KR20090038875A - 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 첫째로, 질소 산화물의 배출량을 제한없이 0에 근접하게 저감할 수 있고, 일산화탄소 배출량을 허용 범위로 저감하는 것이다. 둘째로, 1.0에 가까운 저공기비의 연소에 의한 에너지 절약을 실현하는 것이다. 셋째로, 저공기비의 연소 영역에서, 공기비 제어를 안정적으로 수행하는 것이다.

탄화수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계, 상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계, 및 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비를, 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 되고, 일산화탄소 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 되는 소정 농도비로 조정하는 농도비 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

보일러, 예비혼합 버너, 수관군, 산화 촉매, 공기비 조정, 질소 산화물, 일산화탄소

Description

질소 산화물 함유 가스의 처리 방법 {METHOD OF TREATING GAS CONTAINING NITROGEN OXIDE}

본 발명은, 수관 보일러, 흡수식 냉동기의 재생기 등에 적용되는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, NOx 발생의 억제 원리로서, 화염(연소 가스) 온도의 억제, 고온연소 가스의 체류 시간의 단축 등이 알려져 있다. 그리고, 이러한 원리를 응용한 여러 가지의 저NOx화 기술이 있다. 예를 들면, 2단 연소법, 농담(濃淡) 연소법, 배기 가스 재순환 연소법, 수 첨가 연소법, 증기 분사 연소법, 수관군(水管群)에 의한 화염 냉각 연소법 등이 제안되어 실용화되어 있다.

그런데, 수관 보일러 등의 비교적 용량이 작은 NOx 발생원에 대해서도 환경에 대한 영향이 높아져서, 저NOx화가 더욱 요구되는 추세이다. 이러한 저NOx화에 있어서는, NOx의 생성을 감소시키면 CO의 배출량이 증가되므로, NOx와 CO를 동시에 삭감하는 것은 어렵다.

그 원인은, 저NOx화와 저CO화가 서로 상반된 기술적 과제인 점에 있다. 즉, 저NOx를 추진하기 위해서 연소 가스 온도를 급격하게 저하시켜, 900℃ 이하의 낮은 온도로 억제하면, CO가 다량으로 발생하는 동시에 발생된 C0가 산화되지 않은 채 배출되어, CO 배출량이 증대된다. 반대로, C0의 배출량을 적게 하기 위해서, 연소 가스 온도를 높은 쪽으로 억제하면, NOx의 생성량을 충분히 억제할 수 없게 된다.

이러한 과제를 해결하기 위해서, 출원인은, 저NOx화에 따라 발생되는 CO량을 될 수 있는 한 적게 하고, 또한 발생된 CO가 산화하도록 연소 가스 온도를 억제하는 저NOx 및 저CO 기술을 제안하고, 제품화하고 있다(특허 문헌 1, 2 참조). 그러나, 이 특허 문헌 1, 2에 기재된 저NOx화 기술은, 현실적으로는 생성 NOx 값이 25ppm 정도에 머물고 있었다.

이 과제의 해결방안으로서, 출원인은, NOx발생의 억제를 배출 CO값의 저감에 우선하도록 연소 가스 온도를 억제해서 생성 NOx 값을 소정값 이하로 하는 저NOx화 단계를 수행하고, 그 후에 상기 저NOx화 단계로부터의 배출 CO 값을 소정값 이하로 하는 저CO화 단계를 수행하는 저NOx 연소 방법을 제안하고 있다(특허 문헌 3, 4 참조). 이 특허 문헌 3, 4에 기재된 기술에 의하면, 10ppm을 하회하는 저NOx화가 가능해 지지만, 5ppm을 하회하는 저NOx화를 실현하는 것은 어렵다. 이것은, 연소의 특성으로 인해, 5ppm 이상의 NOx의 생성을 피할 수 없기 때문이다.

특허 문헌 3, 4에 기재된 저NOx화 기술은, 도 15에 나타낸 바와 같이, 공기비가 1.38 이상의, 소위 높은 공기비 연소 영역(Z1)에 속하는 것이다. 한편, 공기비 1.1 이하(이하, "저공기비"라고 함)의 연소 영역(Z2)에서는 질소 산화물의 발생량이 늘어나고, 저NOx와 저CO의 양립이 곤란한 점, 및 공기비가 1 이하로 되면 백 파이어(back fire)를 일으키는 등 안정 연소 제어가 곤란한 점 때문에, 저공기비 연소의 영역(Z2)은, 지금까지 거의 연구 개발의 대상으로 되어있지 않았다. 도 15 에 있어서, 라인 F, E는, 각각 본 발명의 연소 장치에 의한 1차측의 NOx 특성 및 CO 특성을 모식적으로 나타내고, 라인 U, J는, 각각 본 발명의 연소 장치에 의한 촉매 2차측의 NOx 특성 및 CO 특성을 모식적으로 나타내고 있다. 상기 특허 문헌 3, 4의 저NOx화 기술은, 모두 기본적으로는 높은 공기비 영역(Z1)에서 버너를 연소시킴으로써 NOx 생성을 억제하고, 산화 촉매(특허 문헌 3, 4)로 발생 CO를 제거하는 기술이다.

한편, 시대적 배경으로서, 보일러에 대하여 더욱 저NOx화가 요구되는 동시에, 에너지 절약이 되는 저공기비 운전이 요구되는 추세이다.

본 출원의 발명자들은, 산화 촉매를 이용해서 질소 산화물을 제한없이 0에 근접하게 저감할 수 있는 연소 방법의 연구 개발을 수행해왔다.

그런데, 버너의 연소에 의해 생기는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서는, 특허 문헌 5가 알려져 있다.

상기 특허 문헌 5의 배기 가스 처리 방법은, 버너를 공기비 1.0 미만으로 연소시킴으로써 연소 배기 가스 중에 산소를 포함하지 않고, CO, HC(탄화수소)의 미연소 성분을 포함시켜, 질소 산화 환원 촉매에 있어서, 미연소 성분에 의해 질소 산화물을 환원하여 질소 산화물을 정화하고, 그 정화 후의 배기 가스에 공기를 첨가해서 산화 촉매로 미연소 성분을 정화하는 것이다.

이 특허 문헌 5의 처리 방법은, 산소의 존재 하에서, 일산화탄소 및 질소 산화물을 저감하는 것이 아니다. 또, 이 특허 문헌 5에 의하면, 미연소의 탄화수소가 다량으로 배출되므로, 산화 촉매에 의해 배출 질소 산화 농도 및 배출 일산화탄 소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는 것은 곤란하다. 또, 탄화수소의 존재 하에서, 질소 산화물의 환원 효율이 저하되는 특성의 산화 촉매는 이용할 수 없다. 또, 질소 산화물의 환원 단계와 미연소 성분의 산화 단계를 별도의 촉매를 이용해서 수행하므로, 처리가 복잡해진다.

또, 가스 엔진으로부터의 질소 산화물 함유 가스의 정화 방법이 특허 문헌 6에서 알려져 있다. 이 특허 문헌 6은, 3원 촉매를 이용해서 질소 산화물 및 일산화탄소를 정화하는 것이지만, 가스 중에 탄화수소의 존재가 필수일 뿐 아니라 과잉 산소가 존재하지 않는 이론 공기비의 가스 밖에 적용할 수 없다. 따라서, 특허 문헌 6의 처리 방법은, 버너의 연소에 의해 생기는 과잉의 산소를 함유하는 보일러 등의 연소 장치의 연소 가스 처리에는 적용할 수 없다.

또한, 산화 촉매를 이용해서 소각로의 배기 가스 중의 질소 산화물을 일산화탄소에 의해 환원하는 기술이 특허 문헌 7에서 알려져 있다. 이 특허 문헌 7의 기술은, 배기 가스 중에 산소가 존재하면 질소 산화물의 환원이 진행되지 않으므로, 1차 연소에 있어서, 연료 과농(過濃)(공기비 1 미만) 연소시킴으로써, 배기 가스를 무산소 상태로 하는 것이다. 이 특허 문헌 7에서는, 연료 과농 연소라고 하는 제약을 받으므로, 버너를 이용한 보일러와 같은 배기 가스 중에 산소를 포함하는 연소 장치에는 적용이 곤란하다.

특허 문헌 1: 일본 특허 제3221582호 공보

특허 문헌 2: 미국 특허 제5353748호 명세서

특허 문헌 3: 일본 특개 2004-125378호 공보

특허 문헌 4: 미국 특허 제6792895호 명세서

특허 문헌 5: 일본 특개 2001-241619호 공보

특허 문헌 6: 일본 특개평 5-38421호 공보

특허 문헌 7: 일본 특개평 2003-275543호 공보

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 간편 용이한 방법에 의해, 산화 촉매를 사용하여 산소를 포함하는 가스 중에 포함되는 질소 산화물 및 일산화탄소의 배출량을 제한없이 0에 가까운 값까지 저감하거나, 또는 허용 범위로 저감하는 것이 가능한, 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법을 제공하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 출원의 발명자 등은, 상기 과제를 해결하기 위해 연구를 거듭한 결과, 특허 문헌 3, 4에 기재된 일산화탄소를 저감하기 위한 산화 촉매를 구비한 보일러에 있어서, 지금까지 거의 연구가 이루어지지 않았던, 제한없이 1에 가까운 저공기비에서의 버너의 연소 영역(도 15의 영역(Z2))에 있어서, 질소 산화물 및 일산화탄소의 배출량을 실질적으로 0이 되도록 하는 포인트를 발견했다. 그리고, 질소 산화물 및 일산화탄소의 배출량을 실질적으로 0이 되도록 할 수 있었던 원인을 추구한 결과, 산화 촉매 1차측의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비를 기준 소정 농도비로 함으로써, 산화 촉매를 이용해서 질소 산화물 및 일산화탄소의 배출량을 제한없이 0에 근접하게 저감할 수 있는 동시에, 상기 농도비를 상기 기준 소정 농도비의 근방으로 조정함으로써, 유해 물질(질소 산화물 및 일산화탄소)의 배출량을 실질적으로 영 또는 허용치까지 저감할 수 있다고 하는 사실을 발견했다. 본 발명은, 이러한 발견을 토대로 완성된 것이다. 본 발명에 의하면, 유해 물질의 배출 농도를 실질적으로 0이 되도록 할 수 있을 뿐 아니라, 이것이 제한없이 1.0에 가까운 공기비에서 실현될 수 있으므로, 현저한 에너지 절약을 실현할 수 있다.

이하, 단순히 농도비라고 하는 경우, 산화 촉매의 1차측의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비를 의미한다. 상기 산화 촉매는, 공지된 산화 촉매를 이용할 수도 있고, 새로운 산화 촉매를 이용할 수도 있다.

즉, 본 출원의 발명자 등은, 특허 문헌 7에 기재된 바와 같이, 산화 촉매작용을 토대로, 일산화탄소에 의해 질소 산화물을 환원하는 데에는 산소가 장해가 된다고 하는 기술적 상식을 깨고, 산소를 활용함으로써, 산화 촉매 1차측에서의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도의 관계를 소정의 관계(소정 농도비)로 조정하는 새로운 기술 수단을 채용함으로써 상기 과제를 해결하기에 이르렀다.

상기 과제에는, 다음의 부과제(副課題)가 있다. 제1 부과제는, 상기 산화 촉매의 유해 물질(NOx 및 CO)의 저감을 저해하는 탄화수소를 버너에서 생성되는 가스 중에 포함시키지 않는 것이다. 이것은, 내연 기관과 같은 급격한 냉각을 행하지 않는 연소로 함으로써, 탄화수소 제거 수단을 이용하지 않고 해결할 수 있다.

제2 부과제는, 상기 가스의 농도비를 어떻게 상기 기준 소정 농도비로 할 것인가 하는 것이다. 상기 버너를 단지 연소시킨 것만으로는, 상기 기준 소정 농도를 얻을 수 없다. 이 부과제에 대해서는, 상기 버너의 상기 농도비 특성을 이용한 조정, 상기 버너와 이 버너로부터의 가스를 흡열하는 흡열 수단의 농도비 특성을 이용한 조정, 이러한 조정에 더해서 보조 조정 수단에 의한 상기 농도비의 보조적인 조정 중 어느 하나에 의해 조정함으로써 해결할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은, 유해 물질 저감 효과에 있어서 현저할 뿐 아니라, 종래의 버너, 산화 촉매를 이용한 상기 농도비의 조정이라고 하는 기술 수단에 의해 상기 과제를 간단하고 용이하게 해결할 수 있는 획기적인 발명이다.

본 발명은, 보일러에 한정되지 않고, 버너에 의해 생성되는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법에 적용할 수 있다.

