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公開番号2025114946
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-06
出願番号2024009197
出願日2024-01-25
発明の名称二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼システムと燃焼方法
出願人個人
代理人
主分類F23L 7/00 20060101AFI20250730BHJP(燃焼装置;燃焼方法)
要約【課題】燃料の燃焼によって生成されるCO₂やN₂OなどのGHG(地球温暖化ガス)を低減するためのシステムと方法の提供に関する。
【解決手段】酸素富化空気供給装置に酸素濃度計、供給空気量計測装置及び供給空気流量調整装置を備え、燃料供給装置に供給燃料計測装置を備えるとともに、酸素濃度計、供給空気量計測装置、供給燃料計測装置からの信号により、供給空気の流量を制御可能な制御装置を備えるとともに、排気系統に一酸化炭素濃度計測装置を備え、一酸化炭素濃度の信号を制御装置に入力して、排ガスの一酸化炭素濃度が設定された値(例えば200ppm以下)になるように、供給空気の流量を制御するという方法を用いることにより、良好な燃焼を持続させるために必要な最低量の空気を供給することが可能な、二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼システムと燃焼方法。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
酸素濃度計、供給空気流量計測装置及び供給空気流量調整装置を備える酸素富化空気供給装置、供給燃料計測装置を備える燃料供給装置、燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼装置及び、制御装置から構成される燃焼システムにおいて、酸素濃度計、供給空気流量計測装置、供給燃料計測装置からの信号により、供給空気の流量を、酸素濃度に対応した燃焼装置に起因する空気過剰率に変化させて（低減して）、良好な燃焼を維持した状態で燃焼温度を高温にすることにより、二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼システム。
続きを表示（約 2,400 文字）【請求項２】
酸素濃度計、供給空気流量計測装置及び供給空気流量調整装置を備える酸素富化空気供給装置、供給燃料計測装置を備える燃料供給装置、燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼装置及び、制御装置から構成される燃焼システムにおいて、酸素濃度計、供給空気流量計測装置、供給燃料計測装置からの信号により、供給空気の流量を、酸素濃度に対応した燃焼装置に起因する空気過剰率に変化させて（低減して）、良好な燃焼を維持した状態で燃焼温度を高温にするという方法を用いることにより、二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼方法。
【請求項３】
酸素富化空気供給装置、燃料供給装置及び、燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼装置において、排気系統に一酸化炭素濃度計測装置を備え、一酸化炭素濃度の信号を制御装置に入力して、排ガスの一酸化炭素濃度が設定された値（例えば200ppm以下）になるように、供給空気の流量を制御することにより、良好な燃焼を持続させるために必要な最低量の空気を供給することが可能な、請求項１に記載された二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼システム。
【請求項４】
酸素富化空気供給装置、燃料供給装置及び、空気を混合して燃焼させる燃焼装置において、排気系統に一酸化炭素濃度計測装置を備え、一酸化炭素濃度の信号を制御装置に入力して、排ガスの一酸化炭素濃度が設定された値（例えば200ppm以下）になるように、供給空気の流量を制御するという方法を用いることにより、良好な燃焼を持続させるために必要な最低量の空気を供給することが可能な、請求項２に記載された二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼方法。
【請求項５】
