JPH01208609A - 触媒燃焼装置およびその燃焼方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は触媒燃焼装置およびその燃焼方法に係り、特に
予熱装置を設けることなく、安定した均一な燃焼を行う
のに好適な自己熱燃焼型触媒燃焼装置およびその燃焼方
法に関する。

〔従来の技術〕

従来、ガス状燃料を燃焼させる方法として、バーナによ
る燃焼がよく知られている。このバーナ燃焼方法では、
燃料と空気を予めまたはバーナ先端で混合し、適切な空
気と燃料の混合割合に調整して火炎を保持し、安定な燃
焼を継続させる。従って、燃料の種類によって適切な空
燃比が存在し、例えばメタン、プロパンの空燃比は約１
．０〜１．２であり、−酸化炭素の空燃比は約１．０〜
２．０である。また火炎を保持して自燃させ、安定した
燃焼を行うためには、燃料の発熱量が最低８００〜１０
００ｋｃａｌ／ｍＮ以上であることが必要である。さら
に燃焼の際に火炎を生じるため、多量のＮＯｘが生成す
るという欠点がある。

一方、近年、触媒を用いて接触燃焼を行う、いわゆる触
媒燃焼方法が提案され、自動車用浄化触媒等により実用
化されている。この触媒燃焼方法は、（１）１００〜２
００　ｋ　ｃ　ａ　Ｉ　／ｒｒｒＮ以下の低カロリーガ
スの燃焼が可能、（２）低酸素（理論０．）での燃焼お
よび広い空燃比での燃焼が可能、（３）火炎がなくＮＯ
ｘが低い等の優れた特長を有している。

第１２図は、従来技術による触媒燃焼装置のフロー図で
ある。図において、燃料３は、熱交換器２８によって予
熱された空気ｌと、混合され、混合気１５となって触媒
層６で燃焼される。燃焼に際して、触媒層前流の混合気
１５の温度２６−１が測定され、制御装置２７−１によ
って熱交換器２８に供給される加熱媒体２４の流量が調
節され、最適な混合気温度となるように空気１の加熱が
制御され、また触媒層後流の排ガスの温度２６−２が測
定され、制御装置２７−２によって燃料３および空気１
の流量が調節され、最適な空燃比の混合気が得られるよ
うに制御される。

このような触媒燃焼装置では、特開昭５８−８６３１４
号公報、特開昭５８−１０６３１５号公報、特開昭５７
−２１７１６号公報等に示されるように、混合気１５の
温度が燃焼開始温度以下の場合には、燃焼開始温度まで
昇温させるいわゆる予熱が必要不可欠である。混合気１
５の予熱は、加熱用バーナ、電気ヒータによる加熱また
は高温ガスの混合、排ガス再循環などによって行われる
。

しかしながら、このような方法では、特に大型設備の場
合、予熱設備も大型となり起動に時間がかかり、設備費
が多大となる欠点がある。また加熱用バーナ等を用いた
場合、触媒面に加熱ムラを生じると、触媒内での圧力損
失の差により局部的吹き抜は現象が生じ、不完全燃焼を
引き起こす。

湯沸器等の小型装置では、予熱なしで触媒保有熱で混合
気を昇温し、燃焼を継続させる自己熱燃焼装置が提案さ
れているが、流速を遅くし、逆にいえば触媒の入口断面
積を大きくして燃焼を継続させる必要がある。さらに大
型装置になると、起動時の触媒面全体への均−予熱およ
びガスの均一混合・分散が難しく、予熱ムラによる局部
的な吹き抜は現象が発生して不完全燃焼を引き起こし、
また混合・分散ムラによる局部的な触媒温度の異常高に
より触媒寿命の短縮、燃焼温度差から熱応力の発生によ
る触媒破損および燃料濃度分布による逆火現象を引き起
こす等の問題があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、前記従来技術の欠点をなくし、起動時
間が短く、常時予熱を必要とせず、かつ装置の大きさに
関係なく安定した均一な燃焼を得ることができる自己熱
燃焼型触媒燃焼装置およびその燃焼方法を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の第１は、燃料と空気を混合する混合器と、燃焼
器内に１本または複数本設置され、複数個の炎孔兼可燃
混合気供給孔（以下、単に［混合気供給孔」という）を
有する炎孔負荷２０〜１００ｋｃａｌ／ｍｍｚのパイプ
バーナ型予熱バーナ兼混合分散器（以下、単に「バイブ
バーナＪという）と、該バイブバーナと対向して前記燃
焼器内に設けられる触媒層とを有することを特徴とする
。

