JP3339957B2

JP3339957B2 - 劣化検知可能な触媒燃焼装置

Info

Publication number: JP3339957B2
Application number: JP02456994A
Authority: JP
Inventors: 浩直沼本; 徹生寺島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 2002-10-28
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: JPH07233910A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は加熱、暖房、乾燥等に用
いられる触媒燃焼装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】灯油等の液体燃料や都市ガス等の気体燃
料を、空気と混合させた後に酸化反応用の触媒に接触さ
せ、その表面で無炎の触媒燃焼を行わしめるいわゆる予
混合型の触媒燃焼装置は、気体燃料用を中心に従来より
種々提案され、一部は実用化されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】触媒燃焼において、空
気と予混合された燃料（たとえば、灯油）は触媒層にお
いて急激な酸化反応を生じ、反応熱と共に二酸化炭素や
水蒸気を発生する。ここでの触媒反応は、主に触媒層へ
の予混合気接触反応によって支配されるため、初期には
主触媒層の上流側表面近傍で集中して行われる。したが
って、高温状態で連続使用されるとこの付近の触媒劣化
が最も進み易くなる。触媒劣化がかなり進行してくる
と、未燃のガスのスリップが増大し好ましいことではな
い。そこで主触媒層における触媒劣化の状態を検知する
ことが重要になる。

【０００４】検出する手段として炭化水素のセンサー等
を使用することが考えられるが、安価で信頼性のあるセ
ンサーは未だ開発されていない。

【０００５】本発明は、従来のこの様な燃焼装置におけ
る主触媒層の劣化検知方法の課題を考慮し、簡単な方法
で劣化検知を行うことが可能な触媒燃焼装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料と空気の
混合室下流に備えられた多数の連通孔を有する主触媒層
と、前記主触媒層の下流に配設された多数の連通孔を有
する補助触媒層と、前記補助触媒層に設けられた温度検
出素子と、その温度検出素子からの出力信号に基づい
て、前記主触媒層の劣化を検知する制御手段とを備え、
触媒燃焼を停止させる時、空気過剰率を一時的に増大さ
せながら前記補助触媒層の温度を前記温度検出素子で検
出させ、前記制御手段により処理することにより、前記
主触媒層での触媒劣化状態を検知する触媒燃焼装置であ
る。

【０００７】

【作用】主触媒層が寿命劣化してくると、良好な燃焼特
性を示す範囲は次第に狭くなってくる。すなわち、弱燃
焼では主触媒層の有する低温活性が低下し、少しずつ未
燃のガスがスリップするようになり、強燃焼では混合ガ
スが主触媒層中を通過する滞留時間内に燃焼反応を完結
できずに少しずつ未燃のガスがスリップするようにな
る。そこで、ある程度触媒劣化が進行してきた時点で、
それを検知する必要性がある。

【０００８】本発明では、触媒燃焼装置を定常の空気過
剰率で使用した後、消化のモードに移行する際に一時的
に定常燃焼時よりも空気過剰率を増大させる。たとえ
ば、定常燃焼時に空気過剰率が２．５ならば消化時には
４ぐらいまで増大させる。そのことによって、主触媒層
がある程度劣化している場合には未燃のガスがスリップ
し易くなり、スリップした未燃のガスは充分な活性を保
持している補助触媒層に達し、そこで触媒燃焼するよう
になる。スリップした未燃のガス量が少ない時には補助
触媒層もそれほど温度上昇を示さないが、未燃のガス量
が増大してくると明かな温度上昇を示すようになる。し
たがって、この時の温度上昇カーブあるいは温度上昇量
を検出することによって主触媒層の劣化程度を検出する
ことが可能となった。この操作は触媒燃焼装置を停止す
る時に必ず行うようにすれば、主触媒層が短時間の内に
急激な劣化をすることはないので、定期的に主触媒層の
劣化状態を検知することが可能である。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１０】図１に本発明の一実施例（実施例１）にか
かる劣化検知可能な触媒燃焼装置の全体構成を示す縦断
面図を示す。図において、１は燃料タンク、２は燃料用
ポンプ、３は送風用のファン、４は混合室で、混合室４
の出口には補助炎口５が備えられており、補助炎口５の
近傍には点火電極６が配設されている。補助炎口５の上
方には多数の連通孔を有するハニカム状セラミックス平
板にＰｔ／Ｐｄの活性成分を担持させた主触媒層７が備
えられている。主触媒層７の下流経路上にも多数の連通
孔を有するハニカム状セラミックス平板にＰｔ／Ｐｄの
活性成分を担持させた補助触媒層８が配置されている。
また、補助触媒層８の上流表面付近には温度検出素子と
して熱電対９が具備され、ここでの出力が制御回路１０
に伝わるようになっている。

