(57)【要約】【課題】燃焼ガス中のＮＨ3がＮＨ3酸化触媒で酸化されてＮＯｘになるのを抑制しつつ、排出される燃焼ガス中のＣＯを低減することができる燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法を提供する。【解決手段】本発明の燃焼装置１０は、バーナ１３と、燃料供給部１２と二次燃焼用空気供給部とを備え、空気を段階的に燃焼させる燃焼装置であって、缶体１４と、缶体１４内の燃焼ガスが流れるガス流動空間Ｓに設けられ、ガス流動空間Ｓに二次燃焼用空気を供給するための二次燃焼用空気供給部と、排出通路１６と、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の範囲内となる排出通路１６に設けられ、少なくとも燃焼ガスＧ２中のＮＨ3を酸化する触媒成分を備えるＮＨ3酸化触媒Ｃ１と、バーナ１３で燃料ガスを理論空気比以下で燃焼させる燃焼制御部３９と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させ、ＣＯを含む燃焼ガスを生成するバーナと、
前記バーナよりも前記燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記燃料と酸素を含有する酸化ガスとの少なくとも一方を供給する供給部と、
前記燃焼ガスから吸熱する吸熱手段と、
前記吸熱手段で熱が奪われた燃焼ガスを外部に排出する排出通路と、
前記排出通路内で前記燃焼ガス中のＮＨ3がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ2に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となる領域に設けられ、少なくとも前記燃焼ガス中のＮＨ3を酸化する触媒成分を備えるＮＨ3酸化触媒と、
前記バーナで前記燃料を理論空気比以下で燃焼させ、前記燃焼ガスを生成する燃焼制御手段と、
を有することを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ＮＨ3酸化触媒よりも前記燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記燃焼ガス中のＣＯを酸化する触媒成分を備えるＣＯ酸化触媒を有することを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記供給部の前記燃焼ガスの流れ方向の上流側および下流側に前記燃焼ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を有し、前記酸素濃度検出手段で検出された結果に基づいて前記バーナと前記供給部との何れか一方又は両方に供給する前記空気の供給量を調整することを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１つの燃焼装置を用いて、燃料を段階的に燃焼させることにより発生した燃焼ガスに含まれるＣＯを低減する燃焼ガスの浄化方法であって、
前記燃焼ガスがＮＨ3酸化触媒を通過する際の前記燃焼ガス中のＮＨ3がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ2に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となるように、前記燃料を理論空気比以下で燃焼する第１燃焼工程と、
前記燃焼ガスに前記燃料と酸素を含有する酸化ガスとの少なくとも一方を供給し、前記燃料を燃焼させる第２燃焼工程と、
前記吸熱手段で熱が奪われた燃焼ガスを外部へ排出する排出通路内で前記所定のガス温度の範囲内の領域に設けたＮＨ3酸化触媒により、前記燃焼ガス中のＮＨ3を酸化し、Ｎ2を生成するＮＨ3酸化工程と、
を含み、
前記ＮＨ3酸化触媒を通過する際の前記燃焼ガスの温度が前記所定のガス温度の範囲外の場合には、燃焼を調整することを特徴とする燃焼ガスの浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボイラ等の燃焼装置に備えているバーナで発生する燃焼ガスは、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）を所定の数値（例えば、規制値等）以下としてから排出している。
【０００３】
燃焼ガスに含まれるＮＯｘを低減するための方法として、多段燃焼法、排気ガス再循環法、希薄燃焼法などが提案されている。今後、更なる低ＮＯｘ化を実現するため、多段燃焼法を用いて燃焼ガス中に含まれるＮＯｘを低減する方法が検討されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
特許文献１、２では、予混合ガスバーナを備えたボイラにおいて、一段目の予混合ガスバーナよりも下流側に燃料ガスを供給する燃料供給部を設けて、多段的に燃料を供給している。予混合ガスバーナにおいて高い空気比で燃料と燃焼用空気が混合した混合ガスを燃焼させて燃焼ガス中に含まれるＮＯｘの発生を低減する。そして、二段目以降の燃料供給部における適切なガス温度帯に燃料を供給することで燃焼ガス中に含まれるＮＯｘの発生量を低減して、ボイラから排出される燃焼ガスの低ＮＯｘ化を図っている。これにより、燃焼ガスに含まれるＣＯを、触媒を用いて酸化して除去し、燃焼ガス中に含まれるＣＯ、ＮＯｘ濃度を規制値以下に低減して燃焼ガスを排出していた。
【０００５】
