JPH0247262B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は燃焼用触媒体に係り、特に高負荷燃焼
に適した接触燃焼用触媒体および該触媒体を用い
た燃焼装置に関する。 近年、触媒により燃焼反応を促進する、いわゆ
る触媒燃焼法を用いて、ボイラや各種燃焼器の小
型化を実現しようとする試みが多くなされてい
る。触媒燃焼法では、単位容積および時間当たり
の発熱量である容積燃焼率（kcal／m³ｈ）が従来
の火炎燃焼法の場合の数10倍と大きいため、火炉
容積を従来の数10分の１にすることが可能であ
る。その他、触媒燃焼法は(1)窒素酸化物（NOx）
を生成しにくい(2)低酸素濃度で完全燃焼可能であ
る、などの長所も併せて持つており、本法の実用
化が切望されている。 しかし、上記触媒燃焼法においては、触媒を高
負荷条件で使用すると燃焼熱により触媒が劣化す
るという現象を生じ、これが実用化の大きな障害
となつている。このため、(1)燃焼ガスの再循環、
(2)燃料の分注といつた方法により、触媒の熱劣化
を回避する方策が検討されている。 すなわち、第１図は、燃焼ガス再循環による改
良例を示したものであるが、空気導入管３から導
入された空気は熱交換器８で予熱された後、配管
２から燃料が注入され、混合器５で均一に混合さ
れた後、触媒体１を装填した触媒装置１Ａに導入
され、触媒燃焼に供される。該触媒装置１Ａの燃
焼排ガスは熱回収器４を経て取出され、その一部
は配管６を通つて送風器７により燃料注入配管２
の前流側に再循環され、残りの排ガスは前述の熱
交換器８に送られ、熱回収された後、配管９から
外部に排出される。また第２図は、燃料の分注に
よる改良例を示したもので、空気導入配管３から
導入された空気は予熱器１０を経て予熱された後
配管２から燃料が注入され、さらに混合器５で混
合された後、触媒燃焼装置１Ａに導入され、ここ
で触媒燃焼された後、熱回収器４で熱回収が行わ
れ、さらに熱回収した後の燃焼排ガスに配管から
燃料が注入され、再び混合器５、触媒燃焼装置１
Ａおよび熱回収器４で前述の操作が繰返された
後、配管９から燃焼排ガスが外部に排出される。 しかしながら、(1)の方法（第１図）では、再循
環のために扱うガス量が数倍に増大し、触媒燃焼
の長所が薄れるだけでなく、装置構造も複雑にな
るという欠点がある。また(2)の方法（第２図）で
は、燃料を分注するため、構造が複雑化するとと
もに、燃料濃度の低い条件で運転するため、着火
温度が高くなるという問題を生じる。 上記の欠点をなくすため、触媒層を分割して部
分燃焼させることが考えられるが、この場合は、
熱暴走により部分的に触媒のシンタリングを生じ
たり、または触媒の一部のみが加熱され、均一な
燃焼を続行することができず、さらに部分燃焼生
成物である一酸化炭素や未燃カーボンを生成する
という問題がある。 本発明の目的は、上記従来技術の欠点を改善
し、高負荷の燃焼条件に容易に対応することがで
き、かつ熱劣化の生じにくい燃焼用触媒体を提供
することにある。 本発明は、燃料含有ガスが通る流路壁面に接触
燃焼用触媒を有する触媒体において、流路壁面が
触媒活性を有する流路と触媒活性を有しないか、
または前記流路よりも触媒活性の少ない流路との
２種類の流路が壁面を介して互いに接するように
配列されたことを特徴とする。 本発明の触媒体は、方形、円形、６角形などの
開口形状で、ガス流に対し平行な流路を有する、
いわゆるモノリス触媒体に好ましく適用される。 以下、本発明を図面によりさらに詳しく説明す
る。 第３図ないし第７図は、本発明の原理を模式的
に説明する図である。先ず第４図は、従来のモノ
リス触媒内の燃焼状況を模式的に示したものであ
るが、空気と燃料の混合ガスは矢印の方から触媒
内に流入し、触媒１の表面で接触的に燃焼し発熱
する。そのとき燃焼熱の一部が触媒の内部を通
り、熱流１２となつてガスの流れに対し逆向きに
伝わり、空気と燃料の混合気を予熱することにな
る。これによつて引き起こされた温度上昇のため
に、燃焼反応はより速やかに進行するようになる
が、その結果、前述の逆向きの熱流による混合ガ
スの予熱が強化され、さらに燃焼反応は促進され
る。結果として触媒体内部に幅の狭い極めて高温
な燃焼帯１３が形成され、燃焼はほとんどこの部
分で完結する。この場合の触媒体の温度分布を示
したものが第４図であるが、前記した逆向きの熱
流１２により混合ガスのエンタルピーが増大し、
触媒燃焼による燃焼帯の温度（実線Ａ）は、点線
Ｂで示した無触媒の火炎燃焼に較べて高いのみな
らず、断熱火炎温度Ｃをはるかに上回る高温とな
り、触媒の熱劣化が進行し易くなる。 以上に示したように現状の触媒内に形成される
燃焼帯の幅は極めて狭く、ほとんどの燃焼反応が
その部分で急速に進行しているため、触媒長を短
くする方法で安定に部分燃焼を実施することは原
理的に困難である。このため、本発明では触媒の
ガス流路を不均質なものとし、熱流を断面方向に
分散させて逆向きの熱流を低減せしめ、安定な部
分燃焼を可能にした。すなわち、模式的には第５
図に示すように、モノリス触媒内の流路を触媒層
１１を表面に持つ流路１５と触媒層を持たない流
路１６を隣接させた。このようにすれば流路１５
中の触媒層１１上で発生した燃焼熱は、流路６方