【００１１】次に本実施例１の動作について詳述する。
燃料用ポンプ２から供給された燃料（灯油）とファン３
から供給された空気は、混合室４内で気化されると共に
充分予混合されて上部の補助炎口５に送られる。点火時
にはまず補助炎口５において点火電極６によって点火さ
れ、ここで火炎燃焼を開始する。高温の排気ガスは上部
へ流れ、主触媒層７を昇温させる。所定時間燃焼させて
主触媒層７が充分な温度に昇温した時点で、一旦燃料供
給を停止し、補助炎口５の火炎を消滅させてから再度燃
料の供給を開始する。この時、混合室４を出た予混合気
は上方の主触媒層７に至るが、ここは充分昇温されてい
るから、主に上流側表面で触媒燃焼を生じ、燃焼排ガス
が下流経路を通って補助触媒層８に至る。

【００１２】補助触媒層８は主触媒層７が次第に劣化し
て未燃の排ガスを排出するようになってきた時に、それ
らを浄化して清浄な排ガスを排気口１１から外部に排出
する。また、触媒燃焼装置を停止する際には、定常燃焼
時の空気過剰率よりも一時的に増大させ、より未燃の排
ガスがスリップされ易くしながら、補助触媒層８の上流
表面付近に配設された熱電対９で温度上昇を測定し、制
御回路１０に伝達し、温度上昇量を信号出力あるいは温
度上昇カーブを演算処理することによって、主触媒層の
劣化状態を利用者に知らせる。

【００１３】次に、より具体例を示す。シリカ・アルミ
ナ・チタニアを主成分とする厚み15mmのハニカム状セラ
ミックス（１５０×１５０mm、３００セル／inch²、リフ゛厚
0.20mm）にＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＣｅＯ₂ 粉末１０００
ｇ、アルミナ含有率１０ｗｔ％のウォッシュコートバイ
ンダー１００ｇ、硝酸アルミニウム９水塩８５ｇ、
水１３００ｇおよびジニトロジアンミン白金水溶液と
ジニトロジアンミンパラジウム水溶液をそれぞれＰｔ、
Ｐｄ換算で４ｇ、４ｇ加えてなるウォッシュコートスラ
リーで４０ｇ被覆し主触媒層Ａとした。また、厚み20mm
のハニカム状セラミックス（３０×１００mm、４００セル
／inch²、リフ゛厚0.15mm）にＢａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＣｅＯ₂
粉末１０００ｇ、アルミナ含有率１０ｗｔ％のウォッシ
ュコートバインダー１００ｇ、硝酸アルミニウム９水
塩８５ｇ、水１５００ｇのウォッシュコートスラリ
ーで８ｇ被覆した後、ジニトロジアンミン白金水溶液と
ジニトロジアンミンパラジウム水溶液に含浸してそれぞ
れＰｔ、Ｐｄ換算で０．０６、０．２ｇを担持して、補
助触媒層Ｂとした。

【００１４】得られた主触媒層Ａと補助触媒層Ｂを使用
して図１のような燃焼装置を組み立て、主触媒層Ａは１
４０×１４０mmを燃焼面積とし、補助触媒層Ｂは３０×
１００mmそのままを排ガス経路とした。空気過剰率（空
気／灯油）２．５、燃焼量３５００kcalに固定して連続
８０００時間触媒燃焼させ、主触媒層の触媒劣化が進行
したことを確認した。その時の主触媒層における燃焼特
性を図２に示した。この燃焼特性は横軸空気過剰率、縦
軸予混合気速度とし、ＨＣ／ＣＯ₂特性が１×１０^-4以
下と２×１０^-4以下となる領域で表し、ＣＯ／ＣＯ₂特
性はＨＣ／ＣＯ₂特性に比べると、広い領域で良好であ
ったので結果を示すことは省略した。その後、今度は空
気過剰率２．５、燃焼量３０００kcalで５分間触媒燃焼
させた後、空気過剰率４に変更して５秒間さらに触媒燃
焼させ、その時の補助触媒層上流表面温度を熱電対で測
定した。その結果を、図３に示した。