特許文献１、２に記載されているような多段燃焼法を用いて燃焼ガス中に含まれるＮＯｘを低減する方法では、一段目の予混合ガスバーナで混合ガスを燃料に対する空気比を１．０よりも小さくして燃焼することでＮＯｘの生成は抑制される。そして、その後に空気を注入して燃料に対する空気比を１．０よりも大きくして、二段目以降の燃料供給部で燃焼ガス又は燃焼中ガスを燃焼してＣＯ、炭化水素などの未燃分を燃焼した後、燃焼ガスに含まれるＣＯをＣＯ酸化触媒で完全に酸化させる。このように、燃料に対する空気比を制御して燃料を多段回で供給して燃料を燃焼すれば、燃焼ガスに含まれるＮＯｘ濃度の更なら低ＮＯｘ化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２２０３７３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３３１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、燃焼ガスに含まれるＮＯｘ濃度を更に低減し、低ＮＯｘ化を図るためには、予混合ガスバーナで混合ガスを燃焼する一段目で、混合ガスの燃料に対する空気比を０．７付近まで下げる必要がある。この燃料に対する空気比が０．７付近の領域は、燃焼によりＮＨ3が発生し易い。そのため、燃料に対する空気比が少し変動するだけで、ＮＯｘは窒素（Ｎ2）に還元される割合よりもＮＨ3に還元される割合が大きくなり、燃焼ガス中にＮＨ3が多量に生成される場合がある。
【０００８】
燃料を燃焼する際に生じたＮＨ3を、排気通路でＮＨ3酸化触媒を用いて低減しようとした場合、燃料を燃焼させたことで生じたＮＨ3は、ＮＨ3酸化触媒で酸化されて再びＮＯｘとなり易く、燃焼ガス中のＮＯｘ量が増大する可能性がある。そのため、燃焼ガスに含まれるＮＯｘ濃度を更に低濃度とすることができない可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃焼ガス中のＮＨ3がＮＨ3酸化触媒で酸化されてＮＯｘになるのを抑制しつつ、排出される燃焼ガス中のＣＯを低減することができる燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者は燃焼装置および燃焼ガスの浄化方法について鋭意研究を重ねた結果、ＮＨ3酸化触媒が、燃焼ガスのガス温度に応じて燃焼ガス中のＮＨ3がＮＯｘに酸化される割合を低減することができるとともに、Ｎ2に酸化される割合を増大させることができることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。
【００１１】
本発明に係る燃焼装置は、燃料を燃焼させ、ＣＯを含む燃焼ガスを生成するバーナと、
前記バーナよりも前記燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記燃料と酸素を含有する酸化ガスとの少なくとも一方を供給する供給部と、前記燃焼ガスから吸熱する吸熱手段と、前記吸熱手段で熱が奪われた燃焼ガスを外部に排出する排出通路と、前記排出通路内で前記燃焼ガス中のＮＨ3がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ2に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となる領域に設けられ、少なくとも前記燃焼ガス中のＮＨ3を酸化する触媒成分を備えるＮＨ3酸化触媒と、前記バーナで前記燃料を理論空気比以下で燃焼させ、前記燃焼ガスを生成する燃焼制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい態様として、前記ＮＨ3酸化触媒よりも前記燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、前記燃焼ガス中のＣＯを酸化する触媒成分を備えるＣＯ酸化触媒を有することが好ましい。
【００１３】
本発明の好ましい態様として、前記供給部の前記燃焼ガスの流れ方向の上流側および下流側に前記燃焼ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を有し、前記酸素濃度検出手段で検出された結果に基づいて前記バーナと前記供給部との何れか一方又は両方に供給する前記空気の供給量を調整することが好ましい。
【００１４】
本発明に係る燃焼ガスの浄化方法は、上記何れかの燃焼装置を用いて、燃料を段階的に燃焼させることにより発生した燃焼ガスに含まれるＣＯを低減する燃焼ガスの浄化方法であって、前記燃焼ガスがＮＨ3酸化触媒を通過する際の前記燃焼ガス中のＮＨ3がＮＯｘに酸化される割合よりもＮ2に酸化される割合が高い所定のガス温度の範囲内となるように、前記燃料を理論空気比以下で燃焼する第１燃焼工程と、前記燃焼ガスに前記燃料と酸素を含有する酸化ガスとの少なくとも一方を供給し、前記燃料を燃焼させる第２燃焼工程と、前記吸熱手段で熱が奪われた燃焼ガスを外部へ排出する排出通路内で前記所定のガス温度の範囲内の領域に設けたＮＨ3酸化触媒により、前記燃焼ガス中のＮＨ3を酸化し、Ｎ2を生成するＮＨ3酸化工程と、を含み、前記ＮＨ3酸化触媒を通過する際の前記燃焼ガスの温度が前記所定のガス温度の範囲外の場合には、燃焼を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃焼ガス中のＮＨ3がＮＨ3酸化触媒で酸化されてＮＯｘになるのを抑制しつつ、排出される燃焼ガス中のＣＯを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の本実施形態に係る燃焼装置の縦断面の説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃焼装置の斜視図である。
