JP2000240907A - ハイブリッド触媒燃焼装置及び燃焼方法 - Google Patents
ハイブリッド触媒燃焼装置及び燃焼方法Info
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Abstract
燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部1を備えるとと
もに、触媒燃焼部1の下流側に気相燃焼部2を備え、触
媒燃焼部1において燃料の一部を、気相燃焼部2で燃料
の残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼装置において、
燃焼装置からの燃焼排ガスが持ち去る顕熱損失を抑制す
ることが重要である。 【解決手段】 気相燃焼部2の出口部に、通気性を有
し、気体の顕熱を輻射に変換して上流側に放出可能な伝
熱変換体4を備えることを特徴とする。
Description
形成する燃焼室を備え、燃焼流路に燃焼触媒からなる触
媒燃焼部を備えるとともに、触媒燃焼部の下流側に気相
燃焼部を備え、触媒燃焼部において燃料の一部を、前記
気相燃焼部で燃料の残部を燃焼するハイブリッド触媒燃
焼技術の応用に関する。
レーション、発電用ガスタービン燃焼機器等、高空気比
で作動される機器にあっては、高空気比における燃焼安
定性の向上によって、大幅な低NOx化が図られる可能
性がある。一方、これらの機器にあっては、一層低NO
x化の要望がある。中でも、家庭用室内開放型温風暖房
機は、生活空間に直接排気を放出しているので、NOx
1ppm(酸素0%)以下の極限までの低NOx化が望
まれている。
媒を充填した触媒燃焼部1とそれに続く気相燃焼部2と
を設け、断熱理論燃焼温度1500℃以下(空気比約
1.6以上)の燃料と空気の混合ガスを、触媒燃焼部で
部分的に接触酸化燃焼し、その後流の気相燃焼部で気相
酸化を誘発して完全燃焼させる方式(ハイブリッド触媒
燃焼方式と称される)が、超低NOx達成手段として提
案されている(特表平6−506290)。
燃焼部で部分的に燃焼させる手段として、触媒活性物質
を燃料であるメタンに対して最も低温活性が高く、高温
で自己反応抑制作用のあるパラジウムを主体とするこ
と、更に、金属ハニカムを触媒基体として、触媒コート
層(セル)とコートしない層(セル)とを隣接させ、触
媒酸化による発熱を連接の無触媒層を通過する予混合ガ
スと熱交換させ、物理的に過昇温を防止すること等の手
段をとることにより、触媒燃焼部内にある触媒層では2
0〜70%が接触酸化され、触媒温度は700〜950
℃とされる。
ド触媒燃焼において、超低NOx化を実現するために
は、より高空気比条件で燃焼させることが必要である。
しかし、高空気比で燃焼を行った場合、不完全燃焼が起
こりやすく、安定して燃焼させることが困難であり、C
O等の不完全燃焼成分の発生を抑制する必要がある。
又、家庭用暖房機へ用いる燃焼器においては、ガスター
ビンへ用いるものと異なって、燃焼器へ導入される空気
を予め加温することが困難で、又、燃焼器から排出され
るガス温度は100℃程度でも充分である。一方、ハイ
ブリッド触媒燃焼を行うためには触媒に導入される燃料
と空気の混合ガス温度は燃料の種類に依存するが200
〜600℃に予熱されている必要がある。
たハイブリッド触媒燃焼装置は触媒酸化が比較的容易な
灯油系液体燃料用を意図したものである。このような燃
焼器を触媒酸化活性が最も低いメタンを主成分とする都
市ガス、天然ガス系燃料へは応用し難い問題があった。
つまり都市ガス、天然ガス系燃料に応用する場合には、
触媒へ導入される混合ガスの予熱温度は灯油系液体燃料
のそれに比べて100〜200℃高く設定する必要があ
る。このために、混合ガスの予熱を大きくするために大
きい熱交換器を取り付けた場合、その圧力損失や燃焼器
自体の増大化の問題が生じ、そのために触媒及び気相燃
焼部を更にコンパクトに設計する必要があり、上記の混
合ガス側の熱交換器のみでの熱移動では充分ではなく、
必要な予熱を達成できない。従って、主として都市ガ
ス、天然ガス系燃料に応用する燃焼器は、更に改良した
燃焼器構造の開発が必要であった。
て、超低NOx燃焼を実現するとともに、燃焼安定性に
優れたハイブリッド触媒燃焼を実現することを目的とす
る。
置では、燃焼装置からの排ガスが持ち去る顕熱損失を抑
制することが重要であり、本発明にあっては、燃焼流路
を内部に形成する燃焼室を備え、前記燃焼流路に燃焼触
媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、前記触媒燃焼
部の下流側に気相燃焼部を備え、前記触媒燃焼部におい
て燃料と空気の混合ガスの一部を、前記気相燃焼部で混
合ガスの残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼装置を構
