JPS61168724A

JPS61168724A - 触媒燃焼装置

Info

Publication number: JPS61168724A
Application number: JP60008863A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Tanaka; 田中　充広; Kunikatsu Yoshida; 邦勝吉田; Yasutsune Katsuta; 康常勝田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1985-01-21
Filing date: 1985-01-21
Publication date: 1986-07-30

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に係り、特に−酸化炭素（Ｃｏ）
等の未燃分の低減に好適な触媒燃焼器に関するものであ
る。

（従来の技術）最近、熱処理炉あるいは均熱炉等の加熱炉では排ガスを
再循環して省左ネルギーを行なうようになってきている
。熱処理炉についていえば、第５図のように、熱処理炉
１の煙突３から排ガスを抜き出し、大気温度の空気と混
合し、ファン４の耐熱温度まで下げた後、この再循環ガ
スをファン４により、各触媒バーナ２に分配し、燃料を
加えた後燃焼させ、排ガスの熱量を有効に利用するよう
になっている。このような方法によれば、始めは、炉壁
および金属製品等の被加熱物等の加熱のため燃料を要す
るが、熱処理温度およびその近傍まで上昇してしまうと
、炉壁および被加熱物はほとんど熱を吸収しないため、
燃料も士数分の１に減少する。また、最近の熱処理炉は
以前の輻射加熱に比べ効率のよい対流加熱を採用してい
るため、各バーナから均一に燃焼ガスを発生する必要が
あり、まとめて燃料を燃焼させることはできないため、
１本当たりのバーナの所要燃料は非常に少なくなる。こ
のように、各バーナで少ない燃料を均一に焚くことはタ
ーンダウンの小さい通常のバーナでは困難なため、再循
環ガス中に燃料を直接混入し、燃焼させる方法がとられ
ているが、単に燃焼させると燃料濃度が希薄すぎて燃焼
が困難になるため、触媒を利用して燃焼させる触媒バー
ナが用いられている。

第６図および第７図は、このような触媒バーナを用いる
燃焼装置の断面図である。第６図の触媒燃焼器は、ベン
チエリ型と称されるもので、１次ガス入ロノズル５から
入った再循環ガス中に燃料ノズル６から気体または液状
の燃料を吹き込み、ベンチエリ部９で混合し、整流板７
で流れを均一にして、貴金属または卑金属を担持させた
ハニカム状または粒状の酸化触媒８で燃焼させるもので
ある。第７図は、旋回羽根１０により排ガス毫旋回させ
、排ガスと燃料の混合を促進する方式で、その下流の整
流板７および触媒層８は第６図のベンチエリ型触媒バー
ナと同様な作用をする。

（発明が解決しようとする問題点）このような触媒バーナを有する熱処理炉または均熱炉等
の加熱炉内の雰囲気は、炉の耐火壁等の温度上昇に奪わ
れる熱量の関係から、第８図に示すように、昇温域Ａを
経た後、所定の定常域Ｂに達し、降温域Ｃを経る。また
、熱処理炉または均熱炉では炉内の被加熱金属製品の熱
処理条件より、また化学プラント用等の一般加熱炉では
炉の耐火材また保温材の熱膨張による破損防止の点から
、Ａの昇温域では１００〜ｂを維持し、運転を行なっている。したがってこの間、循
環排ガスの温度は低く、第６図または第７図の触媒バー
ナの触媒層出口燃焼ガスの温度も低くなる。

ところが、このように触媒層出口温度が低いときには、
ＣＯ等の未燃分の発生がみられることがある。この対策
のため本発明者等は触礫層出口温　度を変え、触媒量を
パラメータとして触媒燃焼特性について試験した。本試
験条件として、触媒は、γ−Ａ１．０３製のハニカム状
担体に触媒主成分としてパラジウムを数％含有させたも
のを用い、触媒表面積Ｓと入口ガス量Ｆの比（Ｆ／Ｓ）
を２０．４０．８ＯＮｎｒ／ｎｒｈと変え、燃料濃度を
灯油の場合０．２％、プロパンの場合０．６％とした。