【図４】二次燃焼用空気供給管と連結壁との連結を示す図である。
【図５】ＮＨ3酸化触媒の構成の一例を示す図である。
【図６】燃焼ガスの温度とＮＨ3酸化触媒のＮＯｘ生成率との関係を示す概念図である。
【図７】燃焼ガスの温度とＮＨ3酸化触媒のＮＨ3転化率とＣＯ転化率との関係を示す概念図である。
【図８】燃焼装置の他の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を好適に実施するための形態（以下、実施形態という。）につき、詳細に説明する。尚、本発明は以下の実施形態に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。
【００１８】
＜燃焼装置＞
本発明の実施形態に係る燃焼装置について説明する。図１は、本実施形態に係る燃焼装置の縦断面の説明図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は、本実施形態に係る燃焼装置の斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る燃焼装置（ボイラ）１０は、角型多管式貫流ボイラであり、燃焼用空気供給部１１と、燃料供給部１２と、バーナ１３と、角型の缶体（吸熱手段）１４と、二次燃焼用空気供給部（供給部）１５と、排出通路１６と、浄化装置１７と、給水予熱器（熱回収器）１８と、制御装置１９と、を備えている。
【００１９】
燃焼用空気供給部１１は、バーナ１３へ燃焼用空気（外気）を供給するものである。燃焼用空気供給部１１は、送風機２１と、送風機２１からバーナ１３へ燃焼用空気を供給する給気通路２２とを備えている。
【００２０】
燃料供給部１２は、バーナ１３へガス燃料（燃料ガス）を供給するものである。燃料供給部１２は、燃料ガスを供給するガス燃料供給管２３と、ガス燃料供給管２３の燃料流量を調整する燃料調整弁２４と、燃料ノズル２５とを備えている。ガス燃料供給管２３は、給気通路２２に設けられている。燃料ノズル２５は、給気通路２２の流路内に燃料ガスを噴出するようになっている。燃料ノズル２５から給気通路２２の流路内に噴射された燃料ガスは、送風機２１から供給される燃焼用空気と混合される。
【００２１】
送風機２１から送風された燃焼用空気と燃料ノズル２５から供給された燃料ガスとが給気通路２２内で混合されて、混合ガスＧ１が生成される。
【００２２】
混合ガスＧ１の空気比は、０．８よりも小さく、好ましくは０．５以上０．８未満であり、より好ましくは０．５以上０．７未満である。混合ガスＧ１の空気比が上記範囲内の場合には、混合ガスＧ１の酸素（Ｏ2）量は少なく、酸素が不足している領域の空気比であるため、混合ガスＧ１を燃焼させた際に、ＮＯｘが生成されるのを抑制しつつ混合ガスＧ１を燃焼させることができる。
【００２３】
本実施形態においては、本実施形態に係る燃焼装置１０の燃料は、燃料ガスを用いているが、燃料ガスに代えて、例えば、重油などの液体燃料又は微粉炭を用いてもよい。
【００２４】
混合ガスＧ１は、バーナ１３から缶体１４内に噴出して燃焼し、缶体１４内の水管を加熱する。なお、ガス燃料供給管２３に供給される燃料ガスと燃焼用空気は、缶体１４内の燃焼温度が例えば１１５０℃以下となるように、燃料供給ライン２６、燃焼用空気供給部１１から適量供給され、給気通路２２で混合され、供給される。
【００２５】
バーナ１３は、燃料を燃焼する過程で、Ｏ2、ＣＯ、Ｈ2を含む燃焼ガスＧ２を生成するものである。バーナ１３は、不図示の多数の予混合ガス噴出孔が略同一平面上に形成された平面状の燃焼面を有する完全予混合式バーナである。バーナ１３は、波板と平板とを交互に積層して矩形平板状に構成されている。給気通路２２を通過した混合ガスＧ１がバーナ１３で燃焼し、高温の燃焼ガスＧ２となる。燃焼ガスＧ２は、燃焼ガスＧ１の空気比を１より小さくしているので、ＣＯ、Ｈ2等を含む還元性雰囲気となっている。なお、図１、２中、バーナ１３から缶体１４内に示した破線部は、バーナ１３で形成される火炎を概念的に表したものである。
【００２６】
本明細書において、燃焼ガスＧ２とは、燃料ガスの燃焼反応が完了したものおよび燃焼反応中の燃料ガスの少なくとも一方を含む概念である。すなわち、燃焼ガスＧ２は、燃料ガスの燃焼反応が完了したものおよび燃焼反応中の燃料ガスの両方を有するものでもよいし、燃料ガスの燃焼反応が完了したもののみでもよいし、燃焼反応中の燃料ガスのみを有する場合でもよい。
【００２７】
なお、本実施形態では、バーナ１３は予混合式バーナであるが、これに限定されるものではなく、予混合式バーナ以外の拡散混合型バーナ、旋回式バーナ等周知のバーナを用いることができる。
【００２８】
缶体１４は、上部管寄せ１４Ａと、下部管寄せ１４Ｂと、水管群１４Ｃとを備えている。水管群１４Ｃは、上下方向に延在して設置された上部管寄せ１４Ａおよび下部管寄せ１４Ｂを連結する多数の内側水管（内側伝熱管）２７、複数の外側水管（外側伝熱管）２８を備えている。尚、上部管寄せ１４Ａの下部と下部管寄せ１４Ｂの上部とには耐火物２９が設けられている。缶体１４は、燃焼ガスＧ２から吸熱するものであり、水管群１４Ｃの内側水管２７および外側水管２８内に貯留された水を燃焼ガスＧ２と熱交換させて蒸発させ、蒸気を発生させている。
【００２９】
