JP2004191049A - Combustion control method of catalyst combustion device - Google Patents

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Yasusada Higuchi
保定 樋口
Yoshihiro Suzuki
美博 鈴木
Shoichi Muraoka
正一 村岡
Satoshi Osawa
敏 大沢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a combustion control method of a catalyst combustion device capable of stably continuing the catalyst combustion by supplying the sufficiently vaporized liquid fuel to a catalyst layer with a simple constitution. <P>SOLUTION: A porous radiation plate faced to the catalyst layer is mounted in a vaporizing chamber 12 of the catalyst combustion device. The radiation plate 30 is heated by the radiation heat 74 from the catalyst layer 20. The liquid fuel having passed through the vaporizing chamber 12, passes through the radiation plate 30 in an atomized state or during its vaporization. The radiation plate 30 is used as a heat source in the vaporizing chamber and accelerates the vaporization. The fuel in the atomized state or during its vaporization having passed through the radiation plate 30 is brought into contact with the radiation plate 30, whereby the heat is conducted, the fuel is heated, and the vaporization is accelerated. By mounting the radiation plate 30, the vaporization of the liquid fuel 70 in the vaporizing chamber can be accelerated, and the catalyst combustion can be stably kept. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、気化した液体燃料を触媒燃焼する触媒燃焼装置の燃焼制御方法に関するものである。   The present invention relates to a combustion control method for a catalytic combustion device that catalytically combusts vaporized liquid fuel.

火炎燃焼に比べて燃焼温度が低く無炎で燃焼する触媒燃焼が知られている。さらに、触媒燃焼は、NOxなどの有害な排ガスの発生が少ない。また、希薄混合気の燃焼が可能で、燃焼量の調整範囲が広く、放射熱量が大きい等の様々なメリットを有している。   2. Description of the Related Art Catalytic combustion, in which the combustion temperature is lower than flame combustion and burns without flame, is known. Further, catalytic combustion generates less harmful exhaust gas such as NOx. In addition, there are various advantages such as the ability to burn a lean air-fuel mixture, a wide range of adjustment of the amount of combustion, and a large amount of radiant heat.

この触媒燃焼を温風あるいは赤外線を放出する暖房装置などに用いることが検討されている。液体燃料を触媒燃焼する装置においては、前方に触媒層を設け、この触媒層の後方に、噴霧された燃料を気化する気化室が配置されている触媒燃焼装置がある。この触媒燃焼装置では、触媒燃焼が開始されると、触媒層の熱(輻射熱)で気化室が加熱され、液体燃料が気化されて、空気と混合された状態で触媒層に供給され、触媒燃焼が継続される。   It has been studied to use this catalytic combustion in a heating device that emits warm air or infrared rays. 2. Description of the Related Art In a device for catalytic combustion of a liquid fuel, there is a catalytic combustion device in which a catalyst layer is provided in front and a vaporization chamber for vaporizing sprayed fuel is disposed behind the catalyst layer. In this catalytic combustion device, when catalytic combustion is started, the vaporization chamber is heated by the heat (radiant heat) of the catalytic layer, and the liquid fuel is vaporized and supplied to the catalytic layer in a state of being mixed with air. Is continued.

しかしながら、触媒燃焼では、十分に気化した燃料を触媒層に供給しないと、触媒燃焼が効率良く進まなくなる。また、触媒層に気化が不充分な液体燃料が供給されると、触媒層が濡れて、活性が低下するなどの問題も生ずる。このため、気化室を十分に加熱する必要がある。しかしながら、気化室の温度を上げるために触媒層の温度が高温になるように設計すると、触媒層あるいは気化室で燃料が有炎燃焼する、いわゆる逆火現象が生じる。逆火現象が生じると、触媒燃焼の本来の効果が得られない。   However, in catalytic combustion, catalytic combustion does not proceed efficiently unless sufficiently vaporized fuel is supplied to the catalyst layer. In addition, when a liquid fuel that is insufficiently vaporized is supplied to the catalyst layer, there is a problem that the catalyst layer is wetted and the activity is reduced. Therefore, it is necessary to sufficiently heat the vaporization chamber. However, if the temperature of the catalyst layer is designed to be high in order to increase the temperature of the vaporization chamber, a so-called flashback phenomenon occurs in which fuel burns in the catalyst layer or the vaporization chamber with flame. When the flashback phenomenon occurs, the original effect of catalytic combustion cannot be obtained.

触媒層を高温にする代わりに気化室の容量を小さくすれば、室内の温度は上がるが、気化するための滞留時間がとれない。触媒層を熱源とする代わりに、電気ヒータなどの熱源を設けることも可能であるが、ランニングコストがかかる。   If the volume of the vaporization chamber is reduced instead of raising the temperature of the catalyst layer, the temperature in the chamber increases, but the residence time for vaporization is not taken. Although it is possible to provide a heat source such as an electric heater instead of using the catalyst layer as a heat source, a running cost is required.

このように、触媒燃焼を暖房器具などにおいて一般的に使用するためには、十分に気化された燃料を継続的に安定して触媒層に供給することが重要である。しかしながら、これまでのところ気化を促進するとともに、構造が簡単でランニングコストもかからない適当な構成が提供されていない。   As described above, in order to generally use catalytic combustion in a heating appliance or the like, it is important to supply a sufficiently vaporized fuel to the catalyst layer continuously and stably. However, up to now, there has not been provided an appropriate configuration which promotes vaporization, has a simple structure and does not cost much running.

そこで、本発明においては、簡易な構成で十分に気化した液体燃料を触媒層に供給し、安定して触媒燃焼を継続できる触媒燃焼装置の燃焼制御方法を提案することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to propose a combustion control method for a catalytic combustion device that can supply a sufficiently vaporized liquid fuel to a catalyst layer with a simple configuration and continue catalytic combustion stably.

このため、本発明においては、気化室に、触媒層から輻射熱により加熱される多孔性の輻射板を設けることで、高温となった輻射板に気化中の燃料が接し、気化が促進されるようにしている。   For this reason, in the present invention, by providing a porous radiant plate heated by radiant heat from the catalyst layer in the vaporization chamber, the fuel being vaporized contacts the radiant plate that has become hot, so that vaporization is promoted. I have to.

