JP3709296B2

JP3709296B2 - Catalytic combustion device

Info

Publication number: JP3709296B2
Application number: JP36140698A
Authority: JP
Inventors: 基啓鈴木; 良隆川崎; 徹生寺島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: JP2000186803A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼反応熱により発する放射熱線を有効利用する触媒燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素を主体とする燃料に対して酸化活性を有する触媒を用いた触媒燃焼装置において、燃焼反応熱により発する放射熱線を有効利用するものとして、従来から多数の提案がなされている。このうち、触媒体の連通孔には燃料のみを供給し、触媒体の下流表面近傍で大気中の酸素を拡散供給することによって接触酸化反応させ、露出された触媒体の下流面から熱線を放射させるもの、また燃料と空気の予混合気を供給し、主に触媒体の上流表面近傍で接触酸化反応させ、触媒体の上流面に対向設置された熱線透過窓を介して上流面から熱線を放射させるもの等が良く知られている。
【０００３】
さらに、白金を主成分とする酸化触媒を担持させた触媒体を用いて、還元雰囲気における酸化反応を行うことにより、触媒体の耐熱性が向上することが知られている（特願平１０−１５７５５５）。そこで、空気過剰率１以下の予混合気を供給し、触媒体の上流表面近傍で接触酸化反応させた後、触媒体の下流に設置された燃焼排ガス流路内において、全空気過剰率が１以上となるように空気を追加供給し、補助触媒体において燃焼排ガス中に含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素や中間生成物を接触酸化反応させるものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の触媒燃焼装置のうち、触媒体の連通孔には燃料のみを供給し、触媒体下流側表面近傍で大気中の酸素を拡散供給することによって接触酸化反応させ、露出された触媒体の下流面から露出された触媒体の下流面から熱線を放射させるものでは、触媒体の下流表面近傍での反応において発生した熱の一部は、放射や伝導により触媒体の上流側に伝達されるが、このうちの一部は、触媒体の連通孔を通過する燃料に熱回収されて、再び下流側へと還流される。このため、触媒体の上流面および上流面に対向する燃焼装置の背面の低温化を図ることが可能である。しかし、大気中の酸素を拡散供給しているため、空気過剰率１以上となるに足る酸素量を供給すること、また酸化反応の前に燃料と酸素を十分に混合させることが困難であることから、未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素や中間生成物を発生しやすく燃焼排ガス特性が良好ではないという課題があった。また、このように燃焼率が低くなることに加えて、燃焼反応において発生する燃焼排ガスの保有する熱が、回収もしくは２次利用されることなく排出されることから、熱利用効率が低くなる傾向があるという課題があった。
【０００５】
一方、燃料と空気の予混合気を供給し、主に触媒体の上流表面近傍で接触酸化反応させ、触媒体の上流面に対向設置された熱線透過窓を介して上流面から熱線を放射させるものでは、触媒体の上流表面近傍での反応において発生した熱の一部の放射や伝導による触媒体の下流側への伝達に加えて、高温の燃焼排ガスが触媒体の連通孔を通過して下流側を加熱するため、例えば触媒体の上流面の温度が８００℃以上となるような燃焼条件において、下流面の温度は５００〜６００℃程度まで昇温して、触媒体の上流側に放射される熱量の３０〜４０％程度の熱線が触媒体の下流面から放射される。このため、触媒体の下流面に対向する燃焼装置の背面が高温となり、安全性を確保するためには断熱層や放熱層を重ねる必要があることから、装置が大型化するという課題があった。
【０００６】
さらに、同様に上流面から熱線を放射させるものにおいても、空気過剰率１以下の予混合気を供給し、触媒体の上流表面近傍で接触酸化反応させた後、触媒体の下流に設置された燃焼排ガス流路内において、全空気過剰率が１以上となるように空気を追加供給し、補助触媒体において燃焼排ガス中に含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素や中間生成物を接触酸化反応させるものでは、燃焼排ガス中に含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素や中間生成物と追加供給された空気を、補助触媒体における酸化反応の前に十分に混合させることが必要となる。空気の追加供給位置から補助触媒体までの流路が長い場合には、十分に混合させることが可能であるが、触媒体と補助触媒体が隔離設置されることになり、補助触媒体は触媒体からの放射熱等を受け難くなることから、補助触媒体の温度が低下する傾向がある。このため、比較的低温において容易に酸化反応が行われる一酸化炭素や中間生成物は酸化されるが、特に天然ガスのように酸化反応に６００℃以上の高温を要する燃料を使用する場合には、未燃焼の燃料ガスを排出しやすくなるという課題があった。一方、燃焼排ガス流路を短くするためには、邪魔板を設置する等混合を促進させる手段を要するため、燃焼排ガス流路の構成が複雑化するという課題があった。さらに、空気過剰率１以下における燃焼反応であるため、触媒体の上流表面近傍で反応する率は小さくなり、一部の燃料は触媒体の下流側で反応して、その反応熱はそのまま排出されるために、触媒体の上流面からの放射熱の利用効率も低くなるという課題があった。
【０００７】
本発明は、かかる従来の触媒燃焼装置の課題を考慮し、燃焼排ガス特性が良好、安全あるいはコンパクトな触媒燃焼装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る触媒燃焼装置は、複数の連通孔を有する基材上に酸化触媒を担持させた触媒体と、複数の連通孔を有する熱非良導体からなる空気導入多孔体を、互いの下流面が対向するように配置する構成を有し、触媒体の下流面からの放射熱の一部が空気導入多孔体の下流面からの放射により再度触媒体に還流されることから、触媒体の上流面からの放射熱の利用効率の高い燃焼装置を実現し得るものである。また、触媒体の下流面からの放射や燃焼排ガスとの接触による直接的な加熱が抑制されることから、燃焼装置の背面の低温化を実現することができる。このため、火傷等を引き起こす可能性のない安全性の高い燃焼装置を提供できるものである。また、燃焼装置の背面部分の薄いコンパクトな燃焼装置を提供し得るものである。さらに、触媒体の上流面からの放射熱と燃焼排ガスと２次空気を混合した適度な温度レベルの温風を併用することにより、熱利用効率の高い燃焼装置を実現することも可能である。
【０００９】
また、白金を主成分とする酸化触媒を担持させた触媒体を設置して、供給する予混合気の空気過剰率を１以下、２次空気を加えた全空気過剰率を１以上とするとともに、触媒体を通過した燃焼排ガスと空気多孔体を通過した２次空気が混合した後、触媒体の下流面に接触するように両者を近接配置する構成を有し、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガスや一酸化炭素等を酸化するための補助触媒体や混合を促進するための邪魔板等を備えた複雑な燃焼排ガス流路を設置することなく、良好な燃焼排ガス特性を有する燃焼装置を実現することができる。また、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガスや一酸化炭素等は、触媒体と空気導入多孔体の下流面の間でほぼ完全に酸化されるため、燃焼排ガス流路の途中において燃焼排ガスの漏洩の生じる場合にも問題とならない安全性の高い燃焼装置を提供できるものである。さらに、触媒体の下流面において発生する反応熱の大部分は、伝導や放射等により上流側に伝えられることから、触媒体の上流面からの放射熱の利用効率の高い燃焼装置を実現し得るものである。
【００１０】
さらに、少なくとも一方の下流面に複数の突起状構造を備えた構成、空気導入多孔体の少なくとも下流面を含む一部に酸化触媒を担持させるとともに、触媒体を通過した燃焼排ガスと空気多孔体を通過した空気が混合した後、少なくとも一方の下流面に接触するように両者を近接配置した構成、また空気導入多孔体に担持させる酸化触媒をパラジウムを含有して構成とすることにより、燃焼排ガスと空気の拡散混合が促進されるとともに、触媒体もしくは空気導入多孔体の下流面の触媒表面に対する混合ガスの接触頻度も高まるため、屋内への燃焼排ガスの排気も可能となる、さらに良好な燃焼排ガス特性を有する非常に安全性の高い燃焼装置を実現し得るものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１２】
本発明の実施には、複数の連通孔を有して各種燃料への酸化活性を有する触媒体、耐熱性の熱線透過材料、複数の連通孔を有する熱非良導体からなる空気導入多孔体等の他、着火装置や流量制御装置、燃料と空気の混合器、あるいは必要に応じて液体燃料の気化器、温度検出装置や駆動装置等が必要となる。触媒体としては、金属やセラミックのハニカム担体、あるいはセラミック繊維の編組体、多孔質焼結体等に、白金やパラジウム等の貴金属を主成分とした活性成分を担持させたものを用い、また耐熱性の熱線透過材料としては、石英ガラスや結晶化ガラス等を用いることができる。また空気導入多孔体としては、セラミックのハニカム構造体、あるいはセラミック繊維の編組体、多孔質焼結体等を用い得る。さらに、空気や気体燃料の流量制御には手動のニードルバルブや電動のソレノイドバルブ等が使われ、液体燃料の場合には電磁ポンプ等を使用する。その他の駆動部分は手動のレバー操作、自動制御のモータ駆動等が可能で、着火装置としては電気ヒータや放電点火器等を使用し得る。なお、これらはいずれも従来から広く採用されている手段であり、他の公知の手段でも可能である。ここでは、それらの詳細については説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は本発明に係る触媒燃焼装置の実施の形態の部分断面構成図である。図１において、１は空気供給ファン、２は燃焼用空気流量制御バルブ、３は燃料流量制御バルブ、４は燃料と空気の混合器、５は予混合気導入口、６は予混合気室、７は複数の連通孔を有するセラミックハニカムに白金属の貴金属を担持させた触媒体である。また、８は結晶化ガラスからなる熱線透過窓であり、触媒体７の上流面に対向する位置に設置されている。また、９は２次空気流量制御バルブ、１０は空気導入口、１１は空気室、１２はセラミックハニカムからなる空気導入多孔体であり、触媒体７と互いの下流面が対向するように設置されている。さらに、１３は電気ヒータからなる点火器、１４は燃焼排ガス流路、１５は燃焼排ガス排出口である。