ボイラーにおいて、燃焼装置へ供給する空気の流量 [kg/h] を調整する装置を用いて燃焼装置への供給空気量を理論空気量に近い値まで減少させることにより、単位燃料の燃焼によって加熱される供給空気の温度をより高温にするとともに、炉（燃焼装置の燃焼室）内における燃焼ガスの流動速度を低下させて、燃焼ガスから給水へ移動する熱量を増加させることにより、有効出熱（燃焼装置で吸収した熱量）の値をできるだけ大きくして、入出熱法で算出されるボイラー効率を改善するためのシステムを有することを特徴とする、請求項１に記載された二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼システム。
【請求項６】
ボイラーにおいて、燃焼装置へ供給する空気の流量 [kg/h] を調整する装置を用いて燃焼装置への供給空気量を理論空気量に近い値まで減少させることにより、単位燃料の燃焼によって加熱される供給空気の温度をより高温にするとともに、炉（燃焼装置の燃焼室）内における燃焼ガスの流動速度を低下させて、燃焼ガスから給水へ移動する熱量を増加させるという方法を用いることにより、有効出熱（燃焼装置で吸収した熱量）の値をできるだけ大きくして、入出熱法で算出されるボイラー効率を改善することを特徴とする、請求項２に記載された二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼方法。
【請求項７】
ボイラーにおいて、燃焼装置へ供給する空気の流量 [kg/h] を調整する装置を用いて燃焼装置への供給空気量を理論空気量に近い値まで減少させることにより、排ガス量を減少させるとともに、炉（燃焼装置の燃焼室）内における燃焼ガスの流動速度を低下させて、燃焼ガスから給水へ移動する熱量を増加させることにより排ガス温度を低下させ、排ガスの流量 [ kg/h] 、排ガス温度 [℃] 及び比熱 [kJ/kg・℃] の積で算出される熱損失 [ kJ/h ] の値をできるだけ小さくして、熱損失法で算出されるボイラー効率を改善するためのシステムを有することを特徴とする、請求項１に記載された二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼システム。
【請求項８】
ボイラーにおいて、燃焼装置へ供給する空気の流量 [kg/h] を調整する装置を用いて燃焼装置への供給空気量を理論空気量に近い値まで減少させることにより、排ガス量を減少させるとともに、炉（燃焼装置の燃焼室）内における燃焼ガスの流動速度を低下させて、燃焼ガスから給水へ移動する熱量を増加させることにより排ガス温度を低下させるという方法を用いて、排ガスの流量 [ kg/h] 、排ガス温度 [℃] 及び比熱 [kJ/kg・℃] の積で算出される熱損失 [ kJ/h ] の値をできるだけ小さくして、熱損失法で算出されるボイラー効率を改善することを特徴とする、請求項２に記載された二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼方法。
【請求項９】
ボイラーにおいて、燃焼装置へ供給する空気の流量 [kg/h] を減少させることにより、熱損失法で算出されるボイラー効率を改善するためのシステムにおいて、炉内における燃焼状態の良否を一酸化炭素（CO）の濃度で評価するための装置と供給空気量を調整するための装置を有することを特徴とする、請求項１に記載された二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼システム。
【請求項１０】
ボイラーにおいて、燃焼装置へ供給する空気の流量 [kg/h] を減少させることにより、熱損失法で算出されるボイラー効率を改善するためのシステムにおいて、炉内における燃焼状態の良否を一酸化炭素（CO）の濃度で評価するという方法を用いるとともに、その結果を基に供給空気量を調整するという方法を用いることを特徴とする、請求項２に記載された二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を低減する燃焼方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置に供給される空気中に含まれる酸素の割合（酸素濃度）を増加させて燃焼装置の燃焼室における燃焼温度を高くすることにより、燃料の燃焼によって生成される二酸化炭素（CO
2
）や亜酸化窒素（N
2
O）などの地球温暖化ガス（GHG）を低減するとともに、熱損失法で算出されるボイラーのボイラー効率を改善するためのシステムと方法の提供に関する。
