JP2004069139A

JP2004069139A - Low nox combustion device

Info

Publication number: JP2004069139A
Application number: JP2002227379A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kayahara; 茅原　敏広; Noboru Takubo; 田窪　昇
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-03-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily lower NOx so that the NOx emission value drops to 10 ppm or less, and also to surely lower CO. <P>SOLUTION: This low NOx combustion device is provided with a NOx lowering means that has an air ratio to NOx characteristic in which NOx generation decreases with increase of the air ratio of a burner 1 and an air ratio to CO characteristic in which CO emission increases with increase of the air ratio, and a CO oxidation catalyst that lowers CO emission from the NOx lowering means to a predetermined value or less. NOx is lowered according to a predetermined air ratio calculated based on NOx lowering target and the air ratio to NOx characteristic while a throughput of the CO oxidation catalyst is set based on the CO emission of the NOx lowering means at the predetermined air ratio. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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）などにて提案した。
【０００４】
しかしながら、これらの先行技術によるＮＯｘ低減は、現実には２５ｐｐｍ程度にとどまり、１０ｐｐｍを下回る低ＮＯｘ化技術はいまだ実用化されていない。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】
その原因は、低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とが相反する技術的課題であることにある。すなわち、低ＮＯｘを推し進めるために燃焼ガス温度を急激に低下させ、９００℃以下の低い温度に抑制すると、ＣＯが多量に発生すると共に発生したＣＯが酸化されないまま排出され、ＣＯ排出量が増大してしまう。逆に、ＣＯの排出量を少なくするために、燃焼ガス温度を高めに抑制すると、ＮＯｘの生成量の抑制が不十分となる。
【０００６】
前記先行技術にて提案の低ＮＯｘ化技術も、低ＮＯｘ化に伴い発生するＣＯ量をできるだけ少なくするように、また発生したＣＯが酸化するように燃焼ガス温度を抑制するものである。その結果、前記先行技術は、低ＮＯｘ化のための手段の選択が限定され、かつ燃焼ガス温度の抑制が不十分であり、前記超低ＮＯｘ化を実現するものではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、ＣＯの発生を考慮することなく低ＮＯｘ化を推し進めることができると共に、排出ＮＯｘ値が１０ｐｐｍを下回るような低ＮＯｘ化を容易に実現でき、しかも低ＣＯ化を確実に実現できる低ＮＯｘ燃焼装置を提供することである。
【０００８】
【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燃焼装置であって、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、前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を所定値以下とするＣＯ酸化触媒体とを具備し、ＮＯｘ低減目標値と前記空気比対ＮＯｘ特性とから求められる所定空気比にて低ＮＯｘ化を行うと共に、所定空気比における前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値とＣＯ低減目標値とに基づき前記ＣＯ酸化触媒体の処理容量を設定することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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Ｏ_２（％）（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Ｏ_２（％）にて表示する。また、ＮＯｘ値は、排ガス０％Ｏ_２換算の値を示し、ＣＯ値は、換算値でなく読取値を示す。
【００１２】
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。
【００１３】
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、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、前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を所定値以下とするＣＯ酸化触媒体とを具備し、ＮＯｘ低減目標値と前記空気比対ＮＯｘ特性とから求められる所定空気比にて低ＮＯｘ化を行うと共に、所定空気比における前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値とＣＯ低減目標値とに基づき前記ＣＯ酸化触媒体の処理容量を設定する低ＮＯｘ燃焼装置に関するものである。
【００１４】
この実施の形態は、ＮＯｘが一度生成するとその後は殆ど消滅しないのに対して、ＣＯが生成後に容易に低減できるという特性に着目してなされたものである。
【００１５】
前記低ＮＯｘ化手段は、燃焼ガス温度を抑制し、生成ＮＯｘ値を所定値以下に低減する。前記所定値は、従来達成されていたＮＯｘ値以下であり、好ましくは１０ｐｐｍ以下である。この低ＮＯｘ化においては、排出ＣＯ値の低減，すなわちＣＯの生成の抑制とＣＯの酸化の促進に優先して低ＮＯｘ化を進める。この優先とは、燃焼の継続を条件に可及的に燃焼ガス温度を抑制し、まずはＮＯｘ低減化を低ＣＯ化に先だって行い、ＮＯｘ低減化の後にＣＯの低減化を行うことを意味し、また相反する技術的課題である低ＮＯｘ化と低ＣＯ化のうち低ＣＯ化を犠牲あるいは無視して低ＮＯｘ化を進めることを意味する。
【００１６】
前記低ＮＯｘ化手段は、前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少する空気比対ＮＯｘ特性と前記空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加する空気比対ＣＯ特性とを有している。前記低ＮＯｘ化手段は、同手段が有する空気比対ＮＯｘ特性において、ＮＯｘ値が低減目標ＮＯｘ値以下となる空気比を求め、この空気比にて前記バーナを燃焼させて低ＮＯｘ化を行う。この空気比を求める際には、前記低ＮＯｘ化手段が有する空気比対ＣＯ特性は考慮しない。
【００１７】
つぎに、前記ＣＯ酸化触媒体につき説明する。前記ＣＯ酸化触媒体は、前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値をＣＯ低減目標値である所定値以下に低減する。前記所定値は、５０ｐｐｍであり、好ましくは２０〜３０ｐｐｍである。
【００１８】
前記ＣＯ低減目標値をクリアするために前記ＣＯ酸化触媒体の処理容量は、つぎのようにして設定される。まず、ＮＯｘ低減目標値と前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性とから所定空気比を求め、この所定空気比と空気比対ＣＯ特性とから、前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を求める。そして、この排出ＣＯ値とＣＯ低減目標値とに基づき、前記ＣＯ酸化触媒体の処理容量を前記ＣＯ酸化触媒体を出た後の排出ＣＯ値が前記ＣＯ低減目標値以下となるように設定する。
【００１９】
前記ＣＯ酸化触媒体は、好ましくは燃焼ガスの温度が９００℃以下の領域に配置される。ＣＯは、燃焼ガス温度が９００℃〜１４００℃の範囲で、かつ必要な滞留時間を与えると、ＣＯ_２に酸化する行われることが知られている。しかしながら、この温度を維持しようとすると低ＮＯｘ化を優先して行うことの束縛になる。しかしながら、燃焼ガスの温度が９００℃以下の領域において行うことによりこの束縛を外すことができる。また、前記ＣＯ酸化触媒体を選定するに際して、耐熱性の条件が緩和され、選定が容易となる。
【００２０】
前記ＣＯ酸化触媒体は、１００℃〜１０００℃で酸化触媒作用をなすものが選ばれる。下限の１００℃は、前記ＣＯ酸化触媒体の活性化温度，すなわち有効な酸化触媒作用を発揮する温度であり、上限の１０００℃は、前記ＣＯ酸化触媒体の耐熱性から決められる温度である。結局、前記ＣＯ酸化触媒体は、前記バーナからの燃焼ガスが流通する通路において、燃焼ガス温度が、低ＮＯｘ化を優先する点から９００℃以下で、前記ＣＯ酸化触媒体の活性化温度の点から１００℃以上の領域に配置される。具体的な前記ＣＯ酸化触媒体の配置位置は、熱機器の缶体構造などを考慮して決定される。
【００２１】
また、前記ＣＯ酸化触媒体は、通気性を有する基材に酸化触媒を塗布した構成とする。前記基材としては、ステンレスなどの金属，セラミックが用いられ、排ガスとの接触面積を広くするような表面処理が施される。酸化触媒としては、一般的に白金が用いられるが、実施に応じて、白金族の貴金属またはクロム，マンガン，鉄，コバルト，ニッケルなどの金属酸化物を用いることができる。
【００２２】
ここで、前記低ＮＯｘ化手段の好ましい形態は、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（以下、「第一抑制手段」という。）と、吸熱体群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、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（以下、「第三抑制手段」という。）と、前記燃焼反応領域への水添加または蒸気添加（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、「第四抑制手段」という。）とを組み合わせたものとする。前記燃焼反応領域とは、燃焼反応中ガスが存在する領域である。
【００２３】
前記第一抑制手段は、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Ｏ_２（％）：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】
前記第二抑制手段は、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，すなわち前記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。
【００２５】
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２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、前記特開平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。
【００２６】
前記第三抑制手段は、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。この第三抑制手段は、燃焼ガスの均一冷却である。
【００２７】
前記第四抑制手段は、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。この第四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燃料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。
【００２８】
前記第一抑制手段〜前記第四抑制手段の組合せによる効果はつぎの通りである。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を実現できる。特に、前記第四抑制手段よる不安定特性を緩和して安定した低ＮＯｘ化を実現できる。
【００２９】
前記低ＮＯｘ化手段は，少なくとも第二抑制手段（吸熱体群冷却）を有するつぎの５つの変形例を含む。▲１▼前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）を除き、前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）と前記第四抑制手段（水／蒸気添加）との３つの抑制手段を組み合せた形態。▲２▼前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）と前記第二抑制手段（吸熱体群群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）との３つの抑制手段を組み合せた形態。▲３▼前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）と前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第四抑制手段（水／蒸気添加）との３つの抑制手段を組み合せた形態。▲４▼前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）との２つの抑制手段を組み合せた形態。▲５▼前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第四抑制手段（水／蒸気添加）との２つの抑制手段を組み合せた形態。
【００３０】
これらの変形例の全ては、前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）を含んでいるが、これに限定されるものではない。何故なら、この発明は、低ＮＯｘ化をＣＯ値低減に優先して行い、その後に低ＣＯ化を行うものであり、好ましい低ＮＯｘ化手段はあるにしても、低ＮＯｘ化手段を特定のものに限定するものではない。前記低ＮＯｘ化手段は、ＮＯｘ低減目標を達成すべく低ＮＯｘ化を進めると、排出ＣＯ値がＣＯ低減目標値を超えてしまうものを対象とする。また、前記低ＮＯｘ化手段の前記バーナの種類および形式についても特定のものに限定されるものではない。