すなわち、本発明は、気化した液体燃料を触媒燃焼する触媒層と、この触媒層の輻射熱により液体燃料を気化し、前方の前記触媒層に供給する気化室と、前記気化室に液体燃料を噴霧する噴霧器と、前記気化室内において前記触媒層に面して配置された多孔性の輻射板とを有し、前記輻射板は、前記触媒層からの輻射熱により加熱されて前記気化室内に噴霧された液体燃料の気化を促進する熱源として機能する触媒燃焼装置の燃焼制御方法であって、
前記噴霧器をバーナとして用いて前記気化室で火炎を形成して予備燃焼を行うことにより、前記気化室、前記輻射板および前記触媒層を加熱し、
前記気化室の温度が所定以上になった後に前記予備燃焼を止め、
しかる後に、前記噴霧器から液体燃料を前記気化室に噴霧して、前記触媒層による触媒燃焼を開始させ、
触媒燃焼時においては、前記気化室内に噴霧された液体燃料を、前記触媒層から放射されて前記輻射板を透過した輻射熱、および前記輻射板の輻射熱によって気化して、前記触媒層に供給することを特徴としている。
That is, the present invention provides a catalyst layer that catalytically burns a vaporized liquid fuel, a vaporization chamber that vaporizes the liquid fuel by radiant heat of the catalyst layer and supplies the vaporized liquid fuel to the catalyst layer in front, and sprays the liquid fuel into the vaporization chamber. And a porous radiating plate disposed in the vaporization chamber so as to face the catalyst layer, wherein the radiating plate is heated by radiant heat from the catalyst layer and sprayed into the vaporization chamber. A combustion control method for a catalytic combustion device that functions as a heat source that promotes vaporization of a liquid fuel,
By performing preliminary combustion by forming a flame in the vaporization chamber using the sprayer as a burner, the vaporization chamber, the radiation plate and the catalyst layer are heated,
Stopping the preliminary combustion after the temperature of the vaporization chamber is equal to or higher than a predetermined value,
Thereafter, liquid fuel is sprayed from the sprayer into the vaporization chamber to start catalytic combustion by the catalyst layer,
At the time of catalytic combustion, the liquid fuel sprayed into the vaporization chamber is vaporized by radiant heat emitted from the catalyst layer and transmitted through the radiant plate, and radiant heat of the radiant plate, and supplied to the catalyst layer. It is characterized by.

このように気化室に、多孔性の輻射板を触媒層に面する(向かい合う、あるいは対峙する)ように設けることで、触媒層には充分に気化された燃料が供給されることとなり、きわめて良好に、そして安定して触媒燃焼が維持されることが本願発明者等の実験により判明している。   By providing a porous radiating plate in the vaporization chamber so as to face (facing or confront) the catalyst layer, a sufficiently vaporized fuel is supplied to the catalyst layer, which is extremely favorable. It has been found from experiments conducted by the present inventors that catalytic combustion is maintained stably and stably.

輻射板を設けることにより気化が促進され、触媒燃焼を良好に、そして安定して維持できる要因は次のように考えられている。まず、触媒層からの輻射熱により輻射板は高温となる。そして、気化室を通過する液体燃料は、霧化状態あるいはガス化途上の状態で輻射板を通過する。したがって、輻射板は気化室内における熱源となり気化を促進する。それと共に、輻射板は多孔性であるので霧化状態あるいは気化途上の燃料が輻射板に接触する確率が高く、接触により熱が伝達され燃料が高温になって気化を促進する。一方、多孔性であるために、触媒層の輻射熱の一部は輻射板を透過して気化室の燃料の供給側である後方(上流側)にも到達し、気化室全体も加熱する。したがって、輻射板を設置したことにより気化室全体の気化効率が向上する。   The factors that promote the vaporization by providing the radiating plate and can maintain the catalytic combustion satisfactorily and stably are considered as follows. First, the radiant plate is heated to a high temperature by radiant heat from the catalyst layer. Then, the liquid fuel passing through the vaporization chamber passes through the radiation plate in an atomized state or in a state of being gasified. Therefore, the radiation plate becomes a heat source in the vaporization chamber and promotes vaporization. At the same time, since the radiation plate is porous, there is a high probability that the atomized or vaporized fuel will come into contact with the radiation plate, and the contact will transfer heat and the fuel will be heated to a higher temperature to promote vaporization. On the other hand, because of the porosity, part of the radiant heat of the catalyst layer passes through the radiator plate and reaches the rear (upstream side) on the fuel supply side of the vaporization chamber, and also heats the entire vaporization chamber. Therefore, the vaporization efficiency of the entire vaporization chamber is improved by installing the radiation plate.

また、輻射板は気化あるいは気化途上の燃料と、燃焼用空気を混合するためにも良好な機能を果たしていると考えられる。すなわち、多孔性の輻射板を通過することにより乱流となりやすいので、燃料と空気の混合が進み、十分に混合した状態で触媒層に燃料が供給される。その結果、触媒層では均一な触媒燃焼が安定して維持しやすい状態となる。また、輻射板により燃焼用空気も加熱される。したがって、高温となった空気とガス化途上の燃料とが混合することによっても気化が促進されることになる。   Further, it is considered that the radiation plate plays a good function also for mixing the combustion air with the vaporized or evaporating fuel. That is, turbulence is likely to occur when the fuel passes through the porous radiating plate, so that mixing of fuel and air proceeds, and fuel is supplied to the catalyst layer in a sufficiently mixed state. As a result, the catalyst layer is in a state where uniform catalytic combustion can be stably maintained. Further, the combustion air is also heated by the radiation plate. Therefore, vaporization is also promoted by mixing the hot air and the gasifying fuel.

さらに、気化室の内、輻射板と触媒層の間のスペースにおいては、燃料および燃焼用空気が触媒層からの輻射熱のみならず、輻射板からの輻射熱にも晒されることになる。したがって、容量としては大きくないが、触媒層の手前に、このような高温に加熱しやすいスペースが形成されるので、燃料の気化が急速に促進されると共に、十分に加熱された燃料および空気が触媒層に供給されることになる。したがって、輻射板を設けたことによる上記のような要因で、安定した触媒燃焼を維持できると考えられている。   Further, in the space between the radiation plate and the catalyst layer in the vaporization chamber, the fuel and the combustion air are exposed not only to the radiation heat from the catalyst layer but also to the radiation heat from the radiation plate. Therefore, although the capacity is not large, a space that is easily heated to such a high temperature is formed in front of the catalyst layer, so that the vaporization of the fuel is rapidly promoted, and the sufficiently heated fuel and air are removed. It will be supplied to the catalyst layer. Therefore, it is considered that stable catalytic combustion can be maintained due to the above-described factors due to the provision of the radiation plate.