成するに、請求項1に記載されているように、前記気相
燃焼部の出口部に、通気性を有し、気体の顕熱を輻射に
変換して上流側に放出する伝熱変換体を備える。即ち、
本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、燃焼触媒か
らなる触媒燃焼部、その下流側の気相燃焼部からなる燃
焼室の出口部に排ガスの顕熱を輻射に変換し、その上流
側に放出する伝熱変換体を配置し、触媒燃焼部において
混合ガスの一部を、気相燃焼部において混合ガスの残部
を燃焼させ、排ガスが気相燃焼部から伝熱変換体を通っ
て排出される構成とする。排ガスの顕熱により加熱され
た伝熱変換体は上流側の燃焼室に優先的に放射伝熱され
るので、燃焼室からの対流熱損失を抑制し、熱を好適に
上流側へフィードバックすることができ、より高い空気
比で運転しても、燃焼が安定し、燃焼反応のピーク温度
を下げることにより、一層の低NOxを達成できる。
請求項2に記載されているように、前記伝熱変換体が、
三次元骨格構造のセラミックフォーム、若しくはハニカ
ム構造のセラミックで構成されることが好ましい。この
ように、伝熱変換体がセラミックフォーム、若しくはセ
ラミックハニカムで構成されていることにより、伝熱変
換体は大きな骨格表面積を持ち、効率よく排ガスの顕熱
が伝熱変換体へ伝わり、熱の大部分が上流側へ放射され
ることとなり、排ガスの顕熱損失が大幅に抑制され、よ
り高空気比側で燃焼が完了できるようになり、低NOx
を達成できる燃焼量範囲も拡大できる。又、セラミック
フォームとしては、網目径0.3〜10mm、空隙率6
0〜95%が好ましく、材質としてはコーデイライト、
アルミナ−コーデイライト、アルミナチタニア、ムライ
ト、炭化珪素が好ましい。又、セラミックハニカムとし
ては、開口径0.3〜10mm、空隙率60〜95%が
好ましく、材質としてはコーデイライト、アルミナ−コ
ーデイライト、アルミナチタニア、ムライト、炭化珪素
が好ましい。更に、伝熱変換体の厚みは、5〜25mm
程度が好ましく、好適に気体の顕熱を上流側へ輻射する
ことができる。
比条件の燃焼を行うと、不完全燃焼が起こりやすい条件
となる。しかし、本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装
置は、高空気比の運転時において発生しやすいCOをは
じめとする不完全燃焼成分を除去できるように構成する
ことができる。即ち、請求項3に記載されているよう
に、前記伝熱変換体に、可燃性ガスに酸化活性を有する
触媒物質を塗布して備えることができる。即ち、伝熱変
換体にアルミナ、シリカ、ジルコニア等の高比表面積を
有する担体をコートし、それに、触媒酸化活性を有する
パラジウム、白金、マンガン、クロム、コバルト、ニッ
ケル等の遷移金属、若しくはその酸化物の前駆体化合物
を含浸担持し、活性化する、又は、伝熱変換体を製造す
る時点で、触媒酸化活性を有する上述の遷移金属若しく
はその酸化物の前駆体化合物を混合成形することで、伝
熱変換体に可燃性ガスに酸化活性を有する触媒物質を塗
布することができる。このことによって、排ガス中に含
まれるCO、アルデヒドなど有害の燃焼中間生成物を伝
熱変換体の下流側に放出することが無くなり、燃焼装置
からの排出を抑制することができる。
前記伝熱変換体が、可燃性ガスに酸化活性を有する触媒
物質であることもできる。このように、伝熱変換体を触
媒物質そのものとすることで、同じく、不完全燃焼成分
を下流側へ放出することなく、更に、簡単な構造で、経
済的である。又、この場合においては、高温酸化触媒の
マンガン置換形ヘキサアルミネートから直接、ハニカム
成形若しくはセラミックフォーム成形したものも、伝熱
変換体として効果的に使用できる。
いて、請求項5に記載されているように、前記伝熱変換
体と前記触媒燃焼部の間に、前記触媒燃焼部に供給され
る前の前記混合ガスを予熱する予熱機構の吸熱部を備え
ることができる。このように構成することによって、触
媒燃焼部に供給される混合ガスを予熱することができ、
例えば、触媒活性が低いメタンを主成分とする都市ガス
を燃料とした場合においても、超低NOxで安定したハ
イブリッド触媒燃焼を実現することができる。このよう
な予熱機構は、気相燃焼部から排出される燃焼ガスと触
媒燃焼部に供給される前の混合ガスとの熱交換を行うよ
うに構成することができるが、それに加えて、伝熱変換
体から放射される輻射熱を利用して、混合ガスの予熱を
行うように構成することができる。
ける燃焼方法は、請求項6に記載されているように、燃
焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、前記燃焼流路に
燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、前記触
媒燃焼部の下流側に気相燃焼部を備え、前記触媒燃焼部
において燃料と空気の混合ガスの一部を、前記気相燃焼
部で混合ガスの残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼方
法であって、前記気相燃焼部の出口部に、通気性を有
し、気体の顕熱を輻射に変換して上流側に放出する伝熱
変換体を設け、前記気相燃焼部において燃焼後の排ガス
を前記伝熱変換体の内部に流通させて、前記排ガスの顕
熱を輻射に変換して上流側に放出し、前記燃焼室からの
対流熱損失を抑制することを特徴とする。このようなハ
イブリッド触媒燃焼方法を行うことによって、超低NO
xで安定したハイブリッド触媒燃焼を実現することがで
きる。
リッド触媒燃焼装置の基本構成を図1に基づいて説明す
る。燃焼器100は燃焼触媒からなる触媒燃焼部1とそ
の下流側の気相燃焼部2からなる燃焼室3を備えてい
る。このことによって、触媒燃焼部1において燃料の一
部を、気相燃焼部2において燃料の残部を燃焼させるハ
イブリッド触媒燃焼を実現することができる。更に、気
相燃焼部2に燃焼ガスの流れに再循環を誘起させる邪魔
部材5を壁面に突出させて備えている。又、本発明に係
る燃焼器100は、燃焼室3の出口部に、通気性を有
し、排ガスの顕熱を輻射に変換して上流側に放出する伝
熱変換体4を備えており、排ガスが気相燃焼部2から伝
熱変換体4を通って排出される構成となっている。この
伝熱変換体4は、後に説明するが、三次元骨格構造を有
するアルミナ−コーデイエライト製のセラミックフォー
ムからできており、セラミックフォームの隙間に排ガス
が流通する際に、排ガスの顕熱を奪い、燃焼室3側に輻
射する構成となっている。このことによって、伝熱変換
体4の上流側は伝熱変換体4による輻射によって加温さ
れ、排ガスの顕熱損失が抑制され、より高空気比の運転
が可能となり、超低NOxのハイブリッド触媒燃焼装置
を実現することができる。
分布を図2に示す。この伝熱変換体4は3次元骨格構造
を有するアルミナ−コーデイエライト製のセラミックフ
ォームでできており、大きな骨格表面積を持つため極め
て効率よく排ガスの顕熱が伝熱変換体4へ伝わり、固体
放射エネルギとして放射される。この時、伝熱変換体4
における上流側では、熱線は遮られずに上流側へ放射さ
れるが、下流側へ向かう熱線は大部分が遮蔽され、排ガ
スは放射された熱量分だけ温度を下げ下流側へ移動す
る。こうして、伝熱変換体4内で放射される熱線はその
点前後の光学的厚みに応じて減衰し、更に放射熱量は絶
対温度の4乗に比例することが相乗し、排ガスは伝熱変
換体4の上流側で急激に温度を降下させ、排ガスの顕熱
の大部分は上流側へ放射される。従って、排ガスの顕熱
損失が大幅に抑制され、より高空気比側で燃焼が完了で
きるようになり、超低NOxを達成できる燃焼量範囲も
拡大できる。
て、都市ガス、天然ガスを燃料とする温風暖房機への応
用を意図した、本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置
の概要を図3〜6に示す。図3は本発明に係るハイブリ
ッド触媒燃焼装置の全体斜視図、図4は図3のハイブリ
ッド触媒燃焼装置の立面断面図、図5は図3のハイブリ
ッド触媒燃焼装置の混合ガスを予熱する熱交換部の平面
断面図、図6は図3のハイブリッド触媒燃焼装置の燃焼
部の平面断面図である。
空気と、燃料導入管17からの燃料はまず、混合ガスを
予熱するための熱交換部18へ導入される。燃料導入管
17の先端は燃料と空気の混合を充分に行うように分散
ノズルが取り付けられている(図示されていない)。熱
交換部18では燃焼ガスで加熱された天板からの熱が伝
導により混合ガスへ伝達されるように形成されている。
このための種々の構造が考えられるがここでは、天板に
溶接され下方側へ延びて千鳥状に取り付けられた直径4
mmのSUS性伝伝熱棒形熱交換器19が用いられてい
る。混合ガスは仕切板13の周囲を迂回しながら予熱さ
れ、図3にも示すように、同入部の反対側の開放部から
触媒ホルダー20の内部へ導かれる。燃焼室入口では混
合ガスの分散をよくするための分散板が用いられた(図
示されていない)。
出口部には幅85mm、奥行き20mm、層高20mm
の角型燃焼触媒部11を備え、触媒ホルダー20の外側
は断熱材で被覆されている。燃焼触媒部11は波形の金
属シートからなる支持体の片側に、高比表面積を有する
担体層を形成し、その担体層に触媒活性を有する遷移金
属のパラジウム系触媒物質を塗布し活性化した後、支持
体を螺旋状に巻き上げハニカム状に成形したものであ
る。このように形成された燃焼触媒部11では触媒を有
する壁面と、触媒を有さず混合ガスのみが流通する壁面
への熱伝導によって発生熱が分散し触媒の再高温度を9