【００１３】
次に、図１において本実施の形態の動作と特性について説明する。配管供給される燃料（ここでは都市ガスを使用）は、燃料流量制御バルブ３において流量制御された後、空気供給ファン１により供給され、燃焼用空気流量制御バルブ２において流量制御された空気と混合器４において混合される。さらに、予混合気は予混合気導入口５を経て予混合気室６内に供給される。一方、２次空気流量制御バルブ８において流量制御された空気は、空気導入口１０を経て空気室１１内に供給される。
【００１４】
燃焼初期においては、触媒体７の連通孔を経て燃焼排ガス流路１４に至った予混合気は点火器１３への通電で着火される。形成された火炎によって加熱された触媒体７は、下流表面近傍が最初に昇温してここで触媒燃焼を開始し、その燃焼熱によってさらに上流側が加熱されることを繰り返して、やがて上流面の表面近傍での触媒燃焼へと移行し、定常燃焼となる。
【００１５】
定常燃焼においては、主に触媒体７の上流表面近傍で接触酸化反応が行われる。ここで、燃料流量制御バルブ３で供給量を調節することにより、上流表面の温度は、良好な燃焼排ガス特性を有するとともに、燃焼継続の可能な８００℃以上、かつ耐熱限界の９００℃以下に制御される。このとき、供給される燃料の発熱量の５０〜６０％に相当する熱量が、触媒体７の上流側に放射される。また、この反応により発生した熱の一部は、触媒体７を構成するセラミックハニカムの連通孔間を仕切る壁の内部における主として流れ方向への伝導や対向する仕切り壁の間における放射により、触媒体７の下流側表面に伝えられる。さらに、触媒体７の上流表面近傍の反応位置において発生した高温の燃焼排ガスがそれら連通孔を通過する際に下流側表面を加熱する。このため、触媒体７の下流表面の温度は５００〜６００℃に達し、上流側に放射される熱量の３０〜４０％に相当する熱量が、触媒体７の下流側にも放射される。
【００１６】
ここで、触媒体７と互いのそれぞれの下流面が対向するように設置された、セラミックハニカムからなる空気導入多孔体１２の下流面は、触媒体７の下流面からの放射や触媒体７から排出される５００〜６００℃の燃焼排ガスとの接触により熱を受ける。この熱の一部は、空気導入多孔体１２を構成するセラミックハニカムの連通孔間を仕切る壁の内部における伝導や対向する仕切り壁の間における放射により、空気導入多孔体１２の上流側に伝達される。このうちの一部は、空気導入多孔体１２の連通孔を通過する空気により熱回収されて、再び下流側へと還流される。このため、空気導入多孔体１２の上流表面の温度は１００〜１５０℃、下流表面の温度は４００〜５００℃となる。このとき、空気導入多孔体１２の下流面からの放射により、触媒体７の下流側に放射される熱量の５０％程度に相当する熱量が、触媒体７に還流される。このような熱の還流効果により、触媒体７の上流面から放射される熱量を一定とした時、燃料の供給量（燃焼量）を、触媒体７を単独で設置して燃焼させた場合と比較して、１０％程度低減することが可能となる。このことから、触媒体７の上流面より発せられる放射熱線の利用効率の高い触媒燃焼装置を提供できるものである。
【００１７】
また、本実施の形態の燃焼装置において、上流面に対向する燃焼装置の背面２０の温度は最高温度を８０℃以下、平均温度を６５℃まで抑制することができた。
【００１８】
このように、触媒体７の下流面からの放射や燃焼排ガスとの接触を燃焼装置の背面２０において直接受けないように、空気導入多孔体１２を設置する構成とすることにより、燃焼装置の背面の低温化を実現することが可能となる。さらに、空気導入多孔体１２および空気室１１のみの設置により安全性を確保できることから、背面部分の薄いコンパクトな燃焼装置を実現し得るものである。
【００１９】
さらに、２次空気流量制御バルブ９で供給量を調節することにより、触媒体７から排出される燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過する空気の混合ガスの温度を制御して、この混合ガスを燃焼排ガス排出口１５から外部へと排出し、それを温風として利用することにより、触媒体７の上流面からの放射熱と適度な温度レベルの温風を併用した熱利用効率の高い暖房機器を提供することも可能である。
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、基本構成は実施の形態１と同じであるが、触媒体に白金を主成分とする酸化触媒を担持している点、点火器１３が触媒体７より上流側に配置されている点、触媒体に供給される予混合気の空気過剰率が１以下となっている点、また触媒体を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体を通過した空気の混合気が触媒体の下流面に接触するように、触媒体と空気導入多孔体を近接配置している点が異なる。したがって、この相違点を中心に説明する。
【００２０】
図２は本実施の形態の要部断面図である。図２において本実施の形態の動作と特性について説明する。配管供給される燃料（ここでは都市ガスを使用）は、燃料流量制御バルブ３において流量制御された後、空気供給ファン１により供給され、燃焼用空気流量制御バルブ２において流量制御された空気と混合器４において混合される。ここで、予混合気の空気過剰率は１以下になるように流量制御されている。さらに、予混合気は予混合気導入口５を経て予混合気室６内に供給される。
【００２１】
一方、２次空気流量制御バルブ９において流量制御された空気は、空気導入口１０を経て空気室１１内に供給される。ここで、追加供給する空気を含めた予混合気の全空気過剰率は１以上になるように流量制御されている。また、触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した空気の混合気が触媒体７の下流面に接触するように、触媒体７と空気導入多孔体１２を５ｍｍ以下の距離に近接かつ対向設置している。
【００２２】
燃焼初期においては、予混合気導入口５から故意に空気過剰率１以上の予混合気を送り込み、点火器１３への通電で着火し、予混合気導入口５において火炎を形成する。この火炎により加熱された触媒体７は、上流表面近傍が最初に昇温する。ここで、触媒体７の上流面の温度が６００℃以上に昇温して赤熱を開始した時点で、一旦燃料流量制御バルブ３を閉止することにより燃料の供給を停止して、火炎を消滅させる。
【００２３】
その後、再び燃料流量制御バルブ３を開放して、今度は予混合気の空気過剰率を１以下として燃料の供給を開始すると、触媒体７の上流表面近傍から触媒燃焼を開始し、やがて定常燃焼に至る。
【００２４】
定常燃焼においては、主に触媒体７の上流表面近傍において還元雰囲気での接触酸化反応が行われる。ここで、白金を主成分とする酸化触媒を担持させた触媒体７を用いて、還元雰囲気における酸化反応を行うことにより、耐熱限界の温度を１０５０℃とより高温にすることができる（特願平１０−１５７５５５参照）。このため、燃料流量制御バルブ３で供給量を調節することにより、上流表面の温度は９００〜１０５０℃に制御される。このとき、触媒体７の下流表面の温度は６００〜７５０℃に達する。
【００２５】
一方、触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した２次空気は、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面の間に対向流を形成して排出される。この燃焼排ガスと２次空気の混合気の流れにおいて、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の大部分と、酸素が拡散混合しつつ、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面への接触を繰り返して、触媒体７と空気導入多孔体１２の外周方向へと向かい、最外周端から放出される。ここで、触媒体７の下流面の温度は６００℃以上になっていることから、触媒活性に高温を要する天然ガスのような燃料を使用する場合においても、触媒体７の下流面への接触の際に、そのような未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物のいずれも、酸化反応が行われるに足る温度に達しており、本実施の形態の燃焼装置において、排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度は数１０ｐｐｍ以下となることを確認することができた。このように、触媒体７と空気導入多孔体１２を近接かつ対向設置する平易な構成を採用することにより、簡単な構造で、良好な燃焼排ガス特性を実現することができる。すなわち、別途燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の酸化反応を行うための、補助触媒体や、燃焼排ガスと２次空気の混合を促進するための邪魔板等を備える必要がなくなる。さらに、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物は、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面の間でほぼ完全に二酸化炭素と水蒸気になることから、その下流に形成される燃焼排ガス流路１４の途中において燃焼排ガスの漏洩が生じる場合があっても何ら問題にはならない。
【００２６】
このように、触媒体７の下流表面における燃焼反応により、空気の不足分に対応する燃料（例えば、空気過剰率０．７では供給量の３０％）の発熱量に相当する熱量が発生するが、このうちの大部分は直接触媒体７の加熱に供せられ、仕切り壁の内部における伝導や対向する仕切り壁の間における放射等により上流側に伝えられる。このため、触媒体７に空気過剰率１以上の予混合気を供給する場合と同等以上の高い熱利用効率を有する触媒燃焼装置を提供し得るものである。図３は、重量１．３ｋｇのアルミニウム製鍋に入れた１．５Ｌの水を、本実施の形態の燃焼装置を用いて加熱した場合の水の昇温特性図である。この昇温特性から、加熱効率は６６％、また放射効率も５０％以上となっており、火炎燃焼方式の２倍以上の非常に高い熱利用効率が得られた。