このように、本発明の触媒燃焼装置の燃焼制御方法においては、触媒燃焼を安定して行うことができるので、触媒燃焼のメリットを充分に活かすことができ、それを暖房装置などの実際に家庭あるいは工場などで用いられる装置に活用することができる。触媒燃焼のメリットは多々あるが、たとえば、窒素酸化物または一酸化炭素などの燃焼排ガス中の有毒あるいは臭いの元となる成分の排出を低減でき、火炎燃焼に比べて騒音も低減できる。これらのメリットは本発明の触媒燃焼方法を暖房装置などに用いるのに適していることを示している。さらに、触媒燃焼は、希薄混合気の燃焼が可能で、燃焼量の調整範囲が広く、また、燃焼効率が良いので放射熱量が大きい等の多くのメリットを備えている。   As described above, in the combustion control method of the catalytic combustion device of the present invention, since the catalytic combustion can be performed stably, the merit of the catalytic combustion can be fully utilized, and the advantage can be obtained by actually using it in a home such as a heating device. Alternatively, it can be used for devices used in factories and the like. Although there are many merits of catalytic combustion, for example, emission of toxic or odor-causing components in combustion exhaust gas such as nitrogen oxides or carbon monoxide can be reduced, and noise can be reduced as compared with flame combustion. These merits show that the catalytic combustion method of the present invention is suitable for use in a heating device or the like. Further, the catalytic combustion has many advantages such as the ability to burn a lean mixture, a wide range of adjustment of the amount of combustion, and a large amount of radiant heat due to good combustion efficiency.

多孔性の輻射板は、パンチングメタルのような金属製の板であっても良いが、セラミック、あるいは、金属板にセラミックが溶射されたものであることが望ましい。セラミックは、高温強度が高く、さらに赤外線の吸収率が高いので、輻射板の温度を容易に上げることができる。   The porous radiation plate may be a metal plate such as a punching metal, but is preferably ceramic or a metal plate obtained by spraying ceramic. Ceramics have high strength at high temperatures and high absorptivity of infrared rays, so that the temperature of the radiation plate can be easily raised.

輻射板を設けることにより、上述したような効果を得ることができるが、輻射板の開口率が小さすぎると、燃料との接触効率は高く、燃料の気化効率は良くなると考えられるが、反面、輻射板を透過する輻射熱が減るので気化室の温度が下がり気化室全体の気化効率が下がってしまう可能性がある。気化室の気化効率が下がりすぎると、燃料の気化が不充分になり燃焼が継続できない。一方、輻射板の開口率が大きいと、燃料との接触効率が低くなるので、燃料の気化効率を向上する効果は低くなる。それとともに、開口率が大きいと、気化室の温度が上がり、そこに高温となった輻射板が配置されるので逆火現象が発生する可能性がある。このような見地から本願の発明者らが実験を行ったところ、輻射板の開口率は、30%から60%程度の範囲が望ましいという結果が得られた。   By providing the radiation plate, the above-described effects can be obtained.However, if the aperture ratio of the radiation plate is too small, the contact efficiency with the fuel is high, and the vaporization efficiency of the fuel is considered to be improved. Since the radiant heat transmitted through the radiation plate is reduced, the temperature of the vaporization chamber may decrease, and the vaporization efficiency of the entire vaporization chamber may decrease. If the vaporization efficiency of the vaporization chamber is too low, the vaporization of the fuel becomes insufficient and the combustion cannot be continued. On the other hand, if the aperture ratio of the radiation plate is large, the contact efficiency with the fuel decreases, and the effect of improving the vaporization efficiency of the fuel decreases. At the same time, if the aperture ratio is large, the temperature of the vaporization chamber rises, and a high-temperature radiating plate is disposed there, which may cause a flashback phenomenon. From such a viewpoint, the inventors of the present application conducted an experiment, and obtained a result that the aperture ratio of the radiation plate is desirably in the range of about 30% to 60%.

また、液体燃料を噴霧する噴霧器、輻射板および触媒層は、各々の中心が気化室の中心軸上となるようにほぼ直線的に配置することが望ましい。このように、液体燃料の流れる方向に対し、軸対象となるような配置を採用することにより、燃料および空気が偏流するのを避けることができる。したがって、触媒層の各部分(例えば、気化室に向いた側の面)に対し気化された燃料および混合される空気を均等に分散して供給でき、触媒層全体で安定した触媒燃焼を継続させることができる。   Further, it is desirable that the atomizer for spraying the liquid fuel, the radiation plate, and the catalyst layer are arranged substantially linearly such that the respective centers are on the central axis of the vaporization chamber. As described above, by adopting an arrangement that is axially symmetric with respect to the direction in which the liquid fuel flows, it is possible to prevent the fuel and the air from drifting. Therefore, the vaporized fuel and the mixed air can be evenly distributed and supplied to each part of the catalyst layer (for example, the surface facing the vaporization chamber), and stable catalytic combustion can be continued in the entire catalyst layer. be able to.

触媒層は、熱負荷に基づいて大きさ(面積)が選択される。一方、気化室の断面積は供給する液体燃料量および空気量によって決まるので、触媒層の面積に対し断面積を小さくできる場合がある。この場合には、触媒層と気化室との断面積に差が生じるので、触媒層の近傍で気化室がテーパ状に広がるように形成することが望ましい。このように、気化室の形状に段差部分をなくすことで、気化室内、特に気化室の壁面に沿った領域における偏流を避けることができ、触媒層の熱負荷を均一化するのに役立つ。また、このような気化室では、輻射板は、気化室のテーパ状に広がっている部分より後方に配置することで、輻射板を小さくすることも可能である。   The size (area) of the catalyst layer is selected based on the heat load. On the other hand, since the cross-sectional area of the vaporization chamber is determined by the amount of supplied liquid fuel and the amount of air, the cross-sectional area may be smaller than the area of the catalyst layer. In this case, a difference occurs in the cross-sectional area between the catalyst layer and the vaporization chamber. Therefore, it is preferable that the vaporization chamber is formed so as to expand in a tapered shape near the catalyst layer. In this manner, by eliminating the step in the shape of the vaporization chamber, it is possible to avoid drift in the vaporization chamber, particularly in a region along the wall surface of the vaporization chamber, and to help uniform the thermal load of the catalyst layer. In such a vaporization chamber, the radiation plate can be made smaller by arranging the radiation plate behind the tapered portion of the vaporization chamber.

