(57)【要約】【課題】  排気ガス中の窒素酸化物を簡略な装置構成で除去処理することができる蓄熱式バーナを提供すること。【解決手段】  排気ガスが導入されたときに当該排気ガスからの熱回収により蓄熱する一方で排気ガスに代えて燃焼用空気が導入されたときに当該燃焼用空気への放熱により当該燃焼用空気を予熱する蓄熱部を備えた、蓄熱式バーナにおいて、前記蓄熱部は、前記排気ガス中の窒素酸化物を除去処理する金属酸化物ＮＯｘ触媒を担持してなる。【選択図】  図１
2012057830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが導入されたときに当該排気ガスからの熱回収により蓄熱する一方で排気ガスに代えて燃焼用空気が導入されたときに当該燃焼用空気への放熱により当該燃焼用空気を予熱する蓄熱部を備えた、蓄熱式バーナにおいて、
前記蓄熱部は、前記排気ガス中の窒素酸化物を除去処理する金属酸化物ＮＯｘ触媒を担持してなることを特徴とする、蓄熱式バーナ。
【請求項２】
請求項１に記載の、蓄熱式バーナであって、
前記蓄熱部は、
セラミック製の担体と、
前記担体に担持された、ペロブスカイト型複合酸化物からなる前記金属酸化物ＮＯｘ触媒と、
からなることを特徴とする、蓄熱式バーナ。
【請求項３】
請求項２に記載の、蓄熱式バーナであって、
前記蓄熱部は、
前記金属酸化物ＮＯｘ触媒を担持した第一部分と、
前記排気ガス中の他の成分を除去処理する他成分用触媒を担持した第二部分と、
を備えたことを特徴とする、蓄熱式バーナ。
【請求項４】
請求項３に記載の、蓄熱式バーナであって、
前記第一部分は、粒子状の前記担体に前記金属酸化物ＮＯｘ触媒を担持してなる第一触媒粒子を備え、
前記第二部分は、粒子状の前記担体に前記他成分用触媒を担持してなる第二触媒粒子を備えたことを特徴とする、蓄熱式バーナ。
【請求項５】
請求項４に記載の、蓄熱式バーナであって、
前記蓄熱部には、前記第一触媒粒子の集合体と前記第二触媒粒子の集合体とを仕切るための、通気性を有する仕切部材が設けられたことを特徴とする、蓄熱式バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業炉に用いられる蓄熱式バーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工業炉（加熱炉、熱処理炉、焼成炉、等を含む。）には、熱効率を向上させるために、いわゆる蓄熱式バーナが用いられている（例えば、特開平７−２９３８１５号公報、特開平８−４９８３６号公報、特開２００８−２３２４７４号公報、等参照）。かかる蓄熱式バーナにおいては、その給排気経路に蓄熱体が設けられている。
【０００３】
特開平７−２９３８１５号公報等に開示されているように、この種の工業炉には、一対の前記蓄熱式バーナが、互いに対向するように設けられている。かかる構成を有する前記工業炉は、以下のように動作するようになっている。
【０００４】
一対の前記蓄熱式バーナのうちの一方で燃料を燃焼している間に、他方で排気が行われる。このとき、当該他方の前記蓄熱式バーナにおける前記蓄熱体にて、排気ガスの保有する熱を前記蓄熱体で回収する蓄熱が行われる。その後、一対の前記蓄熱式バーナのうちの前記一方が燃焼から排気に切り換えられるとともに、前記他方が排気から燃焼に切り換えられる。すると、燃焼が行われる前記他方の前記蓄熱式バーナでは、前記蓄熱体によって、燃焼用空気の予熱が行われる。
【０００５】
そして、一対の前記蓄熱式バーナにおける燃焼と排気とが比較的短い周期で切り換えられることで、双方の前記蓄熱式バーナにて、排気ガスからの熱の前記蓄熱体による回収と、当該回収された熱による燃焼用空気の予熱とが行われる。これにより、高い熱効率を達成することができる。
【０００６】
また、この種の蓄熱式バーナにおいて、排気ガス中の窒素酸化物を除去処理するための脱硝手段を備えたものが知られている（例えば、特開平７−２９３８１５号公報等参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来のこの種の蓄熱式バーナにおける脱硝手段は、特開平７−２９３８１５号公報等に開示されているように、排気ガスにアンモニアガスを供給して、排気ガス中の窒素酸化物とアンモニアとを反応させることで、脱硝処理を行うものである。このため、従来の、脱硝手段付き蓄熱式バーナは、アンモニア供給装置を備え付けることで装置構成が複雑化し、装置コスト（アンモニアの補充等のメンテナンスコストを含む）が高くなるとともに装置スペースも増大していた。