【００２７】
なお、本実施の形態では、触媒体７の上流側に形成した火炎により触媒体７の上流表面近傍を昇温させた後、一旦燃料の供給を停止して火炎を消滅させ、再度燃料の供給を開始して触媒燃焼に移行させる方法を採用しているが、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面の間の中心部近傍の一部に火炎を形成するに足る空間を設置して、ここに形成された火炎により触媒体７の下流表面近傍の一部を加熱して触媒燃焼を開始させ、その燃焼熱により上流側および外周側が加熱されることを繰り返して、上流表面近傍での触媒燃焼に移行させる方法を採用しても良く、同様の効果が得られるものである。
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、基本構成は実施の形態２と同じであるが、空気導入多孔体の下流面に複数の突起状構造を備えた点が異なる。したがって、この相違点を中心にして説明する。
【００２８】
図４は本実施の形態の要部断面図である。ここで、１６は空気導入多孔体１２の下流面に設置された複数の突起状構造である。
【００２９】
次に、図４において本実施の形態の動作と特性について説明する。触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した２次空気は、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面の間に対向流を形成して排出される。この燃焼排ガスと２次空気の混合ガスの流れにおいては、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の大部分と、酸素が拡散混合しつつ、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面への接触を繰り返して、触媒体７と空気導入多孔体１２の外周方向へと向かうが、この際複数の突起状構造１６により外周方向に垂直な方向、すなわち触媒体７もしくは空気導入多孔体１２の下流面の方向への流れが形成される。その結果、それによって発生する流れの乱れにより、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物と、２次空気の拡散混合の促進が図られる。さらに、触媒体７の下流面に対する混合ガスの接触頻度も高まることから、外周方向に向かうより短い距離で十分に混合かつ反応を行うことが可能となり、触媒体７の最外周端近傍から排出される燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物も完全に酸化される。その結果、さらに良好な燃焼排ガス特性を有する触媒燃焼装置を提供することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では空気導入多孔体１２の下流面のみに複数の突起状構造１６を設置しているが、触媒体７の下流面のみ、もしくはいずれもの下流面に設置しても良く、触媒体７の下流面における触媒表面積が増加するため、さらに効果の大きい触媒燃焼装置を提供し得るものである。
（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、基本構成は実施の形態２と同じであるが、空気導入多孔体の下流面を含む一部に酸化触媒を担持させた点、また触媒体を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体を通過した空気の混合気が触媒体もしくは空気導入多孔体の少なくとも一方の下流面に接触するように、触媒体と空気導入多孔体を近接配置している点が異なる。したがって、この相違点を中心にして説明する。
【００３１】
図５は本実施の形態の要部断面図である。図５において本実施の形態の動作と特性について説明する。触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した２次空気は、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面の間に対向流を形成して排出される。この燃焼排ガスと２次空気の混合ガスの流れにおいて、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の大部分と、酸素が拡散混合しつつ、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面への接触を繰り返して、触媒体７と空気導入多孔体１２の外周方向へと向かい、最外周端から放出される。ここで、触媒体７の下流面の温度は６００℃以上になっていることから、その温度は、触媒活性に高温を要する天然ガスのような燃料を使用する場合においても、触媒体７の下流面への接触の際に未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物のいずれもが酸化反応が行われるに足る温度に達している。一方、空気導入多孔体１２の下流面の温度は５５０〜７００℃であり、触媒活性に高温を要する天然ガスのような燃料を使用する場合においては、接触の際に未燃焼の燃料ガスを完全に酸化することは困難であるものの、一酸化炭素や中間生成物を酸化させるには十分に足る温度となっている。
【００３２】
このように、触媒体７と空気導入多孔体１２のいずれの下流面にも酸化触媒を担持させることにより、触媒表面積が増加するため、酸化触媒の担持部分に対する混合ガスの接触頻度も高まることから、外周方向に向かうより短い距離で十分に反応を行うことが可能となり、特に一酸化炭素や中間生成物が完全に除去されたさらに良好な燃焼排ガス特性を有する触媒燃焼装置を提供し得るものである。
【００３３】
さらに、触媒体７の下流表面もしくは空気導入多孔体１２の下流表面における燃焼反応により、空気の不足分に対応する燃料の発熱量に相当する熱量が発生するが、このうちの大部分は直接もしくは空気導入多孔体１２の下流面からの放射により触媒体７の加熱に供せられ、仕切り壁の内部における伝導や対向する仕切り壁の間における放射等により上流側に伝えられる。このため、触媒体７に空気過剰率１以上の予混合気を供給する場合と同等以上の高い熱利用効率を有する触媒燃焼装置を提供し得るものである。
【００３４】
なお、本実施の形態では、空気導入多孔体１２の下流面を含む一部に酸化触媒を担持させているが、空気導入多孔体１２の全体に担持させても良く、上記効果を損なうものではない。
（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、基本構成は実施の形態４と同じであるが、空気導入多孔体の少なくとも下流面を含む一部にパラウムを主成分とする酸化触媒を担持させた点が異なる。したがって、この相違点を中心にして説明する。
【００３５】
図６は本実施の形態の要部断面図であり、図７は触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面の間における燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物および酸素の濃度分布を示している。ここで、横軸は触媒体７の下流面から空気導入多孔体１２の下流面に向かう距離を、また縦軸は各成分の濃度を表している。
【００３６】
次に、図６において本実施の形態の動作と特性について説明する。触媒体７を通過した燃焼排ガスと空気導入多孔体１２を通過した２次空気は、触媒体７の下流面と空気導入多孔体１２の下流面の間に対向流を形成して排出される。この燃焼排ガスと追加空気の混合ガスの流れにおいて、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の大部分と、酸素が拡散混合しつつ、触媒体７と空気導入多孔体１２の下流面への接触を繰り返して、触媒体７と空気導入多孔体１２の外周方向へと向かい、最外周端から放出される。ここで、燃焼排ガスに含まれる未燃焼の燃料ガス、一酸化炭素、中間生成物の燃焼成分、および酸素の濃度は図７に示すような分布になっている。すなわち、触媒体７の下流面の近傍においては燃焼成分過剰の状態に、また空気導入多孔体１２の下流面の近傍においては酸素過剰の状態になっている。ところで、白金を主成分とする酸化触媒による未燃焼の燃料ガス等の酸化反応は、酸素濃度の影響を受け易い、すなわち酸素過剰の状態において触媒活性が低下する傾向を有するのに対して、吸着・表面反応・脱離からなる反応機構が異なるため、パラジウムを主成分とする酸化触媒による未燃焼の燃料ガス等の酸化反応は、酸素濃度の影響をほとんど受けず、すなわち酸素過剰の状態においても空気過剰率１近傍とほぼ同等の触媒活性を有する。このように、空気導入多孔体１２の少なくとも下流面を含む一部もしくは全体にパラジウムを主成分とする酸化触媒を担持させることにより、酸素過剰の状態にある空気導入多孔体１２の下流面においても高い触媒活性を維持することが可能であり、さらに良好な燃焼排ガス特性を有する触媒燃焼装置を提供することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、空気導入多孔体１２の下流面を含む一部に酸化触媒を担持させているが、空気導入多孔体１２の全体に担持させても良く、同様の効果が得られるものである。
【００３８】
以上、本発明を配管供給される気体燃料の燃焼装置に実施した例で説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは勿論である。すなわち、以下のような場合も本発明に含まれる。
【００３９】
燃料種としては燃料タンクから供給される気体燃料でも、また灯油のような液体燃料を使用する場合も適用できる。燃料タンクから供給される液化ガス燃料のような高圧供給のガス燃料の場合には、必ずしも送風ファンのような空気供給手段を付加する必要はなく、ノズルとスロートのように燃料ガスの噴出圧力を利用して空気を吸引導入する手段が付加される。また液体燃料を使用する場合には、予混合器の上流で液体燃料を気化させる手段が付加される。
【００４０】