さらに、触媒層は熱が出力される前方が凸になるように、例えば、放射状の多面体に形成することが望ましい。これにより、触媒層から前方に出力される熱(赤外線)の放射角度が広がり、効率良く外部の対象物を加温できる。   Further, it is desirable that the catalyst layer is formed, for example, in a radial polyhedron so that the front from which heat is output becomes convex. Thereby, the radiation angle of the heat (infrared ray) output forward from the catalyst layer is widened, and the external object can be efficiently heated.

以上に説明したように、本発明の触媒燃焼装置の燃焼制御方法は、気化室に多孔性の輻射板を触媒層に向かい合って設けることで、輻射熱により高温となり新たな熱源を気化室に設け、それによって触媒層に達する液体燃料の気化と、空気との混合を促進するようにしている。したがって、本発明の方法によれば、気化室に輻射板を設けるという簡易な構成で、触媒層にほぼ完全に気化し、空気と混合された燃料が供給でき、触媒燃焼を安定して継続できる触媒燃焼装置を実現できる。   As described above, the combustion control method of the catalytic combustion device of the present invention, by providing a porous radiant plate in the vaporization chamber facing the catalyst layer, high temperature due to radiant heat provided a new heat source in the vaporization chamber, Thereby, the vaporization of the liquid fuel reaching the catalyst layer and the mixing with the air are promoted. Therefore, according to the method of the present invention, the catalyst layer can be almost completely vaporized, the fuel mixed with the air can be supplied, and the catalytic combustion can be stably continued with a simple configuration in which the radiation plate is provided in the vaporization chamber. A catalytic combustion device can be realized.

以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1に、本発明の方法を適用した暖房装置の概要を斜視図で示してある。本例の暖房装置1は、本発明に係る燃焼制御方法を採用した触媒燃焼装置5を熱源とした暖房装置である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a heating apparatus to which the method of the present invention is applied. The heating device 1 of the present example is a heating device using the catalytic combustion device 5 adopting the combustion control method according to the present invention as a heat source.

この暖房装置1は、移動可能なキャスター付きのフレーム60の上方に触媒燃焼装置5が取付けられている。フレーム60には、さらに、触媒燃焼装置5の下方に燃料タンク2が取付けられており、これらを一体で動かし、適当な場所に移動させることができる。したがって、適当な場所で触媒燃焼装置5を稼動させて赤外線73を放射し、暖房することができる。また、フレーム60の向きを変えることで赤外線73の放射方向を調整できる。   The heating device 1 has a catalytic combustion device 5 mounted above a frame 60 with movable casters. The fuel tank 2 is further attached to the frame 60 below the catalytic combustion device 5, and these can be integrally moved and moved to an appropriate place. Therefore, it is possible to operate the catalytic combustion device 5 at an appropriate place to radiate the infrared rays 73 and perform heating. Further, by changing the direction of the frame 60, the radiation direction of the infrared rays 73 can be adjusted.

本例の触媒燃焼装置5は、水平方向に延びた筒状のハウジング10を備えている。このハウジング10がアーム62に上下方向に旋回できるように取付けられ、フレーム60から支持されている。そして、ハウジング10の前方10aが、赤外線73を出力する赤外線放射面21となっている。この赤外線放射面21は、前方10aに向かって凸になるように、本例では、複数の板状の触媒プレートが放射状に組み合わさり、多面体状の放射面21となっている。このように赤外線放射面21を設けることで、出力される赤外線73の放射角度を広げ、効率のよい暖房ができる。また、赤外線放射面21の前方には、安全のためにガード69が取付けられている。   The catalytic combustion device 5 of the present example includes a cylindrical housing 10 extending in the horizontal direction. The housing 10 is mounted on the arm 62 so as to be pivotable in the vertical direction, and is supported by the frame 60. The front 10a of the housing 10 is an infrared radiation surface 21 that outputs the infrared light 73. In this example, a plurality of plate-shaped catalyst plates are radially combined to form a polyhedral radiation surface 21 so that the infrared radiation surface 21 is convex toward the front 10a. By providing the infrared radiation surface 21 in this way, the radiation angle of the output infrared radiation 73 is widened, and efficient heating can be performed. In addition, a guard 69 is attached in front of the infrared radiation surface 21 for safety.

図2に、本例の触媒燃焼装置5の概略構成を断面図により示してある。本例の触媒燃焼装置5は、外界(前方)10aに面して触媒層20が設けられ、その外に表れている面が赤外線放射面21となっている。本例の触媒層20は、白金などの触媒と、その担体(例えば、アルミン酸石灰−溶解シリカ−酸化チタン等のセラミック)により構成されている。本例の触媒層20は、ハニカム形状で、開口率が50%〜70%程度、厚さが5〜20mm程度のものである。   FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the catalytic combustion device 5 of the present example. In the catalytic combustion device 5 of this example, a catalyst layer 20 is provided facing the outside (front) 10a, and a surface appearing outside the catalyst layer 20 is an infrared radiation surface 21. The catalyst layer 20 of this example is composed of a catalyst such as platinum and a carrier thereof (for example, ceramics such as lime aluminate-dissolved silica-titanium oxide). The catalyst layer 20 of this example has a honeycomb shape, an opening ratio of about 50% to 70%, and a thickness of about 5 to 20 mm.

この触媒層20の後方に、触媒層20の輻射熱74により液体燃料70を加熱気化する気化室12が設けられている。気化室12は、SUS430およびアルミ含有のフェライト系などの耐熱性の素材による円筒状の外殻11で構成されており、その内部のスペースで液体燃料を蒸発させるようになっている。また、気化室12は、後述する予備燃焼のときは燃焼室となる。   Behind the catalyst layer 20, a vaporization chamber 12 for heating and vaporizing the liquid fuel 70 by the radiant heat 74 of the catalyst layer 20 is provided. The vaporization chamber 12 is constituted by a cylindrical outer shell 11 made of a heat-resistant material such as SUS430 and aluminum-containing ferrite, and evaporates the liquid fuel in the internal space. Further, the vaporization chamber 12 becomes a combustion chamber at the time of preliminary combustion described later.

