JPS6089624A - 燃焼機器の空気比制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、燃焼機器の排ガスによる熱損失の減少に関
するもので、ボイラーや湯沸器、火力発電機、工業炉等
に適したものである。

熱交換器は燃焼機器に関して、排ガスにより水等の流体
を加熱するものを意味する。しかしこの明細書では、流
体に限らず鉱石等の固体を排ガスにより加熱するものも
熱交換器に含めるものとする。

燃焼機器の熱効率は、排ガスと共に未利用の熱が運び去
られることにより低下する。排ガスによる熱損失（以下
排ガス損失と言う。）を小さくするには、バーナへの空
気供給量を必要最小限にとどめれば良い。

排ガス損失の減少のため、排ガス中の０２＆度を検出し
て空気比を制御することが、行われている。しかし実際
に必要なのは、空気比を一定にすることではなく、黒煙
の発生がなくＣＯ等の可燃性ガスの発生量が少ない範囲
でできる限り空気比を小さくすることである。そして最
適な空気比は、バーナの状態や燃焼負荷等により絶えず
変化する。

排ガス中の０□濃度が一定でも、ＣＯ等の発生量は変化
する。また０２濃度を検出する場合、煙道への空気の混
入により、検出粘度が低下する。

排ガス中のＳＯ□濃度は、燃料の種類と燃焼状態の双方
で定まる。燃料の変化による影秘を除くためには、ＳＯ
□の影春なしで空気比を制御せねばならない。

排ガス中の可燃性成分は、ＣＯと各種炭化水素類（以下
ＨＣと言う。）、及びＮ２とからなっている。これらの
発生量の比も、燃料の種類やバーナの状態により変化す
る。従って可燃性成分の検出は、ＣＯだけではなく、こ
れらの可燃性成分全体に対して行うのが好ましい。

この発明は、可燃性ガスの発生量に基づいて空気比を制
御し排ガス損失を小さくすることを基本的目的とする。

そして副次的目的として、ＣＯのみでなく可燃性ガスの
全量による制御を行うこと、およびＳＯ２の影響を除く
ことを課題とする。

この発明では、バーナからの排ガスを熱交換器により２
００〜５００℃程度に冷却した後に検出を行う。バーナ
の上流では排ガスの温度は高く、ガスセンサは可燃性ガ
スに感応せず、０２濃度のみの影響を受ける。つぎに可
燃性ガスの検出は、可燃性ガスにより抵抗値が変化する
金属酸化物半導体からなるガスセンサにより行う。この
ガスセンサは、ＣＯのみでなくＮ２やＨＣ等のガスにも
感応し、可燃性ガスの総量に対応した出力を与える。次
に本発明者らは、ガスセンサにはＣＯへの感度が最大で
８０２への感度が最小となる特定の温度があることを見
出した。そしてガスセンサは、排ガス、あるいは排ガス
とセンサ加熱用のヒータとの双方、により好ましい温度
に加熱される。ガスセ・ンサの出力は、最適空気比から
の変化で定まり、この出力により空気比を最適値に制御
することができる。

以下に、この発明の詳細な説明する。

第１図（Ａ）は、工業用ボイラーでＣ重油を燃料とした
際の、空気比（ＩＴＩ）と排ガス組成の関係を示すもの
である。このボイラーは、Ｃ重油を燃料とすると２００
０１／ｈｒの燃料供給量で負荷率が１００兎となるもの
で、このボイラーを用いて実施例を検討した。図の１１
は負荷率３０チでのＣＯｅＭ度を、ｍｌは５０チでのｃ
ｏｓｔ度を、ｈｌは８０チでのＣＯ濃反を示す。またｍ
２は負荷率５０％での０２濃度を、ｍ３とｍ４は同じ負
荷率での水蒸気濃度とＳ０２＃度とを示す。なお０２濃
度や、水蒸気やＳ０２の濃度は、負荷率の影響をはとん
ど受けず、他の成分はＮ２とＣ０２とである。この図か
ら最適空気比は燃焼の負荷率により変化すること、及び
０２濃度による制御では空気比は最適値に保たれないこ
とがわかる。

第１図（Ｂ）は、へ重油を燃料とした場合の同じボイラ
ーの排ガス組成を示す。この図でｌｌｌは負荷率３０係
でのＣＯ浴濃度、ｍｌｌは５０％でのＣＯ浴濃度、ｈｌ
ｌは８０係でのＣＯ浴濃度示す。またｍ１２は負荷率５
０係での０２濃度を、ｍ１３は同じ負荷率でのＨ２Ｏｇ
度を示す。この図から、最適空気比は燃料の種類によっ
ても変化することがわかる。

次に第２図は、このボイラーについての５ｎ０２系カス
センサの抵抗値と空気比−の関係を示すものである。こ
のガスセンサは、５ｎ０２１００重量部に０．３重量部
のＰｄを添加したもので、加熱温度は２５０℃である。

