JP2004069140A

JP2004069140A - 低ＮＯｘ燃焼装置

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Publication number: JP2004069140A
Application number: JP2002227380A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kayahara; 茅原　敏広; Noboru Takubo; 田窪　昇
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】排出ＮＯｘ値が１０ｐｐｍを下回る超低ＮＯｘ化を容易に実現できる低ＮＯｘおよび低ＣＯ燃焼方法とその装置を提供すること。
【解決手段】排ガス再循環通路８を通して排ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域２０へ再循環させることにより燃焼ガスを抑制する抑制手段を含み、排出ＣＯ値の低減に優先して生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化を行う低ＮＯｘ化手段と、排ガス通路７に設けられ低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を低減する低ＣＯ化手段２７とを備え、排ガス再循環通路８を排ガス通路７の低ＣＯ化手段２７の後流位置から分岐する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水管ボイラ，吸収式冷凍機の再熱器などに適用される低ＮＯｘ燃焼方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＮＯｘの発生の抑制原理として、▲１▼火炎（燃焼ガス）温度の抑制，▲２▼高温燃焼ガスの滞留時間の短縮，▲３▼酸素分圧を低くすることなどが知られている。そして、これらの原理を応用した種々の低ＮＯｘ化技術がある。たとえば、２段燃焼法，濃淡燃焼法，排ガス再循環燃焼法，水添加燃焼法，蒸気噴射燃焼法，水管群による火炎冷却燃焼法などが提案され実用化されている。
【０００３】
ところで、水管ボイラなどの比較的容量の小さいＮＯｘ発生源に対しても時代と共に排ガス規制が厳しくなり、一層の低ＮＯｘ化が求められるようになってきている。出願人は、これらの要請に対する低ＮＯｘ化技術を特開平１１−１３２４０４号公報（米国特許第６０２９６１４号明細書）などにて提案した。
【０００４】
しかしながら、これらの先行技術によるＮＯｘ低減は、現実には２５ｐｐｍ程度にとどまり、１０ｐｐｍを下回る低ＮＯｘ化技術はいまだ実用化されていない。以下、生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化を超低ＮＯｘ化という。
【０００５】
その原因は、低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とが相反する技術的課題であることにある。すなわち、低ＮＯｘを推し進めるために燃焼ガス温度を急激に低下させ、９００℃以下の低い温度に抑制すると、ＣＯが多量に発生すると共に発生したＣＯが酸化されないまま排出され、ＣＯ排出量が増大してしまう。逆に、ＣＯの排出量を少なくするために、燃焼ガス温度を高めに抑制すると、ＮＯｘの生成量の抑制が不十分となる。
【０００６】
前記先行技術にて提案の低ＮＯｘ化技術も、低ＮＯｘ化に伴い発生するＣＯ量をできるだけ少なくするように、また発生したＣＯが酸化するように燃焼ガス温度を抑制するものである。その結果、前記先行技術は、低ＮＯｘ化のための手段の選択が限定され、かつ燃焼ガス温度の抑制が不十分であり、前記超低ＮＯｘ化を実現するものではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、ＣＯの発生を考慮することなく低ＮＯｘ化を推し進めることができると共に、排出ＮＯｘ値が１０ｐｐｍを下回るような低ＮＯｘ化を容易に実現でき、しかも低ＣＯ化をも同時に実現できる低ＮＯｘ燃焼装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、排ガス再循環通路を通して排ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることにより燃焼ガスを抑制する抑制手段を含み、ＮＯｘ発生の抑制を排出ＣＯ値の低減に優先するように燃焼ガス温度を抑制してＮＯｘ値を所定値以下とする低ＮＯｘ化手段と、排ガスが流通する通路に設けられ前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を低減する低ＣＯ化手段とを備え、前記排ガス再循環通路を前記排ガスが流通する通路の前記低ＣＯ化手段の後流位置から分岐することを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、燃焼反応領域に設けた吸熱体群により燃焼ガス温度を抑制する第一抑制手段、排ガス再循環通路を通して排ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることにより燃焼ガス温度を抑制する第二抑制手段および前記バーナの燃焼用空気への水または蒸気添加により燃焼ガス温度を抑制する第三抑制手段を含み、ＮＯｘ発生の抑制を排出ＣＯ値の低減に優先するように燃焼ガス温度を抑制してＮＯｘ値を所定値以下とする低ＮＯｘ化手段と、排ガスが流通する通路に設けられ前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を低減する低ＣＯ化手段とを備え、前記排ガス再循環通路を前記排ガスが流通する通路の前記低ＣＯ化手段の後流位置から分岐することを特徴としている。
【００１０】
