JP2019511696A - 汚染物質の排出が極めて低い触媒式無炎燃焼装置及び燃焼方法 - Google Patents

Abstract

本発明は燃焼装置に関し、特に汚染物質の排出が極めて低い触媒式無炎燃焼装置に関している。燃料及び助燃性ガス入口、ガス予混合器、燃焼板及び点火装置、ガス偏向器、無炎燃焼室及びその中に充填された触媒、ガス収集室及び排気口を含む。本発明は汚染物質の排出が極めて低い触媒式無炎燃焼装置を起動するための方法を説明しており、最初にローパワー炎燃焼で無炎燃焼室及びその中に充填された触媒を加熱することと、その後に流速を増加させ、ハイパワー触媒式無炎燃焼に切り替えることを含む。本発明にかかる触媒式無炎燃焼装置は、様々な非固体燃料燃焼の熱取得プロセスに適用可能であり、その有益な効果として、燃料が完全に燃焼し、燃焼排ガスにおける炭化水素化合物、一酸化炭素及び窒素酸化物の排出量が全て１ｐｐｍより低く、高効率、省エネルギー、環境に優しく、安全的で、構造が簡単であり、燃焼の安定性に優れる等の特徴を有することである。

Description

本発明は燃料燃焼装置及び燃焼方法に関し、特に窒素酸化物の排出が極めて低い燃料無炎燃焼装置及び燃焼方法に関している。

近年、大気汚染は我が国の主な環境問題の一つとなった。大気汚染物は、主に様々な化石燃料の燃焼に由来する。石炭及び燃油に比べると、天然ガスの燃焼過程に生成する粉塵、二酸化硫黄等の汚染物は顕著に低下し、よりクリーンな燃料ではあるが、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素化合物（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量は依然として同じレベルである。北京市を例にすると、従来のガスボイラにいずれも従来の燃焼器が配置され、関連部門のサンプル調査の結果によると、そのうち８５％以上のガスボイラのＮＯｘ値は１５０ミリグラム／立方メートル以上である。深刻な大気汚染予防状況に直面し、我が国の環境保護法令のこれらの汚染物の排出基準に対する要求も高くなり、例えば２０１５年、「北京市ボイラ大気汚染の汚染物質の排出基準」（ＤＢ１１／１３９−２０１５）が導入され、２０１７年４月１日までに、北京地域において新設されたガスボイラの窒素酸化物の排出濃度が３０ミリグラム／立方メートル以下に低下し、従来のガスボイラが８０ミリグラム／立方メートル以下に低下することが要求されている。現在、一般的には改善された燃焼技術を用いて汚染物の生成を減少させ、又は排ガス浄化技術により生成された汚染物を除去する。ＣＯ及びＨＣは、空気と燃料との比率を増加させ、希薄燃焼を形成することによって大幅に低減することができ、排ガスに酸化触媒を添加することによって酸化消除を実現することもできる。ところが、現在、低ＮＯｘ排出の燃焼技術は依然として排出法令の要求を満たすことができず、尿素の添加又はアンモニア触媒作用により還元脱硝装置を選択する必要があり、コストが高く、被覆率が低く、大規模の分布式又は小型の燃焼器は依然として燃焼技術において突破口を模索する必要がある。

燃焼は可視炎の有無に応じて、火炎燃焼及び無炎燃焼に分けられる。火炎燃焼は、実質的には燃焼ガスのフリーラジカルに関与する下で発生する酸化反応であり、このような燃焼方式は天然的にこの２つの問題を有する：１）不完全な燃焼はホルムアルデヒド、一酸化炭素（ＣＯ）等の有毒有害ガスを生成し、燃料利用率が低く、２）高温酸素富化の条件下で燃焼は大量のサーマルタイプＮＯｘの生成を引き起こす。火炎燃焼技術は、主に従来の拡散燃焼技術、段階的燃焼技術（又は濃淡燃焼技術とも呼ばれる）、煙道ガス再循環技術、希薄燃焼予混合燃焼技術等を含んでいる。従来の拡散燃焼は明らかな火炎面が生成され、温度が高すぎ、大量のＮＯｘが生成され、温度勾配が大きく、燃焼が不均一であり、不完全燃焼の生成物が多く、段階的燃焼は燃料レベル及び空気レベルに分けられ、温度が低い濃火炎面が形成され、ＮＯｘの生成を低下させ、温度勾配が小さく、不完全燃焼の生成物が少なく、煙道ガス再循環は外部の煙道ガス又は内部の煙道ガスを燃焼領域に再進入させ、煙道ガスを用いて吸熱し、酸素の濃度を低減し、燃焼速度及び炉内の温度を低減し、それによりＮＯｘの生成を低下させるが、過剰な煙道ガスは煙道ガスの排出熱損失を増加させ、希薄燃焼予混合燃焼は大量の空気及び少量の燃焼ガスを燃焼前に分子レベルにおいて完全に混合させ、旋回燃焼プロセスを整理し、火炎温度が相対的に低く、ＮＯｘの生成量が小さく、酸素ガスが十分で燃料と酸素ガスとが均一に混合するため、炭素ガス及びＣＯの生成量が小さいが、煙道ガスの排出熱損失及びファンのエネルギー消費が大きすぎるという問題が存在する。無炎燃焼は触媒燃焼技術及び高温空気燃焼技術を含んでいる。触媒燃焼は燃焼器入口部に触媒を添加し、燃料分子と酸化剤分子とを触媒表面において反応させ、一般的には高濃度燃焼ガスの燃焼熱取得ではなく、燃料点火濃度より低い状況下の可燃物の燃焼浄化プロセスに用いられ、高温空気燃焼は予熱空気により反応物を自己点火の温度より高くし、燃焼反応は広い領域に拡散し、局所高温領域がなく、そのためＮＯｘの排出が低い。