【００１５】（比較例１）実施例１と同様な方法で主触
媒層Ｃと補助触媒層Ｄを調製し、図１のような燃焼装置
を組み立て、空気過剰率２．５、燃焼量３５００kcalに
固定して連続２０００時間触媒燃焼させた。その時の主
触媒層における燃焼特性を図４に示した。燃焼特性は横
軸空気過剰率、縦軸予混合気速度とし、ＨＣ／ＣＯ₂特
性が１×１０^-4以下と２×１０^-4以下となる領域で表
し、ＣＯ／ＣＯ₂特性はＨＣ／ＣＯ₂特性に比べると、広
い領域で良好であったので結果を示すことは省略した。
このまだあまり劣化の進行していない主触媒層につい
て、実施例１と同様に空気過剰率２．５、燃焼量３００
０kcalで５分間触媒燃焼させた後、空気過剰率４に変更
して５秒間さらに触媒燃焼させ、その時の補助触媒層上
流表面温度を熱電対で測定した。その結果を、図３に示
した。

【００１６】実施例１と比較例１の補助触媒層上流表面
温度の温度上昇カーブから、容易に両者の差を識別する
ことができ、本実施例１の方法によって主触媒層の劣化
検知が可能であることが確認された。本実施例１におい
ては、燃焼装置停止時には補助触媒層が充分な活性温度
を有する所定の燃焼量以上に設定する必要があり、その
ための補助触媒層上流表面温度は約５００℃以上であっ
た。約５００℃以下の温度でも補助触媒層は触媒燃焼を
開始するが、その時には約５００℃以上の状態に比較す
ると多少臭気発生を伴うので好ましくなかった。補助触
媒層上流表面温度の温度上昇量あるいは上昇カーブで触
媒劣化を検知するために必要な未燃のガス量としてはメ
タン換算で少なくとも１００ｐｐｍ以上、さらに好まし
くは３００ｐｐｍ以上が必要であった。また、移行させ
る空気過剰率は４〜５程度が好ましいと考えられる。こ
れは空気過剰率をそれ以上にもっと大きくすると補助触
媒層の温度が低下してくるからであった。移行させてか
ら劣化検知までに必要な時間は約５秒以内、長くても１
０秒間程度であり、それ以上長くすると補助触媒層の活
性を低下させる結果となった。したがって、主触媒層の
劣化検知を最も好ましく行うためには燃焼装置停止時
に、強燃焼に移行させてから空気量だけを空気過剰率、
４〜５程度に増大させて５秒間程度燃焼を続けて、熱電
対で補助触媒層上流表面温度に対する温度上昇の状態を
検出する方法が良かった。主触媒層の劣化検知は、補助
触媒層上流表面温度の温度上昇量あるいは上昇カーブで
行うことができるが、上昇カーブの微分値で判断するの
が最も確実であった。

【００１７】また、本実施例１で熱電対を配置する場所
としては補助触媒層の最上流表面部が最も感度が良好で
あり、下流側に配置するしたがって感度は低下し、中間
地点以降では効果は得られなかった。

【００１８】なお、温度検出素子として本実施例１では
熱電対を使用したが、補助触媒層上流表面温度の温度を
出力できるものであれば本発明はこれに限定されるもの
ではない。

【００１９】また、本実施例１ではハニカム状セラミッ
クス触媒を主触媒層、補助触媒層に使用したが、本発明
で使用できる主触媒層、補助触媒層はこれに限定される
ものではなく、金属あるいはセラミックスのコルゲート
状触媒でもかまわない。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明によれば、燃焼装置における主触媒層の劣化検知
を簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による触媒燃焼装置の全体構
成を示す縦断面図である。

【図２】実施例１の燃焼特性（ＨＣ／ＣＯ₂）を示す。

【図３】実施例１、比較例１による空気過剰率を増大さ
せた時の補助触媒層上流表面温度である。

【図４】比較例１の燃焼特性（ＨＣ／ＣＯ₂）を示す。

【符号の説明】

１燃料タンク２燃料用ポンプ３送風用ファン４混合室５補助炎口６点火電極７触媒層８補助触媒層９熱電対 10 制御回路（制御手段） 11 排気口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23C 11/00 F23N 5/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と空気の混合室下流に備えられた多数
の連通孔を有する主触媒層と、前記主触媒層の下流に配
設された多数の連通孔を有する補助触媒層と、前記補助
触媒層に設けられた温度検出素子と、その温度検出素子
からの出力信号に基づいて、前記主触媒層の劣化を検知
する制御手段とを備え、触媒燃焼を停止させる時、空気
過剰率を一時的に増大させながら前記補助触媒層の温度
を前記温度検出素子で検出させ、前記制御手段により処
理することにより、前記主触媒層での触媒劣化状態を検
知することを特徴とする劣化検知可能な触媒燃焼装置。