本発明の第２は、前記触媒燃焼装置で燃焼を行うに際し
、前記混合器で混合された混合気を前記混合気供給孔で
燃焼させて触媒予熱を行った後、前記混合気の燃焼を触
媒層で行い、かつ前記触媒予熱、該触媒予熱から触媒燃
焼への切換え、および必要容量に応じた触媒燃焼を、前
記燃料および空気の供給量の制御によって行うことを特
徴とする。

本発明においては、触媒層からの輻射熱を吸熱して可燃
混合気への輻射を効率よく行い、触媒の燃焼性を向上さ
せ、触媒通過流速に対する自己燃焼領域を拡大させる点
から、前記触媒層の前面、例えば３０〜６０ｍｍの位置
に輻射受熱体を設置することが絆ましい。これらの輻射
受熱体としては、セラミックスハニカム、多孔質セラミ
ックス、金網やパンチングメタル等金属材が好ましく用
いられる。

また本発明において、前記パイプバーナを複数本設けた
場合には、各パイプバーナ毎に隔壁を設けることが、逆
火、爆発等の異常現象の発生時の火炎伝播などによる被
害を最小限にし、また隔室毎に燃料供給量の調節ができ
る点から好ましい。

本発明に使用される触媒としては、例えばβアルミナの
担体にＰＬ（白金）等の金属を約０．５％担持させた触
媒など、従来の触媒燃焼装置に使用される触媒が使用さ
れる。

また本発明に使用される燃料としては、メタン、水素、
灯油、プロパン等が挙げられる。

〔作用〕

第１０図は、燃料（メタン）と空気の混合気の触媒層通
過流量と必要予熱温度の関係を示す図である。低通過流
速では予熱を必要しない範囲が存在し、通過流速がある
程度高くなると必要予熱温度が高くなることが示される
。

第１１図は、混合気流速の違いによる触媒層入口からの
距離に対する触媒層近傍の温度分布を示す図である。高
通過流速時の触媒人口面の温度は、混合気の予熱温度に
対し１０〜５０°Ｃ程度高くなっているにすぎないが、
低通過流速時（０−０，２ｍ　／　ｓ　）では５００〜
６００°Ｃの温度上昇が認められる。これらから触媒層
が予め必要な温度以上に加熱されていれば、予熱をして
いない常温の混合気を供給しても、触媒層の入口側への
熱輻射により可燃混合気が予熱され、触媒層の自己熱の
みで燃焼が継続できることがわかった。

この自己熱燃焼は、装置の規模に関係なく、触媒の面負
荷（燃焼容量ｋｃａｌ／ｈ／醒）を２５ｘｔｏ’　〜３
．５Ｘ１０’　ｋｃａ　Ｉ／％ｈに設定することで達成
されるが、大型設備とした場合、この条件では、しばし
ば逆火現象が生じる。この現象は、空気と燃料の混合お
よび分散の不良による局部的な高燃料濃度域が形成され
、この高燃料濃度域と触媒層予熱時の不均一な温度分布
の高い領域とが重なった時、または触媒層予熱から触媒
燃焼への切換時に発生するものである。しかし、この問
題は、触媒予熱時にはバーナとして、また触媒燃焼時に
は可燃混合気供給器として作用する、触媒層入口断面に
対向して平行に設置され、複数の混合気供給孔を有する
パイプバーナを触媒層入口断面に応じて１本から複数本
用い、かつ該パイプバーナの炎孔負荷を２０〜１００　
ｋ　ｃ　ａ　ｌ／ｍ＋ｎ”（パイプ内の断面負荷１．５
〜１Ｏｋｃａ　１７ｍｍ”）とすることによって解消さ
れた。