現在、触媒燃焼器は一般的には順流式構造を用い、即ち燃料ガス及び助燃性ガスが触媒層を流れる時に触媒燃焼反応が発生し、その後、触媒層を流れた後に戻らず、高温空気燃焼技術に用いられる無炎燃焼器も全て順流式構造を用い、高温予混合ガスは広い中空の燃焼室内で自己点火し、燃焼後にガスは順流に排出される。このような順流式構造は、ガス分子の横方向拡散がガス予混合の度合い及びガス流速に制限され、燃焼生成物には依然として高濃度の様々な汚染物が存在することを常に引き起こす。

現在、異なるパワーの燃焼器は、一般的にはそのうちの１種の技術を利用し、窒素削減効果が限られ、日益しに厳しくなる環境保護基準の要求を満たすことができず、常にＣＯ排出の増加及び熱効率の低下に伴う。

発明の詳細な説明
本発明の目的は汚染物質の排出が極めて低い触媒式無炎燃焼装置及び燃焼方法を提供し、様々な燃焼ガス又は気化燃料のキロワット及びメガワットレベルのパワーでの触媒式無炎燃焼を実現し、燃焼効率が高く、汚染物質の排出濃度が１ｐｐｍ以下まで低下させることである。

上記目的を実現するために，本発明は以下の技術的解決手段を用いる：
本発明に記載の触媒式無炎燃焼装置は、上端が開口し下端が密閉する中空円筒体を含み、中空円筒体の下部又は底端に少なくとも１つの助燃性ガス入口及び少なくとも１つの燃料入口が設けられ、助燃性ガス入口及び燃料入口の上方であって、中空円筒体の中下部にガス予混合器が設けられ、ガス予混合器の上方に燃焼板が設けられ、中空円筒体の底端と燃焼板との間に隙間が残され、ガス予混合室が形成され、ガス予混合器はガス予混合室内に配置され、燃焼板の上方に点火装置が設けられ、中空円筒体の上開口端にガス偏向器が設けられ、ガス偏向器は上下両端が開口する中空筒状チューブであり、中空筒状チューブの下開口端は中空円筒体の上開口端に密閉するように接続され、ガス偏向器の上方に無炎燃焼室が設けられ、無炎燃焼室は下端が開口し上端が密閉する中空容器であり、ガス偏向器の上開口端は無炎燃焼室の下開口端に対向するように設置され、即ちガス偏向器の上開口端は無炎燃焼室の下開口端の下方に配置され、下開口端と同一の平面内に位置し、又は無炎燃焼室の下開口端から無炎燃焼室内へ伸び込み、無炎燃焼室内の中上部に触媒が充填され、ガス予混合器は１つ以上のガス予混合室の内壁に固定するように接続されたシート状、棒状、ハニカム状又は他の形状のデバイスにおける１種又は２種以上であり、前記デバイスの内部又はデバイスの間に隙間が残され、予混合室内のガスを助燃性ガス入口及び燃料入口から燃焼板へ流動させ、同時にガス予混合器は、更にその内部の一部の領域において助燃性ガス及び燃料ガスのジェット方向を変更し、乱流を形成することができ、ガスを予混合室内に均一に混合させ、燃焼板は板状構造であり、その上方に予混合ガスの通過が許可され、板体の上下面を貫通する気孔又は貫通孔が設けられ、気孔又は貫通孔は円形、四角形、スリット又は他の不規則な形状における１種又は２種以上であり、貫通孔の直径又はスリットの幅は０．０１〜１０ｍｍであり、燃焼板の厚さは０．１〜１０００ｍｍであり、点火装置は燃焼板を通過した予混合ガスを着火させることができ、前記点火装置は点火針及び／又は電熱線であってもよく、ガス予混合器及び燃焼板はいずれも中空円筒体の内壁面に固定するように接続され、触媒は無炎燃焼室内に配置され、無炎燃焼室の内壁におけるブラケットにより保持して固定され、触媒は一部又は全ての無炎燃焼室を充填することができ、ガス偏向器の出口を経て無炎燃焼室に完全に入るガスと十分に接触することができ、ガス偏向器の下開口端はガス予混合室の上開口端に接続され、ガス偏向器の上開口端の出口とする面積はガス予混合室の出口とする上開口端の面積より大きくてもよく、それに等してもよく、又はそれより小さくてもよく、ガス偏向器の出口は円形、四角形又は他の形状における１種又は２種以上であってもよく、ガス偏向器の出口は１つ又は２つ以上の貫通孔であってもよく、ガス偏向器の出口方向は無炎燃焼室の入口とする下開口端に対向するように設置され、ガス偏向器の出口サイズは任意の方向においても無炎燃焼室の入口サイズより小さく、ガス偏向器の出口及び無炎燃焼室の入口は気流方向における任意の平面に沿って投影され、ガス偏向器の出口の投影は無炎燃焼室の入口の投影領域内に位置し、無炎燃焼室の入口横断面積（入口気流方向に垂直である断面積）は偏向器７の出口横断面積（出口気流方向に垂直である断面積）の１．０１〜２０倍であり、ガス偏向器の出口は無炎燃焼室の入口内に伸び込んでもよく、それに面一であってもよく、又は一定の距離を離れてもよく、離れた距離はガス偏向器の出口から流れ出したガスが無炎燃焼室の入口に完全に入ることを保証する必要があり、ガス偏向器の出口断面は平面又は非平面であってもよく、無炎燃焼室は一端が開口するチャンバーであり、チャンバーは半球形又は任意の形状である一端のみが開口する中空チャンバーであってもよく、無炎燃焼室の入口とする下開口端は円形又は他の形状における１種又は２種以上であってもよく、無炎燃焼室の入口は１つ又は２つ以上の貫通孔であってもよく、開口部の任意の方向の口径サイズはいずれもガス偏向器の出口の同じ方向におけるサイズより大きく、即ち無炎燃焼室の入口の気流方向に沿う投影はガス偏向器の出口の該方向における投影を完全に被覆することができ、無炎燃焼室の入口断面は平面又は非平面であってもよく、更にガス収集室を含み、ガス収集室は中空容器であり、その上方に排気口が設けられ、ガス収集室は無炎燃焼室の下開口端をその中空の収容チャンバー内部に包囲し、更に固定ブラケットを含み、固定ブラケットは無炎燃焼室をガス偏向器の出口付近の位置に固定し、固定ブラケットはガス収集室又はガス偏向器又はガス予混合室の位置する中空容器に固定するように接続されてもよく、ガス収集室の下端に開口が設けられ、開口の周辺はガス偏向器又はガス予混合室の位置する中空容器の外壁面に密閉するように接続され、無炎燃焼室はガス収集室内に位置し、ガス収集室の内壁面と無炎燃焼室の外壁面との間に隙間が残され、該隙間の断面積はガス偏向器の出口断面積の１倍以上であり、燃焼後の排ガスを収集し、排気口から排出することができ、排気口はガス収集室の任意の位置に取り付けられてもよく、ガス収集室の２つ以上の複数の位置に２つ以上の複数の排気口を取り付けてもよく、排気口の断面積の和はガス偏向器の出口横断面積（出口気流方向に垂直である断面積）の１倍以上であり、無炎燃焼室内、無炎燃焼室の外壁面、ガス収集室内、ガス収集室の外壁面における１つ又は２つ以上の位置に熱交換装置を取り付けることができ、前記熱交換装置はシェル式、フィン式又はプレート式熱交換器等における１種又は２種以上であってもよい。