触媒体の担体にはセラミックハニカムを用いているが、予混合気が流通し得る複数の連通孔を有するものであれば、その素材や形状に限定はなく、例えばセラミックや金属の焼結体、金属ハニカムや金属不織布、セラミック繊維の編組体等が利用可能であり、形状も平板に限らず、湾曲形状や筒状あるいは波板状など、素材の加工性と用途に応じて任意に設定し得る。また活性成分としては、白金、パラジウム、ロジウム等の白金属の貴金属が一般的であるが、これらの混合体や他の金属やその酸化物、およびこれらとの混合組成であっても良く、燃料種や使用条件に応じた活性成分の選択が可能である。また空気導入多孔体としては、セラミックハニカムを用いているが、空気が流通し得る複数の連通孔を有し、熱伝導性の良好でないものであれば良く、例えばセラミック繊維の編組体、多孔質焼結体等も利用可能である。
【００４１】
触媒体の上流面に対向する位置には、結晶化ガラスからなる熱線透過窓を設置しているが、熱線を透過するものであれば良く、例えば石英ガラス等も利用可能である。また、熱線透過窓の代わりとして、表面の放射率が高く、熱伝導性の良好な材料により構成される２次放射体もしくは銅パイプ等からなる熱媒体流路を添装した放射受熱体等を設置しても良く、いずれの場合においても上記と同様の効果が得られるものである。
【００４２】
また、点火手段としては電気ヒータを用いた触媒体下流での直接着火方式を用いているが、火炎燃焼を開始させる点火器としては、圧電着火器を用いるのも無電源機器を完成させるに有効な手段である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明にかかる触媒燃焼装置は、燃焼排ガス特性が良好、安全あるいはコンパクトであるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態としての燃焼装置の部分断面構成図である。
【図２】本発明の第２実施の形態としての燃焼装置の要部断面構成図である。
【図３】上記燃焼装置による加熱時の水の昇温特性図である。
【図４】本発明の第３実施の形態としての燃焼装置の要部断面構成図である。
【図５】本発明の第４実施の形態としての燃焼装置の要部断面構成図である。
【図６】本発明の第５実施の形態としての燃焼装置の要部断面構成図である。
【図７】上記燃焼装置の触媒体−空気導入多孔体間の燃焼成分と酸素の濃度分布である。
【符号の説明】
１空気供給ファン
２燃焼用空気流量制御バルブ
３燃料流量制御バルブ
４混合器
５予混合気導入口
６予混合気室
７触媒体
８熱線透過窓
９２次空気流量制御バルブ
１０空気導入口
１１空気室
１２空気導入多孔体
１３点火器
１４燃焼排ガス流路
１５燃焼排ガス排出口
１６突起状構造
２０装置背面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a catalytic combustion apparatus that effectively uses radiant heat rays generated by combustion reaction heat.
[0002]
[Prior art]
In a catalytic combustion apparatus using a catalyst having oxidation activity with respect to a fuel mainly composed of hydrocarbons, many proposals have hitherto been made to effectively use radiant heat rays generated by combustion reaction heat. Among these, only the fuel is supplied to the communication hole of the catalyst body, and the catalytic oxidation reaction is performed by diffusing and supplying oxygen in the atmosphere near the downstream surface of the catalyst body, and heat rays are radiated from the exposed downstream surface of the catalyst body. In addition, a premixed mixture of fuel and air is supplied, and a catalytic oxidation reaction is performed mainly in the vicinity of the upstream surface of the catalyst body, and heat rays are sent from the upstream surface through a heat ray transmission window installed opposite to the upstream surface of the catalyst body. What is radiated is well known.
[0003]
Furthermore, it is known that the heat resistance of the catalyst body is improved by performing an oxidation reaction in a reducing atmosphere using a catalyst body carrying an oxidation catalyst mainly composed of platinum (Japanese Patent Application No. 10-101). 157555). Therefore, after supplying a premixed gas having an air excess ratio of 1 or less and causing a catalytic oxidation reaction in the vicinity of the upstream surface of the catalyst body, the total air excess ratio is 1 in the combustion exhaust gas flow channel installed downstream of the catalyst body. As described above, there has been proposed a method in which air is additionally supplied so that an unburned fuel gas, carbon monoxide, and an intermediate product contained in combustion exhaust gas are contact-oxidized in the auxiliary catalyst body.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Of the above-mentioned conventional catalytic combustion apparatus, only the fuel is supplied to the communication hole of the catalyst body, and oxygen in the atmosphere is diffused and supplied in the vicinity of the downstream surface of the catalyst body to cause a catalytic oxidation reaction. In the case of emitting heat rays from the downstream surface of the catalyst body exposed from the downstream surface, a part of the heat generated in the reaction near the downstream surface of the catalyst body is transferred to the upstream side of the catalyst body by radiation or conduction. However, a part of the heat is recovered by the fuel passing through the communication hole of the catalyst body, and is returned to the downstream side again. For this reason, it is possible to reduce the temperature of the upstream surface of the catalyst body and the back surface of the combustion device facing the upstream surface. However, since oxygen in the atmosphere is diffusely supplied, it is difficult to supply an oxygen amount sufficient to achieve an excess air ratio of 1 or more and to sufficiently mix fuel and oxygen before the oxidation reaction. Therefore, there is a problem that unburned fuel gas, carbon monoxide and intermediate products are likely to be generated, and combustion exhaust gas characteristics are not good. In addition to the low combustion rate, the heat retained in the combustion exhaust gas generated in the combustion reaction is exhausted without being recovered or secondarily used, so the heat utilization efficiency tends to be low. There was a problem that there was.