さらに、請求項３に記載の発明は、前記低ＣＯ化手段が、ＣＯ酸化触媒体であることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を説明する前に、本明細書において使用する用語について説明する。燃焼ガスは、燃焼反応中（燃焼過程）の燃焼ガスと燃焼反応が完結した燃焼ガスとを含む。そして、燃焼反応中ガスは燃焼反応中の燃焼ガスを意味し、燃焼完結ガスは燃焼反応が完結した燃焼ガスを意味する。また、燃焼反応中ガスは、物質概念であるが、一般的には目視可能な火炎を含み火炎状態であるので、状態概念として火炎と称することもできる。よって、本明細書においては、燃焼反応中ガスを火炎または燃焼火炎と称する場合もある。また、排ガスとは伝熱管などによる吸熱作用を受けて温度低下した燃焼完結ガスをいう。
【００１２】
また、燃焼ガス温度は、特に断らなければ、燃焼反応中ガスの温度を意味し、燃焼温度あるいは燃焼火炎温度と同義である。さらに、燃焼ガス温度の抑制とは、燃焼ガス（燃焼火炎）温度の最高値を低く抑えることを意味する。なお、通常、燃焼反応は、燃焼完結ガス中においても極微量であるが継続しているので、燃焼完結とは、燃焼反応の１００％完結を意味するものではない。
【００１３】
さらに、空気比は、実際燃焼空気量／理論燃焼空気量であるが、排ガスＯ_２（％）（排ガス中の酸素濃度）と所定の関係で対応しているので、排ガスＯ_２（％）にて表示する。また、ＮＯｘ値は、排ガス０％Ｏ_２換算の値を示し、ＣＯ値は、換算値でなく読取値を示す。
【００１４】
つぎに、この発明の実施の形態について説明する。この発明は、小型貫流ボイラなどの水管ボイラ，給湯器，吸収式冷凍機の再熱器などの熱機器（燃焼機器と称しても良い。）に適用される。この熱機器は、バーナとこのバーナからの燃焼ガスによって加熱される吸熱体群を有する。
【００１５】
この発明の実施の形態は、排ガス再循環通路を通して排ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることにより燃焼ガスを抑制する抑制手段を含み、ＮＯｘ発生の抑制を排出ＣＯ値の低減に優先するように低ＮＯｘ化を行う低ＮＯｘ化手段と、排ガスが流通する通路に設けられ前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を低減する低ＣＯ化手段とを備え、前記排ガス再循環通路を前記排ガスが流通する通路の前記低ＣＯ化手段の後流位置から分岐する低ＮＯｘ燃焼装置に関する。
【００１６】
この実施の形態は、ＮＯｘが一度生成するとその後は殆ど消滅しないのに対して、ＣＯが生成後に容易に低減できるという特性に着目してなされたものである。
【００１７】
前記低ＮＯｘ化手段は、燃焼ガス温度を抑制し、生成ＮＯｘ値を所定値以下に低減する。前記所定値は、従来達成されていたＮＯｘ値以下であり、好ましくは１０ｐｐｍ以下である。この低ＮＯｘ化においては、排出ＣＯ値の低減，すなわちＣＯの生成の抑制とＣＯの酸化の促進に優先して低ＮＯｘ化を進める。この優先とは、燃焼の継続を条件に可及的に燃焼ガス温度を抑制し、まずはＮＯｘ低減化を低ＣＯ化に先だって行い、ＮＯｘ低減化の後にＣＯの低減化を行うことを意味し、また相反する技術的課題である低ＮＯｘ化と低ＣＯ化のうち低ＣＯ化を犠牲あるいは無視して低ＮＯｘ化を進めることを意味する。
【００１８】
前記低ＮＯｘ化手段は、前記バーナの空気比の増加に従い生成ＮＯｘ値が減少する空気比対ＮＯｘ特性と前記空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加する空気比対ＣＯ特性とを有している。前記低ＮＯｘ化手段は、同手段が有する空気比対ＮＯｘ特性において、ＮＯｘ値がＮＯｘ低減目標値以下となる空気比を求め、この空気比にて前記バーナを燃焼させて低ＮＯｘ化を行う。この空気比を求める際には前記低ＮＯｘ化手段が有する空気比対ＣＯ特性は考慮しない。
【００１９】
ついで、前記低ＣＯ化手段の構成につき説明する。この低ＣＯ化手段は、前記低ＮＯｘ化手段において発生し、排出されたＣＯ値をＣＯ低減目標値である所定値以下に低減する。前記所定値は、５０ｐｐｍであり、好ましくは２０〜３０ｐｐｍである。
【００２０】
前記低ＣＯ化手段は、好ましくは燃焼ガスの温度が９００℃以下の領域に配置される。ＣＯは、燃焼ガス温度が９００℃〜１４００℃の範囲で、かつ必要な滞留時間を与えると、ＣＯ_２に酸化することが知られている。しかしながら、この温度を維持しようとすると、低ＮＯｘ化を優先して行うことに対する束縛になる。しかしながら、燃焼ガスの温度が９００℃以下の領域において行うことによりこの束縛を外すことができる。また、前記低ＣＯ化手段を選定するに際して、耐熱性の条件が緩和され、選定が容易となる。
【００２１】
そして、前記排ガス再循環通路は、前記排ガスが流通する通路の前記低ＣＯ化手段の後流位置において分岐され、排ガス再循環通路には、低ＣＯ化手段によりＣＯ値を低減した後の排ガスが供給される。前記排ガスが流通する通路とは、通常煙突または排気ダクトと称される排ガス通路のみならず、蒸気ボイラなどの缶体内における排ガスが流通する部分を含む。この構成により、前記排ガス再循環通路からバーナに至る経路における排ガス漏れによる危険性を防止できる。
【００２２】
前記ＣＯ低減目標値をクリアするために前記ＣＯ酸化触媒体の処理容量は、つぎのようにして設定される。まず、ＮＯｘ低減目標値と前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性とから所定空気比を求め、この所定空気比と空気比対ＣＯ特性とから、前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を求める。そして、この排出ＣＯ値とＣＯ低減目標値とに基づき、前記ＣＯ酸化触媒体の処理容量を前記ＣＯ酸化触媒体を出た後の排出ＣＯ値が前記ＣＯ低減目標値以下となるように設定する。
【００２３】
