JP3734354B2 - ハイブリッド触媒燃焼装置及び触媒燃焼方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
家庭用室内開放型温風暖房機、コジェネレーション、発電用ガスタービン燃焼器等、高空気比で作動される機器にあっては、高空気比における燃焼安定性の向上によって、大幅な低ＮＯｘ化が図られる可能性がある。一方、これらの機器にあっては、一層の低ＮＯｘ化の要請がある。中でも家庭用室内開放型温風暖房機は、生活空間に直接排気を放出しているので、ＮＯｘ１ｐｐｍ（酸素０％）以下の極限までの低ＮＯｘ化が望まれている。
【０００２】
燃焼流路内に、燃焼触媒を充填した触媒燃焼部とそれに続く気相燃焼部とを設け、断熱理論燃焼温度１５００℃以下（空気比約１．６以上）の燃料と空気の予混合気を、燃焼触媒層で部分的に接触酸化燃焼し、その後流で気相酸化を誘発して完全燃焼させる方式（ハイブリッド触媒燃焼方式と称される）が、超低ＮＯｘ達成手段として提案されている（特公平６−５０６２９０）。
本願は、このようなハイブリッド触媒燃焼技術に関する。
【０００３】
【従来の技術】
このようなハイブリッド触媒燃焼は、触媒層で部分的に燃焼させる手段として、触媒活性物質をメタンに対して最も低温活性が高く、高温で自己反応抑制作用のあるパラジウムを主体とすること、さらに、金属ハニカムを触媒基体として、触媒コート層（セル）とコートしない層（セル）とを隣接させ、触媒酸化による発熱を連接の無触媒層を通過する予混合気と熱交換させ、物理的に過昇温を防止すること等の手段を取ることにより、効果的に達成される。
このような構成を採用することにより、触媒燃焼部内にある触媒層では２０〜７０％が接触酸化され、触媒温度は７００〜１０００℃とされる。このようなハイブリッド触媒燃焼装置の基本構成を、模式的に図６に示した。
【０００４】
触媒温度制御型ハイブリッド触媒燃焼方式の改良として、触媒燃焼部４の下流側の気相燃焼部に、種々の保炎器７０を設けて気相燃焼を安定化させることも既に提案されている（ＵＳＰ５，５１８，６９７）。このような保炎器７０を備えたハイブリッド触媒燃焼装置の基本構成を、模式的に図７に示した。
このような保炎器７０は、基本的には、燃焼流路の中央部に配設され、その径方向外径側にエッジ部７１を備えたものである。従って、このような保炎器７０を備えたものにあっては、図４（ロ）Ｆで示すように、保炎器の周部を通過するガス流が、ガス流路の内側（軸芯側）に位置する保炎器後流部位に再循環され、この部位に燃焼炎が形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ハイブリッド触媒燃焼技術においてＮＯｘの発生は実用上重要な問題であるが、これまで充分な検討が行われていたと言いにくい点もある。
即ち、このようなハイブリッド触媒燃焼においては、触媒燃焼部での発生というよりはガス温度が高温となる気相燃焼部でＮＯｘが発生しやすいが、従来、この気相燃焼部の構造とＮＯｘ発生のメカニズムと相関づけて検討したものはなく、改善の余地があった。
従って、本発明の目的は、ハイブリッド触媒燃焼にあって、発生するＮＯｘの量をできるだけ抑えることができる装置及びその燃焼手法を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による、燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、この燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、その下流側に気相燃焼部を備え、前記触媒燃焼部において燃料の一部を、前記気相燃焼部で燃料の残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼装置の特徴構成は、触媒燃焼部の出口近傍の気相燃焼部入口部位に、燃焼室の周辺から室内側へ突出し、内側に開放流路を形成する邪魔部材を設け、この邪魔部材の下流側に、前記邪魔部材を基端部として燃焼室内壁に沿った流体の再循環領域を形成する構成とすることにある。
