燃焼装置
【課題】燃焼量の変更時は、安定燃焼を可能とし、燃焼量変更後は、低空気比燃焼を可能とする。
【解決手段】バーナ１と、に燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段２５と、燃焼空気供給手段６と、送風機２６の回転数を可変とするインバータ３０と、空気比調整手段２８と、空気比を検出するセンサ７とを備え、空気比調整手段２８により、センサ７から信号に基づき、フィードバック制御により定常時設定空気比とするように送風機２６用のインバータ３０を制御する定常時制御と、フィードバック制御を行わず、定常時設定空気比より高い変更空気比とするようにインバータ３０を制御する変更時制御とを選択可能とした。
【解決手段】バーナ１と、に燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段２５と、燃焼空気供給手段６と、送風機２６の回転数を可変とするインバータ３０と、空気比調整手段２８と、空気比を検出するセンサ７とを備え、空気比調整手段２８により、センサ７から信号に基づき、フィードバック制御により定常時設定空気比とするように送風機２６用のインバータ３０を制御する定常時制御と、フィードバック制御を行わず、定常時設定空気比より高い変更空気比とするようにインバータ３０を制御する変更時制御とを選択可能とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水管ボイラ，吸収式冷凍機の再生器などに適用される燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＮＯxの発生の抑制原理として、火炎（燃焼ガス）温度の抑制，高温燃焼ガスの滞留時間の短縮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発生源についても環境への影響が高まり、一層の低ＮＯx化が求められるようになってきている。この低ＮＯx化においては、ＮＯxの生成を低減するとＣＯの排出量が増加するので、ＮＯxとＣＯを同時に削減することが難しい。
【０００４】
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。
【０００５】
この課題を解決するために、出願人は、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低ＮＯxおよび低ＣＯ技術を提案し、製品化している（特許文献１参照）。しかしながら、この特許文献１記載の低ＮＯx化技術は、現実には生成ＮＯx値が２５ppm程度にとどまっていた
。
【０００６】
この課題の解決案として、出願人は、ＮＯx発生の抑制を排出ＣＯ値低減に優先するように燃焼ガス温度を抑制し生成ＮＯx値を所定値以下とする低ＮＯx化ステップを行い、その後に前記低ＮＯx化ステップからの排出ＣＯ値を所定値以下とする低ＣＯ化ステップを行う低ＮＯx燃焼方法を提案している（特許文献２参照）。この特許文献２の技術によれば、１０ppmを下回る低ＮＯx化が可能となるが、５ppmを下回る低ＮＯx化を実現することは難しい。これは、燃焼の特性により、５ppm以上のＮＯxの生成が避けられないことによる。
【０００７】
そして、特許文献２に記載の低ＮＯx化技術は、図１５に示すように、空気比が１．３８以上の所謂高空気比燃焼領域Ｚ１に属するものである。一方、空気比１．１以下（以下、「低空気比」という。）の予混合燃焼領域Ｚ２では窒素酸化物の発生量が増えて、低ＮＯx、低ＣＯが困難であること，および空気比が１以下となるとバックファイヤーを起こすなど安定燃焼制御が困難なことから、低空気比燃焼の領域Ｚ２は、これまで殆ど研究開発の対象とされていなかった。図１５において、ラインＦ，Ｅは、それぞれ本発明の燃焼装置による一次側のＮＯx特性およびＣＯ特性を模式的に示し、ラインＵ，Ｊは、この発明の燃焼装置による触媒二次側のＮＯx特性およびＣＯ特性を模式的に示している。前記特許文献２の低ＮＯx化技術は、基本的には高空気比領域Ｚ１にてバーナを燃焼させることでＮＯx生成を抑制し、生じたＣＯを酸化触媒にて除去する技術である。
【０００８】
この発明の出願人は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、特許文献２に記載の一酸化炭素を低減するための酸化触媒を備えたボイラにおいて、これまで殆ど研究が行
われていなかった限りなく１に近い低空気比でのバーナの燃焼領域（図１５の領域Ｚ２）において、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を実質的に零とするポイントを見出した。そして、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を実質的に零とすることができた原因を追及した結果、酸化触媒一次側の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を基準所定濃度比とすることで、酸化触媒を用いて窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近く低減できるとともに、前記濃度比を前記基準所定濃度比の近傍で調整することにより、有害物質（窒素酸化物および一酸化炭素）の排出量を実質的に零または許容値まで低減可能であるいう新たな知見を得た。この知見に基づき、これまで殆ど研究が行われていなかった限りなく１に近い低空気比の燃焼領域において、窒素酸化物の排出量を限りなく零に近く低減でき、一酸化炭素排出量を許容範囲に低減できるとともに、低空気比による省エネルギーを実現できる業界初の燃焼装置の発明を創出し、これを先に出願した（特願２００５−３００３４３）。
【０００９】
【特許文献１】特許第３２２１５８２号公報（対応米国特許：米国特許第５３５３７４８号明細書）
【特許文献２】特開２００４−１２５３７８号公報（対応米国特許：米国特許第６７９２８９５号明細書）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、先の出願の発明において、空気比制御をインバータ制御により行う燃焼装置に好適に実施可能であって、発明が解決しようとする課題は、燃焼量の変更時は、安定燃焼を可能とし、燃焼量変更後は、低空気比燃焼を可能とする燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、バーナと、このバーナの燃焼量を変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記送風機の回転数を可変とするインバータと、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時設定空気比（以下、単に定常時空気比というが、ＮＯx低減時空気比と称することができる。）とするように前記インバータを制御する定常時制御（ＮＯx低減時制御と称することができる。）と、前記定常時空気比より高い変更時設定空気比（以下、単に変更時空気比というが、定格時空気比と称することができる。）とするように前記インバータを制御する変更時制御（定格時制御と称することができる。）とを選択可能としたことを特徴としている。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼が不安定となる燃焼量の変更前後は、前記変更時制御を行うことにより、安定した燃焼を行うことができ、燃焼量の変更後は、前記定常時制御を行うことにより低空気比の燃焼を行うことができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナの燃焼量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、前記送風機の回転数を可変とするインバータと、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比が所定濃度比となる特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比を前
記所定濃度比としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とするとする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴としている。
【００１４】
ここで、窒素酸化物濃度が実質的に零とは、好ましくは、５ppm，さらに好ましくは、３ppm，さらに好ましくは、零である。一酸化炭素濃度が実質的に零とは、３０ppm，さらに好ましくは、１０ppmである。また、以下の説明で、酸素濃度が実質的に零とは、１００ppm以下とするが、好ましくは、計測限界値以下とする。さらに、窒素酸化物濃度，一酸化炭素濃度が所定値以下とは、各国、各地域で定める排出基準濃度以下を意味するが、限りなく実質的に零に近い値に設定することが好ましいのはいうまでもない。このように排出基準値という意味において、「所定値」以下を「許容値」と称することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、燃焼が不安定となる燃焼量の変更時は、前記変更時制御を行うことにより、安定した燃焼を行うことができ、一酸化炭素の多量の発生による一酸化炭素および窒素酸化物漏れを防止することができる。また、燃焼量の変更後は、前記定常時制御を行うことにより定常時空気比の燃焼により前記濃度比を前記所定濃度比として、安定して排出窒素酸化物濃度を実質的に零とし、排出一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量の変更時に行われ、前記定常時制御が燃焼空気変更後に行われることを特徴としている。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、燃焼量の変更時は、安定した燃焼を行うことができ、一酸化炭素の多量の発生による一酸化炭素および窒素酸化物漏れを防止することができる。また、燃焼量の変更後は、定常時空気比の燃焼により前記濃度比を前記所定濃度比として、安定して排出窒素酸化物濃度を実質的に零とし、排出一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とすることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項２において、前記変更時制御が着火後の最初の低燃焼の所定時間経過まで行われ、前記定常時制御が前記所定時間後に行われることことを特徴としている。
【００１９】
請求項４に記載の発明よれば、請求項２に記載の発明による効果に加えて、着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過まで、安定した燃焼動作を実現できる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項２において、変更時制御が着火後の最初の低燃焼の所定時間経過までという第一条件と前記酸化触媒の温度を設定値以下という第二条件とのＡＮＤ条件で行われ、前記定常時制御が前記ＡＮＤ条件成立後に行われることを特徴としている。
【００２１】
請求項５に記載の発明よれば、請求項２に記載の発明による効果に加えて、着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過までの間、安定した燃焼動作を実現できるとともに、朝一番の燃焼装置の燃焼開始時における多量の一酸化炭素の排出を防止できるという効果を奏する。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項２において、前記空気比調整手段は、最初の変更時空
気比から定常時空気比への変更かどうかを判定し、最初と判定されるとき、フィードバック制御により前記インバータを制御して変更時空気比から定常時空気比への変更を行い、変更が終了すると定常時空気比に対応する周波数を記憶するとともに、最初と判定されないとき、フィードバック制御を行うことなく、前記記憶周波数またはこの周波数に所定の係数を乗じた周波数にて前記インバータを制御して定常時空気比への変更を行うことを特徴としている。
【００２３】
請求項６に記載の発明よれば、請求項２に記載の発明による効果に加えて、急速に前記インバータの周波数を下げることによるアンダーシュートによる不具合を解消できるとともに、ＮＯx排出量を低減できるという効果を奏する。
【００２４】
請求項７に記載の発明は、請求項２または請求項３において、前記燃焼空気供給手段に前記燃焼量の変更に合わせて開閉するダンパを備え、前記ダンパの開閉後に前記定常時制御が行われることを特徴としている。
【００２５】
請求項７に記載の発明によれば、請求項２または請求項３に記載の発明による効果に加えて、前記ダンパの開閉による燃焼空気による燃焼の不安定挙動を回避できるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、燃焼量の変更時は、安定燃焼を可能とし、燃焼量変更後は、低空気比燃焼を可能とする燃焼装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態を説明する前に、この出願において使用する用語について説明する。「ガス」とは、バーナから酸化触媒（酸化・還元触媒と称することができる。以下。単に「触媒」と称することができる。）を通過し終わるまでのガスをいい、触媒を通過した後のガスを「排ガス」という。したがって、ガスは、燃焼反応中（燃焼過程）のガスと燃焼反応が完結したガスとを含み、燃焼ガスと称することができる。ここにおいて、前記触媒がガスの流れに沿って多段に設けられている場合、「ガス」は、最終段の触媒を通過し終わるまでのガスをいい、「排ガス」は、最終段の触媒を通過した後のガスをいう。
【００２８】
「触媒の一次側」とは、触媒に対しバーナが設けられている側であって、特に断らない限り、ガスがこの触媒を通過する直前をいい、「触媒の二次側」とは、触媒の一次側の反対側をいう。
【００２９】
また、「炭化水素を含まない」とは、燃焼反応の過程で全く炭化水素が生成されないことを意味するのではなく、燃焼反応の過程では、若干の炭化水素が生成されるが、燃焼反応が終了する段階，すなわち前記触媒に流入するガス中に窒素酸化物を還元する炭化水素が実質的に含まれていない（測定限界以下である）ことを意味している。前記「炭化水素を含まない」は、「炭化水素を除去する」と言い換えることができる。
【００３０】
さらに、空気比ｍは、ｍ＝２１／（２１−[Ｏ2]）と定義する。ただし、 [Ｏ2]は、触媒二次側の排ガス中の酸素濃度を表すが、空気比を求める際に用いる[Ｏ2]は、酸素過剰領域では過剰酸素濃度を表し、燃料過剰領域では一酸化炭素などの未燃ガスを空気比ｍ＝１で燃焼させるのに必要な不足酸素濃度を負の値として表す。
【００３１】
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，吸収式冷凍機の再生器などの燃焼装置（熱機器または燃焼機器と称
しても良い。）に適用される。
【００３２】
（実施の形態１）
この発明の実施の形態１は、バーナと、このバーナの燃焼量を変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記送風機の回転数を可変とするインバータと、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御する定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。前記定常時制御は、低ＮＯx制御と称することができる。
【００３３】
この実施の形態１においては、好ましくは、前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量の変更時に行われ、前記定常時制御が燃焼空気量の変更後に行われる。変更後の前記定常時制御への移行は、好ましくは、変更が終了して所定時間後とする。こうした構成とすることで、前記バーナの燃焼量を変更，たとえば高燃焼から低燃焼へ、また低燃焼から高燃焼への変更時において、前記空気比調整手段は、前記変更時制御を行い、空気比が高い前記変更時空気比にて前記バーナを燃焼させ、燃焼量変更時の不安定燃焼による一酸化炭素の発生を防止することができる。また、燃焼量の変更が終了すると、好ましくは、所定時間経過後に前記空気比調整手段は、前記定常時制御を行い、空気比が低い前記定常時空気比にて前記バーナを燃焼させ、前記定常時空気比をフィードバック制御により一定に保持する。これにより、空気比の変動による一酸化炭素の発生が防止される。前記定常時空気比は、好ましくは、１．１〜１．０とし、さらに好ましくは、１．０とする。この実施の形態１および以下の実施の形態２〜６における前記変更時御は、好ましくは、フィードバック制御を行うが、フィードバック制御を行わないように構成することもできる。フィードバック制御をかけると、加減速に時間がかかるが、フィードバック制御をかけないことにより加減速の時間を短くでき、空気比を定常時空気比とするまでに排出されるＮＯxの量を低減できる。
【００３４】
また、この実施の形態１において、好ましくは、前記設定空気比を変更時空気比から定常時空気比へ変更する時、前記空気比調整手段は、最初の変更時空気比から定常時空気比への変更かどうかを判定し、最初と判定されるとき、フィードバック制御により前記インバータを制御して変更時空気比から定常時空気比への変更を行い、変更が終了すると定常時空気比に対応する周波数を記憶するとともに、最初と判定されないとき、フィードバック制御を行うことなく、前記記憶周波数またはこの周波数に所定の係数を乗じた周波数にて前記インバータを制御して定常時空気比への変更を行うように構成する。
【００３５】
すなわち、特に低燃焼時において前記変更時空気比に対応する周波数（通常周波数）から前記定常時空気比に対応する周波数（低ＮＯx周波数）へ落とす（移行する）時には、急速に減速するとアンダーシュートを生じ、低燃焼時の定常時空気比を下回り、燃焼が不安定となったり、一酸化炭素の排出量が増大する虞もある。これに対しては、つぎの制御が効果的である。すなわち、燃焼装置の電源投入後の初めて低燃焼時に通常周波数から低ＮＯx周波数へ移行するとき、フィードバック制御により前記インバータの周波数を徐々に変更し、定常時空気比による燃焼に入ると、その定常時空気比に対応する周波数を記憶する。そして、２回目に前記設定空気比を変動時空気比から定常時空気比へ変更する時には、フィードバック制御をかけることなく、前記インバータの周波数を前記記憶した周波数まで一気に下げる。このとき、前記センサの応答遅れを考慮して、しばらくはフィードバック制御を行わず、所定時間経過後にフィードバック制御を行うように構成する。こうした、制御を行うことにより、１回目を除き、２回目以降は短時間で定常時制御に移行することができ、アンダーシュートによる不具合を解消できるとともに、ＮＯx排出量を低
減できる。前記の制御において、アンダーシュートを防止するために、記憶した周波数に制御するのではなく、先ず、記憶した周波数に１．０を越える係数（たとえば、１．０１〜１．１０）を乗じた周波数に制御し、ついでフィードバック制御により記憶した周波数に制御するように構成することができる。なお、高燃焼時において通常周波数から低ＮＯx周波数へ移行する時も低燃焼時と同様に最初の移行時の定常時空気比に対応する周波数を記憶して、２回目の移行時からは記憶した周波数に基づき、インバータを制御するように構成することができる。
【００３６】
また、この実施の形態１においては、好ましくは、前記変更時制御が着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過まで行われ、前記定常時制御が前記所定時間後に行われるように構成する。ここにおいて前記変更量制御の開始は、問題ではなく、少なくとも最初の低燃焼の所定時間を含めばよい。この制御において、着火直後の排ガス濃度は、定常燃焼時のように全体にわたって均一ではなく、濃度むらが存在する。また前記センサ自身がもつ応答遅れも考えられるので、前記定常時制御は、前記所定時間経過後に行う。
【００３７】
さらに、この実施の形態１においては、変更時制御が着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過という第一条件と前記酸化触媒の温度を設定値以下という第二条件とのＡＮＤ条件で行われ、前記定常時制御が前記ＡＮＤ条件成立後に行われるように構成する。この制御において、前記第二条件を加えたのは、つぎの不具合を解消することを目的としている。朝一番に燃焼装置の燃焼を開始したときは、前記第一条件が満たされても前記第二条件を満たさないことがあり、この状態で前記定常時制御を行うと、前記触媒温度が上昇していないので、一酸化炭素が多量に排出されるという不具合を生ずる。
【００３８】
前記実施の形態１は、典型的には、つぎの実施の形態２の燃焼装置に適用される。この実施の形態２は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナの燃焼量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機およびこの送風機の回転数を可変とするインバータを含む燃焼空気供給手段と、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比が所定濃度比となる特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比を前記所定濃度比としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とするとする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。前記燃料供給手段は、好ましくは前記バーナの燃焼量を段階的に変更するように構成する。この実施の形態２は、つぎの三つの実施の形態３〜５を含む。
【００３９】
（実施の形態３）
前記実施の形態３は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナの燃焼量を段階的に変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機およびこの送風機の回転数を可変とするインバータを含む燃焼空気供給手段と、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋが基準所定濃度比Ｋ０となる
特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比Ｋを前記基準所定濃度比Ｋ０としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比Ｋを前記基準所定濃度比Ｋ０とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。
【００４０】
（実施の形態４）
また、前記実施の形態４は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナの燃焼量を段階的に変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機およびこの送風機の回転数を可変とするインバータを含む燃焼空気供給手段と、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を前記実施の形態３の定常時空気比より低い値の定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋが第一所定濃度比Ｋ１となる特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比Ｋを前記第一所定濃度比Ｋ１としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とし、一酸化炭素濃度を所定値以下とするとする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比Ｋを前記第一定濃度比Ｋ１とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。