このバイブバーナは、起動時（触媒層予熱時）には、パ
イプバーナ長手側全域に渡って設けられる多数の混合気
供給孔より均一な短炎を形成して燃焼し、触媒層の予熱
を行うため、触媒層に温度ムラ（予熱ムラ）を生じるこ
とない。また均一な短炎化により触媒層に近接してパイ
プバーナを配置でき、触媒燃焼時の可燃混合気の通過ス
ペースを極力小さくでき、逆火等の異常現象の被害を最
小限とすることができる。さらに触媒予熱完了後のバイ
ブバーナは、可燃混合気の供給に供される。

パイプバーナが安定して火炎を維持できる条件（空燃比
、孔噴出流速）の範囲が狭く、触媒燃焼時にはバーナで
火炎が生じない条件の混合気が供給されるので、バイブ
バーナは火炎を形成しない。

またこれらの可燃混合気は、パイプ内および供給孔噴出
時のオリフィス効果によりさらに混合、分散が行われ、
均一性が向上するため、局部的な触媒の異常高温による
触媒寿命の短縮、燃焼温度差から生ずる熱応力等による
触媒損失、燃料濃度分布に起因する進化現象等を引き起
こすことがない。

また供給孔における可燃混合気の噴出流速を火炎伝播速
度より早くできるので、バーナ内への逆火が防止できる
。

〔実施例〕　− 以下、本発明を実施例により詳しく説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す触媒燃焼装置の側面
断面図、第２図は、第１図の■−■矢視断面図、第３図
は、第１図におけるバイブバーナの■−■矢視断面図、
第４図は、第１図におけるパイプバーナの側面拡大図で
ある。

この装置は、空気ヘッダ２および燃料ヘッダ４から供給
される空気１および燃料３を混合する混金型１３と、該
混合器１３Ｌこ連設された燃焼器本体５内に設けられる
複数本のパイプバーナ７と、該パイプバーナ７に多数設
けられる混合気供給孔１４と、前記パイプバーナ７と対
向して平行に燃焼器本体５に設けられる触媒層６と、該
触媒層６とパイプバーナ７の中間に設けられる輻射受熱
体８と、前記パイプバーナ７の１本毎に設けられる隔壁
１７（第２図）とからなる。

なお、パイプバーナ７は、触媒層６の入口断面積の大き
さに応じてｌ５本から複数本均等に分割配置される。ま
た前記混合気供給孔１４は、前記パイプバーナ７の長手
方向に触媒層に面して三列に炎孔負荷２０〜１００ｋｃ
ａ　ｌ／＋ｎｎ”となるように多数設けられる。また１
６は燃焼器本体５の触媒層面以外の側壁に設けられる断
熱材である。

このような構成において、空気１は空気ヘッダ２に導入
され、分配されて混合器１３に供給され、また燃料３は
燃料ヘッダ４に導入され、分配されて燃料ノズル１８か
ら混合器１３へ供給される。

該混合器１３で混合された空気ｌと燃料３は、可燃混合
気１５となって燃焼器本体５のパイプバーナ７に供給さ
れ、混合気供給孔１４から燃焼器本体５内に噴出される
。起動の際の触媒予熱時には、この可燃混合気は燃焼ガ
スとなって火炎が形成されるが、触媒燃焼時には、可燃
混合気１５のまま輻射受熱体８を通って触媒層６へ導入
され、触媒燃焼が行われる。

触媒予熱時および触媒燃焼時、さらに触媒予熱から触媒
燃焼への切換えは、燃料と空気の混合割合を制御するこ
とにより行われる。以下、その燃焼制御方法について具
体的に説明する。

第５図は、第１図に示す触媒燃焼装置の触媒燃焼方法を
示すフロー図である。

図において、燃焼器本体５に空気ｌを供給する空気配管
２１には、流量調整用の空気遮断弁９Ａ、９Ｂおよび空
気手動弁１０が設置され、また燃料器本体５に燃料３を
供給する燃料配管２０には、流量調整用の燃焼遮断弁１
９Ｂおよび燃料手動弁２０Ｂと、それらの後流に設けら
れる全燃料遮断弁１９Ａと、燃料へラダ４の後流に設け
られて各燃料の流量調節を行う燃料手動弁２０Ａが設け
られている。またこれらの遮断弁および手動弁の制御を
行うためのタイマ１１Ａ、１１Ｂおよび押釦スイッチが
設けられている。