気化室12の後方には、燃料タンク2から燃料配管8および燃料ポンプ(不図示)により供給された液体燃料70を噴霧する噴霧器(バーナ)13、気化室12に燃焼用の空気を送るブロワ15が配置されている。これらの噴霧器13、ブロワ15の空気出口、後述する輻射板30および触媒層20は、それぞれの中心が気化室12の中心軸19の上にならび、ほぼ直線的に、軸対称な配置となっている。   Behind the vaporizing chamber 12, a sprayer (burner) 13 for spraying the fuel pipe 8 and a liquid fuel 70 supplied by a fuel pump (not shown) from the fuel tank 2, and a blower 15 for sending combustion air to the vaporizing chamber 12. Is arranged. The atomizer 13, the air outlet of the blower 15, the radiating plate 30 and the catalyst layer 20, which will be described later, have their respective centers aligned with the central axis 19 of the vaporizing chamber 12, and are arranged substantially linearly and axially symmetrically. I have.

噴霧器13は、触媒燃焼に先立って、気化室12および触媒層20を予熱する予備燃焼のときは、バーナ13として機能する。このため、バーナ13に隣接して液体燃料に着火するためのイグナイター14が設けられている。   The atomizer 13 functions as a burner 13 at the time of preliminary combustion for preheating the vaporization chamber 12 and the catalyst layer 20 prior to catalytic combustion. Therefore, an igniter 14 for igniting the liquid fuel is provided adjacent to the burner 13.

さらに、本例の触媒燃焼装置5は、気化室12に、触媒層20の後面22に面し(向かい合って)、触媒層20とほぼ平行に対峙するように多孔性の輻射板30が配置されている。輻射板30は、その平面を図3に示してあるように、円盤状の板材であり、複数の孔31が中心30aから放射状にほぼ均等に形成されている。図示した輻射板30は、直径が約150mmの円盤で、それに直径が10mmの孔31が106個開けられており、開口率は約45%のものである。輻射板30は、パンチングメタルにセラミックが溶射された部材が用いられている。セラミックは、高温強度も高いので、触媒層20により照射されて高温となる場所に設置される部材の材質としては優れている。さらに、セラミックは、赤外線吸収率が高いので、触媒層20からの輻射熱により高温となることが望ましい輻射板30の素材としては最適である。   Further, in the catalytic combustion device 5 of the present example, a porous radiating plate 30 is arranged in the vaporization chamber 12 so as to face (face) the rear surface 22 of the catalyst layer 20 and to face the catalyst layer 20 substantially in parallel. ing. The radiating plate 30 is a disk-shaped plate as shown in FIG. 3, and a plurality of holes 31 are formed almost uniformly radially from the center 30a. The illustrated radiation plate 30 is a disk having a diameter of about 150 mm, has 106 holes 31 with a diameter of 10 mm, and an aperture ratio of about 45%. The radiation plate 30 is made of a member obtained by spraying ceramic onto a punching metal. Since ceramic has high strength at high temperature, it is excellent as a material of a member installed in a place where the temperature is high when irradiated by the catalyst layer 20. Further, since ceramic has a high infrared absorptivity, it is most suitable as a material of the radiating plate 30 which is desirably heated to high temperature by radiant heat from the catalyst layer 20.

気化室12における輻射板30の位置は、前方の触媒層20と後方の噴霧器13の間で触媒層20に面する位置である。それと共に、触媒層20からの輻射熱によって輻射板が高温になり易いように、また、ある程度気化した状態の液体燃料が輻射板30により完全に気化され易くするために、気化室12の内の触媒層20に近い位置に設けられている。すなわち、輻射板30によって、気化室12は2つに区画化されるが、噴霧器13が配置された後方のスペース12aの長さW1が、触媒層20に面する前方のスペース12bの長さW2より長くなるように輻射板30が配置されている。   The position of the radiation plate 30 in the vaporization chamber 12 is a position facing the catalyst layer 20 between the front catalyst layer 20 and the rear sprayer 13. At the same time, the catalyst in the vaporization chamber 12 is formed so that the radiant plate is easily heated to a high temperature by the radiant heat from the catalyst layer 20 and the liquid fuel in a certain vaporized state is easily completely vaporized by the radiant plate 30. It is provided at a position near the layer 20. That is, the vaporizing chamber 12 is divided into two by the radiation plate 30, but the length W1 of the rear space 12a where the atomizer 13 is arranged is equal to the length W2 of the front space 12b facing the catalyst layer 20. The radiation plate 30 is arranged to be longer.

後方のスペース12aは、触媒層20から放射される熱のうち、輻射板30を透過した熱、および輻射板30の輻射熱により加熱されて高温になる領域であり、噴霧器13から噴霧された燃料71がスペース12aの熱により気化されると共に後方のブロワ15から供給される燃焼用の空気と混合される(1次混合)。   The rear space 12a is a region that is heated by the radiation transmitted from the radiator plate 30 and the radiant heat of the radiator plate 30 and becomes high temperature among the heat radiated from the catalyst layer 20, and the fuel 71 sprayed from the sprayer 13 is heated. Is vaporized by the heat of the space 12a and mixed with combustion air supplied from the rear blower 15 (primary mixing).

スペース12aで1次混合された気体(燃料および空気)は、加熱された輻射板30を通過する。この際、上述したような幾つかのプロセスにより、多孔性の輻射板30を通過することにより、気化途上の液体燃料の気化は促進される。   The gas (fuel and air) primarily mixed in the space 12a passes through the heated radiation plate 30. At this time, the vaporization of the liquid fuel being vaporized is promoted by passing through the porous radiating plate 30 by several processes as described above.