本試験結果を、第９図に触媒層出口温度と触媒層出口排
ガス中のｃｏ濃度の関係として示した。

第９図を参照すれば、まず、灯油を燃料とし、Ｆ／Ｓ−
２ＯＮｔｙｒ／ｎｆｈ　（条件ＫＡ、試験結果：ロ印）
では、触媒層出口温度５００〜１０００℃の範囲で、出
口ＣＯ濃度は２０ｐｐｍ以下で、灯油は完全燃焼してい
た。同じく灯油を燃料とし、前述、ＫＡの条件に比べ触
媒量を半分とし、Ｆ／５＝４ＯＮｒｄ／ｄｈ　（条件Ｋ
Ｂ、試験結果：○印）とすると、触媒層出口温度が約６
００℃近傍より、ＣＯ濃度は増加し、約７００〜８００
℃でピークをえかき、出口温度約９００℃になると、出
口ＣＯ濃度は２０ｐｐｍとなり、試験条件ＫＡに比べ触
媒量を半分にしたにもかかわらず、灯油は完全燃焼した
。さらに、同じく灯油を燃料とし、前述、ＫＡの条件に
比べ触媒量を１／４とし、Ｆ／５＝８ＯＮｒｄ／ｄｈ　
（条件ＫＣ１試験結果Δ印）とすると、第５図のように
、約５５０℃からＣＯが発生し、触媒層出口温度を高く
するにつれて、ＣＯは増加したが、さらに出口温度を高
くすると、ＣＯは減少し、出口温度を約９２０℃にする
と、出口ＣＯ濃度は数十ｐｐｍとなり、前述、ＫＡの条
件に比べ触媒量を１７４としても、灯油は完全燃焼した
。このＫＣの条件でＣＯのピークは７００〜８００℃の
間にあると推定されるが、この間、ガスクロマトグラフ
ィにより出口排ガスを分析すると、ＣＯ基以外、Ｈ２、
ＣＨ４、Ｃｘ　Ｈ４等もみられ、灯油のガス化が生じ、
未燃分が生成していることが明らかとなった。

次にプロパンを燃料とし、Ｆ／Ｓ−４ＯＮｎｒ／ｒｄｈ
　（条件ＰＢ、試験結果・印）で試験すると、値は異な
るが、灯油の試験条件ＫＢとほぼ似た傾向を示し、触媒
層出口温度約９００℃で出口Ｃ０濃度は数十ｐｐｍ以下
で、プロパンは完全燃焼した。

なお、参考のために、パラジウムを含まないハニカム担
体のみで試験すると、本試験の灯油濃度０．２％、プロ
パン濃度０．６％では、触媒層の入口温度を６５０℃に
上げても、灯油、プロパンの燃焼率は２０％以下で無触
媒で燃焼させることは困難であることがわかった。また
、本試験結果よりプロパンの着火温度は４００℃前後、
灯油は低く、２５０℃前後であることが明らかとなった
。

以上の試験結果より、第８図のＡの昇温域またはＣの降
温域のように温度が低いところでは、第９、図に示した
ように、未燃分を発生させずに運転するためには多量の
触媒を要することが明らかとなった。

また、熱処理炉の場合、最も一般的に使用されている焼
鈍温度（第８図のＢの定常域に相当）は６２５℃±１０
℃で、この温度近傍で未燃分を発生させずに保持するた
めには多量の触媒を要することになる。触媒に使用され
ているパラジウム、白金等の貴金属は高価で、前述のＦ
／５＝２ＯＮｒＩ？／ｒｒｔｈの条件の触媒を使用する
と、バーナ装置本体の構造物より触媒のほうが高価にな
る。一方、触媒量を減らし、前述、６２５℃近傍の触媒
バーナ出口温度にすると、第９図から明らかなように、
未燃分が発生し、完全燃焼できないという欠点が生じる
。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、触
媒バーナ出口排ガス温度が低くても未燃分を発生しにく
く、また触媒量も少な（てすむ触媒燃焼装置を提供する
ことにある。

（問題点を解決するための手段）要するに本発明は、空気を含む再循環ガスを２分し、一
方の再循環ガス中に燃料を加え、燃焼ガス温度が一定温
度以上になるように触媒層で燃焼させ、この燃焼ガスに
他方の再循環ガスを混合するようにしたものである。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面によって詳細に説明する
。

第１図は、触媒層への再循環ガスをコントロールして本
発明を達成する触媒燃焼装置の断面図である。この装置
は、空気を含む再循環ガスＧを１次ガスと２次ガスに２
分して供給する流路５および１３と、１次ガスが通る流
路５に、上流から順に設けられた１次ガス調節用ダンパ
１７、燃料ノズル６、燃料と１次ガスの混合部９、およ
び触媒層８と、２次ガスが通る流路１３に設けられた２
次ガス調節用ダンパ１４と、前記触媒層８を出た１次ガ
スと２次ガス流路１３．１２を出た２次ガスが合流する
ガス混合部１８と、該ガス混合部１８の温度を検出しく
熱電対１５）、該温度が所定値になるように、１次ガス
量および２次ガス量を調節する制御装置１６とからなる
。