청구의 범위 제1항에 기재된 발명은, 연료를 버너에서 연소시킴으로써 생성되는 가스와 산화 촉매를 접촉시켜서 상기 가스 중에 포함되는 질소 산화물을 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서, 탄화수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계, 상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계, 및 상기 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비를, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 되고, 일산화탄소 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 되는 소정 농도비로 조정하는 농도비 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 질소 산화물 농도가 실질적으로 0이라 함은, 바람직하게는 5ppm, 더욱 바람직하게는 3ppm, 더욱 바람직하게는 0임을 의미한다. 일산화탄소 농도가 실질적으로 0이라 함은, 30ppm, 더욱 바람직하게는 1Oppm임을 의미한다. 또, 이하의 설명에서, 산소 농도가 실질적으로 0이라 함은, 1OOppm 이하임을 의미하지만, 바람직하게는 계측 한계치 이하를 의미한다. 또한, 질소 산화물 농도, 일산화탄소 농도가 소정값 이하라 함은, 각국, 각 지역에서 정하는 배출 기준 농도 이하를 의미하지만, 제한없이 실질적으로 0에 가까운 값으로 설정하는 것이 바람직한 것은 물론이다. 이와 같이 배출 기준치라고 하는 의미에 있어서, "소정값" 이하를 "허용치", "배출 기준치"이라고 칭할 수 있다.

청구의 범위 제1항에 기재된 발명에 의하면, 상기 산화 촉매를 이용해서 상기 조정 단계에 있어서, 상기 가스의 농도비를 상기 소정 농도비로 함으로써, 상기 유해 물질 저감 단계에 있어서, 산소에 의한 일산화탄소의 산화 작용을 효율적으로 활용하고, 일산화탄소 농도를 조정하여, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도를 실질적으로 영 또는 소정값 이하로, 일산화탄소 농도를 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 저감할 수 있다. 또, 상기 연소 단계에서의 연소는, 상기 가스 중에 탄화수소를 배출하지 않는 연소이므로, 특허 문헌 7과 같은 탄화수소를 배출하도록 연소시키는 방법과 비교해서 연소 제어를 용이하게 실행할 수 있다. 또한, 상기 산화 촉매에 유입되는 가스 중에 탄화수소를 포함하지 않으므로, 특허 문헌 5과 같은 복잡한 방법을 이용하지 않고, 상기 산화 촉매에 의한 질소 산화물 및 일산화탄소의 저감을 효과적으로 수행할 수 있는 동시에, 탄화수소에 의한 반응을 고려하지 않고, 상기 농도비의 조정을 용이하게 수행할 수 있다.

제2항에 기재된 발명은, 연료를 버너에서 연소시킴으로써 생성되는 가스와 산화 촉매를 접촉시켜서 상기 가스 중에 포함되는 질소 산화물을 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서, 탄화수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계, 상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계, 및 상기 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비 K를 조정하는 농도비 조정 단계를 포함하고, 상기 농도비 조정 단계는, 하기의 조정 0, 조정 1, 조정 2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법:

조정 0: 상기 농도비 K를, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도가 실질적으로 0이 되도록 하는 기준 소정 농도비 K0로 조정함,

조정 1: 상기 농도비 K를, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도를 실질적으로 0이 되도록 함과 아울러 일산화탄소 농도를 소정값 이하가 되도록 하는 제1 소정 농도비 K1로 조정함,

조정 2: 상기 농도비 K를, 상기 산화 촉매 2차측의 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 함과 아울러 질소 산화물 농도를 소정값 이하가 되도록 하는 제2 소정 농도비 K2로 조정함.

제3항에 기재된 발명은, 제2항에 있어서, 상기 기준 소정 농도비 K0을 판정하는 식을 다음 식 (1)로 하고, 상기 기준 소정 농도비 K0이 다음 식 (2)를 충족시키고, 상기 제1 소정 농도비 K1을 상기 기준 소정 농도비 K0보다 작게 하고, 상기 제2 소정 농도비 K2를 상기 기준 소정 농도비 K0보다 크게 한 것을 특징으로 한다:

([NOx]+2[O₂])/[CO]=K … (1)

1.0≤K = K0≤2.0 … (2)

(식(1)에 있어서, [CO], [NOx] 및 [O₂]는 각각 일산화탄소 농도, 질소 산화물 농도 및 산소 농도를 나타내고, [0₂]＞0의 조건을 충족시킴).

제2항 또는 제3항에 기재된 발명에 의하면, 상기 조정 단계에 있어서, 상기 조정 0, 즉 상기 가스의 농도비 K를 상기 기준 소정 농도비 K0으로 함으로써 상기 산화 촉매를 이용해서 배출 질소 산화물 농도 및 배출 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 할 수 있다. 또, 상기 조정 1, 즉 상기 가스의 농도비 K를 상기 제1 소정 농도비 K1로 함으로써, 상기 산화 촉매를 이용해서 배출 질소 산화물 농도를 실질적으로 0이 되도록 하고, 배출 일산화탄소 농도를 소정값 이하가 되도록 할 수 있다. 또, 상기 조정 2, 즉 상기 가스의 농도비를 상기 제2 소정 농도비로 함으로써, 상기 산화 촉매를 이용해서 배출 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하고, 배출 질소 산화물 농도를 설정값 이하가 되도록 할 수 있다. 또한, 상기 제1항에 기재된 그 밖의 효과를 제2항 또는 제3항에 있어서도 동일하게 나타낼 수 있다.

제4항에 기재된 발명은, 연료를 버너에서 연소시킴으로써 생성되는 가스와 산화 촉매를 접촉시켜서 상기 가스 중에 포함되는 질소 산화물을 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서, 탄화수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜서, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계, 상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계, 및 상기 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비 K를 소정 농도비로 조정하는 농도비 조정 단계를 포함하고, 상기 소정 농도비가 다음 식 (3)을 충족시키는 것을 특징으로 한다:

([NOx]+2[O₂])/[CO]=2.0 … (3)

(식(3)에 있어서, [CO], [NOx] 및 [O₂]는 각각 CO 농도, NOx 농도 및 O₂ 농도를 나타내고, [0₂]＞O의 조건을 충족시킴).

제4항에 기재된 발명에 의하면, 상기 농도비 조정 단계에 있어서, 상기 가스의 농도비를 상기 소정 농도비로 함으로써, 상기 유해 물질 저감 단계에 있어서, 산소에 의한 일산화탄소의 산화를 효율적으로 활용하여 일산화탄소 농도를 조정하고, 상기 산화 촉매를 이용해서 배출 질소 산화물 농도가 실질적으로 0이 되도록 하고, 배출 일산화탄소 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하가 되도록 할 수 있다. 상기 제1항에 기재된 그 밖의 효과를 제4항에서도 동일하게 나타낼 수 있다.

제5항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버너의 공기비를 1.1 이하로 하는 것을 특징으로 한다.

제5항에 기재된 발명에 의하면, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발명에 의한 효과에 더하여, 에너지 절약을 실현할 수 있는 효과를 나타낸다.

제6항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소정 농도비 K의 조정이, 상기 버너의 농도비 특성을 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제6항에 기재된 발명에 의하면, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발명에 의한 효과에 더하여, 상기 농도비 조정을 상기 버너의 농도비 특성을 이용해서 수행하므로, 별개로 농도비 조정을 위한 수단을 필요로 하지 않는 효과를 나타낼 수 있다.

제7항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농도비 K의 조정이, 상기 버너, 및 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 가스로부터 흡열하는 흡열 수단의 농도비 특성을 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제7항에 기재된 발명에 의하면, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발명에 의한 효과에 더하여, 상기 농도비 조정을 상기 버너 및 상기 흡열 수단의 농도비 특성을 이용해서 수행하므로, 별개로 농도비 조정을 위한 수단을 필요로 하지 않는다. 또, 상기 흡열 수단에 의해 상기 가스의 온도를 억제할 수 있고, 상기 산화 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.

제8항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농도비 K의 조정이, 상기 버너의 농도비 특성을 이용함과 아울러, 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 농도비를 보조적으로 조정하는 보조 조정 수단을 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제8항에 기재된 발명에 의하면, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발명에 의한 효과에 더하여, 상기 농도비 조정을 상기 버너의 농도비 특성뿐 아니라 상기 보조 조정 수단을 이용해서 수행하므로, 본 발명을 적용할 수 있는 상기 버너나 상기 흡열 수단의 범위를 넓힐 수 있는 효과를 나타낸다.

제9항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농도비 K의 조정이, 상기 버너, 및 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 가스로부터 흡열하는 흡열 수단의 농도비 특성을 이용함과 아울러, 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 농도비 K를 보조적으로 조정하는 보조 조정 수단을 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제9항에 기재된 발명에 의하면, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발명에 의한 효과에 더하여, 상기 농도비 조정을 상기 버너 및 상기 흡열 수단의 농도비 특성뿐 아니라 상기 보조 조정 수단을 이용해서 수행하므로, 본 발명을 적용할 수 있는 상기 버너나 상기 흡열 수단의 범위를 넓힐 수 있는 효과를 나타낸다.

제10항에 기재된 발명은, 버너의 연소에 의해 생긴, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 산화 촉매와 접촉시킴으로써 배출 질소 산화물 및 배출 일산화탄소의 농도를 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서, 상기 가스 중에 산소를 포함시킴과 아울러, 상기 가스 중의 산화 촉매 1차측의 질소 산화물, 일산화탄소 및 산소의 농도비를 소정 농도비로 조정함으로써, 상기 질소 산화물 및 일산화탄소의 배출 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

제10항에 기재된 발명에 의하면, 산소의 존재에 의해, 질소 산화물, 일산화탄소 및 산소의 농도비를 조정하므로, 상기 소정 농도비의 조정을 용이하게 수행할 수 있고, 상기 산화 촉매를 사용하여, 간단하고 용이하게 상기 질소 산화물 및 일산화탄소의 배출 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하가 되도록 할 수 있다.

또한, 제11항에 기재된 발명은, 제10항에 있어서, 상기 공기비 조정 수단에 의한 설정 공기비를 1.1 이하로 하는 것을 특징으로 한다.

제11항에 기재된 발명에 의하면, 제10항에 기재된 발명에 의한 효과에 더하여, 에너지 절약을 실현할 수 있는 효과를 나타낸다.

[발명의 효과]

본 발명에 의하면, 질소 산화물 및 일산화탄소의 배출량을 제한없이 0에 가까운 값까지 저감하거나, 또는 허용 범위의 소정값 이하로, 간단하고 용이하게 저감할 수 있다.

도 1은 본 실시예 1의 증기 보일러의 종단면의 설명도이다.

도 2는 도 1의 I1-1I선에 따른 단면도이다.

도 3은 도 2의 산화 촉매를 배기 가스의 흐름 방향에서 본 요부 구성을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 실시예 1의 공기비-NOxㆍCO 특성을 나타내는 도면이다.

도 5는 본 실시예 1의 댐퍼 위치 조정 장치의 사용 상태의 일부 단면의 설명도이다.

도 6은 상기 댐퍼 위치 조정 장치의 요부의 단면 설명도이다.

도 7은 본 실시예 1의 버너 및 흡열 수단의 특성 및 산화 촉매의 특성을 설명하는 모식도이다.

도 8은 본 실시예 1의 센서의 출력 특성을 설명하는 도면이다.

도 9는 본 실시예 1의 모터 제어 특성을 설명하는 도면이다.

도 10은 본 실시예 1의 NOx 및 CO 저감 특성을 설명하는 도면이다.

도 11는 본 실시예 2의 증기 보일러의 종단면의 설명도이다.

도 12는 본 실시예 2의 모터 제어 특성을 설명하는 도면이다.

도 13은 본 실시예 3의 공기비-NOxㆍCO 특성을 이용한 공기비 제어를 설명하는 도면이다.

도 14는 본 실시예 4의 증기 보일러의 종단면의 설명도이다.

도 15는 본 발명에 의한 NOxㆍCO 1차 특성 및 2차 특성을 설명하는 도면이다.

[부호의 설명]

1 버너, 4 산화 촉매, 7 센서, 8 제어기, 28 공기비 조정 수단,

29 댐퍼, 30 댐퍼 위치 조정 장치, 34 모터

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

다음으로, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 본 출원에 있어서 사용하는 용어에 대하여 설명한다. "가스"란, 버너로부터 산화 촉매(산화 환원 촉매와 칭할 수 있음. 이하, 간단히 "촉매"라고 칭함)를 완전히 통과할 때까지의 가스를 말하고, 촉매를 통과한 후의 가스를 "배기 가스"라고 한다. 따라서, 가스는 연소 반응중(연소 과정)의 가스와 연소 반응이 완결된 가스를 포함하고, 연소 가스라 칭할 수 있다. 여기에서, 상기 촉매가 가스의 흐름에 따라 다단으로 설치되어 있는 경우, "가스"는, 최종단의 촉매를 완전히 통과할 때까지의 가스를 말하고, "배기 가스"는, 최종단의 촉매를 통과한 후의 가스를 말한다.

"촉매의 1차측"이란, 촉매에 대하여 버너가 설치되어 있는 측이며, 특별히 언급하지 않는 한, 가스가 이 촉매를 통과하기 직전을 말하고, "촉매의 2차측"이란, 촉매의 1차측의 반대측을 말한다.

또, "탄화수소를 포함하지 않는다"라 함은, 연소 반응의 과정에서 전혀 탄화수소가 생성되지 않는 것을 의미하는 것이 아니라, 연소 반응의 과정에서는 약간의 탄화수소가 생성되지만, 연소 반응이 종료되는 단계, 즉 상기 촉매에 유입되는 가스 중에 질소 산화물을 환원하는 탄화수소가 실질적으로 포함되어 있지 않는다(측정 한계 이하이다)는 것을 의미한다.

