JP2853090B2

JP2853090B2 - 触媒燃焼器

Info

Publication number: JP2853090B2
Application number: JP4350811A
Authority: JP
Inventors: 健中島; 裕二池田
Original assignee: KAGURA INBESUTO KK
Current assignee: KAGURA INBESUTO KK
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1992-12-04
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: JPH06174212A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は触媒燃焼器に係り、例え
ばプロパンガスなどの可燃ガスと空気とにより生成され
た予混合ガスを連続的に供給して燃焼させる触媒燃焼器
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、触媒燃焼はＮＯｘの排出がき
わめて少ないという特徴があり、ガスタービンやボイラ
等の低ＮＯｘ化を目指して盛んに研究が行われている。
これらの触媒燃焼は一般的に燃焼温度が高く（＞摂氏７
００度）、燃焼は触媒固体表面における触媒燃焼だけで
なく、通常の気相燃焼（火炎燃焼）の寄与も加えている
（例えば、機械学会論文集，４９−４４５，Ｂ（昭５
８），１９７３、機械学会論文集，５７−５３４，Ｂ
（１９９１−２）を参照）。

【０００３】また、触媒燃焼は比較的低い温度でも高効
率の自己燃焼ができ、燃焼触媒表面の温度分布が均一で
輻射率が高いため、民生及び工業用暖房器等の低温加熱
分野においてクリーンな燃焼や火災安全性等の見地か
ら、応用が期待されている（例えば、燃料及び燃焼，４
５−５（昭５３），３８５、燃料協会誌，６６−４（１
９８７），２８７，燃焼に関する国際シンポジウム第１
６回におけるドンウォース及びメルビンの発表予稿を参
照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の研究は
いずれも可燃ガスに空気を供給しつつ燃焼させる拡散燃
焼についてなされている。そこで、本発明者らは、可燃
ガスと空気とにより生成された予混合ガスを多孔性の触
媒に連続的に供給して燃焼させる予混合燃焼の実験を試
み、触媒層内における反応成分濃度及び温度分布等の測
定を行った。この実験において、燃焼効率等が良くなる
ように空気比等の実験条件を選んだところ、触媒の入口
表面から少し進んだ付近で既に殆どの燃料が消費されて
いることが判明した。そこで、触媒の入口から出口に至
る厚さをもっと薄くしても同じ燃焼状態が得られるので
はないかとの推測をたて、実験条件を同一にしておいて
触媒の入口から出口に至る厚さを薄く設定したところ、
予想に反して燃焼状態が悪化するという事態を招いた。

【０００５】このため、本発明者らは、「上記実験条件
の下で触媒の厚さを薄く設定しながら、燃焼状態を当初
の厚さの触媒のときと同様に維持する」という課題を達
成するための方策を種々工夫して実験したところ、触媒
の下流側に多孔質の断熱材を設ければこの課題が達成で
きることを知見した。

【０００６】本発明はこの知見に基づいてなされたもの
であり、触媒燃焼器において触媒の下流側に多孔質の断
熱材を設けることにより、燃焼状態を維持しながら触媒
長さの短縮化を実現し、また逆に燃焼効率、排気成分等
の点で不良な触媒があればその燃焼状態を改善すること
を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の解決手段は、可燃ガスと空気とにより生成
された予混合ガスを連続的に供給して燃焼させる触媒燃
焼器を対象とする。そして、燃焼室に多孔性の触媒層を
設け、さらにガス出口側に多孔質の断熱材層を前記触媒
層に密接して設ける構成としている。また、触媒層は、
複数の薄板状の触媒を積層するという手段も用いてい
る。

【０００８】

【作用】上記の構成により、予混合ガスが触媒に連続的
に供給され、これが触媒燃焼する。その場合、触媒厚さ
を薄くすると、触媒からの輻射により触媒の温度が下が
り、充分な燃焼を実現するための温度が得られず、燃料
の消費率が悪くなると推察される。

【０００９】これに対して、本発明では触媒層のガス出
口側に多孔質の断熱材を設けたので、その断熱性によっ
て触媒からの熱輻射が抑えられ、触媒温度が高く維持さ
れ、燃料の消費率が良くなる。また、触媒層に複数の薄
板状の触媒を積層する手段は、燃焼器に応じて触媒厚さ
を適切に調節するものである。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は実
施例の触媒燃焼器を備えた燃焼装置であり、この実施例
は可燃ガスとしてプロパンガスを使用している。同図に
おいて、１はケーシングであって、このケーシング１は
角筒をその途中で折り曲げたＬ字形をしており、その水
平方向に開口する一端を予混合ガスの入口に、上方に開
口する他端を排気ガスの出口にして、その間に燃焼室１
ｂを形成している。また入口側の外壁を所定長さにわた
って断熱材１ａで覆っている。