触媒燃焼装置の起動は、まずパイプバーナ７による触媒
層の予熱から始まる。予めパイプバーナによる必要予熱
温度までの予熱時間が把握され、該予熱時間がタイマＩ
ＩＡにセットされ、さらにパイプバーナ燃焼から触媒燃
焼への切換時の燃料カット時間がタイマー１１Ｂにセッ
トされる。触媒層の予熱温度は、燃料の種類によって異
なるが、通常、触媒入口面において６００〜９００°Ｃ
であり、また通常、燃料カッ１へ時間は、２〜ＩＯ秒程
度である。次いで、必要開度がすでに調整された空気手
動弁１０が開かれ空気が供給される。その時の遮断弁９
Ａ、９Ｂは閉である。その後、押釦スイッチ１２をＯＮ
にし、タイ−？−１１Ａを作動する。タイマＩＩＡの作
動によって燃料遮断弁１９Ａが開となり、燃料手動弁２
ＯＡを通って燃料３が供給され、パイプバーナが点火さ
れ、触媒層６が予熱される。予熱時のパイプバーナへの
燃料供給量は、逆火安全性の面から触媒燃焼時の最低燃
焼量（低燃焼）とし、またパイプバーナ燃焼の空燃比は
１．１〜１．２程度とすることが好ましい。

タイマー１１Ａがタイムアツプすると予熱が完了し、燃
料遮断弁１９Ａが閉となり、パイプバーナが消化され、
同時に空気遮断弁９Ａ、９Ｂが開となり、切換用タイマ
ＩＩＢが作動する。

タイマＩＩＢがタイムアツプするとパイプバーナ燃焼か
ら触媒燃焼切換の準備が完了し、燃焼遮断弁１９Ｂ、１
９Ａが開となり、燃料３が供給され、パイプバーナ７か
ら可燃混合気１５が触媒層６に供給され、触媒燃焼に切
り換わる。このような切換えによって逆火条件が避けら
れ、安全かつ容易に燃焼の切換ができる。

触媒燃焼容量の制御は、遮断弁の開閉操作により行われ
る。すなわち、高燃焼時には、空気手動弁１０および遮
断弁９Ａ、９Ｂが開にされて空気供給量が最大とされ、
さらに燃料手動弁２０Ｂおよび燃料遮断弁１９Ｂが開に
されて燃料供給量も最大とされ、運転が行われる。一方
、低燃焼時には、空気手動弁１０および空気遮断弁９Ａ
が開、空気遮断弁９Ｂを閉として空気供給量を減少させ
、さらに燃料手動弁２０Ｂが開、空気遮断弁１９Ｂを開
とし、パイプバーナ燃焼時の燃料供給量まで燃料供給量
が減少されて運転が行われる。パイプバーナ燃焼時と触
媒燃焼時において同じ燃料供給量（低燃焼）であっても
、触媒燃焼時の空気量が約２倍であるため、混合供給孔
１４からの噴出速度が約２倍となり、火炎の形成は起こ
り得す、またパイプ内への逆火も流速の増加によって発
生しない。

触媒燃焼時の空燃比は、プイプバーナで火炎を形成する
ことなく可燃混合気を触媒層に供給するために、１．５
〜３．０とすることが好ましい。空燃比カ月、５以上に
なると、パイプバーナは火炎が形成できなくなり吹き消
え現象をおこす。

なお、本実施例は、２段切換操作によって空気および燃
料の供給量の調整を行ったが、本発明においては２段以
上の切換操作によっても行うことができるのはいうまで
もない。

第６図は、本発明の他の実施例を示す触媒燃焼装置の側
面断面図であり、燃料３および空気１の供給をパイプバ
ーナ７の長子側中心から行った場合を示す。このような
触媒燃焼装置においても、作用、効果は第１図に示す触
媒燃焼装置と同様であるが、可燃混合気１５がパイプバ
ーナ７内で左右に分割されるため、パイプ内のガス流速
が第１図に示す触媒燃焼装置のガス流速と比較してｌ／
２となり、パイプ断面積を１／２に減することができる
。