続きを表示（約 4,000 文字）【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止の一環として、燃焼装置から排出される二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量の削減が求められている。二酸化炭素は燃料中に含まれる炭素（C）が、燃焼装置の燃焼室において酸素と反応することにより生成されるため、その生成量を低減するためには燃焼装置の機能を果たすために必要な熱量に対応する燃料中に含まれる炭素の割合を削減する必要がある。ボイラーに設置された燃焼装置の機能は熱エネルギーにより水を蒸気に変換することにあるため、単位質量当たりの水を蒸気に変換するために使用する熱量、すなわちボイラー効率を向上させることにより二酸化炭素及び、又は亜酸化窒素の生成量を削減することが可能となる。
【０００３】
これに対し、燃焼装置の燃料として炭素を含まない物質、例えばアンモニア（NH
3
）や水素（H
2
）を用いるか、これらの燃焼を混焼することにより、燃焼時において炭素を排出しないか、混焼率に比例して炭素の排出量を削減することができる。しかし、アンモニアを燃焼させた場合、二酸化炭素は排出しないが、多量の亜酸化窒素を排出する可能性があるため、カーボンニュートラル社会に向けて、亜酸化窒素の低減技術を確立する必要がある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、「亜酸化窒素の低減方法としてプロパン、微粉炭をバーナー用の燃料として用い、燃焼排ガスを1000℃以上に昇温することによって亜酸化窒素を分解して低減する技術」が記載されている。
特許文献2には、「燃焼排ガスを除塵用多孔性セラミックスフィルタに通過させ、その交流で該排ガス温度が550℃以上である領域に配置したγ－アルミナよりなる触媒層を更に該排ガスを通過させて燃焼排ガス中の亜酸化窒素を低減する方法」が記載されている。
特許文献３には、「燃焼温度が低い燃焼炉から発生する亜酸化窒素を含む排ガス中の亜酸化窒素を低減するために、燃焼排ガス中の亜酸化窒素を600℃以上の領域で、ペロブスカイト型酸化物を触媒として窒素に分解させる燃焼排ガス中の亜酸化窒素の低減方法」が記載されている。
特許文献４には、「燃焼排ガス中に含有される亜酸化窒素を低温で効果的に分解して亜酸化窒素の排出量を低減させるために、亜酸化窒素を含有する燃焼排ガスを、硫酸処理したゼオライト系触媒と接触させ、亜酸化窒素を窒素及び酸素に分解させる技術」が記載されている。
しかし、いずれの文献に記載された技術も、地球温暖化ガスである二酸化炭素と亜酸化窒素の同時低減に関する記載はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開平３－２３６５１０号公報
特開平５－１５７４２号号公報
特開平５－２６９３５２号公報
特開平５－４９８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
亜酸化窒素は、一般に高温度（1300℃以上）での燃焼方式（微粉炭燃焼、ガス燃焼、油燃焼等）ではほとんど発生しないが、低温度（700℃～900℃）で燃焼させる方式ではかなりの濃度で発生するとされている。
燃料は、一般に炭素、水素及び硫黄（S）から構成され、これを燃焼させて熱エネルギーを得るためには、燃料と酸素（O
2
）を混合・着火させる必要がある。
酸素は、大気（空気）中に約21vol.%、23.2wt.%含まれているため、良好な燃焼を得るためには予め燃料と空気を混合した後に着火・燃焼させる方式（予混合燃焼）と、燃焼室に燃料と空気を個別に供給して混合して着火・燃焼させ、その後も連続して混合・燃焼させる方式（拡散燃焼方式）のいずれかの方式が採用されている。
予混合燃焼方式においては、燃料と空気を均一に混合させることが容易なため、燃焼室内の温度全体を亜酸化窒素が発生する温度以上に保つことが容易であるが、拡散燃焼方式においては、燃料と空気を個別に供給し燃焼室内で混合して燃焼させるため、燃焼室全体で均一に混合することは困難である。
【０００７】
燃料が燃焼するために、理論的に必要な空気の量である理論空気量A
0
は、次式で示される。
A
0
= (22.4/0.210)｛c/12 + 1/4(h - o/8) +s/32｝[Nm
3
/kg-f] ・・・・・（１）
上式において、“c”、“h”、“o”、“s”は、それぞれ、燃料中に占める炭素、水素、酸素、硫黄の割合を示し、“0.210”は空気中の酸素の割合を示す。