前記低ＣＯ化手段としては、ＣＯをＣＯ_２に酸化させるＣＯ酸化手段を用い、好ましくはＣＯ酸化触媒体を用いる。このＣＯ酸化触媒体は、ＣＯの酸化だけでなく、未燃分の酸化を行う。前記ＣＯ酸化触媒体は、ボイラなどの熱機器への取付け易さ，メンテナンス性，コストの観点から好ましい手段である。
【００２４】
前記ＣＯ酸化触媒体は、１００℃〜１０００℃で酸化触媒作用をなすものが選ばれる。下限の１００℃は、前記ＣＯ酸化触媒体の活性化温度，すなわち有効な酸化触媒作用を発揮する温度であり、上限の１０００℃は、前記ＣＯ酸化触媒体の耐熱性により決まる温度である。結局、前記ＣＯ酸化触媒体は、前記バーナからの燃焼ガスが流通する通路において、燃焼ガス温度が、低ＮＯｘ化を優先する点から９００℃以下で、前記ＣＯ酸化触媒体の活性化温度の点から１００℃以上の領域に配置される。具体的な前記ＣＯ酸化触媒体の配置位置は、さらに熱機器の缶体構造などを考慮して決定される。
【００２５】
また、前記ＣＯ酸化触媒体は、通気性を有する基材に酸化触媒を塗布した構成とする。前記基材としては、ステンレスなどの金属，セラミックが用いられ、排ガスとの接触面積を広くするような表面処理が施される。酸化触媒としては、一般的に白金が用いられるが、実施に応じて、白金族の貴金属またはクロム，マンガン，鉄，コバルト，ニッケルなどの金属酸化物を用いることができる。
【００２６】
ここで、前記低ＮＯｘ化手段の好ましい形態は、完全予混合式のバーナを高空気比で燃焼させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第一抑制手段」という。）と、吸熱体群による燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第二抑制手段」という。）と、燃焼完結ガスを燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第三抑制手段」という。）と、前記燃焼反応領域への水添加または蒸気添加（以下、「水／蒸気添加」という。）による燃焼ガス温度の抑制手段（以下、「第四抑制手段」という。）とを組み合わせたものとする。前記燃焼反応領域とは、燃焼反応中ガスが存在する領域である。
【００２７】
前記第一抑制手段は、つぎの原理に基づく。前記バーナを高空気比にて燃焼させると、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が低減する。ここにおける高空気比とは、排ガス中に含まれるＯ_２（％）：５以上であり、好ましくは５．５以上である。この抑制作用は、前記バーナにより形成される燃焼反応領域全体にほぼ均一に作用する。
【００２８】
前記第二抑制手段は、つぎの原理に基づく。前記バーナからの燃焼反応中ガス中，すなわち前記燃焼反応領域に吸熱体を多数配置して構成した吸熱体群の冷却作用により燃焼ガス温度を抑制して、ＮＯｘ値を低減する。この第二抑制手段は、前記吸熱体群を配置して燃焼反応中ガスを冷却するので、不均一冷却である。そして、前記燃焼反応領域の吸熱体間の隙間においては燃焼が活発に行われている部位もある。特に、前記吸熱体の後流においては、渦流が形成されて、燃焼火炎は伝熱管により保炎される。前記吸熱体は、水管などの伝熱管にて構成されるが、これに限定されるものではない。
【００２９】
燃焼反応中ガスの流れに対してどのように前記吸熱体群を配置するかの配置構成として、つぎの２つの形態を含む。その一つは、前記バーナから排ガス出口までほぼ直線状に燃焼ガスが流通する燃焼ガス通路を形成し、前記バーナからの燃焼反応中ガスと交叉するように前記吸熱体群を互いに燃焼ガスの流通を許容する間隙を存して配置する構成である。他の一つは、吸熱体群を互いに燃焼ガスの流通を許容する間隙を存して環状に配列し、前記バーナからの燃焼ガスを前記環状吸熱体群の内側から前記吸熱体群に向けて放射方向に流通させるように構成して、前記バーナからの燃焼反応中ガス中に前記吸熱体群に配置する構成である。後者の構成は、前記特開平１１−１３２４０４号公報（米国特許第６０２９６１４号明細書）に示されるものと同様である。
【００３０】
前記第三抑制手段は、所謂排ガス再循環燃焼法と称されるもので、前記吸熱体群による吸熱作用を受けて温度低下した後大気へ放出される排ガスの一部が、排ガス再循環通路を介して燃焼用空気に混入される。混入した排ガスの冷却効果により、燃焼ガス温度を抑制して、ＮＯｘ値を低減する。この第三抑制手段は、燃焼ガスの均一冷却である。
【００３１】
前記第四抑制手段は、前記燃焼反応領域への水／蒸気添加である。この水／蒸気添加により、燃焼反応中ガスが冷却され、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が低減する。この第四抑制手段も燃焼ガスの均一冷却である。前記水／蒸気添加は、実施に応じて前記排ガス循環通路において行うことができる。さらには、前記バーナを完全予混合式バーナとし、送風機により燃焼用空気と燃料ガスとの混合気を前記バーナへ送る実施の形態においては、前記バーナと前記送風機との間において蒸気添加を行うことができる。なお、水添加は、水を霧状として添加する。
【００３２】
前記第一抑制手段〜前記第四抑制手段の組合せによる効果はつぎの通りである。個々の抑制手段の機能を単独に強化すると、各抑制手段の有する欠点が問題化してくるが、４つの抑制手段を組み合わせることで、これらの欠点を問題化することなく、比較的簡単に超低ＮＯｘを実現できる。特に、前記第四抑制手段よる不安定特性を緩和して安定した低ＮＯｘ化を実現できる。
【００３３】
