(57)【要約】【課題】燃焼効率の高い運転を実行しながらも、排出される燃焼ガスの窒素酸化物濃度を低減しつつ、ランニングコストを低減し得る燃焼装置、及びその制御方法を提供する。【解決手段】容器２１の内部を通過した後の燃焼ガスＥを還元剤として供給されると共に、空気Ａを酸化剤として供給されることで電力を発生する燃料電池部４０を備え、空気過剰率制御手段Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３にて燃焼器１０における混合気の空気過剰率を１未満に制御する形態で、燃料電池部４０で電力を発生する発電燃焼運転を実行する制御装置Ｓを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸素含有ガスとを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器における混合気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段とを備え、
前記燃焼器からの燃焼ガスにて容器の内部の被加熱物を加熱する燃焼装置であって、
前記容器の内部を通過した後の前記燃焼ガスが還元剤として供給されると共に、空気が酸化剤として供給されることで電力を発生する燃料電池部を備え、
前記空気過剰率制御手段にて前記燃焼器における混合気の空気過剰率を１未満に制御する形態で、前記燃料電池部で電力を発生する発電燃焼運転を実行する制御装置を備える燃焼装置。
【請求項２】
前記容器の内部から前記燃料電池部へ導かれる前記燃焼ガスの温度を測定する温度測定手段を備え、
前記制御装置は、前記温度測定手段にて測定される前記燃焼ガスの温度に基づいて、前記発電燃焼運転を実行するか否かを切り換え制御する請求項１の燃焼装置。
【請求項３】
前記燃料電池部は、還元剤として供給された後の前記燃焼ガスを大気に排出するように構成され、
前記制御装置は、前記温度測定手段にて測定される前記燃焼ガスの温度が、前記燃焼ガスが前記燃料電池部を通過した後に二次火炎を形成する二次火炎形成下限温度以上である場合に、前記燃料電池運転を実行するように切り換え制御し、
前記温度測定手段にて測定される前記燃焼ガスの温度が、前記二次火炎形成下限温度未満である場合に、前記空気過剰率制御手段により前記燃焼器における混合気の空気過剰率を１より大きくする形態で、前記燃料電池部で電力を発生しない非発電燃焼運転を実行するように切り換え制御する請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記容器は、前記容器の内部から外部へ前記燃焼ガスを排出する煙道を備え、
前記燃料電池部は、前記煙道のうち、前記容器の内部の容器内空間に近接する部位に設けられている請求項１〜３の何れか一項に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記燃料電池部は、筒内面にアノード極を有すると共に筒外面にカソード極を有する筒形状部位を備えるとともに、当該筒形状部位を外囲する外囲筒を備え、
前記筒形状部位の筒内部に、前記燃焼ガスが前記アノード極に接触する状態で通流する燃焼ガス通流部が形成されると共に、前記筒形状部位と前記外囲筒との間に、前記空気が前記カソード極に接触する状態で通流する空気通流部が形成される請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記酸素含有ガスの酸素濃度を２１％を超える濃度に制御する酸素濃度制御手段を備える請求項１〜５の何れか一項に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記燃料電池部にて発生した電力は、電力を消費する補機に供給するように構成されている請求項１〜６の何れか一項に記載の燃焼装置。
【請求項８】
燃料と酸素含有ガスとを燃焼する燃焼器における混合気の空気過剰率を制御して、前記燃焼器からの燃焼ガスにて容器の内部の被加熱物を加熱する燃焼装置の制御方法であって、