【０００７】
この構成を採用すると、邪魔部材の触媒燃焼部後流側への設置によって、ガス流の主流は縮流された状態で邪魔部材の後流側へ流れる。この状態で、邪魔部材の後端内側部位を基端として、その後流位置で燃焼室内壁に沿った再循環流が形成され、流れの停滞部分が生じる。このような再循環領域Ｖを図９（イ）に示した。
この再循環領域では、触媒層から流出した未燃焼成分を含む混合気の滞留時間が長くなり、主流に比べて気相酸化をはるかに進展させることができる。従って、所定部位に火炎が形成されるとともに、その後流部分に火炎が安定する。この場合、火炎は燃焼室内側の周辺部分に薄く形成されるので、火炎から燃焼室を通して外側方向への放熱が大きくなり、火炎温度が平準化されピーク温度が低くなる。本願が問題とするＮＯｘの生成反応は火炎温度に強く依存しているので、上記のように構成することで火炎温度を低下させることが可能となり、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できる。
【０００８】
このように燃焼室の内壁近傍部位に火炎を形成して、この火炎と燃焼室との間の熱交換により火炎温度を低下させ、ＮＯｘを低減することを考える場合、触媒燃焼部の下流側の気相燃焼部を、図８に示すように径方向外側に拡大することも考えられるが、上記構成を取る本発明に比べると気相燃焼部が大きくなり、燃焼器が大きくなるというデメリットがあり得策でない。
【０００９】
本願構成（外閉型；図４（イ））の作用を、中央部分を閉塞した構造の保炎器を設けた場合（内閉型；図４（ロ））と比較してみる。この内閉型の場合、再循環流による流れの停滞部分は燃焼室の中央部分に形成され、火炎はそれを基部として中央部分に集まった形で安定化する。従って、外閉型に比べて火炎の厚みが増し、火炎温度のピークが上昇する。この構成にあたっては、燃焼の安定性は外閉型に比べて優れるが、それにも増してＮＯｘの発生が非常に高くなり、逆にＮＯｘ制御の面ではかなり劣ることとなる。
以上、本願ハイブリッド触媒燃焼装置は、ＮＯｘの生成反応が気相酸化反応に比べてはるかに温度依存性が高いことを利用したものであって、燃焼室内壁近傍に再循環による流れの停滞を生み出す邪魔部材を、火炎のピーク温度が最も下げられる位置に設置して一層の低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００１０】
このような邪魔部材は、燃焼室内壁部から燃焼室の中央方向に延出される平板部材であることが好ましい。このような平板部材は、その内部にある開放流路に縮流部を形成する。さらに、その後端内側部位はエッジとなるため、このエッジ部を基端として、流れが剥離し、再循環領域が、燃焼室内壁に沿って形成され、図４（イ）に示すような火炎を形成できる。結果、低ＮＯｘ燃焼を達成できる。そして、この場合、平板部材を使用することで、最も簡単な構成で本願が目的とする技術的効果を上げることができる。ここで、この平板部材の位置は、触媒燃焼部の後流側、５ｍｍ以上で、気相燃焼部全長の１／１０程度の位置が好ましい。
【００１１】
さて、先に説明した邪魔部材による縮流の程度に関して述べると、邪魔部材の最小流路断面積をＡ０、前記燃焼室の流路断面積をＡ１とした場合に、流路縮小率（Ａ０／Ａ１）が、０．２〜０．７の範囲内とすることが好ましい。
この縮流率が、上記範囲より小さいと、流路の圧力損失が大きくなり過ぎる。一方、上記範囲より大きいと、再循環領域を燃焼室内壁に沿って形成する効果を得にくい。
この場合、邪魔部材のエッジ部から流路断面方向（図４に示す紙面表裏方向）に邪魔部材の後端面が形成されていることが好ましい。
【００１２】
さて、本願の目的は、気相燃焼の火炎を燃焼室内壁に沿って形成し、燃焼室と火炎との熱交換を促し、火炎ピーク温度の低下を図り、ＮＯｘの発生量を抑えることにあるため、燃焼室内壁の温度を低下させる構成を採用するとともに、邪魔部材が有する熱もできるだけ奪うことが好ましい。このような構造を提案するのが以下の構成である。