前記低ＮＯｘ化手段は、少なくとも前記第三抑制手段（排ガス再循環）を有するつぎの３つの変形例を含む。▲１▼前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）を除き、前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）と前記第四抑制手段（水／蒸気添加）との３つの抑制手段を組み合せた形態。▲２▼前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）と前記第二抑制手段（吸熱体群群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）との３つの抑制手段を組み合せた形態。▲３▼前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）と前記第三抑制手段（排ガス再循環）との２つの抑制手段を組み合せた形態。なお、前記低ＮＯｘ化手段は、少なくとも前記第三抑制手段（排ガス再循環）を含めばよく、この変形例に限定されない。また、これらの変形例において、前記低ＮＯｘ化手段の前記バーナの種類および形式については特定のものに限定されるものではない。
【００３４】
さらに、前記実施の形態においては、好ましくは、前記空気比を所定高空気比に制御する空気比制御手段を付加する。より具体的には、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設け、この酸素濃度検出手段による検出酸素濃度が前記所定高空気比に対応する設定値となるように、前記バーナへ燃焼用空気を送風する送風機の回転数を制御する。前記の所定高空気比は、前記のように前記低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性において前記ＮＯｘ低減目標値に対応する空気比である。
【００３５】
【実施例】
この発明の低ＮＯｘ燃焼方法とその装置を水管ボイラの一種である貫流式の蒸気ボイラに適用した実施例について、以下に図面に従い説明する。図１は、この発明の一実施例を適用した蒸気ボイラの縦断面の説明図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面図であり、図４および図５は、それぞれ図１に示す実施例における高燃焼時，低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性を示す図であり、図６は、図１に示す実施例の要部制御回路図であり、図７は、図１に示す実施例のＣＯ酸化触媒体を排ガスの流れ方向から見た要部構成を示す図である。
【００３６】
以下に、この実施例のボイラの全体構成を説明し、ついで特徴部分の構成につき説明する。特徴部分とは、完全予混合式のバーナを高空気比で燃焼させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（第一抑制手段），多数の伝熱管による燃焼ガス温度の抑制手段（第二抑制手段），燃焼完結ガスを燃焼反応領域へ再循環させることによる燃焼ガス温度の抑制手段（第三抑制手段）および前記燃焼反応領域への水添加または蒸気添加による燃焼ガス温度の抑制手段（第四抑制手段）を組み合わせて行う低ＮＯｘ化手段と、前記バーナの空気比を所定の高空気比に維持すべく制御する空気比制御手段と、前記低ＮＯｘ化手段から排出されるＣＯを酸化させて排出ＣＯ値を所定値以下とする低ＣＯ化手段である。
【００３７】
まず、前記蒸気ボイラの全体構成につき説明する。この蒸気ボイラは、高燃焼と低燃焼とを切替えて運転できる。そして、平面状の燃焼面（予混合気の噴出面）を有する完全予混合式のバーナ１および多数の熱吸収用の伝熱管２，２，・・・を有する缶体３と、前記バーナ１へ燃焼用空気を送る送風機４および給気通路５と、ガス燃料供給管６と、前記缶体３から排出される排ガスを排出する排ガス通路（通常「煙突」と称される。）７と、この排ガス通路７を流通するの排ガスの一部を燃焼用空気へ混入させて前記バーナ１へ供給する排ガス再循環通路８と、燃焼用空気へ蒸気を添加する蒸気添加管９（図３参照）とを備えている。なお、前記各伝熱管２の外径は、６０．５ｍｍである。
【００３８】
前記缶体３は、上部管寄せ１０および下部管寄せ１１を備え、この両管寄せ１０，１１間に複数の前記各伝熱管２を配置している。図２において、前記缶体３の長手方向の両側部に外側伝熱管１２，１２，・・・を連結部材１３，１３・・・で連結して構成した一対の水管壁１４，１４を設け、この両水管壁１４，１４と前記上部管寄せ１０および下管寄せ１１との間に前記バーナ１からの燃焼反応中ガスおよび燃焼完結ガスがほぼ直線的に流通する燃焼ガス通路１５を形成している。
【００３９】
つぎに、前記各要素間の接続関係を説明する。図１に示すように、前記燃焼ガス通路１５の一端には前記バーナ１が設けられ、他端の排ガス出口１６には排ガス通路７が接続されている。前記バーナ１には前記給気通路５が接続され、前記給気通路５には前記ガス燃料供給管６が燃料ガスを前記給気通路５内へ噴出するように接続されている。前記ガス燃料供給管６には、高燃焼と低燃焼とで燃料流量を調整する燃料流量調整手段としての第一弁１７を備えている。なお、前記給気通路５には、前記燃料ガスと燃焼用空気との混合性を良くするためのベンチュリーと称される絞り部（図示しない）を設けているが、圧損を減じるために実施に応じて、省略できる。
【００４０】
さらに、図３に示すように、前記送風機４の吸込口１８には吸気通路１９が接続され、この吸気通路１９と前記排ガス通路７との間に前記排ガス再循環通路８が接続されている。前記吸気通路１９内には、前記蒸気添加管９が挿入されている。
【００４１】
以上の構成に基づく、前記蒸気ボイラの概略動作は、以下の通りである。前記吸気通路１９から供給される燃焼用空気（外気）は、前記ガス燃料供給管６から供給される燃料ガスと前記給気通路５内において予混合され、この予混合気は、前記バーナ１から前記缶体３内へ向けて噴出される。予混合気は着火手段（図示しない）により着火され、燃焼する。この燃焼に伴い生ずる燃焼反応中ガスは、上流側の伝熱管２群と交叉して冷却された後、燃焼完結ガスとなり下流側の伝熱管２群と熱交換して吸熱されて排ガスとなる。この排ガスは、前記排ガス通路７から大気中へ排出される。そして、排ガスの一部は、前記排ガス再循環通路８を経て前記バーナ１へ供給され、燃焼ガス温度の抑制に用いられる。
【００４２】