そして、輻射板30を通過した混合気体は、前方のスペース12bで、多孔性の輻射板30を通過したことにより混合が促進されると共に、触媒層20の輻射熱74により、さらに気化も促進される。また、混合気体自体も高温となる(2次混合)。このようなプロセスにより、本例の燃焼装置5においては、液体燃料が気化室12でほぼ完全に気化され、空気と混合された状態で触媒層の後面22に供給することが可能であり、触媒層20により順調に安定した触媒燃焼が行われる。   The mixed gas that has passed through the radiating plate 30 is promoted to mix by passing through the porous radiating plate 30 in the front space 12b, and is further promoted to be vaporized by the radiant heat 74 of the catalyst layer 20. . Further, the temperature of the mixed gas itself becomes high (secondary mixing). According to such a process, in the combustion device 5 of this example, the liquid fuel can be almost completely vaporized in the vaporization chamber 12 and supplied to the rear surface 22 of the catalyst layer in a state of being mixed with air. The layer 20 provides a stable and stable catalytic combustion.

したがって、単に気化室を設けただけの従来の触媒燃焼装置と比較すると、触媒層に到達した燃料の気化が進んでいないために触媒反応が順調に進まないといったトラブルをなくすことができる。また、燃焼用空気との混合も充分に行われているので、触媒層で不均一な燃焼が起きたり、逆火などの原因となるような大きな温度分布が触媒層に発生するようなことも防止できる。このように、本例の触媒燃焼装置5は、気化室12に輻射板30を設けるといった簡単な構成で、触媒層20にほぼ完全に気化された燃料が供給し、安定した触媒燃焼を継続できる触媒燃焼装置となっている。   Therefore, as compared with a conventional catalytic combustion apparatus in which a vaporization chamber is simply provided, it is possible to eliminate a trouble that the catalytic reaction does not proceed smoothly because the fuel that has reached the catalyst layer is not vaporized. In addition, since it is sufficiently mixed with combustion air, uneven combustion may occur in the catalyst layer, and a large temperature distribution may occur in the catalyst layer, which may cause flashback. Can be prevented. As described above, the catalytic combustion device 5 of the present example can supply the almost completely vaporized fuel to the catalyst layer 20 with a simple configuration in which the radiation plate 30 is provided in the vaporization chamber 12 and can continue stable catalytic combustion. It is a catalytic combustion device.

さらに、本例の触媒燃焼装置5は、噴霧器13、輻射板30および触媒層20は、各々の中心が気化室12の中心軸19上となるようにほぼ直線的に配置されている。このような軸対称の配置を採用することにより、気化室12に偏流が生ずるのを避けることができる。したがって、触媒層20に対し、気化された燃料および空気の混合が進んだ混合気体72を均等に分散して供給できる。このため、触媒層20の熱負荷を均等にすることが可能であり、放射面21から放出される赤外線の分布を均等にすることができる。それと共に、触媒層20に大きな温度分布が生ずるのを防止できるので、逆火の発生を防止するという効果を得ることができる。   Further, in the catalytic combustion device 5 of the present example, the atomizer 13, the radiation plate 30 and the catalyst layer 20 are arranged substantially linearly such that the respective centers are on the central axis 19 of the vaporization chamber 12. By adopting such an axially symmetric arrangement, it is possible to avoid the occurrence of drift in the vaporization chamber 12. Therefore, the gaseous mixture 72 in which the vaporized fuel and air have been mixed can be uniformly dispersed and supplied to the catalyst layer 20. For this reason, it is possible to equalize the heat load of the catalyst layer 20, and to equalize the distribution of infrared rays emitted from the radiation surface 21. At the same time, since a large temperature distribution can be prevented from being generated in the catalyst layer 20, an effect of preventing occurrence of flashback can be obtained.

さらに、本例の触媒燃焼装置5は、図2に示すように、触媒層20の面積は気化室12の縦断面積よりも大きな装置であるが、触媒層20の近傍、すなわち前方のスペース12bを形成する気化室の外殻の部分11aをテーパ状に広げている。このため、触媒層20に供給される混合気体72は、外殻11に沿った部分もテーパ状の部分11aに沿って流れ、大きな偏流が発生しにくい構造となっている。したがって、触媒層20の面積と気化室12の断面積とが異なる構成であるが、大きな偏流を防止でき、上述したような効果を得ることができる。   Further, as shown in FIG. 2, the catalytic combustion device 5 of this example is a device in which the area of the catalyst layer 20 is larger than the vertical cross-sectional area of the vaporization chamber 12. The outer shell portion 11a of the vaporization chamber to be formed is tapered. Therefore, the mixed gas 72 supplied to the catalyst layer 20 also flows along the outer shell 11 along the tapered portion 11a, and has a structure in which a large drift is unlikely to occur. Therefore, although the configuration is such that the area of the catalyst layer 20 and the cross-sectional area of the vaporization chamber 12 are different, large drift can be prevented, and the above-described effects can be obtained.

触媒層20のサイズは発熱量(熱負荷)に基づいて選択されるので、その表面積は気化室12の断面積と必ずしも一致することにならない。本例においては、触媒層20の面積が大きいので、それを横長の長方形に配置し、円筒状の気化室12の中心軸19を触媒層20の中心20aにあわせるように配置している。そして、触媒層20の近傍をテーパ状に広げることにより、コンパクトで、偏流が少なく、熱負荷が均等に得られる触媒燃焼装置5を実現している。   Since the size of the catalyst layer 20 is selected based on the calorific value (heat load), the surface area does not always match the cross-sectional area of the vaporization chamber 12. In this example, since the area of the catalyst layer 20 is large, the catalyst layer 20 is arranged in a horizontally long rectangle, and is arranged so that the central axis 19 of the cylindrical vaporization chamber 12 is aligned with the center 20a of the catalyst layer 20. By expanding the vicinity of the catalyst layer 20 in a tapered shape, the catalytic combustion device 5 that is compact, has less drift, and can obtain a uniform thermal load is realized.

テーパ状に広げる位置は、特に上記に限定されるものではないが、気化室12をコンパクトにするには触媒層20に近い位置であることが望ましい。さらに、輻射板30の前方にテーパ状の部分を配置する、逆に言うと、テーパ状に広がっている部分11aより後方に輻射板30を配置することで輻射板のサイズを小さくすることができる。   The tapered position is not particularly limited to the above, but is preferably a position close to the catalyst layer 20 in order to make the vaporization chamber 12 compact. Furthermore, the size of the radiation plate can be reduced by disposing the tapered portion in front of the radiation plate 30, or conversely, by disposing the radiation plate 30 behind the tapered portion 11 a. .