또한, 공기비 m은, m = 21/(21-[O₂])로 정의한다. 단, [O₂]는, 촉매 2차 측의 배기 가스 중의 산소 농도를 나타내지만, 공기비를 구할 때에 이용되는 [0₂]는, 산소 과잉 영역에서는 과잉 산소 농도를 나타내고, 연료 과잉 영역에서는 일산화탄소 등의 미연소 가스를 공기비 m=1에서 연소시키는 데에 필요한 부족 산소 농도를 네거티브의 값으로서 나타낸다.

다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 본 발명은, 소형 관류 보일러 등의 수관 보일러, 온수기, 흡수식 냉동기의 재생기 등의 연소 장치(열기기 또는 연소 기기라 칭할 수도 있음)에 적용된다.

(실시형태 1)

본 발명의 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법의 실시예가 적용되는 보일러 등의 연소 장치는, 전형적으로는 버너와, 이 버너에서 생성되는 가스로 흡열을 행하는 흡열 수단으로서의 전열관(수관)군을 포함하는 통형 본체와, 상기 전열관군 통과 후의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 각각 소정 농도비로 포함하는 가스가 접촉해서 통과하고, 일산화탄소를 산화시키는 동시에 질소 산화물을 환원시키는 산화 촉매와, 상기 버너로 가스 연료를 공급하는 연료 공급 수단과, 상기 버너에 연소 공기를 공급하는 동시에 연소 공기 및 연료를 예비혼합하는 연소 공기 공급 수단과, 상기 산화 촉매의 하류에서 산소 농도를 검출하는 센서와, 이 센서 등의 신호를 입력해서 상기 연료 공급 수단 및 상기 연소 공기 공급 수단 등을 제어하는 제어기를 주요부로서 구비한다.

이러한 연소 장치에 바람직하게 실시되는 본 발명의 실시형태 1은, 연료를 버너에서 연소시킴으로써 생성되는 가스와 산화 촉매를 접촉시켜서 상기 가스 중에 포함되는 질소 산화물을 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서, 탄화 수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜서, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계와, 상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계와, 상기 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비를, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 되고, 일산화탄소 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 되는 소정 농도비로 조정하는 농도비 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

(실시형태 2)

본 발명의 실시형태 1은, 다음의 실시형태 2로 표현할 수 있다. 본 발명의 실시형태 2는, 연료를 버너에서 연소시킴으로써 생성되는 가스와 산화 촉매를 접촉시켜서 상기 가스 중에 포함되는 질소 산화물을 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서, 탄화수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜서, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계와, 상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계와, 상기 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비 K를 조정하는 농도비 조정 단계를 포함하고, 상기 농도비 조정 단계는, 다음의 조정 0∼조정 2 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

조정 0: 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 실 질적으로 0이 되도록 하는 기준 소정 농도비 K0로 조정한다.

조정 1: 상기 농도비 K를, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도를 실질적으로 0이 되도록 함과 아울러 일산화탄소 농도를 소정값 이하가 되도록 하는 제1 소정 농도비 K1로 조정한다.

조정 2: 상기 농도비 K를 상기 산화 촉매 2차측의 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 함과 아울러 질소 산화물 농도를 소정값 이하가 되도록 하는 제2 소정 농도비 K2로 조정한다.

그리고, 상기 촉매는, 상기 조정 O을 행하면, 각각 상기 촉매 2차측의 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하고, 상기 조정 1을 행하면 상기 촉매 2차측의 질소 산화물 농도를 실질적으로 0이 되도록 함과 아울러 일산화탄소 농도를 소정값 이하가 되도록 하고, 상기 조정 2를 행하면 상기 산화 촉매 2차측의 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 함과 아울러 질소 산화물 농도를 소정값 이하가 되도록 하는 특성을 가진다.

이 실시형태 2에서 농도비란, 일산화탄소 농도, 질소 산화물 농도 및 산소 농도의 상호 관계를 의미한다. 상기 조정 0에서의 기준 소정 농도비 K0은, 바람직하게는 다음 식 (1)의 판정식으로 판정되고, 바람직하게는 다음 식 (2)를 충족시키고, 상기 제1 소정 농도비 K1을 상기 기준 소정 농도비 K0보다 작게 하고, 상기 제2 소정 농도비 K2를 상기 기준 소정 농도비 K0보다 크게 하도록 설정된다.

([NOx]+2[O₂])/[CO]=K … (1)

1.0≤K = K0≤2.0 … (2)

(식(1)에 있어서, [CO], [NOx] 및 [O₂]는 각각 일산화탄소 농도, 질소 산화물 농도 및 산소 농도를 나타내고, [0₂]＞0의 조건을 충족시킴) .

상기 기준 소정 농도비 K0은, 상기 산화 촉매 2차측의 산소 농도, 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 각각 실질적으로 0이 되도록 하는 상기 산화 촉매의 1차측의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비이다. 상기 식 (1)은, 상기 기준 소정 농도비 K0을 판정하기 위한 판정식이며, 식 (2)는, 상기 산화 촉매 2차측의 산소 농도, 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 각각 실질적으로 0이 되도록 하는 조건을 나타낸다. 이론적으로는, K0=1.0의 조건에서, 각 농도를 0이 되도록 할 수 있다. 그러나, 실험 결과에 따르면, 상기 식 (2)의 범위에서 각 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는 것이 확인되어 있지만, 상기 K0의 상한 2,0은, 상기 촉매의 특성에 따라서는, 2.0보다 큰 값을 가지는 것을 생각할 수 있다.

상기 기준 소정 농도비 K0의 값을 하회하도록, 즉 식 (1)의 K가 K0보다도 작은 상기 제1 소정 농도비 K1이 되도록 상기 산화 촉매의 1차측의 농도비 K를 조정하면(상기 조정 1), 상기 산화 촉매 2차측의 산소 농도 및 질소 산화물 농도가 실질적으로 0이 되는 동시에 일산화탄소 농도가 소정값 이하로 된다. 상기 일산화탄소 농도의 소정값은, 바람직하게는 배출 기준치(이 값은, 국가에 따라 다르므로, 국가마다 변경하는 것이 가능함) 이하로 설정한다. 상기 소정값을 설정하면, 실험적으로 상기 제1 소정 농도비 K1을 결정할 수 있다. 상기 농도비 K의 값이 K0보다 도 작은 상기 제1 소정 농도비 K1이 되도록 하는 농도비 K의 조정은, 구체적으로는, 상기 산화 촉매 1차측의 일산화탄소 농도에 대한 산소 농도의 비율을, 상기 기준 소정 농도비 K0을 충족시키는 일산화탄소 농도에 대한 산소 농도의 비율보다도 적게 함으로써 실현할 수 있다.

또, 상기 농도비 K가 K0보다도 큰 상기 제2 소정 농도비 K2가 되도록 상기 산화 촉매의 1차측의 농도비 K를 조정하면(상기 조정 2), 상기 산화 촉매 2차측의 일산화탄소 농도가 실질적으로 0으로 되는 동시에 질소 산화물 농도가 소정값 이하로 된다. 이 경우, 상기 산화 촉매의 2차측의 산소 농도는, 소정 농도로 된다. 이 질소 산화물 농도의 소정값은, 일산화탄소 농도의 상기 소정값과는 다른 값이며, 바람직하게는 각국에서 정해지는 배출 기준치 이하로 한다. 이 소정값을 설정하면, 실험적으로 상기 제2 농도비 K2를 정할 수 있다. 상기 제2 소정 농도비 K2로 하기 위한 농도비 K의 조정은, 구체적으로는, 상기 산화 촉매 1차측의 일산화탄소 농도에 대한 산소 농도의 비율을, 상기 기준 소정 농도비 K0을 충족시키는 일산화탄소 농도에 대한 산소 농도의 비율보다도 많게 함으로써 실현할 수 있다.

이 처리 방법의 실시형태 1에 있어서는, 우선, 상기 연소 단계에서 상기 버너가 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하고, 탄화수소를 포함하지 않는 가스를 생성한다. 그리고, 상기 촉매의 1차측의 상기 가스에서의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비 K는, 상기 농도비 조정 단계에 의해, 상기 조정 0, 상기 조정 1, 상기 조정 2 중 어느 하나에 의해, 각각 상기 기준 소정 농도비 K0, 상기 제1 소정 농도비 Kl, 상기 제2 소정 농도비 K2로 조정된다. 그리고, 상기 유해 물질 저감 단계에 있어서, 상기 가스가 상기 촉매와 접촉해서 상기 가스 중의 산소에 의해 일산화탄소가 산화되고, 일산화탄소에 의해 질소 산화물이 환원된다. 상기 조정 0 또는 상기 조정 1이 수행된 경우의 유해 물질 저감 단계에서의 산소의 역할은, 일산화탄소 농도의 조정, 즉 질소 산화물을 환원해서 그 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는 데에 필요한 양 이상으로 존재하는 일산화탄소의 양을 소비해서 저감하는 것이다. 이 유해 물질 저감 단계에 의해, 상기 가스 중의 질소 산화물의 배출량이 실질적으로 0으로 저감되고, 일산화탄소의 배출량이 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 저감된다.

상기 조정 0의 기준 소정 농도비 K0 및 상기 조정 1의 제1 소정 농도비 K1은, 다음 식 (3)으로 포함해서 표현된다. 즉, 식 (3)을 충족시키면, 상기 촉매 2차측의 질소 산화물 농도를 실질적으로 0이 되도록 하고, 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하거나, 저감한다. 일산화탄소 농도의 저감을 상기 소정값 이하로 하는 데에는, 식 (3)의 좌변의 값이 K0보다 작은 값이 되도록 상기 산화 촉매 1차측의 상기 농도비 K를 조정하여, 상기 제1 소정 농도비 K1로 한다.

([NOx]+2[O₂])/[CO]≤2.0 … (3)

(식(3)에 있어서, [CO], [NOx] 및 [O₂]는 각각 CO 농도, NOx 농도 및 0₂ 농도를 나타내고, [0₂]＞O의 조건을 충족시킴).

상기 유해 물질 저감 단계에서의 저감 작용에 대해서 더욱 설명한다. 이 저감 작용은, 다음과 같이 해서 이루어진다고 생각된다. 상기 산화 촉매에서는, 주 반응으로서, 일산화탄소를 산화시키는 제1 반응과 질소 산화물을 일산화탄소에 의해 환원시키는 제2 반응이 일어난다. 그리고, 상기 산화 촉매에서의 반응(촉매 반응)에 있어서, 산소 존재 하에서는, 상기 제1 반응이 상기 제2 반응보다도 우위이므로, 상기 제1 반응에 따라 일산화탄소는 산소에 의해 소비되어 농도 조정된 후, 상기 제2 반응에 의해 질소 산화물을 환원한다. 이 설명은 간략화한 것이다. 실제로는, 상기 제1 반응은 상기 제2 반응과 경합 반응이지만, 일산화탄소와 산소의 반응이 산소 존재 하에서 상기 제2 반응에 비해 겉보기상 빠르게 일어나기 때문에, 제1 단계에서 일산화탄소의 산화(제1 반응)가 이루어지고, 제2 단계에서 질소 산화물이 환원(제2 반응)된다고 생각된다.

요컨대, 상기 산화 촉매에 있어서, 산소의 존재 하에서는, CO+1/2O₂ → CO인 상기 제1 반응에 의해 산소가 소비되고, 나머지 CO를 사용하여 2CO+2NO → N₂+2CO₂인 상기 제2 반응에 의해 질소 산화물을 환원하여, 배출 질소 산화물 농도를 저감한다.

여기에서, ([NOx]+2[O₂])/[CO]의 값(농도비의 값)은, 전술한 바와 같이, 2.0 이하로 하지만, 바람직하게는 1.5이하로 한다. 또, 상기 식 (1)에서의 [NOx]는, 일산화질소 농도: [NO]와 이산화질소 농도: [NO₂]의 합계 농도이다. 상기 반응식의 설명에 있어서, NOx를 사용하지 않고, NO를 사용하는 것은, 고온도 장(場)에서 생성되는 질소 산화물의 조성은, 주성분이 NO이며, NO₂가 수%에 지나지 않으므로, 근 사적으로 설명할 수 있기 때문이다. NO₂는, 존재하더라도 NO와 동일하게 CO에 의해 환원된다고 생각된다.

상기 ([NOx]+2[O₂])/[CO]의 값(농도비 K의 값)이 1.0인 경우는, 이론상으로는, 상기 촉매로부터 배출되는 산소 농도, 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 0이 되도록 할 수 있다. 그러나, 실험상으로는, 매우 소량으로 일산화탄소가 배출되는 것을 알고 있다. 그리고, ([NOx]+2[O₂])/[CO]=1은, 실험 결과를 고려하여, 상기 제1 반응 및 제2 반응으로부터 이론적으로 도출된 것이다.

여기에서, ([NOx]+2[O₂])/[CO]=1을 어떻게 도출했는지를 설명한다. 이 식은, 상기 기준 소정 농도비 K0을 전형적으로 만족하는 식이므로, 기준 소정 농도 충족식이라 칭한다.

상기 촉매 내에서는, 상기 제1 반응(I)이 주반응으로서 일어나는 것으로 알려져 있다.