図２に示すように、缶体１４は、その内部の長手方向の両側に一対の連結壁３０を備えている。連結壁３０は、隣接する外側水管２８同士を連結している。外側水管２８、一対の連結壁３０、上部管寄せ１４Ａおよび下部管寄せ１４Ｂとで囲まれた空間が、バーナ１３からの燃焼ガスＧ２が流通するガス流動空間Ｓを形成している。缶体１４は、ガス流動空間Ｓの一端にバーナ１３を備え、他端に燃焼ガス出口３２を備えている。燃焼ガス出口３２は燃焼ガスが流通する排出通路１６と接続されている。
【００３０】
二次燃焼用空気供給部１５は、缶体１４のガス流動空間Ｓへ酸化ガスとして二次燃焼用空気を供給するものである。二次燃焼用空気供給部１５は、缶体１４の外部からの空気を二次燃焼用空気として取り込む通風器３３と、缶体１４のガス流動空間Ｓに二次燃焼用空気を送る二次燃焼用空気供給管（酸化ガス供給管）３４と、流量調節弁Ｖ１１、Ｖ１２と、を備えている。
【００３１】
二次燃焼用空気供給管３４は、図４に示すように、缶体１４の外側から内部を通って連結壁３０と連結されている。二次燃焼用空気供給管３４は、連結壁３０に二次燃焼用空気をガス流動空間Ｓに噴出する空気噴出孔３５を有する。本実施形態において、二次燃焼用空気供給管３４は、図２に示すように、バーナ１３側から五番目の外側水管２８と六番目の外側水管２８との間の連結壁３０に、それぞれの空気噴出孔３５が対向するように設けられている。二次燃焼用空気供給部１５は、水管群１４Ｃの両側において空気噴出孔３５からガス流動空間Ｓへ向けて燃焼用空気を噴射する。
【００３２】
流量調節弁Ｖ１１、Ｖ１２は、両方の二次燃焼用空気供給管３４、３４にそれぞれが設けられている。制御装置１９は、流量調節弁Ｖ１１、Ｖ１２の開閉を制御することで、二次燃焼用空気供給管３４、３４を通過して両方の空気噴出孔３５、３５からガス流動空間Ｓに供給される二次燃焼用空気の供給量を制御することができる。
【００３３】
二次燃焼用空気供給部１５は、空気噴出孔３５から二次燃焼用空気を缶体１４のガス流動空間Ｓに供給している。これにより、燃焼ガスＧ２に含まれる酸素量は増大するため、燃焼ガスＧ２の空気比は１よりも大きくなる。この空気噴出孔３５から燃焼ガスＧ２に二次燃焼用空気を供給することで、燃焼ガスＧ２の空気比を１よりも大きくすることができる。その結果、ＣＯ酸化触媒Ｃ２におけるＣＯの酸化を効率的に促進することができると共に、ＮＨ３をＮＯｘに酸化させずＮ2に酸化させることができる。
【００３４】
燃焼ガスＧ２の空気比は、１よりも大きく、好ましくは１以上１．３以下である。
【００３５】
二次燃焼用空気供給部１５は、ガス流動空間Ｓの燃焼ガスＧ２のガス温度が９００℃以上１０００℃以下の領域に二次燃焼用空気を供給することが好ましい。この温度範囲内の領域に二次燃焼用空気を供給すれば、ＮＯｘを生成することなく、燃焼ガスＧ２中の未燃分を燃焼することができる。
【００３６】
本実施形態に係る燃焼装置１０は、燃焼用空気供給部１１から供給される燃焼用空気を含む混合ガスＧ１を一段目としてバーナ１３で燃焼させ、二次燃焼用空気供給部１５から供給される二次燃焼用空気を用いて二段目として缶体１４内で燃焼ガスＧ２に含まれる燃料ガスを燃焼させる二段燃焼としている。
【００３７】
燃料ガスの燃焼の一段目として、混合ガスＧ１の空気比を０．８よりも小さくして燃料ガスを燃焼させることで、ＮＯｘの発生が抑制された燃焼ガスＧ２となる。しかし、混合ガスＧ１を酸素の少ない状態で燃焼させているため、燃料ガスの燃焼は不十分であり、燃焼ガスＧ２中には、ＣＯ、Ｈ2、ＮＨ3のような未燃分が多く含まれている。そこで、燃料ガスの燃焼の二段目として、未燃分を多く含む燃焼ガスＧ２に酸素を供給して燃焼することで、燃焼ガスＧ２中の未燃分を燃焼させることができる。すなわち、ＮＯｘは、燃焼温度が１３００℃付近で最も生成されるが、空気を９００℃以上１０００℃以下の領域に供給すれば、ＮＯｘが生成されるのを抑制しつつ、燃焼ガスＧ２中の未燃分を燃焼することができる。このように、本実施形態に係る燃焼装置１０は、燃料ガスを多段燃焼することで、ＮＯｘが生成されるのを抑制しつつ、未燃分のＣＯ、Ｈ2などが除去された燃焼ガスＧ２を排出することができる。しかし、混合ガスＧ１の空気比や二次燃焼用空気供給部１５から二次燃焼用空気を供給するガス流動空間Ｓによって、燃焼ガスＧ２中に残存するＮＨ3、ＣＯは、完全に除去しきれない場合がある。そこで、燃焼ガスＧ２中に残存するＮＨ3、ＣＯは、後述するように、排出通路１６に備えた浄化装置１７において除去する。
【００３８】
なお、本実施形態においては、二次燃焼用空気供給部１５は二次燃焼用空気供給管３４および空気噴出孔３５をそれぞれ１組備え、二段燃焼としているが、これに限定されるものではなく、二次燃焼用空気供給管３４および空気噴出孔３５を２組以上設け、燃料ガスを更に複数段で燃焼させる多段燃焼としてもよい。
【００３９】
図１に示すように、排出通路１６は、缶体１４で熱を奪われて温度が低下した燃焼ガスＧ２を外部へ排出するための通路である。排出通路１６は、その通路内に、浄化装置１７と、給水予熱器１８とを各々個別に着脱自在に備えている。浄化装置１７と給水予熱器１８とは、排出通路１６に燃焼ガスＧ２のガス流れ方向の上流側からこの順に設けられている。
【００４０】
浄化装置１７は、燃焼ガスＧ２に含まれているＮＨ3、ＣＯを少なくとも除去するものである。浄化装置１７は、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１とＣＯ酸化触媒Ｃ２とを、排出通路１６に燃焼ガスＧ２の流れ方向の上流側からこの順番に備えている。
【００４１】