【００１１】上記ケーシング１の燃焼室１ｂには、入口
側から順に整流用のメッシュ２、ポーラスプレート３、
ニクロム線ヒータ４が適宜に間隔をあけて設けられ、さ
らに上記ニクロム線ヒータ４の直下流側には多孔性の発
泡体型白金触媒５が設けられ、そのガス出口側に多孔質
の断熱材６が設けられている。この触媒５及び断熱材６
は、入口面及び出口面がそれぞれ１７０ｍｍ平方に形成
されている。

【００１２】図２に示すように、上記触媒５は多孔性発
泡体に白金を担持して形成された幅１７０ｍｍ、高さ１
７０ｍｍ、厚さ３ｍｍの触媒板５ａを４枚積層して全厚
みを１２ｍｍにしたものであり、また断熱材６は幅１７
０ｍｍ、高さ１７０ｍｍ、厚さ６ｍｍに形成しており、
従って触媒５及び断熱材６が全体で幅１７０ｍｍ、高さ
１７０ｍｍ、厚さ１８ｍｍに形成されている。ここで触
媒の仕様は、幾何学的表面が１０００ｍ²／ｍ³、スペー
ス比が９３％、真密度が８．６ｇ／ｍｌ、浮力密度が
０．６ｇ／ｍｌ、プラチナ支持量が１．０ｇ／ｌ、プラ
チナ粒子径が１０オングストローム以下である。

【００１３】予混合ガスの生成について説明する。図１
において、１１はプロパンガスとエアを混合するミキシ
ングパイプであって、その出口をケーシング１の入口に
臨ませて設置されている。１２はプロパンガスのボン
ベ、１３は上記ミキシングパイプ１１に接続された３方
コネクタ、１４は上記ボンベ１２と３方コネクタ１３を
接続するガス供給管であり、このガス供給管１４には絞
り弁１５及びフローメータ１６が設けられている。さら
に、１７はブロア、１８は上記ブロア１７と３方コネク
タ１３を接続するエア供給管であり、このエア供給管１
８には絞り弁１９及びフローメータ２０が設けられてい
る。また上記３方コネクタ１３とフローメータ２０との
間のエア供給管１８にはリリーフ管２１が接続され、こ
のリリーフ管２１にはリリーフ弁２２が設けられてい
る。従って上記絞り弁１５、１９及びリリ−フ弁２２の
開度調整によって予混合気の空気比（混合比）が設定さ
れる。

【００１４】次に、実験において上記触媒燃焼器の燃焼
状態等を計測する機器について説明する。図１におい
て、３１は触媒５の下流側に設置されたプローブであっ
て、このプローブ３１は、先端に熱電対３１ａとガスサ
ンプリング用のガス導入部３１ｂとを有し、且つケーシ
ング１に固定したトラバースユニット３２の移動部材に
固定されていて、トラバースユニット３２の作動により
触媒出口表面及び触媒内部に移動できるようになってお
り、これによって触媒付近の温度及びガス成分濃度を測
定するようにしている。そのために触媒５には出口表面
から所定深さにまでいたる直径４ｍｍの孔をあけてい
る。また、触媒入口表面にも別途に熱電対３３を設けて
いる。これらの熱電対３１ａ、３３の出力線はＧＰＩＢ
を介してモニタ及びレコーダ３５に接続されている。一
方、上記ガス導入部３１ｂはサンプリング管３６を介し
てガスクロマトグラフィ３９に接続され、このサンプリ
ング管３６には３方切り替え式のマルチバルブ３８が設
けられ、このマルチバルブ３８には先端をケーシング１
の出口付近に臨ませたサンプリング管３７が接続されて
いて、触媒付近のガス成分濃度及び排気ガス成分濃度を
選択的に測定するようにしている。

【００１５】実験手順であるが、まず所定の空気流量を
燃焼室１ｂに流した状態でニクロム線ヒータ４により電
気加熱し、プロパンガスの触媒燃焼開始温度（約摂氏２
１０度）まで昇温した後、一定の燃料を供給し、燃焼開
始を温度上昇で確認した後、ヒータ４を切った。そして
空気と燃料を所定の条件に保持した状態で、安定な燃焼
すなわち各部の温度が一定になったことを確認した後、
触媒温度及び燃焼部分の測定を行った。