CO+1/2O₂ → CO₂ … (I)

또, Pt 등의 귀금속 촉매를 이용한 촉매 내에서는, 산소가 존재하지 않는 분위기로 상기 제2 반응(II)에 의한 CO에 의한 NO환원 반응이 진행한다.

CO+NO → CO₂+1/2N₂ … (II)

그래서, 상기 제1 반응(I), 상기 제2 반응(I1)의 반응에 기여하는 물질의 농도에 착안하여, 상기 기준 농도 충족식을 도출했다.

즉, CO 농도, NO 농도, O₂ 농도를 각각 [CO]ppm, [NO]ppm, [O₂]ppm으로 하면, 상기 식 (I)로부터 C0에 의해 제거할 수 있는 산소 농도는, 다음 식 (III)으로 표시된다.

2[0₂] = [CO]_a … (III)

또, 상기 식 (I1)의 반응을 일으키기 위해서는, CO가 NO의 등량 필요하며, 다음 식 (IV)의 관계로 표시된다.

[CO]_b=[NO] … (IV)

상기 식 (I), (II)의 반응을 상기 촉매 내에서 연속해서 일으킬 경우, 상기 식 (III)과 상기 식 (IV)을 합하여 얻어지는 다음 식 (V)의 농도 관계가 필요가 된다.

[CO]_a+[CO]_b=2[O₂]+[NO] … (V)

[CO]_a+[CO]_b는 동일 성분이기 때문에, 상기 촉매 2차측의 가스 중의 CO 농도로서 [CO]로 나타낼 수 있다.

따라서, 상기 기준 소정 농도비 충족식, 즉 [CO]=2[O₂]+[NO]의 관계를 도출할 수 있다.

상기 소정 농도비의 값이 1.0보다도 작은 경우에는, 일산화탄소의 농도가 상기 질소 산화물의 환원에 필요한 농도 이상으로 존재하므로, 배출 산소 농도가 0이고, 상기 촉매 통과 후의 가스 중에 일산화탄소가 잔류한다.

또, 상기 농도비의 값의 1.0을 넘는 2.0은, 실험적으로 얻어진 값이지만, 다음의 이유 때문인 것으로 생각된다. 상기 촉매 중에서 일어나는 반응은, 완전히 해명되어 있지 않고, 상기 제1 반응 및 상기 제2 반응의 주반응 이외에, 부반응이 일어나고 있는 것으로 생각된다. 이 부반응의 하나로서, 증기와 일산화탄소의 반응에 의해 수소가 생기고, 이 수소에 의해 질소 산화물 및 산소가 환원되는 반응을 생각할 수 있다.

상기 연소 단계는, 상기 버너로 탄화수소 함유 연료를 연소시킴으로써 수행되어, 탄화수소를 포함하지 않고 질소 산화물, 일산화탄소 및 산소를 포함하는 가스가 생성된다. 이 연소는, 보일러 등의 통상적인 연소 장치에서 행해지는 연소이며, 내연 기관과 같은 급격한 냉각을 수반하지 않으므로, 배기 가스에는 탄화수소가 포함되지 않는다. 그래서, 바람직하게는, 상기 공기비를 1.1 이하로 한다. 이렇게 함으로써, 저공기비 연소에 의해 에너지 절약이 실현된다.

상기 버너는, 연료와 연소 공기를 연속적으로 공급해서 연속적으로 연소시키는 연소 장치로서, 내연 기관은 포함하지 않는 것으로 한다. 자동차용 엔진 등과 같은 내연 기관은, 연료와 연소 공기의 불연속적인 공급과 연소를 행하므로, 미연소분으로서 탄화수소나 일산화탄소가 다량으로 생성되어 배기 가스 중에 포함되므로, 본 발명의 질소 산화물 함유의 가스 처리 방법에는 적합하지 않다.

또, 상기 버너는, 바람직하게는, 가스 연료를 예비혼합 연소시키는 전체 1차 공기식의 예비혼합 버너로 한다. 상기 촉매에서, 상기 제1 반응 및 상기 제2 반응을 효과적으로 발생시키기 위해서는, 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소에 관한 상 기 식 (2), (3)에서 나타낸 바와 같은 농도비 K의 조정이 중요하다. 상기 버너를 예비혼합 버너로 함으로써, 저공기비 영역에서 상기 기준 소정 농도비 K0을 비교적 용이하게 얻을 수 있다. 그러나, 상기 촉매 1차측의 가스 중에서의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소가 균일하게 혼합되어, 각각의 농도를 상기 소정 농도비가 되도록 하는 제어를 실행함으로써, 예비혼합 버너 이외의 부분 예비혼합 버너나 선(先)혼합 버너로 할 수 있다.

상기 농도비 조정 단계는, 상기 산화 촉매 1차측의 농도비 K를 상기 기준 소정 농도비 K0, 상기 제1 소정 농도비 Kl, 또는 상기 제2 소정 농도비 K2로 조정하는 단계이지만, 다음의 제1∼제4 농도비 조정 수단을 이용해서 실행할 수 있다.

상기 제1 농도비 조정 수단은, 상기 농도비 K의 조정을 상기 버너에 의한 농도비 특성을 이용해서 수행하는 것이다. 이 제1 농도비 조정 수단은, 바람직하게는, 상기 버너의 공기비를 설정함으로써 행한다. 이 제1 농도비 조정 수단을 이용해서 상기 농도비 K의 조정을 행할 경우에는, 상기 버너 이외의 농도비 조정 수단을 필요로 하지 않으므로, 장치의 구성을 간소화할 수 있다. 상기 버너의 농도비 특성이란, 상기 버너의 공기비를 변화시켜서 연소시킴으로써, 생성되는 일산화탄소량 및 질소 산화물량이 변화되는 특성이다.

상기 제1 농도비 조정 수단에 있어서는, 상기 버너 내에서, 일산화탄소를 주입하거나, 상기 버너 내에서 부분적으로 연료를 주입하고, 그 결과 상기 가스 중의 일산화탄소 농도를 증대시킴으로써, 상기 농도비 K를 조정하도록 구성할 수 있다.

상기 제2 농도비 조정 수단은, 상기 농도비 K의 조정을 상기 버너의 농도비 특성을 이용함과 아울러, 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 가스로부터 흡열하는 흡열 수단의 농도비 특성, 즉 상기 버너 및 상기 흡열 수단의 농도비 특성을 이용해서 행하는 것이다. 이 농도비 특성이란, 상기 버너의 공기비를 변화시켜서 연소시킴으로써 생성되는 상기 흡열 수단의 전부 또는 일부를 통과 후의 일산화탄소의 양 및 질소 산화물의 양이 변화되는 특성이다. 또, 이 농도비 특성은, 기본적으로는 상기 버너에 의한 농도비 특성에 의해 결정되고, 상기 흡열 수단은, 전형적으로는, 상기 버너의 농도비 특성을 일부 변화시키거나, 그 농도비 특성을 유지하는 기능을 가진다. 상기 흡열 수단을 상기 제1 태양으로 할 경우에는, 일산화탄소 농도의 증가를 초래함과 아울러, 질소 산화물 농도를 억제한다. 상기 흡열 수단을 상기 제2의 태양으로 할 경우에는, 전형적으로는, 상기 버너에 의한 농도비 특성을 거의 변경하지 않고 유지한다.

상기 흡열 수단은, 보일러 등의 통형 본체를 구성하는 수관군으로 할 수 있다. 이 흡열 수단은, 바람직하게는, 보일러 등의 통형 본체를 구성하는 수관군으로 한다. 이 흡열 수단의 형태로서는, 상기 버너의 근방에 연소 공간을 거의 갖지 않고, 연소 공간 내에 수관군을 배치한 제1 태양(상기 특허 문헌 1∼4에 상당)과, 상기 버너와 수관군의 사이에 연소 공간을 가지는 제2 태양을 포함한다. 상기 흡열 수단을 상기 제1 태양으로 할 경우는, 일산화탄소 농도의 증가를 초래하는 동시에, 질소 산화물 농도를 억제한다. 상기 흡열 수단을 상기 제2 태양으로 할 경우는, 전형적으로는, 상기 버너에 의한 농도비 특성을 거의 변경하지 않고 유지한다. 상기 수관군은, 상기 버너로부터의 가스와 열교환하는 복수 개의 수관이지만, 온수 기의 수관과 같이 1개의 수관을 사행(蛇行)시킴으로써 복수 개의 수관을 구성할 수 있다.

상기 흡열 수단은, 상기 버너의 연소 가스 온도를 억제함으로써, 생성 질소 산화물 농도를 억제함으로써, 상기 농도비 K의 조정 기능을 갖도록 할 수 있다. 또, 이 흡열 수단은, 상기 가스의 온도가 약 900℃ 이상으로 상승하는 것을 억제해서 일산화탄소의 산화를 억제하고, 상기 버너로부터의 가스의 농도비를 변화시키지 않는다는 의미에서 상기 농도비 K를 조정하도록 구성한다. 또, 이 흡열 수단은, 상기 버너에서 생성되는 가스로 흡열하여 그 열을 이용함과 아울러, 상기 가스의 온도를 상기 산화 촉매의 활성화 온도 이상이고, 또한 열적 열화를 방지하는 온도 이하로 억제하는 기능을 갖도록 할 수 있다.

상기 제2 농도비 조정 수단을 이용해서 농도비 K의 조정을 행할 경우에는, 상기 버너 및 상기 흡열 수단 이외에 농도비 조정 수단을 필요로 하지 않으므로, 장치의 구성을 간소화할 수 있다. 또, 상기 흡열 수단에 의해 상기 가스의 온도를 억제할 수 있고, 상기 산화 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.

상기 제3 농도비 조정 수단은, 상기 농도비 K의 조정을, 상기 버너의 농도비 특성을 이용함과 아울러, 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 농도비를 보조적으로 조정하는 보조 조정 수단을 이용해서 행하는 것이다.

상기 보조 조정 수단은, 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이(상기 흡열 수단의 도중을 포함함)에서, 일산화탄소를 주입하거나, 산소를 흡착 제거함으로써, 산 소 농도에 대한 일산화탄소 농도의 비율을 증가시킴으로써 상기 조정을 보조적으로 수행하는 기능을 가지는 것이다. 이 보조 조정 수단으로서는, C0 발생기나, 배기 가스의 산소 또는 C0의 양을 조정할 수 있는 보조적 버너로 할 수 있다.

상기 제3 농도비 조정 수단을 이용해서 농도비 K의 조정을 행할 경우에는, 상기 농도비 조정을 상기 버너의 농도비 특성에 더해서 상기 보조 조정 수단을 이용해서 수행하므로, 특정한 구조의 버너에 한정되지 않고, 상기 버너의 적용 범위를 넓힐 수 있다.

상기 제4 농도비 조정 수단은, 상기 농도비 K의 조정을 상기 버너, 및 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 가스로부터 흡열하는 흡열 수단의 농도비 특성을 이용함과 아울러, 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치된 상기 보조 조정 수단을 이용해서 실행하는 것이다.

상기 제4 농도비 조정 수단을 이용해서 농도비의 조정을 행할 경우에는, 상기 농도비 조정을 상기 버너 및 상기 흡열 수단의 농도비 특성에 더해서 상기 보조 조정 수단을 이용해서 수행하므로, 특정한 구조의 버너에 한정되지 않고, 상기 버너 및 상기 흡열 수단의 적용 범위를 넓힐 수 있다.

상기 촉매는, 상기 가스 중에 탄화수소가 포함되지 않은 상태에서 양호한 효율로 상기 질소 산화물을 환원하는 기능을 가지는 촉매이며, 상기 흡열 수단의 후류(後流) 또는 상기 흡열 수단의 도중에 설치되어, 통기성을 가지는 기재(基材)에 촉매 활성 물질을 담지한 구성으로 하고, 구조는 특정한 것에 한정되지 않는다. 상기 기재로서는, 스테인레스 등의 금속, 세라믹을 이용할 수 있고, 배기 가스와의 접촉 면적을 넓게 하는 표면처리가 실시된다. 촉매 활성 물질로서는, 일반적으로 백금을 이용할 수 있지만, 실행에 따라서, 백금으로 대표되는 귀금속(Ag, Au, Rh, Ru, Pt, Pd) 또는 금속 산화물을 이용할 수 있다. 상기 촉매를 상기 흡열 수단의 도중에 설치할 경우는, 복수 개의 흡열 수단 사이의 틈에 설치하거나, 수관 등의 흡열 수단을 기재로 하여, 그 표면에 촉매 활성 물질을 담지한 구성으로 할 수 있다.

실시예 1

이어서, 본 발명의 연소 장치를 증기 보일러에 적용한 실시예를 도면을 따라 설명한다. 도 1은 본 실시예 1의 증기 보일러의 종단면의 설명도이고, 도 2는 도 1의 II-II 선에 따른 단면도이고, 도 3은 도 2의 산화 촉매를 배기 가스의 흐름 방향에서 본 요부 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 실시예 1의 공기비-NOxㆍCO 특성을 설명하는 도면이고, 도 5는 동 실시예 1의 댐퍼 위치 조정 장치의 사용 상태의 일부 단면의 설명도이고, 도 6은 댐퍼 위치 조정 장치의 사용 상태의 일부 단면의 설명도이고, 도 7은 본 실시예 1의 버너 및 흡열 수단 특성 및 촉매의 특성을 설명하는 모식도이고, 도 8은 본 실시예 1의 센서의 출력 특성을 설명하는 도면이고, 도 9는 본 실시예 1의 모터 제어 특성을 설명하는 도면이고, 도 10은 본 실시예 1의 NOx 및 CO 저감 특성을 설명하는 도면이다.