【００４１】
（実施の形態５）
また、前記実施の形態５は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、前記バーナの燃焼量を変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料調整弁を有する燃料供給手段と、前記送風機の回転数を可変とするインバータと、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機およびこの送風機の回転数を可変とするインバータを含む燃焼空気供給手段と、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を前記実施の形態３の定常時空気比より高い値の定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋが第二所定濃度比Ｋ２となる特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比Ｋを前記第二所定濃度比Ｋ２としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサからの信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比Ｋを前記第二定濃度比Ｋ２とすることを特徴とする燃焼装置である。
【００４２】
すなわち、前記基準所定濃度比Ｋ０，前記第一所定濃度比Ｋ１，前記第二所定濃度比Ｋ２は、前記定常時空気比をそれぞれ基準設定空気比，第一設定空気比，第二設定空気比に制御することにより、次の調整がなされる。
調整０：前記濃度比Ｋを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする基準所定濃度比Ｋ０に調整する。
調整１：前記濃度比Ｋを、前記基準所定濃度比Ｋ０より低く、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とする第一所定濃度比Ｋ１に調整する。
調整２：前記濃度比Ｋを、前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする第二所定濃度比Ｋ２に調整する。
【００４３】
そして、前記触媒は、前記調整０を行うと、それぞれ前記触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記調整１を行うと前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とし、前記調整２を行うと前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする特性を有している。
【００４４】
これらの実施の形態３〜５において、濃度比Ｋとは、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度の相互の関係を意味する。前記調整０における基準所定濃度比Ｋ０は、次式（１）の判定式にて判定され、好ましくは、次式（２）を満たし、前記第一所定濃度比Ｋ１を前記基準所定濃度比Ｋ０より小さくし、前記第二所定濃度比Ｋ２を前記基準所定濃度比Ｋ０より大きくするように設定される。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］＝Ｋ …（１）
１．０≦Ｋ＝Ｋ０≦２．０ …（２）
（式（１）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ2］はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、［Ｏ2］＞０の条件を満たす。）
【００４５】
すなわち、前記基準所定濃度比Ｋ０は、前記酸化触媒二次側の酸素濃度，窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度をそれぞれ実質的に零とする前記酸化触媒の一次側の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比である。前記式（１）は、前記基準所定濃度比Ｋ０を判定するための判定式であり、式（２）は、前記酸化触媒二次側の酸素濃度，窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度をそれぞれ実質的に零とする条件を示している。理論的には、Ｋ０＝１．０の条件で、各濃度を零とすることができる。しかしながら、実験結果によると、前記式（２）の範囲で各濃度を実質的に零とすることが確認されているが、前記Ｋ０の上限２．０は、前記触媒の特性によっては、２．０より大きい値をとることが考えられる。
【００４６】
前記基準所定濃度比Ｋ０の値を下回るように，すなわち式（１）のＫがＫ０よりも小さい前記第一所定濃度比Ｋ１となるように前記酸化触媒の一次側の濃度比Ｋを調整する（前記調整１）と、前記酸化触媒二次側の酸素濃度および窒素酸化物濃度が実質的に零となるとともに一酸化炭素濃度が所定値以下となる。この一酸化炭素濃度の所定値は、好ましくは、排出基準値（この値は、国により異なるので、国ごとに変更することが可能である。）以下に設定する。この所定値を決めると、実験的に前記第一所定濃度比Ｋ１を定めることができる。前記濃度比Ｋの値がＫ０よりも小さい前記第一所定濃度比Ｋ１となるような濃度比Ｋの調整は、具体的には、前記酸化触媒一次側の一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合を、前記基準所定濃度比Ｋ０を満たす一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合よりも少なくすることで実現可能である。
【００４７】
また、前記濃度比ＫがＫ０よりも大きい前記第二所定濃度比Ｋ２となるように前記酸化触媒の一次側の濃度比Ｋを調整する（前記調整２）と、前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度が実質的に零となるとともに窒素酸化物濃度が所定値以下となる。この場合、前記酸化触媒の二次側の酸素濃度は、所定濃度となる。この窒素酸化物濃度の所定値は、一酸化炭素濃度の前記所定値とは異なる値であり、好ましくは、各国で定められる排出基準値以下とする。この所定値を決めると、実験的に前記第二濃度比Ｋ２を定めることができる。前記第二所定濃度比Ｋ２とするための濃度比Ｋの調整は、具体的には、前記酸化触媒一次側の一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合を、前記基準所定濃度比Ｋ０を満たす一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合よりも多くすることで実現可能である。
【００４８】
以上の実施の形態２〜５においては、まず、前記バーナで燃焼する。この燃焼により、酸素と、窒素酸化物および一酸化炭素とを含み、炭化水素を含まないガスが生成される。
そして、前記触媒の一次側の前記ガスにおける酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋは、前記空気比調整手段による定常時空気比に制御することにより、前記バーナの特性に基づいて、それぞれ前記基準所定濃度比Ｋ０，前記第一所定濃度比Ｋ１，前記第二所定濃度比Ｋ２に調整される。そして、前記触媒にて、前記ガスが前記触媒と接触して前記ガス中の酸素により一酸化炭素が酸化され、一酸化炭素により窒素酸化物が還元される。前記調整０または前記調整１が行われた場合の酸素の役割は、一酸化炭素濃度の調整，すなわち窒素酸化物を還元してその濃度を実質的に零とするのに必要な量以上に存在する一酸化炭素量を消費して低減するものである。この前記調整０，前記調整１後のガスと前記触媒との接触により、前記ガス中の窒素酸化物の排出量が実質的に零に低減され、一酸化炭素の排出量が実質的に零または所定値以下に低減される。また、前記調整２後のガスと前記触媒との接触により、前記ガス中の一酸化炭素の排出量が実質的に零とされ、窒素酸化物濃度が所定値以下に低減される。また、前記定常時制御は、フィードバック制御であるので、前記各所定濃度比Ｋ０，Ｋ１，Ｋ２の値の変動が抑制され、窒素酸化物排出量および一酸化炭素排出量の低減効果を安定して発揮することができる。特に、前記調整０において、窒素酸化物排出量を実質的に零とするには、前記定常時制御が重要である。
【００４９】
前記調整０の基準所定濃度比Ｋ０および前記調整１の第一所定濃度比Ｋ１は、次式（３）で包含して表現される。すなわち、式（３）を満たすと、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とし、一酸化炭素濃度を実質的に零とするか、低減する。一酸化炭素濃度の低減を前記所定値以下とするには、式（３）の左辺の値がＫ０よりも小さい値となるように前記酸化触媒一次側の前記濃度比Ｋを調整し、前記第一所定濃度比Ｋ１とする。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］＝Ｋ≦２．０ …（３）
（式（３）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ2］はそれぞれＣＯ濃度、ＮＯx濃度およびＯ2濃度を示し、［Ｏ2］＞０の条件を満たす。）
【００５０】
（［ＮＯx］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］の値（濃度比の値）は、好ましくは、１．５以下とする。また、窒素酸化物濃度（［ＮＯx］）は、一酸化窒素濃度（［ＮＯ］）と二酸化窒素濃度（［ＮＯ2］）との合計濃度である。また、前記式（３）を満たす一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度の濃度比を所定濃度比という。
【００５１】
前記所定濃度比の値が１の場合は、理論上は、前記触媒から排出される酸素濃度，窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を零とすることができる。しかしながら、実験上は、僅かに一酸化炭素が排出されることが分かっている。前記式（１）における（［ＮＯx］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］＝１は、実験結果を考慮して、前記第一反応および第二反応から理論的に導き出したものである。
【００５２】
ここで、（［ＮＯx］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］＝１を如何にして導き出したかを説明する。この式は、前記基準所定濃度比Ｋ０を典型的に満足する式であるので、基準所定濃度充足式と称する。
前記触媒内では、前記第一反応（I）が主反応として起こることが知られている。
ＣＯ ＋１／２Ｏ2 → ＣＯ2 …（I）
また、Ｐｔ等の貴金属触媒を用いた前記触媒内では、酸素が存在しない雰囲気で前前記第二反応（II）によるＣＯによるＮＯ還元反応が進行する。
ＣＯ ＋ＮＯ → ＣＯ2 ＋１／２Ｎ2 …（II）
そこで、前記第一反応（I）、前記第二反応（II）の反応に寄与する物質の濃度に着目し、前記基準濃度充足式を導きだした。
すなわち、ＣＯ濃度，ＮＯ濃度，Ｏ2濃度をそれぞれ［ＣＯ］ppm，［ＮＯ］ppm，［Ｏ2］ppmとすると、前記式（I）よりＣＯにより除去できる酸素濃度は、次式（III）で表される。
２［Ｏ2］＝ ［ＣＯ］ａ …（III）
また、前記式（II）の反応を起こすためには、ＣＯがＮＯの等量必要であり、次式（IV）の関係がいえる。
［ＣＯ］ｂ ＝[ＮＯ] …（IV）
前記式（I）、（II）の反応を前記触媒内で連続して起こす場合、前記式（III）と前記式（IV）を足し合わせることで得られる次式（V）の濃度関係が必要となる。
［ＣＯ］ａ ＋［ＣＯ］ｂ＝２［Ｏ2］＋ ［ＮＯ］ …（V）
［ＣＯ］ａ ＋［ＣＯ］ｂは、同一成分であるため、前記触媒二次側のガス中のＣＯ濃度として［ＣＯ］で表すことができる。
よって、前記基準所定濃度比充足式，
すなわち［ＣＯ］＝２［Ｏ2］＋［ＮＯ］の関係を導くことができる。
【００５３】
前記所定濃度比の値が１よりも小さい場合は、一酸化炭素の濃度が前記窒素酸化物の還元に必要な濃度以上に存在するので、排出酸素濃度が零で、前記触媒通過後のガス中に一酸化炭素が残留する。このため前記式（３）における濃度比の下限値を設けていない。前記触媒通過後に、一酸化炭素が含まれる場合は、この残留一酸化炭素を酸化する酸化手段を更に設けることが好ましい。この酸化手段は、前記触媒と別個の触媒を設け、この触媒の上流側へ酸素を投入して一酸化炭素を酸化するように構成することができる。
【００５４】
また、前記濃度比の値の１．０を越え、２．０までは、実験的に得られた値であるが、つぎの理由によると考えられる。前記触媒中で生じている反応は、完全に解明されておらず、前記第一反応および前記第二反応の主反応以外に、副反応が生じていることが考えられる。この副反応の一つとして、蒸気と一酸化炭素との反応により水素が生じ、この水素により窒素酸化物および酸素が還元される反応が考えられる。
【００５５】
（実施の形態６）
前記実施の形態２は、つぎの実施の形態６にて表現できる。この実施の形態６は、炭化水素含有の燃料を燃焼させ、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき設定空気比に前記バーナを制御する空気比調整手段とを備え、前記バーナは、前記空気比調整手段により前記空気比を定常時空気比に調整したとき、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とする前記酸化触媒一次側における酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の所定濃度比を得ることができるように構成され、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。
【００５６】
以上の実施の形態２〜６において、前記定常時空気比は、好ましくは、１．０の設定空気比に制御するが、前記触媒での反応の結果、１．０の設定空気比を満たし得る前記触媒の一次側の酸素濃度が所定濃度となるように空気比を制御するように構成することもできる。
【００５７】
ここで、前記実施の形態２〜６における有害物質（窒素酸化物および一酸化炭素）の低減作用についてさらに詳しく説明する。この低減作用は、つぎのようにして行われると考えられる。ＨＣ（炭化水素）を含まないガスにおいて、前記触媒では、主反応として、一酸化炭素を酸化させる第一反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる第二反応とが生じている。そして、前記触媒における反応（触媒反応）おいて、酸素存在下では、前記第一反応が前記第二反応よりも優位であり、前記第一反応に基づき一酸化炭素は、酸素に
より消費されて、濃度調整された後、前記第二反応により窒素酸化物を還元する。この説明は、簡略化したものである。実際は、前記第一反応は、前記第二反応と競合反応であるが、一酸化炭素と酸素との反応が酸素存在下において前記第二反応と比較し見かけ上速く起こるため、第一段階で前記第一反応が行われ、第二段階で前記第二反応が行われると考えられる。
【００５８】
要するに、前記触媒において、酸素の存在下では、ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2なる前記第一反応により、酸素が消費され、残りのＣＯを用いて、２ＣＯ＋２ＮＯ→Ｎ2＋２ＣＯ2なる前記第二反応により、窒素酸化物を還元して、排出窒素酸化物濃度を低減する。
【００５９】
ここで、前記の反応式の説明において、ＮＯxを用いることなく、ＮＯを用いているのは、高温場での生成窒素酸化物の組成は、主成分がＮＯであり、ＮＯ2が数％に過ぎないので、近似的に説明することができるからである。ＮＯ2は、存在してもＮＯと同様にＣＯにより還元されると考えられる。
【００６０】
つぎに、前記調整０，前記調整１および前記調整２を行う濃度比調整手段について説明する。前記濃度比調整手段は、前記触媒一次側の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の前記濃度比Ｋの調整を前記バーナの濃度比特性のみを利用して構成することができるが、好ましくは、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて前記所定濃度比に制御することにより、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零から所定値以下に、一酸化炭素濃度を実質的に零から所定値以下に調整するものである。そして、この濃度比調整は、つぎの第一，第二濃度比調整手段を用いて行うことができる。いずれの調整手段も好ましくは、前記空気比調整手段による濃度比の調整を行うものである。
【００６１】
前記第一濃度比調整手段は、前記濃度比Ｋの調整を前記バーナの特性を利用するとともに、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記ガスから吸熱する吸熱手段との特性を利用して、すなわち前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性を利用して行うものである。この濃度比特性とは、前記バーナの空気比を変化させて燃焼させることにより生成される前記吸熱手段の全部または一部を通過後の一酸化炭素量および窒素酸化物量が変化する特性である。また、この濃度比特性は、基本的には前記バーナによる濃度比特性により決まり、前記吸熱手段は、典型的には、前記バーナの濃度比特性を一部変化させるか、その濃度比特性を保持する機能を有する。前記吸熱手段を後記の第一の態様とする場合は、一酸化炭素濃度の増加をもたらすとともに、窒素酸化物濃度を抑制する。前記吸熱手段を後記の第二の態様とする場合は、典型的には、前記バーナによる濃度比特性を殆ど変更することなく、保持するものである。
【００６２】
前記第二濃度比調整手段は、前記濃度比Ｋの調整が、前記バーナと、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記ガスから吸熱する吸熱手段との濃度比特性を利用するとともに、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記補助調整手段を用いて行うものである。
【００６３】
前記補助調整手段は、前記バーナと前記酸化触媒との間にあって、一酸化炭素を注入したり、酸素を吸着除去することにより、酸素濃度に対する一酸化炭素濃度の割合を増加させることにより前記調整を補助的に行う機能を有するものである。この補助調整手段としては、ＣＯ発生器や、排ガスの酸素またはＣＯの量を調整可能な補助的バーナとすることができる。
【００６４】
この第二濃度比調整手段を用いて前記濃度比の調整を行う場合には、前記濃度比調整を前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に加えて前記補助調整手段を利用して行うの
で、特定の構造のバーナに限定されることなく、前記バーナおよび前記吸熱手段の適用範囲を拡げることができる。
【００６５】
つぎに、この発明の実施の形態の構成要素についてさらに説明する。前記バーナは、好ましくは、ガス燃料を予混合燃焼させる全一次空気式の予混合バーナとする。前記触媒にて、前記第一反応および前記第二反応を効果的に生じさせるには、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素に関する前記（２）（３）式で示すような濃度比が重要である。前記バーナを予混合バーナとすることにより、低空気比領域で前記所定濃度比を比較的容易に得ることができる。しかしながら、前記触媒一次側のガス中における酸素，窒素酸化物および一酸化炭素が均一に混合され、それぞれの濃度を前記所定濃度比とする制御が可能であれば、予混合バーナ以外のバーナとすることができる。
【００６６】
また、前記式（３）を満たすという条件下で前記触媒の一次側の酸素濃度Ｏ2を０％＜Ｏ2≦１．００％とすると、空気比はほぼ１となり、排出濃度が零に近い低ＮＯxと低ＣＯに加えて省エネルギーが実現され、低公害で、省エネルギーの燃焼装置を提供することができる。
【００６７】
前記吸熱手段は、好ましくは、ボイラなどの缶体を構成する水管群とする。この吸熱手段の形態としては、前記バーナの直近に燃焼空間を殆ど有さず、燃焼空間内に水管群を配置した第一の態様（前記特許文献１，２に相当）と、前記バーナと水管群との間に燃焼空間を有する第二の態様とを含む。前記吸熱手段は、前記バーナにて生成されるガスから吸熱してその熱を利用するとともに、前記ガスの温度を前記酸化触媒の活性化温度近くに制御し、かつ熱的な劣化を防止する温度以下に抑制する，すなわちガス温度を前記第一反応および前記第二反応を効果的に生じさせ、かつ温度による劣化を抑制し、耐久性を考慮した温度に制御する機能を持たせることができる。また、前記吸熱手段に前記ガスの温度が約９００℃以上に上昇するのを抑制して一酸化炭素の酸化を抑制し、前記バーナからのガスの濃度比が変化しないための手段として機能させることができる。
【００６８】
前記触媒は、前記ガス中にＨＣが含まれない状態で効率良く前記窒素酸化物を還元する機能を有する触媒で、前記水管群の後流または前記水管群の途中に設けられ、通気性を有する基材に触媒活性物質を担持した構成とし、構造は特定のものに限定されない。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。触媒活性物質としては、一般的に白金が用いられるが、実施に応じて、白金に代表される貴金属（Ａｇ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ）または金属酸化物を用いることができる。前記触媒を前記水管群の途中に設ける場合は、複数の水管間の隙間に設けるか、前記水管を基材として、その表面に触媒活性物質を担持した構成とすることができる。
【００６９】
この触媒は、つぎのような特性を有している。すなわち、図５の模式図に示すように、前記触媒一次側の前記濃度比の特性ラインＬ（二次側［ＮＯx］＝０，二次側［ＣＯ］＝０ライン）を有している。このラインＬ上に前記触媒一次側の前記濃度比Ｋが位置すると、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度が実質的に零となる。このラインＬは、理論的には前記式（３）の前記所定濃度比Ｋが１．０（前記式（２）ではＫ０＝１．０）に対応し、図５では、この前記所定濃度比Ｋが１．０の場合の式（３）を図示している。しかしながら、前述のように、実験的に前記所定濃度比Ｋが１．０を越える２．０までの範囲で、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とすることができることが確認されているので、前記ラインＬは、図５のラインに限定されない。
【００７０】
そして、前記バーナおよび前記吸熱手段の前記一次特性のラインＭと、前記ラインＬと