実験に用いた燃料はＣ重油で、曲線ｉ！２１は負荷率３
０チでのデータを、ｍ２１は５０％でのデータを、Ｎ２
１・は８０チでのデータを示す。第１図（Ａ）と第２図
とを対照すると、ガスセンサの抵抗値は空気比により単
純に定まるのではなく、最適空気比からのずれにより定
まることがわかる。この性質は、ガスセンサの抵抗値が
ＣＯ等の可燃性ガスにより定まることで、説明できる。

即ち最適空気比付近での空気比の変動を特徴づける量は
、排ガス中の可燃性ガス濃度の変動なのである。そして
このガスセンサの抵抗値は排ガス中の可燃性ガス濃度に
より定まる。そこでガスセンサの抵抗値は、最適空気比
からのシフトを示す量として用いることができる。

つぎに第３図（Ａ）　、　（Ｂ）を基に、実施例の装置
の構造を示す。燃料供給弁（２）と空気供給弁（４）を
介して、ボイラーのバーナ（６）に燃量と空気とを供給
する。バーナ（６）の排ガスにより、熱交換器（８）で
給水弁（ｌＯ）から送られる水を加熱し、蒸気を得る。

熱交換器（８）を通る過程で、排ガスの温度は２００〜
５００°Ｃに低下し、排ガス中の■２０６が固化して除
かれる。また排ガスは熱交換器（８）の内部で混合され
、ガスの組成が一様になる。熱交換器（８）と空気予熱
器（１１）の中間に、ガスセンサ０匂と温度検出用サー
ミスタ（１４）とを配置する。ガスセンサ０匂には、可
燃性ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体を用
い、排ガス中のＣｏ、Ｎ２．ＨＣ等の可燃性ガス濃度を
検出する。そしてこのガスセンサ（１２）はこれらの可
燃性ガスの総濃度を検出する。ガスセンサθ２）　＋−
！、排ガスと第３図（Ｂ）に示ずヒータθ６）とで加熱
される。排ガス温度の変動は、サーミスタ０４）により
検出され、ヒータ０６）への電力が変化し、ガスセンサ
（１２）の温度は一定に保たれる。

ガスセンサθ匂の出力は、コントローラ（ｌＩ１９に送
られ、空気比を制御する。ここでは空気供給弁（４）を
制御するようにしたが、燃料供給弁（２）、あるいは空
気供給弁（４）と燃料供給弁（２）の双方をコントロー
ラ（＋８）により制御しても良い。コントローラ（＋８
）の詳細を第３図（Ｂ）に示す。電源シ＠にガスセンサ
（Ｉ２）と負荷抵抗（ロ）とを直列に接続し、負荷抵抗
−への印加電圧をコンパレータ例により、基準電位と比
較する。コンパレータ例により空気供給弁制御器（２６
）を制御し、空気比を変化させる。このようにして、空
気比が最適空気比よりも小さい時には空気比を増し、大
きい時には空気比を減らし、空気比を最適値に保つ。ガ
スセンサ（Ｉ２）の抵抗値は、温度により変化する。サ
ーミスタ０４）により排ガスの温度を検出し、基準温度
からのシフトを差動増幅器四により検出し、可変電源（
３０）を制御し、ヒータθ６）への印加電圧を変化させ
る。このようにしてガスセンサ（１２）の温度を一定に
する。

ガスセンサ０２）の材料には、可燃性ガスにより抵抗値
が変化する金属酸化物半導体を用いる。ガスセンサ（１
２）の材料として最も好ましいものは５ｎ０２であり、
つぎに好ましいものはＩｎ２０Ｂである。

これらの材料はＳ０２ガスによる冷間腐蝕を受けない。

発明者はこのことを明らかにするため、５ｎ０２とＩｎ
２０Ｂ、ＺｎＯの３つの材料でガスセンサ０２）を作り
、８０２２０００　ｐｐｍ　を含む飽和水蒸気中に１０
日間室温で放置した。５ｎ０２　やＩｎ２Ｑ３を用いた
ガスセンサ睦では、この試験によっては劣化は生じなか
った。しかしＺｎＯでは材料の一部がＺｎＳＯ４に変化
してしまった。ＳＯ２による冷間腐蝕の効果を確認する
ため、５ｎ０２センサとＩｎ２０Ｂセンサに対し、前記
の試験を１０回繰り返した。しかしいずれのセンサも、
Ｓ０２による劣化を生じなかった。つぎに他の材料とし
て、ａ−Ｆｅ２０ＢとＭｇＦｅ２Ｏ４とを検討したが、
これらのものはＣＯガスへの感度が小さく、実用に耐え
なかった。例えは３５０℃に加熱した単味の金属酸化物
半導体に対して、空気中に１５０ｐｐｍ　のＣＯガスを
注入すると、５ｎ０２　の抵抗値は１／７に、Ｉｎ２０
Ｂの抵抗値は１／３に減少するのに対して、α−Ｆｅ２
ＯＢでは抵抗値は１０％減少するに過きす、またＭｇＦ
ｅ２Ｏ４では抵抗値は２０％増大するに過ぎない。