【０００８】
本発明は、かかる課題に対処するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、排気ガス中の窒素酸化物を簡略な装置構成で除去処理することができる蓄熱式バーナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の蓄熱式バーナは、蓄熱部を備えている。この蓄熱部は、排気ガスが導入されたときに当該排気ガスからの熱回収により蓄熱するとともに、排気ガスに代えて燃焼用空気が導入されたときに当該燃焼用空気への放熱により当該燃焼用空気を予熱するように構成されている。
【００１０】
本発明の特徴は、前記蓄熱部が、前記排気ガス中の窒素酸化物を除去処理する金属酸化物ＮＯｘ触媒を担持してなることにある。具体的には、例えば、前記蓄熱部は、セラミック製の担体と、この担体に担持されたペロブスカイト型複合酸化物からなる前記金属酸化物ＮＯｘ触媒と、から構成され得る。
【００１１】
前記蓄熱部は、前記金属酸化物ＮＯｘ触媒を担持した第一部分と、前記排気ガス中の他の成分を除去処理する他成分用触媒を担持した第二部分と、を備えていてもよい。具体的には、前記第一部分は、粒子状の前記担体に前記金属酸化物ＮＯｘ触媒を担持してなる第一触媒粒子を備えていてもよい。また、前記第二部分は、粒子状の前記担体に前記他成分用触媒を担持してなる第二触媒粒子を備えていてもよい。なお、この場合、前記第一触媒粒子の集合体と前記第二触媒粒子の集合体とを仕切るために、通気性を有する仕切部材（多数の貫通孔が形成された平板やメッシュ等）が設けられ得る。
【発明の効果】
【００１２】
かかる構成を有する本発明の蓄熱式バーナにおいては、蓄熱動作時に、排気ガスの保有する熱が、前記蓄熱体で回収される。その後、燃焼動作時に、前記蓄熱体によって、燃焼用空気が予熱される。
【００１３】
動作開始からしばらく時間が経過して、炉内温度が高温（例えば１０００℃以上）になると、炉内で窒素酸化物が発生する。もっとも、かかる窒素酸化物は、蓄熱動作を行う前記蓄熱式バーナにおける前記蓄熱体にて、前記金属酸化物ＮＯｘ触媒によって除去処理される（このとき、炉内温度上昇に伴って前記蓄熱体の温度も充分上昇しているため、前記金属酸化物ＮＯｘ触媒は、窒素酸化物を除去処理するために充分暖機されている。）。
【００１４】
本発明の構成によれば、アンモニア供給装置を備え付けることなく、排気ガス中の窒素酸化物を良好に除去処理することができる。したがって、本発明によれば、排気ガス中の窒素酸化物を、簡略な装置構成で除去処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態が適用された工業炉システムの全体構成の概略を示す図である。
【図２】図１に示されている一対の蓄熱式バーナのうちの一方（図１における右方）の周囲を拡大した断面図である。
【図３】図２に示されている第一触媒粒子及び第二触媒粒子の内部構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を、実施例及び比較例を用いつつ説明する。なお、以下の実施形態に関する記載は、法令で要求されている明細書の記載要件（記述要件・実施可能要件）を満たすために、本発明の具体化の単なる一例を、可能な範囲で具体的に記述しているものにすぎない。
【００１７】
よって、後述するように、本発明が、以下に説明する実施形態や実施例の具体的構成に何ら限定されるものではないことは、全く当然である。本実施形態や実施例に対して施され得る各種の変更（modification）の例示は、当該実施形態の説明中に挿入されると、一貫した実施形態の説明の理解が妨げられるので、可能な限り末尾にまとめて記載されている。
【００１８】
＜工業炉システムの構成＞