の交点における酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋを仮に特異基準所定濃度比（以下、特異基準濃度比という。）と称する。前記触媒の一次側の前記濃度比Ｋを前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに調整する（前記調整０）と、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする。そして、前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに対応する基準酸素濃度ＳＫよりも一次側酸素濃度を高くする（前記調整２），すなわち前記空気比調整手段により一次側酸素濃度を高くすると前記触媒二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度が一次側の窒素酸化物濃度よりも低減し、かつ二次側の一酸化炭素濃度が実質的に零となる。また、前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘよりも一次側酸素濃度を低くする（前記調整１）と前記触媒の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度が実質的に零となり、かつ二次側の一酸化炭素濃度が低減する。
【００７１】
こうした前記触媒の特性と前記予混合バーナおよび前記水管群の前記一次特性とを利用すると、前記触媒の二次側の酸素濃度および／または一酸化炭素濃度を零に制御する，すなわち空気比を１．０に制御することで、簡易に排出ＮＯx濃度および排出ＣＯ濃度を実質的に零に制御することができる。すなわち、前記触媒の二次側の酸素濃度および／または一酸化炭素濃度の制御により、空気比１．０で燃焼することによる超省エネルギーと、排出ＮＯx濃度および排出ＣＯ濃度が実質的に零の超低公害化とを同時に実現することが
できる。
【００７２】
また、前記触媒の二次側の酸素濃度および／または一酸化炭素濃度を零の近傍にてその量を制御することにより、排出ＮＯx濃度が実質的に零とすることができないまでも零に近い低い値に低減することができる。
【００７３】
前記センサとしては、酸素過剰領域では過剰酸素濃度を表し、燃料過剰領域では一酸化炭素等の未燃ガスを空気比ｍ＝１で燃焼させるのに必要な不足酸素濃度を負の値として表す酸素濃度計を好適に用いることができる。また、前記センサとしては、酸素濃度センサと一酸化炭素濃度センサとを組み合わせ、近似的に空気比を求めることもできる。
【００７４】
以上のようなセンサの取付位置は、好ましくは、前記触媒の二次側とするが、これに限定されるものではなく、前記触媒の一次側や、前記触媒の下流側に排熱回収器を設けた場合は、この下流側とすることができる。
【００７５】
前記空気比調整手段は、前記バーナへ燃焼空気を送風する送風機と、この送風機を駆動するモータと、このモータの回転数を制御するインバータと、このインバータを制御する制御手段とを含む。この発明においては、前記インバータを制御することで前記バーナの燃料量に対する燃焼空気量の割合を変えることで、前記バーナの空気比を調整する。
【００７６】
前記制御手段は、予め記憶した空気比制御プログラムに基づき、前記バーナの空気比を制御する。この空気比制御プログラムは、前記実施の形態１〜６においては、前記センサからの信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能とするものである。そして、前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量の変更時および変更前に行われ、前記定常時制御が燃焼空気変更後に行われる。この実施の形態１〜６における前記変更時時御は、好ましくは、フィードバック制御を行うが、フィードバック制御を行わないように構成することもできる。
【００７７】
前記実施の形態１〜６における前記定常時空気比は、好ましくは、省エネルギーの観点
から１．１〜１．０とし、さらに好ましくは、１．０とする。また、前記変更時空気比は、好ましくは、１．２７（排ガスＯ2：４．５％）以上とするが、これに限定されるものではない。
【００７８】
また、前記空気比調整手段によるフィードバック制御は、好ましくは、周知のＰＩＤ制御とするが、これに限定されるものではない。また、前記モータへ周波数出力の供給は、つぎのふたつの態様をとることができる。第一の態様は、前記センサからの酸素濃度信号を直接前記インバータへ入力して、前記インバータ内で操作量を演算して、周波数出力に変換し、前記モータへ供給するものである。第二の態様は、前記センサからの酸素濃度信号を前記制御器へ入力して、前記制御器内で操作量を演算して、周波数指令信号に変換し、前記インバータへ周波数指令信号を出力し、前記インバータから前記モータへ周波数出力を供給するものである。
【実施例１】
【００７９】
ついで、この発明の燃焼装置を蒸気ボイラに適用した実施例を図面に従い説明する。図１は、本実施例１の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２の酸化触媒を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図であり、図４は、本実施例１の空気比−ＮＯx・ＣＯ特性を説明する図であり、図５は、本実施例１のバーナおよび吸熱手段特性および触媒の特性を説明する模式図であり、図６は、本実施例１のセンサの出力特性を説明する図であり、図７は、本実施例１の空気比制御を説明するタイムチャート図であり、図８は、本実施例１のＮＯxおよびＣＯ低減特性を説明する図であり、図９は、この発明によるＮＯx・ＣＯ一次特性および二次特性を説明する図である。
【００８０】
まず、本実施例１の蒸気ボイラについて説明する。この蒸気ボイラは、バーナ１と、このバーナ１から生成されるガスの吸熱を行う吸熱手段としての伝熱管（水管）群２を含む缶体３と、前記伝熱管群２通過後の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素をそれぞれ所定濃度比で含むガスが接触して通過し、一酸化炭素を酸化させるとともに窒素酸化物を還元させる酸化触媒（以下、単に「触媒」と称する。）４と、前記バーナ１へガス燃料を供給する燃料供給手段５と、前記バーナ１へ燃焼空気を供給するとともに燃焼空気および燃料を予混合する燃焼空気供給手段６と、前記触媒４の下流において酸素濃度を検出するセンサ（第一センサ）７と、このセンサ７などの信号を入力して前記燃料供給手段５および前記燃焼空気供給手段６などを制御するボイラ制御器としての制御器８とを主要部として備えている。
【００８１】
前記バーナ１は、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バーナである。このバーナ１は、特許文献１に記載のバーナと同様の構成である。
【００８２】
前記缶体３は、上部管寄せ９および下部管寄せ１０を備え、この両管寄せ間に前記水管群２を構成する複数の内側水管１１，１１，…配置している。そして、図２に示すように、前記缶体３の長手方向の両側部に外側水管１２，１２，…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９および前記下管寄せ１０との間に前記バーナ１からのガスがほぼ直線的に流通する第一ガス通路１５を形成している。前記第一ガス通路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には排ガスが流通する第二ガス通路（煙道）１７が接続されている。この実施例１においては、前記バーナ１および前記缶体３は、公知のものを用いている。
【００８３】
前記第二ガス通路１７は水平部１８と垂直部１９とを含み、前記水平部１８には、前記触媒４が装着されている。前記垂直部１９には、前記触媒４の下流側に位置するように排
熱回収器としての給水予熱器２０が装着され、前記触媒４および前記給水予熱器２０の間に前記センサ７が配置されている。
【００８４】
前記バーナ１，前水管群２を含む前記バーナ１から前記触媒４に至る構成要素（特にバーナ１と水管群２がその主要部）は、前記触媒４の一次側のガスにおける前記濃度比Ｋを前記所定濃度比Ｋ０，Ｋ１に調整する機能をなすものである。すなわち、後述する空気比調整手段２８により設定空気比に調整したとき、図４に示す空気比−ＮＯx・ＣＯ特性が得られるように構成されている。この空気比―ＮＯx・ＣＯ特性は、前記空気比調整手段２８を制御して、空気比を変化して燃焼させた時に得られる前記触媒４の一次側の空気比―ＮＯx・ＣＯ特性（以下、一次特性という。）である。そして、前記触媒４は、前記一次特性を有する前記ガスを前記触媒４に接触させることにより得られる前記触媒４の二次側空気比―ＮＯx・ＣＯ特性（以下、二次特性という。）を有している。前記一次特性は、前記バーナ１から前記触媒４に至る構成要素による特性であり、前記二次特性は、前記触媒４による濃度比特性である。前記一次特性は、前記設定空気比を１．０に調整したとき、前記触媒４の二次側のＮＯx濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする。このとき、前記触媒４の一次側のガスにおける基準所定濃度比Ｋ０は、特異基準所定濃度比（以下、特異基準濃度比という。）Ｋ０Ｘとなる（図５参照）。
【００８５】
図４は、図１５の低空気比領域Ｚ２を引き延ばした模式図である。この図４において、第一ライン（特性線）Ｅは、前記触媒４一次側のＣＯ濃度を示し、第二ラインＦは、同じく一次側のＮＯx濃度を示している。また、第三ラインＪは、前記触媒４二次側のＣＯ濃度を示し、空気比１．０以上でＣＯ濃度が実質的に零となり、空気比が１．０より小さくなるに従い、濃度が急激に増加する特性を有している。また、第四ラインＵは、前記触媒４二次側のＮＯx濃度を示し、空気比１．０以下の所定の領域でＮＯx濃度が実質的に零となり、空気比が１．０を越えるに従い、実質的に零から濃度が増加し、やがて前記触媒４の一次側の濃度と等しくなる特性を有している。この前記触媒４の二次側ＮＯx濃度が、一次側の濃度と等しくなる空気比以下の領域をＮＯx・ＣＯ低減領域と称する。このＮＯx・ＣＯ低減領域の下限は、前記触媒４の二次側のＣＯ濃度が３００ppm（日本のＣＯ排出基準）となる空気比とすることができる。この空気比−ＮＯx・ＣＯ特性は、これまで研究されてこなかった低空気比領域の新規な特性である。
【００８６】
前記触媒４は、前記水管群２を通過後の炭化水素を含まない前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸化する（第一反応）とともに窒素酸化物を還元する（第二反応）機能を有し、本実施例１では、触媒活性物質を白金とした触媒を用いている。前記「発明を実施するための最良の実施の形態」の欄で説明したように、実験結果に基づいて理論的に考察すると、前記式（３）の濃度比式を満たす前記ガスと前記触媒４の触媒活性物質との接触により、主に一酸化炭素を酸化させる第一反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる第二反応とが生じると考えられる。前記第一反応は、酸素濃度により反応が進行するか、しないかが決定され、この触媒４においては、前記第一反応が前記第二反応に対して優位であると考えられる。
【００８７】
前記触媒４をより具体的に説明すると、この触媒は、図３に示すような構造のもので、たとえば，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２１および波板２２のそれぞれの表面に多数の微小凹凸を形成し、その表面に触媒活性材料（図示省略）を担持する。ついで、所定幅の前記平板２１および波板２２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する。このロール状のものを側板２３にて包囲し固定して形成している。前記触媒活性材料としては、白金を用いている。なお、図３においては、前記平板２１および前記波板２２の一部のみを示している。
【００８８】
この触媒４は、低温域で酸化活性を有し、前記第二ガス通路１７の途中の前記水平部１
８であって、排ガス温度が約１００〜３５０℃程度の位置に配置されている。そして、この触媒４は、性能が劣化した場合に交換可能なように、前記第二ガス通路１７に対して着脱自在に装着されている。
【００８９】
前記燃料供給手段５は、ガス燃料供給管２４と、このガス燃料供給管２４に設けた燃料流量を調整する燃料調整弁２５とを含んで構成されている。前記燃料調整弁２５は、燃料供給量を高燃焼用流量と低燃焼用流量とに流量を段階的に制御する機能を有する。この燃料調整弁２５は、単一の弁で構成しても、また互いに並列接続される複数の弁にて構成することができる。この実施例１では、後者の低燃弁と高燃弁（いずれも図示省略）とを並列接続したものとしている。
【００９０】
前記燃焼空気供給手段６は、送風機２６と、この送風機２６から前記バーナ１へ燃焼空気を供給する給気通路２７と、この給気通路２７を流れる燃焼空気量を調整することで前記バーナ１の空気比を調整する空気比調整手段２８を含んで構成されている。前記給気通路２７内へは、前記ガス燃料供給管２４が燃料ガスを噴出するように接続されている。
【００９１】
前記空気比調整手段２８は、前記バーナ１へ燃焼空気を送風する前記送風機２６と、この送風機２６を駆動するモータ２９と、このモータ２９の回転数を制御するインバータ３０と、このインバータ３０を制御する前記制御器８とを含んで構成されている。また、この空気比調整手段２８は、燃焼空気量を補助的に制御するためのダンパ３１を備えている。
【００９２】
前記制御器８は、予め記憶した空気比制御プログラムに基づき、前記バーナ１の空気比を制御する。この空気比制御プログラムは、図７に示すような制御を行う。すなわち、前記センサ７から信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータ３０を制御することで前記濃度比Ｋを基準所定濃度比Ｋ０とする定常時制御と、前記フィードバック制御を行わず、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能とするものである。本実施例１の前記定常時空気比は、１．０とし、前記変更時空気比は、好ましくは、１．２７（排ガスＯ2：４．５％）としている。
【００９３】
この実施例１における変更時制御から定常時制御への切り換えは、燃焼開始時と、燃焼量の変更時に行われるように構成している。燃焼開始時は、前記変更時制御が着火動作であるメイントライから最初の低燃焼時の所定時間Ｔ１経過までを含んで行われ、前記定常時制御が前記所定時間Ｔ１後に行われるように構成する。勿論、前記メイントライの前の着火トライにおいても空気比のフィードバック制御は行わず、前記変更時制御を行う。また、着火トライの前の着火準備ステージにおいては、燃焼が行われていないので、空気比のフィードバック制御は、不要である。前記所定時間は、最初の低燃焼開始からの時間とすることができる。
【００９４】
また、燃焼量変更時は、前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量の変更時に行われ、前記定常時制御が燃焼空気量の変更後に行われる。変更後の前記定常時制御への移行は、変更が終了して所定時間後としている。
【００９５】
また、定常時制御は、前記触媒４の一次側の前記ガスの濃度比Ｋが次式（３）を満たす制御である。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］≦２．０ …（３）
（式（３）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ2］はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、［Ｏ2］＞０の条件を満たす。）
この定常時制御を図４および図７に基づき以下に説明する。
【００９６】
図４の空気比―ＮＯx・ＣＯ特性は、前記バーナ１および前記水管群２を含む構成要素の前記一次特性と前記二次特性とに基づいて表現したものであるが、図５は、これを前記触媒４一次側の酸素濃度に対する前記構成要素の前記一次特性と前記触媒４の特性とに基づいて表現したものである。
【００９７】
前記触媒４の特性は、図５に示すように、前記触媒４一次側の前記基準所定濃度比Ｋ０に関する第五ラインＬ（二次側［ＮＯx］＝０，二次側［ＣＯ］＝０ライン）にてその特徴を表している。この第五ラインＬは、そのライン上に前記触媒４一次側の前記濃度比Ｋが位置する（載る）と、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする，すなわち前記基準所定濃度比Ｋ０を満たすラインである。この第五ラインＬは、前記式（３）の前記所定濃度比が１の場合に対応している。すなわち、この第五ラインＬは、次式（３Ａ）を表したラインである。
［ＮＯｘ］＋２［Ｏ2］＝［ＣＯ］ …（３Ａ）
【００９８】
ここで、［ＮＯｘ］は、図８に示すように［ＣＯ］の１／３０〜１／５０程度であるので、図５においては、酸素濃度に対するＮＯx濃度特性を省略するとともに、式（３Ａ）における［ＮＯｘ］を無視している。この第五ラインＬにおいて、一次側酸素濃度をＸ１とした場合、一次側一酸化炭素濃度Ｙ１は、Ｙ１＝２Ｘ１＋［ＮＯx］となる。なお、前記所定濃度比の値が１．０を越える２．０までの範囲で、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする前記基準所定濃度比Ｋ０とすることができることが確認されているので、前記第五ラインＬは、図示のラインＬに限定されず、前記式（３）を満たすラインとすることができる。
【００９９】
そして、前記バーナ１および前記水管群２の前記一次特性曲線を表す第六ラインＭと、前記第五ラインＬとの交点における酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の基準所定濃度比Ｋ０が前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘである。前記触媒４は、その一次側の前記濃度比Ｋを前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘとした場合、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有している。この前記基準濃度比Ｋ０Ｘとする調整が、前記調整０に相当する。
【０１００】
そして、前記触媒４は、前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに対応する基準酸素濃度ＳＫよりも一次側酸素濃度を高くすると前記触媒４二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒４の二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度を還元反応により一次側の窒素酸化物濃度よりも低減する特性を有している。この前記触媒４二次側において酸素が検出されるとともに、一次側の窒素酸化物濃度よりも低減する特性の領域を二次側ＮＯx漏れ領域Ｒ１と称する。この二次側ＮＯx漏れ領域Ｒ１では、前記バーナ１の空気比は、１．０を
越える。
【０１０１】
また、前記基準酸素濃度ＳＫよりも一次側酸素濃度を低くすると前記触媒４の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度ＳＫの差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに、所定の範囲で前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする特性を有している。この前記触媒４二次側において一酸化炭素が検出されるとともに、窒素酸化物濃度を実質的に零とする特性の領域を二次側ＣＯ漏れ領域Ｒ２と称する。この二次側ＣＯ漏れ領域Ｒ２は、前記調整１を実現する領域であり、前記バーナ１の空気比が１．０未満である。前記バーナ１の空気比は、１．０未満に設定される場合でも、前記触媒４の一次側で、炭化水素を含まず、酸素を含む範囲で設定される。
【０１０２】
こうした図５に示す触媒４の特性は、図４に示す空気比―ＮＯx・ＣＯ特性に符合する
ものである。この図４，５から明らかなように、前記触媒４の二次側の酸素濃度および／または一酸化炭素濃度を検出し、この酸素濃度および／または一酸化炭素濃度が零となるように前記空気比調整手段２８を制御すると、前記触媒４の一次側における前記濃度比Ｋが前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに制御され、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零に制御できる。こうして、前記定常時制御が実現される。
【０１０３】
前記センサ７として、排出酸素濃度の分解能が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を用いている。このセンサ７の出力特性は、図６に示すように、出力Ｅが正側で酸素濃度に関係する出力となり、負側で一酸化炭素濃度等に関係する出力となる。すなわち、測定される酸素濃度（酸素過剰領域）および一酸化炭素濃度等（燃料過剰領域）から空気比ｍを算出し、この空気比ｍに対応した電流または電圧の出力を得ている。図６において、Ｑ１は、酸素濃度検出帯を示し、Ｑ２は、一酸化炭素濃度検出帯を示している。
【０１０４】
そして、前記空気比制御プログラムは、前記定常時制御においては、前記センサ７の出力信号に基づき、前記バーナ１の空気比ｍが前記定常時空気比（基準設定空気比）ｍ０になるように、前記インバータ３０をフィードバック制御するものである。また、前記変更時制御においては、前記空気比ｍが前記変更時空気比となるように制御するように構成されている。
【０１０５】
つぎに、以上の構成の前記蒸気ボイラの動作を説明する。まず、蒸気ボイラの概略的動作について、前記送風機２６から供給される燃焼空気（外気）は、前記ガス燃料供給管２４から供給される燃料ガスと前記給気通路２７内において予混合される。この予混合気は前記バーナ１から前記缶体３内の前記第一ガス通路１５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。この燃焼は、低空気比にて行われる。
【０１０６】
この燃焼に伴い生ずるガスは、上流側の水管群２と交叉して冷却された後、下流側の水管群２と熱交換して吸熱されて約１００〜３５０℃のガスとなる。このガスは、炭化水素を含まず、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含み、前記触媒４にて、処理され、窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度がほぼ零とされた後、排ガスとして前記第二ガス通路１７から大気中へ排出される。
【０１０７】
つぎに、前記空気比調整手段２８による空気比制御を図７に基づき説明する。図７は、後記「メイントライ」制御段階（以下、ステージという。）より後のステージを図示している。本実施例１のボイラは、高燃焼と低燃焼とを切り替えて運転する。そのために、前記ダンパ２９は、高燃焼風量位置と低燃焼風量位置のいずれかを選択して開度の大きいＨ、開度の小さいＬとに切り換えられる。
【０１０８】
まず、「プレパージ」ステージでは、前記モータ２９がＯＮ，前記インバータ３０からの出力周波数が前記変更時空気比対応の周波数とされ、フィードバック制御がＯＦＦされ、前記ダンパがＨとされ、周知のプレパージが行われる。
【０１０９】
ついで、「プレイグニッション」ステージでは、前記ダンパ３１をＬとして、点火トランス（図示省略）が駆動される。その後、パイロット弁（図示省略）をＯＮし、前記パイロット弁に点火する。着火が完了すると、点火トランスの作動を停止し、「パイロットオンリ」ステージへ移行する。その後、前記バーナ１の燃焼要求があると、前記低燃弁を開き、「メイントライ」（前記バーナ１の着火動作）ステージを行う。