このように、本例の触媒燃焼装置5は触媒層20の後方に輻射板30を設けることにより触媒燃焼が安定して維持されるようになっている。したがって、触媒燃焼装置の構成は簡易であり、稼動するような構成要素が増加することもないので低コストで制御も簡単であり、メンテナンスも簡単に行うことができる燃焼装置である。また、触媒燃焼中に気化を促進するために電気ヒータなどの別熱源を用意して気化室を加熱しておく必要はなく、余分なランニングコストが発生することもない。   As described above, in the catalytic combustion device 5 of the present embodiment, by providing the radiation plate 30 behind the catalyst layer 20, the catalytic combustion is stably maintained. Therefore, the configuration of the catalytic combustion device is simple, and the number of operating components does not increase. Therefore, the cost is low, the control is simple, and the maintenance can be easily performed. Further, there is no need to prepare another heat source such as an electric heater to heat the vaporization chamber in order to promote vaporization during catalytic combustion, and no extra running cost is generated.

本例の触媒燃焼装置5は次のように制御される。先ず、触媒層20で触媒燃焼を開始するために触媒層20を300〜400℃程度の活性化温度まで加熱する必要がある。同時に、液体燃料が気化されるように気化室12の温度を上げる必要がある。このため、触媒燃焼に先立って、噴霧器13をバーナとして用いて気化室12で火炎を形成し、予備燃焼を行う。この火炎の熱により気化室12、輻射板30さらに触媒層20を加熱する。   The catalytic combustion device 5 of this embodiment is controlled as follows. First, in order to start catalytic combustion in the catalyst layer 20, it is necessary to heat the catalyst layer 20 to an activation temperature of about 300 to 400C. At the same time, it is necessary to raise the temperature of the vaporization chamber 12 so that the liquid fuel is vaporized. For this reason, prior to catalytic combustion, a flame is formed in the vaporization chamber 12 using the atomizer 13 as a burner, and preliminary combustion is performed. The heat of the flame heats the vaporization chamber 12, the radiation plate 30, and the catalyst layer 20.

予備燃焼によって、気化室12の温度が上がると、液体燃料70の噴出を停止して予備燃焼を止める。その後、適当なインターバルをおいた後、再び、噴霧器13に液体燃料70を供給し、加熱された気化室12に霧状の液体燃料71を供給する。気化室12は、輻射板30を含めて加熱されているので、上述したように、気化室内で液体燃料71が加熱され気化されると共に空気とも混合されて触媒層20に供給される。触媒層20も加熱されているので、触媒反応が開始され、その結果、触媒層20の温度が上昇する。   When the temperature of the vaporization chamber 12 increases by the preliminary combustion, the ejection of the liquid fuel 70 is stopped to stop the preliminary combustion. Thereafter, after an appropriate interval, the liquid fuel 70 is again supplied to the atomizer 13 and the mist liquid fuel 71 is supplied to the heated vaporization chamber 12. Since the vaporization chamber 12 is heated including the radiation plate 30, as described above, the liquid fuel 71 is heated and vaporized in the vaporization chamber, mixed with air, and supplied to the catalyst layer 20. Since the catalyst layer 20 is also heated, a catalytic reaction is started, and as a result, the temperature of the catalyst layer 20 increases.

このようにして、いったん触媒層20で触媒反応(触媒燃焼)が始まると、その輻射熱74により輻射板30および気化室12が加熱され、上述したように、触媒燃焼が維持される。触媒燃焼を停止するときは、燃料の供給を停止すれば良い。   Thus, once the catalytic reaction (catalytic combustion) starts in the catalyst layer 20, the radiant plate 74 and the vaporizing chamber 12 are heated by the radiant heat 74, and the catalytic combustion is maintained as described above. When stopping the catalytic combustion, the supply of the fuel may be stopped.

このように本例の触媒燃焼装置5は、輻射板30を設置することにより、触媒燃焼を安定して維持しやすい装置であるが、先に説明したように、輻射板30の開口率により触媒燃焼の安定状態が変動する可能性ある。そこで、本出願の発明者らにより行われた輻射板の開口率と燃焼状態の実験結果の一例を図4に示してある。図4からわかるように、輻射板の開口率が30%〜60%の範囲において、燃焼状態が良好である。実験結果は、上述した輻射板の開口率に伴う考察に沿ったものであり、開口率が低いと気化室12の温度が下がり気化不完全になり易い。本実験では、開口率が20%のときにそのような現象が見られている。一方、開口率が大きいと、気化室12の温度が上昇し、それに伴って、輻射板30の温度も上昇している。このため、開口率70%のときに逆火燃焼が観察されており、開口率を上げすぎない方が良いことが判る。   As described above, the catalytic combustion device 5 of the present embodiment is a device that is easy to stably maintain the catalytic combustion by installing the radiating plate 30. However, as described above, the catalytic combustion device 5 depends on the aperture ratio of the radiating plate 30. The stable state of combustion may fluctuate. FIG. 4 shows an example of the experimental results of the radiation plate aperture ratio and the combustion state performed by the inventors of the present application. As can be seen from FIG. 4, when the aperture ratio of the radiation plate is in the range of 30% to 60%, the combustion state is good. The experimental results are in line with the above-described considerations relating to the aperture ratio of the radiation plate. If the aperture ratio is low, the temperature of the vaporization chamber 12 decreases and vaporization is likely to be incomplete. In this experiment, such a phenomenon is observed when the aperture ratio is 20%. On the other hand, when the aperture ratio is large, the temperature of the vaporization chamber 12 increases, and accordingly, the temperature of the radiation plate 30 also increases. For this reason, flashback combustion was observed when the opening ratio was 70%, indicating that it is better not to increase the opening ratio too much.

したがって、輻射板30の開口率は30%から60%の範囲内に設定することが望ましい。上記では、開口率が45%の輻射板を採用した燃焼装置を例に説明しているが、この開口率あるいは開口率45%前後のものは、上記の燃焼状態が良好な範囲のほぼ中間であり、実機に採用するには極めて好ましい値であると考えられる。   Therefore, it is desirable to set the aperture ratio of the radiation plate 30 in the range of 30% to 60%. In the above description, a burner employing a radiation plate having an aperture ratio of 45% has been described as an example. However, an apparatus having an aperture ratio or an aperture ratio of about 45% is approximately in the middle of a range where the above-mentioned combustion state is favorable. Therefore, it is considered to be an extremely preferable value for adoption in an actual machine.