【００１６】また、実験は実施例のみならず他の２つの
比較例についても試行された。このうち、比較例１は図
３に示すように上記実施例の上記触媒５及び断熱材６に
代えて上記触媒板５ａ相当の触媒板を６枚積層して厚さ
δｃを１８ｍｍとした触媒を装着し且つ断熱材を一切設
けないものであり、比較例２は図４に示すように実施例
の上記触媒５及び断熱材６に代えて上記触媒板５ａ相当
の触媒板を４枚積層して厚さδｃを１２ｍｍとした触媒
を装着し且つ断熱材を一切設けないものである。

【００１７】最初に上記比較例１（触媒厚さδｃ＝１８
ｍｍ）についての実験結果を示す。まず触媒内部の燃焼
状態を説明する。熱負荷量８６ｋｗ／ｍ²（触媒面積当
たりの発熱量入力）、空気比４．２の場合の触媒厚み方
向における温度Ｔｃ及びガス成分濃度Ｃｉの分布を図５
に示す。測定位置は触媒中央部、つまり幅方向における
中央で且つ高さ方向における中央の部分である（以後、
特記のないものは全て触媒中央部の測定結果である）。
触媒燃焼のようすを観察すると、以下のようになる。（１）入口表面から約６ｍｍまでの間におよそ９９％の
燃料が消費され、残りわずか１％の燃料が後の１２ｍｍ
の触媒部分で徐々に燃焼していく。触媒温度のピークは
入口から約３ｍｍのところに現れる。すなわち、触媒燃
焼反応速度は速く、主燃焼帯は薄いことが分かる。（２）使用されているプロパンガスは純度が９７％であ
り、約３％の割合を占めているＩ．Ｎ−Ｃ₄Ｈ₁₀，Ｃ₂Ｈ
₆が触媒で検出されたが、これらは入口から６ｍｍまで
のところでほぼ完全に消費されている。（３）最も反応が激しい触媒部分である前半約６ｍｍの
ところでは数１０ｐｐｍのＣＯが検出されていることか
ら、この領域においてより速い中間反応過程を併発して
いる可能性がある。（４）プロパンの転化率は入口表面から６ｍｍのところ
で約９９％に達する。未燃物濃度（全ての炭化水素濃度
の総和）は触媒出口で僅か１ｐｐｍであり、計算によっ
て局所燃焼効率はほぼ１００％であることが分かる。

【００１８】空気比λの影響を説明する。一定の熱負荷
量に対する触媒内の温度Ｔｃ、プロパン濃度Ｃｉを空気
比λをパラメータとして図６に示す。またプロパン濃度
より計算されたプロパンの転化率χも同図に示した。空
気比λは、小さくなる即ち混合気濃度が増加するにつれ
て燃焼反応によるプロパン濃度Ｃｉの降下勾配が大き
く、入口から約６ｍｍでプロパンの転化率χは９７．５
％以上である。それに対応して触媒温度Ｔｃも空気比λ
の減少とともに高くなっている。これは低空気比つまり
高燃料濃度では触媒表面への反応成分の拡散が大きく、
発熱量が多くなるとともに流速が低いので、触媒固体か
らガスへの熱伝達が低下している結果と推察される。

【００１９】熱負荷量ｑの影響を説明する。空気比λが
４．６の場合について触媒内のプロパン濃度Ｃｉ及び温
度Ｔｃの分布に及ぼす熱負荷量ｑの影響を図７に示す。
触媒温度Ｔｃは熱負荷ｑが大きくなるにつれて高くな
る。空気比λを一定とした場合、熱負荷量ｑの増加によ
り反応ガス流速が増し、触媒との反応接触時間が短縮さ
れるため、触媒前半ではプロパンの転化率χが低熱負荷
のものより低下するので、その領域ではプロパン濃度Ｃ
ｉがやや高いが、触媒出口付近ではプロパン濃度Ｃｉが
逆に低くなる。これは高熱負荷の場合、流速が速いの
で、高温部分が下流に移動し、触媒後半の反応速度が大
きく、転化率χが高くなるためと推察される。

