒層３を通過する際に、触媒層３を構成するＡｌ２Ｏ３の触媒作用によるＮＯ２分解反応により、ＮＯ２成分を大幅に減少されたガスに転化している。触媒層３を出た燃焼排ガスは、さらに排ガス流路を上昇して副熱交換器１０に導かれる。ここで、燃焼排ガスは給水管６を介して供給される水道水に熱を与え、自らはさらに冷却される。副熱交換器１０では、燃焼排ガスの温度は露点以下となり、副熱交換器１０表面で凝縮水が発生する。発生した凝縮水は凝縮水回収皿１７に滴下し、さらに排水管１２を通って外部に排水される。この場合、排ガスは既に触媒層３でＮＯ２成分を大幅に減じているため、ＮＯ２の溶解による凝縮水のｐＨ低下は無視できる程度となっている。【選択図】図１
2004012050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕熱回収部と潜熱回収部とを備えた熱交換器と、ＮＯ２還元触媒を含む触媒層と、を燃焼排ガス流路中に備え、
かつ、前記触媒層を前記潜熱回収部における凝縮水生成部より排ガス流路の上流側に配置したことを特徴とする潜熱回収装置。
【請求項２】
前記顕熱回収部と前記潜熱回収部が、それぞれ顕熱回収用の主熱交換器及び潜熱回収用の副熱交換器により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の潜熱回収装置。
【請求項３】
前記触媒層を、排ガス流路に対して前記主熱交換器と前記副熱交換器の中間に配置したことを特徴とする請求項２に記載の潜熱回収装置。
【請求項４】
前記触媒層を、燃焼排ガス温度が約２００℃乃至約６００℃となる位置に配置したことを特徴とする請求項１乃至３に記載の潜熱回収装置。
【請求項５】
前記触媒層を、燃焼排ガス温度が約２５０℃乃至約３５０℃となる位置に配置したことを特徴とする請求項１乃至３に記載の潜熱回収装置。
【請求項６】
前記ＮＯ２還元触媒が金属酸化物触媒であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の潜熱回収装置。
【請求項７】
前記金属酸化物触媒が、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２若しくはＺｒＯ２のいずれか一、又はこれらの混合物を含む金属酸化物触媒であることを特徴とする請求項６に記載の潜熱回収装置。
【請求項８】
前記ＮＯ２還元触媒がＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐｈのいずれか一以上の金属を担持した金属酸化物触媒であることを特徴とする請求項６又は７に記載の潜熱回収装置。
【請求項９】
前記触媒層をハニカム構造に構成したことを特徴とする請求項１乃至８に記載の潜熱回収装置。
【請求項１０】
前記触媒層は、前記ＮＯ２還元触媒を前記潜熱回収部の外表面にコーティングしてなることを特徴とする請求項１乃至９に記載の潜熱回収装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の潜熱回収装置を搭載した給湯器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、潜熱回収装置に関し、特に燃焼排ガス中に含まれるＮＯ２を還元する触媒を搭載した潜熱回収装置に関する。なお、便宜上、本明細書において「燃焼ガス」とは、燃料ガスがバーナ及び燃焼室内で燃焼して生成するガスであって熱交換器に導かれる前のガスをいうものとする。また、「燃焼排ガス」とは熱交換器に顕熱又は潜熱を与える段階のガスをいい、「排気ガス」とは、潜熱を与えた後の排気通路に導かれる段階のガスをいうものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、給湯器やボイラー等においては、熱効率を向上させるために排ガス中に含まれる水蒸気が有する潜熱を回収する方法が多く行われている。潜熱回収に伴い凝縮水（ドレン水）が発生するが、排ガス中に含まれるＮＯ２が水と反応して硝酸、亜硝酸を生成するため、凝縮水は強酸性を示す。このため凝縮水と接触する水管、熱交換用フィン等の金属部材が腐食し、給湯器等の効率低下、燃焼不良、内部流体の流出等の悪影響を及ぼす。これを防止するために熱交換器を銅製熱交換器でなく肉厚のアルミ製熱交換器を採用することも行われている。しかし、この方法では重量増、熱伝導率の低下による熱交換効率の低下及びこれによる熱交換器体積の増大、コストアップ等の問題が生じる。また、長期間の使用による腐食の問題が残る。さらに、回収した酸性凝縮水をそのまま下水等に排出することにも問題がある。