ＮＨ3酸化触媒Ｃ１は、少なくとも燃焼ガスＧ２中のＮＨ3を酸化する触媒成分として触媒活性材料を備えるものである。ＮＨ3酸化触媒Ｃ１は、燃焼ガスＧ２に含まれるＮＨ3を酸化してＮ2とすることによりＮＨ3を低減している。図５は、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の構成の一例を示す図である。図５に示すように、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１は、複数の通気孔Ｐが形成された矩形平板状の基材Ｃ１０で形成されており、この通気孔Ｐを燃焼ガスＧ２が通過するように設置される。基材Ｃ１０は、その表面に、触媒活性材料として、例えば白金（Ｐｔ）を担持している。
【００４２】
基材Ｃ１０は、帯状の平板からなる第１の基材Ｃ１１と波板からなる第２の基材Ｃ１２とを交互に重ね合わせたものを側板Ｃ１３により囲んで形成されている。第１の基材Ｃ１１および第２の基材Ｃ１２は、表面に多数の微小な凹凸が形成されていて接触面積を広くしている。第１の基材Ｃ１１および第２の基材Ｃ１２は、表面の微小な凹凸に触媒活性材料を担持している。第１の基材Ｃ１１および第２の基材Ｃ１２は、例えば、ステンレスなどの金属のほかにセラミックなどを用いて形成される。
【００４３】
ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の構造は、基材Ｃ１０のように、複数の通気孔Ｐを備えたものに限定されるものではなく、基材の表面に触媒活性材料を担持させ、燃焼ガスＧ２が通気できるものであればよい。例えば、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の構造は、表面に多数の孔を有する担体の表面に触媒活性材料を担持させた構成としてもよい。また、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の構造は、通気可能な流路が形成された容器内に触媒活性材料が担持されたペレットを多数収容した構成としてもよい。
【００４４】
また、触媒活性材料は、Ｐｔ以外の貴金属（Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｉｒなど）又は金属酸化物（Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、ＮｉＯｘ、ＣｕＯｘ、ＣＯＯｘ、ＭｎＯｘなど）であってもよい。
【００４５】
ＮＨ3酸化触媒Ｃ１は、燃焼ガスＧ２中のＮＨ3が酸化されてＮＯｘとなる割合よりも酸化されてＮ2となる割合が高くなる燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の範囲内となる領域に設けられている。所定の温度の範囲は、例えば、１２０℃以上２１０℃以下であり、より好ましくは１３０℃以上２００℃以下であり、更に好ましくは１３５℃以上１９５℃以下である。ＮＨ3酸化触媒Ｃ１を、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の範囲内となる領域に配置することにより、燃焼ガスＧ２中に含まれるＮＨ3を酸化させてＮＯｘにする割合を低減し、ＮＨ3を酸化させてＮ2にする割合を増大させることができ、燃焼ガスＧ２中にＮＯｘが増大するのを低減できる。
【００４６】
ＣＯ酸化触媒Ｃ２は、燃焼ガスＧ２中のＣＯを酸化する触媒成分として触媒活性材料を備えている。ＣＯ酸化触媒Ｃ２は、燃焼ガスＧ２に含まれるＣＯを酸化してＣＯ2とすることによりＣＯを除去している。ＣＯ酸化触媒Ｃ２は、図５に示したＮＨ3酸化触媒Ｃ１と同様の構成とされている。なお、ＣＯ酸化触媒Ｃ２に用いる触媒活性材料は、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１に用いる触媒活性材料と同様でもよいし、異なる種類の材料を用いてもよく、任意に調整可能である。
【００４７】
適量の燃焼ガスＧ２を供給した時の燃焼ガスＧ２のガス温度とその時のＮＨ3酸化触媒Ｃ１におけるＮＯｘ生成率、ＮＨ3、ＣＯ転化率（酸化率）を図６、７に示す。図６は、燃焼ガスＧ２の温度とＮＨ3酸化触媒Ｃ１のＮＯｘ生成率との関係を示す概念図であり、図７は、燃焼ガスＧ２の温度とＮＨ3酸化触媒Ｃ１のＮＨ3転化率とＣＯ転化率との関係を示す概念図である。なお、図６、７中、空間速度(Space  Velocity：ＳＶ値)を、４０，０００ｈ-1、８０，０００ｈ-1、１２０，０００ｈ-1、１６０，０００ｈ-1の４通りで、ＮＯｘ、Ｏ2、ＣＯ、ＮＨ3を含むガスをＮＨ3酸化触媒Ｃ１に通過させた。また、図７中、実線はＮＨ3転化率を示し、破線はＣＯ転化率を示す。
【００４８】
図６に示すように、燃焼ガスＧ２の温度が所定の温度Ｔ1の範囲内の場合には、ＮＯｘ生成率がマイナスになることから、燃焼ガスＧ２中のＮＨ3がＮ2に変化していることになる。一方、燃焼ガスＧ２の温度が所定の温度Ｔ1の範囲外の場合には、ＮＯｘ生成率がプラスになることから、燃焼ガスＧ２中のＮＨ3がＮＯｘに変化していることになる。また、図７に示すように、燃焼ガスＧ２の温度が高くなるにしたがって、ＮＨ3酸化率およびＣＯ転化率は上昇し、温度Ｔ2（例えば、２２０℃）でＮＨ3酸化率およびＣＯ転化率は９７％以上となっている。
【００４９】
理論空気比よりも低い空気比で混合ガスＧ１を燃焼させた燃焼ガスＧ２中に含まれるＮＯｘは、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１で酸化された際にＮＨ3を生成する。この際、二次燃焼用空気供給部１５の空気噴出孔３５から二次燃焼用空気をガス流動空間Ｓ内に注入する空気注入法等の酸化方法を用いて燃焼ガスＧ２中に含まれるＣＯ、ＮＨ3を有効に酸化させる場合、図６に示すように、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度Ｔ1の範囲内よりも高いと、ＮＨ3がＮＯｘに酸化されるため、低ＮＯｘ化は困難になるといえる。