【００２０】触媒周端からの熱損失の影響を説明する。
触媒出口表面における鉛直方向の位置Ｙ（図３参照）を
縦軸にして未燃プロパン濃度Ｃｉと温度Ｔｃｏｕｔを測
定し、その結果を図８に示す。同図に示すように未燃プ
ロパンは触媒の中央部で殆ど観測されないが、触媒を囲
む周辺では多量に排出されている。これは触媒周辺で充
分な断熱がなされていないために、周囲からの熱損失に
より温度が低くなる結果、触媒活性が低下してプロパン
の転化率χが悪くなるためと推察される。また、図８よ
り触媒の下部は上部より未燃物が多く出ており、触媒上
下の温度分布が非対称であることから、この比較例１で
は低負荷、低流速の触媒燃焼反応に熱対流が影響を及ぼ
していると推察されている。

【００２１】燃焼効率ηについて説明する。触媒燃焼器
の出口付近で排気ガス中の未燃物を測定することにより
求めた燃焼効率ηに及ぼす空気比λ及び熱負荷量ｑの影
響を図９に示す。燃焼効率ηは安定な燃焼範囲におい
て、空気比λが低いほど高くなる。また、空気比λが一
定の場合は、熱負荷量ｑを増大すると、燃焼効率ηは低
負荷の領域でやや上昇し、その後はほぼ一定になること
が分かる。ここに示されている燃焼効率ηは同様の実験
条件における触媒出口中央部での局所燃焼効率（ほぼ１
００％）を下回っている。従って、触媒燃焼の燃焼効率
ηを向上させるには、触媒周囲を充分断熱して、均一な
燃焼を行わせる必要があると推察される。

【００２２】以上の比較例１の実験で得た熱特性と反応
特性の相互関係を検討した結果、次の結果を得た。（イ）予混合気が触媒に入ると、触媒燃焼は速やかに進
行し、９７％以上の燃料は触媒入口表面から約９ｍｍの
ところで反応して消費し、触媒燃焼帯は薄い。（ロ）触媒出口中央部ではプロパンは数ｐｐｍしか残ら
ず、ほぼ完全な燃焼を達成する。しかし、触媒周辺近く
では熱損失が起こるため触媒温度が低く、触媒反応活性
が低下する結果、未燃物が多く検出され、局部燃焼効率
は低下する。（ハ）触媒燃焼効率は空気比が一定の場合、熱負荷によ
らずほぼ一定であるが、空気比を小さくすると高くな
る。

【００２３】次に、上記比較例１（触媒厚さδｃ＝１８
ｍｍ）に代えて比較例２（触媒厚さδｃ＝１２ｍｍ）に
ついて、上記とほぼ同様に熱負荷量８７ｋｗ／ｍ²、空
気比４．２の実験条件で実験を行い、触媒の中央におけ
る温度Ｔ及びガス成分濃度Ｃｉを測定し、その結果を図
１０に示す。比較のために同一実験条件での比較例１の
測定結果も同図に示している。同図から分かるように、
触媒温度Ｔは比較例２の方が比較例１よりも全体的に低
い。また、燃焼反応の低下によりプロパン濃度Ｃｉは触
媒における入口表面からの長さが同じ位置においては比
較例２の方が比較例１よりも大きい。しかも、触媒出口
での残留プロパン濃度Ｃｉは比較例１の場合には入口表
面から１２ｍｍのところで３ｐｐｍであるのに対し、比
較例２の場合には５０ｐｐｍと大きく上回っている。こ
れは、触媒厚さδｃを減らすと、単位体積当たりの触媒
放射面積が大きくなるために、触媒単位体積当たりの熱
放射が大きくなり、触媒燃焼反応速度に関与する触媒温
度が低下し、燃料の転化率が悪くなるためと推察され
る。

【００２４】そして、最後に実施例、つまり触媒５及び
断熱材６を設けた触媒燃焼器について、上記同様に熱負
荷量８６ｋｗ／ｍ²、空気比４．２の実験条件で実験を
行い、触媒の中央における温度Ｔ及びガス成分濃度Ｃｉ
を測定し、その結果を図１１に示す。温度Ｔ及びガス濃
度Ｃｉの分布は共に比較例１とよく一致しており、出口
表面におけるガス濃度Ｃｉはそれぞれ１ｐｐｍ，２ｐｐ
ｍと小さく、ほぼ完全燃焼していることが分かる。