前記燃焼器における混合気の空気過剰率を１未満に制御する形態で、前記容器の内部を通過した後の前記燃焼ガスが還元剤として供給されると共に空気が酸化剤として供給されることで電力を発生する燃料電池部で電力を発生する発電燃焼運転を実行する燃焼装置の制御方法。
【請求項９】
前記容器の内部から前記燃料電池部へ導かれる前記燃焼ガスの温度に基づいて、前記発電燃焼運転を実行するか否かを切り換え制御する請求項８に記載の燃焼装置の制御方法。
【請求項１０】
前記容器の内部から燃料電池部へ導かれる前記燃焼ガスの温度が、前記燃焼ガスが前記燃料電池部を通過した後に二次火炎を形成する二次火炎形成下限温度以上である場合に、前記燃料電池運転を実行するように切り換え制御し、
前記容器の内部から燃料電池部へ導かれる前記燃焼ガスの温度が、前記二次火炎形成下限温度未満である場合に、前記空気過剰率制御手段により前記燃焼器における混合気の空気過剰率を１より大きくする形態で、前記燃料電池部で電力を発生しない非発電燃焼運転を実行するように切り換え制御する請求項９に記載の燃焼装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と酸素含有ガスとを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器における混合気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段とを備え、前記燃焼器からの燃焼ガスにて容器の内部の被加熱物を加熱する燃焼装置、及び燃料と酸素含有ガスとを燃焼する燃焼器における混合気の空気過剰率を制御して、前記燃焼器からの燃焼ガスにて容器の内部の被加熱物を加熱する制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非特許文献１に示されるように、燃料と酸素含有ガスとを燃焼する燃焼装置として、酸素含有ガスの酸素濃度を空気に比して高くする酸素富化燃焼を実行する燃焼装置が知られている。
このような燃焼装置による酸素富化燃焼では、高温火炎が得られるため、融点の高い物質の溶解が可能であると共に、加熱用途に使用する場合には、火炎と被加熱物との温度差を大きくとることができるため、加熱効率を高めることができ、更に、単位燃料あたりで排出される燃焼ガスの量が、空気燃焼と比較して減少させることができるため、排出される燃焼ガスを介した熱損失を低減できる。従って、酸素富化燃焼は、燃焼効率の高い燃焼である。
ここで、上述の如く酸素富化燃焼を行う場合、特に、酸素富化ガスの酸素濃度が０％以上６０％以下程度までは、酸素濃度の増加に伴って、窒素酸化物の発生量が増加することが知られている。燃焼装置を工業炉に適用する場合、排出される燃焼ガスの窒素酸化物濃度は、大気汚染防止法で定められる排出基準値以下に抑制する必要がある。
そこで、排出される燃焼ガスの窒素酸化物濃度を低減するべく、燃焼装置にて燃料過濃燃焼することが考えられる。しかしながら、燃焼装置にて単純に燃料過濃燃焼すると、燃焼装置で燃焼される酸素量が低下するため、燃焼効率が低下する。
【０００３】
一方で、燃焼装置から排出される燃焼ガスの窒素酸化物濃度を低減する技術として、燃焼装置の排気路に脱硝触媒を有する脱硝装置を備えるものが知られている（特許文献１を参照）。当該脱硝装置は、アンモニアや尿素を還元剤として用いることで、窒素酸化物を還元し、排出される燃焼ガスの窒素酸化物濃度を低減する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】羽路智之、阿部智信、三宅新一、鷲見郁宏、菊池良輝：日本酸素技報、Ｎ２００２年、Ｎｏ．３０、Ｐ．１−６
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−１９３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示の技術の如く、脱硝装置を用いる場合、窒素酸化物を還元するために、アンモニアや尿素が継続的に必要になるため、ランニングコストが高くなるという問題があり、改善の余地があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼効率の高い運転を実行しながらも、排出される燃焼ガスの窒素酸化物濃度を低減しつつ、ランニングコストを低減し得る燃焼装置、及びその制御方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための燃焼装置は、