【００３１】
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、前記のとおり、前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性において、前記ＮＯｘ低減目標値に対応する空気比として求められる。
【００３２】
【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、それぞれ図１に示す実施例における高燃焼時，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、図１に示す実施例の要部制御回路図であり、図７は、図１に示す実施例の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。
【００３３】
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、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（第一抑制手段），多数の伝熱管による燃焼ガス温度の抑制手段（第二抑制手段），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（第三抑制手段）および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（第四抑制手段）を組み合わせて行う低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、前記低ＮＯｘ化手段から排出されるＣＯを酸化させて排出ＣＯ値を所定値以下とする低ＣＯ化手段である。
【００３４】
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（予混合気の噴出面）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を流通するの排ガスの一部を燃焼用空気へ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。
【００３５】
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。
【００３６】
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内へ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、圧損を減じるために実施に応じて、省略できる。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
つぎに、この実施例の前記特徴部分につき説明する。まず、前記低ＮＯｘ化手段について、前記第一抑制手段につき説明する。この第一抑制手段は、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、燃焼ガス温度が抑制され、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、多数の予混合気噴出口（図示しない）がほぼ均等に形成されている。
【００４１】
前記第二抑制手段は、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。
【００４２】
前記第三抑制手段は、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、再循環される排ガス量（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。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、前記第一ダンパ２１により調整される。
【００４３】
前記第四抑制手段は、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の上流端は、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。
【００４４】
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、この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。
【００４５】
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および曲線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５０Ｎｍ^３／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Ｏ_２（％）：６において、それぞれ１６６９Ｎｍ^３／ｈ，６７Ｎｍ^３／ｈとなる。
【００４６】
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。
【００４７】
この高燃焼時の低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、Ｏ_２（％）：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および曲線Ｄは、前記第三抑制手段および第四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、この実施例の曲線Ａおよび曲線Ｂと対比するためのものである。
【００４８】
つぎに、低燃焼時の低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および曲線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２５Ｎｍ^３／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Ｏ_２（％）：６において、それぞれ８３４Ｎｍ^３／ｈ，３３Ｎｍ^３／ｈとなる。
【００４９】
この低燃焼時の低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Ｏ_２（％）：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および曲線Ｈは、前記第三抑制手段および第四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、この実施例の曲線Ｅおよび曲線Ｆと対比するためのものである。
【００５０】
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。
【００５１】
この実施例においては、前記所定値は、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、Ｏ_２（％）：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，たとえば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、Ｏ_２（％）：６．２５として求められる。
【００５２】
ついで、前記低ＣＯ化手段につき説明する。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。この実施例における低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。
【００５３】
前記ＣＯ酸化触媒体２７の処理容量は、つぎのようにして設定される。ＮＯｘ低減目標値と空気比対ＮＯｘ特性とから求めた所定空気比における前記低ＮＯｘ化手段の排出ＣＯ値を空気比対ＣＯ特性から求める。所定空気比は、前記のように高燃焼時はＯ_２（％）：５．８であり、低燃焼時はＯ_２（％）：６．２５である。この空気比と図４の曲線Ｂ（高燃焼時）および図５の曲線Ｆから、高燃焼時および低燃焼時の排出ＣＯ値は、それぞれ約４００ｐｐｍ、約１００ｐｐｍとなる。従って、前記ＣＯ酸化触媒体の処理容量は、この排出ＣＯ値とＣＯ低減目標値５０ｐｐｍとから少なくとも１／８に低減できる容量に設定する必要がある。しかしながら、実施例では余裕をみて１／１０に低減するように設定している。なお、必要以上に処理容量に余裕を持たせると、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が増大する。
【００５４】
結局、前記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。
【００５５】
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、所定幅の前記平板２８および波板２９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。
【００５６】
前記ＣＯ酸化触媒体２７は、前記伝熱管２群の後流に配置される。具体的には、前記ＣＯ酸化触媒体２７は、図２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。前記排ガス出口１６部における燃焼ガス温度は、約２５０℃〜３５０℃である。
【００５７】
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、伝熱管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。
【００５８】
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。
【００５９】
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Ｏ_２（％）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。この実施例の燃焼ガス温度抑制作用により、燃焼ガス温度は、前記第三抑制手段および第四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。
【００６０】
前記の低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ない。このＣＯの酸化は、燃焼ガス温度が９００℃以下では、ほとんど行われないので、前記排ガス出口１６における排ガス中のＣＯ値は、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。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、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。
【００６１】
この実施例によれば、つぎの作用効果を奏する。低ＮＯｘ化を優先して行い、その後に低ＣＯ化を行うので、ＣＯ値を考慮することなく、低ＮＯｘ化を推進でき、低ＮＯｘ化手段の選択が容易となる。その結果、生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化を容易に実現でき、しかも低ＣＯ化を確実に実現できる。
【００６２】
また、ＮＯｘ低減目標値から求めた所定空気比における前記低ＮＯｘ化手段の排出ＣＯ値とＣＯ低減目標値とに基づきＣＯ酸化触媒体２７の処理容量を設定しているので、ＣＯ酸化触媒体２７の処理容量の設定を容易に行うことができると共に、確実にＣＯ低減目標値を達成できる。
【００６３】
また、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。
【００６４】
前記第一抑制手段（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。
【００６５】
また、前記第二抑制手段（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。
【００６６】
また、前記第三抑制手段（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、前記第三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。
【００６７】
また、前記第四抑制手段（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。
【００６８】
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。
【００６９】
また、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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
さらに、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。
【００７３】
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。
【００７４】
また、前記実施例においては、前記第二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。
【００７５】
また、前記実施例においては、前記第二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。
【００７６】
また、前記実施例においては、前記第四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、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。
【００７７】
また、実施に応じて、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。
【００７８】
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、前記送風機４の下流側に設けたダンパなどの燃焼用空気流量調整手段（図示しない）により空気比を制御するように構成できる。
【００７９】
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（図示しない）を設けこの外気温センサ出力により、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（図示しない）を作成する。そして、この対比テーブルを制御回路のメモリ（いずれも図示しない）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。
【００８０】
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、前記伝熱管除去空間３１を省略する，すなわち前記伝熱管２を除去しないよう構成することができる。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