第７図は、本発明のさらに他の実施例を示す触媒燃焼装
置の側面断面図、第８図は、第７図におけるパイプバー
ナの■−■矢視断面図、第９図は、第７図におけるパイ
プバーナの側面拡大断面図である。この装置で第１図と
異なる点は、パイプバーナ７内に、燃料供給孔１９を有
する燃料供給ノズル１８を挿入し、パイプバーナ７内で
空気１と燃料３を混合するようにしたことである。この
際、空気ｌと燃料３は対向して導入され、また燃料供給
ノズル１８に設けられる燃料供給孔１９は、混合気供給
孔１４の孔間中心の長手方向に複数配される。この触媒
燃焼装置においても作用・効果は第１図に示す触媒燃焼
装置と同様であり、さらに燃料−空気の混合をパイプバ
ーナで行うため、パイプバーナ内での逆火が起こりに＜
＜、安全性が高くなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、大型の触媒層を用いた場合でも、逆火
現象や局部的な異常燃焼を引き起こすことなく自己熱燃
焼をすることができる。従って、特別の予熱装置を設け
て常時予熱を行う必要がなく、経済的であり、また安全
かつ容易に安定した触媒燃焼が継続して行うことができ
、ＮＯｘの発生を容易に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す触媒燃焼装置の側面
断面図、第２図は、第１図の■−■線矢視断面図、第３
図は、第１図の■−■綿矢視断面図、第４図は、第１図
におけるパイプノ＼−すの側面拡大図、第５図は、第１
図の触媒燃焼装置の触媒燃焼方法を示すフロー図、第６
図は、本発明の他の実施例を示す触媒燃焼装置の側面断
面図、第７図は、本発明のさらに他の実施例を示す触媒
燃焼装置の側面断面図、第８図は、第７図の■−■線矢
視断面図、第９図は、第７図におけるパイプバーナの側
面拡大断面図、第１０図は、燃料と空気の触媒層通過流
速と必要予熱温度の関係を示す図、第１１図は、流速の
違いによる触媒層入口からの距離に対する触媒層近傍の
温度分布を示す図、第１２図は、従来技術による触媒燃
焼装置のフロー図である。 ■・・・空気、２・・・空気ヘッダ、３・・・燃料、４
・・・燃料ヘッダ、５・・・燃焼器本体、６・・・触媒
層、７・・・パイプバーナ、８・・・輻射受熱体、９Ａ
、９Ｂ・・・空気遮断弁、１０・・・空気手動弁、ＩＩ
Ａ、ＩＩＢ・・・タイマ、１２・・・押釦スイッチ、１
３・・・混合器、１５・・・可燃混合気、１６・・・断
熱材、１７・・・隔壁板、Ｉ訃・・燃料ノズル、１９Ａ
、１９Ｂ・・・燃料遮断弁、２０Ａ、２０Ｂ・・・燃料
手動弁、２０・・・燃料配管、２１・・・空気配管。 代理人　弁理士　川　北　武　長 １ｔ　Ａ　、　ｔ＋　Ｂ　：タイマ １２：押釦スイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料と空気を混合する混合器と、燃焼器内に１本
   または複数本設置され、複数個の炎孔兼可燃混合気供給
   孔を有する炎孔負荷２０〜１００ｋｃａｌ／ｍｍ＾２の
   パイプバーナ型予熱バーナ兼混合分散器と、該パイプバ
   ーナ型予熱バーナ兼混合分散器と対向して前記燃焼器内
   に設けられる触媒層とを有することを特徴とする触媒燃
   焼装置。
2. （２）燃料と空気を混合する混合器と、燃焼器内に１本
   または複数本設置され、複数個の炎孔兼可燃混合気供給
   孔を有する炎孔負荷２０〜１００ｋｃａｌ／ｍｍ＾２の
   パイプバーナ型予熱バーナ兼混合分散器と、該パイプバ
   ーナ型予熱バーナ兼混合分散器と対向して前記燃焼器内
   に設けられる触媒層とからなる触媒燃焼装置で燃焼を行
   うに際し、前記混合器で混合された混合気を前記炎孔兼
   可燃混合気供給孔で燃焼させて触媒予熱を行った後、前
   記混合気の燃焼を触媒層で行い、かつ前記触媒予熱、該
   触媒予熱から触媒燃焼への切換え、および必要容量に応
   じた触媒燃焼を、前記燃料および空気の供給量の制御に
   よって行うことを特徴とする触媒燃焼方法。