【００５０】
これに対し、燃焼ガスＧ２中に生成されたＮＨ3はＮＨ3酸化触媒Ｃ１に到達した際に、燃焼ガスＧ２の温度が所定の温度Ｔ1の範囲内の場合には、ＮＨ3はＮＨ3酸化触媒Ｃ１において供給された空気と反応して酸化されてＮ2となり、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１を通過する燃焼ガスＧ２の温度を適正温度範囲にすることで、燃焼ガスＧ２中のＮＨ3をＮＯｘへ酸化させることなく、Ｎ2に酸化させることができる。よって、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１を燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度Ｔ1の範囲内となる領域に配置することにより、燃焼ガス中に含まれるＮＨ3が酸化されてＮＯｘになる割合を低減し、ＮＨ3が酸化されてＮ2になる割合を増大させることができ、燃焼ガスＧ２中にＮＯｘが増大するのを低減できる。
【００５１】
給水予熱器１８は、排出通路１６を通過する燃焼ガスＧ２を給水予熱器１８に供給された水と熱交換して冷却するものである。燃焼ガスＧ２との熱交換により加熱された水は、例えば下部管寄せ１４Ｂに缶水として供給される。
【００５２】
また、缶体１４のガス流動空間Ｓには、空気噴出孔３５の設置位置の上流側および下流側に、空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）３８−１、３８−２が設けられている。Ａ／Ｆセンサ３８−１、３８−２は、例えば、Ｏ2分解能が５０ｐｐｍで応答時間２ｓｅｃ以下の応答答性の良好なジルコニア式空燃比センサなどである。Ａ／Ｆセンサ３８−１、３８−２により、空気供給前後の燃焼ガスＧ２の空気比を求めることができる。
【００５３】
制御装置１９は、燃料ガスを理論空気比以下で燃焼させ、燃焼ガスＧ２を生成するよう制御する燃焼制御部３９を備えている。燃焼制御部３９は、燃料ノズル２５から供給する燃料供給量と送風機２１から送風された燃焼用空気量を制御することにより混合ガスＧ１の空気比を調整する。燃焼制御部３９は、燃料ガスに対する空気比を理論空気比近傍に調整することが可能である。このため、燃焼制御部３９は、理論空気比以下として還元性の燃焼ガスとしたり、わずかに理論空気比よりも大きくしたりしてＨＣ（炭化水素）が完全燃焼されることにより又は不完全燃焼であっても燃焼ガス中の残留Ｏ2で酸化されてＨＣを含まない状態の燃焼ガスを生成することができる。
【００５４】
制御装置１９は、Ａ／Ｆセンサ３８−１、３８−２など各種センサの検出信号を、外部入力回路を介して入力する。そして、制御装置１９は、これらの検出信号に基づいて、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の通過前後の燃焼ガスＧ２中のＮＯｘ濃度、空気供給後の燃焼ガスＧ２の空気比を求める。そして、制御装置１９は、求めた空気供給後の燃焼ガスＧ２の空気比の値に基づいて、燃焼制御部３９に燃料調整弁２４および送風機２１に信号を出力させ、燃料ガスの供給量、燃焼用空気の送風量等を調整させる。これにより、燃焼制御部３９は、燃焼ガスＧ２の空気比を調整すると共に、燃焼ガスＧ２がＮＨ3酸化触媒Ｃ１を通過する際のガス温度が所定の温度Ｔ1の範囲内となるように調整可能としている。
【００５５】
＜燃焼装置の動作＞
つぎに、以上の構成を有する本実施形態に係る燃焼装置１０の動作を図１を参照にしつつ説明する。まず、送風機２１から供給される燃焼用空気は、ガス燃料供給管２３から供給される燃料ガスと給気通路２２内において予混合され、混合ガスＧ１を生成する。このとき、混合ガスＧ１の空気比は０．８よりも低い空気比とする。この混合ガスＧ１はバーナ１３で着火手段（図示しない）により着火され、燃焼し、高温の燃焼ガスＧ２を生成する。この燃焼は、上記のように空気比が０．８よりも低い空気比で行われる。混合ガスＧ１を０．８よりも低い空気比で燃焼することにより、混合ガスＧ１を燃焼した際にＮＯｘが生成される量を抑制することができる。
【００５６】
燃焼ガスＧ２は、バーナ１３から缶体１４内のガス流動空間Ｓへ向けて噴出される。混合ガスＧ１の燃焼に伴い生ずる燃焼ガスＧ２は、ガス流動空間Ｓを通過しながら水管群１４Ｃの内側水管２７および外側水管２８内に貯留された水と熱交換して、水を蒸発させ、蒸気とする。水を蒸発させることにより生じた蒸気は上部管寄せ１４Ａを経由して蒸気消費設備に供給される。
【００５７】
次いで、通風器３３から取り込んだ空気が二次燃焼用空気供給管３４を通って空気噴出孔３５から缶体１４のガス流動空間Ｓに供給され、燃焼ガスＧ２と混合される。これにより、燃焼ガスＧ２中の酸素濃度が高くなり、燃焼ガスＧ２の空気比は１．０よりも大きくなる。なお、ガス流動空間Ｓには、燃焼ガスＧ２中のＣＯおよびバーナ１３で混合ガスＧ１を燃焼した際に生成されたＮＨ3を酸化するのに適した量（例えば、ＣＯおよびＮＨ3を酸化するための理論空気量）の空気が空気噴出孔３５から供給されることが好ましい。
【００５８】
燃焼ガスＧ２は燃焼ガスＧ２のガス流れ方向の上流側から下流側にかけて水管群１４Ｃ内を流れ、缶水と熱交換される。水管群１４Ｃを通過した燃焼ガスＧ２のガス温度は所定の温度の範囲内となる。そして、水管群１４Ｃを通過した燃焼ガスＧ２は、燃焼ガス出口３２から排出通路１６に移動する。