本発明に記載の燃焼方法は、それぞれ燃料入口及び助燃性ガス入口を経てガス予混合室内に通じた燃焼ガスと助燃性ガスとを予混合させた後の空気係数を１．０１〜２．５に制御し、当業者の既知する使用燃料の焼き戻し線速度及び燃焼停止線速度に基づき、予混合ガスの線速度が焼き戻し線速度と燃焼停止線速度との間に介在するように調節し、点火装置を起動して点火した後、無炎燃焼室及びその中に充填された触媒が赤熱又は６００度以上になるまで加熱することと、予混合ガスの線速度が燃焼停止線速度以上になるまで増加し、炎を消火し、同時に予混合ガスを無炎燃焼室及びその中に充填された触媒において無炎燃焼させ、気流が燃焼室の底部に到着した後に戻し、大部分の熱を持ち去り、高温排ガスはガス収集室を経て集まり、熱交換器により熱交換した後、排気口から排出し、燃焼生成物は二酸化炭素及び／又は水蒸気であり、有害物質である一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素化合物（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出濃度はそれぞれ１ｐｐｍより低く、助燃性ガス入口に通じたガスは空気、酸素ガス及び他の空気以外の酸素含有量１〜９９．９ｖｏｌ％の酸素含有ガスの混合物であり、燃料入口に通じたガスは気体燃料、霧状液体燃料、及び空気、窒素ガス等不燃性ガスにおける１種又は２種以上を最終濃度０．１〜９９．９ｖｏｌ％に希釈した上記気体燃料と霧状液体燃料における１種又は２種以上であり、気体燃料は天然ガス、液化石油ガス等における１種又は２種以上であり、霧状液体燃料はガソリン、ディーゼル油等における１種又は２種以上であり、触媒に多孔質耐火性材料及び金属酸化物の活性成分を含有し、前記多孔質耐火性材料は繊維状、繊維、ハニカム状又は他の通気性形状における１種又は２種以上のセラミック、石英、スピネル、炭化ケイ素及びステンレス鋼等における１種又は２種以上であってもよく、前記金属酸化物の活性成分は酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化ランタン、酸化チタン、酸化鉄、酸化マンガン、酸化ケイ素、酸化ナトリウム、酸化銅、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化白金、酸化パラジウム、酸化ルテニウム、酸化ロジウム、酸化銀等における１種又は２種以上であってもよく、前記金属酸化物の活性成分の質量パーセントは０．１％〜８５％であってもよい。

本発明の期待効果は以下のとおりである：
本発明は汚染物質の排出が極めて低い触媒式無炎燃焼装置を起動する方法を説明し、最初にローパワー炎燃焼で無炎燃焼室及びその中に充填された触媒を加熱することと、その後に流速を増加させ、ハイパワー触媒式無炎燃焼に切り替えることを含む。

本発明により開示された触媒式無炎燃焼装置は様々な気体及び霧状液体等の非固体燃料燃焼の熱取得プロセスに適用可能であり、前記燃焼方法に基づき、キロワット及びメガワットレベルのパワー下で触媒式無炎燃焼を行うことができ、有益な効果として、燃料が完全に燃焼し、燃焼の効率が高く、燃焼排ガスにおける炭化水素化合物、一酸化炭素及び窒素酸化物の排出量は全て１ｐｐｍより低く、高効率、省エネルギー、環境に優しく、安全的で、構造が簡単であり、安定性に優れる等の特徴を有している。