【発明の効果】
この発明によれば、ＣＯの発生を考慮することなく低ＮＯｘ化を推し進めることができると共に、排出ＮＯｘ値が１０ｐｐｍを下回るような低ＮＯｘ化を容易に実現でき、しかも低ＣＯ化を共に実現でき、時代のニーズに適応した低公害型の技術および商品を提供できるものであり、産業的価値は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】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る。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面説明図である。
【図３】図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面説明図である。
【図４】図４は、図１に示す蒸気ボイラ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】図５は、図１に示す蒸気ボイラ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】図６は、図１に示す蒸気ボイラの要部制御回路図である。
【図７】図７は、図１に示す蒸気ボイラのＣＯ酸化触媒体の要部構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１　バーナ
２　伝熱管
３　缶体
４　送風機
２７　酸化触媒体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a low NOx combustion device applied to a water tube boiler, a reheater of an absorption refrigerator, and the like.
[0002]
[Prior art]
In general, it is known that the principle of suppressing the generation of NOx is (1) suppression of flame (combustion gas) temperature, (2) reduction of residence time of high-temperature combustion gas, and (3) reduction of oxygen partial pressure. . There are various NOx reduction technologies that apply these principles. For example, a two-stage combustion method, a concentration combustion method, an exhaust gas recirculation combustion method, a water addition combustion method, a steam injection combustion method, a flame cooling combustion method using a water pipe group, and the like have been proposed and put into practical use.
[0003]
By the way, with the times, exhaust gas regulations have become stricter even for relatively small-capacity NOx generation sources such as water tube boilers, and further reduction in NOx has been demanded. The applicant has proposed a technology for reducing NOx in response to these requests in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-132404 (US Pat. No. 6,029,614).
[0004]
However, the reduction of NOx by these prior arts is actually only about 25 ppm, and the NOx reduction technology of less than 10 ppm has not yet been put to practical use. Hereinafter, the reduction of NOx at which the generated NOx value is 10 ppm or less is referred to as ultra-low NOx reduction.
[0005]
The cause is that reduction of NOx and reduction of CO are contradictory technical problems. That is, if the temperature of the combustion gas is rapidly reduced to promote low NOx and suppressed to a low temperature of 900 ° C. or less, a large amount of CO is generated and the generated CO is discharged without being oxidized, thereby increasing the amount of CO emission. Would. Conversely, if the combustion gas temperature is suppressed to a higher value in order to reduce the amount of CO emission, the suppression of the NOx generation amount will be insufficient.
[0006]
The NOx reduction technology proposed in the prior art also suppresses the combustion gas temperature so that the amount of CO generated due to the reduction of NOx is reduced as much as possible and the generated CO is oxidized. As a result, in the prior art, the selection of the means for reducing NOx is limited, and the suppression of the combustion gas temperature is insufficient, so that the ultralow NOx is not realized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is to reduce NOx without considering generation of CO, and to easily realize reduction of NOx such that the emission NOx value is less than 10 ppm, and furthermore, to reduce CO. Is to provide a low NOx combustion device that can reliably realize the above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problem, and the invention according to claim 1 is a low NOx combustion apparatus which realizes low NOx by controlling the temperature of combustion gas from a burner. NOx reduction means for reducing the generated NOx value with an increase in the air ratio of the burner with respect to the air ratio to NOx characteristic, and increasing the emission CO value with the increase in the air ratio with the air ratio. A CO oxidation catalyst for reducing the CO value emitted from the NOx reduction means to a predetermined value or less, and reducing NOx at a predetermined air ratio obtained from the NOx reduction target value and the air ratio to NOx characteristic. In addition, the processing capacity of the CO oxidation catalyst is set based on the CO value discharged from the NOx reduction means at a predetermined air ratio and a CO reduction target value.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Before describing the embodiments, terms used in the present specification will be described. The combustion gas includes the combustion gas during the combustion reaction (combustion process) and the combustion gas after the completion of the combustion reaction. The combustion reaction gas means the combustion gas during the combustion reaction, and the combustion complete gas means the combustion gas after the combustion reaction has been completed. Further, the gas during the combustion reaction is a substance concept, but is generally in a flame state including a visible flame, and thus can be referred to as a flame as a state concept. Therefore, in this specification, the gas during the combustion reaction may be referred to as a flame or a combustion flame. Further, the exhaust gas refers to a combustion complete gas whose temperature has been reduced by an endothermic effect of a heat transfer tube or the like.
[0010]
Unless otherwise specified, the combustion gas temperature means the temperature of the gas during the combustion reaction, and is synonymous with the combustion temperature or the combustion flame temperature. Further, suppressing the combustion gas temperature means suppressing the maximum value of the combustion gas (combustion flame) temperature to a low value. Normally, the combustion reaction continues even though the amount is very small even in the combustion complete gas. Therefore, the completion of combustion does not mean 100% completion of the combustion reaction.
[0011]
Further, the air ratio is the actual combustion air amount / theoretical combustion air amount. ₂ (%) (Oxygen concentration in exhaust gas) in a predetermined relationship. ₂ Display in (%). The NOx value is 0% O in exhaust gas. ₂ The converted value is shown, and the CO value is not a converted value but a read value.
[0012]
Next, an embodiment of the present invention will be described. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to heat appliances (may be referred to as combustion appliances) such as a water tube boiler such as a small once-through boiler, a water heater, and a reheater of an absorption refrigerator. The thermal device has a burner and a group of heat absorbers heated by combustion gas from the burner.