燃料と酸素含有ガスとを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器における混合気の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段とを備え、
前記燃焼器からの燃焼ガスにて容器の内部の被加熱物を加熱する燃焼装置であって、その特徴構成は、
前記容器の内部を通過した後の前記燃焼ガスが還元剤として供給されると共に、空気が酸化剤として供給されることで電力を発生する燃料電池部を備え、
前記空気過剰率制御手段にて前記燃焼器における混合気の空気過剰率を１未満に制御する形態で、前記燃料電池部で電力を発生する発電燃焼運転を実行する制御装置を備える点にある。
【０００９】
上記目的を達成するための燃焼装置の制御方法は、
燃料と酸素含有ガスとを燃焼する燃焼器における混合気の空気過剰率を制御して、前記燃焼器からの燃焼ガスにて容器の内部の被加熱物を加熱する燃焼装置の制御方法であって、その特徴構成は、
前記燃焼器における混合気の空気過剰率を１未満に制御する形態で、前記容器の内部を通過した後の前記燃焼ガスが還元剤として供給されると共に空気が酸化剤として供給されることで電力を発生する燃料電池部で電力を発生する発電燃焼運転を実行する点にある。
【００１０】
通常、容器の内部の高温化を図り燃焼効率の向上を図るべく、例えば、酸素含有ガスとして酸素濃度が空気よりも高い酸素富化ガスを供給する場合、燃焼ガスに含まれる大気汚染の原因となる窒素酸化物濃度が高くなるが、上記特徴構成によれば、燃焼器における混合気の空気過剰率を１未満に制御することで、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物濃度を低減できる。
ただし、上述の如く、空気過剰率を１未満に制御すると、燃焼器から未燃の炭化水素や、一酸化炭素、水素等を含む燃焼ガスが排出されることとなり、これらを容器の外部へ排出すると、エネルギ効率が低下すると共に、安全性の観点から好ましくない。
上記特徴構成にあっては、容器の内部を通過した後の燃焼ガスを還元剤とすると共に空気を酸化剤として電力を発生する燃料電池部を備えると共に、燃焼器における混合気の空気過剰率を１未満に制御する形態で、燃料電池部で電力を発生する発電燃焼運転を実行するから、空気過剰率を１未満として燃焼ガスに炭化水素、一酸化炭素、水素が含まれる場合であっても、それらを燃料電池部にて還元剤として消費して発電することができ、電力をも含めたトータルでのエネルギ効率を高めることができる。
更に、上述の構成にあっては、脱硝装置にて燃焼ガスの窒素酸化物を除去する場合と比較して、アンモニア等の継続的な利用が必要なくなるため、ランニングコストを低減できる。
結果、燃焼効率の高い運転を実行しながらも、排出される燃焼ガスの窒素酸化物濃度を低減しつつ、ランニングコストを低減し得る燃焼装置、及び制御方法を実現できる。
【００１１】
燃焼装置としては、
前記容器の内部から前記燃料電池部へ導かれる前記燃焼ガスの温度を測定する温度測定手段を備え、
前記制御装置は、前記温度測定手段にて測定される前記燃焼ガスの温度に基づいて、前記発電燃焼運転を実行するか否かを切り換え制御するように構成することが好ましい。
【００１２】
具体的には、前記燃料電池部は、還元剤として供給された後の前記燃焼ガスを大気に排出するように構成され、
前記制御装置は、前記温度測定手段にて測定される前記燃焼ガスの温度が、前記燃焼ガスが前記燃料電池部を通過した後に二次火炎を形成する二次火炎形成下限温度以上である場合に、前記燃料電池運転を実行するように切り換え制御し、
前記温度測定手段にて測定される前記燃焼ガスの温度が、前記二次火炎形成下限温度未満である場合に、前記空気過剰率制御手段により前記燃焼器における混合気の空気過剰率を１より大きくする形態で、前記燃料電池部で電力を発生しない非発電燃焼運転を実行するように切り換え制御するように構成することが好ましい。