図１は本発明の実施例による触媒式無炎燃焼装置の模式図である。図面符号： 助燃性ガス入口（１），燃料入口（２），ガス予混合器（３），ガス予混合室（４），燃焼板（５），点火装置（６），ガス偏向器（７），無炎燃焼室（８），触媒（９），固定ブラケット（１０），ガス収集室（１１）及び排気口（１２）。当図におけるシングル破線矢印は空気の流れ方向を表し、シングル実線矢印は燃焼ガスの流れ方向を表し、ダブル破線矢印は予混合ガスの流れ方向を表し、ダブル実線矢印は煙道ガスの流れ方向を表す。 図２は本発明の実施例による熱交換器を有する触媒式無炎燃焼装置の模式図である。図面符号： 助燃性ガス入口（１），燃料入口（２），ガス予混合器（３），ガス予混合室（４），燃焼板（５），点火装置（６），ガス偏向器（７），無炎燃焼室（８），触媒（９），固定ブラケット（１０），ガス収集室（１１）及び排気口（１２），フィン式熱交換器（１３），伝熱流体入口（１４），伝熱流体出口（１５）。当図におけるシングル破線矢印は空気の流れ方向を表し、シングル実線矢印は燃焼ガスの流れ方向を表し、ダブル破線矢印は予混合ガスの流れ方向を表し、ダブル実線矢印は煙道ガスの流れ方向を表す。

以下は発明の実施例を詳細に説明し、前記実施例の実例は図面に示す。以下、添付図面を参照し説明するものが好ましい実施形態のみであり、本発明を限定するものではない。

以下は図１及び図２を合わせ、本発明にかかる触媒式無炎燃焼装置の実施例を具体的に説明する。

実施例１は、図１に示すように、触媒式無炎燃焼装置であって、上端が開口し下端が密閉する中空円筒体を含み、円筒体の底端に助燃性ガス入口１及び燃料入口２が設けられ、助燃性ガス入口１及び燃料入口２の上方であって、円筒体の中下部にガス予混合器３が設けられ、ガス予混合器３の上方に燃焼板５が設けられ、円筒体の底端と燃焼板５との間に隙間が残され、ガス予混合室４が形成され、ガス予混合器３はガス予混合室４内に配置され、燃焼板５の上方に点火装置６が設けられ、円筒体の上開口端にガス偏向器７が設けられ、ガス偏向器７は上下両端が開口する中空円筒状チューブであり、円筒状チューブの下開口端は中空円筒体の上開口端に密閉するように接続され、ガス偏向器７の上方に無炎燃焼室８が設けられ、無炎燃焼室８は下端が開口し上端が密閉する中空円筒形容器であり、ガス偏向器７の上開口端は無炎燃焼室８の下開口端に対向するように設置され、ガス偏向器７の上開口端は無炎燃焼室８の下開口端から無炎燃焼室８内へ伸び込み、無炎燃焼室８内の中上部に触媒９が充填され、無炎燃焼室８は固定ブラケット１０によりガス収集室１１の位置する中空容器に固定するように接続され、ガス収集室１１は中空容器であり、その上方に排気口１２が設けられ、ガス収集室１１は無炎燃焼室８の下開口端をその中空の収容チャンバー内部に包囲する。

好ましいことに、中空円筒体の直径は１００ｍｍであり、助燃性ガス入口１から空気が入り、燃料入口２から天然ガスが入り、ガス予混合器３はメッシュ数２００メッシュのコーディエライトセラミックであり、厚さは２５．４ｍｍであり、ガスを予混合室４内に均一に混合させ、燃焼板５はメッシュ数４００メッシュのコーディエライトセラミックであり、燃焼板の厚さは２５．４ｍｍであり、点火装置６は燃焼板５を通過した予混合ガスを着火させることができ、ガス偏向器７の出口は円形であり、ガス偏向器７の出口方向は無炎燃焼室８の入口に対向するように設置され、ガス偏向器７の出口直径は６０ｍｍであり、無炎燃焼室８の入口の横断面積は偏向器７の出口の横断面積の１．８倍であり、偏向器７の出口は無炎燃焼室８の入口内へ１０ｍｍ伸び込み、ガス偏向器７の出口断面は平面であり、無炎燃焼室８は一端が開口する円筒形中空チャンバーであり、深さは６０ｍｍであり、無炎燃焼室８の入口は直径８０ｍｍの円形であり、触媒９は無炎燃焼室８内に配置され、無炎燃焼室８の内壁におけるブラケットにより保持して固定され、触媒は７０％の無炎燃焼室容積を充填し、ガス偏向器７の出口を経て無炎燃焼室８に完全に入るガスと十分に接触することができ、触媒９に多孔質セラミック材料及び質量パーセント４０％の金属酸化物の活性成分を含有し、固定ブラケット１０は無炎燃焼室８を偏向器７の出口付近の位置に固定し、ガス収集室１１又は偏向器又は予混合室等の他の部分に接続されてもよく、ガス収集室１１は燃焼後の排ガスを収集し、排気口１２から排出することができ、排気口１２はガス収集室１１の頂部に取り付けることができ、排気口の断面積はガス偏向器７の出口の横断面積の２倍である。

有利なことに、助燃性ガスは助燃性ガス入口１から入った後に燃料ガスの燃料入口２から入った後の気流と互いに対流させるようにし、それにより助燃性ガス及び燃料気流のプレミキサ３を経た後の予混合室４における混合効果を増加させ、燃焼板５の気孔は１ｍｍであり、点火装置６は点火針であり、導流口７は無炎燃焼室８へ１５ｍｍ伸び込み、導流口７と無炎燃焼室８との隙間の間の面積は導流口７の断面積の２．２倍であり、ガス収集室と無炎燃焼室８との隙間の間の面積は導流口７の断面積の２．５倍である。