우선, 본 실시예 1의 증기 보일러에 대하여 설명한다. 이 증기 보일러는, 버너(1), 이 버너(1)로부터 생성되는 가스의 흡열을 행하는 흡열 수단으로서의 전열관(수관)군(2)을 포함하는 통형 본체(3), 상기 전열관군(2) 통과 후의 산소, 질 소 산화물 및 일산화탄소를 각각 소정 농도비로 포함하는 가스가 접촉해서 통과하고, 일산화탄소를 산화시키는 동시에 질소 산화물을 환원시키는 산화 촉매(이하, 단지 "촉매"라고 칭할 수도 있음)(4), 상기 버너(1)에 가스 연료를 공급하는 연료 공급 수단(5), 상기 버너(1)에 연소 공기를 공급하는 동시에 연소 공기 및 연료를 예비혼합하는 연소 공기 공급 수단(6), 상기 촉매(4)의 하류에서 산소 농도를 검출하는 센서(7), 이 센서(7) 등의 신호를 입력해서 상기 연료 공급 수단(5) 및 상기 연소 공기 공급 수단(6) 등을 제어하는 보일러 제어기로서의 제어기(8)를 주요부로서 구비하고 있다.

상기 버너(1)는, 평면형의 연소면(예비혼합기의 분출면)을 가지는 완전 예비혼합식 버너이다. 이 버너(1)는, 특허 문헌 1에 기재된 버너와 같은 구성이다.

상기 통형 본체(3)는, 상부관 집결부(9) 및 하부관 집결부(10)를 구비하고, 이 2개의 집결부 사이에 상기 수관군(2)을 구성하는 복수 개의 내측 수관(11, 11,…)을 배치하고 있다. 그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 통형 본체(3)의 길이 방향의 양측부에 외측 수관(12, 12,…)을 연결 부재(13, 13,…)로 연결해서 구성한 한 쌍의 수관벽(14, 14)을 설치하고, 이 양쪽 수관벽(14, 14)과 상기 상부관 집결부(9) 및 상기 하부관 집결부(10) 사이에 상기 버너(1)로부터의 가스가 거의 직선적으로 유통하는 제1 가스 통로(15)을 형성하고 있다. 상기 제1 가스 통로(15)의 일단에는 상기 버너(1)가 설치되고, 타단의 배기 가스 출구(16)에는 배기 가스가 유통하는 제2 가스 통로(연도)(17)가 접속되어 있다. 이 실시예 1에 있어서는, 상기 버너(1) 및 상기 통형 본체(3)는, 공지된 것을 사용한다.

상기 제2 가스 통로(17)는 수평부(18)와 수직부(19)를 포함하고, 상기 수평부(18)에는, 상기 촉매(4)가 장착되어 있다. 상기 수직부(19)에는, 상기 촉매(4)의 하류측에 위치하도록 배출열 회수기로서의 급수 예열기(20)가 장착되고, 상기 촉매(4)와 상기 급수 예열기(20)의 사이에 상기 센서(7)가 배치되어 있다.

상기 버너(1), 수관군(2)을 포함하는 상기 버너(1)로부터 상기 촉매(4)에 이르는 구성 요소(특히 버너(1)와 수관군(2)이 그 주요부)는, 상기 촉매(4)의 1차측의 가스에서의 상기 농도비 K를 상기 소정 농도비 K0, K1로 조정하는 기능을 하는 것이다. 즉, 후술하는 공기비 조정 수단(28)에 의해 설정 공기비로 조정했을 때, 도 4에 나타내는 공기비-NOx·CO 특성이 얻어지도록 구성되어 있다. 이 공기비-NOx·CO 특성은, 상기 공기비 조정 수단(28)을 제어하고, 공기비를 변화하여 연소 시켰을 때에 얻어지는 상기 촉매(4)의 1차측의 공기비-NOx·CO 특성(이하, 1차 특성이라고 함)이다. 그리고, 상기 촉매(4)는, 상기 1차 특성을 가지는 상기 가스를 상기 촉매(4)에 접촉시킴으로써 얻어지는 상기 촉매(4)의 2차측 공기비-NOx·CO 특성(이하, 2차 특성이라고 함)을 가지고 있다. 상기 1차 특성은, 상기 버너(1)로부터 상기 촉매(4)에 이르는 구성 요소에 의한 특성이며, 상기 2차 특성은, 상기 촉매(4)에 의한 농도비 특성이다. 상기 1차 특성은, 상기 설정 공기비를 1.0로 조정했을 때, 상기 촉매(4)의 2차측의 NOx 농도 및 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 한다. 이 때, 상기 촉매(4)의 1차측의 가스에서의 기준 소정 농도비 K0는, 특이 기준 농도비 K0X가 된다(도 7 참조).

도 4는, 세로축, 횡축의 눈금을 매기는 방법은 다르지만, 도 15의 저공기비 영역(Z2)을 연장한 모식도이다. 이 도 4에 있어서, 제1 라인(특성선) E는, 상기 촉매(4) 1차측의 CO 농도를 나타내고, 제2 라인 F는, 동일하게 1차측의 NOx 농도를 나타낸다. 또, 제3 라인 J는, 상기 촉매(4) 2차측의 C0 농도를 나타내고, 공기비 1.0 이상에서 C0 농도가 실질적으로 0이 되고, 공기비가 1.0보다 작아짐에 따라 농도가 급격하게 증가하는 특성을 가진다. 또, 제4 라인 U는, 상기 촉매(4) 2차측의 NOx 농도를 나타내고, 공기비 1.0 이하의 소정의 영역에서 NOx 농도가 실질적으로 0이 되고, 공기비가 1.0을 초과함에 따라 실질적으로 0으로부터 농도가 증가되고, 결국 상기 촉매(4)의 1차측의 농도와 동일하게 되는 특성을 가진다. 이 상기 촉매(4)의 2차측 NOx 농도가, 1차 측의 농도와 동일하게 되는 공기비 이하의 영역을 NOx·CO 저감 영역이라 칭한다. 이 NOx·CO 저감 영역의 하한은, 상기 촉매(4)의 2차측의 CO 농도가 300ppm(일본의 CO배출 기준)이 되는 공기비로 할 수 있다. 이 저공기비 영역의 공기비-NOx·CO 특성은, 지금까지 연구되지 않은 새로운 특성이다.

상기 촉매(4)는, 상기 수관군(2)을 통과한 후의 탄화수소를 포함하지 않는 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산화(제1 반응)함과 아울러 질소 산화물을 환원하는(제2 반응) 기능을 가지고, 본 실시예 1에서는, 촉매 활성 물질이 백금인 촉매를 사용하고 있다. 상기 "발명을 실행하기 위한 최선의 실시형태" 란에서 설명한 바와 같이, 실험 결과를 고려해서 이론적으로 고찰하면, 상기 식 (3)의 농도비 식을 충족시키는 상기 가스와 상기 촉매(4)의 촉매 활성 물질의 접촉에 의해 주로 일산화탄소를 산화시키는 제1 반응과 질소 산화물을 일산화탄소에 의해 환원시키는 제2 반응이 일어난다고 생각된다. 상기 제1 반응은, 산소 농도에 의해 반응이 진행되는지 여부가 결정되고, 이 촉매(4)에 있어서는, 상기 제1 반응이 상기 제2 반응에 대하여 우위에 있다고 생각된다.

상기 촉매(4)를 보다 구체적으로 설명하면, 이 촉매는, 도 3에 도시한 바와 같은 구조인 것으로, 예를 들면, 다음과 같이 형성된다. 상기 기재로서 스테인레스제의 평판(21) 및 골판(22) 각각의 표면에 다수의 미소(微小) 요철(凹凸)을 형성하고, 그 표면에 촉매 활성 재료(도시 생략)를 담지시킨다. 그 다음으로, 소정 폭의 상기 평판(21) 및 골판(22)을 포갠 뒤, 나선형으로 감아서 롤 상태로 형성한다. 이 롤 상태인 것을 측판(23)으로 둘러싸서 고정하여 형성한다. 상기 촉매 활성 재료로서는 백금을 이용한다. 한편, 도 3에 있어서는, 상기 평판(21) 및 상기 골판(22)의 일부만을 나타내고 있다.

이 촉매(4)는, 저온 영역에서 산화 활성을 가지고, 상기 제2 가스 통로(17)의 도중의 상기 수평부(18)로서, 배기 가스 온도가 약 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼350℃ 정도인 위치에 배치되어 있다. 그리고, 이 촉매(4)는, 성능이 열화된 경우에 교환 가능하도록, 상기 제2 가스 통로(17)에 대하여 착탈 가능하게 장착되어 있다.

상기 연료 공급 수단(5)은, 가스 연료 공급관(24) 및 이 가스 연료 공급관(24)에 설치된 연료 유량을 조정하는 유량 조정 밸브(25)를 포함해서 구성되어 있다. 상기 유량 조정 밸브(25)는, 연료 공급량을 고연소용 유량과 저연소용 유량으로 제어하는 기능을 가진다.

상기 연소 공기 공급 수단(6)은, 송풍기(26), 이 송풍기(26)로부터 상기 버너(1)에 연소 공기를 공급하는 급기 통로(27), 및 이 급기 통로(27)를 흐르는 연소 공기량을 조정함으로써 상기 버너(1)의 공기비를 조정하는 공기비 조정 수단(28)을 포함해서 구성되어 있다. 상기 급기 통로(27) 안으로는, 상기 가스 연료 공급관(24)이 연료 가스를 분출하도록 접속되어 있다.

상기 공기비 조정 수단(28)은, 상기 급기 통로(27)의 개도(유로 단면적)를 조정하는 유량 조정 수단으로서의 댐퍼(29), 이 댐퍼(29)의 개도 위치를 조정하기 위한 댐퍼 위치 조정 장치(30), 및 이 댐퍼 위치 조정 장치(30)의 작동을 제어하는 상기 제어기(8)를 포함해서 구성되어 있다.

상기 댐퍼 위치 조정 장치(30)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 댐퍼(29)의 회전축(31)에 착탈 가능하게 연결되는 구동축(32)을 구비하고, 이 구동축(32)은, 감속기(33)를 통해서 모터(34)로 회전가능하다. 모터(34)로서는, 회전 정지 위치를 임의로 조정할 수 있는 모터가 사용된다. 본 실시예에서는 스테핑 모터(펄스 모터)가 사용된다.

상기 구동축(32)은 상기 댐퍼(29)의 회전축(31)과 커플링(35)을 통해서 연결됨으로써, 거의 동일축선 상에서 일체로 회전 가능하게 된다. 상기 커플링(35)은, 스텝형 원주 형상으로 되고, 그 중앙부에는 축방향으로 관통해서 소직경 구멍(36) 및 대직경 구멍(37)이 형성되어 있다. 상기 소직경 구멍(36)에는 상기 구동축(32)이 삽입되고, 이 구동축(32)은 설치 나사(38)로 상기 커플링(35)과 일체화된다. 한편, 상기 대직경 구멍(37)에는 상기 댐퍼(29)의 회전축(31)이 삽입 가능하게 되 어, 이 회전축(31)은 키(39)로 상기 커플링(35)과 일체로 회전 가능하게 된다. 따라서, 상기 회전축(31) 및 상기 커플링(35)의 상기 대직경 구멍(37)에는, 각각 키홈(40, 41)이 형성되어 있다.

이러한 커플링(35)은, 일단부에 상기 구동축(32)이 삽입된 상태에서, 타단부가 베어링(42)을 통해서 상기 댐퍼 위치 조정 장치(30)의 외측 케이스(43)에 회전가능하게 유지된다. 이 외측 케이스(43)에는, 일단부에 상기 감속기(33) 및 상기 모터(34)가 유지되고, 타단부에 상기 커플링(35)의 키홈(41)이 설치된 상기 대직경 구멍(37)이 노출된 상태에서, 상기 커플링(35) 및 회전 이상 검출 수단(44)을 내부에 밀폐하는 구조이다.

상기 회전 이상 검출 수단(44)은, 피검출판(45)과 검출기(46)를 구비한다. 상기 피검출판(45)은, 상기 커플링(35)의 축방향 중앙부의 스텝부에, 반경 방향 외측으로 연장되어 고정된다. 이 피검출판(45)은, 상기 커플링(35) 및 상기 구동축(32)과 동심으로 설치된다. 상기 피검출판(45)의 외주부의 일부에는, 둘레 방향 등간격으로 다수의 슬릿(47, 47,…)이 형성된 슬릿 형성 영역(48)이 설치된다. 본 실시예에서는, 1/4(90도)의 원호에만, 상기 슬릿 형성 영역(48)이 설치된다. 이 슬릿 형성 영역(48)에 형성되는 상기 각 슬릿(47)은, 동일한 형상 및 크기이다. 본 실시예에서는, 상기 피검출판(45)의 반경 방향을 따라 가늘고 긴 직사각형의 홈이, 둘레 방향을 따라 등간격으로 형성되어 있다.