【００１３】
燃焼装置の制御方法は、
前記容器の内部から前記燃料電池部へ導かれる前記燃焼ガスの温度に基づいて、前記発電燃焼運転を実行するか否かを切り換え制御するように構成することが好ましい。
具体的には、前記容器の内部から燃料電池部へ導かれる前記燃焼ガスの温度が、前記燃焼ガスが前記燃料電池部を通過した後に二次火炎を形成する二次火炎形成下限温度以上である場合に、前記燃料電池運転を実行するように切り換え制御し、
前記容器の内部から燃料電池部へ導かれる前記燃焼ガスの温度が、前記二次火炎形成下限温度未満である場合に、前記空気過剰率制御手段により前記燃焼器における混合気の空気過剰率を１より大きくする形態で、前記燃料電池部で電力を発生しない非発電燃焼運転を実行するように切り換え制御するように構成することが好ましい。
【００１４】
通常、燃焼ガスの温度が比較的高い場合、例えば、二次火炎形成下限温度（例えば、空気過剰率が１．１において、一次燃焼のエネルギが３５％程度、炉壁や被加熱物や燃料電池部への伝熱として消費される場合、１２００℃程度の温度）以上である場合、燃料電池部を通過した後の燃焼ガスは大気中の酸素と酸化反応して二次火炎を形成して、未燃の炭化水素等が大気に放出されることを防止できる。一方、燃焼ガスの温度が比較的低い場合（二次火炎形成温度未満である場合）、燃料電池部を通過した後の燃料ガスが二次火炎を形成されない虞があり、二次火炎が形成されない場合、未燃の炭化水素等が大気に放出されてしまうことになる。
上記特徴構成によれば、容器の内部から燃料電池部へ導かれる燃焼ガスの温度が、燃焼ガスが燃料電池部を通過した後に二次火炎を形成する二次火炎形成下限温度以上である場合に、燃料電池運転を実行するように切り換え制御するから、空気過剰率を１未満として窒素酸化物の濃度を低減しつつ、空気過剰率を１未満とすることにより燃焼ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、水素を還元剤として燃料電池部で消費して電力を発生できる。更に、燃料電池部を通過した後の燃焼ガスは、二次火炎を形成するため、未燃の炭化水素等が大気に排出されることを防止できる。
また、当該制御によれば、燃焼ガスの温度が高い場合に、燃料電池部のアノード極に酸素が含まれる燃焼ガスが導かれることを防止でき、燃料電池部のアノード極等の酸素による酸化を抑制できる。
【００１５】
更に、上記特徴構成によれば、容器の内部から燃料電池部へ導かれる燃焼ガスの温度が二次火炎形成下限温度未満である場合、燃焼器における混合気の空気過剰率を１より大きくする形態で、燃料電池部で電力を発生しない非発電燃焼運転を実行するように切り換え制御することで、燃料電池部を通過した後の燃焼ガスが二次火炎を形成し難い条件であるときに、燃焼器にて燃料ガスを完全燃焼できるから、燃料電池部を通過した後の燃料ガスに、未燃の炭化水素が含まれない状態を実現できる。
結果、燃料電池部に導かれる燃焼ガスの温度がどのような温度にある場合にも、即ち、二次火炎形成温度未満であっても以上であっても、大気へ未燃の炭化水素等が排出されることを好適に防止できる。
【００１６】
燃焼装置の更なる特徴構成は、
前記容器は、前記容器の内部から外部へ前記燃焼ガスを排出する煙道を備え、
前記燃料電池部は、前記煙道のうち、前記容器の内部の容器内空間に近接する部位に設けられている点にある。
【００１７】
上記特徴構成によれば、容器の内部から排出された直後で比較的高温の燃焼ガスを燃料電池部へ導くことができ、燃料電池部の温度を、燃料電池部にて高い発電効率が発揮できる温度まで良好に昇温させることができ、燃料電池部を高い発電効率で運転することができる。
【００１８】
燃焼装置の更なる特徴構成は、
前記燃料電池部は、筒内面にアノード極を有すると共に筒外面にカソード極を有する筒形状部位を備えるとともに、当該筒形状部位を外囲する外囲筒を備え、
前記筒形状部位の筒内部に、前記燃焼ガスが前記アノード極に接触する状態で通流する燃焼ガス通流部が形成されると共に、前記筒形状部位と前記外囲筒との間に、前記空気が前記カソード極に接触する状態で通流する空気通流部が形成される点にある。
【００１９】