実施例２は、図２に示すように、熱交換器を有する触媒式無炎燃焼装置であって、上端が開口し下端が密閉する中空円筒体を含み、円筒体の底端に助燃性ガス入口１及び燃料入口２が設けられ、助燃性ガス入口１及び燃料入口２の上方であって、円筒体の中下部にガス予混合器３が設けられ、ガス予混合器３の上方に燃焼板５が設けられ、円筒体の底端と燃焼板５との間に隙間が残され、ガス予混合室４が形成され、ガス予混合器３はガス予混合室４内に配置され、燃焼板５の上方に点火装置６が設けられ、円筒体の上開口端にガス偏向器７が設けられ、ガス偏向器７は上下両端が開口する中空円筒状チューブであり、円筒状チューブの下開口端は中空円筒体の上開口端に密閉するように接続され、ガス偏向器７の上方に無炎燃焼室８が設けられ、無炎燃焼室８は下端が開口し上端が密閉する中空半球形容器であり、ガス偏向器７の上開口端は無炎燃焼室８の下開口端に対向するように設置され、ガス偏向器７の上開口端は無炎燃焼室８の下開口端から無炎燃焼室８内へ伸び込み、無炎燃焼室８内の中上部に触媒９が充填され、無炎燃焼室８は固定ブラケット１０によりガス収集室１１の位置する中空容器に固定するように接続され、ガス収集室１１は中空容器であり、その上方に排気口１２が設けられ、ガス収集室１１は無炎燃焼室８の下開口端をその中空の収容チャンバー内部に包囲し、ガス収集室１１内の無炎燃焼室８の上方及びガス収集室１１の外壁面にフィン式熱交換装置が取り付けられ、水を伝熱流体として利用し、水が伝熱流体入口１４から入り、フィン式熱交換器により熱交換した後に伝熱流体出口１５から流れ出すようになる。

好ましいことは、中空円筒体の直径は８０ｍｍであり、助燃性ガス入口１から空気が入り、燃料入口２から天然ガスが入り、ガス予混合器３はメッシュ数２００メッシュのコーディエライトセラミックであり、厚さは１２ｍｍであり、ガスを予混合室４内に均一に混合させ、燃焼板５はメッシュ数３００メッシュのコーディエライトセラミックであり、燃焼板の厚さは２０ｍｍであり、点火装置６は燃焼板５を通過した予混合ガスを着火させることができ、ガス偏向器７の出口は円形であり、ガス偏向器７の出口方向は無炎燃焼室８の入口に対向するように設置され、ガス偏向器７の出口直径は５０ｍｍであり、無炎燃焼室８の入口の横断面積は偏向器７の出口の横断面積の１．５倍であり、偏向器７の出口は無炎燃焼室８の入口内へ５ｍｍ伸び込み、ガス偏向器７の出口断面は平面であり、無炎燃焼室８は一端が開口する半球形中空チャンバーであり、深さは４０ｍｍであり、無炎燃焼室８の入口は直径７０ｍｍの円形であり、触媒９は無炎燃焼室８内に配置され、無炎燃焼室８の内壁におけるブラケットにより保持して固定され、触媒は６０％の無炎燃焼室容積を充填し、ガス偏向器７の出口を経て無炎燃焼室８に完全に入るガスに十分に接触することができ、触媒９に多孔質セラミック材料及び質量パーセント３０％の属酸化物の活性成分を含有し、固定ブラケット１０は無炎燃焼室８を偏向器７の出口付近の位置に固定し、ガス収集室１１又は偏向器又は予混合室等の他の部分に接続可能であり、ガス収集室１１は燃焼後の排ガスを収集し、フィン式熱交換器１３を流れ、伝熱流体入口１４及び出口１５を出入りする伝熱流体により熱交換した後、排気口１２から排出することができ、排気口１２はガス収集室１１の頂部に取り付けられてもよく、排気口の断面積はガス偏向器７の出口の横断面積の２倍である。

実施例３は、定格熱パワーが２０ＫＷであるキロワットレベルの天然ガス触媒式無炎燃焼装置であって、図２に示す構造を利用し、中空円筒体の直径は７０ｍｍであり、助燃性ガス入口１は内径４０ｍｍのステンレス鋼管であり、助燃性ガスは連続可変送風機により供給された風量を調整可能な空気であり、燃焼ガス入口２は内径９ｍｍのステンレス鋼管であり、燃焼ガスは電磁弁により制御された流量を調整可能な天然ガス（メタン）であり、ガス予混合器３はメッシュ数２００メッシュのコーディエライトセラミックであり、厚さは１２ｍｍであり、ガスを予混合室４内に均一に混合させ、燃焼板５はメッシュ数３００メッシュのコーディエライトセラミックであり、燃焼板の厚さは２０ｍｍであり、予混合室４は内径６５ｍｍのステンレス鋼管であり、ガス偏向器７は予混合室４の内壁に接続された円環であり、上への傾斜角度は７５度であり、出口直径は５０ｍｍであり、偏向器７の出口は無炎燃焼室８の入口内へ５ｍｍ伸び込み、ガス偏向器７の出口断面は平面であり、無炎燃焼室８は一端が開口する半球形中空チャンバーであり、深さは４０ｍｍであり、無炎燃焼室８の入口は直径７０ｍｍの円形であり、触媒９は無炎燃焼室８内に配置され、無炎燃焼室８の内壁におけるブラケットにより保持して固定され、触媒は６０％の無炎燃焼室容積を充填し、ガス偏向器７の出口を経て無炎燃焼室８に完全に入るガスと十分に接触することができ、触媒９に多孔質セラミック材料及び質量パーセント３０％の金属酸化物の活性成分を含有し、熱交換器１３はガス収集室１１の上半部に配置され、伝熱流体は水であり、排気口は内径７０ｍｍのステンレス鋼管である。