50℃以下に抑制でき触媒の劣化を抑制でき、安定した
触媒燃焼を維持できる。燃焼触媒部11には触媒反応を
検知し、燃焼制御するための熱電対21を備えている。
は触媒燃焼によって部分的に燃焼し昇温された未燃焼の
燃料が気相ラジカル反応によって完全燃焼されるに必要
な滞留時間を確保する空間である。気相燃焼部12の内
側には断熱部材22が設置されており、気相燃焼部12
は折り返し構造となっている。気相燃焼部12の折り返
し部分に、混合ガスに火花点火し燃焼を開始するための
イグナイタ23、更に、気相反応の状況を観測するため
の熱電対24が備えられている。気相燃焼部12では長
手方向の一方向側に出口が設けられており、その出口部
分にセル数6ケ/25mm、見かけ比重0.43、厚み
12mmのアルミナ−コーデイエライト製のセラミック
フォームからなる伝熱変換体14が備えられている。更
に、この伝熱変換体14に高比表面積を有する担体とし
てアルミナ系等の高比表面積物質をコートし、それに、
CO若しくは未然の炭化水素の燃焼中間生成物に触媒活
性を有するパラジウム、白金等の酸化活性物質を含浸担
持し、活性化させている。
16の上流側に羽根径60mmの低圧ファン(図示され
ていない)をセットして、天然ガス系都市ガスを用いて
性能テストを行った。燃焼開始は以下のように行った。
まずファン電圧をおよそ2500kcal/hの燃焼量
において空気比1.4に相当する空気風量が得られる電
圧値にセットした状態で、イグナイタ23をONする。
ついで、2500kcal/hに相当するガスをマスフ
ローコントローラ(図示されていない)による流量調整
を伴って導入すると、燃焼触媒部11にセットされた熱
電対21によって昇温状態を見ながらファン電圧を上昇
させていき、触媒着火から定常状態まで移行する。この
時の燃焼触媒部11の温度は950℃を超えないように
制御できる。 定常状態に至った後、ファン電圧を制御
しながら低NOxを達成する安定燃焼量範囲を求めた。
この結果、燃焼量3500kcal/hから700kc
al/hまでの範囲において、NOx排出濃度2ppm
以下(酸素0%換算)、完全酸化率は99.9%以上、
CO/CO2比は0.0005以下の超低NOx安定燃
焼が達成される。
ハイブリッド触媒燃焼装置において、伝熱変換体として
Mn−置換形ヘキサアルミネート
形し、1200℃で焼成した厚さ10mmのものを使用
した。この結果、燃焼室の圧力損失は上昇したので、最
高燃焼量は3200kcal/hに限られたが、最低燃
焼量は700kcal/hまで、安定燃焼が達成され
た。不完全燃焼が発生しないで良好に燃焼するファン電
圧制御範囲は広くなり、全範囲にわたってNOx1pp
m以下(酸素0%換算)が達成された。
有する遷移金属のパラジウム、白金、又は、パラジウム
若しくは白金を主成分として、これに、銀、金、白金、
パラジウム、ルテニウム、イリジウム若しくはロジウム
から選択される1つ又はそれ以上の補助触媒を包含する
触媒を使用することができる。
示す触媒ホルダー20には伝熱促進のための伝熱棒ある
いはパンチングメタル等を挿入し、気相燃焼部12、及
び伝熱変換体14からの輻射熱を触媒ホルダー20内の
混合ガスに伝熱させる構造とすることができる。
る担体として、アルミナ、シリカ、若しくはジルコニア
等の高表面積を有する物質をコートすることができる。
又、その担体に含浸担持させる触媒としては、パラジウ
ム、白金、マンガン、クロム、コバルト等の遷移金属や
その酸化物を使用することができる。更に、高温度酸化
触媒としてマンガン置換形ヘキサアルミネートから直接
ハニカム成形、若しくはセラミックスフォームに成形し
たものを伝熱変換体として使用することができる。
然ガス系都市ガスを使用したが、天然ガス、都市ガスに
限らず、LPG、灯油気化ガスなどに燃料は自由に選択
できる。更に、本願発明に係るハイブリッド触媒燃焼装
置は、低圧から高圧までの燃焼装置に適用することがで
きる。
抑制することにより、より過剰空気燃焼を可能とし、一
層の低NOx化が図られる。又、基準レベル以下のNO
x値を達成する空気比の制御範囲が拡大でき、安全性に
富んだ制御を行うことができる。
図
図
斜視図
予熱する熱交換部の平面断面図
面断面図
説明する断面図
Claims (6)
- 【請求項1】 燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備
え、前記燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備え
るとともに、前記触媒燃焼部の下流側に気相燃焼部を備
え、前記触媒燃焼部において燃料と空気の混合ガスの一
部を、前記気相燃焼部で混合ガスの残部を燃焼するハイ
ブリッド触媒燃焼装置であって、 前記気相燃焼部の出口部に、通気性を有し、気体の顕熱