このように、本例の触媒燃焼装置5により、安全に、そして安定した触媒燃焼を維持できる装置を提供することができる。したがって、触媒燃焼を実際に暖房器具などの熱源として用いることが可能であり、安全性が高く、NOxなどの有害な排ガスが少なく、静かであるなどの多くのメリットを備えた触媒燃焼を一般の家庭あるいは工場などで活用することが可能となる。   As described above, the catalytic combustion device 5 according to the present embodiment can provide a device that can safely and stably maintain catalytic combustion. Therefore, it is possible to actually use catalytic combustion as a heat source for heating appliances, etc., and to use catalytic combustion with many advantages such as high safety, low harmful exhaust gas such as NOx, and quietness. It can be used in homes or factories.

噴霧器13、輻射板30、触媒層20の配置は、本例に限定されるものではない。例えば、気化室の中心軸に対し触媒層が直交するような配置も可能である。しかしながら、気化室内での偏流をできるだけ避け、触媒層の熱負荷を均等にする点では、上述したように軸対称な配置を採用することが望ましい。   The arrangement of the atomizer 13, the radiation plate 30, and the catalyst layer 20 is not limited to this example. For example, an arrangement in which the catalyst layer is orthogonal to the central axis of the vaporization chamber is also possible. However, from the viewpoint of avoiding drift in the vaporization chamber as much as possible and equalizing the heat load of the catalyst layer, it is desirable to adopt the axially symmetric arrangement as described above.

また、上記では触媒燃焼装置5の適用例として外界に直に赤外線73が出力される暖房装置1を説明しているが、触媒燃焼装置5の用途はこれに限られない。本例の触媒燃焼装置5により温風を作って吹き出すタイプの温風暖房装置、乾燥機、加熱機など様々な機器の熱源として本発明の触媒燃焼装置を用いることができる。   In the above description, the heating device 1 in which the infrared rays 73 are directly output to the outside world is described as an application example of the catalytic combustion device 5, but the application of the catalytic combustion device 5 is not limited to this. The catalytic combustion device of the present invention can be used as a heat source of various devices such as a hot air heating device, a dryer, and a heater of the type that produces and blows out hot air by the catalytic combustion device 5 of the present example.

本発明の方法を適用した触媒燃焼装置を搭載した暖房装置の概略構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a heating device equipped with a catalytic combustion device to which the method of the present invention is applied. 図1に示す触媒燃焼装置の構成を示す縦断面図である。FIG. 2 is a longitudinal sectional view illustrating a configuration of the catalytic combustion device illustrated in FIG. 1. 輻射板の平面図である。It is a top view of a radiation plate. 輻射板の開口率と燃料状態との関係を示す実験データである。6 is experimental data showing the relationship between the radiation plate aperture ratio and the fuel state.

符号の説明Explanation of reference numerals

1 暖房装置
2 燃料タンク
5 触媒燃焼装置
10 ハウジング
10a ハウジング前方
11 気化室の外殻
11a テーパ状の部分
12 気化室
13 噴霧器
15 ブロワ
19 中心軸
20 触媒層
21 赤外線放射面
22 後面
30 輻射板
31 輻射板の孔
60 フレーム
62 アーム
69 ガード
70 液体燃料(灯油)
71 噴霧された燃料
72 混合気体
73 赤外線
74 輻射熱
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heating device 2 Fuel tank 5 Catalytic combustion device 10 Housing 10a Housing front 11 Outer shell 11a of vaporization chamber 11a Tapered part 12 Vaporization chamber 13 Sprayer 15 Blower 19 Central axis 20 Catalyst layer 21 Infrared radiation surface 22 Rear surface 30 Radiation plate 31 Radiation Plate hole 60 Frame 62 Arm 69 Guard 70 Liquid fuel (kerosene)
71 Sprayed fuel 72 Mixed gas 73 Infrared ray 74 Radiant heat

Claims (1)

気化した液体燃料を触媒燃焼する触媒層と、この触媒層の輻射熱により液体燃料を気化し、前方の前記触媒層に供給する気化室と、前記気化室に液体燃料を噴霧する噴霧器と、前記気化室内において前記触媒層に面して配置された多孔性の輻射板とを有し、前記輻射板は、前記触媒層からの輻射熱により加熱されて前記気化室内に噴霧された液体燃料の気化を促進する熱源として機能する触媒燃焼装置の燃焼制御方法であって、
前記噴霧器をバーナーとして用いて前記気化室で火炎を形成して予備燃焼を行うことにより、前記気化室、前記輻射板および前記触媒層を加熱し、
前記気化室の温度が所定以上になった後に前記予備燃焼を止め、
しかる後に、前記噴霧器から液体燃料を前記気化室に噴霧して、前記触媒層による触媒燃焼を開始させ、
触媒燃焼時においては、前記気化室内に噴霧された液体燃料を、前記触媒層から放射されて前記輻射板を透過した輻射熱、および前記輻射板の輻射熱によって気化して、前記触媒層に供給することを特徴とする触媒燃焼装置の燃焼制御方法。
A catalyst layer that catalytically burns the vaporized liquid fuel, a vaporization chamber that vaporizes the liquid fuel by radiant heat of the catalyst layer, and supplies the vaporized liquid fuel to the front catalyst layer; a sprayer that sprays the liquid fuel into the vaporization chamber; A porous radiating plate disposed inside the chamber so as to face the catalyst layer, wherein the radiating plate is heated by radiant heat from the catalyst layer to promote vaporization of the liquid fuel sprayed into the vaporization chamber. A combustion control method for a catalytic combustion device functioning as a heat source to perform,
By performing pre-combustion by forming a flame in the vaporization chamber using the sprayer as a burner, the vaporization chamber, the radiation plate and the catalyst layer are heated,
Stopping the preliminary combustion after the temperature of the vaporization chamber is equal to or higher than a predetermined value,
Thereafter, liquid fuel is sprayed from the sprayer into the vaporization chamber to start catalytic combustion by the catalyst layer,
At the time of catalytic combustion, the liquid fuel sprayed into the vaporization chamber is vaporized by radiant heat emitted from the catalyst layer and transmitted through the radiant plate, and radiant heat of the radiant plate, and supplied to the catalyst layer. A combustion control method for a catalytic combustion device, comprising:
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