【０１１０】
図７を参照して、前記「メイントライ」開始からこの「メイントライ｝終了後の「低燃
焼」ステージの所定時間Ｔ１（Ｔ１は前記触媒４の温度が約１５０℃以上となるまでの間とすることができる）は、前記変更時制御が行われる。このように「メイントライ」と最初の低燃焼時の初期との間は、前記バーナ１の燃焼が不安定となりがちであるので、前記バーナ１の空気比を変更時空気比とするとともに、フィードバック制御を行わないので、安定した着火動作と安定した低燃焼の立上りを実現することができる。前記所定時間Ｔ１のカウント開始を「低燃焼」ステージの開始とすることができる。
【０１１１】
前記Ｔ１が経過すると、前記制御器８は、前記定常時制御へ切り換える。この定常時制御は、前記センサ７からの信号を受けてのフィードバック制御により行われる。すなわち、前記制御器８は、前記定常時空気比ｍ０を保持するように前記インバータ３０へ信号を出力する。その出力信号は、前記センサ７の信号が図６のように変化するので、この信号を受けて、前記制御器８は、空気比ｍが、ｍ０に集束するように、フィードバック制御により、前記インバータ３０へ信号を出力する。このフィードバック制御による前記定常時制御により、外気温の変動などによる空気比の変動を最小限に抑えることができる。その結果、一酸化炭素の発生により、前記触媒４の処理能力を超えることが抑制され、一酸化炭素や窒素酸化物がボイラ外へ漏れることが抑制され、安定した有害物質低減効果が保証される。特に、この実施例１では、空気比１を１．０に設定しているので、僅かの空気比の変動でも多量の一酸化炭素の生成を生ずる虞があるので、この定常時制御は、効果が大きい。
【０１１２】
つぎに、高燃焼の要求を受けると、「高燃焼」ステージの制御を行う。前記制御器８は、まず、前記フィードバック制御をＯＦＦとして、前記インバータ３０の出力周波数が前記定常時空気比ｍ０から変更時制御の空気比へ変更するように指令を発する。その結果、前記インバータ３０からは、前記トリップが生じないように、図７に示すように徐々に上昇する周波数が出力される。変更時空気比に対応する周波数となり、前記「高燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ２が経過すると、まず、前記高燃弁を開き、所定時間遅れ，すなわち「高燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ３が経過すると、前記ダンパ２９をＨとする。そして、「高燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ４、前記変動時制御による高燃保持を行った後に、前記定常時制御へ切り換える。
【０１１３】
再び、低燃焼の要求を受けると、前記制御器８は、「低燃焼」ステージの制御を行う。前記フィードバック制御をＯＦＦとして、前記インバータ３０の出力周波数が前記定常時空気比ｍ０から変更時制御の空気比へ変更するように指令を発する。その結果、前記インバータ３０からは、図７に示すように徐々に上昇する周波数が出力される。変更時空気比に対応する周波数となり、前記「低燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ６が経過すると、まず、前記ダンパ２９をＨとし、所定時間遅れ，すなわち「低燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ５が経過するとで、前記高燃弁を閉じる。そして、「低燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ７、前記変動時制御による低燃保持を行った後に、前記フィードバック制御をＯＮとする前記定常時制御へ切り換える。
【０１１４】
以上のインバータ３０による空気比の制御において、一般的にはインバータ制御は、ダンパと比較して応答性が悪いと考えられている。その理由は、スリップが生ずるような操作量が大きい場合、出力周波数の増減勾配を小さくするためである。しかしながら、本願発明のように、空気比１．０近傍で操作量が少ない制御においては、増減勾配を小さくする必要がないので、ダンパと比較して応答性に差はない。
【０１１５】
ここで、前記定常時制御による有害物質低減効果について説明する。
（実験例１）
単位時間当たり蒸発量を８００kgの缶体３（出願人が製造の型式：ＳＱ−８００と称される缶体）で、燃焼量４５．２m3N/hの予混合バーナ１で燃焼させ、触媒活性物質として
Ｐｔを２．０ｇ／Ｌの割合で担持した体積１０Ｌ、内径３６０ｍｍの触媒とした場合の実験結果について説明する。前記基準設定空気比ｍ０を１とした場合、前記触媒１の一次側（前記触媒４通過前）の一酸化炭素濃度，窒素酸化物濃度，酸素濃度がそれぞれ１０分間の平均値で２２９５ppm，９４ppm，１６５５ppmに調整され、前記触媒１の二次側（前記触媒１通過後）のそれぞれの濃度が１０分間の平均値で１３ppm，０．３ppm，１００ppm未満となった。ここで、前記触媒１の二次側の酸素濃度１００ppmは、酸素濃度の測定限界である。また、前記触媒４の前後でのガスの温度は、それぞれ、３０２℃，３２７℃であった。本実験例１および以下の実験例２，３においては、前記触媒４を前記給水予熱器２０のやや上流に配置し、その前後に測定装置を配置し、前記触媒４の通過後の各濃度およびガスの温度は、株式会社堀場製作所製ＰＧ−２５０を用い、通過前の各濃度は、株式会社堀場製作所製ＣＯＰＡ−２０００を用いて計測した。勿論、前記触媒４を図１に示す位置に配置しても測定濃度値は殆ど変わらないと考えられる。
（実験例２）
【０１１６】
実験例１と同じバーナ１および缶体３を用い、燃焼量を実験例１と同じとし、触媒活性物質としてＰｄを２．０ｇ／Ｌの割合で担持した体積１０Ｌ、内径３６０ｍｍの触媒とした場合の一酸化炭素濃度，窒素酸化物濃度，酸素濃度の各濃度比Ｋにおける値を図１０に示す。ここで、触媒通過後の酸素濃度を実験例１と同様の酸素濃度センサを用いて測定したので、実際は１００ppm以下の値であっても１００ppmで示した。前記触媒４の前後でのガスの温度は、それぞれ、約３２３℃〜３２５℃，約３４４℃〜３４６℃であった。
【０１１７】
以上のように、この実施例１の空気比制御によれば、燃焼量変更時は、前記変更時制御により不安定な燃焼による不具合を回避できるとともに、定常燃焼時は、前記定常時制御により、前記バーナ１の空気比を１．０に近い低空気比とし、かつ前記触媒４の一次側のガスの濃度比変化幅が少なく制御され、前記式（３）を安定的に満たすことができる。その結果、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度をほぼ零にするとともに、一酸化炭素濃度をほぼ零低減することができる。なお、設定空気比ｍ０を１．０未満とすると、二次側の窒素酸化物濃度をほぼ零にするとともに、一酸化炭素濃度を実用範囲の所定値以下に低減することができる。
【０１１８】
また、この実施例１の燃焼開始時の制御（変更時制御から定常時制御への移行制御）によりつぎの効果を奏する。前記定常時制御による低ＮＯx燃焼は、前記触媒４二次側の酸素濃度を前記センサ７によって監視し、燃焼用空気量を前記センサ７の検出値が実質的に零となるようにフィードバック制御を行うものである。この制御は、前記センサ７の出力およびフィードバックパラメータ(ＰＩＤのパラメータ)によって支配される。前記フィードバックパラメータは、あらかじめ決められた固定値を用いるため、前記センサ７出力の独占支配となる。前記バーナ１の着火直後の排ガス中の酸素濃度は、定常的な燃焼時のように全体にわたって均一ではなく、濃度むらが存在する。またセンサ自身がもつ応答遅れも考えられる。この不安定な酸素濃度状態の時にフィードバック制御をかけた場合、条件によっては過剰な燃焼用空気量の減量を行い、酸素濃度零の目標値を大きく下回りアンダーシュートを起し、一酸化炭素の発生、失火、爆発等の不具合が発生する可能性がある。この実施例１の燃焼開始時制御により、これらの不具合を解消できる。
【０１１９】
また、前記実施例１によれば、前記空気比調整手段２８により、空気比を１．０に制御することで、前記触媒４の一次側の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに制御（前記調整０）することができ、排出ＮＯx濃度および排出ＣＯ濃度を実質的に零に低減できる。したがって、水／蒸気添加による低ＮＯx化技術や、脱硝剤の投入による低ＮＯx化技術と比較して、空気比調整手段と触媒を用いた簡易な構成にて低ＮＯxおよび低ＣＯを実現できる。
【０１２０】
また、空気比を実質的に１．０としているので、省エネ運転を行える。ちなみに、通常のボイラにおける酸素濃度４％（空気比約１．２３５）の運転と、酸素濃度０％（空気比約１．０）の運転とを比較すると、ボイラ効率約１〜２％アップを達成することができる。地球温暖化対策が叫ばれている昨今において、このボイラ効率アップ達成は、産業的価値が多大である。
【０１２１】
さらに、前記触媒４の二次側に前記センサ７を設けて、空気比を制御しているので、前記触媒４の一次側にセンサを設けて制御するものと比較して制御を安定化することができる。また、酸素濃度１００ppm以下の分解能で空気比を制御しているので、ＣＯ量が多く、かつ空気比−ＣＯ特性においてＣＯ増加率の高い領域での空気比制御を応答性よく、安定的に行うことができる。
【実施例２】
【０１２２】
この発明の他の実施例２を図９に従い説明する。この実施例２は、酸素濃度を検出するセンサ７を前記触媒４の二次側でなく、一次側に設けたものである。このセンサ７は酸素濃度のみを検出するセンサとしているだけで、その他は、前記実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【０１２３】
この実施例２では、基準設定空気比ｍ０を１（前記触媒４の二次側の酸素濃度を零）とするように、前記センサ７により、前記触媒４の一次側の酸素濃度を検出して間接的に空気比を制御するものである。種々の実験結果に基づき、前記触媒４の一次側の酸素濃度Ｏ2を０％＜Ｏ2≦１．００％の値に制御すると、前記式（３）を満たして、前記触媒４の二次側の酸素濃度をほぼ零にする，すなわち空気比をほぼ１．０にすることが可能であることが分かっている。
【実施例３】
【０１２４】
この実施例３は、前記設定空気比を、図１０に示すように、前記二次特性におけるＮＯx濃度が実質的に零を越え、前記一次特性におけるＮＯx濃度より低くなる値に設定した例である。この値は、前記設定空気比が、実質的に１．０を越える前記二次特性の二次側ＮＯx漏れ領域Ｒ１の空気比である。この実施例３における濃度比Ｋの調整は、前記調整２である。
【０１２５】
この実施例３における制御範囲の中心（目標空気比）、たとえば空気比１．００５（Ｏ2濃度：約１０００ppm）とした場合である。これを図７にて説明すると、前記触媒４一次側の酸素濃度が前記基準酸素濃度ＳＫよりも高い前記二次側ＮＯx漏れ領域（前記調整２を実現する領域）Ｒ１にて空気比制御を行うことになる。
【実施例４】
【０１２６】
つぎに、この発明の実施例４を図１１に基づき説明する。この実施例４は、前記定常時制御と前記変更時制御とを選択する第一制御パターンと前記変更時制御のみの第二制御パターンを手動のスイッチ３２により選択可能とした点でのみ、前記実施例１と異なるので、共通部分はその説明を省略する。この実施例３においては、前記スイッチ３２を第一制御パターンとすることで、前記実施例１と同じ動作をさせることができ、前記第二制御パターンとすることで前記触媒４を備えない従来のボイラの制御に適用できる。また、この実施例３のスイッチ３２を前記触媒４による有害物質低減作用が不調のとき、前記第一制御パターンから前記第二制御パターンへ自動的に切り換えるスイッチとすることも可能である。
【実施例５】
【０１２７】
つぎに、この発明の実施例５を図１２に基づき説明する。この実施例５は、前記実施例
１の構成に加えて、前記空気比調整手段２８は、最初の変更時空気比から定常時空気比への変更かどうかを判定し、最初と判定されるとき、フィードバック制御により前記インバータを制御して変更時空気比から定常時空気比への変更を行い、変更が終了すると定常時空気比に対応する周波数を記憶するとともに、最初と判定されないとき、フィードバック制御を行うことなく、前記記憶周波数またはこの周波数に所定の係数を乗じた周波数にて前記インバータを制御して定常時空気比への変更を行うことを特徴とする。これは、前記設定空気比を変更時空気比から定常時空気比へ変更する時、特に低燃焼時において前記変更時空気比に対応する周波数（通常周波数）から前記定常時空気比に対応する低ＮＯx周波数へ落とす時には、急速に減速するとアンダーシュートを生じ、低燃焼時の定常時空気比を下回り、燃焼が不安定となったり、一酸化炭素の排出量が増大する虞もある。これを防止することを目的とする。
【０１２８】
この実施例５の前記空気比調整手段２８による制御は、図１２に示されるような制御手順にて実行される。低燃焼時において、変更時空気比から定常時空気比へ制御する場合につき説明する。図７において、前記のように「メイントライ」から最初の低燃焼ステージの初期Ｔ１は、変更時空気比にて燃焼が行われていて、所定時間Ｔ１が経過すると、変更時空気比から定常時空気比の制御が行われる。このとき、処理ステップＳ１（以下、処理ステップＳＮは、単にＳＮという。）において、最初の変更時空気比から定常時空気比への変更かどうかが判定される。今の場合、ＹＥＳであるので、Ｓ２へ移行して、ＰＩＤ制御をＯＮとして、前記インバータ３０を空気比が定常時空気比となるように制御信号を出力する。すなわち、フィードバック制御により前記インバータ３０の周波数を徐々に変更し、定常時空気比となるように制御する。そして、Ｓ３において、定常時空気比となったことを前記センサ７により検出すると、この定常時空気比に対応する周波数を前回周波数として記憶するとともに、ＰＩＤ制御をＯＮとして、定常時空気比を保持するように前記インバータを３０を制御する定常時制御を行う。
【０１２９】
図７を参照して、高燃焼ステージから低燃焼ステージへの移行時、２回目の変更時空気比から定常時空気比への変更が行われる。この時には、Ｓ１にてＮＯが判定され、処理はＳ５へ移行して、ＰＩＤ制御をＯＦＦ，すなわちフィードバック制御をかけることなく、前記インバータ３０の周波数を記憶した前回周波数まで一気に下げる。このとき、好ましくは、前記センサ７の応答遅れを考慮して、しばらくはフィードバック制御を行わず、所定時間経過後にフィードバック制御を行うように構成する。こうした、制御を行うことにより、１回目を除き、２回目以降は短時間で定常時制御に移行することができる。その結果、アンダーシュートによる不具合を解消できるとともに、ＮＯx排出量を低減できる。なお、詳しい説明を省略するが、高燃焼時において通常周波数から低ＮＯx周波数へ移行する時も低燃焼時と同様に最初の移行時の定常時空気比に対応する周波数を前回周波数として記憶して、２回目の移行時からは記憶した前回周波数に基づき、前記インバータ３０を制御するように構成することができる。
【実施例６】
【０１３０】
さらに、この発明の実施例６を図１３および図１４に基づき説明する。前記実施例１が変更時制御を着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過までという条件において行うのに対して、この実施例６は、変更時制御を着火後の最初の低燃焼時の所定時間Ｔ１経過までという第一条件と前記酸化触媒の温度を設定値以上という第二条件とのＡＮＤ条件で行う点を特徴としている。この実施例６において、前記実施例１とハード的に異なるのは、図１３に示すように前記触媒４の温度を検出するセンサ（第二センサ）３３を設けている点と、ソフト的に異なるのは、前記制御器８が図１４に示す制御手順を含んでいる点であり、その他は前記実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１３１】
以下に、この実施例６の動作を図１４に基づき説明する。図１４を参照して、燃焼開始
から前記設定時間Ｔ１が経過するまでは、Ｓ２１，Ｓ２２の処理が行われるが、これは前記実施例１と同様に行われる。この実施例６では、Ｓ２２にてＹＥＳが判定されると、Ｓ２３へ移行して、前記第二センサ３３による検出値が設定値ｔ０以上かどうかを判定し、ＮＯが判定されるとＳ２１へ戻り、ＰＩＤ制御をＯＦＦとしたフィードバック制御を行わない変更時制御が行われ、ＹＥＳが判定されるとＳ２４へ移行して、ＰＩＤ制御をＯＮとしてフィードバック制御を行う定常時制御が行われる。
【０１３２】
この実施例６によれば、つぎの二つの不具合を解消できる。第一の不具合は、前記バーナ１を十分燃焼させた後、燃焼待機し、その後すぐに着火要求があったとき(このとき、前記触媒４の温度は設定値以上という第二条件を満たし、前記所定時間Ｔ１の経過という第一条件を満たしていない。)、フィードバック制御をかけることになる。この時は、排ガスが十分安定していないので、前記センサ７が検出した酸素濃度を基に前記インバータ３０の周波数を急激に落とし始め、目標値から大きくアンダーシュートし、一酸化炭素の多量排出、失火などの不具合の発生が発生する。また、朝一の前記ボイラ立ち上げ時は、前記第一条件を満たしても前記第二条件を満たしていないことがり、そうすると、定常時制御に入ったとき、前記触媒４温度が低いため一酸化炭素が酸化されず大量排出される。この実施例６によれば、この二つの不具合を解消することができる。
【０１３３】
この発明は、前記実施例１〜６に限定されるものではない。たとえば、図４および図１０に示す空気比−ＮＯx・ＣＯ特性は、燃焼装置の前記バーナ１および前記缶体３の構造に応じて曲線および濃度値が異なるので、異なった特性を用いることができる。また、前記実施例１，２では、設定空気比を１．０以上としているが、燃焼性を損なわず、炭化水素を生成しない範囲で、空気比１．０より低い値とすることができる。
【０１３４】
また、前記実施例２において、前記センサ７をＯ2濃度センサとしているが、ＣＯ濃度センサとすることができる。また、前記インバータ３０を単一の制御器（ボイラ制御用の制御器）８にて制御しているが、この制御器８と別に前記インバータ３０用の別の制御器（図示省略）を設け、この制御器８と前記センサ７，前記制御器８を接続して、空気比制御を行うように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本実施例１の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】図２の酸化触媒を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図である。
【図４】本実施例１の空気比−ＮＯx・ＣＯ特性を示す図である。
【図５】本実施例１のバーナおよび吸熱手段の特性および触媒の特性を説明する模式図である。
【図６】本実施例１のセンサの出力特性を説明する図である。
【図７】本実施例１の空気比制御による燃焼制御を説明する図である。
【図８】本実施例１のＮＯxおよびＣＯ低減特性を説明する図である。
【図９】本実施例２の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図１０】本実施例３のＮＯxおよびＣＯ低減特性を説明する図である。
【図１１】本実施例４の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図１２】本実施例５の要部制御手順を説明するフローチャート図である。
【図１３】本実施例６の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図１４】本実施例６の要部制御手順を説明するフローチャート図である。
【図１５】この発明によるＮＯx・ＣＯ一次特性および二次特性を説明する図である。
【０１３６】
１ バーナ
４ 触媒
７ 第一センサ
８ 制御器
２５ 燃料調整弁
２８ 空気比調整手段
２９ モータ
３０ インバータ
３３ 第二センサ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水管ボイラ，吸収式冷凍機の再生器などに適用される燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＮＯxの発生の抑制原理として、火炎（燃焼ガス）温度の抑制，高温燃焼ガスの滞留時間の短縮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発生源についても環境への影響が高まり、一層の低ＮＯx化が求められるようになってきている。この低ＮＯx化においては、ＮＯxの生成を低減するとＣＯの排出量が増加するので、ＮＯxとＣＯを同時に削減することが難しい。
【０００４】
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。
【０００５】
この課題を解決するために、出願人は、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低ＮＯxおよび低ＣＯ技術を提案し、製品化している（特許文献１参照）。しかしながら、この特許文献１記載の低ＮＯx化技術は、現実には生成ＮＯx値が２５ppm程度にとどまっていた
。
【０００６】
この課題の解決案として、出願人は、ＮＯx発生の抑制を排出ＣＯ値低減に優先するように燃焼ガス温度を抑制し生成ＮＯx値を所定値以下とする低ＮＯx化ステップを行い、その後に前記低ＮＯx化ステップからの排出ＣＯ値を所定値以下とする低ＣＯ化ステップを行う低ＮＯx燃焼方法を提案している（特許文献２参照）。この特許文献２の技術によれば、１０ppmを下回る低ＮＯx化が可能となるが、５ppmを下回る低ＮＯx化を実現することは難しい。これは、燃焼の特性により、５ppm以上のＮＯxの生成が避けられないことによる。
【０００７】
そして、特許文献２に記載の低ＮＯx化技術は、図１５に示すように、空気比が１．３８以上の所謂高空気比燃焼領域Ｚ１に属するものである。一方、空気比１．１以下（以下、「低空気比」という。）の予混合燃焼領域Ｚ２では窒素酸化物の発生量が増えて、低ＮＯx、低ＣＯが困難であること，および空気比が１以下となるとバックファイヤーを起こすなど安定燃焼制御が困難なことから、低空気比燃焼の領域Ｚ２は、これまで殆ど研究開発の対象とされていなかった。図１５において、ラインＦ，Ｅは、それぞれ本発明の燃焼装置による一次側のＮＯx特性およびＣＯ特性を模式的に示し、ラインＵ，Ｊは、この発明の燃焼装置による触媒二次側のＮＯx特性およびＣＯ特性を模式的に示している。前記特許文献２の低ＮＯx化技術は、基本的には高空気比領域Ｚ１にてバーナを燃焼させることでＮＯx生成を抑制し、生じたＣＯを酸化触媒にて除去する技術である。
【０００８】
この発明の出願人は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、特許文献２に記載の一酸化炭素を低減するための酸化触媒を備えたボイラにおいて、これまで殆ど研究が行
われていなかった限りなく１に近い低空気比でのバーナの燃焼領域（図１５の領域Ｚ２）において、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を実質的に零とするポイントを見出した。そして、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を実質的に零とすることができた原因を追及した結果、酸化触媒一次側の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を基準所定濃度比とすることで、酸化触媒を用いて窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近く低減できるとともに、前記濃度比を前記基準所定濃度比の近傍で調整することにより、有害物質（窒素酸化物および一酸化炭素）の排出量を実質的に零または許容値まで低減可能であるいう新たな知見を得た。この知見に基づき、これまで殆ど研究が行われていなかった限りなく１に近い低空気比の燃焼領域において、窒素酸化物の排出量を限りなく零に近く低減でき、一酸化炭素排出量を許容範囲に低減できるとともに、低空気比による省エネルギーを実現できる業界初の燃焼装置の発明を創出し、これを先に出願した（特願２００５−３００３４３）。