以下の操作方法を利用し、点火時にメタン流速を７Ｌ／ｍｉｎとし、空気を８０Ｌ／ｍｉｎとし、即ち空気係数が１．２０であり、線速度を０．５ｍ／ｓとし、熱パワーを約４．６ＫＷとするように制御し、このローパワー炎燃焼の状況下で、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出値は全て０であり（検出器の分解能は１ｐｐｍである）、２０ｓ燃焼した後、燃焼室及び触媒は赤熱に達することができ、この時に空気係数を１．２０に保持し、１分間内でメタン流速を３０Ｌ／ｍｉｎに増加させ、空気を３４５Ｌ／ｍｉｎに増加させ、即ち線速度が２．０ｍ／ｓであり、熱パワーは２０ＫＷに達し、この流量増加の過程及び達成後、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出値は全て０であり（検出器の分解能は１ｐｐｍである）、３時間燃焼を継続し、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出値は常時０である。該実施例にかかる定格パワー２０ＫＷのキロワットレベルの天然ガス触媒式無炎燃焼装置及び上記使用方法を利用し、実現可能な有益な効果は、燃料が完全に燃焼し、熱交換の効率が９５％以上大きくなり、汚染物であるＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出値が０である（１ｐｐｍより低い）ことである。

実施例４は、定格熱パワーが８０ＫＷであるキロワットレベルの天然ガス触媒式無炎燃焼装置であって、図２に示す構造を利用し、中空円筒体の直径は１５０ｍｍであり、助燃性ガス入口１は内径１００ｍｍのステンレス鋼管であり、助燃性ガスは連続可変送風機により供給された風量を調整可能な空気であり、燃焼ガス入口２は内径３０ｍｍのステンレス鋼管であり、燃焼ガスは電磁弁により制御された流量を調整可能な天然ガス（メタン）であり、ガス予混合器３はメッシュ数２００メッシュのコーディエライトセラミックであり、厚さは２５．４ｍｍであり、ガスを予混合室４内に均一に混合させ、燃焼板５はメッシュ数３００メッシュのコーディエライトセラミックであり、燃焼板の厚さは４０ｍｍであり、予混合室４は内径１５０ｍｍのステンレス鋼管であり、ガス偏向器７は予混合室４の内壁に接続された円環であり、上への傾斜角度は７５度であり、出口直径は１００ｍｍであり、偏向器７の出口は無炎燃焼室８の入口内へ２０ｍｍ伸び込み、ガス偏向器７の出口断面は平面であり、無炎燃焼室８は一端が開口する半球形中空チャンバーであり、深さは６０ｍｍであり、無炎燃焼室８の入口は直径１６０ｍｍの円形であり、触媒９は無炎燃焼室８内に配置され、無炎燃焼室８の内壁におけるブラケットにより保持して固定され、触媒は７０％の無炎燃焼室容積を充填し、ガス偏向器７の出口を経て無炎燃焼室８に完全に入るガスと十分に接触することができ、触媒９に多孔質セラミック材料及び質量パーセント５０％の金属酸化物の活性成分を含有し、熱交換器１３はガス収集室１１の上半部に配置され、伝熱流体は水であり、排気口は内径１２０ｍｍのステンレス鋼管である。

以下の操作方法を利用し、点火時にメタン流速を１４Ｌ／ｍｉｎとし、空気を１６０Ｌ／ｍｉｎとし、即ち空気係数が１．２０であり、線速度を０．３５ｍ／ｓとし、熱パワーを約９．３ＫＷとするように制御し、このローパワー炎燃焼の状況下で、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出値は全て０であり（検出器の分解能は１ｐｐｍである）、１５ｓ燃焼した後、燃焼室及び触媒は赤熱に達することができ、この時に空気係数を１．２０に保持し、１分間内でメタン流速を１２０Ｌ／ｍｉｎに増加させ、空気を１３８０Ｌ／ｍｉｎに増加させ、即ち線速度が３．２ｍ／ｓであり、熱パワーは８０ＫＷに達し、この流量増加の過程及び達成後、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出値は全て０であり（検出器の分解能は１ｐｐｍである）、２時間燃焼を継続し、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出値は常時０である。該実施例にかかる定格パワー８０ＫＷのキロワットレベルの天然ガス触媒式無炎燃焼装置及び上記使用方法を利用し、実現可能な有益な効果は、燃料が完全に燃焼し、熱交換の効率が９５％以上大きくなり、汚染物であるＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出値が０である（１ｐｐｍより低い）ことである。

実施例５は、定格熱パワーが１．２メガワットであるメガワットレベルの天然ガス触媒式無炎燃焼装置であって、１５セットの実施例４に記載の単一８０キロワットの触媒式無炎燃焼器を共同で組み合わせてなる。

実施例６は、定格熱パワーが２．１メガワットであるメガワットレベルの天然ガス触媒式無炎燃焼装置であって、図２に示す構造を利用し、中空円筒体の直径は４００ｍｍであり、助燃性ガス入口１は内径２００ｍｍのステンレス鋼管であり、助燃性ガスは連続可変送風機により供給された風量を調整可能な空気であり、燃焼ガス入口２は内径６０ｍｍのステンレス鋼管であり、燃焼ガスは電磁弁により制御された流量を調整可能な天然ガス（メタン）であり、ガス予混合器３はメッシュ数２００メッシュのコーディエライトセラミックであり、厚さは５０ｍｍであり、ガスを予混合室４内に均一に混合させ、燃焼板５はメッシュ数４００メッシュのコーディエライトセラミックであり、燃焼板の厚さは６０ｍｍであり、予混合室４は内径４００ｍｍのステンレス鋼管であり、ガス偏向器７は予混合室４の内壁に接続された円環であり、上への傾斜角度は７５度であり、出口直径は３５０ｍｍであり、偏向器７の出口は無炎燃焼室８の入口内へ１００ｍｍ伸び込み、ガス偏向器７の出口断面は平面であり、無炎燃焼室８は一端が開口する半球形中空チャンバーであり、深さは３６０ｍｍであり、無炎燃焼室８の入口は直径５５０ｍｍの円形であり、触媒９は于無炎燃焼室８内に配置され、無炎燃焼室８の内壁におけるブラケットにより保持して固定され、触媒は６０％の無炎燃焼室容積を充填し、ガス偏向器７の出口を経て無炎燃焼室８に完全に入るガスと十分に接触することができ、触媒９に多孔質セラミック材料及び質量パーセント５０％の金属酸化物の活性成分を含有し、熱交換器１３はガス収集室１１の上半部に配置され、伝熱流体は水であり、排気口は内径２４０ｍｍのステンレス鋼管である。本発明の記述において、用語の「長さ」「幅さ」「厚さ」「上」「下」「トップ」「ボトム」「内」「外」「時計回り」などで指示する方向または位置関係は、添付図面に示した方向または位置関係に基づくものであり、単に本発明を説明するためのものであり、該当する装置または部品について特定の方向性を持つか、特定の方向に構築・操作すべきことを指示または暗示するものではないので、本発明を限定するものとして理解されるべきではない。