【００５９】
次いで、燃焼ガス出口３２から排出された燃焼ガスＧ２は、排出通路１６に備えたＮＨ3酸化触媒Ｃ１を通過する。そして、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１において、燃焼ガスＧ２とＮＨ3酸化触媒Ｃ１に含まれる触媒成分とが接触することにより、燃焼ガスＧ２に含まれるＮＨ3がＮＨ3酸化触媒Ｃ１に吸着される。ＮＨ3酸化触媒Ｃ１に吸着されたＮＨ3は、燃焼ガスＧ２中の酸素により酸化されてＮ2と水（Ｈ2Ｏ）になり、ＮＨ3が低減される。
【００６０】
次いで、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１を通過した燃焼ガスＧ２は、ＣＯ酸化触媒Ｃ２を通過する。そして、ＣＯ酸化触媒Ｃ２において、燃焼ガスＧ２とＣＯ酸化触媒Ｃ２に含まれる触媒成分とが接触することにより、燃焼ガスＧ２に含まれるＣＯがＣＯ酸化触媒Ｃ２に吸着される。ＣＯ酸化触媒Ｃ２に吸着されたＣＯは燃焼ガスＧ２中の酸素により酸化されてＣＯ2となり、ＣＯが低減される。
【００６１】
この結果、燃焼ガスＧ２中のＮＯｘ、ＣＯは実質的に零に低減され、燃焼ガスＧ２が給水予熱器１８の水を加熱した後、排出口１５Ａから大気中へ排出される。
【００６２】
このように、本実施形態に係る燃焼装置１０によれば、混合ガスＧ１を多段燃焼させた後、燃焼ガスＧ２をＮＨ3酸化触媒Ｃ１、ＣＯ酸化触媒Ｃ２の順に通過させている。その際、混合ガスＧ１を、一段目として、空気比が０．８よりも小さい低い空気比で燃焼させ、燃焼ガスＧ２中に含まれるＮＯｘの発生量を低減している。そして、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１を燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度範囲となるところに設けている。このため、混合ガスＧ１を多段燃焼させた際にＮＨ3が生成されても、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１において酸化されてＮ2となる割合を増大し、ＮＨ3が酸化されてＮＯｘになる割合を減少して燃焼ガスＧ２中にＮＯｘが生成されるのを抑制することができる。この結果、燃焼ガスＧ２中に含まれるＮＨ3、ＣＯなどをＮＨ3酸化触媒Ｃ１、ＣＯ酸化触媒Ｃ２において安定して浄化でき、低ＮＯｘかつＣＯ濃度が低い燃焼ガスＧ２を排出することができる。
【００６３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。例えば、本実施形態に係る燃焼装置１０は、料調整弁２４、送風機２１で燃料ガスの燃料供給量と燃焼用空気の送風量とを調整して混合ガスＧ１の空気比を調整するようにしているが、これに限定されるものではない。次に、混合ガスＧ１の空気比を調整する他の例を説明する。
【００６４】
図８は、本実施形態に係る燃焼装置１０の他の構成を示す図である。図８に示すように、給気通路２２に空気比調整手段４１を設けるようにしてもよい。空気比調整手段４１は、給気通路２２の開度（流路断面積）を調整するダンパ（流量調整手段）４２と、このダンパ４２の開度位置を調整するためのダンパ位置調整装置４３とを備えている。ダンパ位置調整装置４３は、ダンパ４２の回転軸に着脱自在に連結される駆動軸を備え、ダンパ４２は駆動軸を介して回転する。
【００６５】
このとき、制御装置１９は、燃料調整弁２４によりガス燃料供給管２３から燃料を供給する燃料供給量と、送風機２１から送風される燃焼用空気の送風量との他に、ダンパ位置調整装置４３でダンパ４２により給気通路２２を流れる燃焼用空気の送風量を制御することにより混合ガスＧ１の空気比を調整する。送風機２１、燃料調整弁２４およびダンパ位置調整装置４３は、制御装置１９からの制御信号に基づいて、予め定めた所定のタイミングで、燃焼用空気の送風量および燃料ガスの供給量により空気比を調整して燃焼ガスＧ２がＣＯ、Ｈ2等を含有した還元性雰囲気となるようにする。
【００６６】
また、本実施形態においては、供給部として、二次燃焼用空気供給部１５が通風器３３から取り込んだ空気を、酸素を含有する酸化ガスとして、バーナ１３よりも燃焼ガスＧ２の流れ方向の下流側の缶体１４内に供給するようにしているが、供給部が供給する媒体はこれに限定されるものではない。供給部は、燃料ガスのみ、又は空気と燃料ガスとの混合ガス（予混合ガス）を缶体１４内に供給するようにしてもよい。例えば、供給部が空気（酸素を含有する酸化ガス）に代えて燃料ガスを缶体１４内に供給する場合、供給部は燃料供給部１２が燃料ノズル２５に供給する燃料ガスの一部を缶体１４内に供給する燃料ガスとして用いてもよい。また、供給部が空気（酸素を含有する酸化ガス）に代えて混合ガスを缶体１４内に供給する場合、供給部はバーナ１３に供給される混合ガスＧ１の一部を缶体１４内に供給する混合ガスＧ１として用いてもよい。
【００６７】
また、本実施形態においては、燃焼用空気供給部１１が送風機２１から取り込んだ燃焼用空気と二次燃焼用空気供給部１５が通風器３３から取り込んだ二次燃焼用空気とを用いて空気を燃料ガスに二段で供給するようにしているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、供給部は、二次燃焼用空気、燃料ガス、混合ガスＧ１の何れか１つ以上を複数段で缶体１４内に供給するようにしてもよい。このとき、供給部は、二次燃焼用空気、燃料ガス、混合ガスＧ１を上記と同様の供給源から抜き出すようにする。