空気を含む再循環ガスＧは排ガス再循環ファン（図示せ
ず）を出た後２分され、一方は１次ガス入ロガスノズル
５から入り、燃料ノズル６から吹き込まれた燃料ととも
にベンチュリ部９に入り、ここで混合され、整流板７で
流れを均一にされた後、触媒層８に入り、ここで燃焼す
るようになっている。前述の２分した他方の再循環ガス
は２次ガス流路（入口ノズル）１３から風箱１１に入り
、ここから触媒層８の外周に設けられたガス流路１２に
入り、混合部１８で触媒層８から出てきた燃焼ガスと混
合され、排出される。触媒層８の出口直後には触媒層出
口燃焼ガス温度を測定する熱電対１５が設けられており
、この信号は制御器１６に到り、ここで１次ガス入ロノ
ズル５に設けられている再循環ガス量調節用の１次ガス
用ダンパ１７および２次ガス入ロノズル１３に設けられ
ている２次ガス用ダンパ１４を操作し、触媒層出口排ガ
ス温度が一定温度以上になるように制御される。

以上のような構成において、触媒層８の出口ガス温度を
熱電対１５で測定し、この温度が設定値と比べ低い場合
は制御器１６により、１次ガス用ダレパ１７をしぼり、
再循環ガス量を減らし、触媒層出口の温度を設定値まで
高くし、同時に制御器１６は２次ガス用ダンパ１４を開
け１．ガス流路１２への再循環ガス量を増加し、混合部
１８出口が所定の温度になるように制御する。触媒層出
口の燃焼ガス温度が設定値より極端に高いときには、こ
の逆の操作が行なわれる。このようにして運転開始から
停止まで触媒層８出ロ燃焼ガス温度を一定温度以上に保
持することができる。しかも、燃料量と再循環ガス量は
前もって触媒バーナ出口では所定温度になるように制御
されて入ってきているため、混合部出口排ガス温度１８
は所定の温度に制御される。

実施例１第１図に示した触媒バーナ、および触媒として従来技術
で述べた試験条件と同じハニカム状担体にパラジウムを
主に含む触媒を用い、初めに運転初期の最大負荷時のＦ
／Ｓ　（再循環ガス量／触媒表面積）が２ＯＮｎｆ／ｎ
ｆｈ　（第９図のＫＡの条件）に相当する触媒量を用い
、触媒層出口燃焼ガス温度を６１０℃に設定し、運転を
行なった。その結果、第９図のＫＡの場合と同様に、排
ガス温度６１０℃までは未燃分は検知されなかった。そ
の後、触媒層出口温度を９５０℃に設定して運転したが
、この場合も未燃分は検知されなかヮた。

次に触媒量を１／４にしく第９図のＫＣの条件）、触媒
層出口燃焼ガス温度を７５０℃に設定すると、第９図で
示したと同じような傾向で未燃分の発生がみられた。そ
こで、触媒層出口燃焼ガス温度を９５０℃に設定すると
運転全期間にわたり、未燃分は発生せず、このような条
件を選ぶと触媒量を１／４にしても未燃分を発生せず運
転できることが明らかとなった。

このように、触媒量を減少すると、触媒層出口燃焼ガス
温度は高くしなければならないが、触媒量を減少しても
運転の全期間にわたり、未燃分の発生をみずに運転でき
ることが明らかとなった。

この理由は必ずしも明らかではないが、反応速度論的に
次のように考えられる。燃料の燃焼率Ｘ（％）は次式の
ような関係にあり、温度は指数的に、触媒量は１次の関
係で、燃料の燃焼率を早めている。

Ｘ　　ｏｏ（ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ））／（Ｆ／Ｓ）　　
　（１）ここで、Ｘ：燃料の燃焼率Ｅ：活性化エネルギーＲ：ガス定数Ｔ：絶対温度Ｆ：再循環ガス量Ｓ：触媒表面積（触媒量）上記温度は実際には触媒層内温度であるが、触媒層内で
燃焼が生じた場合発熱量が大きく、触媒層内温度はほぼ
触媒層出口燃焼ガス温度に近いため、式（１）の温度は
触媒層出口燃焼ガス温度で代表させることができる。し
たがって、触媒層出口温度を高く保持すると、触媒量を
少なくしても、未燃分を発生させずに燃焼を行なわせる
ことができる。