[0013]
An embodiment of the method according to the present invention is a low NOx combustion apparatus which realizes low NOx by controlling the temperature of combustion gas from a burner, wherein an air ratio to NOx characteristic is changed according to an increase in the air ratio of the burner. NOx reduction means for reducing the generated NOx value, and increasing the emission CO value with respect to the air ratio to CO characteristics as the air ratio increases, and reducing the emission CO value from the NOx reduction means to a predetermined value or less. A NOx reduction target at a predetermined air ratio obtained from the NOx reduction target value and the air ratio-to-NOx characteristic, and discharge from the NOx reduction means at a predetermined air ratio. The present invention relates to a low NOx combustion apparatus that sets a processing capacity of the CO oxidation catalyst based on a CO value and a CO reduction target value.
[0014]
This embodiment focuses on the characteristic that once NOx is generated, it hardly disappears thereafter, whereas CO can be easily reduced after generation.
[0015]
The NOx reduction unit suppresses the combustion gas temperature and reduces the generated NOx value to a predetermined value or less. The predetermined value is equal to or less than a conventionally achieved NOx value, and preferably equal to or less than 10 ppm. In this NOx reduction, the NOx reduction is promoted in preference to the reduction of the exhausted CO value, that is, the suppression of CO generation and the promotion of CO oxidation. This priority means that the combustion gas temperature is suppressed as much as possible on the condition that continuation of combustion is performed, and that the reduction of NOx is performed first before the reduction of CO, and the reduction of CO is performed after the reduction of NOx. In addition, it means to promote the reduction of NOx while sacrificing or ignoring the reduction of CO among the reduction of NOx and the reduction of CO, which are conflicting technical issues.
[0016]
The NOx reduction means has an air ratio-to-NOx characteristic in which the generated NOx value decreases as the air ratio of the burner increases, and an air ratio-to-CO characteristic in which the emission CO value increases as the air ratio increases. . The NOx reduction means obtains an air ratio at which the NOx value becomes equal to or less than the reduction target NOx value in the air ratio to NOx characteristics of the means, and burns the burner at this air ratio to reduce the NOx. In determining this air ratio, the air ratio versus CO characteristic of the NOx reduction means is not considered.
[0017]
Next, the CO oxidation catalyst will be described. The CO oxidation catalyst reduces the value of CO emitted from the NOx reduction unit to a predetermined value, which is a CO reduction target value, or less. The predetermined value is 50 ppm, preferably 20 to 30 ppm.
[0018]
In order to clear the CO reduction target value, the processing capacity of the CO oxidation catalyst is set as follows. First, a predetermined air ratio is determined from the NOx reduction target value and the air ratio vs. NOx characteristic of the NOx reduction means, and the CO value discharged from the NOx reduction means is determined from the predetermined air ratio and the air ratio versus CO characteristic. Ask. Then, based on the emission CO value and the CO reduction target value, the processing capacity of the CO oxidation catalyst is set so that the emission CO value after leaving the CO oxidation catalyst is equal to or less than the CO reduction target value. .
[0019]
The CO oxidation catalyst is preferably disposed in a region where the temperature of the combustion gas is 900 ° C. or lower. When the combustion gas temperature is in the range of 900 ° C. to 1400 ° C. and the required residence time is given, CO ₂ It is known that oxidation takes place. However, maintaining this temperature imposes a constraint on giving priority to reducing NOx. However, this restriction can be removed by performing the process in a region where the temperature of the combustion gas is 900 ° C. or lower. Further, when selecting the CO oxidation catalyst, conditions for heat resistance are relaxed, and selection becomes easy.
[0020]
As the CO oxidation catalyst, one having an oxidation catalytic action at 100 ° C. to 1000 ° C. is selected. The lower limit of 100 ° C. is the activation temperature of the CO oxidation catalyst, that is, the temperature at which an effective oxidation catalyst is exhibited, and the upper limit of 1000 ° C. is a temperature determined from the heat resistance of the CO oxidation catalyst. In the end, the CO oxidation catalyst has a combustion gas temperature of 900 ° C. or less in a passage through which the combustion gas flows from the burner, from the point of giving priority to the reduction of NOx, and the activation temperature of the CO oxidation catalyst. From 100 ° C. to 100 ° C. or higher. The specific arrangement position of the CO oxidation catalyst is determined in consideration of the can body structure of the thermal equipment.
[0021]
Further, the CO oxidation catalyst has a configuration in which an oxidation catalyst is applied to a base material having gas permeability. As the substrate, a metal such as stainless steel or ceramic is used, and a surface treatment for increasing a contact area with exhaust gas is performed. Platinum is generally used as the oxidation catalyst, but a platinum group noble metal or a metal oxide such as chromium, manganese, iron, cobalt, or nickel can be used depending on the implementation.
[0022]
Here, a preferable mode of the NOx reducing means is a means for suppressing combustion gas temperature by burning a completely premixed type burner at a high air ratio (hereinafter, referred to as "first suppressing means"), and a heat absorber. Means for suppressing the combustion gas temperature by the group (hereinafter, referred to as "second suppressing means") and means for suppressing the combustion gas temperature by recirculating the combustion complete gas to the combustion reaction region (hereinafter, "third suppressing means") ) And means for suppressing the combustion gas temperature by adding water or steam (hereinafter, referred to as “water / steam addition”) to the combustion reaction region (hereinafter, referred to as “fourth suppressing means”). It shall be assumed. The combustion reaction region is a region where the gas during the combustion reaction exists.
[0023]
The first suppressing means is based on the following principle. When the burner is burned at a high air ratio, the combustion gas temperature is suppressed, and the NOx value is reduced. Here, the high air ratio refers to the amount of O contained in the exhaust gas. ₂ (%): 5 or more, preferably 5.5 or more. This suppressing action acts almost uniformly on the entire combustion reaction zone formed by the burner.
[0024]
The second suppression means is based on the following principle. The NOx value is reduced by suppressing the combustion gas temperature by the cooling action of a group of heat absorbers in which a plurality of heat absorbers are arranged in the combustion reaction gas from the burner, that is, in the combustion reaction region. Since the second heat suppression means cools the gas during the combustion reaction by disposing the heat absorber group, the second suppression means is non-uniform cooling. And, in the gap between the heat absorbers in the combustion reaction region, there is a portion where combustion is actively performed. In particular, in the wake of the heat absorber, a vortex is formed, and the combustion flame is held by the heat transfer tube. The heat absorber is formed of a heat transfer tube such as a water tube, but is not limited thereto.
[0025]
The following two configurations are included as an arrangement of how the heat absorber group is arranged with respect to the flow of the gas during the combustion reaction. One of them is to form a combustion gas passage through which the combustion gas flows in a substantially straight line from the burner to the exhaust gas outlet, and to allow the heat absorber group to flow the combustion gas to each other so as to cross the combustion reaction gas from the burner. This is a configuration in which there is a gap that allows the above. Another one is to arrange the heat absorbers in a ring shape with a gap allowing the flow of the combustion gas to each other, and direct the combustion gas from the burner from the inside of the ring heat absorber to the heat absorber group. It is configured to circulate in the radial direction, and to be disposed in the heat absorber group in the gas during the combustion reaction from the burner. The latter configuration is the same as that disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-132404 (US Pat. No. 6,029,614).