即ち、触媒燃焼部に導入される燃焼用酸素含有ガスを予熱する酸素含有ガス予熱路を燃焼室の外壁部位に設け、邪魔部材に酸素含有ガス予熱路内を流れるガスとの熱交換部を設けておくのである。
このようにしておくと、燃焼室を冷却することができるとともに、熱交換部を介して邪魔部材の冷却も可能となり、結果的に、本願の目的である低ＮＯｘ化に寄与することができる。
【００１３】
さて、これまで説明してきたハイブリッド触媒燃焼装置は、その燃焼方法として、以下のような手法を採用して、ＮＯｘの発生量を抑えている。
即ち、燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、この燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、その下流側に気相燃焼部を備えたハイブリッド触媒燃焼装置を使用して、触媒燃焼部において燃料の一部を、気相燃焼部で燃料の残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼方法にあって、
触媒燃焼部の出口近傍の気相燃焼部入口部位に、燃焼室の周辺から室内側に突出し、内側に開放状態の流路を形成する邪魔部材を設け、
この邪魔部材を基端として、邪魔部材後流側に燃焼室内壁に沿った再循環領域を形成し、燃焼室内壁より再循環領域内のガスを冷却して燃焼をおこなうこととしている。
このような方法を採用することにより、ハイブリッド触媒燃焼において、従来よりも発生するＮＯｘ量を低下させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本願の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１に本願のハイブリッド触媒燃焼装置１の基本構成を示した。
装置１の概略を説明すると、装置１は、燃焼流路２を内部に形成する燃焼筒３（これは燃焼室を成す）を備え、この燃焼流路２に燃焼触媒からなる触媒燃焼部４を備えるとともに、その下流側に気相燃焼部５を備え、触媒燃焼部４において燃料の一部を、気相燃焼部５で燃料の残部を燃焼する構成とされている。この場合、燃焼室は断面円としているが、燃焼室の断面形状は、楕円形、長方形など種々の形状としてもよい。
そして、触媒燃焼部４の出口近傍の気相燃焼部入口部位に、本願の特徴である邪魔部材６を備えている。ここで、この邪魔部材６は、燃焼室５の周辺から室内側へ突出するとともに後端内側部位がエッジ７として形成されるものであり、その内側に開放流路を形成するものである。即ち、この邪魔部材６の内側には何もない。
さらに具体的には、この邪魔部材６が、燃焼室内壁部から燃焼室中央方向に向かって延出されるリング状平板部材である内開型邪魔板６０として構成されている。この例にあっては、邪魔部材６は燃焼筒と別々に構成されているが、一体で構成される場合も、同じ効果を与えることがいうまでもない。
【００１５】
以下、このような燃焼装置１に関して、その構成、運転状態を、本願の従来技術である内閉型邪魔板を備える場合、所謂、保炎器として働く邪魔板を備えない場合との比較において説明する。
燃焼触媒はＦｅ／Ｃｒ／Ａｌ合金シートを基体として、パラジウムをＺｒＯ₂／ＳｉＯ₂からなる担体を介してその一面にコートしたものを、波型加工して螺旋巻きとして一平方インチ当たり３２０セルを有するように加工したものを用いた。この構成により触媒の流れ方向断面は触媒コートセルとコートなしのセルが交互に重なった構造となる。図１に示す例にあっては、触媒の有効直径を３０ｍｍ、長さを５０ｍｍとした。
【００１６】
次に邪魔部材６に関して説明する。図１に示す例にあっては、図示するように、邪魔部材６は燃焼室内壁部から燃焼室径方向で中央側に延出されるリング状平板部材としての内開型邪魔板６０である。図１に示す例にあっては、この邪魔板６０（図２イ及びロに示すもの）を触媒の後流２０ｍｍの位置に設置した。比較例として、内閉型邪魔板６１（図２ハに示すもの）および邪魔板なしのものも試験した。この邪魔板の実施にあたっては、実施の都合上キャップ形状とした。