上記特徴構成によれば、燃料電池部に筒形状部位を設け、当該筒形状部位の筒内部に燃焼ガスが通流する燃焼ガス通流部を形成すると共に、筒形状部位と外囲筒との間に酸素含有ガスが通流する酸素含有ガス通流部を形成する構成を採用するから、例えば、筒形状部位の筒内部に酸素含有ガスを通流させると共に、筒形状部位と外囲筒との間に燃焼ガスが通流する構成を採用する場合に比べ、燃焼ガスが保有する熱の外部への放熱を低減でき、
燃料電池部の筒形状部位を良好に昇温させて、燃料電池部の筒形状部位の温度を高温に保つことができ、燃料電池部の発電効率を高く維持できる。
【００２０】
更に、燃焼装置としては、前記酸素含有ガスの酸素濃度を２１％を超える濃度に制御する酸素濃度制御手段を備えることが好ましい。
【００２１】
また、燃焼装置としては、前記燃料電池部にて発生した電力は、電力を消費する補機に供給するように構成されていることで、燃焼装置全体としてのエネルギ効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に係る燃焼装置の概略構成図
【図２】化学平衡計算により導出した、複数の酸素濃度の酸素含有ガスにおいて空気過剰率を変化させた場合の燃焼ガスの温度を示すグラフ図
【図３】化学平衡計算により導出した、複数の酸素濃度の酸素含有ガスにおいて空気過剰率を変化させた場合の燃焼ガスの窒素酸化物濃度を示すグラフ図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
実施形態に係る燃焼装置１００、及びその制御方法は、図１に示すように、被加熱物Ｋを加熱する坩堝炉２１（容器の一例）の内部の高温化を図り排熱損失を低減させるべく酸素富化燃焼を行う場合にも、窒素酸化物を良好に低減できつつ、ランニングコストを低減し得る燃焼装置、及びその制御方法に関する。
当該実施形態に係る燃焼装置１００は、燃料ガスＦと酸素含有ガスＡとを燃焼する燃焼器１０と、当該燃焼器１０における混合気（燃料ガスＦと酸素含有ガスＡとの混合気）の空気過剰率を制御するための燃料ガス流量制御弁Ｖ１、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２、及び酸素流量制御弁Ｖ３（空気過剰率制御手段の一例）とを備え、燃焼器１０からの燃焼ガスＥにて坩堝炉２１の内部の被加熱物Ｋを加熱するものであり、坩堝炉２１の内部を通過した後の燃焼ガスＥが還元剤として供給されると共に、酸素含有ガスＡが酸化剤として供給されることで電力を発生する燃料電池部４０を備え、空気過剰率制御手段としての燃料ガス流量制御弁Ｖ１、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２、及び酸素流量制御弁Ｖ３にて、燃焼器１０における混合気の空気過剰率を１未満に制御する形態で、燃料電池部４０で電力を発生する発電燃焼運転を実行する制御装置Ｓを備えて構成されている。
【００２４】
坩堝炉２１は、円筒状の炉本体２１ａと、当該円筒状の炉本体２１ａに配置され、アルミニウム、銅、銅合金、亜鉛等の各種の金属を溶融して保持する坩堝２２とを備えるものである。
炉本体２１ａは、主に、耐火煉瓦等から構成されている側壁及び底壁と、その上端に形成される開口を閉止する蓋部２４とを備えて構成されている。炉本体２１ａの内部には、底壁上に配置される坩堝台２３と、当該坩堝台２３上に配置される坩堝２２が設けられている。炉本体２１ａの側壁には、炉本体２１ａの内部の下方領域（図１で矢印Ｚの基端側の領域）へ燃焼ガスＥを排出する燃焼器１０が穿設されていると共に、炉本体２１ａの内部の上方領域（図１で矢印Ｚの先端側の領域）から燃焼ガスＥを外部に排出する煙道２５が設けられている。尚、蓋部２４には、平面視でその中央領域に開口部２４ａが設けられており、当該開口部２４ａは図示しない封止蓋にて封止可能に構成されている。
【００２５】