[0026]
The third suppression means is what is called an exhaust gas recirculation combustion method, and a part of the exhaust gas discharged to the atmosphere after the temperature is reduced by the endothermic action of the heat absorber group passes through the exhaust gas recirculation passage. Through the combustion air. By the cooling effect of the mixed exhaust gas, the combustion gas temperature is suppressed, and the NOx value is reduced. The third suppression means is uniform cooling of the combustion gas.
[0027]
The fourth suppression means is water / steam addition to the combustion reaction zone. By this water / steam addition, the gas during the combustion reaction is cooled, the temperature of the combustion gas is suppressed, and the NOx value is reduced. This fourth suppression means is also for uniform cooling of the combustion gas. The water / steam addition can be performed in the exhaust gas circulation passage depending on the implementation. Furthermore, in the embodiment in which the burner is a completely premixed burner and an air-fuel mixture of combustion air and fuel gas is sent to the burner by a blower, steam is added between the burner and the blower. Can be. In addition, water is added in the form of mist.
[0028]
The effects of the combination of the first suppression means to the fourth suppression means are as follows. When the functions of the individual suppression means are individually strengthened, the disadvantages of each suppression means become problematic. However, by combining the four suppression means, these disadvantages can be relatively easily reduced without making these disadvantages problematic. NOx can be realized. In particular, it is possible to realize a stable NOx reduction by relaxing the instability characteristic of the fourth suppressing means.
[0029]
The NOx reduction unit includes the following five modifications having at least a second suppression unit (heat sink group cooling). (1) Except for the first suppression means (premixed high air ratio combustion), the second suppression means (heat sink group cooling), the third suppression means (exhaust gas recirculation), and the fourth suppression means (water / water) (Addition of steam). {Circle over (2)} A form in which three suppressing means of the first suppressing means (premixed high air ratio combustion), the second suppressing means (heat absorber group cooling), and the third suppressing means (exhaust gas recirculation) are combined. . {Circle over (3)} A form in which three suppressing means of the first suppressing means (premixed high air ratio combustion), the second suppressing means (heat absorber group cooling), and the fourth suppressing means (water / steam addition) are combined. . {Circle over (4)} An embodiment in which two suppression means, the second suppression means (heat absorber group cooling) and the third suppression means (exhaust gas recirculation), are combined. {Circle around (5)} A mode in which two suppression means, the second suppression means (heat absorber group cooling) and the fourth suppression means (water / steam addition) are combined.
[0030]
All of these modifications include the second suppression means (heat sink group cooling), but are not limited thereto. The reason for this is that the present invention performs NOx reduction in preference to CO value reduction, and then performs CO reduction. Even though there are preferable NOx reduction means, specific NOx reduction means is specified. It is not limited to. The NOx reduction means is intended for a device in which, when the NOx reduction is advanced to achieve the NOx reduction target, the emission CO value exceeds the CO reduction target value. Further, the type and the type of the burner of the NOx reduction unit are not limited to a specific type.
[0031]
Further, in the above embodiment, preferably, an air ratio control means for controlling the air ratio to a predetermined high air ratio is added. More specifically, an oxygen concentration detecting means for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas is provided, and combustion is performed on the burner so that the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detecting means becomes a set value corresponding to the predetermined high air ratio. It controls the number of rotations of the blower that blows air for use. As described above, the predetermined high air ratio is obtained as an air ratio corresponding to the NOx reduction target value in the air ratio to NOx characteristics of the NOx reduction unit.
[0032]
【Example】
An embodiment in which the low NOx combustion method and the apparatus of the present invention are applied to a once-through steam boiler which is a kind of water tube boiler will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view of a longitudinal section of a steam boiler to which an embodiment of the present invention is applied, FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 and FIG. 5 are cross-sectional views along the line III, respectively, showing the air ratio versus NOx characteristic and the air ratio versus CO characteristic during high combustion and low combustion in the embodiment shown in FIG. 1. FIG. 6 is a main part control circuit diagram of the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 7 is a diagram showing a main part configuration of the CO oxidation catalyst body of the embodiment shown in FIG. 1 as viewed from a flow direction of exhaust gas. is there.
[0033]
Hereinafter, the overall configuration of the boiler of this embodiment will be described, and then the configuration of the characteristic portion will be described. The characteristic parts are combustion gas temperature suppression means (first suppression means) by burning a completely premixed burner at a high air ratio, and combustion gas temperature suppression means by a large number of heat transfer tubes (second suppression means). Combining means for suppressing combustion gas temperature by recirculating combustion complete gas to the combustion reaction zone (third suppression means) and means for suppressing combustion gas temperature by adding steam to the combustion reaction area (fourth suppression means) NOx reducing means, an air ratio control means for controlling the air ratio of the burner to maintain a predetermined high air ratio, and oxidizing the CO discharged from the NOx reducing means to reduce the exhaust CO value to a predetermined value. This is a means for lowering the CO to a value or less.
[0034]
First, the overall configuration of the steam boiler will be described. This steam boiler can be operated by switching between high combustion and low combustion. A can body 3 having a completely premixed burner 1 having a planar combustion surface (a premixed gas ejection surface) and a plurality of heat transfer tubes 2, 2,... A blower 4 and an air supply passage 5 for sending combustion air to the gaseous fuel supply pipe 6, and an exhaust gas passage (usually referred to as a "chimney") 7 for discharging exhaust gas discharged from the can body 3. An exhaust gas recirculation passage 8 for mixing a part of the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage 7 into the combustion air and supplying it to the burner 1, and a steam addition pipe 9 for adding steam to the combustion air (see FIG. 3). And The outer diameter of each heat transfer tube 2 is 60.5 mm.
[0035]
The can body 3 includes an upper header 10 and a lower header 11, and a plurality of the heat transfer tubes 2 are arranged between the two headers 10, 11. In FIG. 2, a pair of water pipe walls 14, 14 formed by connecting outer heat transfer tubes 12, 12,... With connecting members 13, 13,. A combustion gas passage 15 is formed between the water pipe walls 14 and 14 and the upper header 10 and the lower header 11 so that the combustion reaction gas and the combustion complete gas from the burner 1 flow almost linearly. are doing.
[0036]
Next, a connection relationship between the above-described elements will be described. As shown in FIG. 1, the burner 1 is provided at one end of the combustion gas passage 15, and an exhaust gas passage 7 is connected to an exhaust gas outlet 16 at the other end. The gas supply passage 5 is connected to the burner 1, and the gas fuel supply pipe 6 is connected to the gas supply passage 5 so as to jet fuel gas into the gas supply passage 5. The gas fuel supply pipe 6 is provided with a first valve 17 as a fuel flow rate adjusting means for adjusting a fuel flow rate between high combustion and low combustion. The air supply passage 5 is provided with a throttle (not shown) called a venturi for improving the mixing property between the fuel gas and the combustion air. It can be omitted accordingly.
[0037]
Further, as shown in FIG. 3, an intake passage 19 is connected to an intake port 18 of the blower 4, and the exhaust gas recirculation passage 8 is connected between the intake passage 19 and the exhaust gas passage 7. The steam addition pipe 9 is inserted into the intake passage 19.