【０００９】
【特許文献１】特許第３２２１５８２号公報（対応米国特許：米国特許第５３５３７４８号明細書）
【特許文献２】特開２００４−１２５３７８号公報（対応米国特許：米国特許第６７９２８９５号明細書）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、先の出願の発明において、空気比制御をインバータ制御により行う燃焼装置に好適に実施可能であって、発明が解決しようとする課題は、燃焼量の変更時は、安定燃焼を可能とし、燃焼量変更後は、低空気比燃焼を可能とする燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、バーナと、このバーナの燃焼量を変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記送風機の回転数を可変とするインバータと、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時設定空気比（以下、単に定常時空気比というが、ＮＯx低減時空気比と称することができる。）とするように前記インバータを制御する定常時制御（ＮＯx低減時制御と称することができる。）と、前記定常時空気比より高い変更時設定空気比（以下、単に変更時空気比というが、定格時空気比と称することができる。）とするように前記インバータを制御する変更時制御（定格時制御と称することができる。）とを選択可能としたことを特徴としている。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼が不安定となる燃焼量の変更前後は、前記変更時制御を行うことにより、安定した燃焼を行うことができ、燃焼量の変更後は、前記定常時制御を行うことにより低空気比の燃焼を行うことができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナの燃焼量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、前記送風機の回転数を可変とするインバータと、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比が所定濃度比となる特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比を前
記所定濃度比としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とするとする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴としている。
【００１４】
ここで、窒素酸化物濃度が実質的に零とは、好ましくは、５ppm，さらに好ましくは、３ppm，さらに好ましくは、零である。一酸化炭素濃度が実質的に零とは、３０ppm，さらに好ましくは、１０ppmである。また、以下の説明で、酸素濃度が実質的に零とは、１００ppm以下とするが、好ましくは、計測限界値以下とする。さらに、窒素酸化物濃度，一酸化炭素濃度が所定値以下とは、各国、各地域で定める排出基準濃度以下を意味するが、限りなく実質的に零に近い値に設定することが好ましいのはいうまでもない。このように排出基準値という意味において、「所定値」以下を「許容値」と称することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、燃焼が不安定となる燃焼量の変更時は、前記変更時制御を行うことにより、安定した燃焼を行うことができ、一酸化炭素の多量の発生による一酸化炭素および窒素酸化物漏れを防止することができる。また、燃焼量の変更後は、前記定常時制御を行うことにより定常時空気比の燃焼により前記濃度比を前記所定濃度比として、安定して排出窒素酸化物濃度を実質的に零とし、排出一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量の変更時に行われ、前記定常時制御が燃焼空気変更後に行われることを特徴としている。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、燃焼量の変更時は、安定した燃焼を行うことができ、一酸化炭素の多量の発生による一酸化炭素および窒素酸化物漏れを防止することができる。また、燃焼量の変更後は、定常時空気比の燃焼により前記濃度比を前記所定濃度比として、安定して排出窒素酸化物濃度を実質的に零とし、排出一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とすることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項２において、前記変更時制御が着火後の最初の低燃焼の所定時間経過まで行われ、前記定常時制御が前記所定時間後に行われることことを特徴としている。
【００１９】
請求項４に記載の発明よれば、請求項２に記載の発明による効果に加えて、着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過まで、安定した燃焼動作を実現できる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項２において、変更時制御が着火後の最初の低燃焼の所定時間経過までという第一条件と前記酸化触媒の温度を設定値以下という第二条件とのＡＮＤ条件で行われ、前記定常時制御が前記ＡＮＤ条件成立後に行われることを特徴としている。
【００２１】
請求項５に記載の発明よれば、請求項２に記載の発明による効果に加えて、着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過までの間、安定した燃焼動作を実現できるとともに、朝一番の燃焼装置の燃焼開始時における多量の一酸化炭素の排出を防止できるという効果を奏する。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項２において、前記空気比調整手段は、最初の変更時空
気比から定常時空気比への変更かどうかを判定し、最初と判定されるとき、フィードバック制御により前記インバータを制御して変更時空気比から定常時空気比への変更を行い、変更が終了すると定常時空気比に対応する周波数を記憶するとともに、最初と判定されないとき、フィードバック制御を行うことなく、前記記憶周波数またはこの周波数に所定の係数を乗じた周波数にて前記インバータを制御して定常時空気比への変更を行うことを特徴としている。
【００２３】
請求項６に記載の発明よれば、請求項２に記載の発明による効果に加えて、急速に前記インバータの周波数を下げることによるアンダーシュートによる不具合を解消できるとともに、ＮＯx排出量を低減できるという効果を奏する。
【００２４】
請求項７に記載の発明は、請求項２または請求項３において、前記燃焼空気供給手段に前記燃焼量の変更に合わせて開閉するダンパを備え、前記ダンパの開閉後に前記定常時制御が行われることを特徴としている。
【００２５】
請求項７に記載の発明によれば、請求項２または請求項３に記載の発明による効果に加えて、前記ダンパの開閉による燃焼空気による燃焼の不安定挙動を回避できるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、燃焼量の変更時は、安定燃焼を可能とし、燃焼量変更後は、低空気比燃焼を可能とする燃焼装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態を説明する前に、この出願において使用する用語について説明する。「ガス」とは、バーナから酸化触媒（酸化・還元触媒と称することができる。以下。単に「触媒」と称することができる。）を通過し終わるまでのガスをいい、触媒を通過した後のガスを「排ガス」という。したがって、ガスは、燃焼反応中（燃焼過程）のガスと燃焼反応が完結したガスとを含み、燃焼ガスと称することができる。ここにおいて、前記触媒がガスの流れに沿って多段に設けられている場合、「ガス」は、最終段の触媒を通過し終わるまでのガスをいい、「排ガス」は、最終段の触媒を通過した後のガスをいう。
【００２８】
「触媒の一次側」とは、触媒に対しバーナが設けられている側であって、特に断らない限り、ガスがこの触媒を通過する直前をいい、「触媒の二次側」とは、触媒の一次側の反対側をいう。
【００２９】
また、「炭化水素を含まない」とは、燃焼反応の過程で全く炭化水素が生成されないことを意味するのではなく、燃焼反応の過程では、若干の炭化水素が生成されるが、燃焼反応が終了する段階，すなわち前記触媒に流入するガス中に窒素酸化物を還元する炭化水素が実質的に含まれていない（測定限界以下である）ことを意味している。前記「炭化水素を含まない」は、「炭化水素を除去する」と言い換えることができる。
【００３０】
さらに、空気比ｍは、ｍ＝２１／（２１−[Ｏ2]）と定義する。ただし、 [Ｏ2]は、触媒二次側の排ガス中の酸素濃度を表すが、空気比を求める際に用いる[Ｏ2]は、酸素過剰領域では過剰酸素濃度を表し、燃料過剰領域では一酸化炭素などの未燃ガスを空気比ｍ＝１で燃焼させるのに必要な不足酸素濃度を負の値として表す。
【００３１】
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，吸収式冷凍機の再生器などの燃焼装置（熱機器または燃焼機器と称
しても良い。）に適用される。
【００３２】
（実施の形態１）
この発明の実施の形態１は、バーナと、このバーナの燃焼量を変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記送風機の回転数を可変とするインバータと、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御する定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。前記定常時制御は、低ＮＯx制御と称することができる。
【００３３】
この実施の形態１においては、好ましくは、前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量の変更時に行われ、前記定常時制御が燃焼空気量の変更後に行われる。変更後の前記定常時制御への移行は、好ましくは、変更が終了して所定時間後とする。こうした構成とすることで、前記バーナの燃焼量を変更，たとえば高燃焼から低燃焼へ、また低燃焼から高燃焼への変更時において、前記空気比調整手段は、前記変更時制御を行い、空気比が高い前記変更時空気比にて前記バーナを燃焼させ、燃焼量変更時の不安定燃焼による一酸化炭素の発生を防止することができる。また、燃焼量の変更が終了すると、好ましくは、所定時間経過後に前記空気比調整手段は、前記定常時制御を行い、空気比が低い前記定常時空気比にて前記バーナを燃焼させ、前記定常時空気比をフィードバック制御により一定に保持する。これにより、空気比の変動による一酸化炭素の発生が防止される。前記定常時空気比は、好ましくは、１．１〜１．０とし、さらに好ましくは、１．０とする。この実施の形態１および以下の実施の形態２〜６における前記変更時御は、好ましくは、フィードバック制御を行うが、フィードバック制御を行わないように構成することもできる。フィードバック制御をかけると、加減速に時間がかかるが、フィードバック制御をかけないことにより加減速の時間を短くでき、空気比を定常時空気比とするまでに排出されるＮＯxの量を低減できる。
【００３４】
また、この実施の形態１において、好ましくは、前記設定空気比を変更時空気比から定常時空気比へ変更する時、前記空気比調整手段は、最初の変更時空気比から定常時空気比への変更かどうかを判定し、最初と判定されるとき、フィードバック制御により前記インバータを制御して変更時空気比から定常時空気比への変更を行い、変更が終了すると定常時空気比に対応する周波数を記憶するとともに、最初と判定されないとき、フィードバック制御を行うことなく、前記記憶周波数またはこの周波数に所定の係数を乗じた周波数にて前記インバータを制御して定常時空気比への変更を行うように構成する。
【００３５】
すなわち、特に低燃焼時において前記変更時空気比に対応する周波数（通常周波数）から前記定常時空気比に対応する周波数（低ＮＯx周波数）へ落とす（移行する）時には、急速に減速するとアンダーシュートを生じ、低燃焼時の定常時空気比を下回り、燃焼が不安定となったり、一酸化炭素の排出量が増大する虞もある。これに対しては、つぎの制御が効果的である。すなわち、燃焼装置の電源投入後の初めて低燃焼時に通常周波数から低ＮＯx周波数へ移行するとき、フィードバック制御により前記インバータの周波数を徐々に変更し、定常時空気比による燃焼に入ると、その定常時空気比に対応する周波数を記憶する。そして、２回目に前記設定空気比を変動時空気比から定常時空気比へ変更する時には、フィードバック制御をかけることなく、前記インバータの周波数を前記記憶した周波数まで一気に下げる。このとき、前記センサの応答遅れを考慮して、しばらくはフィードバック制御を行わず、所定時間経過後にフィードバック制御を行うように構成する。こうした、制御を行うことにより、１回目を除き、２回目以降は短時間で定常時制御に移行することができ、アンダーシュートによる不具合を解消できるとともに、ＮＯx排出量を低
減できる。前記の制御において、アンダーシュートを防止するために、記憶した周波数に制御するのではなく、先ず、記憶した周波数に１．０を越える係数（たとえば、１．０１〜１．１０）を乗じた周波数に制御し、ついでフィードバック制御により記憶した周波数に制御するように構成することができる。なお、高燃焼時において通常周波数から低ＮＯx周波数へ移行する時も低燃焼時と同様に最初の移行時の定常時空気比に対応する周波数を記憶して、２回目の移行時からは記憶した周波数に基づき、インバータを制御するように構成することができる。
【００３６】
また、この実施の形態１においては、好ましくは、前記変更時制御が着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過まで行われ、前記定常時制御が前記所定時間後に行われるように構成する。ここにおいて前記変更量制御の開始は、問題ではなく、少なくとも最初の低燃焼の所定時間を含めばよい。この制御において、着火直後の排ガス濃度は、定常燃焼時のように全体にわたって均一ではなく、濃度むらが存在する。また前記センサ自身がもつ応答遅れも考えられるので、前記定常時制御は、前記所定時間経過後に行う。
【００３７】
さらに、この実施の形態１においては、変更時制御が着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過という第一条件と前記酸化触媒の温度を設定値以下という第二条件とのＡＮＤ条件で行われ、前記定常時制御が前記ＡＮＤ条件成立後に行われるように構成する。この制御において、前記第二条件を加えたのは、つぎの不具合を解消することを目的としている。朝一番に燃焼装置の燃焼を開始したときは、前記第一条件が満たされても前記第二条件を満たさないことがあり、この状態で前記定常時制御を行うと、前記触媒温度が上昇していないので、一酸化炭素が多量に排出されるという不具合を生ずる。
【００３８】
前記実施の形態１は、典型的には、つぎの実施の形態２の燃焼装置に適用される。この実施の形態２は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナの燃焼量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機およびこの送風機の回転数を可変とするインバータを含む燃焼空気供給手段と、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比が所定濃度比となる特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比を前記所定濃度比としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とするとする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。前記燃料供給手段は、好ましくは前記バーナの燃焼量を段階的に変更するように構成する。この実施の形態２は、つぎの三つの実施の形態３〜５を含む。
【００３９】
（実施の形態３）
前記実施の形態３は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナの燃焼量を段階的に変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機およびこの送風機の回転数を可変とするインバータを含む燃焼空気供給手段と、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋが基準所定濃度比Ｋ０となる
特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比Ｋを前記基準所定濃度比Ｋ０としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比Ｋを前記基準所定濃度比Ｋ０とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。
【００４０】
（実施の形態４）
また、前記実施の形態４は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナの燃焼量を段階的に変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機およびこの送風機の回転数を可変とするインバータを含む燃焼空気供給手段と、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を前記実施の形態３の定常時空気比より低い値の定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋが第一所定濃度比Ｋ１となる特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比Ｋを前記第一所定濃度比Ｋ１としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とし、一酸化炭素濃度を所定値以下とするとする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比Ｋを前記第一定濃度比Ｋ１とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。
【００４１】
（実施の形態５）
また、前記実施の形態５は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、前記バーナの燃焼量を変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料調整弁を有する燃料供給手段と、前記送風機の回転数を可変とするインバータと、前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機およびこの送風機の回転数を可変とするインバータを含む燃焼空気供給手段と、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、前記バーナは、前記空気比を前記実施の形態３の定常時空気比より高い値の定常時空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋが第二所定濃度比Ｋ２となる特性を有し、前記酸化触媒は、前記濃度比Ｋを前記第二所定濃度比Ｋ２としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有し、前記空気比調整手段は、前記センサからの信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比Ｋを前記第二定濃度比Ｋ２とすることを特徴とする燃焼装置である。
【００４２】
すなわち、前記基準所定濃度比Ｋ０，前記第一所定濃度比Ｋ１，前記第二所定濃度比Ｋ２は、前記定常時空気比をそれぞれ基準設定空気比，第一設定空気比，第二設定空気比に制御することにより、次の調整がなされる。
調整０：前記濃度比Ｋを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする基準所定濃度比Ｋ０に調整する。
調整１：前記濃度比Ｋを、前記基準所定濃度比Ｋ０より低く、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とする第一所定濃度比Ｋ１に調整する。
調整２：前記濃度比Ｋを、前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする第二所定濃度比Ｋ２に調整する。
【００４３】
そして、前記触媒は、前記調整０を行うと、それぞれ前記触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記調整１を行うと前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とし、前記調整２を行うと前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする特性を有している。
【００４４】
これらの実施の形態３〜５において、濃度比Ｋとは、一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度の相互の関係を意味する。前記調整０における基準所定濃度比Ｋ０は、次式（１）の判定式にて判定され、好ましくは、次式（２）を満たし、前記第一所定濃度比Ｋ１を前記基準所定濃度比Ｋ０より小さくし、前記第二所定濃度比Ｋ２を前記基準所定濃度比Ｋ０より大きくするように設定される。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］＝Ｋ …（１）
１．０≦Ｋ＝Ｋ０≦２．０ …（２）
（式（１）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ2］はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、［Ｏ2］＞０の条件を満たす。）
【００４５】
すなわち、前記基準所定濃度比Ｋ０は、前記酸化触媒二次側の酸素濃度，窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度をそれぞれ実質的に零とする前記酸化触媒の一次側の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比である。前記式（１）は、前記基準所定濃度比Ｋ０を判定するための判定式であり、式（２）は、前記酸化触媒二次側の酸素濃度，窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度をそれぞれ実質的に零とする条件を示している。理論的には、Ｋ０＝１．０の条件で、各濃度を零とすることができる。しかしながら、実験結果によると、前記式（２）の範囲で各濃度を実質的に零とすることが確認されているが、前記Ｋ０の上限２．０は、前記触媒の特性によっては、２．０より大きい値をとることが考えられる。