[0005]
On the other hand, a premixed mixture of fuel and air is supplied, the catalytic oxidation reaction is performed mainly in the vicinity of the upstream surface of the catalyst body, and the heat rays are radiated from the upstream surface through a heat ray transmission window disposed opposite to the upstream surface of the catalyst body. In addition to the transmission of the heat generated in the reaction near the upstream surface of the catalyst body to the downstream side of the catalyst body by radiation and conduction, high-temperature combustion exhaust gas passes through the communication hole of the catalyst body. In order to heat the downstream side, for example, under combustion conditions in which the temperature of the upstream surface of the catalyst body is 800 ° C. or higher, the temperature of the downstream surface is raised to about 500 to 600 ° C. and radiates to the upstream side of the catalyst body. Heat rays of about 30 to 40% of the amount of heat generated are radiated from the downstream surface of the catalyst body. For this reason, the back surface of the combustion device facing the downstream surface of the catalyst body becomes high temperature, and in order to ensure safety, it is necessary to overlap the heat insulating layer and the heat dissipation layer, and there is a problem that the device is enlarged. .
[0006]
Further, in the case of similarly emitting heat rays from the upstream surface, a premixed gas having an excess air ratio of 1 or less is supplied, and after the catalytic oxidation reaction is performed in the vicinity of the upstream surface of the catalyst body, it is installed downstream of the catalyst body. In the combustion exhaust gas flow path, air is additionally supplied so that the total excess air ratio becomes 1 or more, and the uncatalyzed fuel gas, carbon monoxide and intermediate products contained in the combustion exhaust gas in the auxiliary catalyst body are contact-oxidized. In the case of the reaction, it is necessary to sufficiently mix the unburned fuel gas, carbon monoxide and intermediate products contained in the combustion exhaust gas, and the additionally supplied air before the oxidation reaction in the auxiliary catalyst body. . When the flow path from the additional air supply position to the auxiliary catalyst body is long, sufficient mixing is possible, but the catalyst body and the auxiliary catalyst body are separated and installed, and the auxiliary catalyst body is touched. Since it becomes difficult to receive radiant heat from the medium, the temperature of the auxiliary catalyst body tends to decrease. For this reason, carbon monoxide and intermediate products that are easily oxidized at relatively low temperatures are oxidized, but particularly when using a fuel that requires a high temperature of 600 ° C. or higher, such as natural gas. There is a problem that unburned fuel gas is easily discharged. On the other hand, in order to shorten the combustion exhaust gas flow path, a means for promoting mixing, such as installing a baffle plate, is required, which causes a problem that the configuration of the combustion exhaust gas flow path becomes complicated. Further, since the combustion reaction is performed at an excess air ratio of 1 or less, the rate of reaction near the upstream surface of the catalyst body is reduced, and some fuel reacts on the downstream side of the catalyst body, and the reaction heat is discharged as it is. For this reason, there is a problem that the utilization efficiency of the radiant heat from the upstream surface of the catalyst body is also lowered.
[0007]
An object of the present invention is to provide a safe and compact catalytic combustion apparatus having good combustion exhaust gas characteristics in consideration of the problems of the conventional catalytic combustion apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A catalytic combustion apparatus according to the present invention includes a catalyst body in which an oxidation catalyst is supported on a base material having a plurality of communication holes, and an air introduction porous body made of a heat non-defective conductor having a plurality of communication holes. Since a part of the radiant heat from the downstream surface of the catalyst body is recirculated to the catalyst body again by radiation from the downstream surface of the air introduction porous body, the upstream of the catalyst body It is possible to realize a combustion apparatus with high utilization efficiency of radiant heat from the surface. Further, since direct heating due to radiation from the downstream surface of the catalyst body and contact with the combustion exhaust gas is suppressed, it is possible to realize a low temperature on the back surface of the combustion apparatus. Therefore, it is possible to provide a highly safe combustion apparatus that does not cause a burn or the like. Moreover, the compact combustion apparatus with a thin back part of the combustion apparatus can be provided. Furthermore, it is also possible to realize a combustion apparatus with high heat utilization efficiency by using in combination the radiant heat from the upstream surface of the catalyst body and warm air at an appropriate temperature level obtained by mixing combustion exhaust gas and secondary air.
[0009]
In addition, a catalyst body supporting an oxidation catalyst mainly composed of platinum is installed, and the excess air ratio of the premixed gas to be supplied is set to 1 or less and the total excess air ratio including the secondary air is set to 1 or more. The combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body and the secondary air that has passed through the porous air body are mixed, and then both are arranged close to each other so as to contact the downstream surface of the catalyst body. Combustion apparatus having good combustion exhaust gas characteristics without installing a complicated combustion exhaust gas passage having an auxiliary catalyst body for oxidizing the fuel gas, carbon monoxide, etc., and a baffle plate for promoting mixing, etc. Can be realized. In addition, unburned fuel gas, carbon monoxide, and the like contained in the combustion exhaust gas are almost completely oxidized between the catalyst body and the downstream surface of the air introduction porous body. It is possible to provide a highly safe combustion apparatus that does not cause a problem even when leakage occurs. Furthermore, most of the reaction heat generated on the downstream surface of the catalyst body is transmitted to the upstream side by conduction, radiation, etc., so that it is possible to realize a combustion apparatus with high utilization efficiency of the radiant heat from the upstream surface of the catalyst body. Is.
[0010]
Furthermore, the structure having a plurality of protruding structures on at least one downstream surface, the oxidation catalyst is supported on a part including at least the downstream surface of the air introduction porous body, and the combustion exhaust gas and the air porous body that have passed through the catalyst body After the air that has passed through is mixed, a configuration in which both are arranged close to each other so as to contact at least one downstream surface, and an oxidation catalyst that is supported on the air-introducing porous material contains palladium, so that combustion exhaust gas and Diffusion mixing of air is promoted, and the contact frequency of the mixed gas to the catalyst surface on the downstream surface of the catalyst body or air-introducing porous body is increased, so that combustion exhaust gas can be exhausted indoors. It is possible to realize a very safe combustion apparatus having characteristics.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0012]
In carrying out the present invention, a catalyst body having a plurality of communication holes and having an oxidation activity to various fuels, a heat-resistant heat ray transmitting material, an air introduction porous body made of a heat non-defective conductor having a plurality of communication holes, etc. In addition, an ignition device, a flow rate control device, a fuel and air mixer, or a liquid fuel vaporizer, a temperature detection device, a driving device, and the like are required. As the catalyst body, a metal or ceramic honeycomb carrier, a ceramic fiber braided body, a porous sintered body, etc., carrying an active component mainly composed of a noble metal such as platinum or palladium, and a heat resistant For example, quartz glass or crystallized glass can be used as the heat-transmitting material. As the air-introducing porous body, a ceramic honeycomb structure, a ceramic fiber braided body, a porous sintered body, or the like can be used. Further, a manual needle valve, an electric solenoid valve or the like is used to control the flow rate of air or gaseous fuel, and an electromagnetic pump or the like is used in the case of liquid fuel. The other drive parts can be operated by manual lever operation, automatic motor drive, and the like, and an electric heater, a discharge igniter, or the like can be used as the ignition device. These are all means that have been widely used in the past, and other known means are also possible. Here, description of those details is omitted.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a partial sectional configuration diagram of an embodiment of a catalytic combustion apparatus according to the present invention. In FIG. 1, 1 is an air supply fan, 2 is a combustion air flow rate control valve, 3 is a fuel flow rate control valve, 4 is a fuel / air mixer, 5 is a premixed gas inlet, 6 is a premixed gas chamber, Reference numeral 7 denotes a catalyst body in which a white noble metal is supported on a ceramic honeycomb having a plurality of communication holes. Reference numeral 8 denotes a heat ray transmitting window made of crystallized glass, and is installed at a position facing the upstream surface of the catalyst body 7. Further, 9 is a secondary air flow rate control valve, 10 is an air introduction port, 11 is an air chamber, and 12 is an air introduction porous body made of a ceramic honeycomb, and is installed so that the downstream surface of the catalyst body 7 faces each other. ing. Further, 13 is an igniter made of an electric heater, 14 is a combustion exhaust gas passage, and 15 is a combustion exhaust gas outlet.