また、前記各伝熱管２中の水は、燃焼ガスとの熱交換により加熱され、蒸気化される。この蒸気は、前記上部管寄せ１０に接続される蒸気取出手段（図示しない）から蒸気使用設備（図示しない）へ供給されると共に、その一部が前記蒸気添加管９へ供給され、燃焼反応中ガスの冷却に用いられる。
【００４３】
つぎに、この実施例の前記特徴部分につき説明する。まず、前記低ＮＯｘ化手段について、前記第一抑制手段につき説明する。この第一抑制手段は、前記完全予混合式のバーナ１を高空気比で燃焼させる構成である。前記バーナ１を高空気比にて燃焼させると、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が低下する。前記バーナ１は、大きさ縦６０ｃｍ，横１８ｃｍの矩形状のバーナであり、多数の予混合気噴出口（図示しない）がほぼ均等に形成されている。
【００４４】
前記第二抑制手段は、多数の前記伝熱管２を前記バーナ１により形成される燃焼反応領域（燃焼ガス温度が約９００℃以上の領域）２０のほぼ全域に互いに燃焼ガスが流通する間隙を存して配設した構成である。前記バーナ１からの燃焼反応中ガスは、これら伝熱管２群により冷却される。この冷却により、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が下がる。燃焼ガスの冷却度合いに影響を与える前記伝熱管２群の配列ピッチは、時間当りの燃焼量および圧損などを考慮して決めている。
【００４５】
前記第三抑制手段は、前記排ガス通路７と前記排ガス再循環通路８と前記給気通路５と前記バーナ１とから構成される排ガス再循環手段である。前記排ガス再循環通路８内の適所には、再循環される排ガス量（排ガス再循環量）を所定量に調整する排ガス流量調整手段としての第一ダンパ２１を設けている。前記バーナ１へ供給される予混合気に排ガスを混入させることで、燃焼ガス温度が抑制され、ＮＯｘ値が下がる。排ガス再循環量と燃焼用空気量（実際燃焼空気量）との比率は、前記第一ダンパ２１により調整される。
【００４６】
前記第四抑制手段は、図３に示すように、前記蒸気添加管９と前記吸気通路１９と前記送風機４と前記給気通路５と前記バーナ１とから構成される。この蒸気添加管９の上流端（反添加側端）は、蒸気添加量を調整する蒸気流量調整手段としての第二弁２２を介して前記上部管寄せ１０に接続され、前記蒸気ボイラにて生成される蒸気がそのまま利用されるよう構成されている。前記第二弁２２と前記上部管寄せ１０との間にはオリフィスなどの減圧機構（図示しない）を設ける。蒸気は、前記バーナ１へ供給される燃焼用空気に均一に混入され、前記バーナ１の多数の予混合気噴出口（図示しない）からほぼ均一に前記缶体３内へ噴出される。その結果、広がって形成される予混合燃焼火炎に対し効果的な冷却がなされる。
【００４７】
この実施例の蒸気ボイラは、前記のように高燃焼と低燃焼とを切替えて行うことができる。そして、この蒸気ボイラの前記低ＮＯｘ化手段は、図４および図５に示す高燃焼時と低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性を有する。この空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性について以下に説明する。
【００４８】
まず、高燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性は、ある運転条件にて空気比を変化させることでそれぞれ図４の曲線Ａおよび曲線Ｂのように求められる。前記運転条件は、燃料がＬＰＧであり、前記バーナ１の燃焼量が５０Ｎｍ^３／ｈ（前記蒸気ボイラの高燃焼時の燃焼量）であり、排ガス再循環率が４％（排ガス再循環量／実際燃焼空気量）であり、蒸気添加量が１７ｋｇ／ｈである。そして、排ガス再循環率４％における実際燃焼空気量および排ガス再循環量は、たとえばＯ_２（％）：６において、それぞれ１６６９Ｎｍ^３／ｈ，６７Ｎｍ^３／ｈとなる。
【００４９】
空気比の変化は、実際燃焼空気量を変化させることで行われる。この実際燃焼空気量の変化は、前記送風機４のファン２３を駆動する電動機２４（図３参照）の回転数を制御することにより行われる。
【００５０】
この高燃焼時の低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性は、曲線Ａに示すように、空気比の増加に対してＮＯｘ値が減少するものとなっている。また、空気比対ＣＯ特性は、曲線Ｂに示すように空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加し、特にＯ_２（％）：５以上で急激に排出ＣＯ値が増加するものとなっている。なお、図４の曲線Ｃおよび曲線Ｄは、前記第三抑制手段および第四抑制手段による燃焼ガス温度の抑制を行わない対比例の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性であって、この実施例の曲線Ａおよび曲線Ｂと対比するためのものである。
【００５１】
つぎに、低燃焼時の低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性について説明する。これらの特性は、高燃焼時のものと同様にそれぞれ図５の曲線Ｅおよび曲線Ｆのように求められる。低燃焼時の運転条件は、燃料がＬＰＧであり、前記バーナの燃焼量が２５Ｎｍ^３／ｈ（前記蒸気ボイラの低燃焼時の燃焼量）であり、排ガス再循環率が４％（排ガス再循環量／実際燃焼空気量）であり、蒸気添加量が８．５ｋｇ／ｈである。そして、排ガス再循環率４％における実際燃焼空気量および排ガス再循環量は、たとえばＯ_２（％）：６において、それぞれ８３４Ｎｍ^３／ｈ，３３Ｎｍ^３／ｈとなる。
【００５２】