【００４６】
前記基準所定濃度比Ｋ０の値を下回るように，すなわち式（１）のＫがＫ０よりも小さい前記第一所定濃度比Ｋ１となるように前記酸化触媒の一次側の濃度比Ｋを調整する（前記調整１）と、前記酸化触媒二次側の酸素濃度および窒素酸化物濃度が実質的に零となるとともに一酸化炭素濃度が所定値以下となる。この一酸化炭素濃度の所定値は、好ましくは、排出基準値（この値は、国により異なるので、国ごとに変更することが可能である。）以下に設定する。この所定値を決めると、実験的に前記第一所定濃度比Ｋ１を定めることができる。前記濃度比Ｋの値がＫ０よりも小さい前記第一所定濃度比Ｋ１となるような濃度比Ｋの調整は、具体的には、前記酸化触媒一次側の一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合を、前記基準所定濃度比Ｋ０を満たす一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合よりも少なくすることで実現可能である。
【００４７】
また、前記濃度比ＫがＫ０よりも大きい前記第二所定濃度比Ｋ２となるように前記酸化触媒の一次側の濃度比Ｋを調整する（前記調整２）と、前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度が実質的に零となるとともに窒素酸化物濃度が所定値以下となる。この場合、前記酸化触媒の二次側の酸素濃度は、所定濃度となる。この窒素酸化物濃度の所定値は、一酸化炭素濃度の前記所定値とは異なる値であり、好ましくは、各国で定められる排出基準値以下とする。この所定値を決めると、実験的に前記第二濃度比Ｋ２を定めることができる。前記第二所定濃度比Ｋ２とするための濃度比Ｋの調整は、具体的には、前記酸化触媒一次側の一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合を、前記基準所定濃度比Ｋ０を満たす一酸化炭素濃度に対する酸素濃度の割合よりも多くすることで実現可能である。
【００４８】
以上の実施の形態２〜５においては、まず、前記バーナで燃焼する。この燃焼により、酸素と、窒素酸化物および一酸化炭素とを含み、炭化水素を含まないガスが生成される。
そして、前記触媒の一次側の前記ガスにおける酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋは、前記空気比調整手段による定常時空気比に制御することにより、前記バーナの特性に基づいて、それぞれ前記基準所定濃度比Ｋ０，前記第一所定濃度比Ｋ１，前記第二所定濃度比Ｋ２に調整される。そして、前記触媒にて、前記ガスが前記触媒と接触して前記ガス中の酸素により一酸化炭素が酸化され、一酸化炭素により窒素酸化物が還元される。前記調整０または前記調整１が行われた場合の酸素の役割は、一酸化炭素濃度の調整，すなわち窒素酸化物を還元してその濃度を実質的に零とするのに必要な量以上に存在する一酸化炭素量を消費して低減するものである。この前記調整０，前記調整１後のガスと前記触媒との接触により、前記ガス中の窒素酸化物の排出量が実質的に零に低減され、一酸化炭素の排出量が実質的に零または所定値以下に低減される。また、前記調整２後のガスと前記触媒との接触により、前記ガス中の一酸化炭素の排出量が実質的に零とされ、窒素酸化物濃度が所定値以下に低減される。また、前記定常時制御は、フィードバック制御であるので、前記各所定濃度比Ｋ０，Ｋ１，Ｋ２の値の変動が抑制され、窒素酸化物排出量および一酸化炭素排出量の低減効果を安定して発揮することができる。特に、前記調整０において、窒素酸化物排出量を実質的に零とするには、前記定常時制御が重要である。
【００４９】
前記調整０の基準所定濃度比Ｋ０および前記調整１の第一所定濃度比Ｋ１は、次式（３）で包含して表現される。すなわち、式（３）を満たすと、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とし、一酸化炭素濃度を実質的に零とするか、低減する。一酸化炭素濃度の低減を前記所定値以下とするには、式（３）の左辺の値がＫ０よりも小さい値となるように前記酸化触媒一次側の前記濃度比Ｋを調整し、前記第一所定濃度比Ｋ１とする。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］＝Ｋ≦２．０ …（３）
（式（３）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ2］はそれぞれＣＯ濃度、ＮＯx濃度およびＯ2濃度を示し、［Ｏ2］＞０の条件を満たす。）
【００５０】
（［ＮＯx］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］の値（濃度比の値）は、好ましくは、１．５以下とする。また、窒素酸化物濃度（［ＮＯx］）は、一酸化窒素濃度（［ＮＯ］）と二酸化窒素濃度（［ＮＯ2］）との合計濃度である。また、前記式（３）を満たす一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度の濃度比を所定濃度比という。
【００５１】
前記所定濃度比の値が１の場合は、理論上は、前記触媒から排出される酸素濃度，窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を零とすることができる。しかしながら、実験上は、僅かに一酸化炭素が排出されることが分かっている。前記式（１）における（［ＮＯx］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］＝１は、実験結果を考慮して、前記第一反応および第二反応から理論的に導き出したものである。
【００５２】
ここで、（［ＮＯx］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］＝１を如何にして導き出したかを説明する。この式は、前記基準所定濃度比Ｋ０を典型的に満足する式であるので、基準所定濃度充足式と称する。
前記触媒内では、前記第一反応（I）が主反応として起こることが知られている。
ＣＯ ＋１／２Ｏ2 → ＣＯ2 …（I）
また、Ｐｔ等の貴金属触媒を用いた前記触媒内では、酸素が存在しない雰囲気で前前記第二反応（II）によるＣＯによるＮＯ還元反応が進行する。
ＣＯ ＋ＮＯ → ＣＯ2 ＋１／２Ｎ2 …（II）
そこで、前記第一反応（I）、前記第二反応（II）の反応に寄与する物質の濃度に着目し、前記基準濃度充足式を導きだした。
すなわち、ＣＯ濃度，ＮＯ濃度，Ｏ2濃度をそれぞれ［ＣＯ］ppm，［ＮＯ］ppm，［Ｏ2］ppmとすると、前記式（I）よりＣＯにより除去できる酸素濃度は、次式（III）で表される。
２［Ｏ2］＝ ［ＣＯ］ａ …（III）
また、前記式（II）の反応を起こすためには、ＣＯがＮＯの等量必要であり、次式（IV）の関係がいえる。
［ＣＯ］ｂ ＝[ＮＯ] …（IV）
前記式（I）、（II）の反応を前記触媒内で連続して起こす場合、前記式（III）と前記式（IV）を足し合わせることで得られる次式（V）の濃度関係が必要となる。
［ＣＯ］ａ ＋［ＣＯ］ｂ＝２［Ｏ2］＋ ［ＮＯ］ …（V）
［ＣＯ］ａ ＋［ＣＯ］ｂは、同一成分であるため、前記触媒二次側のガス中のＣＯ濃度として［ＣＯ］で表すことができる。
よって、前記基準所定濃度比充足式，
すなわち［ＣＯ］＝２［Ｏ2］＋［ＮＯ］の関係を導くことができる。
【００５３】
前記所定濃度比の値が１よりも小さい場合は、一酸化炭素の濃度が前記窒素酸化物の還元に必要な濃度以上に存在するので、排出酸素濃度が零で、前記触媒通過後のガス中に一酸化炭素が残留する。このため前記式（３）における濃度比の下限値を設けていない。前記触媒通過後に、一酸化炭素が含まれる場合は、この残留一酸化炭素を酸化する酸化手段を更に設けることが好ましい。この酸化手段は、前記触媒と別個の触媒を設け、この触媒の上流側へ酸素を投入して一酸化炭素を酸化するように構成することができる。
【００５４】
また、前記濃度比の値の１．０を越え、２．０までは、実験的に得られた値であるが、つぎの理由によると考えられる。前記触媒中で生じている反応は、完全に解明されておらず、前記第一反応および前記第二反応の主反応以外に、副反応が生じていることが考えられる。この副反応の一つとして、蒸気と一酸化炭素との反応により水素が生じ、この水素により窒素酸化物および酸素が還元される反応が考えられる。
【００５５】
（実施の形態６）
前記実施の形態２は、つぎの実施の形態６にて表現できる。この実施の形態６は、炭化水素含有の燃料を燃焼させ、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき設定空気比に前記バーナを制御する空気比調整手段とを備え、前記バーナは、前記空気比調整手段により前記空気比を定常時空気比に調整したとき、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とする前記酸化触媒一次側における酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の所定濃度比を得ることができるように構成され、前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置である。
【００５６】
以上の実施の形態２〜６において、前記定常時空気比は、好ましくは、１．０の設定空気比に制御するが、前記触媒での反応の結果、１．０の設定空気比を満たし得る前記触媒の一次側の酸素濃度が所定濃度となるように空気比を制御するように構成することもできる。
【００５７】
ここで、前記実施の形態２〜６における有害物質（窒素酸化物および一酸化炭素）の低減作用についてさらに詳しく説明する。この低減作用は、つぎのようにして行われると考えられる。ＨＣ（炭化水素）を含まないガスにおいて、前記触媒では、主反応として、一酸化炭素を酸化させる第一反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる第二反応とが生じている。そして、前記触媒における反応（触媒反応）おいて、酸素存在下では、前記第一反応が前記第二反応よりも優位であり、前記第一反応に基づき一酸化炭素は、酸素に
より消費されて、濃度調整された後、前記第二反応により窒素酸化物を還元する。この説明は、簡略化したものである。実際は、前記第一反応は、前記第二反応と競合反応であるが、一酸化炭素と酸素との反応が酸素存在下において前記第二反応と比較し見かけ上速く起こるため、第一段階で前記第一反応が行われ、第二段階で前記第二反応が行われると考えられる。
【００５８】
要するに、前記触媒において、酸素の存在下では、ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2なる前記第一反応により、酸素が消費され、残りのＣＯを用いて、２ＣＯ＋２ＮＯ→Ｎ2＋２ＣＯ2なる前記第二反応により、窒素酸化物を還元して、排出窒素酸化物濃度を低減する。
【００５９】
ここで、前記の反応式の説明において、ＮＯxを用いることなく、ＮＯを用いているのは、高温場での生成窒素酸化物の組成は、主成分がＮＯであり、ＮＯ2が数％に過ぎないので、近似的に説明することができるからである。ＮＯ2は、存在してもＮＯと同様にＣＯにより還元されると考えられる。
【００６０】
つぎに、前記調整０，前記調整１および前記調整２を行う濃度比調整手段について説明する。前記濃度比調整手段は、前記触媒一次側の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の前記濃度比Ｋの調整を前記バーナの濃度比特性のみを利用して構成することができるが、好ましくは、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて前記所定濃度比に制御することにより、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零から所定値以下に、一酸化炭素濃度を実質的に零から所定値以下に調整するものである。そして、この濃度比調整は、つぎの第一，第二濃度比調整手段を用いて行うことができる。いずれの調整手段も好ましくは、前記空気比調整手段による濃度比の調整を行うものである。
【００６１】
前記第一濃度比調整手段は、前記濃度比Ｋの調整を前記バーナの特性を利用するとともに、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記ガスから吸熱する吸熱手段との特性を利用して、すなわち前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性を利用して行うものである。この濃度比特性とは、前記バーナの空気比を変化させて燃焼させることにより生成される前記吸熱手段の全部または一部を通過後の一酸化炭素量および窒素酸化物量が変化する特性である。また、この濃度比特性は、基本的には前記バーナによる濃度比特性により決まり、前記吸熱手段は、典型的には、前記バーナの濃度比特性を一部変化させるか、その濃度比特性を保持する機能を有する。前記吸熱手段を後記の第一の態様とする場合は、一酸化炭素濃度の増加をもたらすとともに、窒素酸化物濃度を抑制する。前記吸熱手段を後記の第二の態様とする場合は、典型的には、前記バーナによる濃度比特性を殆ど変更することなく、保持するものである。
【００６２】
前記第二濃度比調整手段は、前記濃度比Ｋの調整が、前記バーナと、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記ガスから吸熱する吸熱手段との濃度比特性を利用するとともに、前記バーナおよび前記酸化触媒の間に配置され前記補助調整手段を用いて行うものである。
【００６３】
前記補助調整手段は、前記バーナと前記酸化触媒との間にあって、一酸化炭素を注入したり、酸素を吸着除去することにより、酸素濃度に対する一酸化炭素濃度の割合を増加させることにより前記調整を補助的に行う機能を有するものである。この補助調整手段としては、ＣＯ発生器や、排ガスの酸素またはＣＯの量を調整可能な補助的バーナとすることができる。
【００６４】
この第二濃度比調整手段を用いて前記濃度比の調整を行う場合には、前記濃度比調整を前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に加えて前記補助調整手段を利用して行うの
で、特定の構造のバーナに限定されることなく、前記バーナおよび前記吸熱手段の適用範囲を拡げることができる。
【００６５】
つぎに、この発明の実施の形態の構成要素についてさらに説明する。前記バーナは、好ましくは、ガス燃料を予混合燃焼させる全一次空気式の予混合バーナとする。前記触媒にて、前記第一反応および前記第二反応を効果的に生じさせるには、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素に関する前記（２）（３）式で示すような濃度比が重要である。前記バーナを予混合バーナとすることにより、低空気比領域で前記所定濃度比を比較的容易に得ることができる。しかしながら、前記触媒一次側のガス中における酸素，窒素酸化物および一酸化炭素が均一に混合され、それぞれの濃度を前記所定濃度比とする制御が可能であれば、予混合バーナ以外のバーナとすることができる。
【００６６】
また、前記式（３）を満たすという条件下で前記触媒の一次側の酸素濃度Ｏ2を０％＜Ｏ2≦１．００％とすると、空気比はほぼ１となり、排出濃度が零に近い低ＮＯxと低ＣＯに加えて省エネルギーが実現され、低公害で、省エネルギーの燃焼装置を提供することができる。
【００６７】
前記吸熱手段は、好ましくは、ボイラなどの缶体を構成する水管群とする。この吸熱手段の形態としては、前記バーナの直近に燃焼空間を殆ど有さず、燃焼空間内に水管群を配置した第一の態様（前記特許文献１，２に相当）と、前記バーナと水管群との間に燃焼空間を有する第二の態様とを含む。前記吸熱手段は、前記バーナにて生成されるガスから吸熱してその熱を利用するとともに、前記ガスの温度を前記酸化触媒の活性化温度近くに制御し、かつ熱的な劣化を防止する温度以下に抑制する，すなわちガス温度を前記第一反応および前記第二反応を効果的に生じさせ、かつ温度による劣化を抑制し、耐久性を考慮した温度に制御する機能を持たせることができる。また、前記吸熱手段に前記ガスの温度が約９００℃以上に上昇するのを抑制して一酸化炭素の酸化を抑制し、前記バーナからのガスの濃度比が変化しないための手段として機能させることができる。
【００６８】
前記触媒は、前記ガス中にＨＣが含まれない状態で効率良く前記窒素酸化物を還元する機能を有する触媒で、前記水管群の後流または前記水管群の途中に設けられ、通気性を有する基材に触媒活性物質を担持した構成とし、構造は特定のものに限定されない。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。触媒活性物質としては、一般的に白金が用いられるが、実施に応じて、白金に代表される貴金属（Ａｇ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ）または金属酸化物を用いることができる。前記触媒を前記水管群の途中に設ける場合は、複数の水管間の隙間に設けるか、前記水管を基材として、その表面に触媒活性物質を担持した構成とすることができる。
【００６９】
この触媒は、つぎのような特性を有している。すなわち、図５の模式図に示すように、前記触媒一次側の前記濃度比の特性ラインＬ（二次側［ＮＯx］＝０，二次側［ＣＯ］＝０ライン）を有している。このラインＬ上に前記触媒一次側の前記濃度比Ｋが位置すると、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度が実質的に零となる。このラインＬは、理論的には前記式（３）の前記所定濃度比Ｋが１．０（前記式（２）ではＫ０＝１．０）に対応し、図５では、この前記所定濃度比Ｋが１．０の場合の式（３）を図示している。しかしながら、前述のように、実験的に前記所定濃度比Ｋが１．０を越える２．０までの範囲で、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とすることができることが確認されているので、前記ラインＬは、図５のラインに限定されない。
【００７０】
そして、前記バーナおよび前記吸熱手段の前記一次特性のラインＭと、前記ラインＬと
の交点における酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比Ｋを仮に特異基準所定濃度比（以下、特異基準濃度比という。）と称する。前記触媒の一次側の前記濃度比Ｋを前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに調整する（前記調整０）と、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする。そして、前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに対応する基準酸素濃度ＳＫよりも一次側酸素濃度を高くする（前記調整２），すなわち前記空気比調整手段により一次側酸素濃度を高くすると前記触媒二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度が一次側の窒素酸化物濃度よりも低減し、かつ二次側の一酸化炭素濃度が実質的に零となる。また、前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘよりも一次側酸素濃度を低くする（前記調整１）と前記触媒の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度が実質的に零となり、かつ二次側の一酸化炭素濃度が低減する。
【００７１】
こうした前記触媒の特性と前記予混合バーナおよび前記水管群の前記一次特性とを利用すると、前記触媒の二次側の酸素濃度および／または一酸化炭素濃度を零に制御する，すなわち空気比を１．０に制御することで、簡易に排出ＮＯx濃度および排出ＣＯ濃度を実質的に零に制御することができる。すなわち、前記触媒の二次側の酸素濃度および／または一酸化炭素濃度の制御により、空気比１．０で燃焼することによる超省エネルギーと、排出ＮＯx濃度および排出ＣＯ濃度が実質的に零の超低公害化とを同時に実現することが
できる。
【００７２】
また、前記触媒の二次側の酸素濃度および／または一酸化炭素濃度を零の近傍にてその量を制御することにより、排出ＮＯx濃度が実質的に零とすることができないまでも零に近い低い値に低減することができる。
【００７３】
前記センサとしては、酸素過剰領域では過剰酸素濃度を表し、燃料過剰領域では一酸化炭素等の未燃ガスを空気比ｍ＝１で燃焼させるのに必要な不足酸素濃度を負の値として表す酸素濃度計を好適に用いることができる。また、前記センサとしては、酸素濃度センサと一酸化炭素濃度センサとを組み合わせ、近似的に空気比を求めることもできる。
【００７４】
以上のようなセンサの取付位置は、好ましくは、前記触媒の二次側とするが、これに限定されるものではなく、前記触媒の一次側や、前記触媒の下流側に排熱回収器を設けた場合は、この下流側とすることができる。
【００７５】
前記空気比調整手段は、前記バーナへ燃焼空気を送風する送風機と、この送風機を駆動するモータと、このモータの回転数を制御するインバータと、このインバータを制御する制御手段とを含む。この発明においては、前記インバータを制御することで前記バーナの燃料量に対する燃焼空気量の割合を変えることで、前記バーナの空気比を調整する。
【００７６】
前記制御手段は、予め記憶した空気比制御プログラムに基づき、前記バーナの空気比を制御する。この空気比制御プログラムは、前記実施の形態１〜６においては、前記センサからの信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能とするものである。そして、前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量の変更時および変更前に行われ、前記定常時制御が燃焼空気変更後に行われる。この実施の形態１〜６における前記変更時時御は、好ましくは、フィードバック制御を行うが、フィードバック制御を行わないように構成することもできる。
【００７７】
前記実施の形態１〜６における前記定常時空気比は、好ましくは、省エネルギーの観点
から１．１〜１．０とし、さらに好ましくは、１．０とする。また、前記変更時空気比は、好ましくは、１．２７（排ガスＯ2：４．５％）以上とするが、これに限定されるものではない。
【００７８】
また、前記空気比調整手段によるフィードバック制御は、好ましくは、周知のＰＩＤ制御とするが、これに限定されるものではない。また、前記モータへ周波数出力の供給は、つぎのふたつの態様をとることができる。第一の態様は、前記センサからの酸素濃度信号を直接前記インバータへ入力して、前記インバータ内で操作量を演算して、周波数出力に変換し、前記モータへ供給するものである。第二の態様は、前記センサからの酸素濃度信号を前記制御器へ入力して、前記制御器内で操作量を演算して、周波数指令信号に変換し、前記インバータへ周波数指令信号を出力し、前記インバータから前記モータへ周波数出力を供給するものである。
【実施例１】
【００７９】
ついで、この発明の燃焼装置を蒸気ボイラに適用した実施例を図面に従い説明する。図１は、本実施例１の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２の酸化触媒を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図であり、図４は、本実施例１の空気比−ＮＯx・ＣＯ特性を説明する図であり、図５は、本実施例１のバーナおよび吸熱手段特性および触媒の特性を説明する模式図であり、図６は、本実施例１のセンサの出力特性を説明する図であり、図７は、本実施例１の空気比制御を説明するタイムチャート図であり、図８は、本実施例１のＮＯxおよびＣＯ低減特性を説明する図であり、図９は、この発明によるＮＯx・ＣＯ一次特性および二次特性を説明する図である。