本説明書において、添付された図面を参照しながら、本発明にかかる解釈的な実施例を詳細に開示するが、本発明は正確な実施例に限定されるものではなく、本発明において当業者であれば、添付された特許請求の範囲及びその等価物により定義された本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更及び修正を実現することができることが理解すべきである。

Claims (10)

1. 汚染物質の排出が極めて低い触媒式無炎燃焼装置であって、
   上端が開口し下端が密閉する中空円筒体を含み、
   中空円筒体の下部又は底端に少なくとも１つの助燃性ガス入口（１）及び少なくとも１つの燃料入口（２）が設けられ、
   助燃性ガス入口（１）及び燃料入口（２）の上方であって、中空円筒体の中下部にガス予混合器（３）が設けられ、
   ガス予混合器（３）の上方に燃焼板（５）が設けられ、
   中空円筒体の底端と燃焼板（５）との間に隙間が残され、ガス予混合室（４）が形成され、
   ガス予混合器（３）はガス予混合室（４）内に配置され、
   燃焼板（５）の上方に点火装置（６）が設けられ、
   中空円筒体の上開口端にガス偏向器（７）が設けられ、
   ガス偏向器（７）は上下両端が開口する中空筒状チューブであり、
   中空筒状チューブの下開口端は中空円筒体の上開口端に密閉するように接続され、
   ガス偏向器（７）の上方に無炎燃焼室（８）が設けられ、
   無炎燃焼室（８）は下端が開口し上端が密閉する中空容器であり、
   ガス偏向器（７）の上開口端は無炎燃焼室（８）の下開口端に対向するように設置され、
   即ちガス偏向器（７）の上開口端は、無炎燃焼室（８）の下開口端の下方に位置し、同一の平面内に位置し、又は無炎燃焼室（８）の下開口端から無炎燃焼室（８）内へ伸び込み、
   無炎燃焼室（８）内の中上部に触媒（９）が充填される、
   ことを特徴とする触媒式無炎燃焼装置。
2. ガス予混合器（３）は、シート状、棒状、ハニカム状又は他の１種又は２種以上の形状を有する１つ以上のデバイスであり、ガス予混合室（４）の内壁に固定するように接続され、
   前記デバイスの内部又はデバイスの間に隙間が残され、予混合室（４）内のガスを助燃性ガス入口（１）及び燃料入口（２）から燃焼板（５）へ流動させ、
   同時にガス予混合器（３）は、更にその内部の一部の領域において助燃性ガス及び燃料ガスのジェット方向を変更することができ、乱流を形成してガスを予混合室（４）内に均一に混合させ、
   燃焼板（５）は板状構造であり、その上方に予混合ガスの通過が許可され、板体の上下面を貫通する気孔又は貫通孔が設けられ、
   気孔又は貫通孔は円形、四角形、スリット又は他の不規則な形状における１種又は２種以上の形状を有し、
   貫通孔の直径又はスリットの幅は０．０１〜１０ｍｍであり、
   燃焼板の厚さは０．１〜１０００ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒式無炎燃焼装置。
3. 点火装置（６）は燃焼板（５）を通過した予混合ガスを着火させることができ、
   前記点火装置は点火針及び／又は電熱線であってもよく、
   ガス予混合器（３）及び燃焼板（５）はいずれも中空円筒体の内壁面に固定するように接続され、
   触媒（９）は無炎燃焼室（８）内に配置され、無炎燃焼室（８）内壁におけるブラケットにより保持して固定され、
   触媒は一部又は全ての無炎燃焼室を充填することができ、ガス偏向器（７）の出口を介して無炎燃焼室（８）に完全に入るガスと十分に接触することができる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒式無炎燃焼装置。
4. ガス偏向器（７）の下開口端はガス予混合室（４）の上開口端に接続され、
   ガス偏向器（７）の上開口端の出口とする面積はガス予混合室（４）の出口とする上開口端の面積より大きくしてもよく、それに等してもよく、又はそれより小さくしてもよく、
   ガス偏向器（７）の出口は円形、四角形又は他の形状における１種又は２種以上の形状であってもよく、
   ガス偏向器（７）の出口は１つ又は２つ以上の貫通孔であってもよく、
   ガス偏向器（７）の出口方向は無炎燃焼室（８）の入口とする下開口端に対向するように設置され、
   ガス偏向器（７）の出口サイズは任意の方向においても無炎燃焼室（８）の入口サイズより小さく、
   ガス偏向器（７）の出口及び無炎燃焼室（８）の入口は気流方向における任意の平面に沿って投影され、
   ガス偏向器（７）の出口の投影は無炎燃焼室（８）の入口の投影領域内に位置し、
   無炎燃焼室（８）の入口の横断面積（入口気流方向に垂直である断面積）は偏向器７の出口の横断面積（出口気流方向に垂直である断面積）の１．０１〜２０倍であり、
   ガス偏向器（７）の出口は無炎燃焼室（８）の入口内に伸び込んでもよく、それに面一であってもよく、又は一定の距離を離れてもよく、
   離れた距離はガス偏向器（７）の出口から流れ出したガスが無炎燃焼室（８）の入口に完全に入ることを保証する必要があり、
   ガス偏向器（７）の出口断面は平面又は非平面であってもよく、
   無炎燃焼室（８）は一端が開口するチャンバーであり、
   チャンバーは半球形又は任意の形状である一端のみが開口する中空チャンバーであってもよく、
   無炎燃焼室（８）の入口とする下開口端は円形又は他の形状における１種又は２種以上の形状であってもよく、
   無炎燃焼室（８）の入口は１つ又は２つ以上の貫通孔であってもよく、