向の熱流１２となつて流れ、混合ガスの予熱にの
み使用されるとともに、触媒層１１は冷却され、
熱劣化が防止される。また、熱流１２によつて、
ガス流入方向に逆向きの熱流は減少し、第６図の
Ｄに示すように発熱帯における極端な温度上昇は
生じなくなり、触媒の熱劣化は著しく低減され
る。さらに本発明の場合には、触媒層１１を有し
ない流路１６を設けることによつて部分燃焼を構
造的に実現するため、狭い反応帯を分離する方法
の場合に生じる燃焼の不安定現象や局部加熱は生
じなくなる。また、流路１５に流入する混合ガス
は、流路の出口に到達するまでの間に触媒層１１
によつて完全燃焼させることができ、未然炭素や
一酸化炭素の生成も抑制される。さらに流入する
ガスは燃料分注の場合とは異なり、空気比を１近
くに選定できるため、容易に着火起動させること
ができる利点も得られる。 なお、第５図に示す触媒層１１を有する流路１
５と有しない流路１６は、第５Ａ図に示すように
逆にしてもよい。 本発明の触媒体は、第７図に示すように、触媒
成分を内面に有する流路１５と、これを有しない
流路１６とを層状に、かつ交互に設けたものや、
第８図に示すように、流路断面に千鳥状に配置し
たものが例示されるが、要するに流路１５と１６
の２種の流路が、一部または全部の外面を互いに
接するように配置されていればよく、他に種々の
変形が考慮される。例えば流路１５と１６は必ず
しも同一流路断面積を有しなくてもよく、また流
路１６の内面を流路１５の内面の触媒より活性の
低い触媒層で覆うことも、本特許の原理から容易
に推察可能な範囲にある。また、触媒層１１また
は担体１４の材質は金属、金属酸化物など、燃焼
用触媒であればどのようなものであつても使用可
能である。 次に本発明の燃焼用触媒体を用いた燃焼装置の
一例を第９図に示す。この装置は、配管３から導
入される空気を予熱器１０と、該予熱空気に燃料
を供給する燃料注入配管２と、該燃料と空気とを
混合する混合器５と、該混合器５からの燃料空気
混合ガスを燃焼させる燃焼装置１Ａとからなり、
この燃焼装置１Ａは、比較的短いモノリス触媒体
２０と、熱回収器４を交互に配列したものからな
る。このモノリス型触媒２０は、前述の第７図お
よび第８図に示したようなものからなる。このよ
うに触媒層を分割し、熱回収器である伝熱管と交
互に配置し、各触媒層で燃料を部分燃焼させなが
ら燃焼熱を除去することにより、触媒の最高温度
が制限されるとともに、各触媒体２０においても
第５図に示したように、流路断面方向に燃焼熱が
分散されるので、極めて安定な分割燃焼が実現さ
れ、空気比１近くの高負荷燃焼にも充分適用し得
る熱回収装置を構成することができる。なお、本
発明の触媒体は、第９図に示した燃焼装置のみな
らず、第１図および第２図に示した燃焼装置にも
適用可能である。 以下、本発明を具体的な実施例によりさらに詳
細に説明する。 実施例 流路形状が１辺２mmの正方形で隔壁厚味0.5mm
あるムライト質担体を、30mm角、30mm長さに切出
し、アルミナ（γ−Al₂O₃）に白金0.5wt％担持
した350メツシユ粉末の水スラリを、第７図に示
したような構造となるように流路中に注ぎ込ん
だ。これを140℃、２時間乾燥後、500℃で２時間
焼成し、ムライト担持上に触媒粉を約0.1mm厚に
なるように析出させた。 比較例 実施例と同様の担体を30mm角、15mm長さの形状
に切出し、そのすべての流路の内壁に同様の方法
で触媒を析出させた。 実験例 実施例になる触媒と比較触媒とに、8vol％のメ
タン（残部空気）の混合ガスを400℃に予熱し、
35N／minの流量で接触させ、触媒燃焼試験を
行つた。 実験直後と10時間後の両触媒の性能を第１表に
示した。

【表】 第１表の結果から、本発明による触媒体は、長
時間触媒性能に変化がなく、COの発生も少ない
のに対し、比較例の触媒体は、初期活性は高かつ
たが、COの発生が著しく、また数時間後には活
性低下のため失火した。 以上、本発明によれば、空気比１近くの条件で
安定した部分触媒燃焼が可能になり、例えば熱回
収器と組み合わせた高負荷燃焼−熱回収システム
を構成することができる。このため、本発明の触
媒体は、特に触媒燃焼ボイラ等に好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、従来の触媒燃焼システ
ムを示す装置系統図、第３図は従来の触媒体内の
燃焼状況を示すモデル図、第４図はその温度分布
を示す図、第５図、第５Ａ図は本発明の原理を示
す触媒体のモデル図、第６図はその温度分布を示
す図、第７図、第８図は、それぞれ本発明の実施
例を示す触媒体の構成図、第９図は、本発明の触
媒体を組込んだ高負荷燃焼−熱回収システムの装
置系統図である。 １，２０……触媒体、２……燃焼注入配管、３
……空気導入管、４……熱回収器（伝熱管）、９
……排気配管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃料含有ガスが通る流路壁面に接触燃焼用触
   媒を有する触媒体において、流路壁面が触媒活性
   を有する流路と、触媒活性を有しないか、または
   前記流路よりも触媒活性の少ない流路との２種類
   の流路が壁面を介して互いに接するように配列さ
   れたことを特徴とする燃焼用触媒体。