[0038]
The schematic operation of the steam boiler based on the above configuration is as follows. The combustion air (outside air) supplied from the intake passage 19 is premixed in the supply passage 5 with the fuel gas supplied from the gas fuel supply pipe 6, and the premixed gas is supplied from the burner 1 to the burner 1. It is jetted into the can 3. The premixed gas is ignited by an ignition means (not shown) and burns. The gas during the combustion reaction generated by this combustion crosses the upstream heat transfer tube group 2 and is cooled, and then becomes a complete combustion gas, exchanges heat with the downstream heat transfer tube group 2 and absorbs heat to become exhaust gas. This exhaust gas is discharged from the exhaust gas passage 7 into the atmosphere. Then, a part of the exhaust gas is supplied to the burner 1 through the exhaust gas recirculation passage 8 and used for suppressing the combustion gas temperature.
[0039]
Further, the water in each of the heat transfer tubes 2 is heated by heat exchange with the combustion gas to be vaporized. This steam is supplied from a steam extracting means (not shown) connected to the upper header 10 to a steam use facility (not shown), and a part of the steam is supplied to the steam addition pipe 9, and during the combustion reaction, Used for gas cooling.
[0040]
Next, the characteristic portion of this embodiment will be described. First, regarding the NOx reduction means, the first suppression means will be described. The first suppression means is configured to burn the completely premixed burner 1 at a high air ratio. When the burner 1 is burned at a high air ratio, the combustion gas temperature is suppressed, and the NOx value decreases. The burner 1 is a rectangular burner having a size of 60 cm in length and 18 cm in width, and has a large number of premixed gas injection ports (not shown) formed substantially uniformly.
[0041]
The second suppressing means includes a plurality of heat transfer tubes 2 having a gap through which combustion gas flows through substantially the entire region of a combustion reaction region (region where the combustion gas temperature is about 900 ° C. or higher) 20 formed by the burner 1. It is a configuration that is arranged. The combustion reaction gas from the burner 1 is cooled by the heat transfer tubes 2. By this cooling, the temperature of the combustion gas is suppressed, and the NOx value decreases. The arrangement pitch of the heat transfer tubes 2 which affects the degree of cooling of the combustion gas is determined in consideration of the amount of combustion per hour, pressure loss, and the like.
[0042]
The third suppression unit is an exhaust gas recirculation unit including the exhaust gas passage 7, the exhaust gas recirculation passage 8, the air supply passage 5, and the burner 1. At an appropriate position in the exhaust gas recirculation passage 8, a first damper 21 is provided as an exhaust gas flow rate adjusting means for adjusting an amount of exhaust gas to be recirculated (exhaust gas recirculation amount) to a predetermined amount. By mixing exhaust gas into the premixed gas supplied to the burner 1, the temperature of the combustion gas is suppressed, and the NOx value is reduced. The ratio between the exhaust gas recirculation amount and the combustion air amount (actual combustion air amount) is adjusted by the first damper 21.
[0043]
As shown in FIG. 3, the fourth suppression means includes the steam addition pipe 9, the intake passage 19, the blower 4, the air supply passage 5, and the burner 1. The upstream end of the steam addition pipe 9 is connected to the upper header 10 via a second valve 22 as a steam flow rate adjusting means for adjusting a steam addition amount, and steam generated by the steam boiler is used as it is. It is configured to be. A pressure reducing mechanism (not shown) such as an orifice is provided between the second valve 22 and the upper header 10. The steam is uniformly mixed into the combustion air supplied to the burner 1 and is almost uniformly injected into the can 3 from a number of premixed gas injection ports (not shown) of the burner 1. As a result, effective cooling is provided for the premixed combustion flame that is formed to spread.
[0044]
As described above, the steam boiler of this embodiment can switch between high combustion and low combustion. The NOx reduction means of the steam boiler has the air ratio to NOx characteristic and the air ratio to CO characteristic at the time of high combustion and at the time of low combustion shown in FIGS. The air ratio versus NOx characteristics and the air ratio versus CO characteristics will be described below.
[0045]
First, the air ratio versus NOx characteristic and the air ratio versus CO characteristic during high combustion are obtained as shown by curves A and B in FIG. 4 by changing the air ratio under certain operating conditions. The operating condition is that the fuel is LPG and the burner 1 burns 50 Nm. ³ / H (combustion amount of the steam boiler during high combustion), the exhaust gas recirculation rate is 4% (exhaust gas recirculation amount / actual combustion air amount), and the steam addition amount is 17 kg / h. The actual combustion air amount and the exhaust gas recirculation amount at an exhaust gas recirculation rate of 4% are, for example, O ₂ (%): At 6,169 Nm each ³ / H, 67Nm ³ / H.
[0046]
The change of the air ratio is performed by changing the actual combustion air amount. This change in the actual combustion air amount is performed by controlling the number of revolutions of the electric motor 24 (see FIG. 3) that drives the fan 23 of the blower 4.
[0047]
As shown in a curve A, the NOx characteristic of the NOx reduction means at the time of high combustion is such that the NOx value decreases as the air ratio increases. Further, as shown in a curve B, the emission CO value increases with an increase in the air ratio as shown by a curve B. ₂ (%): The emission CO value sharply increases at 5 or more. The curves C and D in FIG. 4 are comparative air ratio-to-NOx characteristics and air ratio-to-CO characteristics in which the combustion gas temperature is not suppressed by the third suppression means and the fourth suppression means. This is for comparison with the curves A and B of the embodiment.
[0048]
Next, the air ratio vs. NOx characteristics and the air ratio vs. CO characteristics of the NOx reduction means during low combustion will be described. These characteristics are obtained as shown by the curves E and F in FIG. The operating conditions during low combustion are as follows: the fuel is LPG, and the burner combustion amount is 25 Nm. ³ / H (combustion amount during low combustion of the steam boiler), the exhaust gas recirculation rate is 4% (exhaust gas recirculation amount / actual combustion air amount), and the steam addition amount is 8.5 kg / h. The actual combustion air amount and the exhaust gas recirculation amount at an exhaust gas recirculation rate of 4% are, for example, O ₂ (%): 834 Nm each at 6 ³ / H, 33Nm ³ / H.
[0049]
As shown by a curve E, the NOx value of the NOx reduction means at the time of low combustion decreases as the air ratio increases. Further, as shown in the curve F, the emission CO value increases with an increase in the air ratio as shown by a curve F. ₂ (%): The emission CO value rapidly increases at 5.5 or more. The curves G and H in FIG. 5 are comparative air ratio-to-NOx characteristics and air ratio-to-CO characteristics in which the combustion gas temperature is not suppressed by the third suppression means and the fourth suppression means. This is for comparison with the curves E and F of the embodiment.
[0050]
As shown in FIG. 6, the air ratio control means inputs an oxygen concentration sensor 25 provided in the exhaust gas passage 7 as the oxygen concentration detection means and an output of the oxygen concentration sensor 25 to And a control circuit 26 for controlling the number of revolutions. The electric motor 24 is configured to be able to control the rotation speed by inverter control. By controlling the rotation speed of the fan 23 so that the air ratio of the burner 1 becomes a predetermined high air ratio (predetermined value), a predetermined low NOx effect is maintained with respect to a change in outside air temperature.
[0051]
In this embodiment, when the NOx reduction target value is 10 ppm, the predetermined value is O from the curve A and 10 ppm in FIG. ₂ (%): Obtained as 5.8. Of course, if it is 5.8% or more, the reduction target value can be cleared, so the predetermined value can be set to, for example, 6%. At the time of low combustion, the curve E of FIG. ₂ (%): Determined as 6.25.