燃焼器１０は、円筒状の燃焼筒１３を坩堝炉２１の炉本体２１ａの側壁の下方側（図１で矢印Ｚの基端側）に穿設して設けられている。当該燃焼器１０には、燃料ガスＦを受け入れる燃料ガス受入部１１と、酸素含有ガスＡを受け入れる酸素含有ガス受入部１２とを備えている。燃料ガス受入部１１は、燃料ガスＦを通流する燃料ガス通流路Ｒ３が連通接続されると共に、酸素含有ガス受入部１２は、ブロア６１にて圧送される空気Ａを通流する酸素含有ガス通流路Ｒ４が連通接続されている。尚、酸素含有ガス通流路Ｒ４には、酸素を貯留する酸素ボンベ６２から送り出された純酸素Ｏ2を通流する純酸素通流路Ｒ５が連通接続されている。
また、燃料ガス通流路Ｒ３には燃料ガスＦの流量を制御する燃料ガス流量制御弁Ｖ１が設けられ、酸素含有ガス通流路Ｒ４で純酸素通流路Ｒ５との連結部位より上流側には酸素含有ガスＡの流量を制御する酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２が設けられ、純酸素通流路Ｒ５には純酸素Ｏ2の流量を制御する酸素流量制御弁Ｖ３が設けられている。
【００２６】
制御装置Ｓは、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２及び酸素流量制御弁Ｖ３の開度を制御する形態で、燃焼器１０の酸素含有ガス受入部１２へ供給する酸素含有ガスＡに含まれる酸素濃度を制御する。即ち、制御装置Ｓ、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２、及び酸素流量制御弁Ｖ３が、酸素濃度制御手段として機能する。
更に、制御装置Ｓは、燃料ガス流量制御弁Ｖ１、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２、及び酸素流量制御弁Ｖ３の開度を制御する形態で、燃焼器１０での混合気の空気過剰率を制御する。即ち、制御装置Ｓ、燃料ガス流量制御弁Ｖ１、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２、及び酸素流量制御弁Ｖ３が、空気過剰率制御手段として機能する。
【００２７】
燃焼装置１００は、坩堝炉２１の内部の高温化を図りつつ熱効率の向上を図るべく、制御装置Ｓが、燃焼器１０にて酸素富化燃焼（例えば、酸素含有ガス受入部１２にて受け入れられる酸素含有ガスＡの酸素濃度が、２１％を超え２９％以下程度となる燃焼）が実行されるように、燃料ガス流量制御弁Ｖ１、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２、及び酸素流量制御弁Ｖ３の開度を制御する。酸素富化燃焼により形成される一次火炎Ｆ１の排ガスである燃焼ガスＥは、坩堝炉２１の炉本体２１ａと坩堝２２との間の環状空間を旋回しながら上昇し、煙道２５から排出されることとなる。
因みに、酸素富化燃焼において酸素含有ガスＡの酸素濃度が３０％以上になる場合、準酸素通流路Ｒ５を形成する配管を、設備強化等する必要が生じる。
【００２８】
ここで、上述の如く、燃焼器１０にて酸素富化燃焼を行う場合、図３に示すように、燃焼ガスＥに含まれる窒素酸化物濃度は、燃焼器１０に供給される酸素含有ガスＡの酸素濃度の上昇に伴って高くなる傾向にある。燃焼ガスＥの窒素酸化物濃度は、大気汚染防止法で定められる排出基準値以下に抑制する必要がある。一方で、図３に示すように、燃焼ガスＥの窒素酸化物濃度は、燃焼器１０での混合気の空気過剰率の低下に伴って減少する傾向にある。そこで、燃焼装置１００にあっては、制御装置Ｓが、燃焼器１０での混合気の空気過剰率が１未満となるように、燃料ガス流量制御弁Ｖ１、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２、及び酸素流量制御弁Ｖ３の開度を制御する。
【００２９】
制御装置Ｓにて設定される空気過剰率の範囲について説明を追加する。
燃焼装置１００は、空気過剰率を変化させる場合、図２に示すように、燃焼ガスＥの温度が変化する。燃焼装置１００は、燃焼ガスＥの高温化を図るべく酸素富化燃焼を実行するのであるが、このとき、制御装置Ｓが空気過剰率を制御することにより、酸素を富化したときの燃焼ガスＥの温度が、酸素を富化しない場合の燃焼ガスＥの温度を下回ると、酸素を富化する意味がなくなる。