【００１７】
気相燃焼部５の触媒下流９０ｍｍの位置に、また触媒入口上流２０ｍｍの位置に、それぞれ気相温度測定用熱電対８を設置した。また、触媒壁温度測定用として触媒コートをしていないセルで、出口から５ｍｍ上流に熱電対９を設置した。
燃焼試験にあたっては、総発熱量１１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ³の天然ガスを燃料として用いた。空気は、間接的に電気ヒータで３６０℃まで予熱し、その後、燃料が均一混合され燃焼装置へ通気燃焼させた。排気ガスは出口にて水冷のサンプリング管１０を経て、吸引ポンプ（図外）によりケミルミネッセンス型ＮＯｘ計（図外）、非分散赤外線吸収型ＣＯ／ＣＯ₂計（図外）、水素炎型ＨＣ計（図外）、磁気式酸素計（図外）へ送られ、所定成分を同時測定した。
【００１８】
図３は各邪魔板６０を用いて、触媒の空筒当たりの線速度を２ｍ／ｓ、触媒入口混合気温度を３６０℃と一定として定常燃焼させたときの、燃料混合気の空気比（実空気対理論空気量比）とＣＯ、ＮＯｘの発生状況を示したものである。比較のために邪魔板なしの場合も示している。
邪魔板なし（図上バッフル（ｂａｆｆｌｅ）無しとして示す）では空気比約１．９２でＣＯが急激に増加し、燃焼限界（この燃焼限界を図上各矢印で示した）を示しており、ＮＯｘの抑制は１．５ｐｐｍ（酸素０％換算）が限界となっている。
一方、本発明の内開型邪魔板６０（図上内開として示す）を用いる場合、２０ｍｍ開（断面積の閉塞率５５％）では燃焼限界が約２．１４、１５ｍｍ開（断面積の閉塞率７５％）では約２．１９に広がり、ＮＯｘ１ｐｐｍ以下を達成する範囲が広くなっている。
さらに、比較のために行った内閉型邪魔板６１（図上内閉として示す）では燃焼限界は約２．３３まで拡がっているが、本発明の場合と同じ空気比で比べるとＮＯｘが非常に高く、１ｐｐｍ以下を達成する範囲は非常に狭くなっている。なお、測定した全ての条件において未燃の炭化水素は検出されなかった。
【００１９】
図４は図１の燃焼室３の保温を外して火炎を目視観察した結果を示す。邪魔板なしの場合（図４ハ）、同じ空気比の条件では炎が燃焼装置からあふれて青炎が観察されなかった。内閉型邪魔板６１（図４ロ）では火炎が中央部に形成され、本発明の内開型邪魔板６０（図４イ）では燃焼室３の周辺部に火炎が形成されるのが観察された。
【００２０】
図５は触媒壁温度と気相燃焼室中央部ガス温度の変化を示している。内閉型邪魔板６１ではガス温度が内開型に比べて２００℃高くなっており、火炎観察結果と良く対応していた。これらの結果から、内開型邪魔板６０では火炎を安定化するとともに、火炎ピーク温度を下げることができ、ＮＯｘの生成を効果的に抑制することが判る。また、触媒燃焼温度は空気比１．９以上で８００〜７５０℃を示し、触媒層では過昇温が防止された触媒による接触酸化燃焼が起こり、その後流で気相酸化燃焼が誘起され、所謂、ハイブリッド燃焼が起こっていることが示されている。
【００２１】
〔別実施の形態例〕
本願の適応にあっては、燃焼触媒として主にパラジウム系触媒を用いて、触媒の後流で気相酸化を誘起できる程度の予混合燃料を通気して、触媒層にて部分的に燃焼させるものである限り、燃焼触媒の仕様には影響されない。この触媒としては、コーディライトセラミックハニカムに触媒活性物質をコートしたもの等も使用できる。
一方、上記の図１に示す構成にあっては、燃焼装置のみの構成を示したが、触媒燃焼部に導入される燃焼用酸素含有ガスを予熱する酸素含有ガス予熱路を、燃焼室の外周部位に設けるとともに、この邪魔部材に酸素含有ガス予熱路内を流れるガスとの熱交換部を設けておいてもよい。このようにしておくことで、火炎のピーク温度を低下させることができる。
上記のように、邪魔部材としてはリング状の平板部材が最も簡便且つ有効であるが、このような部材としては、凹、凸、Ｖ等の断面形状等も取るものも適応できる。邪魔部材の内側後端部位にエッジがあると、この部位から流れが剥離しやすく、再循環領域を形成しやすい。
【００２２】
【発明の効果】