[0052]
Next, the means for reducing CO will be described. The CO reduction means oxidizes CO discharged from the NOx reduction means and reduces the CO to a value equal to or lower than the CO reduction target value. The means for reducing CO in this embodiment is constituted by a CO oxidation catalyst 27 for reducing the CO value to about 1/10.
[0053]
The processing capacity of the CO oxidation catalyst 27 is set as follows. The exhaust CO value of the NOx reduction means at a predetermined air ratio determined from the NOx reduction target value and the air ratio versus NOx characteristic is determined from the air ratio versus CO characteristic. As described above, the predetermined air ratio is O ₂ (%): 5.8, and O during low combustion ₂ (%): 6.25. From this air ratio and the curve B (at the time of high combustion) of FIG. 4 and the curve F of FIG. 5, the exhaust CO values at the time of high combustion and at the time of low combustion are about 400 ppm and about 100 ppm, respectively. Therefore, the processing capacity of the CO oxidation catalyst needs to be set to a capacity that can be reduced to at least ８ of the emission CO value and the CO reduction target value of 50 ppm. However, in the embodiment, it is set so as to be reduced to 1/10 with a margin. If the processing capacity is more than necessary, the pressure loss generated when exhaust gas flows through the CO oxidation catalyst 27 increases.
[0054]
As a result, the CO reduction characteristics of the CO oxidation catalyst 27 are shown by a curve M in FIG. 4 and a curve N in FIG. As a result, the CO in the exhaust gas shown by the curves D and E is reduced as shown by the curves M and N.
[0055]
The CO oxidation catalyst 27 has a structure as shown in FIG. 7, and is formed, for example, as follows. A large number of fine irregularities are formed on the surface of each of the flat plate 28 and the corrugated plate 29 both made of stainless steel as the base material, and an oxidation catalyst is applied to the surface. Then, the flat plate 28 and the corrugated plate 29 having a predetermined width are overlapped and spirally wound to form a roll. The roll is surrounded and fixed by the side plate 30. Thus, the CO oxidation catalyst 27 as shown in FIG. 7 is formed. Platinum is used as the oxidation catalyst. FIG. 7 shows only a part of the flat plate 28 and the corrugated plate 29.
[0056]
The CO oxidation catalyst 27 is disposed downstream of the heat transfer tubes 2. Specifically, the CO oxidation catalyst 27 is detachably mounted on the exhaust gas outlet 16 as shown in FIG. The combustion gas temperature at the exhaust gas outlet 16 is about 250 ° C to 350 ° C.
[0057]
Further, as shown in FIG. 2, the NOx reduction means includes a CO reduction means different from the CO oxidation catalyst 27. This CO reduction means is a heat transfer tube removing space 31 called a heat insulating space formed in the heat transfer tube group. Then, as shown in FIG. 2, a part of the group of heat transfer tubes 2, in this embodiment, four of the heat transfer tubes 2 are removed, so that the combustion gas temperature is 1400 ° C. or less and the temperature range is 900 ° C. or more. The heat transfer tube removal space 31 is formed.
[0058]
The heat transfer tube removing space 31 has the temperature range substantially at the time of high combustion, but does not enter the temperature range at low combustion because the combustion flame is short, that is, the combustion reaction region is narrowed. Therefore, at the time of high combustion, the CO oxidation catalyst body 27 and the heat transfer tube removal space 31 function as CO reduction means. At the time of low combustion, the heat transfer tube removal space 31 does not function as CO reduction means. The CO oxidation catalyst 27 functions as a means for reducing CO.
[0059]
The operation and operation of the embodiment having the above configuration will be described below. The combustion reaction gas from the burner 1 is simultaneously subjected to the NOx reduction action, that is, the combustion gas temperature suppression action by the first suppression means to the fourth suppression means. ₂ (%) Is controlled at 5.8 during high combustion and 6.25 during low combustion. Due to the combustion gas temperature suppressing action of this embodiment, the combustion gas temperature is reduced by about 100 ° C. on average in comparison with the comparative example which is not affected by the third suppressing means and the fourth suppressing means. As a result, the NOx value in the combustion gas flowing out of the upstream heat transfer tube 2 group is suppressed to about 10 ppm as shown by the curves A and E in FIGS.
[0060]
The CO generated at the time of the NOx reduction is reduced as follows. Part of the generated CO is first oxidized in the heat transfer tube removing space 31 during high combustion, and is hardly oxidized during low combustion. Since the oxidation of CO is hardly performed at a combustion gas temperature of 900 ° C. or lower, the CO value in the exhaust gas at the exhaust gas outlet 16 is as shown by the characteristic curves B and F in FIGS. In high combustion, it is about 400 ppm, and in low combustion, it is about 100 ppm. The CO remaining in the exhaust gas is oxidized by the CO oxidation catalyst 27, and the CO value is reduced to about 1/10 as shown by the characteristic curves M and N in FIGS.
[0061]
According to this embodiment, the following operation and effect can be obtained. Since the reduction of NOx is performed with priority and the reduction of CO is performed after that, the reduction of NOx can be promoted without considering the CO value, and the selection of the NOx reduction means becomes easy. As a result, it is possible to easily realize a low NOx reduction in which the generated NOx value is 10 ppm or less, and it is possible to reliably realize a low CO reduction.
[0062]
Further, since the processing capacity of the CO oxidation catalyst 27 is set based on the exhaust CO value of the NOx reduction means and the CO reduction target value at a predetermined air ratio obtained from the NOx reduction target value, the CO oxidation catalyst 27 Can easily be set, and the CO reduction target value can be reliably achieved.
[0063]
Further, according to this embodiment, since the first NOx reduction means is combined with the fourth suppression means to constitute the NOx reduction means, the following operational effects are obtained. When the functions of the individual suppression means are individually strengthened, the disadvantages of each suppression means become problematic. However, by combining the four suppression means, these disadvantages can be relatively easily reduced without making these disadvantages problematic. NOx conversion can be realized. In particular, a stable ultra-low NOx can be realized by alleviating the instability characteristic of the fourth suppressing means described later. Hereinafter, this will be described in detail.
[0064]
The function enhancement of the first suppression means (premixed high air ratio combustion) is to increase the air ratio. This enhancement of the function causes the stop of the combustion reaction and the unstable combustion of the burner 1.
[0065]
The functional enhancement of the second suppressing means (heat absorber group cooling) is to provide the heat transfer tubes 2 in contact with the burners 1 or to increase the heat transfer surface density of the heat transfer tubes 2 group. Due to this enhancement, pressure loss increases and unstable combustion such as vibration combustion occurs.
[0066]
Further, the function enhancement of the third suppression means (exhaust gas recirculation) is to increase the exhaust gas circulation amount. By this function enhancement, the unstable characteristic of the second suppression means is amplified. That is, the exhaust gas recirculation has a characteristic that the exhaust gas flow rate and the temperature change according to the change in the combustion amount or the load. If the amount of exhaust gas recirculation is increased, these unstable characteristics are amplified, so that stable NOx reduction cannot be realized. Further, by enhancing the function of the third suppressing means, the combustion reaction is suppressed, which leads to an increase in the emission of CO and unburned components and an increase in thermal loss. In addition, when the exhaust gas recirculation amount is increased, the blower load increases.