[0013]
Next, the operation and characteristics of the present embodiment will be described with reference to FIG. Fuel supplied to the pipe (here, city gas is used) is flow-controlled by the fuel flow control valve 3, supplied by the air supply fan 1, and mixed with air whose flow is controlled by the combustion air flow control valve 2. Mix in vessel 4. Further, the premixed gas is supplied into the premixed gas chamber 6 through the premixed gas inlet 5. On the other hand, the air whose flow rate is controlled by the secondary air flow rate control valve 8 is supplied into the air chamber 11 through the air inlet 10.
[0014]
In the early stage of combustion, the premixed gas that has reached the combustion exhaust gas flow path 14 through the communication hole of the catalyst body 7 is ignited by energization of the igniter 13. In the catalyst body 7 heated by the formed flame, the temperature in the vicinity of the downstream surface is first raised and catalytic combustion is started here, and the upstream side is further heated by the combustion heat. It shifts to catalytic combustion near the surface and becomes steady combustion.
[0015]
In steady combustion, a catalytic oxidation reaction is mainly performed near the upstream surface of the catalyst body 7. Here, by adjusting the supply amount with the fuel flow rate control valve 3, the temperature of the upstream surface has a good combustion exhaust gas characteristic, and is controlled to 800 ° C. or higher where combustion can be continued and 900 ° C. or lower which is a heat resistance limit. Is done. At this time, an amount of heat corresponding to 50 to 60% of the calorific value of the supplied fuel is radiated upstream of the catalyst body 7. Further, part of the heat generated by this reaction is mainly due to conduction in the flow direction inside the walls partitioning the communication holes of the ceramic honeycomb constituting the catalyst body 7 and radiation between the opposing partition walls. 7 to the downstream surface. Further, when the high-temperature combustion exhaust gas generated at the reaction position near the upstream surface of the catalyst body 7 passes through these communication holes, the downstream surface is heated. For this reason, the temperature of the downstream surface of the catalyst body 7 reaches 500 to 600 ° C., and the amount of heat corresponding to 30 to 40% of the amount of heat radiated upstream is also radiated to the downstream side of the catalyst body 7.
[0016]
Here, the downstream surface of the air introduction porous body 12 made of a ceramic honeycomb, which is installed so that the downstream surfaces of the catalyst body 7 and each other face each other, is emitted from the downstream surface of the catalyst body 7 or from the catalyst body 7. Heat is received by contact with the exhaust gas at 500 to 600 ° C. discharged. A part of this heat is transmitted to the upstream side of the air-introducing porous body 12 by conduction inside the walls partitioning the communication holes of the ceramic honeycomb constituting the air-introducing porous body 12 and radiation between the opposing partition walls. The A part of them is heat-recovered by the air passing through the communication hole of the air-introducing porous body 12, and is returned to the downstream side again. For this reason, the temperature of the upstream surface of the air introduction porous body 12 is 100 to 150 ° C., and the temperature of the downstream surface is 400 to 500 ° C. At this time, the amount of heat corresponding to about 50% of the amount of heat radiated downstream of the catalyst body 7 is returned to the catalyst body 7 by radiation from the downstream surface of the air introduction porous body 12. Due to the heat recirculation effect, when the amount of heat radiated from the upstream surface of the catalyst body 7 is constant, the amount of fuel supplied (combustion amount) is set to be equal to that when the catalyst body 7 is installed alone and burned. In comparison, it can be reduced by about 10%. From this, it is possible to provide a catalytic combustion apparatus with high utilization efficiency of the radiant heat rays emitted from the upstream surface of the catalyst body 7.
[0017]
Moreover, in the combustion apparatus of this Embodiment, the temperature of the back surface 20 of the combustion apparatus facing an upstream surface could suppress the maximum temperature to 80 degrees C or less and an average temperature to 65 degreeC.
[0018]
As described above, the air introduction porous body 12 is installed so that the radiation from the downstream surface of the catalyst body 7 and the contact with the combustion exhaust gas are not directly received at the back surface 20 of the combustion device. It is possible to achieve a low temperature. Furthermore, since safety can be ensured by installing only the air introduction porous body 12 and the air chamber 11, a compact combustion apparatus having a thin back surface portion can be realized.
[0019]
Further, by adjusting the supply amount with the secondary air flow rate control valve 9, the temperature of the mixed gas of the combustion exhaust gas discharged from the catalyst body 7 and the air passing through the air introduction porous body 12 is controlled, and this mixed gas Is discharged to the outside from the combustion exhaust gas outlet 15 and is used as warm air, so that heating with high heat utilization efficiency using both radiant heat from the upstream surface of the catalyst body 7 and warm air at an appropriate temperature level is used. It is also possible to provide equipment.
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present invention will be described. This embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment, but the catalyst body carries an oxidation catalyst mainly composed of platinum, and the igniter 13 is arranged upstream of the catalyst body 7. The excess air ratio of the premixed gas supplied to the catalyst body is 1 or less, and the mixture of combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body and air that has passed through the air introduction porous body is the catalyst body. The difference is that the catalyst body and the air-introducing porous body are arranged close to each other so as to contact the downstream surface. Therefore, this difference will be mainly described.
[0020]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of the present embodiment. The operation and characteristics of this embodiment will be described with reference to FIG. Fuel supplied to the pipe (here, city gas is used) is flow-controlled by the fuel flow control valve 3, supplied by the air supply fan 1, and mixed with air whose flow is controlled by the combustion air flow control valve 2. Mix in vessel 4. Here, the flow rate is controlled so that the excess air ratio of the premixed gas is 1 or less. Further, the premixed gas is supplied into the premixed gas chamber 6 through the premixed gas inlet 5.
[0021]
On the other hand, the air whose flow rate is controlled by the secondary air flow rate control valve 9 is supplied into the air chamber 11 through the air inlet 10. Here, the flow rate is controlled so that the total excess air ratio of the premixed air including the additionally supplied air becomes 1 or more. Further, the distance between the catalyst body 7 and the air introduction porous body 12 is 5 mm or less so that the mixture of the combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body 7 and the air that has passed through the air introduction porous body 12 contacts the downstream surface of the catalyst body 7. Is located close to and opposite.
[0022]
In the early stage of combustion, a premixed gas with an excess air ratio of 1 or more is intentionally sent from the premixed gas inlet 5 and ignited by energizing the igniter 13, and a flame is formed at the premixed gas inlet 5. In the catalyst body 7 heated by the flame, the temperature in the vicinity of the upstream surface is first raised. Here, when the temperature of the upstream surface of the catalyst body 7 rises to 600 ° C. or higher and red heat is started, the fuel flow control valve 3 is once closed to stop the fuel supply and extinguish the flame. .
[0023]
Thereafter, the fuel flow control valve 3 is opened again, and when the fuel supply is started with the excess air ratio of the premixed gas being 1 or less, catalytic combustion is started from the vicinity of the upstream surface of the catalyst body 7 and eventually steady combustion is performed. To.
[0024]
In steady combustion, a catalytic oxidation reaction in a reducing atmosphere is performed mainly near the upstream surface of the catalyst body 7. Here, by performing an oxidation reaction in a reducing atmosphere using the catalyst body 7 supporting an oxidation catalyst mainly composed of platinum, the temperature of the heat resistance limit can be increased to 1050 ° C. (Japanese Patent Application) Hei 10-157555). For this reason, the temperature of the upstream surface is controlled to 900 to 1050 ° C. by adjusting the supply amount with the fuel flow control valve 3. At this time, the temperature of the downstream surface of the catalyst body 7 reaches 600 to 750 ° C.