上記実施例によれば、触媒層側への再循環ガス量が減少
することにより、燃料濃度が高くなり（但し、無触媒で
は燃焼を持続することはできない）、運転初期の再循環
ガス温度が低いとき、着火が容易になり、また、触媒層
出口燃焼ガス温度を一定温度範囲にコントロールするた
め、触媒の過熱による破損を防止することもできる。特
に、運転初期、触媒層出口燃焼ガス温度を７００〜８０
０℃に設定し、１次ガス入ロダンパ１７をしぼり、燃料
過剰の条件で触媒層８からは未反応のまま燃料および空
気を通過させ、混合部で点火トーチにより点火し、ガス
流路゛１２からの空気を流せば、通常のバーナのごとく
、混合部で燃焼させることができ、一旦燃焼が開始する
と、その輻射熱により触媒層８が加熱昇温し、通過する
燃料を部分酸化し、燃焼速度の早い水素、ＣＯ等を発生
し、保炎のよいバーナとなり、簡単に触媒バーナを起動
することができる。

なお、熱処理炉の場合は、全再循環ガス量、空気量およ
び燃料を制御するため、再循環ガスの１次および２次の
比率を一定とし、空気量（０□濃度）および燃料を制御
して触媒層出口燃焼ガス温度を一定値に制御すれば、同
様の効果を得ることができる。

第１図の実施例では、混合部１８のセンサを熱電対とし
たが、ＣＯ等の未燃分の濃度を検出するものとしても同
様の効果を得ることができる。

次に第２図は、本発明の他の実施例を示したもので、第
１図のベンチュリ管９の代わりに、１次ガス流路に旋回
羽根１０を設けたもので、第１図の場合と同等の効果が
得られる。

第３図は、第２図の触媒層を分割して触媒層８ａ、３ｂ
とし、その間に熱電対１５を設けたもので、触媒層を分
割したことにより、特に下流側の触媒層の表面積が大と
なるため、第９図で示したように、Ｆ／Ｓを小さくして
未燃分の燃焼率を向上させることができ、またこの場合
も熱電対が触媒層間にあっても触媒層出口温度をほぼ知
ることができるため、第１図および第２図の場合と同様
な効果も得られる。

第４図は、第２図のガス流路１２に旋回羽根１９を設け
たもので、触媒層８から出てきた燃焼ガスとガス流路１
２から出てきた再循環ガスとの混合性を改善し、未燃分
をより低減することができる。

（発明の効果）本発明によれば、触媒量を減じても、その触媒量の不足
分をカバーするように、高い燃焼温度に保持し、燃焼速
度を早め、未燃分を発生することな（燃焼でき、また、
その燃焼ガス中に低温の再循環ガスを混合するため、触
媒燃焼装置出口では所定の温度に制御することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明になる触媒燃焼装置の一実施例を示す
断面図、第２〜４図は、それぞれ本発明の他の実施例を
示す断面図、第５図は、従来の触媒燃焼装置が使用され
る熱処理炉システムの系統図、第６および７図は従来の
触媒燃焼装置の断面図、第８図は、従来の熱処理炉の操
業条件を示す図、第９図は、従来の触媒燃焼装置を用い
て燃焼試験をした結果を示す図である。５・・・１次ガス入ロノズル（流路）、６・・・燃料ノ
ズル、７・・・整流板、８・・・触媒、９・・・ベンチ
ュリ管、１０・・・旋回羽根、１１風箱、１２・・・ガ
ス流路、１３・・・２次ガス入ロノズル、１４・・・２
次ガス用ダンパ、１５・・・熱電対、１６・・・制御器
、１７・・・１次ガス用ダンパ、１８・・・混合部、１
９・・・稀釈ガス用旋回羽根。艷１図第２図第３図第４図第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）空気を含む再循環ガスを１次ガスと２次ガスに２
分して供給する流路と、１次ガスが通る流路に、上流か
ら順に設けられた１次ガス調節用ダンパ、燃料ノズル、
燃料と１次ガスの混合部、および触媒層と、２次ガスが
通る流路に設けられた２次ガス調節用ダンパと、前記触
媒層を出た１次ガスと２次ガス流路を出た２次ガスが合
流するガス混合部と、該ガス混合部の温度または未燃分
の量を検出し、該温度または未燃分が所定値になるよう
に、１次ガス量および燃料量を調節する制御装置を有す
ることを特徴とする触媒燃焼装置。
（２）特許請求範囲第１項において、前記製造装置は、
触媒層出口に温度または未燃分の検知器を設け、その信
号により１次ガスおよび２次ガス調節用ダンパを調節す
るものであることを特徴とする触媒燃焼装置。