この低燃焼時の低ＮＯｘ化手段の空気比対ＮＯｘ特性も、曲線Ｅに示すように、空気比の増加に対してＮＯｘ値が減少するものとなっている。また、空気比対ＣＯ値特性は、曲線Ｆに示すように空気比の増加に従い排出ＣＯ値が増加し、特にＯ_２（％）：５．５以上で急激に排出ＣＯ値が増加するものとなっている。なお、図５の曲線Ｇおよび曲線Ｈは、前記第三抑制手段および第四抑制手段による燃焼ガス温度の抑制を行わない対比例の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性であって、この実施例の曲線Ｅおよび曲線Ｆと対比するためのものである。
【００５３】
前記空気比制御手段は、図６に示すように、前記排ガス通路７に設けた前記酸素濃度検出手段としての酸素濃度センサ２５と、この酸素濃度センサ２５の出力を入力して、前記電動機２４の回転数を制御する制御回路２６とから構成される。前記電動機２４は、インバータ制御による回転数制御可能なように構成される。前記ファン２３の回転数を前記バーナ１の空気比が所定の高空気比（所定値）となるように制御することで、外気温の変化に対して所定の低ＮＯｘ効果を維持する。
【００５４】
この実施例においては、前記所定値は、ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍとした場合、高燃焼時は図４の曲線Ａと１０ｐｐｍとから、Ｏ_２（％）：５．８として求められる。勿論、５．８％以上であれば、低減目標値をクリアできるので、前記所定値をたとえば６％とすることもできる。低燃焼時は、図５の曲線Ｅと１０ｐｐｍとから、Ｏ_２（％）：６．２５として求められる。
【００５５】
ついで、前記低ＣＯ化手段につき説明する。この低ＣＯ化手段は、前記低ＮＯｘ化手段から排出されるＣＯを酸化し、ＣＯ低減目標値以下に低減するものである。前記低ＣＯ化手段は、前記伝熱管２群の後流に配置される。
【００５６】
この実施例の低ＣＯ化手段は、ＣＯ値を約１／１０に低減するＣＯ酸化触媒体２７にて構成される。このＣＯ酸化触媒体２７によるＣＯ低減特性は、図４の曲線Ｍ、図５の曲線Ｎにて示される。結局、曲線Ｄおよび曲線Ｅにて示される排ガス中のＣＯは、曲線Ｍおよび曲線Ｎのように低減される。
【００５７】
前記ＣＯ酸化触媒体２７の処理容量は、つぎのようにして設定される。ＮＯｘ低減目標値と空気比対ＮＯｘ特性とから求めた所定空気比における前記低ＮＯｘ化手段の排出ＣＯ値を空気比対ＣＯ特性から求める。所定空気比は、前記のように高燃焼時はＯ_２（％）：５．８であり、低燃焼時はＯ_２（％）：６．２５である。この空気比と図４の曲線Ｂ（高燃焼時）および図５の曲線Ｆから、高燃焼時および低燃焼時の排出ＣＯ値は、それぞれ約４００ｐｐｍ、約１００ｐｐｍとなる。従って、前記ＣＯ酸化触媒体の処理容量は、この排出ＣＯ値とＣＯ低減目標値５０ｐｐｍとから少なくとも１／８に低減できる容量に設定する必要がある。しかしながら、実施例では余裕をみて１／１０に低減するように設定している。なお、必要以上に処理容量に余裕を持たせると、前記ＣＯ酸化触媒体２７を排ガスが流通するときに生ずる圧力損失が増大する。
【００５８】
このＣＯ酸化触媒体２７は、図７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２８および波板２９のそれぞれの表面に多数の微小凹凸を形成し、その表面に酸化触媒を塗布する。ついで、所定幅の前記平板２６および波板２７を重ね合わせたうえで、螺旋状に巻回してロール状に形成している。このロール状のものを側板３０にて包囲し固定している。こうして図７に示すような前記ＣＯ酸化触媒体２７が形成される。前記酸化触媒としては、白金を用いている。なお、図７においては、前記平板２８および前記波板２９の一部のみを示している。
【００５９】
前記ＣＯ酸化触媒体２７は、図１に示すように、前記排ガス出口１６部に着脱自在に装着される。前記排ガス出口１６部における燃焼ガス温度は、約２５０℃〜３５０℃である。
【００６０】
そして、前記排ガス再循環通路８は、前記排ガス通路７の前記ＣＯ酸化触媒体２７装着位置よりも下流において分岐されている。
【００６１】
さらに、前記低ＮＯｘ化手段は、図２に示すように、前記ＣＯ酸化触媒体２７と別の低ＣＯ化手段を含んでいる。この低ＣＯ化手段は、伝熱管２群中に形成される断熱空間と称される伝熱管除去空間３１である。そして、図２に示すように、前記伝熱管２群の一部（この実施例では４本の前記伝熱管２）を除去して燃焼ガス温度が１４００℃以下で、９００℃以上の温度範囲となる前記伝熱管除去空間３１を形成している。
【００６２】
前記伝熱管除去空間３１は、高燃焼時に、ほぼ前記温度範囲となるが、低燃焼時には燃焼火炎が短い，すなわち燃焼反応領域が狭くなるので、前記温度範囲に入らなくなる。したがって、高燃焼時は、前記ＣＯ酸化触媒体２７と前記伝熱管除去空間３１が低ＣＯ化手段として機能し、低燃焼時は、前記伝熱管除去空間３１は低ＣＯ化手段として機能せず、前記ＣＯ酸化触媒体２７が低ＣＯ化手段として機能する。
【００６３】
前記構成の実施例の動作および作用を以下に説明する。前記バーナ１からの燃焼反応中ガスは、低ＮＯｘ化作用，すなわち前記の第一抑制手段〜第四抑制手段による燃焼ガス温度抑制作用を同時に受け、しかも前記空気比制御手段によりＯ_２（％）を高燃焼時５．８，低燃焼時６．２５とする定空気比制御を受ける。この実施例の燃焼ガス温度抑制作用により、燃焼ガス温度は、前記第三抑制手段および第四抑制手段の作用を受けない前記対比例と比較して、約１００℃程度平均的に低下する。その結果、上流側伝熱管２群から流出する燃焼ガス中のＮＯｘ値は、図４および図５の曲線Ａおよび曲線Ｅに示すように、１０ｐｐｍ程度に抑制される。
【００６４】
前記の低ＮＯｘ化の際に生成されるＣＯは、つぎのようにして低減化される。生成されたＣＯは、高燃焼時においてはまず伝熱管除去空間３１にてその一部が酸化され、低燃焼時にはほとんど酸化されない。このＣＯの酸化は、燃焼ガス温度が９００℃以下では、ほとんど行われないので、前記排ガス出口１６における排ガス中のＣＯ値は、図４および図５の特性曲線Ｂおよび曲線Ｆに示されるように、高燃焼時は約４００ｐｐｍで、また低燃焼時は約１００ｐｐｍ程度となる。この排ガス中に残存するＣＯは、前記ＣＯ酸化触媒体２７により酸化され、図４および図５の特性曲線ＭおよびＮに示されるように、ＣＯ値が約１／１０に低減される。