[0025]
On the other hand, the combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body 7 and the secondary air that has passed through the air introduction porous body 12 are discharged while forming a counterflow between the downstream surface of the catalyst body 7 and the downstream surface of the air introduction porous body 12. The In the flow of the mixture of the combustion exhaust gas and the secondary air, the unburned fuel gas, the carbon monoxide, the intermediate product contained in the combustion exhaust gas, most of the intermediate product, and oxygen are diffusely mixed and the downstream surface of the catalyst body 7 And the contact with the downstream surface of the air-introducing porous body 12 are repeated, the catalyst body 7 and the air-introducing porous body 12 are directed toward the outer peripheral direction and discharged from the outermost peripheral end. Here, since the temperature of the downstream surface of the catalyst body 7 is 600 ° C. or higher, contact with the downstream surface of the catalyst body 7 even when using a fuel such as natural gas that requires a high temperature for the catalyst activity. In this case, all of such unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate products have reached a temperature sufficient for the oxidation reaction to occur, and the combustion exhausted in the combustion apparatus of the present embodiment. It was confirmed that the carbon monoxide concentration in the exhaust gas was several tens of ppm or less. Thus, by adopting a simple configuration in which the catalyst body 7 and the air-introducing porous body 12 are placed close to each other and facing each other, good combustion exhaust gas characteristics can be realized with a simple structure. That is, an auxiliary catalyst body for performing an oxidation reaction of unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate products separately contained in the combustion exhaust gas, a baffle plate for promoting the mixing of the combustion exhaust gas and the secondary air, etc. It is no longer necessary to have Further, the unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate products contained in the combustion exhaust gas become almost completely carbon dioxide and water vapor between the downstream surface of the catalyst body 7 and the downstream surface of the air introduction porous body 12. Therefore, there is no problem even if the flue gas leaks in the middle of the flue gas passage 14 formed downstream thereof.
[0026]
As described above, the combustion reaction at the downstream surface of the catalyst body 7 generates a heat amount corresponding to the calorific value of the fuel corresponding to the shortage of air (for example, 30% of the supply amount when the excess air ratio is 0.7). Most of them are directly subjected to heating of the catalyst body 7 and transmitted to the upstream side by conduction in the partition walls, radiation between the facing partition walls, or the like. Therefore, it is possible to provide a catalytic combustion apparatus having a high heat utilization efficiency equivalent to or higher than that when a premixed gas having an excess air ratio of 1 or more is supplied to the catalyst body 7. FIG. 3 is a temperature rise characteristic diagram of water when 1.5 L of water placed in an aluminum pan having a weight of 1.3 kg is heated using the combustion apparatus of the present embodiment. From this temperature rise characteristic, the heating efficiency was 66%, and the radiation efficiency was 50% or more, and a very high heat utilization efficiency more than twice that of the flame combustion system was obtained.
[0027]
In the present embodiment, the temperature near the upstream surface of the catalyst body 7 is raised by the flame formed on the upstream side of the catalyst body 7, and then the supply of fuel is once stopped to extinguish the flame, and the fuel is supplied again. Is adopted, and a method of shifting to catalytic combustion is employed, but a space sufficient to form a flame is provided in the vicinity of the central portion between the downstream surface of the catalyst body 7 and the air introduction porous body 12. Then, a part of the vicinity of the downstream surface of the catalyst body 7 is heated by the flame formed here to start catalytic combustion, and the upstream side and the outer peripheral side are heated by the combustion heat. A method of shifting to catalytic combustion may be adopted, and the same effect can be obtained.
(Embodiment 3)
A third embodiment of the present invention will be described. This embodiment has the same basic configuration as that of the second embodiment, except that a plurality of protruding structures are provided on the downstream surface of the air-introducing porous body. Therefore, this difference will be mainly described.
[0028]
FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part of the present embodiment. Here, 16 is a plurality of projecting structures installed on the downstream surface of the air-introducing porous body 12.
[0029]
Next, the operation and characteristics of the present embodiment will be described with reference to FIG. The combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body 7 and the secondary air that has passed through the air introduction porous body 12 form a counter flow between the catalyst body 7 and the downstream surface of the air introduction porous body 12 and are discharged. In the flow of the mixed gas of the combustion exhaust gas and the secondary air, the catalyst body 7 and the air are diffused and mixed while most of the unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate products contained in the combustion exhaust gas and oxygen. The contact with the downstream surface of the introduction porous body 12 is repeated and it goes to the outer peripheral direction of the catalyst body 7 and the air introduction porous body 12. At this time, the plurality of projecting structures 16 are perpendicular to the outer peripheral direction, that is, the catalyst body. 7 or a flow toward the downstream surface of the air-introducing porous body 12 is formed. As a result, the turbulence of the flow generated thereby promotes diffusion mixing of unburned fuel gas, carbon monoxide, intermediate products, and secondary air contained in the combustion exhaust gas. Furthermore, since the contact frequency of the mixed gas with the downstream surface of the catalyst body 7 is also increased, it is possible to sufficiently mix and react at a shorter distance in the outer circumferential direction, and the catalyst body 7 is discharged from the vicinity of the outermost peripheral edge. Unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate products contained in the combustion exhaust gas are also completely oxidized. As a result, a catalytic combustion apparatus having even better combustion exhaust gas characteristics can be provided.
[0030]
In the present embodiment, the plurality of protruding structures 16 are provided only on the downstream surface of the air-introducing porous body 12, but may be provided only on the downstream surface of the catalyst body 7 or on any downstream surface. Since the surface area of the catalyst on the downstream surface of the catalyst body 7 is increased, a catalytic combustion apparatus that is even more effective can be provided.
(Embodiment 4)
A fourth embodiment of the present invention will be described. This embodiment has the same basic configuration as that of the second embodiment, except that the oxidation catalyst is supported on a part including the downstream surface of the air-introducing porous body, and the combustion exhaust gas and air introduced through the catalyst body. The difference is that the catalyst body and the air introduction porous body are arranged close to each other so that the air-fuel mixture that has passed through the porous body contacts at least one downstream surface of the catalyst body or the air introduction porous body. Therefore, this difference will be mainly described.
[0031]
FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part of the present embodiment. The operation and characteristics of this embodiment will be described with reference to FIG. The combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body 7 and the secondary air that has passed through the air introduction porous body 12 are discharged while forming a counterflow between the downstream surface of the catalyst body 7 and the downstream surface of the air introduction porous body 12. In the flow of the mixed gas of the combustion exhaust gas and the secondary air, the catalyst body 7 and air are introduced while oxygen is diffusely mixed with most of unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate products contained in the combustion exhaust gas. The contact with the downstream surface of the porous body 12 is repeated, and the catalyst body 7 and the air-introducing porous body 12 are directed to the outer peripheral direction and discharged from the outermost peripheral end. Here, since the temperature of the downstream surface of the catalyst body 7 is 600 ° C. or more, the temperature is downstream of the catalyst body 7 even when a fuel such as natural gas that requires high temperature for catalytic activity is used. In contact with the surface, all of the unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate products reach a temperature sufficient for the oxidation reaction to occur. On the other hand, the temperature of the downstream surface of the air-introducing porous body 12 is 550 to 700 ° C. When using a fuel such as natural gas that requires a high temperature for catalytic activity, unburned fuel gas is completely removed at the time of contact. Although it is difficult to oxidize carbon monoxide and intermediate products, the temperature is sufficient to oxidize carbon monoxide and intermediate products.
[0032]
As described above, since the surface area of the catalyst is increased by supporting the oxidation catalyst on both the downstream surfaces of the catalyst body 7 and the air introduction porous body 12, the contact frequency of the mixed gas with respect to the oxidation catalyst support portion is also increased. It is possible to sufficiently perform the reaction at a shorter distance toward the outer circumferential direction, and in particular, it is possible to provide a catalytic combustion apparatus having even better combustion exhaust gas characteristics in which carbon monoxide and intermediate products are completely removed. is there.
[0033]
Further, the combustion reaction on the downstream surface of the catalyst body 7 or the downstream surface of the air-introducing porous body 12 generates a heat amount corresponding to the calorific value of the fuel corresponding to the shortage of air, most of which is directly or The catalyst 7 is heated by radiation from the downstream surface of the air-introducing porous body 12, and is transmitted upstream by conduction in the partition walls or radiation between the opposing partition walls. Therefore, it is possible to provide a catalytic combustion apparatus having a high heat utilization efficiency equivalent to or higher than that when a premixed gas having an excess air ratio of 1 or more is supplied to the catalyst body 7.
[0034]
In this embodiment, the oxidation catalyst is supported on a part including the downstream surface of the air-introducing porous body 12. However, the oxidation catalyst may be supported on the entire air-introducing porous body 12, and the above effect is not impaired. Absent.