[0067]
The function enhancement of the fourth suppressing means (steam addition) is to increase the amount of water to be added. Due to this functional enhancement, thermal loss increases and the amount of dew condensation increases. Particularly, in a boiler having a water supply preheater that preheats water supplied to the heat transfer tube 2 with exhaust gas, corrosion due to dew condensation of the water supply preheater is reduced. It becomes a problem.
[0068]
According to this embodiment, since the first to fourth suppression means are combined, it is possible to prevent the problem from being surfaced by strengthening the function of each of the suppression means independently.
[0069]
Further, since the air ratio is controlled to a substantially constant high air ratio by the air ratio control means, a stable low NOx effect can be obtained even if the outside air temperature changes. As a result, the NOx reduction target value can be cleared at a wide range of operating points for one day and year.
[0070]
In addition, the constant air ratio control also controls the CO value of the exhaust from the NOx reduction means to be constant. As a result, the exhaust CO value does not increase due to the change in the air ratio and does not exceed the processing capacity of the CO oxidation catalyst body 27, so that the effect of stably reducing CO can be achieved. In particular, in the NOx reduction means for setting the NOx reduction target value to 10 ppm or less, the emission CO value sharply increases in the vicinity of 10 ppm. This is very effective in facilitating the design of the capacity of the catalyst body 27.
[0071]
The point of facilitating the design of the capacity of the CO oxidation catalyst 27 will be further described. Since the pressure loss increases as the capacity of the CO oxidation catalyst body 27 is increased, the CO oxidation catalyst body 27 is designed so that the CO reduction target value can be barely cleared. If the constant air ratio control is not performed, it is necessary to design the processing capacity of the CO oxidation catalyst 27 with a margin. In addition, when the processing capacity is increased, the pressure loss increases. As a result, the pressure loss of the steam boiler itself increases, and it becomes necessary to redesign the blower 4 and the can 3. By performing the constant air ratio control as in this embodiment, there is an effect that these problems can be solved.
[0072]
Further, at the time of low combustion, the heat transfer tube removal space 31 does not function effectively as a means for reducing CO. However, since CO is oxidized by the CO oxidation catalyst 27, it is low regardless of high combustion or low combustion. CO conversion can be realized.
[0073]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, but includes the following modified examples. In the above embodiment, the first suppressing means is a burner of a completely premixing type, but may be a burner of a partial premixing depending on the embodiment.
[0074]
Further, in the above embodiment, each of the heat transfer tubes 2 of the second suppressing means is constituted by a vertical water tube, but may be constituted by a water tube arranged horizontally or inclined. Further, the shape of each of the heat transfer tubes 2 is not limited to the perfect circle of the embodiment, but may be an ellipse or the like according to the embodiment.
[0075]
In the above embodiment, each of the heat transfer tubes 2 of the second suppression means is a bare tube. However, depending on the implementation, each of the heat transfer tubes 2 downstream of the heat transfer tube removal space 31 has a horizontal fin shape. Fins and all-around fins (both not shown) can be attached to improve the heat recovery rate.
[0076]
Further, in the above-described embodiment, the steam in the steam addition pipe 9 of the fourth suppression means is configured to be jetted into the intake passage 19. It can be mounted between the burner 1 and the blower 4 so as to blow out steam. According to this modification, the steam is supplied on the downstream side of the blower 4, so that the increase in the blowing load of the blower 4 can be reduced as compared with the embodiment in which the steam is supplied on the upstream side. This can prevent the blower 4 from being corroded.
[0077]
Further, depending on the implementation, the steam addition pipe 9 can be attached so as to blow steam into the exhaust gas recirculation passage 8. By injecting steam into the exhaust gas recirculation passage 8, dew condensation hardly occurs, rust can be reduced, and effects such as uniform mixing of steam and combustion air are exhibited.
[0078]
Further, in the above embodiment, the air ratio control means is configured to control the rotation speed of the blower 4. However, depending on the embodiment, the air ratio control means may be used for combustion such as a damper provided on the downstream side of the blower 4. The air ratio can be controlled by air flow adjusting means (not shown).
[0079]
Further, in the above embodiment, the air ratio control means is controlled by the signal of the oxygen concentration sensor 25, but the outside air temperature as the outside air temperature detection means for detecting the intake air temperature of the blower 4 according to the implementation. A sensor (not shown) may be provided to control the air ratio by the output of the outside air temperature sensor. In this case, the relationship between the outside air temperature and the air ratio is obtained in advance by an experiment at a predetermined combustion amount and a predetermined exhaust gas recirculation amount, and a comparison table (not shown) of the outside air temperature and the fan rotation speed is created. The comparison table is stored in a memory (not shown) of the control circuit, and the motor 24 of the blower 4 is controlled based on the table so that the air ratio becomes substantially constant. Can be.
[0080]
Further, in the above-described embodiment, the heat transfer tube removing space 31 is included in the NOx reduction means. However, the heat transfer tube removing space 31 is omitted, that is, the heat transfer tube 2 is not removed depending on the implementation. It can be configured as follows.
[0081]
Further, the steam boiler of the above embodiment is configured so that the amount of combustion can be switched between high combustion and low combustion. However, a steam boiler without switching the amount of combustion may be used according to the embodiment.
[0082]
Further, in the above-described embodiment, the CO oxidation catalyst 27 is attached to the exhaust gas outlet 16 portion. In the chamber to be heated, it can be arranged upstream of the feedwater preheater.
[0083]
【The invention's effect】
According to the present invention, the reduction of NOx can be promoted without considering the generation of CO, and the reduction of NOx such that the emission NOx value falls below 10 ppm can be easily realized, and the reduction of CO can be realized together. It can provide low-pollution technologies and products adapted to the needs of the times, and has great industrial value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view of a longitudinal section of a steam boiler to which an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory sectional view taken along line II-II in FIG. 1;
FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing an air ratio versus NOx characteristic and an air ratio versus CO characteristic curve during high combustion of the steam boiler shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a graph showing an air ratio versus NOx characteristic and an air ratio versus CO characteristic curve at the time of low combustion of the steam boiler shown in FIG.
FIG. 6 is a main part control circuit diagram of the steam boiler shown in FIG.
FIG. 7 is a front view showing a main part configuration of a CO oxidation catalyst of the steam boiler shown in FIG. 1.
[Explanation of symbols]
1 burner
2 heat transfer tubes
3 cans
4 blower
27 oxidation catalyst

Claims

What is claimed is: 1. A low-NOx combustion apparatus which realizes low NOx by controlling the temperature of combustion gas from a burner, wherein an air ratio-to-NOx characteristic is set such that a generated NOx value decreases as an air ratio of the burner increases, A low NOx reducing means for increasing the ratio of CO to an exhaust CO value with an increase in the air ratio, and a CO oxidation catalyst for reducing the exhaust CO value from the NOx reducing means to a predetermined value or less. , Reducing the NOx at a predetermined air ratio determined from the NOx reduction target value and the air ratio versus NOx characteristic, and based on the CO emission value and the CO reduction target value from the NOx reduction means at a predetermined air ratio. A low NOx combustion apparatus, wherein a processing capacity of the CO oxidation catalyst is set.