ガスセンサ（Ｉ２）の特性は、温度により変化する。

５ｎ０２１００重量部に０．３重社部のＰｄを加えたガ
スセンサ（１２）について、加熱温度とガス中での抵抗
値との関係を第４図に示す。図の各実線（Ｓｌ。

Ｎ３．Ｎ５）はＳＯ２を含まない雰囲気での抵抗値を、
各破線（Ｎ２．Ｎ４．Ｎ６）は１５００ｐｐｍのＳＯ２
を含む雰囲気での抵抗値を示し、実線と破線との間隔は
Ｓ０２への感度を示す。各ガスの組成を図に示すが、実
際にはこれに１０％の水蒸気を加えＮ２ガスでバランス
したものを用いた。ＣＯガスの感度には、２５０℃附近
に極大値が有り、温度を増しても減らしても感度は低下
する。Ｓ０２の影響は複雑で、ＣＯを含まない雰囲気で
は高温で影響が大きく、ＣＯを含む雰囲気では低温と高
温の双方で影響が増す。そしてＣＯガスへの感度が極大
となる２５０°℃附近で、Ｓ０２の影響が最小となる。

従ってこのガスセンサ（１２）については、加熱温度を
２５０°Ｃ（−１近とするのが良い。

ガスセンサθ匂の好ましい温度は、材料によっても変化
する。これらの結果を表１に示す。

先の実施例から添加物のＰｄを除くとく表１の試料１）
、最適加熱温度が１００℃高温側にシフトする。これが
添加Ｐｄの効果である。Ｐｄに代えても他のものを、例
えばＰｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕ　等の貴金属を加えても良
い。その際の結果を試料２〜６として示す。そしてＰｄ
等の添加量は１．０重量部以下が好ましく、これ以上で
はＣＯへの感度が低下し、Ｓ０２の影響が増す（表１の
試料３゜４参照）。いずれにせよ重要なことは、ガスセ
ンサ０２１とはＣＯへの感度が最大で、Ｓ０２の影響が
最小となる温度が存在することである。そしてガスセン
サ（１２）をこの温度に保つことにより、空気比の制御
精度を増すことができる。

第５図に、実施例の方法による空気比の制御例を示す。

ボイラーには第１図（Ａ）、　（Ｂ）の測定に用いたも
のを、Ｃ重油を燃料として作動させる。

ガスセンサ（１２）には表１の試料３のものを２５０℃
に加熱して用いる。図の上部はガスセンサ（１匂の出力
（ＶＲＬ）と、各出力の最適空気比からのシフト（Ｖｍ
）とを示すものである。そして図の下部に燃料供給量を
示す。この図から、最適空気比付近に、空気比を保ち得
ることがわかる。

つぎに、排ガス中（ＤＣＯ，ＨＣ，Ｈ２＋及び０２濃度
の分析例を表２に示す。

表２　排ガス中 サンプリングＮ。　ＣＯ（ｐｐｍ） Ｐ２　１５０ Ｐ　３　２００ Ｐ　４　１００ Ｎ１※２３００ ※Ｉ　ＰＩ〜Ｐ４は第５図の実験での排ガス￥２　天然
ガスを燃料とした際のもの。

のガス濃度 １５０　〜５０　０．８ ３０　２０以下　２．１ ５０　〜５０　２．８ ２０　２０以下　２．３ ２０　〜５０　２．４ １０　２０以下　１．３ よりサンプリング、サンプリング点を第５図に示す。

ＣＯとＨＣ，及びＨ２の濃度比は様々で、同じボイラー
でさえも燃焼負荷の変化等により異なることがわかる（
試料１〜４）。しかしこのガスセンサ（１２）Ｇま、可
燃性ガスの総濃度を示す出力を与えるので、ガスの濃度
比が変化しても検出精度が低下しないことがわかる。

以上に述べた様に、この発明では燃焼機器の空気比を常
に最適値に保つことができる。そしてガスセンサの温度
を選ぶことにより、Ｓ０２の影響を事実上除くことがで
きる。さらにガスセンサはＣＯ以外の、Ｈ２やＨＣ等の
可燃性ガスにも感応するので、生ずる可燃性ガスの組成
が変化した際にも検出精度が低下しない。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、　（Ｂ）は、それぞれ燃焼機器の特性図
である。第２図は実施例のガスセンサの特性図、第３図
（Ａ）は実施例に用いた装置のブロック図、第３図（Ｂ
）はその回路図である。第４図は実施例のガスセンサの
特性図、第５図は実施例の方法の特性図である。 （２）・・・燃料供給弁、（４）・・・空気供給弁、（
６）・・・バーナ、（８）・・・熱交換器、（１１）・
・・空気予熱器、（田川ガスセンサ、θ４）・・・サー
ミスタ、（１ａｌ・・・コントローラ。 特許出願人　フィガロ技研株式会社 代表者　千　葉　瑛

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ＋１＋　バーナからの排ガスを熱交換器により冷却し、
   可燃性ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体か
   らなるガスセンサをＣＯガスへの感度が最大でかつＳＯ
   ２ガスへの感度が最小となる温度に加熱し、このガスセ
   ンサにより熱交換後の排ガス中の可燃物濃度を検出し、
   このガスセンサの検出信号により空気比を制御するよう
   にした燃焼機器の空気比制御方法。