従って、燃焼負荷範囲を広げ、燃焼範囲を拡大向上しながら、ＮＯｘを高度に抑制でき、環境保全のための燃焼装置として応用範囲が拡大される。
さらに、本願技術は低圧から高圧までの燃焼装置に適用することができる。
さらに、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、灯油気化ガスなどに燃料ガスは自由に選択できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の燃焼装置の基本構成を示す図
【図２】検討に使用した各種の邪魔板の形状を示す図
【図３】邪魔板の有無、内開型、内閉型の邪魔板のＣＯ、ＮＯｘ発生状況を示す図
【図４】邪魔板の形状と火炎形状との関係を示す図
【図５】邪魔板の有無、内開型、内閉型の邪魔板の気相温度状況を示す図
【図６】ハイブリッド触媒燃焼の基本概念図
【図７】従来型の内閉型の保炎器を備えたハイブリッド触媒燃焼の基本概念図
【図８】気相燃焼部を拡径構造とする場合の概念図
【図９】本願の内開型の邪魔板を備えた装置に於ける再循環構成及び火炎の形成状態を示す図
【符号の説明】
１ ハイブリッド触媒燃焼装置
２ 燃焼流路
３ 燃焼室
４ 触媒燃焼部
５ 気相燃焼部
６ 邪魔部材
６０ 内開型邪魔板
６１ 内閉型邪魔板
Ｖ 再循環領域

Claims (5)

1. 燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、前記燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、その下流側に気相燃焼部を備え、前記触媒燃焼部において燃料の一部を、前記気相燃焼部で燃料の残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼装置であって、
   前記触媒燃焼部の出口近傍の気相燃焼部入口部位に、前記燃焼室の周辺から室内側へ突出し、内側に開放流路を形成する邪魔部材を設け、前記邪魔部材の下流側に、前記邪魔部材を基端部として燃焼室内壁に沿った流体の再循環領域を形成することを特徴とするハイブリッド触媒燃焼装置。
2. 前記邪魔部材が、燃焼室内壁部から燃焼室の中央方向に延出される平板部材である請求項１記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
3. 前記邪魔部材の最小流路断面積をＡ０、前記燃焼室の流路断面積をＡ１とした場合に、流路縮小率（Ａ０／Ａ１）が、０．２〜０．７の範囲内にある請求項１又は２記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
4. 前記触媒燃焼部に導入される燃焼用酸素含有ガスを予熱する酸素含有ガス予熱路が前記燃焼室の外壁部位に設けられるとともに、前記邪魔部材に前記酸素含有ガス予熱路内を流れるガスとの熱交換部が設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
5. 燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、前記燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、その下流側に気相燃焼部を備えたハイブリッド触媒燃焼装置を使用して、前記触媒燃焼部において燃料の一部を、前記気相燃焼部で燃料の残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼方法であって、
   前記触媒燃焼部の出口近傍の気相燃焼部入口部位に、前記燃焼室の周辺から室内側へ突出し、内側に開放状態の流路を形成する邪魔部材を備え、
   前記邪魔部材を基端として、前記邪魔部材の下流側に燃焼室内壁に沿った再循環領域を形成し、燃焼室内壁より前記再循環領域内のガスを冷却して燃焼をおこなうハイブリッド触媒燃焼方法。

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