【００６８】
本実施形態においては、通風器３３から取り込んだ空気を二次燃焼用空気として用いた場合について説明したが、送風機２１から取り込んだ燃焼用空気又は給気通路２２内を流れる燃焼用空気を一部抜き出して二次燃焼用空気として用いてもよい。
【００６９】
本実施形態においては、酸化ガスとして、通風器３３から取り込んだ二次燃焼用空気を用いた場合について説明したが、酸素を含む酸化ガスであれば同様に適用できる。
【００７０】
本実施形態においては、二次燃焼用空気供給部１５は、二次燃焼用空気供給管３４が１つの場合について説明したが、二次燃焼用空気供給管３４が水管群１４Ｃの両側において、上下方向に向かって複数に分岐されていてもよい。このとき、二次燃焼用空気供給管３４の分岐した管のそれぞれの先端の空気噴出孔３５からガス流動空間Ｓへ向けて燃焼用空気を噴射する。
【００７１】
本実施形態においては、燃焼ガスＧ２に含まれるＣＯのみを浄化する場合について説明したが、ＣＯ以外のガス成分を含むガスに対しても同様に適用してもよい。
【００７２】
本実施形態においては、燃焼装置１０が制御装置１９を備え、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の設置位置は、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度の範囲内となるように調整している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、制御装置１９を備えない構成としてもよく、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１は、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度の範囲内となる領域に設置されていればよい。
【００７３】
本実施形態においては、制御装置１９が、混合ガスＧ１の空気比、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の設置位置は、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度の範囲内となるように、燃焼用空気、燃料ガスの供給量を調整するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、制御装置１９が、燃焼量の増減など燃焼量を変化させる場合などの非定常燃焼等により、混合ガスＧ１の空気比、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の設置位置が所定の温度範囲となる条件を一時的に満足しない場合があってもよい。また、燃焼ガスＧ２の成分の偏在等に起因してＣＯ酸化触媒Ｃ２が一時的にＮＨ3酸化触媒Ｃ１の設置位置が所定の温度範囲とならない場合があってもよい。
【００７４】
また、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の設置位置は、所定の温度の範囲内となる領域が常に一定であることは要せず、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の設置位置は、燃焼ガスＧ２のガス温度が所定の温度の範囲内となる領域が運転条件や時間によって範囲が変更し、又は位置が変更されてもよい。例えば、制御装置１９は、触媒活性化材料の種類や、粒の大きさ、粒の形状など触媒活性化材料の形態に応じて、ＮＨ3酸化触媒Ｃ１の設置位置が所定の温度範囲となる領域を調整、設定することができる。
【００７５】
また、本実施形態においては、浄化装置１７を貫流型の蒸気ボイラに適用する場合について説明したが、蒸気ボイラのみならず温水ボイラに対しても適用可能であり、また、貫流型ボイラの他、水管が環状に配列された多管式のボイラ、炉筒煙管ボイラ、バーナにより加熱管を直接加熱する給湯器等、種々の構造のボイラに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０  燃焼装置（ボイラ）
１１  燃焼用空気供給部
１２  燃料供給部
１３  バーナ
１４  缶体（吸熱手段）
１４Ａ  上部管寄せ
１４Ｂ  下部管寄せ
１４Ｃ  水管群
１５  二次燃焼用空気供給部（供給部）
１６  排出通路
１７  浄化装置（浄化部）
１８  給水予熱器（熱回収器）
１９  制御装置（制御部）
２１  送風機
２２  給気通路
２３  ガス燃料供給管
２４  燃料調整弁
２５  燃料ノズル
２６  燃料供給ライン
２７  内側水管（内側伝熱管）
２８  外側水管（外側伝熱管）
２９  キャスタブル（耐火物）
３０  連結壁
３２  燃焼ガス出口
３３  通風器
３４  二次燃焼用空気供給管（酸化ガス供給管）
３５  空気噴出孔
３８−１、３８−２  空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
３９  燃焼制御部
４１  空気比調整手段
４２  ダンパ
４３  ダンパ位置調整装置
Ｇ１  混合ガス
Ｇ２  燃焼ガス
Ｃ１  ＮＨ3酸化触媒
Ｃ２  ＣＯ酸化触媒
Ｓ  ガス流動空間
Ｖ１１、Ｖ１２  流量調節弁
【図１】
2013231538.tif 000003
【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】
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