상기 슬릿(47)을 검출하기 위한 상기 검출기(46)는, 상기 외측 케이스(43)에 고정된다. 이 검출기(46)는, 투과형 포토인터럽터(photointerrupter)로 이루어지 고, 발광 소자(49)와 수광 소자(50)의 사이에 상기 피검출판(45)의 외주부가 개재된 상태로 설치된다. 상기 검출기(46)의 상기 발광 소자(49)와 상기 수광 소자(50)의 사이에 상기 피검출판(45)을 개재시킴으로써, 상기 검출기(46)와 대응한 위치(상기 발광 소자(49)로부터 상기 수광 소자(50)로의 광로에 대응한 위치)에 상기 피검출판(45)의 상기 슬릿(47)이 배치되는지 여부에 따라, 상기 수광 소자(50)에서의 상기 발광 소자(49)로부터의 수광의 유무가 전환될 수 있다. 이에 따라, 상기 댐퍼(29)의 개도 위치의 검출이 가능하게 된다.

상기 댐퍼 위치 조정 장치(30)는, 도 6에 있어서 상기 슬릿 형성 영역(48)의 시계 방향의 단부 슬릿(51)이, 상기 검출기(46)와 대응한 위치에 배치된 상태에서, 상기 댐퍼(29)가 상기 급기 통로(27)를 전폐 상태가 되도록 위치 결정되어, 상기 댐퍼(29)의 상기 회전축(31)에 설치될 수 있다.

상기 슬릿 형성 영역(48)은, 상기 피검출판(45)의 90도 만큼만 형성되어 있으므로, 이 슬릿 형성 영역(48)의 시계 방향의 단부 슬릿(51)이, 상기 검출기(46)와 대응한 위치에 배치된 상태에서는, 전술한 바와 같이 상기 댐퍼(29)가 상기 급기 통로(27)를 전면 폐쇄하는 한편, 상기 슬릿 형성 영역(48)의 반시계 방향의 단부 슬릿(52)이, 상기 검출기(46)와 대응한 위치에 배치된 상태에서는, 상기 댐퍼(29)가 상기 급기 통로(27)을 전면 개방하게 된다.

상기 댐퍼 위치 조정 장치(30)는, 상기 모터(34)와 상기 검출기(46)가 상기 제어기(8)와 접속되어, 상기 댐퍼(29)의 회전 이상을 감시하면서, 상기 모터(34)의 회전을 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 상기 모터(34)를 제어하기 위해서, 이 댐퍼 위치 조정 장치(30)는, 상기 모터(34)로의 구동 펄스를 포함하는 제어 신호의 작성 회로를 가지고, 그 작성한 제어 신호를 상기 모터(34)로 출력가능하다. 이것에 의해, 상기 모터(34)는 정회전 또는 역회전과, 구동량, 즉 구동 펄스의 수에 대응해서 그 회전각이 임의로 제어된다. 또, 구동 펄스의 간격(이송 속도)을 바꿈으로써, 회 전속도를 제어할 수 있도록 구성되어 있다.

실제로 상기 댐퍼(29)를 개폐 제어할 때, 상기 제어기(8)는, 우선 상기 댐퍼(29)의 전폐 위치를 원점으로 하기 위해서 원점 검출 동작을 행한다. 먼저, 도 5에 있어서, 반시계 방향으로 상기 피검출판(45)을 회전시킨다. 이제, 이 피검출판(45)의 상기 슬릿 형성 영역(48) 안에 상기 검출기(46)가 배치되어 있다고 하면, 상기 피검출판(45)의 회전에 따른 상기 검출기(46)는 정기적으로 상기 슬릿(47)을 검출하므로, 그 검출 펄스가 검출 신호로서 상기 제어기(8)에 입력된다. 그리고, 상기 검출기(46)가 상기 슬릿 형성 영역(48) 밖에 배치될 때까지 상기 피검출판(45)이 회전되면, 펄스가 검출되지 않게 된다. 소정 시간 펄스가 검출되지 않으면, 상기 제어기(8)는, 상기 검출기(46)가 상기 슬릿 형성 영역(48) 밖에 있다고 인식하고, 회전 방향을 역방향으로 전환한다. 즉, 본 실시예에서는, 상기 피검출판(45)을 시계 방향으로 역회전시켜, 최초에 펄스(시계 방향의 단부 슬릿(51))가 검출된 위치를 원점으로 한다. 이 시계 방향으로의 회전에 의한 원점 확인은, 회전 방향 전환 전의 반시계 방향의 회전보다도 저속에서 행해진다.

이렇게 하여 검출된 원점은, 상기 댐퍼(29)의 전폐 위치와 대응하고 있으므로, 이 상태를 기준으로 하여, 상기 제어기(8)는, 상기 모터(34)로 구동 신호를 출 력하고, 상기 댐퍼(29)를 개폐 제어할 수 있다. 상기 제어기(8)는, 상기 댐퍼(29)를 개폐하기 위해 상기 모터(34)를 구동하면, 그에 수반하여 상기 검출기(46)로부터 상기 슬릿(47)의 검출 신호가 펄스로서 취득된다. 따라서, 상기 제어기(8)는, 상기 검출기(46)로부터의 검출 신호를 상기 모터(34)로의 제어 신호와 비교하고, 상기 댐퍼(29)의 회전 이상을 감시할 수 있다. 구체적으로는, 상기 모터(34)로의 구동 펄스로부터 만들어지는 제어 신호와, 상기 검출기(46)에 의한 상기 슬릿(47)의 검출 펄스에서 만들어지는 검출 신호를 비교하여 회전 이상의 유무를 감시한다.

예를 들면, 상기 모터(34)에 구동 펄스를 보냈음에도 불구하고, 상기 검출기(46)로부터 검출 펄스가 검출되지 않는 경우에, 상기 제어기(8)는 회전 이상이라고 판정한다. 이 때, 상기 검출기(46)로부터의 검출 펄스는, 상기 모터(34)로의 구동 펄스의 주파수와 다른 것이 보통이기 때문에, 이 차이를 고려해서 제어한다. 예를 들면, 구동 신호의 소정 펄스분의 시간이 경과해도, 여전히 검출 신호의 펄스가 하나도 검출되지 않는 경우에, 비로소 회전 이상으로 판단하도록 제어한다. 상기 제어기(8)는, 회전 이상이라고 판정한 경우, 이상의 통지나 연소를 정지시키는 등의 처치를 행한다. 또 반대로, 상기 모터(34)에 구동 펄스를 보내지 않고 있는데에도, 상기 검출기(46)로부터 펄스가 검출된 경우에도, 회전 이상을 검지할 수 있다.

상기 제어기(8)는, 미리 기억한 공기비 제어 프로그램에 의해, 상기 센서(7)의 검출 신호에 의거하여 상기 버너(1)의 공기비가 설정 공기비가 되도록(제1 제어 조건), 또한 이 설정 공기비에 있어서 상기 촉매(4)의 1차측의 상기 가스의 농도비 K가 다음 식 (3)을 충족시키도록(제2 제어 조건), 상기 모터(34)를 제어하도록 구성되어 있다.

([NOx]+2[O₂])/[CO]≤2.0 … (3)

(식(3)에 있어서, [CO], [NOx] 및 [O₂]는 각각 일산화탄소 농도, 질소 산화물 농도 및 산소 농도를 나타내고, [0]＞O의 조건을 충족시킴).

이 실시예 1에서 직접 제어하고 있는 것은, 상기 제1 제어 조건이며, 이 제1 제어 조건을 충족시킴으로써, 자동적으로 상기 제2 제어 조건이 충족되도록 구성되어 있다. 이 점을 도 4 및 도 7에 의거하여 이하에 설명한다.

도 4의 공기비-NOx·CO 특성은, 상기 버너(1) 및 상기 수관군(2)을 포함하는 구성 요소의 상기 1차 특성과 상기 촉매(4)에 의한 상기 2차 특성에 근거해서 표현한 것이지만, 도 7은, 이것을 상기 촉매(4) 1차측의 산소 농도에 대한 상기 구성 요소의 상기 1차 특성과 상기 촉매(4)의 특성에 근거해서 표현한 것이다.

상기 촉매(4)의 특성은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 촉매(4) 1차측의 상기 기준 소정 농도비 K0에 관한 제5 라인 L(2차측 [NOx]=0, [CO]=0 라인)에서 그 특징을 나타내고 있다. 이 제5 라인 L은, 그 라인 상에 상기 촉매(4) 1차측의 상기 농도비 K가 위치한다(놓여진다)면, 상기 촉매(4)의 2차측의 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는, 즉 상기 기준 소정 농도비 K0를 충족시키는 라인이다. 이 제5 라인 L은, 상기 식 (3)의 상기 소정 농도비가 1인 경우에 대응하고 있다. 즉, 이 제5 라인 L은, 다음 식 (3A)를 나타낸 라인이 다.

[NOx]+2[O₂]=[CO] … (3A)

여기에서, [NOx]는 도 10에 도시한 바와 같이 [CO]의 1/30∼1/50 정도이므로, 도 7에 있어서는, 산소 농도에 대한 NOx 농도 특성을 생략함과 아울러, 식(3A)에 있어서의 [NOx]을 무시할 수 있는 것으로 한다. 이 제5 라인 L에 있어서, 1차측 산소 농도를 X1로 한 경우, 1차측 일산화탄소 농도 Y1은, Y1=2X1+[NOx]로 된다. 한편, 상기 농도비 K의 값이 1.0을 넘는 2.0까지의 범위에서, 상기 촉매(4)의 2차측의 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는 상기 기준 소정 농도비 K0로 할 수 있다는 것이 확인되어 있으므로, 상기 제5 라인 L은, 도시한 라인 L에 한정되지 않고, 상기 식 (2)를 충족시키는 라인으로 할 수 있다.

상기 버너(1) 및 상기 수관군(2)의 상기 1차 특성 곡선을 나타내는 제6 라인 M과, 상기 제5 라인 L과의 교점에 있어서의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 기준 소정 농도비 K0을 특이 기준 소정 농도비(이하, 특이 기준 농도비라 함) K0X로 한다. 상기 촉매(4)는, 그의 1차측의 상기 농도비 K를 상기 특이 기준 농도비 K0X로 한 경우, 상기 촉매(4)의 2차측의 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는 특성을 가진다. 이와 같이 상기 기준 농도비 K0X로 하는 조정이, 본 발명의 조정 0에 상당한다.

상기 촉매(4)는, 상기 특이 기준 농도비 K0X에 대응하는 기준 산소 농도 SK보다도 1차측 산소 농도를 높게 하면, 상기 촉매(4) 2차측에 있어서 1차측 산소 농 도와 기준 산소 농도의 차이에 대응한 농도의 산소가 검출되는 동시에, 상기 촉매(4)의 2차측의 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하고, 상기 촉매(4)의 2차측의 질소 산화물 농도를 환원 반응에 의해 1차측의 질소 산화물 농도보다 저감하는 특성을 가진다. 이 상기 촉매(4) 2차측에 있어서 산소가 검출되는 동시에, 1차 측의 질소 산화물 농도보다도 저감하는 특성의 영역을 2차측 NOx 누출 영역 R1이라 칭한다. 이 2차측 NOx 누출 영역 R1은, 본 발명의 조정 2를 실현하는 영역으로, 상기 버너(1)의 공기비는 1.0을 초과한다.

또, 상기 기준 산소 농도 SK보다도 1차측 산소 농도를 낮게 하면 상기 촉매(4)의 2차측에 있어서 1차측 산소 농도와 기준 산소 농도 SK의 차이에 대응한 농도의 일산화탄소가 검출되는 동시에, 소정의 범위에서 상기 촉매(4)의 2차측의 질소 산화물 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는 특성을 가진다. 이 상기 촉매(4) 2차측에 있어서 일산화탄소가 검출되는 동시에, 질소 산화물 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는 특성의 영역을 2차측 CO 누출 영역 R2라 칭한다. 이 2차측 CO 누출 영역 R2는, 본 발명의 조정 1을 실현하는 영역이며, 상기 버너(1)의 공기비가 1.0 미만이다. 상기 버너(1)의 공기비는, 1.0 미만으로 설정되는 경우에도, 상기 촉매(4)의 1차측에서, 탄화수소를 포함하지 않고, 산소를 포함하는 범위에서 설정된다. 상기 2차측 NOx 누출 영역 R1과 상기 2차측 CO 누출 영역 R2를 맞춘 영역을 NOx·CO 저감 영역 R3이라 칭한다.

이러한 도 7에 나타내는 촉매(4)의 특성은, 도 4에 나타내는 공기비-NOx·CO 특성에 부합되는 것이다. 도 7로부터 명확한 바와 같이, 상기 촉매(4)의 2차측의 산소 농도 및/또는 일산화탄소 농도를 검출하고, 이 산소 농도 및/또는 일산화탄소 농도가 0이 되도록 상기 공기비 조정 수단(28)을 제어하면, 상기 촉매(4)의 1차측에서의 상기 농도비 K가 상기 특이 기준 농도비 K0X로 제어되어, 상기 촉매(4)의 2차측의 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 실질적으로 0으로 제어할 수 있다. 이렇게 해서, 상기 제1 제어 조건을 충족시키면 상기 제2 제어 조건이 충족되는 것이 된다.