【０００３】
このような問題に対応するため、炭酸カルシウム、マグネシウム等の中和剤を用いて酸性凝縮水を中和した後に排水する技術も提案されている。しかし、この方法では長期間の使用による中和剤の粉化による流出等の問題がある。このため、中和剤をパック化して流出を防止する技術も開示されているが（例えば特開２００１−９９４９４）、コストアップ、機器の大型化等の問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するためのものであって、凝縮水のｐＨ低下を抑制することができる潜熱回収装置及びそのような潜熱回収装置を搭載した給湯器を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するために本発明は、顕熱回収部と潜熱回収部とを備えた熱交換器とＮＯ２還元触媒を含む触媒層とを燃焼排ガス流路中に備え、かつ、触媒層を潜熱回収部における凝縮水生成部より排ガス流路の上流側に配置したことを特徴とする潜熱回収装置を提供する。
【０００６】
ＮＯ２還元触媒により構成される触媒層を潜熱回収部より排ガス流路の上流側に設けることにより、触媒層に導かれる排ガス中のＮＯ２の大部分は、触媒上において燃焼排ガス中のＣＯ、Ｈ２や未燃炭化水素のような還元成分とＮＯ２＋ＣＯ→ＮＯ＋ＣＯ２で示される選択還元反応により難溶性のＮＯに転化する。これにより下流側に設けられた潜熱回収部では、潜熱回収に伴い生成する凝縮水へのＮＯ２の溶解が僅かとなるため、凝縮水のｐＨ低下を抑制することができる。
【０００７】
上記発明において、顕熱回収部と前記潜熱回収部を、それぞれ顕熱回収用の主熱交換器及び潜熱回収用の副熱交換器により構成することができる。
【０００８】
本発明では、顕熱回収部と前記潜熱回収部とを一体の熱交換器として構成することもできるが、顕熱回収部と前記潜熱回収部では燃焼排ガスの温度が異なるため、両者の使用する材料を変えることが経済的であり、また、潜熱回収部では生成する凝縮水の処理を考慮する必要があるため、両者を別個の熱交換器として構成することが構造的にもコスト的にも有利となる。
【０００９】
上記において、さらに触媒層を排ガス流路に対して主熱交換器と副熱交換器の中間位置に配置することができる。
【００１０】
顕熱回収用の主熱交換器では、燃焼排ガスと被加熱流体である温水の温度差が大きいため、熱交換量も大きい。従って、主熱交換器において燃焼排ガスの露点近い温度になるように主熱交換器と副熱交換器の熱交換量を設計して、かつ、両者の中間位置に触媒層を配置すれば、熱効率上効果的である。
【００１１】
上記発明において、好ましくは触媒層を燃焼排ガス温度が約２００℃乃至約６００℃、より好ましくは約２５０℃乃至約３５０℃となる位置に配置することが望ましい。
【００１２】
後述するようにＮＯ２還元触媒の転化率は燃焼排ガスの温度により変化する。上記温度範囲は転化率が特に高い範囲に属するから、燃焼排ガスがこのような温度になるように触媒層を配置することにより、凝縮水へのＮＯ２の溶解をより小さく抑えることが可能になる。
【００１３】
本発明において、触媒層に用いるＮＯ２還元触媒として金属酸化物触媒を用いることができる。特に、金属酸化物触媒のうち、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２若しくはＺｒＯ２を好適に用いることができる。
【００１４】
通常、金属酸化物はＮＯＸ還元触媒の担体として用いられているが、後述するように本発明では金属を担持しない酸化物触媒のみを用いることができ、比較的安価で実用上支障のない潜熱回収装置を提供することができるという特長を有する。
【００１５】
また、上記発明において、金属酸化物触媒にＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐｈのいずれか一以上の金属を担持させることができる。
【００１６】
上記各金属を金属酸化物触媒に担持させることにより、適切な排ガス温度を選択することによりＮＯ２→ＮＯの転化率をさらに向上させることができる。
【００１７】
触媒層としては、種々の構造を採用することができるが、例えばハニカム構造に構成することもできる。また、触媒層として単独の装置を設けることなく、ＮＯ２還元触媒を潜熱回収部の外表面にコーティングした構成とすることも可能である。
【００１８】
ハニカム構造体上に触媒をウォッシュコート法等によりコートした触媒構造体は，通常の触媒ペレット充填型の触媒層に比べ圧力損失が小さい，単位触媒量に対してガスと接触する幾何学的表面積を大きく取れる，等の利点がある。
【００１９】