【００８０】
まず、本実施例１の蒸気ボイラについて説明する。この蒸気ボイラは、バーナ１と、このバーナ１から生成されるガスの吸熱を行う吸熱手段としての伝熱管（水管）群２を含む缶体３と、前記伝熱管群２通過後の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素をそれぞれ所定濃度比で含むガスが接触して通過し、一酸化炭素を酸化させるとともに窒素酸化物を還元させる酸化触媒（以下、単に「触媒」と称する。）４と、前記バーナ１へガス燃料を供給する燃料供給手段５と、前記バーナ１へ燃焼空気を供給するとともに燃焼空気および燃料を予混合する燃焼空気供給手段６と、前記触媒４の下流において酸素濃度を検出するセンサ（第一センサ）７と、このセンサ７などの信号を入力して前記燃料供給手段５および前記燃焼空気供給手段６などを制御するボイラ制御器としての制御器８とを主要部として備えている。
【００８１】
前記バーナ１は、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バーナである。このバーナ１は、特許文献１に記載のバーナと同様の構成である。
【００８２】
前記缶体３は、上部管寄せ９および下部管寄せ１０を備え、この両管寄せ間に前記水管群２を構成する複数の内側水管１１，１１，…配置している。そして、図２に示すように、前記缶体３の長手方向の両側部に外側水管１２，１２，…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９および前記下管寄せ１０との間に前記バーナ１からのガスがほぼ直線的に流通する第一ガス通路１５を形成している。前記第一ガス通路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には排ガスが流通する第二ガス通路（煙道）１７が接続されている。この実施例１においては、前記バーナ１および前記缶体３は、公知のものを用いている。
【００８３】
前記第二ガス通路１７は水平部１８と垂直部１９とを含み、前記水平部１８には、前記触媒４が装着されている。前記垂直部１９には、前記触媒４の下流側に位置するように排
熱回収器としての給水予熱器２０が装着され、前記触媒４および前記給水予熱器２０の間に前記センサ７が配置されている。
【００８４】
前記バーナ１，前水管群２を含む前記バーナ１から前記触媒４に至る構成要素（特にバーナ１と水管群２がその主要部）は、前記触媒４の一次側のガスにおける前記濃度比Ｋを前記所定濃度比Ｋ０，Ｋ１に調整する機能をなすものである。すなわち、後述する空気比調整手段２８により設定空気比に調整したとき、図４に示す空気比−ＮＯx・ＣＯ特性が得られるように構成されている。この空気比―ＮＯx・ＣＯ特性は、前記空気比調整手段２８を制御して、空気比を変化して燃焼させた時に得られる前記触媒４の一次側の空気比―ＮＯx・ＣＯ特性（以下、一次特性という。）である。そして、前記触媒４は、前記一次特性を有する前記ガスを前記触媒４に接触させることにより得られる前記触媒４の二次側空気比―ＮＯx・ＣＯ特性（以下、二次特性という。）を有している。前記一次特性は、前記バーナ１から前記触媒４に至る構成要素による特性であり、前記二次特性は、前記触媒４による濃度比特性である。前記一次特性は、前記設定空気比を１．０に調整したとき、前記触媒４の二次側のＮＯx濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする。このとき、前記触媒４の一次側のガスにおける基準所定濃度比Ｋ０は、特異基準所定濃度比（以下、特異基準濃度比という。）Ｋ０Ｘとなる（図５参照）。
【００８５】
図４は、図１５の低空気比領域Ｚ２を引き延ばした模式図である。この図４において、第一ライン（特性線）Ｅは、前記触媒４一次側のＣＯ濃度を示し、第二ラインＦは、同じく一次側のＮＯx濃度を示している。また、第三ラインＪは、前記触媒４二次側のＣＯ濃度を示し、空気比１．０以上でＣＯ濃度が実質的に零となり、空気比が１．０より小さくなるに従い、濃度が急激に増加する特性を有している。また、第四ラインＵは、前記触媒４二次側のＮＯx濃度を示し、空気比１．０以下の所定の領域でＮＯx濃度が実質的に零となり、空気比が１．０を越えるに従い、実質的に零から濃度が増加し、やがて前記触媒４の一次側の濃度と等しくなる特性を有している。この前記触媒４の二次側ＮＯx濃度が、一次側の濃度と等しくなる空気比以下の領域をＮＯx・ＣＯ低減領域と称する。このＮＯx・ＣＯ低減領域の下限は、前記触媒４の二次側のＣＯ濃度が３００ppm（日本のＣＯ排出基準）となる空気比とすることができる。この空気比−ＮＯx・ＣＯ特性は、これまで研究されてこなかった低空気比領域の新規な特性である。
【００８６】
前記触媒４は、前記水管群２を通過後の炭化水素を含まない前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸化する（第一反応）とともに窒素酸化物を還元する（第二反応）機能を有し、本実施例１では、触媒活性物質を白金とした触媒を用いている。前記「発明を実施するための最良の実施の形態」の欄で説明したように、実験結果に基づいて理論的に考察すると、前記式（３）の濃度比式を満たす前記ガスと前記触媒４の触媒活性物質との接触により、主に一酸化炭素を酸化させる第一反応と窒素酸化物を一酸化炭素により還元させる第二反応とが生じると考えられる。前記第一反応は、酸素濃度により反応が進行するか、しないかが決定され、この触媒４においては、前記第一反応が前記第二反応に対して優位であると考えられる。
【００８７】
前記触媒４をより具体的に説明すると、この触媒は、図３に示すような構造のもので、たとえば，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２１および波板２２のそれぞれの表面に多数の微小凹凸を形成し、その表面に触媒活性材料（図示省略）を担持する。ついで、所定幅の前記平板２１および波板２２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する。このロール状のものを側板２３にて包囲し固定して形成している。前記触媒活性材料としては、白金を用いている。なお、図３においては、前記平板２１および前記波板２２の一部のみを示している。
【００８８】
この触媒４は、低温域で酸化活性を有し、前記第二ガス通路１７の途中の前記水平部１
８であって、排ガス温度が約１００〜３５０℃程度の位置に配置されている。そして、この触媒４は、性能が劣化した場合に交換可能なように、前記第二ガス通路１７に対して着脱自在に装着されている。
【００８９】
前記燃料供給手段５は、ガス燃料供給管２４と、このガス燃料供給管２４に設けた燃料流量を調整する燃料調整弁２５とを含んで構成されている。前記燃料調整弁２５は、燃料供給量を高燃焼用流量と低燃焼用流量とに流量を段階的に制御する機能を有する。この燃料調整弁２５は、単一の弁で構成しても、また互いに並列接続される複数の弁にて構成することができる。この実施例１では、後者の低燃弁と高燃弁（いずれも図示省略）とを並列接続したものとしている。
【００９０】
前記燃焼空気供給手段６は、送風機２６と、この送風機２６から前記バーナ１へ燃焼空気を供給する給気通路２７と、この給気通路２７を流れる燃焼空気量を調整することで前記バーナ１の空気比を調整する空気比調整手段２８を含んで構成されている。前記給気通路２７内へは、前記ガス燃料供給管２４が燃料ガスを噴出するように接続されている。
【００９１】
前記空気比調整手段２８は、前記バーナ１へ燃焼空気を送風する前記送風機２６と、この送風機２６を駆動するモータ２９と、このモータ２９の回転数を制御するインバータ３０と、このインバータ３０を制御する前記制御器８とを含んで構成されている。また、この空気比調整手段２８は、燃焼空気量を補助的に制御するためのダンパ３１を備えている。
【００９２】
前記制御器８は、予め記憶した空気比制御プログラムに基づき、前記バーナ１の空気比を制御する。この空気比制御プログラムは、図７に示すような制御を行う。すなわち、前記センサ７から信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時空気比とするように前記インバータ３０を制御することで前記濃度比Ｋを基準所定濃度比Ｋ０とする定常時制御と、前記フィードバック制御を行わず、前記定常時空気比より高い変更時空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能とするものである。本実施例１の前記定常時空気比は、１．０とし、前記変更時空気比は、好ましくは、１．２７（排ガスＯ2：４．５％）としている。
【００９３】
この実施例１における変更時制御から定常時制御への切り換えは、燃焼開始時と、燃焼量の変更時に行われるように構成している。燃焼開始時は、前記変更時制御が着火動作であるメイントライから最初の低燃焼時の所定時間Ｔ１経過までを含んで行われ、前記定常時制御が前記所定時間Ｔ１後に行われるように構成する。勿論、前記メイントライの前の着火トライにおいても空気比のフィードバック制御は行わず、前記変更時制御を行う。また、着火トライの前の着火準備ステージにおいては、燃焼が行われていないので、空気比のフィードバック制御は、不要である。前記所定時間は、最初の低燃焼開始からの時間とすることができる。
【００９４】
また、燃焼量変更時は、前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量の変更時に行われ、前記定常時制御が燃焼空気量の変更後に行われる。変更後の前記定常時制御への移行は、変更が終了して所定時間後としている。
【００９５】
また、定常時制御は、前記触媒４の一次側の前記ガスの濃度比Ｋが次式（３）を満たす制御である。
（［ＮＯｘ］＋２［Ｏ2］）／［ＣＯ］≦２．０ …（３）
（式（３）において、［ＣＯ］、［ＮＯｘ］および［Ｏ2］はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、［Ｏ2］＞０の条件を満たす。）
この定常時制御を図４および図７に基づき以下に説明する。
【００９６】
図４の空気比―ＮＯx・ＣＯ特性は、前記バーナ１および前記水管群２を含む構成要素の前記一次特性と前記二次特性とに基づいて表現したものであるが、図５は、これを前記触媒４一次側の酸素濃度に対する前記構成要素の前記一次特性と前記触媒４の特性とに基づいて表現したものである。
【００９７】
前記触媒４の特性は、図５に示すように、前記触媒４一次側の前記基準所定濃度比Ｋ０に関する第五ラインＬ（二次側［ＮＯx］＝０，二次側［ＣＯ］＝０ライン）にてその特徴を表している。この第五ラインＬは、そのライン上に前記触媒４一次側の前記濃度比Ｋが位置する（載る）と、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする，すなわち前記基準所定濃度比Ｋ０を満たすラインである。この第五ラインＬは、前記式（３）の前記所定濃度比が１の場合に対応している。すなわち、この第五ラインＬは、次式（３Ａ）を表したラインである。
［ＮＯｘ］＋２［Ｏ2］＝［ＣＯ］ …（３Ａ）
【００９８】
ここで、［ＮＯｘ］は、図８に示すように［ＣＯ］の１／３０〜１／５０程度であるので、図５においては、酸素濃度に対するＮＯx濃度特性を省略するとともに、式（３Ａ）における［ＮＯｘ］を無視している。この第五ラインＬにおいて、一次側酸素濃度をＸ１とした場合、一次側一酸化炭素濃度Ｙ１は、Ｙ１＝２Ｘ１＋［ＮＯx］となる。なお、前記所定濃度比の値が１．０を越える２．０までの範囲で、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする前記基準所定濃度比Ｋ０とすることができることが確認されているので、前記第五ラインＬは、図示のラインＬに限定されず、前記式（３）を満たすラインとすることができる。
【００９９】
そして、前記バーナ１および前記水管群２の前記一次特性曲線を表す第六ラインＭと、前記第五ラインＬとの交点における酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の基準所定濃度比Ｋ０が前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘである。前記触媒４は、その一次側の前記濃度比Ｋを前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘとした場合、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有している。この前記基準濃度比Ｋ０Ｘとする調整が、前記調整０に相当する。
【０１００】
そして、前記触媒４は、前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに対応する基準酸素濃度ＳＫよりも一次側酸素濃度を高くすると前記触媒４二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒４の二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度を還元反応により一次側の窒素酸化物濃度よりも低減する特性を有している。この前記触媒４二次側において酸素が検出されるとともに、一次側の窒素酸化物濃度よりも低減する特性の領域を二次側ＮＯx漏れ領域Ｒ１と称する。この二次側ＮＯx漏れ領域Ｒ１では、前記バーナ１の空気比は、１．０を
越える。
【０１０１】
また、前記基準酸素濃度ＳＫよりも一次側酸素濃度を低くすると前記触媒４の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度ＳＫの差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに、所定の範囲で前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする特性を有している。この前記触媒４二次側において一酸化炭素が検出されるとともに、窒素酸化物濃度を実質的に零とする特性の領域を二次側ＣＯ漏れ領域Ｒ２と称する。この二次側ＣＯ漏れ領域Ｒ２は、前記調整１を実現する領域であり、前記バーナ１の空気比が１．０未満である。前記バーナ１の空気比は、１．０未満に設定される場合でも、前記触媒４の一次側で、炭化水素を含まず、酸素を含む範囲で設定される。
【０１０２】
こうした図５に示す触媒４の特性は、図４に示す空気比―ＮＯx・ＣＯ特性に符合する
ものである。この図４，５から明らかなように、前記触媒４の二次側の酸素濃度および／または一酸化炭素濃度を検出し、この酸素濃度および／または一酸化炭素濃度が零となるように前記空気比調整手段２８を制御すると、前記触媒４の一次側における前記濃度比Ｋが前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに制御され、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零に制御できる。こうして、前記定常時制御が実現される。
【０１０３】
前記センサ７として、排出酸素濃度の分解能が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を用いている。このセンサ７の出力特性は、図６に示すように、出力Ｅが正側で酸素濃度に関係する出力となり、負側で一酸化炭素濃度等に関係する出力となる。すなわち、測定される酸素濃度（酸素過剰領域）および一酸化炭素濃度等（燃料過剰領域）から空気比ｍを算出し、この空気比ｍに対応した電流または電圧の出力を得ている。図６において、Ｑ１は、酸素濃度検出帯を示し、Ｑ２は、一酸化炭素濃度検出帯を示している。
【０１０４】
そして、前記空気比制御プログラムは、前記定常時制御においては、前記センサ７の出力信号に基づき、前記バーナ１の空気比ｍが前記定常時空気比（基準設定空気比）ｍ０になるように、前記インバータ３０をフィードバック制御するものである。また、前記変更時制御においては、前記空気比ｍが前記変更時空気比となるように制御するように構成されている。
【０１０５】
つぎに、以上の構成の前記蒸気ボイラの動作を説明する。まず、蒸気ボイラの概略的動作について、前記送風機２６から供給される燃焼空気（外気）は、前記ガス燃料供給管２４から供給される燃料ガスと前記給気通路２７内において予混合される。この予混合気は前記バーナ１から前記缶体３内の前記第一ガス通路１５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。この燃焼は、低空気比にて行われる。
【０１０６】
この燃焼に伴い生ずるガスは、上流側の水管群２と交叉して冷却された後、下流側の水管群２と熱交換して吸熱されて約１００〜３５０℃のガスとなる。このガスは、炭化水素を含まず、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含み、前記触媒４にて、処理され、窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度がほぼ零とされた後、排ガスとして前記第二ガス通路１７から大気中へ排出される。
【０１０７】
つぎに、前記空気比調整手段２８による空気比制御を図７に基づき説明する。図７は、後記「メイントライ」制御段階（以下、ステージという。）より後のステージを図示している。本実施例１のボイラは、高燃焼と低燃焼とを切り替えて運転する。そのために、前記ダンパ２９は、高燃焼風量位置と低燃焼風量位置のいずれかを選択して開度の大きいＨ、開度の小さいＬとに切り換えられる。
【０１０８】
まず、「プレパージ」ステージでは、前記モータ２９がＯＮ，前記インバータ３０からの出力周波数が前記変更時空気比対応の周波数とされ、フィードバック制御がＯＦＦされ、前記ダンパがＨとされ、周知のプレパージが行われる。
【０１０９】
ついで、「プレイグニッション」ステージでは、前記ダンパ３１をＬとして、点火トランス（図示省略）が駆動される。その後、パイロット弁（図示省略）をＯＮし、前記パイロット弁に点火する。着火が完了すると、点火トランスの作動を停止し、「パイロットオンリ」ステージへ移行する。その後、前記バーナ１の燃焼要求があると、前記低燃弁を開き、「メイントライ」（前記バーナ１の着火動作）ステージを行う。
【０１１０】
図７を参照して、前記「メイントライ」開始からこの「メイントライ｝終了後の「低燃
焼」ステージの所定時間Ｔ１（Ｔ１は前記触媒４の温度が約１５０℃以上となるまでの間とすることができる）は、前記変更時制御が行われる。このように「メイントライ」と最初の低燃焼時の初期との間は、前記バーナ１の燃焼が不安定となりがちであるので、前記バーナ１の空気比を変更時空気比とするとともに、フィードバック制御を行わないので、安定した着火動作と安定した低燃焼の立上りを実現することができる。前記所定時間Ｔ１のカウント開始を「低燃焼」ステージの開始とすることができる。
【０１１１】
前記Ｔ１が経過すると、前記制御器８は、前記定常時制御へ切り換える。この定常時制御は、前記センサ７からの信号を受けてのフィードバック制御により行われる。すなわち、前記制御器８は、前記定常時空気比ｍ０を保持するように前記インバータ３０へ信号を出力する。その出力信号は、前記センサ７の信号が図６のように変化するので、この信号を受けて、前記制御器８は、空気比ｍが、ｍ０に集束するように、フィードバック制御により、前記インバータ３０へ信号を出力する。このフィードバック制御による前記定常時制御により、外気温の変動などによる空気比の変動を最小限に抑えることができる。その結果、一酸化炭素の発生により、前記触媒４の処理能力を超えることが抑制され、一酸化炭素や窒素酸化物がボイラ外へ漏れることが抑制され、安定した有害物質低減効果が保証される。特に、この実施例１では、空気比１を１．０に設定しているので、僅かの空気比の変動でも多量の一酸化炭素の生成を生ずる虞があるので、この定常時制御は、効果が大きい。
【０１１２】
つぎに、高燃焼の要求を受けると、「高燃焼」ステージの制御を行う。前記制御器８は、まず、前記フィードバック制御をＯＦＦとして、前記インバータ３０の出力周波数が前記定常時空気比ｍ０から変更時制御の空気比へ変更するように指令を発する。その結果、前記インバータ３０からは、前記トリップが生じないように、図７に示すように徐々に上昇する周波数が出力される。変更時空気比に対応する周波数となり、前記「高燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ２が経過すると、まず、前記高燃弁を開き、所定時間遅れ，すなわち「高燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ３が経過すると、前記ダンパ２９をＨとする。そして、「高燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ４、前記変動時制御による高燃保持を行った後に、前記定常時制御へ切り換える。
【０１１３】
再び、低燃焼の要求を受けると、前記制御器８は、「低燃焼」ステージの制御を行う。前記フィードバック制御をＯＦＦとして、前記インバータ３０の出力周波数が前記定常時空気比ｍ０から変更時制御の空気比へ変更するように指令を発する。その結果、前記インバータ３０からは、図７に示すように徐々に上昇する周波数が出力される。変更時空気比に対応する周波数となり、前記「低燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ６が経過すると、まず、前記ダンパ２９をＨとし、所定時間遅れ，すなわち「低燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ５が経過するとで、前記高燃弁を閉じる。そして、「低燃焼」ステージ開始から所定時間Ｔ７、前記変動時制御による低燃保持を行った後に、前記フィードバック制御をＯＮとする前記定常時制御へ切り換える。
【０１１４】
以上のインバータ３０による空気比の制御において、一般的にはインバータ制御は、ダンパと比較して応答性が悪いと考えられている。その理由は、スリップが生ずるような操作量が大きい場合、出力周波数の増減勾配を小さくするためである。しかしながら、本願発明のように、空気比１．０近傍で操作量が少ない制御においては、増減勾配を小さくする必要がないので、ダンパと比較して応答性に差はない。
【０１１５】
ここで、前記定常時制御による有害物質低減効果について説明する。
（実験例１）
単位時間当たり蒸発量を８００kgの缶体３（出願人が製造の型式：ＳＱ−８００と称される缶体）で、燃焼量４５．２m3N/hの予混合バーナ１で燃焼させ、触媒活性物質として
Ｐｔを２．０ｇ／Ｌの割合で担持した体積１０Ｌ、内径３６０ｍｍの触媒とした場合の実験結果について説明する。前記基準設定空気比ｍ０を１とした場合、前記触媒１の一次側（前記触媒４通過前）の一酸化炭素濃度，窒素酸化物濃度，酸素濃度がそれぞれ１０分間の平均値で２２９５ppm，９４ppm，１６５５ppmに調整され、前記触媒１の二次側（前記触媒１通過後）のそれぞれの濃度が１０分間の平均値で１３ppm，０．３ppm，１００ppm未満となった。ここで、前記触媒１の二次側の酸素濃度１００ppmは、酸素濃度の測定限界である。また、前記触媒４の前後でのガスの温度は、それぞれ、３０２℃，３２７℃であった。本実験例１および以下の実験例２，３においては、前記触媒４を前記給水予熱器２０のやや上流に配置し、その前後に測定装置を配置し、前記触媒４の通過後の各濃度およびガスの温度は、株式会社堀場製作所製ＰＧ−２５０を用い、通過前の各濃度は、株式会社堀場製作所製ＣＯＰＡ−２０００を用いて計測した。勿論、前記触媒４を図１に示す位置に配置しても測定濃度値は殆ど変わらないと考えられる。