理論空気量は、燃料が完全に燃焼するのに理論的に必要な空気量であり、予混合燃焼方式の場合、燃料の燃焼に必要な空気量は理論空気量とほぼ同じとなるが、燃料と空気を別々に供給し、燃焼室で混合・燃焼させる拡散燃焼方式の場合、燃焼室全体で均一に混合することは困難である。
このため、理論空気量だけの理論空気量だけの空気を供給した場合、空気不足の部分が生じて一酸化炭素（CO）や未燃の燃料（HC）などの未燃ガスや“すす”が生成・排出される。
これを防止するために、燃焼装置には理論空気量よりも多い空気を供給するのが普通であり、実際に供給する空気量と理論空気量との比を空気過剰率という。
空気過剰率mは、実際に供給する空気量をAとすると、次式で示される。
A = mA
0
・・・・・（２）
空気過剰率の値は、燃焼装置の種類や運転状態によって変化するが、燃焼装置が設置された機器において、効果的な燃焼（供給燃料に対する機器に求められる効果が最大付近になる時の燃焼状態）が行われているときの空気過剰率はほぼ一定となる。すなわち、一般的な空気過剰率の値は、機器の種類と燃焼状態によって決まるといえる。
【０００８】
燃焼用空気量Aが、燃焼の燃焼によって発生した熱エネルギーQによって加熱された時の温度をT、空気の平均定圧比熱をcpとすると、それぞれの関係は次式により示される。
Q = A x cp x (T－25) 、 (T－25) = Q／(A x cp)
上式から、燃焼室に供給する燃料の量が一定の場合、空気の平均定圧比熱をcpが一定であれば、燃焼室内における空気の温度は燃焼用空気の量によって決まる。
燃焼用空気量（燃料が燃焼するために必要な空気の量）Aは、式（２）に示すように、理論空気量A
0
と空気過剰率mの積で示され、理論空気量A
0
は、式（１）に示すように、
A
0
= (22.4/0.210)｛c/12 + 1/4(h - o/8) +s/32｝[Nm
3
/kg-f] ・・・・・（１）
で示される。
式（１）において、燃料中に含まれる成分の割合が一定の場合、理論空気量A
0
は酸素濃度によって変化することが分かる。
このことから、燃焼用空気中の酸素濃度を21％よりも高くすることによって理論空気量A
0
の値が小さくなり、空気過剰率mが一定であれば、燃焼用空気量Aの値も小さくなるため、燃焼用空気が加熱された時の温度Tが高くなることが分かる。
【０００９】
ボイラーにおける燃焼装置の機能は熱エネルギーにより水を蒸気に変換することにあるが、具体的には燃焼装置の燃焼室において燃料を燃焼させることにより高温の燃焼ガスを生成し、この熱を用いて水を蒸気に変換（相変化）している。この際、燃焼ガスが保有する熱量が燃焼装置に設置された缶を通して水に供給される（熱伝導）が、その熱量は温度差と時間に比例するため、燃焼ガスの温度をできるだけ高くするとともに、高温の燃焼ガスをできるだけ炉内に留まらせることにより、効果的な伝熱が可能となる。そのためには、炉内に供給する空気量をできるだけ少なくする（供給空気中の酸素濃度が一定であれば空気過剰率をできるだけ小さくする）ことにより燃焼ガスの温度を高温にできるとともに、炉内に留まる時間を留まる時間を長くできるが、燃料と空気の混合が不十分だと不完全燃焼となり、ボイラー効率が低下するだけでなく他の大気汚染物質（例えばＰＭ）を生成する可能性がある。
【００１０】
そこで本発明は、下記の要素を備えた、汎用性が高く、既存の燃焼装置の燃焼装置にも適用可能な、燃焼装置における燃料の燃焼時にCO
2
の排出量を低減するとともに、ボイラー効率を向上させるための装置とシステムを提供することを目的とする。
１．不完全燃焼を示す指標として、排ガス中に含まれる一酸化炭素（CO）を用いることにより、燃焼装置及び燃焼を伴う全ての燃焼装置における燃料の優劣を一義的に判定することが可能となる。
２．不完全燃焼を改善する方法として、本発明では供給空気の酸素濃度を増加させる技術を用いることにより、燃焼装置及び燃焼を伴う全ての燃焼装置における不完全燃焼を改善することが可能となる。
３．不完全燃焼の原因として、燃料の燃焼に必要な理論空気量に基づく評価指標である空気過剰率を用いることが一般的であるが、本発明では供給空気の酸素濃度を増加させる技術を用いるため、新たに「酸素過剰率」という用語を定義するとともに、これを用いた解析を行う。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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