상기 제1 제어 조건은, 이것이 충족되지 않으면, 탄화수소 등의 미연소분이 생성된다. 그렇게 되면, 에너지 손실이 생기는 동시에, 상기 촉매(4)에 있어서의 NOx 저감이 효과적으로 이루어지지 않게 된다.

상기 제2 제어 조건은, 배출 질소 산화물 농도를 거의 0이 되도록 하기 위해서 필요한 조건이다. 상기 촉매(4)의 2차측의 질소 산화물 농도, 일산화탄소 농도를 0이 되도록 하는 데에는, 상기 제1 반응과 상기 제2 반응으로부터, ([NOx]+2[O₂])/[CO] 되는 농도비 K를 거의 1.0으로 하면 된다는 것을 실험 및 이론적 고찰에 의해 발견했다. 그러나, 상기 농도비 K가 1 이상인 1.0∼2.0이더라도 배출 질소 산화물 농도를 거의 0이 되도록 할 수 있다는 것이 확인되었다.

상기 센서(7)로서, 배출 산소 농도의 분해능이 50ppm에서 응답 시간 2초 이하인 응답성이 양호한 지르코니아형 공연비 센서를 사용하고 있다. 이 센서(7)의 출력 특성은, 도 8에 나타낸 바와 같이, 출력 E가 포지티브측에서 산소 농도에 관계되는 출력이 되고, 네거티브측에서 일산화탄소 농도 등에 관계되는 출력이 된다. 즉, 측정되는 산소 농도(산소 과잉 영역) 및 일산화탄소 농도 등(연료 과잉 영역)으로부터 공기비 m을 산출하고, 이 공기비 m에 대응한 전류 또는 전압의 출력을 얻는다. 도 8에 있어서, Q1은 산소 농도 검출대를 나타내고, Q2는 일산화탄소 농도 검출대를 나타낸다.

상기 공기비 제어 프로그램은, 상기 센서(7)의 출력 신호에 의거하여, 상기 버너의 공기비 m이 기준 설정 공기비 mO로 되도록 제어하는 것이지만, 구체적으로는, 다음과 같이 구성되어 있다. 즉, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 센서(7)로부터의 출력값 E와 기준 설정 공기비 m0에 대응하는 설정값과의 차이에 대응하여 상기 모터(34)의 이송 속도 V(단위 시간당의 구동량)를 바꾸는 제1 제어대(C1)와, 이 제1 제어대(C1)의 외측에서 이송 속도 V를 각각 제1 설정값 V1,제2 설정값 V2로 하는 제2 제어대(C2A, C2B)를 설치하고, 상기 모터(34)의 구동량을 제어하는 제어 순서가 포함되어 있다. 도 9에 있어서, P1은 댐퍼 개방 영역, P2는 댐퍼 폐쇄 영역을 나타낸다.

상기 제1 제어대(C1)의 설정 범위는, 산소 농도 N1(예를 들면 100ppm)과 일산화탄소 농도 등 N2(예를 들면 50ppm)로 설정되고, 공기비를 실질적으로 1의 설정 공기 m0(상기 기준 산소 농도 SK에 대응)로 하도록 제어된다.

상기 제1 제어대(C1)에서의 이송 속도 V는, 다음 식 (4)에서 계산된다. 상기 이송 속도 V는, 단위 시간당의 구동량이다. 본 실시예 1의 상기 모터(34)의 1단계에 의한 회전 각도는, 0.075도이고, O₂로 환산하면 약 30ppm의 변동에 상당한 다.

V = K×△X … (4)

(단, K는 게인이고, △X는 (상기 센서(7)의 상기 출력값)-(상기 설정값)의 차이다).

다음으로, 이상과 같은 구성의 상기 증기 보일러의 동작을 설명한다. 우선, 증기 보일러의 개략적 동작에 대해서, 상기 송풍기(26)로부터 공급되는 연소 공기(외기)는, 상기 가스 연료 공급관(24)으로부터 공급되는 연료 가스와 상기 급기 통로(27) 내에서 예비혼합된다. 이 예비혼합 기체는 상기 버너(1)로부터 상기 통형 본체(3) 내의 상기 제일 가스 통로(15)를 향해서 분출된다. 예비혼합기는 착화 수단(도시되지 않음)에 의해 착화되어, 연소한다. 이 연소는, 1.0 근방의 저공기비에서 행하여진다.

이 연소에 수반하여 생기는 가스는, 상류측의 수관군(2)과 교차해서 냉각된 후, 하류측의 수관군(2)과의 열교환으로 흡열되어 약 100℃∼350℃의 가스가 된다. 이 가스는, 탄화수소를 포함하지 않고, 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하고, 상기 촉매(4)로 처리되어, 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도가 거의 0으로 된 후, 배기 가스로서 상기 제2 가스 통로(17)로부터 대기 중으로 배출된다.

다음으로, 상기 공기비 조정 수단(28)에 의한 공기비 제어에 대하여 설명한다. 본 실시예의 보일러는, 고연소와 저연소를 전환해서 운전한다. 그 때문에, 상기 댐퍼(29)는, 고연소 풍량 위치와 저연소 풍량 위치 중 어느 하나를 선택해서 위치 결정된다.

이 댐퍼(29)의 위치 조정은, 상기 제어기(8)로부터의 명령에 의해 상기 댐퍼 위치 조정 장치(30)에 의해 실행된다. 즉, 상기 제어기(8)는, 고연소 또는 저연소의 선택 신호와, 상기 센서(7)의 검출 공기비에 대응한 출력값을 입력하고, 상기 모터(34)의 구동 신호를 출력하고, 상기 댐퍼(29)의 개도 위치를 조정시킨다. 상기 제어기(8)는, 고연소 시와 저연소 시의 각 기준 설정 공기비 m0에 대응한 설정값으로 이루어지는 상기 댐퍼(29)의 설정 개도 위치를 원점으로부터의 펄스 수로 각각 초기값으로서 기억한다.

우선, 고연소 시의 제어에 대하여 설명한다. 상기 제어기(8)는, 현재의 상기 댐퍼(29)의 개도 위치가 상기 설정 개도 위치에 대하여 개방측(닫는 방향으로 제어하지 않으면 안되는 측)인가, 폐쇄측(여는 방향으로 제어하지 않으면 안되는 측)인가를 판정함과 아울러, 상기 모터(34)의 구동 펄스 수를 연산한다. 이와 함께 상기 출력값이 도 9에 있어서, 상기 제1 제어대(C1) 및 상기 제2 제어대(C2A), C2B) 중 어느 것에 속하는지를 판정한다.

상기 제2 제어대(C2A)에 속할 경우에는, 제1 설정 이송 속도 V2에서, 또한 연산된 구동 펄스로 상기 모터(34)를 구동하고, 빠른 속도로 상기 댐퍼(29)를 닫는다. 상기 제2 제어대(C2B)에 속할 경우에는, 제2 설정 이송 속도 V1에서, 또한 연산된 구동 펄스에서 상기 모터(34)를 구동하고, 빠른 속도로 상기 댐퍼(29)를 개방한다. 이렇게 해서, 기준 설정 공기비 mO에 대응한 설정값으로부터 비교적 떨어져 있는 경우에는, 빠른 속도로 검출 공기비에 대응한 출력값을 기준 설정 공기비 mO에 대응한 설정값에 근접시키는 제어를 행하므로, 응답성이 좋은 공기비 제어를 실 행할 수 있다.

또, 상기 제1 제어대(C1)에 속할 경우에는, 회전 방향을 판정한 다음, 상기 식 (4)에 의거하여, 상기 모터(34)의 이송 속도를 연산하고, 연산된 이송 속도와 연산된 구동 펄스로 상기 모터(34)를 구동한다. 이 제1 제어대(C1)에서의 제어는, 기준 설정 공기비 mO에 대응한 설정값으로부터 멀어짐에 따라서 이송 속도를 빠르게 한다. 이러한 제어에 의해, 목표로 하는 기준 설정 공기비 mO에 대응한 설정값에 신속하게 근접시킬 수 있다. 또, 회전 위치 제어를 확실하게 실행할 수 있는 스테핑 모터에 의해 행한다는 점, 검출 공기비에 대응한 출력값이 설정 공기비 mO에 대응한 설정값에 근접함에 따라서 이송 속도를 느리게 하는 제어로 한다는 점에 의해, 기준 설정 공기비 mO에 대응한 설정값 근방에서의 공기비의 오버 슈트(over shoot) 및 헌팅(hunting)을 억제할 수 있다.

이러한 공기비 제어에 의해, 상기 버너(1)의 공기비를 1.0에 가까운 저공기비로 하고, 또한 상기 촉매(4)의 1차측 가스의 농도비 변화폭이 적게 제어되어, 상기 식 (2)를 안정적으로 충족시킬 수 있다. 그 결과, 상기 촉매(4)의 2차측의 질소 산화물 농도를 거의 0이 되도록 함과 아울러, 일산화탄소 농도를 거의 0으로 저감할 수 있다. 설정 공기비 mO를 1.0 미만으로 하면, 2차측의 질소 산화물 농도를 거의 0이 되도록 함과 아울러, 일산화탄소 농도를 실용 범위의 소정값 이하로 저감한다.

(실험예 1)

단위 시간당 증발량을 800kg의 통형 본체(3)(출원인이 제조한 형식: SQ-800 으로 불리우는 통형 본체)로, 연소량 45.2 ㎥N/h의 예비혼합 버너(1)로 연소시키고, 촉매 활성 물질로서 Pt를 2.0g/L의 비율로 담지한 부피 10L, 내경 360mm의 촉매로 한 경우의 실험 결과에 대하여 설명한다. 상기 기준 설정 공기비 m0를 1로 한 경우, 상기 촉매(4)의 1차측(상기 촉매(4) 통과 전)의 일산화탄소 농도, 질소 산화물 농도, 산소 농도가 각각 10분간의 평균치로 2295ppm, 94ppm, 1655ppm로 조정되고, 상기 촉매(4)의 2차측(상기 촉매(4) 통과 후)의 각각의 농도가 10분간의 평균치로 13ppm, 0.3ppm, 100ppm 미만으로 되었다. 여기에서, 상기 촉매(4)의 2차측의 산소 농도 100ppm은 산소 농도의 측정 한계이다. 또, 상기 촉매(4)의 전후에서의 가스의 온도는, 각각 302℃, 327℃였다. 본 실험예 1 및 이하의 실험예 2, 3에 있어서는, 상기 촉매(4)를 상기 급수 예열기(20)의 약간 상류에 배치하고, 그 전후에 측정 장치를 배치하고, 상기 촉매(4)를 통과한 후의 각 농도 및 가스의 온도는, 주식회사 호리바세이사쿠쇼 제품 PG-250을 사용하고, 통과하기 전의 각 농도는, 주식회사 호리바세이사쿠쇼 제품 COPA-2000을 사용해서 계측했다. 물론, 상기 촉매(4)를 도 1에 도시된 위치에 배치해도 측정 농도값은 거의 변화되지 않는다고 생각된다.

(실험예 2)

실험예 1과 동일한 버너(1) 및 통형 본체(3)를 사용하고, 연소량을 실험예 1과 동일하게 해서 촉매 활성 물질로서 Pd를 2.0g/L의 비율로 담지한 부피 10L, 내경 360mm의 촉매로 한 경우의 일산화탄소 농도, 질소 산화물 농도, 산소 농도의 각 농도비 K에서의 값을 도 10에 나타낸다. 여기에서, 촉매 통과 후의 산소 농도를 실험예 1과 같은 산소 농도 센서를 이용해서 측정했으므로, 실제는 1OOppm 이하인 값도 1OOppm으로 나타났다. 상기 촉매(4)의 전후에서의 가스의 온도는, 각각 약 323℃∼325℃, 약 344℃∼346℃이었다.

상기 실시예 1에 의하면, 연소 공기와 연료의 비율을 조정하는 댐퍼 위치 조정 수단(공기비 조정 수단)(30)에 의해, 공기비를 1.0으로 제어함으로써, 상기 촉매(4)의 1차측의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비를 상기 특이 기준 농도비 K0X로 제어(상기 조정 0)할 수 있고, 배출 NOx 농도 및 배출 CO 농도를 실질적으로 0으로 저감할 수 있다. 따라서, 물/증기 첨가에 의한 저NOx화 기술이나, 탈질소제의 투입에 의한 저NOx화 기술에 비하여, 공기비 조정 수단과 촉매를 이용한 간이한 구성으로 저NOx 및 저CO를 실현할 수 있다.

또한, 공기비를 실질적으로 1.0로 하고 있으므로, 에너지 절약 운전을 실행할 수 있다. 이와 관련하여, 통상적 보일러에서의 산소 농도 4%(공기비 약 1.235)의 운전과, 산소 농도 0%(공기비 약 1.0)의 운전을 비교하면, 보일러 효율 약 1∼2% 향상을 달성할 수 있다. 지구온난화 대책이 강하게 요구되는 오늘날, 이러한 보일러 효율 향상의 달성은 산업적 가치가 엄청나다.