(Embodiment 5)
A fifth embodiment of the present invention will be described. This embodiment has the same basic configuration as that of the fourth embodiment, but is different in that an oxidation catalyst mainly composed of palladium is supported on a part including at least the downstream surface of the air introduction porous body. Therefore, this difference will be mainly described.
[0035]
FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part of the present embodiment, and FIG. 7 is an unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate product contained in the combustion exhaust gas between the catalyst body 7 and the downstream surface of the air-introducing porous body 12. The concentration distribution of the product and oxygen is shown. Here, the horizontal axis represents the distance from the downstream surface of the catalyst body 7 to the downstream surface of the air-introducing porous body 12, and the vertical axis represents the concentration of each component.
[0036]
Next, the operation and characteristics of the present embodiment will be described with reference to FIG. The combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body 7 and the secondary air that has passed through the air introduction porous body 12 are discharged while forming a counterflow between the downstream surface of the catalyst body 7 and the downstream surface of the air introduction porous body 12. In the flow of the mixed gas of the combustion exhaust gas and additional air, the catalyst body 7 and the air-introducing pore are mixed while oxygen is diffusely mixed with most of unburned fuel gas, carbon monoxide, and intermediate products contained in the combustion exhaust gas. The contact with the downstream surface of the body 12 is repeated, the catalyst body 7 and the air-introducing porous body 12 are directed toward the outer periphery and discharged from the outermost peripheral end. Here, the concentration of unburned fuel gas, carbon monoxide, intermediate product combustion components, and oxygen contained in the combustion exhaust gas has a distribution as shown in FIG. That is, the combustion component is excessive in the vicinity of the downstream surface of the catalyst body 7, and the oxygen is excessive in the vicinity of the downstream surface of the air introduction porous body 12. By the way, the oxidation reaction of unburned fuel gas or the like by the oxidation catalyst mainly composed of platinum is easily influenced by the oxygen concentration, that is, the catalyst activity tends to decrease in an oxygen-excess state.・ Because the reaction mechanism consisting of surface reaction and desorption is different, the oxidation reaction of unburned fuel gas etc. by the oxidation catalyst mainly composed of palladium is hardly affected by the oxygen concentration, that is, even in the oxygen excess state The catalyst activity is almost equivalent to that in the vicinity of an excess air ratio of 1. As described above, by supporting the oxidation catalyst mainly composed of palladium on a part or the whole including at least the downstream surface of the air-introducing porous body 12, even on the downstream surface of the air-introducing porous body 12 in an oxygen-excess state. It is possible to provide a catalytic combustion apparatus that can maintain a high catalytic activity and that has better combustion exhaust gas characteristics.
[0037]
In this embodiment, the oxidation catalyst is supported on a part including the downstream surface of the air-introducing porous body 12, but it may be supported on the entire air-introducing porous body 12, and the same effect can be obtained. Is.
[0038]
As mentioned above, although the example which implemented this invention to the combustion apparatus of the gaseous fuel supplied with piping was described, of course, this invention is not limited to this. That is, the following cases are also included in the present invention.
[0039]
As the fuel type, gas fuel supplied from a fuel tank or liquid fuel such as kerosene can be used. In the case of gas fuel of high pressure supply such as liquefied gas fuel supplied from the fuel tank, it is not always necessary to add an air supply means such as a blower fan. A means for sucking and introducing air is added. When liquid fuel is used, means for vaporizing the liquid fuel is added upstream of the premixer.
[0040]
A ceramic honeycomb is used for the carrier of the catalyst body, but as long as it has a plurality of communication holes through which the premixed gas can flow, there is no limitation on the material and shape thereof, for example, a sintered body of ceramic or metal, Metal honeycombs, metal nonwoven fabrics, ceramic fiber braids, etc. can be used, and the shape is not limited to flat plates, but can be arbitrarily set according to the workability and application of the material, such as curved shape, cylindrical shape or corrugated shape . The active component is generally a white noble metal such as platinum, palladium, rhodium, etc., but may be a mixture thereof, other metals or oxides thereof, and a mixed composition thereof. The active ingredient can be selected according to the species and use conditions. Further, as the air-introducing porous body, a ceramic honeycomb is used, but it is sufficient if it has a plurality of communication holes through which air can circulate and has poor thermal conductivity. For example, a braided body of ceramic fibers, a porous body A sintered body or the like can also be used.
[0041]
A heat ray transmitting window made of crystallized glass is provided at a position facing the upstream surface of the catalyst body. However, any material that transmits heat rays may be used. For example, quartz glass or the like can be used. As a substitute for the heat ray transmission window, a secondary heat radiator made of a material having a high surface emissivity and a good thermal conductivity, or a radiation heat receiver fitted with a heat medium flow path made of a copper pipe, etc. In any case, the same effect as described above can be obtained.
[0042]
In addition, a direct ignition system downstream of the catalyst body using an electric heater is used as the ignition means, but as an igniter for starting flame combustion, the use of a piezoelectric igniter is also effective for completing a non-powered device. Means.
[0043]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the catalytic combustion apparatus according to the present invention has the advantages of good combustion exhaust gas characteristics, safety or compactness.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional configuration diagram of a combustion apparatus as a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional configuration diagram of a main part of a combustion apparatus as a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a temperature rise characteristic diagram of water during heating by the combustion apparatus.
FIG. 4 is a cross-sectional configuration diagram of a main part of a combustion apparatus as a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional configuration diagram of a main part of a combustion apparatus as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional configuration diagram of a main part of a combustion apparatus as a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a concentration distribution of combustion components and oxygen between the catalyst body and the air-introducing porous body of the combustion apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Air supply fan
2 Combustion air flow control valve
3 Fuel flow control valve
4 Mixer
5 Premixed gas inlet
6 Premixed air chamber
7 Catalyst body
8 Heat ray transmission window
9 Secondary air flow control valve
10 Air inlet
11 Air chamber
12 Air introduction porous body
13 Igniter
14 Combustion exhaust gas flow path
15 Combustion exhaust gas outlet
16 Protruding structure
20 Rear of device

Claims

A catalytic combustion apparatus having a front surface and a back surface, and introducing and burning a premixed gas composed of fuel and first air and a second air between the front surface and the back surface;
  The front surface is made of a radiant heat transmission body or a heat receiving body,
  Between the front surface and the back surface, a catalyst body is provided facing the front surface, and an air introduction porous body is provided facing the back surface, facing each other,
  The catalyst body has a plurality of communication holes formed in the substrate and carries an oxidation catalyst,
  The air-introduced porous body is a heat non-defective conductor made of ceramic, and has a plurality of communication holes.
  A premixed gas chamber which is a space for introducing the premixed gas between the front surface and the catalyst body;
  An air chamber between the back surface and the air-introducing porous body, which is a space for introducing the second air;
  A catalytic combustion apparatus comprising the catalyst body and a combustion exhaust gas passage for discharging the combustion exhaust gas to the outside between the air introduction porous body.

An oxidation catalyst containing platinum is supported on the catalyst body, and the excess air ratio of the premixed gas introduced into the premixed gas chamber is 1 or less, and all the air added to the air chamber is added. The excess air ratio is 1 or more, and after mixing the combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body and the air that has passed through the air-introducing porous body, the catalyst body and the catalyst body and the downstream surface of the catalyst body are brought into contact with each other. The catalytic combustion apparatus according to claim 1, wherein the porous air body is disposed in close proximity.

The catalytic combustion apparatus according to claim 2, wherein a plurality of projecting structures are formed on a downstream surface of at least one of the catalyst body and the air introduction porous body.

The oxidation catalyst is supported on a part including at least the downstream surface of the air introduction porous body, and after the combustion exhaust gas that has passed through the catalyst body and the air that has passed through the air porous body are mixed, the catalyst body or the The catalytic combustion apparatus according to claim 2 or 3, wherein the catalyst body and the air porous body are arranged close to each other so as to be in contact with at least one downstream surface of the air porous body.

5. The catalytic combustion apparatus according to claim 4, wherein the oxidation catalyst supported on the air-introducing porous body contains palladium.