【００６５】
この実施例によれば、つぎの作用効果を奏する。低ＮＯｘ化を優先して行い、その後に低ＣＯ化を行うので、ＣＯ値を考慮することなく、低ＮＯｘ化を推進でき、低ＮＯｘ化手段の選択が容易となる。その結果、生成ＮＯｘ値を１０ｐｐｍ以下とする低ＮＯｘ化を容易に実現でき、しかも低ＣＯ化を確実に実現できる。
【００６６】
また、前記排ガス再循環通路８を前記排ガス通路７の前記ＣＯ酸化触媒体２７の後流位置から分岐しているので、前記低ＮＯｘ化手段より排出される排ガス中の高濃度のＣＯは前記ＣＯ酸化触媒体２７により処理され、低ＣＯとなった排ガスが前記排ガス再循環通路７、前記送風機４へと供給される。その結果、前記排ガス再循環通路８の分岐位置を前記ＣＯ酸化触媒体２７の上流位置としたものと比較して、高濃度のＣＯが前記排ガス再循環通路８や前記送風機４から前記蒸気ボイラ外へ漏れ出す危険を回避できる。
【００６７】
また、排出ＣＯ値とＣＯ低減目標値とに基づきＣＯ酸化触媒体２７の処理容量を設定しているので、ＣＯ酸化触媒体２７の処理容量設定を容易に行うことができると共に、確実にＣＯ低減目標値を達成できる。
【００６８】
また、前記空気比制御手段により空気比をほぼ一定の高空気比に制御するので、外気温が変動しても安定した低ＮＯｘ効果を得ることができる。その結果、１日および年間の広範な運転点においてＮＯｘ低減目標値を達成できる。
【００６９】
また、前記定空気比制御により、前記低ＮＯｘ化手段からの排出のＣＯ値も一定に制御される。その結果、空気比変動により排出ＣＯ値が増加して、前記ＣＯ酸化触媒体２７の処理能力を超えるということがなくなり、安定した低ＣＯ化をも実現できる効果を奏する。特に、ＮＯｘ低減目標値を１０ｐｐｍ以下とするような低ＮＯｘ化手段においては、１０ｐｐｍ近傍では、排出ＣＯ値が急激に増加するので、定空気比制御は、ＣＯ低減目標値の達成および前記ＣＯ酸化触媒体２７の容量の設計を容易にする点においてに非常に効果が大きい。
【００７０】
前記ＣＯ酸化触媒体２７の容量の設計を容易にする点について、さらに説明する。前記ＣＯ酸化触媒体２７は、容量を大きくすると圧力損失が増加するので、ＣＯ低減目標値をぎりぎりでクリアできるように設計される。定空気比制御を行わないと、前記ＣＯ酸化触媒体２７の処理容量を余裕をもって設計する必要が生ずる。また、処理容量を大きくすると、圧力損失が増大する。その結果、前記蒸気ボイラ自体の圧力損失が増大し、前記送風機４や前記缶体３を設計し直す必要が生ずる。この実施例のように、定空気比制御を行うことで、これらの問題を解決できる効果を奏する。
【００７１】
また、低燃焼時は、前記伝熱管除去空間３１は低ＣＯ化手段として有効に機能しないが、前記ＣＯ酸化触媒体２７によりＣＯが酸化されるので、高燃焼時，低燃焼時に拘わらず、低ＣＯ化を実現できる。
【００７２】
また、この実施例によれば、前記第一抑制手段〜前記第四抑制手段を組合せて低ＮＯｘ化手段を構成しているので、つぎの作用効果を奏する。個々の抑制手段の機能を単独に強化すると、各抑制手段の有する欠点が問題化してくるが、４つの抑制手段を組み合わせることで、これらの欠点を問題化することなく、比較的簡単に超低ＮＯｘ化を実現できる。特に、後述する前記第四抑制手段よる不安定特性を緩和して安定した超低ＮＯｘ化を実現できる。以下に、これについて詳述する。
【００７３】
前記第一抑制手段（予混合高空気比燃焼）の機能強化は、空気比を増加させることである。この機能強化により燃焼反応の停止および前記バーナ１の不安定燃焼が発生する。
【００７４】
また、前記第二抑制手段（吸熱体群冷却）の機能強化は、前記伝熱管２を前記バーナ１と接触して設けたり、前記伝熱管２群の伝熱面密度を増加することである。この機能強化により、圧力損失が増大したり、振動燃焼などの不安定燃焼を生ずる。
【００７５】
また、前記第三抑制手段（排ガス再循環）の機能強化は、排ガス循環量を増加させることである。この機能強化により、前記第二抑制手段が有する不安定特性を増幅する。すなわち、排ガス再循環は、燃焼量の変化や負荷の変化により、排ガス流量や温度が変化する特性を有している。排ガス再循環量を増大させると、これらの不安定特性が増幅される結果、安定した低ＮＯｘ化を実現できない。また、前記第三抑制手段の機能強化により、燃焼反応が抑制され、ＣＯおよび未燃分の排出増加をもたらすと共に、熱的ロスの増大を招く。また、排ガス再循環量を増大させると、送風機負荷が増加する。
【００７６】
また、前記第四抑制手段（蒸気添加）の機能強化は、付加する水分量を増加させることである。この機能強化により、熱的ロスが増大すると共に、結露量が増加し、特に前記伝熱管２へ供給する水を排ガスにより予熱する給水予熱器を有するボイラにおいては、前記給水予熱器の結露による腐食が問題となる。
【００７７】
前記実施例によれば、前記第一抑制手段〜第四抑制手段を組み合わせているので、前記各抑制手段の機能を単独に強化することによる問題点の表面化を防止できる。
【００７８】
なお、この発明は前記実施例に限定されるものではなく、つぎの変形例を含む。前記実施例においては、前記第一抑制手段を完全予混合式のバーナとしているが、実施に応じて部分予混合式のバーナとすることができる。
【００７９】
また、前記実施例においては、前記第二抑制手段の前記各伝熱管２を垂直水管により構成しているが、水平あるいは傾斜して配置される水管により構成することができる。さらに、前記各伝熱管２の形状も前記実施例の真円に限定されるものではなく、実施に応じて楕円などの形状とすることができる。
【００８０】
また、前記実施例においては、前記第二抑制手段の前記各伝熱管２を裸管としているが、実施に応じて、前記伝熱管除去空間２１の下流の前記各伝熱管２に水平のヒレ状フィンや全周フィン（いずれも図示しない）を取り付けて、熱回収率を向上させるようにすることができる。