ハニカム構造体にはステンレス製の薄板により構成されるメタルハニカム構造体もあり，この上に触媒をウォッシュコートしたメタルハニカム触媒構造体が一般的に用いられている。これと同様に，潜熱回収部の外表面上に触媒をウォッシュコートすれば，さらなる小型化、圧力損失の低下等の利点が見込まれる。
【００２０】
さらに、本発明は、上記に記載の各潜熱回収装置を搭載した給湯器を提供する。
【００２１】
燃焼排ガスの潜熱を回収できるため、高効率（熱効率９０％以上）の給湯器が実現できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態は例示であって、本発明の技術的範囲が実施形態に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態である給湯器１の全体構成を示す図である。本発明に係る給湯器１は、筐体８の内部に設けられた本体部１４及び排気通路部１５を主要構成とする。本体部１４は、下部に燃焼用空気供給用の給気ファン９及び燃焼ガスを発生させるバーナ１１を備えている。バーナ１１はガス管路１９と接続されており、ガス管路１９を介して例えば都市ガス、ＬＰガス等の燃料ガスが供給される。
【００２４】
バーナ１１の上部には、燃焼空間である燃焼室１６を介して熱交換部２（図中、点線で囲った部分）が設けられている。熱交換部２は、２つの熱交換器、すなわち、顕熱回収用の主熱交換器５と潜熱回収用の副熱交換器１０、及び主熱交換器５と副熱交換器１０の中間位置に設けられた触媒層３により構成されている。主熱交換器５及び副熱交換器１０は、フィンチューブ型伝熱管（図示せず）で構成されている。副熱交換器１０の直下には、燃焼排ガス中の水蒸気の潜熱回収に伴い生成する凝縮水を回収する凝縮水回収皿１７が設けられている。
【００２５】
触媒層３は、金属酸化物触媒であるＡｌ２Ｏ３により構成され、その形状は排ガスの流れに沿って細孔が設けられたハニカム構造である。また、触媒層３は、燃焼排ガスが主熱交換器５を出て副熱交換器１０に導かれる中間位置に置かれている。
【００２６】
給湯器１の給水・給湯系統の構成は以下の通りである。水道水と直結された給水管６は、副熱交換器１０の伝熱管（図示せず）に接続されている。なお、図１には示していないが、給水管６は、本体部１４の外壁を下部から上部に向かってコイル状に巻かれて副熱交換器１０の伝熱管と接続しており、これにより本体部１４燃焼室１６からの放熱により予熱されている。また、副熱交換器１０と主熱交換器５の給水経路は連結管１８で接続されている。さらに、主熱交換器５の伝熱管（図示せず）は給湯管７に接続されている。給湯管７の下流側には給湯栓（図示せず）が設けられている。このような給水系統構成により、水道水は給湯器１で温水となり、給水管６を介して給湯需要に供されるように構成されている。
【００２７】
次に、同図を参照して給湯器１における燃焼ガスの熱回収作用について説明する。給湯栓（図示せず）が開栓されると水道水が給水管６を介して供給され、同時に、これを検知して給気ファン９が作動して燃焼用空気が燃焼室１６内に供給される。引き続きガス通路１９からの燃料ガスの供給、点火により燃焼が開始され、燃焼室１６内で燃焼ガスが生成される。このとき、燃焼用空気の一部はバーナ１１内に供給される。燃焼ガスは燃焼室１６内を上昇し、主熱交換器５において前述のように伝熱管内を通過する温水に熱を与えて、自らは燃焼排ガスとなる。このときの温度は２００℃乃至３００℃程度であるが、この段階では顕熱回収に止まり、排ガス中の水蒸気の有する潜熱は回収されない。一方、副熱交換器１０から主熱交換器５に供給される温水は、燃焼ガスから熱を得て主熱交換器５出口において設定温度となり、給湯負荷に供される。
【００２８】
燃焼排ガスは、さらに排ガス流路を上昇して触媒層３に導かれる。燃焼排ガス中には燃焼室１６における燃焼及び熱交換器５における急冷に伴って発生するＮＯ２が含まれている。このＮＯ２成分を含んだ燃焼排ガスは、触媒層３を通過する際に、触媒層３を構成するＡｌ２Ｏ３の触媒作用によるＮＯ２還元反応により、ＮＯ２成分を大幅に減少されたガスに転化している。
【００２９】