を輻射に変換して上流側に放出する伝熱変換体を備えた
ハイブリッド触媒燃焼装置。 - 【請求項2】 前記伝熱変換体が、三次元骨格構造のセ
ラミックフォーム、若しくはハニカム構造のセラミック
で構成される請求項1に記載のハイブリッド触媒燃焼装
置。 - 【請求項3】 前記伝熱変換体に、可燃性ガスに酸化活
性を有する触媒物質を塗布して備えた請求項1又は2に
記載のハイブリッド触媒燃焼装置。 - 【請求項4】 前記伝熱変換体が、可燃性ガスに酸化活
性を有する触媒物質である請求項1又は2に記載のハイ
ブリッド触媒燃焼装置。 - 【請求項5】 前記伝熱変換体と前記触媒燃焼部の間
に、前記触媒燃焼部に供給される前の前記混合ガスを予
熱する予熱機構の吸熱部を備えた請求項1から4の何れ
か1項に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。 - 【請求項6】 燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備
え、前記燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備え
るとともに、前記触媒燃焼部の下流側に気相燃焼部を備
え、前記触媒燃焼部において燃料と空気の混合ガスの一
部を、前記気相燃焼部で混合ガスの残部を燃焼するハイ
ブリッド触媒燃焼方法であって、 前記気相燃焼部の出口部に、通気性を有し、気体の顕熱
を輻射に変換して上流側に放出する伝熱変換体を設け、 前記気相燃焼部において燃焼後の排ガスを前記伝熱変換
体の内部に流通させて、前記排ガスの顕熱を輻射に変換
して上流側に放出し、 前記燃焼室からの対流熱損失を抑制するハイブリッド触
媒燃焼方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04639999A JP3732034B2 (ja) | 1999-02-24 | 1999-02-24 | ハイブリッド触媒燃焼装置及び燃焼方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04639999A JP3732034B2 (ja) | 1999-02-24 | 1999-02-24 | ハイブリッド触媒燃焼装置及び燃焼方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000240907A true JP2000240907A (ja) | 2000-09-08 |
| JP3732034B2 JP3732034B2 (ja) | 2006-01-05 |
Family
ID=12746087
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04639999A Expired - Fee Related JP3732034B2 (ja) | 1999-02-24 | 1999-02-24 | ハイブリッド触媒燃焼装置及び燃焼方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3732034B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009503433A (ja) * | 2005-08-05 | 2009-01-29 | カスケード デザイン,インク. | 任意に採用される熱交換器を有する高効率放射バーナー |
| CN114110658A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-03-01 | 上海交通大学 | 氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置 |
-
1999
- 1999-02-24 JP JP04639999A patent/JP3732034B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009503433A (ja) * | 2005-08-05 | 2009-01-29 | カスケード デザイン,インク. | 任意に採用される熱交換器を有する高効率放射バーナー |
| CN114110658A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-03-01 | 上海交通大学 | 氢燃料分级无焰燃烧方法及燃烧装置 |
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| JP3732034B2 (ja) | 2006-01-05 |
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