図１は、本発明の一実施形態が適用された工業炉システムＳ（以下、単に「システムＳ」と称する。）の全体構成の概略を示す図である。本実施形態のシステムＳは、セラミックスの脱脂及び焼成に用いられるものである。図１を参照すると、このシステムＳは、炉体１と、一対の蓄熱式バーナ２，２と、燃料供給経路３と、吸排気経路４と、を備えている。
【００１９】
炉体１は、その内部に被処理物としてのセラミックス成型体を装入可能に構成されている。本発明の一実施形態である、一対の蓄熱式バーナ２，２は、炉体１を挟んで互いに対向するように設けられている。これらの蓄熱式バーナ２，２は、炉体１に装着されている。各蓄熱式バーナ２には、燃料供給経路３及び吸排気経路４が接続されている。
【００２０】
炉体１、燃料供給経路３、及び吸排気経路４の具体的な構成は周知であるので、その詳細な説明は省略し、以下、本実施形態における蓄熱式バーナ２の具体的な構成について説明する。
【００２１】
＜＜蓄熱式バーナ＞＞
図２は、図１に示されている一対の蓄熱式バーナ２，２のうちの一方（図１における右方）の周囲を拡大した断面図である。なお、他方の蓄熱式バーナ２も、当該一方の蓄熱式バーナ２と同一の構成を備えているものとする。以下、図２を参照しつつ、本実施形態の蓄熱式バーナ２の具体的な構成について説明する。
【００２２】
蓄熱式バーナ２は、炉体１の側壁をなす炉壁１０に設けられた吸排気口１０ａに対応する位置にて、炉体１に装着されている。
【００２３】
蓄熱式バーナ２のバーナタイル２１の内部には、断面視にて略Ｌ字形状に屈曲したガス通路２１ａが設けられている。このガス通路２１ａにおける、炉壁１０側の一方の端部（図中左側の端部）は、吸排気口１０ａと接続されている。
【００２４】
バーナタイル２１には、メインバーナ２２が装着されている。メインバーナ２２は、ＬＮＧ（液化天然ガス）を燃料とするＬＮＧバーナである。このメインバーナ２２は、ガス通路２１ａの上述の屈曲部から排気ガス流動方向における上流側の端部に向かう方向に（すなわち吸排気口１０ａに向けて）、燃料としてのＬＮＧを噴射するように、構成及び配置されている。
【００２５】
メインバーナ２２は、燃料供給経路３と接続されている。燃料供給経路３における、メインバーナ２２に対応する位置には、メイン燃料噴射バルブ２２ａが介装されている。メイン燃料噴射バルブ２２ａは、図示しない制御盤の制御下で開閉することで、メインバーナ２２からの燃料の噴射の有無を切り換えるようになっている。
【００２６】
蓄熱部２４は、バーナタイル２１の内部のガス通路２１ａの、排気ガスの流動方向における下流側（燃焼用空気の流動方向における上流側）の端部と接続するように設けられている。この蓄熱部２４は、蓄熱式バーナ２が排気動作を行う際に排気ガスからの熱回収により蓄熱するとともに、蓄熱式バーナ２が燃焼動作を行う際に燃焼用空気への放熱により当該燃焼用空気を予熱するように構成されている。また、この蓄熱部２４は、上述の蓄熱動作の際に、排気ガス中の有害成分（窒素酸化物等）を除去処理するように構成されている。
【００２７】
具体的には、蓄熱部２４は、脱硝触媒部２４ａと、セリア触媒部２４ｂと、仕切部材２４ｃと、を備えている。脱硝触媒部２４ａ、セリア触媒部２４ｂ、及び仕切部材２４ｃは、多数の円形の貫通孔が形成された板状部材からなるケーシング２４０内に収容されている。ケーシング２４０は、蓄熱式バーナ２に対して着脱可能に構成されている。すなわち、蓄熱部２４は、吸排気経路４に対してケーシング２４０を着脱することで交換可能に構成されている。
【００２８】
脱硝触媒部２４ａは、多数の第一触媒粒子２４１ａ（図３参照）からなる。また、セリア触媒部２４ｂは、多数の第二触媒粒子２４１ｂ（図３参照）からなる。仕切部材２４ｃは、第一触媒粒子２４１ａ及び第二触媒粒子２４１ｂの粒径よりも小さな開口径を有する金属製メッシュからなり、脱硝触媒部２４ａとセリア触媒部２４ｂとを仕切ることで、両者の間の第一触媒粒子２４１ａ及び第二触媒粒子２４１ｂの交流が生じないように、脱硝触媒部２４ａとセリア触媒部２４ｂとの間に設けられている。
【００２９】
図３は、図２に示されている第一触媒粒子２４１ａ及び第二触媒粒子２４１ｂの内部構成を示す断面図である。図３を参照すると、第一触媒粒子２４１ａは、アルミナセラミックスからなる粒子状の担体２４２と、その表面に担持された金属酸化物ＮＯｘ触媒２４３ａと、から構成されている。また、第二触媒粒子２４１ｂは、上述と同様の担体２４２と、その周囲に担持されたセリア触媒２４３ｂと、から構成されている。