そこで、制御装置Ｓは、煙道２５に設けられる温度センサＳ１（温度測定手段の一例）にて測定される燃焼ガスＥの温度が、酸素を富化しない場合の酸素含有ガス（空気：図１で酸素濃度２１％で示すガス）と燃料ガスＦとを燃焼器１０にて燃焼させたときの最高の燃焼ガスＥの温度（図２で、空気過剰率が０．９５程度の燃焼ガスＥの温度で２０００℃弱の温度）を超える範囲で、空気過剰率を１未満に制御する。具体的には、酸素含有ガスの酸素濃度を２７％に設定する場合、空気過剰率は、０．６９以上１．０未満程度の範囲で制御されることとなる。
【００３０】
以上の如く、制御装置Ｓが空気過剰率を１未満で制御する場合、燃焼ガスＥに未燃の炭化水素等が含まれることとなり、これをそのまま大気に排出する場合、燃焼ガスＥに含まれる未燃の炭化水素等が有する入力エネルギを燃焼装置１００にて有効な出力エネルギへ変換できないため、エネルギ効率が低下するという問題がある。
【００３１】
そこで、坩堝炉２１の煙道２５のうち、炉本体２１ａの内部の炉内空間に近接する部位には、燃料電池部４０が設けられている。当該燃料電池部４０は、筒内面にアノード極４１を有し、筒外面にカソード極４３を有し、アノード極４１とカソード極４３との間に固体酸化物である電解質層４２を有する三重構造の筒形状部位を備えると共に、当該筒形状部位を外囲する外囲筒４４を備えて構成されている。
燃料電池部４０の筒形状部位の筒内部には、筒内部が煙道２５と連通接続される形態で、煙道２５からの燃焼ガスＥがアノード極４１に接触する状態で通流する燃焼ガス通流部Ｒ１が形成されると共に、筒形状部位と外囲筒４４との間には、空気Ａがカソード極４３に接触する状態で通流する空気通流部Ｒ２が形成されている。
外囲筒４４の基端側（炉本体２１ａの内部の炉内空間に近接する側：図１で矢印Ｚの基端側）には、ブロア６１にて圧送された空気Ａを通流する空気通流路Ｒ６が連通接続される空気受入部５１が設けられている。因みに、空気通流路Ｒ６には、空気Ａの流量を制御する空気流量制御弁Ｖ４が設けられている。当該構成により、燃焼ガス通流部Ｒ１を通流する燃焼ガスＥの通流方向と、空気通流部Ｒ２を通流する空気Ａの通流方向とが平行となる、即ち、燃焼ガスＥと空気Ａとが平行流となる。
【００３２】
以上の構成を採用することにより、燃焼装置１００での混合気の空気過剰率を１未満に制御することで発生する燃焼ガスＥが燃焼ガス通流部Ｒ１を通流してアノード極４１に接触し、空気受入部５１から受け入れた空気Ａが空気通流部Ｒ２を通流してカソード極４３に接触する。これにより、アノード極４１側の燃焼ガスＥに含まれる炭化水素、一酸化炭素、水素等の還元成分と、カソード極４３側の空気Ａに含まれる酸素とが、電解質層４２を介して電気化学的に反応して発電が行われることになる。
尚、当該実施形態にあっては、制御装置Ｓは、燃焼器１０に供給される酸素含有ガスＡの酸素濃度を２１％を超える濃度に設定して燃焼器１０にて酸素富化燃焼を実行しつつ、燃焼器１０での混合気の空気過剰率を１未満に設定する形態で、燃料電池部４０での発電を実行する発電燃焼運転を実行するように、燃料ガス流量制御弁Ｖ１、酸素含有ガス流量制御弁Ｖ２、及び酸素流量制御弁Ｖ３の開度を制御する。
【００３３】
燃料電池部４０にて発電された電力は、図示しない電源回路を介して、ブロア、流量制御弁、センサ、及び制御装置などのように、燃焼装置１００に内蔵される電気機器（補機の一例）の作動電力として供給される。これにより、燃焼装置１００は、外部からの電力供給量を低減でき、エネルギ効率の向上が期待できる。
【００３４】
更に、説明を追加すると、制御装置Ｓは、煙道２５を通流する燃焼ガスＥの温度、即ち、燃料電池部４０の燃焼ガス通流部Ｒ１に導かれる燃焼ガスＥの温度に基づいて、上述した燃料電池部４０にて発電を行う発電燃焼運転を実行するか否かを制御する。
説明を追加すると、制御装置Ｓは、温度センサＳ１にて測定される燃焼ガスＥの温度が、燃焼ガスＥが燃料電池部４０の燃焼ガス通流部Ｒ１を通過した後で大気に放出される際に二次火炎Ｆ２を形成する二次火炎形成下限温度（例えば、空気過剰率が１．１において、一次燃焼のエネルギが３５％程度、炉壁や被加熱物や燃料電池部への伝熱として消費される場合、１２００℃程度の温度）以上である場合に、上述した燃料電池運転を実行するように切り換え制御し、温度センサＳ１にて測定される燃焼ガスＥの温度が、二次火炎形成下限温度未満である場合に、燃焼器１０における混合気の空気過剰率を１より大きくする形態で、燃料電池部４０で電力を発生しない非発電燃焼運転を実行するように切り換え制御する。