（実験例２）
【０１１６】
実験例１と同じバーナ１および缶体３を用い、燃焼量を実験例１と同じとし、触媒活性物質としてＰｄを２．０ｇ／Ｌの割合で担持した体積１０Ｌ、内径３６０ｍｍの触媒とした場合の一酸化炭素濃度，窒素酸化物濃度，酸素濃度の各濃度比Ｋにおける値を図１０に示す。ここで、触媒通過後の酸素濃度を実験例１と同様の酸素濃度センサを用いて測定したので、実際は１００ppm以下の値であっても１００ppmで示した。前記触媒４の前後でのガスの温度は、それぞれ、約３２３℃〜３２５℃，約３４４℃〜３４６℃であった。
【０１１７】
以上のように、この実施例１の空気比制御によれば、燃焼量変更時は、前記変更時制御により不安定な燃焼による不具合を回避できるとともに、定常燃焼時は、前記定常時制御により、前記バーナ１の空気比を１．０に近い低空気比とし、かつ前記触媒４の一次側のガスの濃度比変化幅が少なく制御され、前記式（３）を安定的に満たすことができる。その結果、前記触媒４の二次側の窒素酸化物濃度をほぼ零にするとともに、一酸化炭素濃度をほぼ零低減することができる。なお、設定空気比ｍ０を１．０未満とすると、二次側の窒素酸化物濃度をほぼ零にするとともに、一酸化炭素濃度を実用範囲の所定値以下に低減することができる。
【０１１８】
また、この実施例１の燃焼開始時の制御（変更時制御から定常時制御への移行制御）によりつぎの効果を奏する。前記定常時制御による低ＮＯx燃焼は、前記触媒４二次側の酸素濃度を前記センサ７によって監視し、燃焼用空気量を前記センサ７の検出値が実質的に零となるようにフィードバック制御を行うものである。この制御は、前記センサ７の出力およびフィードバックパラメータ(ＰＩＤのパラメータ)によって支配される。前記フィードバックパラメータは、あらかじめ決められた固定値を用いるため、前記センサ７出力の独占支配となる。前記バーナ１の着火直後の排ガス中の酸素濃度は、定常的な燃焼時のように全体にわたって均一ではなく、濃度むらが存在する。またセンサ自身がもつ応答遅れも考えられる。この不安定な酸素濃度状態の時にフィードバック制御をかけた場合、条件によっては過剰な燃焼用空気量の減量を行い、酸素濃度零の目標値を大きく下回りアンダーシュートを起し、一酸化炭素の発生、失火、爆発等の不具合が発生する可能性がある。この実施例１の燃焼開始時制御により、これらの不具合を解消できる。
【０１１９】
また、前記実施例１によれば、前記空気比調整手段２８により、空気比を１．０に制御することで、前記触媒４の一次側の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を前記特異基準濃度比Ｋ０Ｘに制御（前記調整０）することができ、排出ＮＯx濃度および排出ＣＯ濃度を実質的に零に低減できる。したがって、水／蒸気添加による低ＮＯx化技術や、脱硝剤の投入による低ＮＯx化技術と比較して、空気比調整手段と触媒を用いた簡易な構成にて低ＮＯxおよび低ＣＯを実現できる。
【０１２０】
また、空気比を実質的に１．０としているので、省エネ運転を行える。ちなみに、通常のボイラにおける酸素濃度４％（空気比約１．２３５）の運転と、酸素濃度０％（空気比約１．０）の運転とを比較すると、ボイラ効率約１〜２％アップを達成することができる。地球温暖化対策が叫ばれている昨今において、このボイラ効率アップ達成は、産業的価値が多大である。
【０１２１】
さらに、前記触媒４の二次側に前記センサ７を設けて、空気比を制御しているので、前記触媒４の一次側にセンサを設けて制御するものと比較して制御を安定化することができる。また、酸素濃度１００ppm以下の分解能で空気比を制御しているので、ＣＯ量が多く、かつ空気比−ＣＯ特性においてＣＯ増加率の高い領域での空気比制御を応答性よく、安定的に行うことができる。
【実施例２】
【０１２２】
この発明の他の実施例２を図９に従い説明する。この実施例２は、酸素濃度を検出するセンサ７を前記触媒４の二次側でなく、一次側に設けたものである。このセンサ７は酸素濃度のみを検出するセンサとしているだけで、その他は、前記実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【０１２３】
この実施例２では、基準設定空気比ｍ０を１（前記触媒４の二次側の酸素濃度を零）とするように、前記センサ７により、前記触媒４の一次側の酸素濃度を検出して間接的に空気比を制御するものである。種々の実験結果に基づき、前記触媒４の一次側の酸素濃度Ｏ2を０％＜Ｏ2≦１．００％の値に制御すると、前記式（３）を満たして、前記触媒４の二次側の酸素濃度をほぼ零にする，すなわち空気比をほぼ１．０にすることが可能であることが分かっている。
【実施例３】
【０１２４】
この実施例３は、前記設定空気比を、図１０に示すように、前記二次特性におけるＮＯx濃度が実質的に零を越え、前記一次特性におけるＮＯx濃度より低くなる値に設定した例である。この値は、前記設定空気比が、実質的に１．０を越える前記二次特性の二次側ＮＯx漏れ領域Ｒ１の空気比である。この実施例３における濃度比Ｋの調整は、前記調整２である。
【０１２５】
この実施例３における制御範囲の中心（目標空気比）、たとえば空気比１．００５（Ｏ2濃度：約１０００ppm）とした場合である。これを図７にて説明すると、前記触媒４一次側の酸素濃度が前記基準酸素濃度ＳＫよりも高い前記二次側ＮＯx漏れ領域（前記調整２を実現する領域）Ｒ１にて空気比制御を行うことになる。
【実施例４】
【０１２６】
つぎに、この発明の実施例４を図１１に基づき説明する。この実施例４は、前記定常時制御と前記変更時制御とを選択する第一制御パターンと前記変更時制御のみの第二制御パターンを手動のスイッチ３２により選択可能とした点でのみ、前記実施例１と異なるので、共通部分はその説明を省略する。この実施例３においては、前記スイッチ３２を第一制御パターンとすることで、前記実施例１と同じ動作をさせることができ、前記第二制御パターンとすることで前記触媒４を備えない従来のボイラの制御に適用できる。また、この実施例３のスイッチ３２を前記触媒４による有害物質低減作用が不調のとき、前記第一制御パターンから前記第二制御パターンへ自動的に切り換えるスイッチとすることも可能である。
【実施例５】
【０１２７】
つぎに、この発明の実施例５を図１２に基づき説明する。この実施例５は、前記実施例
１の構成に加えて、前記空気比調整手段２８は、最初の変更時空気比から定常時空気比への変更かどうかを判定し、最初と判定されるとき、フィードバック制御により前記インバータを制御して変更時空気比から定常時空気比への変更を行い、変更が終了すると定常時空気比に対応する周波数を記憶するとともに、最初と判定されないとき、フィードバック制御を行うことなく、前記記憶周波数またはこの周波数に所定の係数を乗じた周波数にて前記インバータを制御して定常時空気比への変更を行うことを特徴とする。これは、前記設定空気比を変更時空気比から定常時空気比へ変更する時、特に低燃焼時において前記変更時空気比に対応する周波数（通常周波数）から前記定常時空気比に対応する低ＮＯx周波数へ落とす時には、急速に減速するとアンダーシュートを生じ、低燃焼時の定常時空気比を下回り、燃焼が不安定となったり、一酸化炭素の排出量が増大する虞もある。これを防止することを目的とする。
【０１２８】
この実施例５の前記空気比調整手段２８による制御は、図１２に示されるような制御手順にて実行される。低燃焼時において、変更時空気比から定常時空気比へ制御する場合につき説明する。図７において、前記のように「メイントライ」から最初の低燃焼ステージの初期Ｔ１は、変更時空気比にて燃焼が行われていて、所定時間Ｔ１が経過すると、変更時空気比から定常時空気比の制御が行われる。このとき、処理ステップＳ１（以下、処理ステップＳＮは、単にＳＮという。）において、最初の変更時空気比から定常時空気比への変更かどうかが判定される。今の場合、ＹＥＳであるので、Ｓ２へ移行して、ＰＩＤ制御をＯＮとして、前記インバータ３０を空気比が定常時空気比となるように制御信号を出力する。すなわち、フィードバック制御により前記インバータ３０の周波数を徐々に変更し、定常時空気比となるように制御する。そして、Ｓ３において、定常時空気比となったことを前記センサ７により検出すると、この定常時空気比に対応する周波数を前回周波数として記憶するとともに、ＰＩＤ制御をＯＮとして、定常時空気比を保持するように前記インバータを３０を制御する定常時制御を行う。
【０１２９】
図７を参照して、高燃焼ステージから低燃焼ステージへの移行時、２回目の変更時空気比から定常時空気比への変更が行われる。この時には、Ｓ１にてＮＯが判定され、処理はＳ５へ移行して、ＰＩＤ制御をＯＦＦ，すなわちフィードバック制御をかけることなく、前記インバータ３０の周波数を記憶した前回周波数まで一気に下げる。このとき、好ましくは、前記センサ７の応答遅れを考慮して、しばらくはフィードバック制御を行わず、所定時間経過後にフィードバック制御を行うように構成する。こうした、制御を行うことにより、１回目を除き、２回目以降は短時間で定常時制御に移行することができる。その結果、アンダーシュートによる不具合を解消できるとともに、ＮＯx排出量を低減できる。なお、詳しい説明を省略するが、高燃焼時において通常周波数から低ＮＯx周波数へ移行する時も低燃焼時と同様に最初の移行時の定常時空気比に対応する周波数を前回周波数として記憶して、２回目の移行時からは記憶した前回周波数に基づき、前記インバータ３０を制御するように構成することができる。
【実施例６】
【０１３０】
さらに、この発明の実施例６を図１３および図１４に基づき説明する。前記実施例１が変更時制御を着火後の最初の低燃焼時の所定時間経過までという条件において行うのに対して、この実施例６は、変更時制御を着火後の最初の低燃焼時の所定時間Ｔ１経過までという第一条件と前記酸化触媒の温度を設定値以上という第二条件とのＡＮＤ条件で行う点を特徴としている。この実施例６において、前記実施例１とハード的に異なるのは、図１３に示すように前記触媒４の温度を検出するセンサ（第二センサ）３３を設けている点と、ソフト的に異なるのは、前記制御器８が図１４に示す制御手順を含んでいる点であり、その他は前記実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１３１】
以下に、この実施例６の動作を図１４に基づき説明する。図１４を参照して、燃焼開始
から前記設定時間Ｔ１が経過するまでは、Ｓ２１，Ｓ２２の処理が行われるが、これは前記実施例１と同様に行われる。この実施例６では、Ｓ２２にてＹＥＳが判定されると、Ｓ２３へ移行して、前記第二センサ３３による検出値が設定値ｔ０以上かどうかを判定し、ＮＯが判定されるとＳ２１へ戻り、ＰＩＤ制御をＯＦＦとしたフィードバック制御を行わない変更時制御が行われ、ＹＥＳが判定されるとＳ２４へ移行して、ＰＩＤ制御をＯＮとしてフィードバック制御を行う定常時制御が行われる。
【０１３２】
この実施例６によれば、つぎの二つの不具合を解消できる。第一の不具合は、前記バーナ１を十分燃焼させた後、燃焼待機し、その後すぐに着火要求があったとき(このとき、前記触媒４の温度は設定値以上という第二条件を満たし、前記所定時間Ｔ１の経過という第一条件を満たしていない。)、フィードバック制御をかけることになる。この時は、排ガスが十分安定していないので、前記センサ７が検出した酸素濃度を基に前記インバータ３０の周波数を急激に落とし始め、目標値から大きくアンダーシュートし、一酸化炭素の多量排出、失火などの不具合の発生が発生する。また、朝一の前記ボイラ立ち上げ時は、前記第一条件を満たしても前記第二条件を満たしていないことがり、そうすると、定常時制御に入ったとき、前記触媒４温度が低いため一酸化炭素が酸化されず大量排出される。この実施例６によれば、この二つの不具合を解消することができる。
【０１３３】
この発明は、前記実施例１〜６に限定されるものではない。たとえば、図４および図１０に示す空気比−ＮＯx・ＣＯ特性は、燃焼装置の前記バーナ１および前記缶体３の構造に応じて曲線および濃度値が異なるので、異なった特性を用いることができる。また、前記実施例１，２では、設定空気比を１．０以上としているが、燃焼性を損なわず、炭化水素を生成しない範囲で、空気比１．０より低い値とすることができる。
【０１３４】
また、前記実施例２において、前記センサ７をＯ2濃度センサとしているが、ＣＯ濃度センサとすることができる。また、前記インバータ３０を単一の制御器（ボイラ制御用の制御器）８にて制御しているが、この制御器８と別に前記インバータ３０用の別の制御器（図示省略）を設け、この制御器８と前記センサ７，前記制御器８を接続して、空気比制御を行うように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本実施例１の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】図２の酸化触媒を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図である。
【図４】本実施例１の空気比−ＮＯx・ＣＯ特性を示す図である。
【図５】本実施例１のバーナおよび吸熱手段の特性および触媒の特性を説明する模式図である。
【図６】本実施例１のセンサの出力特性を説明する図である。
【図７】本実施例１の空気比制御による燃焼制御を説明する図である。
【図８】本実施例１のＮＯxおよびＣＯ低減特性を説明する図である。
【図９】本実施例２の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図１０】本実施例３のＮＯxおよびＣＯ低減特性を説明する図である。
【図１１】本実施例４の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図１２】本実施例５の要部制御手順を説明するフローチャート図である。
【図１３】本実施例６の蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図１４】本実施例６の要部制御手順を説明するフローチャート図である。
【図１５】この発明によるＮＯx・ＣＯ一次特性および二次特性を説明する図である。
【０１３６】
１ バーナ
４ 触媒
７ 第一センサ
８ 制御器
２５ 燃料調整弁
２８ 空気比調整手段
２９ モータ
３０ インバータ
３３ 第二センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナと、
このバーナの燃焼量を変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、
前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、
前記送風機の回転数を可変とするインバータと、
前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、
前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、
前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により定常時設定空気比とするように前記インバータを制御する定常時制御と、前記定常時設定空気比より高い変更時設定空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、
このバーナの燃焼量を変更可能とした燃料供給手段と、
前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、
前記送風機の回転数を可変とするインバータと、
前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、
前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、
前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、
前記バーナは、前記空気比を定常時設定空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比が所定濃度比となる特性を有し、
前記酸化触媒は、前記濃度比を前記所定濃度比としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とするとする特性を有し、
前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時設定空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時設定空気比より高い変更時設定空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】
前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量変更時に行われ、前記定常時制御が燃焼空気量変更後に行われることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記変更時制御が着火後の最初の低燃焼の所定時間経過まで行われ、前記定常時制御が前記所定時間後に行われることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項５】
変更時制御が着火後の最初の低燃焼の所定時間経過までという第一条件と前記酸化触媒の温度を設定値以下という第二条件とのＡＮＤ条件で行われ、前記定常時制御が前記ＡＮＤ条件成立後に行われることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記空気比調整手段は、最初の変更時設定空気比から定常時設定空気比への変更かどうかを判定し、最初と判定されるとき、フィードバック制御により前記インバータを制御して変更時設定空気比から定常時設定空気比への変更を行い、変更が終了すると定常時設定空気比に対応する周波数を記憶するとともに、最初と判定されないとき、フィードバック制御を行うことなく、前記記憶周波数またはこの周波数に所定の係数を乗じた周波数にて前記インバータを制御して定常時設定空気比への変更を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記燃焼空気供給手段に前記燃焼量の変更に合わせて開閉するダンパを備え、前記ダンパの開閉後に前記定常時制御が行われることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃焼装置。
【請求項１】
バーナと、
このバーナの燃焼量を変更するように燃料供給量を変更可能とした燃料供給手段と、
前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、
前記送風機の回転数を可変とするインバータと、
前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、
前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、
前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により定常時設定空気比とするように前記インバータを制御する定常時制御と、前記定常時設定空気比より高い変更時設定空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
炭化水素含有の燃料を燃焼させて、酸素，窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、
このバーナの燃焼量を変更可能とした燃料供給手段と、
前記バーナへ燃焼空気を供給する送風機を含む燃焼空気供給手段と、
前記送風機の回転数を可変とするインバータと、
前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、
前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段と、
前記バーナの空気比を検出するセンサとを備え、
前記バーナは、前記空気比を定常時設定空気比としたとき、前記酸化触媒一次側のガス中の酸素，窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比が所定濃度比となる特性を有し、
前記酸化触媒は、前記濃度比を前記所定濃度比としたとき前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零または所定値以下とし、一酸化炭素濃度を実質的に零または所定値以下とするとする特性を有し、
前記空気比調整手段は、前記センサから信号に基づき、フィードバック制御により前記定常時設定空気比とするように前記インバータを制御することで前記濃度比を所定濃度比とする定常時制御と、前記定常時設定空気比より高い変更時設定空気比とするように前記インバータを制御する変更時制御とを選択可能としたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】
前記変更時制御が燃焼量変更に対応する燃焼空気量変更時に行われ、前記定常時制御が燃焼空気量変更後に行われることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記変更時制御が着火後の最初の低燃焼の所定時間経過まで行われ、前記定常時制御が前記所定時間後に行われることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項５】
変更時制御が着火後の最初の低燃焼の所定時間経過までという第一条件と前記酸化触媒の温度を設定値以下という第二条件とのＡＮＤ条件で行われ、前記定常時制御が前記ＡＮＤ条件成立後に行われることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記空気比調整手段は、最初の変更時設定空気比から定常時設定空気比への変更かどうかを判定し、最初と判定されるとき、フィードバック制御により前記インバータを制御して変更時設定空気比から定常時設定空気比への変更を行い、変更が終了すると定常時設定空気比に対応する周波数を記憶するとともに、最初と判定されないとき、フィードバック制御を行うことなく、前記記憶周波数またはこの周波数に所定の係数を乗じた周波数にて前記インバータを制御して定常時設定空気比への変更を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記燃焼空気供給手段に前記燃焼量の変更に合わせて開閉するダンパを備え、前記ダンパの開閉後に前記定常時制御が行われることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃焼装置。
【図４】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２５７０（Ｐ２００９−２５７０Ａ）
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６３４１２（Ｐ２００７−１６３４１２）
【出願日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【出願人】（５０４１４３５２２）株式会社三浦プロテック (488)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【出願人】（５０４１４３５２２）株式会社三浦プロテック (488)
【Ｆターム（参考）】
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