【００２５】実施例の実験結果から分かることは、触媒
厚さδｃを１８ｍｍから１２ｍｍへと薄くし、出口側に
断熱材６を補充すれば、比較例１と同様の燃料転化率が
得られることである。従って、上記実施例は、比較例１
と比較した場合、比較例１と燃焼状態を同等に維持しな
がら触媒長さδｃを比較例１よりも短縮できているか
ら、触媒燃焼器のコストを大幅に低減することができ
る。また逆に上記実施例を比較例２と比較した場合、比
較例２よりも燃焼状態を改善できているから、比較例２
のように燃焼効率、排気成分等の点で不良な触媒があれ
ば、そのガス出口側に多孔質の断熱材６を設けることに
より触媒の燃料消費率の向上、排気ガスの浄化を促進で
きることになる。

【００２６】なお、上記実施例及び比較例では厚さ３ｍ
ｍの触媒板５ａを複数枚積層して触媒厚さδｃを設定し
たため、触媒厚さδｃを３ｍｍ以下のきざみ幅で細かに
設定することができなかった。そのため、触媒厚さδｃ
を実施例及び比較例２では１２ｍｍに、比較例１では１
８ｍｍに設定せざるを得なかった。従って、熱負荷量８
７ｋｗ／ｍ²、空気比４．２という実験条件下において
温度及びガス成分濃度で比較例１と同様の結果を得るに
は、触媒厚さδｃを上記実施例よりも更に薄くできる可
能性があるといえる。

【００２７】上記実施例では四角の薄板状の触媒５ａを
複数枚積層して触媒５を形成しているが、積層構造でな
く一体的に形成してもよいし、触媒の外形もまた任意で
ある。また、実施例では発泡体型の触媒としたが、多孔
性の触媒であれば他のタイプでもよい。従ってハニカム
構造の触媒でもよいし繊維構造をもつ触媒（例えばウー
ル状、繊維状の素材をマット状に固めて成形したもの）
でもよい。そして、触媒の組成も任意である。また断熱
材も通気性が確保された多孔質のものであればよく、そ
の形状も任意である。上記実施例ではプロパンガスを使
用したが、他の可燃ガスであってもよいのは勿論であ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の触媒燃焼
器は、可燃ガスと空気とにより生成された予混合ガスを
連続的に供給して燃焼させる触媒燃焼器として、燃焼室
に多孔性の触媒を設け、そのガス出口側に多孔質の断熱
材を設けたので、断熱材の保温性によって触媒からの輻
射が抑えられ、触媒温度が高く維持され、燃料消費率が
良くなると推察され、このことにより、燃焼状態を維持
しながら触媒長さの短縮化を実現して触媒燃焼器のコス
トを大幅に低減でき、また逆に燃焼効率、排気成分等の
点で不良な触媒の燃焼状態を改善して、燃料消費率の向
上、排気ガスの浄化を促進するなど、実用上優れた効果
を得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例及び実験装置の全体概略構成図、

【図２】実施例の触媒及び断熱材を模式的に示す斜視
図、

【図３】比較例１の触媒を示す図２相当図、

【図４】比較例２の触媒を示す図２相当図、

【図５】比較例１の触媒内のガス濃度Ｃｉ、温度Ｔｃ及
びプロパン転化率χを示す実験結果図、

【図６】比較例１における空気比λの影響を示す実験結
果図、

【図７】比較例１における熱負荷ｑの影響を示す実験結
果図、

【図８】比較例１における触媒出口表面の鉛直方向にお
ける温度Ｔｃｏｕｔ及び未燃物質濃度Ｃｉを示す実験結
果図、

【図９】比較例１における燃焼効率ηに及ぼす空気比λ
及び熱負荷ｑの影響を示す実験結果図、

【図１０】比較例１と比較例２とにおいてガス濃度Ｃｉ
及び温度Ｔを比較して示す実験結果図、

【図１１】比較例１と実施例とにおいてガス濃度Ｃｉ及
び温度Ｔを比較して示す実験結果図である。

【符号の説明】

１ｂ燃焼室５触媒５ａ触媒板６断熱材１１ミキシングパイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23D 14/18 ZAB

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】可燃ガスと空気とにより生成された予混合
ガスを連続的に供給して燃焼させる触媒燃焼器であっ
て、燃焼室に多孔性の触媒層を設け、さらにガス出口側
に多孔質の断熱材層を前記触媒層に密接して設けたこと
を特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】触媒層は、複数の薄板状の触媒を積層した
請求項１記載の触媒燃焼器。