触媒層３を出た燃焼排ガスは、さらに排ガス流路を上昇して副熱交換器１０に導かれる。ここで、燃焼排ガスは給水管６を介して供給される水道水に熱を与え、自らはさらに冷却される。副熱交換器１０では、燃焼排ガスの温度は露点以下となり、副熱交換器１０表面で凝縮水が発生する。発生した凝縮水は凝縮水回収皿１７に滴下し、さらに排水管１２を通って外部に排水される。この場合、排ガスは既に触媒層３でＮＯ２成分を大幅に減じているため、ＮＯ２の溶解による凝縮水のｐＨ低下が抑制される。このため、凝縮水の中和処理を行うことなく外部に排水することができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、触媒層３の酸化物触媒としてＡｌ２Ｏ３を示したが、他の酸化物触媒を用いることもできる。触媒層３の形状をハニカム構造にしたものを示したが、これに限らず他の構造（例えば、ペレット状触媒充填型の触媒層、セラミックもしくはメタルフォーム状の触媒構造体）を採用することも可能である。
【００３１】
また、本実施形態で示した温度条件は例示であってこれに限るものではない。すなわち、主熱交換器と副熱交換器における熱交換比率を変化させることにより、触媒層に導入される燃焼排ガス温度を適宜選択することができる。
【００３２】
また、本実施形態では燃焼ガスの流路を上方排気としたが、これに限らずバーナを最上部に設けて下方排気方式とすることも可能である。特に、この方式を採用することにより凝縮水回収皿が不要になり、凝縮水の処理が容易となる。
【００３３】
また、本発明に係る潜熱回収装置は、給湯器に限らず吸収式冷凍機、ガスエンジン、燃料電池等の燃焼排熱の熱回収にも好適に利用可能である。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明の効果を確認するために、ＮＯ２を含んだ燃焼排ガスを本発明によるＮＯ２還元触媒層を通過させたときのＮＯ転化率を測定した結果について説明する。
【００３５】
（１）測定条件
測定装置の概要を図３に示す。図中、各構成要素の仕様は以下の通りである。
ａ．触媒層
Ａｌ２Ｏ３、Ａｇ／Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２の４種類の触媒を粉末にして打錠成形後、０．５−１．０ｍｍのサイズに整粒（重量は０．５ｇ）したものを用いた。装置の構成としては、一般的な固定床流通式反応装置とした。
ｂ．ガス組成及び流量
ドライ組成で、ＮＯ２＝１０ｐｐｍ，ＣＯ＝２００ｐｐｍ，Ｏ２＝５％，ＣＯ２＝１０％，Ｎ２（バランス）の混合ガスを用いた。さらに、上記組成にＨ２Ｏ＝１０％が含まれる。
上記組成のガスを６００　ｃｍ３／ｍｉｎ（ＳＶ＝３３０００／ｈｒ）で流通させた。
ｃ．ＮＯ２除去率の算出
化学発光式のＮＯｘ分析計で，触媒入口のＮＯ２濃度をＮＯｘ測定モードで測定し，この値をＣｉｎとする。触媒出口のＮＯ濃度をＮＯ測定モードで測定し，この値をＣｏｕｔとする。ＮＯ２のＮＯへの転化率Ｘを、Ｘ＝（Ｃｏｕｔ／Ｃｉｎ）＊１００　［％］により求めた。
【００３６】
（２）測定結果
表１に、触媒層流入温度を変化させたときの各触媒のＮＯ２→ＮＯ転化率を示す。表１中、ｂｌａｎｋは触媒層を設けない場合のデータである。また、図２は、表１の結果を横軸に温度、縦軸に転化率をとってグラフに示したものである。表１及び図２から明らかなように、流入ガス温度が２００℃乃至６００℃の範囲で、一部の例外を除いてはＮＯ２の大部分がＮＯに転化していることが分かる。特に、２５０℃乃至３５０℃の範囲でこの傾向が顕著である。この結果から、ＮＯ２還元触媒を燃焼排ガス温度が適切な温度になる位置に配置することにより、排ガス中のＮＯ２を殆ど除去することができ、潜熱回収に伴う凝縮水のｐＨを実用上支障のない程度にすることができることが分かる。
【００３７】
【表１】
2004012050.tif 000003
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、排ガス中のＮＯ２の大部分をＮＯに転化することができ、潜熱回収に伴い生成する凝縮水へのＮＯ２の溶解による凝縮水のｐＨ低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る給湯器の一実施形態を示す図である。
【図２】ＮＯ転化率の温度特性を示す図である。
【図３】ＮＯ転化率測定に用いた装置を示す図である。
【符号の説明】
１……給湯器、２……熱交換部、３……触媒層、５……主熱交換器、６……給水管、７……給湯管、８……筐体、９……給気ファン、１０……副熱交換器、１１……バーナ、１２……排水管、１３……、１４……本体部、１５……排気通路部、１６……燃焼室、１７……凝縮水回収皿、１８……連結管、１９……ガス管路
【図１】
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【図２】
2004012050.tif 000005
【図３】
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