【００３０】
本実施形態においては、金属酸化物ＮＯｘ触媒２４３ａは、８００℃以上の温度で良好な窒素酸化物分解活性を有するペロブスカイト型複合酸化物からなる。この金属酸化物ＮＯｘ触媒２４３ａとしては、例えば、Ｂａ０．８Ｌａ０．２Ｍｎ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３や、ＳｒＦｅ０．７Ｍ０．３Ｏ３（ＭはＭｇ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｍｎ、Ｇａのうちの少なくとも一種）等を用いることが可能である（参考文献：触媒学会  「Ｂａ（Ｌａ）Ｍｎ（Ｍｇ）系複合酸化物を用いるＮＯの直接分解反応」新名祐介・矢野宏明・松本広重・石原達己  ２００５年第９５回触媒討論会、「ＳｒＦｅＯ３系複合酸化物のＮＯ直接分解活性に及ぼす添加物効果」新名祐介・松本広重・石原達己  ２００５年第９６回触媒討論会）。
【００３１】
蓄熱部２４の、排気ガスの流動方向における上流側の端部には、空気導入部２５が設けられている。空気導入部２５は、蓄熱式バーナ２が排気動作を行う際に、蓄熱部２４内に外気を送り込むことで、当該蓄熱部２４の内部にて酸素濃度を上昇させて可燃成分の燃焼を促進し得るようになっている。
【００３２】
空気導入部２５には、空気導入バルブ２５ａが介装されている。この空気導入バルブ２５ａは、図示しない制御盤の制御下で開閉することで、空気導入部２５による蓄熱部２４内への外気の導入の有無を切り換えるようになっている。
【００３３】
＜実施形態の構成による効果＞
以下、本実施形態のシステムＳの動作について、図１〜図３を参照しつつ説明する。
【００３４】
本実施形態のシステムＳにおいては、一対の蓄熱式バーナ２，２が、交互に燃焼及び排気動作を繰り返す。すなわち、一対の蓄熱式バーナ２，２の一方が燃焼動作している間は、他方は排気動作する。そして、比較的短い周期で、一対の蓄熱式バーナ２，２における燃焼動作と排気動作とが切り換えられる。
【００３５】
燃焼動作を行う蓄熱式バーナ２においては、空気導入バルブ２５ａが閉じられる一方、メイン燃料噴射バルブ２２ａが開かれる。これにより、メインバーナ２２から燃料が吸排気口１０ａに向けて噴射され、炉体１の内部が加熱される。
【００３６】
これに対し、排気動作を行う蓄熱式バーナ２においては、メイン燃料噴射バルブ２２ａが閉じられる。これにより、炉体１の内部から吸排気口１０ａを介して排出された排気ガスが、当該蓄熱式バーナ２におけるガス通路２１ａを通って、蓄熱部２４に向かって流動する。なお、必要に応じて空気導入バルブ２５ａが開かれることで、空気導入部２５により外気が蓄熱部２４に導入される。また、この排気動作中に、蓄熱部２４に導入された排気ガス中に含まれた有害成分（窒素酸化物やＣＯ等）は、蓄熱部２４に備えられた脱硝触媒部２４ａやセリア触媒部２４ｂによって除去処理される。
【００３７】
特に、燃焼動作開始からしばらく時間が経過して、炉体１内の温度が高温（例えば１０００℃以上）になると、炉体１内で窒素酸化物が発生することがある。このような場合、炉体１内の温度上昇に伴って蓄熱部２４の温度も充分上昇しているため、金属酸化物ＮＯｘ触媒２４３ａは、窒素酸化物を除去処理するために充分暖機されている。よって、排気動作中に蓄熱部２４に導入された排気ガス中に含まれた窒素酸化物は、脱硝触媒部２４ａによって、直接（アンモニア等の他の添加物を添加することなく）除去処理される。
【００３８】
このように、本実施形態の構成においては、アンモニア供給装置を備え付けることなく、排気ガス中の窒素酸化物を良好に除去処理することができる。したがって、本実施形態の構成によれば、排気ガス中の窒素酸化物を、簡略な装置構成で除去処理することができる。
【００３９】
＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の各実施形態は、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた、本発明の代表的な具現化の形態が単に例示的に記述されているものにすぎない。よって、本発明は、もとより、上述の各実施形態の個々にて開示された具体的な構成・態様に何ら限定されるものではない。したがって、上述の実施形態に対しては、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、種々の変形が施され得ることは当然である。
【００４０】
以下、変形例について、幾つか例示する。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。例えば、複数の実施形態や変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得ることは、いうまでもない。
【００４１】
本発明（特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの）は、上述の実施形態や、下記の変形例の記載に基づいて、限定解釈されてはならない。このような限定解釈は、（先願主義の下で出願を急ぐ）出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、発明の保護及び利用を目的とする特許法の目的に反し、許されない。
【００４２】
例えば、粒子状の担体２４２の形状は、球状、回転楕円体状、円筒状、鞍形、ドーナツ状、不定形状、等の任意の形状となり得る。第一触媒粒子２４１ａにおける担体２４２と、第二触媒粒子２４１ｂにおける担体２４２とは、同一形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。また、担体２４２の形状等によっては、仕切部材２４ｃは、省略され得る。さらに、蓄熱部２４（脱硝触媒部２４ａ及び／又はセリア触媒部２４ｂ）は、アルミナ等のセラミックスや金属のハニカム構造体からなる担体に触媒を担持させることによっても構成され得る。脱硝触媒部２４ａ及びセリア触媒部２４ｂの一方を粒子状に他方をハニカム状にした場合も、仕切部材２４ｃは、省略され得る。
【００４３】
脱硝触媒部２４ａを構成する金属酸化物ＮＯｘ触媒２４３ａは、上述の具体例以外のものが広く採用され得る。また、セリア触媒部２４ｂに代えて、他の触媒を担持したものが用いられ得る。さらに、蓄熱部２４は、スス捕集機能を有していてもよい。その他、蓄熱部２４に設けられる触媒として、自動車の排気ガス浄化用のもの（いわゆる三元触媒等）も利用可能である。このような場合、脱硝触媒部２４ａとセリア触媒部２４ｂとは、一体化され得る。
【００４４】
その他、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されているものは、上述の実施形態・実施例や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能な、いかなる構造をも含む。さらに、本明細書にて引用した先行出願や各公報の内容（明細書及び図面を含む）は、本明細書の一部を構成するものとして適宜援用され得る。
【符号の説明】
【００４５】
Ｓ…工業炉システム
１…炉体              １０…炉壁                      １０ａ…吸排気口
２…蓄熱式バーナ      ２１…バーナタイル              ２１ａ…ガス通路
２２…メインバーナ    ２２ａ…メイン燃料噴射バルブ
２４…蓄熱部          ２４ａ…脱硝触媒部              ２４ｂ…セリア触媒部
２４ｃ…仕切部材      ２４１ａ…第一触媒粒子          ２４１ｂ…第二触媒粒子
２４２…担体          ２４３ａ…金属酸化物ＮＯｘ触媒  ２４３ｂ…セリア触媒
２５…空気導入部      ２５ａ…空気導入バルブ
３…燃料供給経路      ４…吸排気経路
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４６】
【特許文献１】特開平７−２９３８１５号公報
【特許文献２】特開平８−４９８３６号公報
【特許文献３】特開２００８−２３２４７４号公報
【図１】
2012057830.tif 000003
【図２】
2012057830.tif 000004
【図３】
2012057830.tif 000005