   開口部の任意の方向の口径サイズはいずれもガス偏向器（７）の出口の同じ方向におけるサイズより大きく、即ち無炎燃焼室（８）の入口の気流方向に沿う投影はガス偏向器（７）の出口の該方向における投影を完全に被覆することができ、
   無炎燃焼室（８）の入口断面は平面又は非平面であってもよい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒式無炎燃焼装置。
5. 更にガス収集室（１１）を含み、
   ガス収集室（１１）は排気口（１２）が設けられた中空容器であり、
   ガス収集室（１１）は無炎燃焼室（８）の下開口端をその中空の収容チャンバー内部に包囲する、ことを特徴とする請求項１に記載の触媒式無炎燃焼装置。
6. 更に固定ブラケット（１０）を含み、
   固定ブラケット（１０）は無炎燃焼室（８）をガス偏向器（７）の出口付近の位置に固定し、
   固定ブラケット（１０）は、ガス収集室（１１）又はガス偏向器（７）又はガス予混合室（４）の位置する中空容器に固定するように接続されてもよい、
   ことを特徴とする請求項１又は５に記載の触媒式無炎燃焼装置。
7. ガス収集室（１１）の下端に開口が設けられ、
   開口の周辺はガス偏向器（７）又はガス予混合室（４）の位置する中空容器の外壁面に密閉するように接続され、
   無炎燃焼室（８）はガス収集室（１１）内に位置し、
   ガス収集室（１１）の内壁面と無炎燃焼室（８）の外壁面との間に隙間が残され、
   該隙間の断面積はガス偏向器（７）の出口断面積の１倍以上であり、
   燃焼後の排ガスを収集し、排気口（１２）から排出させることができ、
   排気口（１２）はガス収集室（１１）の任意の位置に取り付けられてもよく、又はガス収集室（１１）の２つ以上の複数の位置に２つ以上の複数の排気口を取り付けてもよく、
   排気口の断面積の和はガス偏向器（７）の出口横断面積（出口気流方向に垂直である断面積）の１倍以上である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の触媒式無炎燃焼装置。
8. 無炎燃焼室（８）内、無炎燃焼室（８）の外壁面、ガス収集室（１１）内、ガス収集室（１１）の外壁面における１つ又は２つ以上の位置において熱交換装置を取り付けることができ、
   前記熱交換装置はシェル式、フィン式又はプレート式熱交換器等における１種又は２種以上であってもよい、
   ことを特徴とする請求項５に記載の触媒式無炎燃焼装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の触媒式無炎燃焼装置を起動するための方法であって、
   それぞれ燃料入口（２）及び助燃性ガス入口（１）を経てガス予混合室（４）内に入る燃焼ガスと助燃性ガスとを予混合させた後の過剰空気係数を１．０１〜２．５に制御し、
   当業者の既知する使用燃料の焼き戻し線速度及び燃焼停止線速度に基づき、予混合ガスの線速度が焼き戻し線速度と燃焼停止線速度との間に介在するように調節し、
   点火装置（６）を起動して点火した後、無炎燃焼室（８）及びその中に充填された触媒（９）が赤熱又は６００摂氏度以上になるまで加熱することと、
   予混合ガスの線速度が燃焼停止線速度以上になるまで増加させ、炎を消火し、
   同時に予混合ガスを無炎燃焼室（８）及び無炎燃焼室（８）の中に充填された触媒（９）において無炎燃焼させ、
   気流が燃焼室の底部に到着した後に戻し、大部分の熱を持ち去り、
   高温排ガスはガス収集室（１１）を経て収まり、
   熱交換器により熱交換した後、排気口（１２）から排出し、燃焼生成物は二酸化炭素及び／又は水蒸気であり、有害物質である一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素化合物（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出濃度はそれぞれ１ｐｐｍより低いことと、を含む、
   ことを特徴とする方法。
10. 助燃性ガス入口（１）に通じたガスは空気、酸素ガス及び他の空気以外の酸素含有量１〜９９．９ｖｏｌ％の酸素含有ガスの混合物であり、
    燃料入口（２）に通じたガスは気体燃料、霧状液体燃料、及び空気、窒素ガス等の不燃性ガスにおける１種又は２種以上を最終濃度０．１〜９９．９ｖｏｌ％に希釈した上記気体燃料と霧状液体燃料における１種又は２種以上であり、
    気体燃料は天然ガス、ガス、液化石油ガス等における１種又は２種以上であり、
    霧状液体燃料はガソリン、ディーゼル油、灯油、アルコール、メタノール等における１種又は２種以上であり、
    触媒（９）に多孔質耐火性材料及び金属酸化物の活性成分を含有し、
    前記多孔質耐火性材料は繊維状、繊維、ハニカム状又は他の通気性形状における１種又は２種以上のセラミック、石英、スピネル、炭化ケイ素及びステンレス鋼等における１種又は２種以上であってもよく、
    前記金属酸化物の活性成分は酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化ランタン、酸化チタン、酸化鉄、酸化マンガン、酸化ケイ素、酸化ナトリウム、酸化銅、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化白金、酸化パラジウム、酸化ルテニウム、酸化ロジウム、酸化銀等における１種又は２種以上であってもよく、
    前記金属酸化物の活性成分の質量パーセントは０．１％〜８５％であってもよい、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

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