【００３５】
即ち、制御装置Ｓは、温度センサＳ１にて測定される燃焼ガスＥの温度が、燃焼ガスＥが燃料電池部を通過した後に二次火炎Ｆ２を形成する二次火炎形成温度以上である場合、発電燃焼運転を実行することで、燃焼器１０での混合気の空気過剰率が１未満として、燃焼ガスＥに含まれる窒素酸化物の濃度を低減しつつ、空気過剰率を１未満とすることにより燃焼ガスＥに含まれる炭化水素、一酸化炭素、水素等を還元剤として燃料電池部４０にて消費して電力を発生し、且つ燃料電池部４０の燃焼ガス通流部Ｒ１を通過した後の燃焼ガスＥに含まれる未燃の炭化水素等は、二次火炎Ｆ２にて良好に完全燃焼する。
一方、制御装置Ｓは、燃焼ガスＥの温度が二次火炎形成下限温度未満である場合、燃焼器１０における混合気の空気過剰率を１より大きくする形態で、燃料電池部４０で電力を発生しない非発電燃焼運転を実行するように切り換え制御することで、燃焼器１０にて燃料ガスＦを完全燃焼させることができるから、燃料電池部４０を通過した後の燃焼ガスＥが二次火炎Ｆ２を形成し難い条件であるときに、燃料電池部４０を通過した後の燃焼ガスＥに、未燃の炭化水素等が含まれない状態を実現できる。
【００３６】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態にあっては、容器の一例として坩堝炉２１を挙げたが、本願の燃焼装置１００にて適用可能な他の容器としては、ガラスを加熱して溶解するガラス溶融炉、炉内を還元状態とする必要がある雰囲気炉、水を加熱して過熱蒸気を生成する蒸気発生装置等が挙げられる。
【００３７】
（２）上記実施形態にあっては、燃焼器１０にて酸素富化燃焼を行う形態で、燃料電池部４０での発電を行う発電燃焼運転を実行する制御例を示した。しかしながら、本願の燃焼装置１００にあっては、燃焼器１０にて酸素富化燃焼を行わない形態、即ち、燃焼器１０へ供給する酸素含有ガスＡの酸素濃度を２１％程度に設定した状態で、燃料電池部４０にて発電を実行することもできる。
【００３８】
（３）上記実施形態にあっては、燃料電池部４０は、筒形状部位の筒内面にアノード極４１を設けると共に、筒形状部位の筒外面にカソード極４３を設ける構成例を示した。
しかしながら、燃料電池部４０は、筒形状部位の筒内面にカソード極を設けると共に、筒形状部位の筒外面にアノード極を設ける構成を採用しても構わない。この場合には、筒形状部位の筒内部に、酸素含有ガスＡを通流すると共に、筒形状部位と外囲筒４４との間に、燃焼ガスＥを通流させることになる。
【００３９】
（４）上記特徴構成によれば、燃料電池部４０の空気通流部Ｒ２へ空気を圧送するブロアと、燃焼装置１０へ酸素含有ガスを圧送するブロアとを共通のものに構成したが、当該ブロアを別体にしても構わない。
【００４０】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の燃焼装置及び制御方法は、燃焼効率の高い運転を実行しながらも、排出される燃焼ガスの窒素酸化物濃度を低減しつつ、ランニングコストを低減し得る燃焼装置、及びその制御方法として、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０    ：燃焼器
２１    ：坩堝炉
２５    ：煙道
４０    ：燃料電池部
４１    ：アノード極
４３    ：カソード極
４４    ：外囲筒
６１    ：ブロア
１００  ：燃焼装置
Ａ      ：酸素含有ガス（空気）
Ｅ      ：燃焼ガス
Ｆ      ：燃料ガス
Ｆ２    ：二次火炎
Ｋ      ：被加熱物
Ｒ１    ：燃焼ガス通流部
Ｒ２    ：空気通流部
Ｓ      ：制御装置
Ｓ１    ：温度センサ
Ｖ１    ：燃料ガス流量制御弁
Ｖ２    ：酸素含有ガス流量制御弁
Ｖ３    ：酸素流量制御弁
Ｖ４    ：空気流量制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
2017161157.tif 000005