【００８１】
また、前記実施例においては、前記第四抑制手段の前記蒸気添加管９の蒸気を前記吸気通路１９中へ噴出するように構成しているが、実施に応じて、前記蒸気添加管９を前記バーナ１と前記送風機４との間に蒸気を噴出するように取り付けることができる。この変形例によれば、前記送風機４の下流側にて蒸気を供給しているので、上流側にて供給する前記実施例と比較して前記送風機４の送風負荷の増大を少なくできると共に、結露による前記送風機４の腐食を防止できる。
【００８２】
また、実施に応じて、前記蒸気添加管９を前記排ガス再循環通路８に蒸気を噴出するように取り付けることができる。蒸気を前記排ガス再循環通路８に噴出させることにより、結露がしにくくなり、錆の発生を少なくできると共に、蒸気と燃焼用空気との混合の均一化がなされるなどの効果を発揮する。
【００８３】
また、前記実施例においては、前記空気比制御手段を前記送風機４の回転数を制御するように構成しているが、実施に応じて、前記送風機４の下流側に設けたダンパなどの燃焼用空気流量調整手段（図示しない）により空気比を制御するように構成できる。
【００８４】
また、前記実施例においては、前記空気比制御手段を前記酸素濃度センサ２６の信号により制御するものとしているが、実施に応じて、前記送風機４の吸気温度を検出する前記外気温検出手段としての外気温センサ（図示しない）を設けこの外気温センサ出力により、空気比を制御するように構成することができる。この場合、所定燃焼量および所定排ガス再循環量において、外気温と空気比との関係を実験にて予め求め、外気温対送風機回転数の対比テーブル（図示しない）を作成する。そして、この対比テーブルを制御回路のメモリ（いずれも図示しない）に記憶させておき、このテーブルに基づき空気比がほぼ一定となるように、前記送風機４の前記電動機２５を制御するように構成することができる。
【００８５】
また、前記実施例においては、前記低ＮＯｘ化手段に前記伝熱管除去空間３１を含ませているが、実施に応じて、前記伝熱管除去空間３１を省略する，すなわち前記伝熱管２を除去しないよう構成することができる。
【００８６】
また、前記実施例の蒸気ボイラは、燃焼量を高燃焼と低燃焼とに切替え可能なように構成しているが、実施に応じて、燃焼量の切替の無い蒸気ボイラとすることもできる。
【００８７】
さらに、前記実施例においては、前記ＣＯ酸化触媒体２７を前記排ガス出口１６部に取り付けているが、給水予熱器（エコノマイザ）を前記排ガス通路７に設けるものおいては、前記給水予熱器を収容する室において前記給水予熱器の上流側に配置することができる。
【００８８】
【発明の効果】
この発明によれば、ＣＯの発生を考慮することなく低ＮＯｘ化を推し進めることができると共に、排出ＮＯｘ値が１０ｐｐｍを下回るような低ＮＯｘ化を容易に実現でき、しかも低ＣＯ化を共に実現でき、時代のニーズに適応した低ＮＯｘ燃焼装置を提供できる。また、高濃度のＣＯの漏れを防止でき、安全性をも担保した低ＮＯｘ燃焼装置を提供できるなど産業的価値は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の一実施例を適用した蒸気ボイラの縦断面の説明図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面説明図である。
【図３】図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う横断面説明図である。
【図４】図４は、図１に示す蒸気ボイラの高燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性曲線を示す図である。
【図５】図５は、図１に示す蒸気ボイラの低燃焼時の空気比対ＮＯｘ特性および空気比対ＣＯ特性曲線を示す図である。
【図６】図６は、図１に示す蒸気ボイラの要部制御回路図である。
【図７】図７は、図１に示す蒸気ボイラのＣＯ酸化触媒体の要部構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１　バーナ
２　伝熱管
３　缶体
４　送風機
７　排ガス通路
８　排ガス再循環通路
２７　ＣＯ酸化触媒体

Claims

排ガス再循環通路を通して排ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることにより燃焼ガスを抑制する抑制手段を含み、ＮＯｘ発生の抑制を排出ＣＯ値の低減に優先するように燃焼ガス温度を抑制してＮＯｘ値を所定値以下とする低ＮＯｘ化手段と、排ガスが流通する通路に設けられ前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を低減する低ＣＯ化手段とを備え、前記排ガス再循環通路を前記排ガスが流通する通路の前記低ＣＯ化手段の後流位置から分岐することを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
燃焼反応領域に設けた吸熱体群により燃焼ガス温度を抑制する第一抑制手段、排ガス再循環通路を通して排ガスを燃焼ガスの燃焼反応領域へ再循環させることにより燃焼ガス温度を抑制する第二抑制手段および前記バーナの燃焼用空気への水または蒸気添加により燃焼ガス温度を抑制する第三抑制手段を含み、ＮＯｘ発生の抑制を排出ＣＯ値の低減に優先するように燃焼ガス温度を抑制してＮＯｘ値を所定値以下とする低ＮＯｘ化手段と、排ガスが流通する通路に設けられ前記低ＮＯｘ化手段からの排出ＣＯ値を低減する低ＣＯ化手段とを備え、前記排ガス再循環通路を前記排ガスが流通する通路の前記低ＣＯ化手段の後流位置から分岐することを特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
前記低ＣＯ化手段が、ＣＯ酸化触媒体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の低ＮＯｘ燃焼装置。