또한, 상기 촉매(4)의 2차측에 상기 센서(7)를 설치하여 공기비를 제어하고 있으므로, 상기 촉매(4)의 1차측에 센서를 설치해서 제어하는 것에 비해서 제어를 안정화할 수 있다. 또, 산소 농도 1OOppm 이하의 분해능으로 공기비를 제어하고 있으므로, CO량이 많고, 동시에 공기비-CO 특성에 있어서 CO 증가율이 높은 영역에서의 공기비 제어를 양호한 응답성으로, 안정적으로 실행할 수 있다.

실시예 2

본 발명의 다른 실시예 2를 도 11 및 도 12에 따라 설명한다. 이 실시예 2는, 산소 농도를 검출하는 센서(7)를 상기 촉매(4)의 2차측이 아니고, 1차측에 설치한 것이다. 이 센서(7)는 산소 농도만을 검출하는 센서로 하고 있다. 그리고, 이 센서(7)에 의거한 상기 모터(34)의 제어 특성을 도 12에 나타낸다. 이하, 상기 실시예 1과 상이한 부분만을 설명하고, 공통적인 부분은 설명을 생략한다.

본 실시예 2에서는, 기준 설정 공기비 m0를 1(상기 촉매(4)의 2차측의 산소 농도를 0)이 되도록, 상기 센서(7)에 의해 상기 촉매(4)의 1차측의 산소 농도를 검출해서 간접적으로 공기비를 제어하는 것이다. 여러 가지의 실험 결과에 의거하여, 상기 촉매(4)의 1차측의 산소 농도 O₂를 0%＜O₂≤1.00%인 값으로 제어하면, 상기 식 (2)를 충족시키고, 상기 촉매(4)의 2차측의 산소 농도를 거의 0으로 하는, 즉 공기비를 거의 1로 하는 것이 가능하다는 것이 알려져 있다.

그래서, 이 실시예 2의 공기비 제어 프로그램에는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 상기 센서(7)로부터의 검출값 E(산소 농도 신호)에 의거하여, 이 검출값과 설정 산소 농도값의 차이에 대응하여 상기 모터(34)의 이송 속도 V(단위 시간당의 구동량)를 바꾸는 제1 제어대(C1)와, 이 제1 제어대(C1)의 외측에서 이송 속도 V를 각각 제1 설정값, 제2 설정값으로 하는 제2 제어대(C2A, C2B)를 설치하고, 상기 모터(34)의 구동량을 제어하는 제어 순서가 포함되어 있다.

상기 제1 제어대(C1)의 설정 범위는, 산소 농도 N1과 산소 농도 N2로 설정되 는 범위에 들어가도록 제어된다. 상기 제1 제어대(C1)에서의 이송 속도 V는, 상기 실시예 1과 동일하게 상기 식 (4)에서 계산된다.

실시예 3

이 실시예 3은, 상기 설정 공기비를, 도 13에 나타낸 바와 같이, 상기 2차 특성에서의 NOx 농도가 실질적으로 0을 초과하고, 상기 1차 특성에서의 NOx 농도보다 낮아지는 값으로 설정한 예이다. 이 값은, 상기 설정 공기비가, 실질적으로 1.0을 초과하는 상기 2차 특성의 2차측 NOx 누출 영역 R1의 공기비이다. 이 실시예 3에서의 농도비 K의 조정은, 상기 조정 2이다.

이 실시예 3에서의 상기 제1 제어대(C1)는, 제어 범위의 중심(목표 공기비)이 공기비 1.005(O₂ 농도: 약 1,000ppm), 좌측단이 실질적으로 공기비 1.0보다 낮은 영역의 값이고, 우측단이 공기비 1.01(O₂ 농도: 약 2,000ppm)이다. 이것을 도 7에서 설명하면, 상기 촉매(4) 1차측의 산소 농도가 상기 기준 산소 농도보다 높은 상기 2차측 NOx 누출 영역(상기 조정 2를 실현하는 영역) R1에서 공기비 제어를 행하게 된다.

(실험예 3)

본 실시예 3에 있어서, 상기 실험예 1과 동일한 조건(설정 공기비를 제외)으로 실험한 경우, 상기 촉매(4)의 1차측(상기 촉매(4) 통과 전)의 CO 농도, NOx 농도, O₂ 농도가 각각 10분간의 평균치로 1,878ppm, 78ppm, 3,192ppm으로 조정되고, 상기 촉매(4)의 2차측(상기 촉매(4) 통과 후)의 각각의 농도가 10분간의 평균치로 0ppm, 42ppm, 1,413ppm으로 되었다.

이 실험예 3으로부터 명확한 바와 같이, 실시예 3의 공기비 제어에 의하면, 상기 촉매(4)의 환원 작용에 의해, 배출 NOx 농도는 상기 1차 특성의 NOx 농도보다 낮은 값으로 저감되는 동시에, 배출C0 농도는 0으로 저감된다.

이 실시예 3에 있어서는, 상기 제1 제어대를 상기 2차측 NOx 누출 영역 Rl의 범위에서 자유롭게 설정할 수 있다. 상기 제1 제어대(Cl)를 공기비 1.0에 근접시킬수록, NOx의 저감 효과 및 에너지 절약 효과가 커진다. 그러나, 처리하는 CO 농도가 높으므로(구배가 급한 경우도 있음), C0가 누출되기 쉽고, 제어가 어려우며, 촉매량을 많이 필요로 한다. 그래서, 상기 제1 제어대를 공기비 1로부터 멀어지도록 우측으로 설정하면, 제어가 용이해짐과 아울러 상기 촉매(4)의 양을 적게 할 수 있다.

구체적으로는, 상기 제1 제어대(C1)의 좌단을 상기 실시예 3이 공기비 1.0 이하(도 13)로 하는 것이 아니고, 공기비 1.0으로 할 수 있다. 또, 상기 제1 제어대(C1)의 좌단을 공기비 1.0을 초과하는 값으로 설정하는 것도 가능하다.

실시예 4

이 실시예 4는, 도 14를 참조하여, 상기 공기비 제어 수단(28)을, 상기 송풍기(26)를 구동하는 송풍기용 모터(52), 이 모터(52)의 회전수를 제어하는 인버터(53)를 포함해서 구성한 것이다. 이 실시예 4에서는, 공기비 제어와 상기 농도비 일정 제어를 상기 댐퍼(29)를 이용해서 수행하는 것이 아니라, 상기 인버터(53)를 이용해서 수행하도록 구성하고 있다. 상기 제어기(8)에 의한 상기 송풍기용 모 터(52)의 제어는, 상기 실시예 1의 도 9에 나타내는 오버 슈트 및 헌팅을 억제하는 제어로 할 수 있다. 상기 댐퍼(29)는, 착화시에는 개도를 낮게 하고, 착화 후의 정상 연소에 들어가면, 개도를 크게 하고, 고연소 및 저연소의 풍량 제어를 행한다. 이 풍량 제어는, 상기 인버터(53)를 이용해서 수행할 수 있지만, 이것에 한정되지 않고, 상기 댐퍼(29) 및 상기 인버터(53) 중 어느 하나로 착화 시 등의 풍량 제어를 수행하도록 구성할 수 있다. 이 실시예 4에 있어서, 그 밖의 구성은 상기 실시예 1과 동일하므로 그의 설명을 생략한다.

본 발명은, 상기 실시예 1∼4에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 4 및 도 13에 나타내는 공기비-NOxㆍCO 특성은, 연소 장치의 상기 버너(1) 및 상기 통형 본체(3)의 구조에 따라 곡선 및 농도값이 다르므로, 상이한 특성을 이용할 수 있다. 또, 상기 실시예 1, 2에서는, 설정 공기비를 1.0 이상으로 하고 있지만, 연소성을 손상하지 않고, 탄화수소를 생성하지 않는 범위에서, 공기비 1.0보다 낮은 값으로 할 수 있다.

또, 상기 실시예 2에 있어서, 상기 센서(7)를 O₂ 농도 센서로 하고 있지만, CO 농도 센서로 할 수 있다. 또, 상기 댐퍼 위치 조정 장치(30)의 구조는, 여러 가지로 변형가능하다. 또, 상기 모터(34)는, 스테핑 모터 이외에, 예를 들면 기어 모터(도시 생략)로 할 수 있다. 또한, 상기 댐퍼 위치 조정 장치(30)를 단일 제어기(보일러 제어용의 제어기)(8)로 제어하고 있지만, 이 제어기(8)와 별도로 상기 댐퍼 위치 조정 장치(30)용의 다른 제어기(도시 생략)를 설치하고, 이 제어기와 상 기 센서(7), 상기 제어기(8)를 접속하여, 공기비를 제어하도록 구성할 수 있다.

Claims (11)

1. 연료를 버너에서 연소시킴으로써 생성되는 가스와 산화 촉매를 접촉시켜서 상기 가스 중에 포함되는 질소 산화물을 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서,

   탄화수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계,

   상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계, 및

   상기 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비를, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 되고, 일산화탄소 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하로 되는 소정 농도비로 조정하는 농도비 조정 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법.
2. 연료를 버너에서 연소시킴으로써 생성되는 가스와 산화 촉매를 접촉시켜서 상기 가스 중에 포함되는 질소 산화물을 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서,

   탄화수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계,

   상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계, 및

   상기 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비 K를 조정하는 농도비 조정 단계

   를 포함하고,

   상기 농도비 조정 단계는, 하기의 조정 0, 조정 1, 조정 2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법:

   조정 0: 상기 농도비 K를, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도 및 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 하는 기준 소정 농도비 K0로 조정함,

   조정 1: 상기 농도비 K를, 상기 산화 촉매 2차측의 질소 산화물 농도를 실질적으로 0이 되도록 함과 아울러 일산화탄소 농도를 소정값 이하가 되도록 하는 제1 소정 농도비 K1로 조정함,

   조정 2: 상기 농도비 K를, 상기 산화 촉매 2차측의 일산화탄소 농도를 실질적으로 0이 되도록 함과 아울러 질소 산화물 농도를 소정값 이하가 되도록 하는 제2 소정 농도비 K2로 조정함.
3. 제2항에 있어서,

   상기 기준 소정 농도비 K0을 판정하는 식을 다음 식 (1)로 하고, 상기 기준 소정 농도비 K0이 다음 식 (2)를 충족시키고, 상기 제1 소정 농도비 K1을 상기 기준 소정 농도비 K0보다 작게 하고, 상기 제2 소정 농도비 K2를 상기 기준 소정 농 도비 K0보다 크게 한 것을 특징으로 하는 보일러:

   ([NOx]+2[O₂])/[CO]=K … (1)

   1.0≤K = K0≤2.0 … (2)

   (식(1)에 있어서, [CO], [NOx] 및 [O₂]는 각각 일산화탄소 농도, 질소 산화물 농도 및 산소 농도를 나타내고, [0₂]＞0의 조건을 충족시킴).
4. 연료를 버너에서 연소시킴으로써 생성되는 가스와 산화 촉매를 접촉시켜서 상기 가스 중에 포함되는 질소 산화물을 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서,

   탄화수소를 함유하는 연료를 상기 버너에서 연소시켜서, 탄화수소를 포함하지 않고 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 생성시키는 연소 단계,

   상기 가스를 산화 촉매와 접촉시켜서 상기 가스에 포함되는 일산화탄소를 산소로 산화하고 질소 산화물을 일산화탄소로 환원하는 유해 물질 저감 단계, 및

   상기 산화 촉매 1차측의 가스 중의 산소, 질소 산화물 및 일산화탄소의 농도비 K를 소정 농도비로 조정하는 농도비 조정 단계

   를 포함하고,

   상기 소정 농도비가 다음 식 (3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법:

   ([NOx]+2[O₂])/[CO]=2.0 … (3)

   (식(3)에 있어서, [CO], [NOx] 및 [O₂]는 각각 CO 농도, NOx 농도 및 O₂ 농도를 나타내고, [0₂]＞O의 조건을 충족시킴).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 버너의 공기비를 1.1 이하로 하는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소정 농도비 K의 조정이, 상기 버너의 농도비 특성을 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 농도비 K의 조정이, 상기 버너, 및 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 가스로부터 흡열하는 흡열 수단의 농도비 특성을 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 농도비 K의 조정이, 상기 버너의 농도비 특성을 이용함과 아울러, 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 농도비를 보조적으로 조정하는 보조 조정 수단을 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 농도비 K의 조정이, 상기 버너 및 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 가스로부터 흡열하는 흡열 수단의 농도비 특성을 이용함과 아울러, 상기 버너와 상기 산화 촉매의 사이에 배치되어 상기 농도비 K를 보조적으로 조정하는 보조 조정 수단을 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법.
10. 버너의 연소에 의해 생긴, 질소 산화물 및 일산화탄소를 포함하는 가스를 산화 촉매와 접촉시킴으로써 배출 질소 산화물 및 배출 일산화탄소의 농도를 저감하는 질소 산화물 함유 가스의 처리 방법으로서,

    상기 가스 중에 산소를 포함시킴과 아울러, 상기 가스 중의 산화 촉매 1차측의 질소 산화물, 일산화탄소 및 산소의 농도비를 소정 농도비로 조정함으로써, 상기 질소 산화물 및 일산화탄소의 배출 농도가 실질적으로 영 또는 소정값 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 유해 물질 저감 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 공기비 조정 수단에 의한 설정 공기비를 1.1 이하로 하는 것을 특징으로 하는 유해 물질 저감 방법.

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