JP3793609B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼熱を熱源とする暖房機、給湯機、空調機器等に利用される燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒燃焼装置を有炎燃焼装置と同一の燃焼負荷率（燃焼室体積当たりの燃焼量）で運転すると、触媒体温度が１２００℃以上となり触媒の耐熱寿命が著しく短くなる。この燃焼負荷率の課題を解決する手段として、例えば、図１の特願平７−３１６８８８の一実施例に示すように熱交換型の形式を有する第１触媒燃焼部１と、第１触媒燃焼部１の下流に設けたハニカム触媒体を有する第２触媒燃焼部２で構成される燃焼方式がある。燃料は主に第１触媒燃焼部１で燃焼するので、この下流には火炎が形成できない。そこで希薄燃焼の可能な触媒燃焼を第２触媒燃焼部２で行っている。第１触媒燃焼部１は触媒燃焼の高熱伝達性を利用したもので、受熱フィン３に触媒体４を設けた熱交換型の触媒燃焼部である。冷却経路６の水は第１触媒燃焼部と排熱回収部７で温水となる。熱交換用の受熱フィン３を直接に触媒体４が覆うため、触媒での発熱の受熱フィンへの伝熱速度が高いものとなり、そのため、小型で高効率な熱交換器一体型の燃焼機となる。
【０００３】
この方式で燃焼開始するためには、触媒を反応温度以上にあらかじめ加熱しなければならない。この燃焼開始方式として、触媒燃焼の開始前に火炎を形成する方法、あるいは図１に示す電気ヒータ５で触媒燃焼の開始前に第１触媒燃焼部１と第２触媒燃焼部２を予熱する方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しょうとする課題】
しかし、このような従来の装置には次の２点の課題がある。
【０００５】
１．燃焼開始に関して、電気ヒータで触媒を活性化温度に加熱した後に燃料を供給する方法が従来例に記載されている。この従来例では電気ヒータが第１触媒体、第１触媒体の熱交換部、第２触媒体を全部加熱しているため、触媒を予熱するための電力が大きい課題があった。また、火炎で予熱する方法も記載されているが、この方法は電力は少ないものの、火炎の生成する排気にＮＯｘが含まれる課題があった。
【０００７】
２．燃焼調節幅に関して、従来例では極めて低い低燃焼量とした時に第１触媒体が低温化して反応が停止すると、再びここでの燃焼を再開できなかった。このため、ＴＤＲが十分に広くならなかった。
【０００８】
本発明は、このような従来の触媒燃焼装置の課題を考慮し、１．燃焼開始に関して、触媒を予熱するための電力の削減が可能、２．広い燃焼量調節幅が可能となる触媒燃焼装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記１〜２の課題を解決する主なる手段は下記の通りである。
【００１０】
課題１．の燃焼開始に関しては、燃料供給部と、燃焼用空気を供給する送風機と、燃料と燃焼用空気の混合部と、前記混合部下流に設けた第１触媒体と、第１触媒体に隣接する第１受熱部と、第１触媒体の流れ方向の下流に設けた第 1 触媒体よりも幾何学的表面積が大きい第２触媒体と、第２触媒体下流に設けた触媒加熱用の電気ヒータと、電気ヒータの下流に設けた通気性保温体と、通気性保温体の下流に設けた第２受熱部を設けたもので、燃焼開始時に電気ヒータに通電して第２触媒体を触媒の反応温度以上に加熱した後に、燃料と空気の混合気の供給を行って第２触媒体で触媒燃焼を開始し、第２触媒体の燃焼熱で第１触媒体の流れ方向の下流部を触媒の反応温度以上に加熱して前記第１触媒体で燃焼を開始する手段を用いた。
【００１１】
すなわち、従来例では電気ヒータが第１触媒体、第１触媒体の第１受熱部、第２触媒体を全部加熱していたのに対して、本発明では、電気ヒータは第２触媒体と通気性保温体のみを加熱するため、ここの温度上昇は低い電力で可能である。さらに第２触媒体と通気性保温体はセラミックスを用いると熱伝導が低く、熱を電気ヒータに面する所のみ局所的に昇温し、低い電力での予熱が可能である特徴も持つ。このような構成で第２触媒体を低電力で加熱した後に、燃焼開始すると第２触媒体のみで反応が開始する。この反応熱が第２触媒体の上流に伝わると、ここからの放射熱で第１触媒体の下流端が昇温して反応を開始する。
【００１２】
このような方法をさらに、進歩させるために第１受熱部より第１触媒体の下流端を第２触媒体に向かって突出させる方法がある。第２触媒体の熱が第１触媒体に効果的に伝熱し、かつ伝熱した熱が第１受熱部にとられないため、第１触媒体の温度上昇は速く、定常状態に速く達する。
【００１３】
課題２.燃焼調節幅に関して、燃料供給部と、燃焼用空気を供給する送風部と、燃料と燃焼用空気の混合部と、前記混合部下流に設けた第１触媒体と、前記第１触媒体に隣接する受熱部と、前記第１触媒体の流れ方向の下流に隣接して設けた前記第１触媒体よりも幾何学的表面積が大きい第２触媒体を有するもので、高燃焼量時は前記第１触媒体で主に燃焼し、低燃焼量時は前記第２触媒体で主に燃焼する手段とした。
【００１４】
この構成では、低燃焼量時に、第１触媒体は低温化し反応しないが、第２触媒体で全燃料が反応している。このため低燃焼量でも第２触媒体の温度は反応温度が維持できる。ふたたび、高燃焼量としたときに第２触媒体の上流の放射熱で隣接する第１触媒体の温度が上昇して第１触媒体が反応を再開する。このように、２つの異なる構成の触媒を用いて、燃焼量に応じて主燃焼位置を変えることにより、大幅な燃焼量調節が可能となる。
【００１５】
【本発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明の一実施の形態の構成をその動作とともに、図２を参照して説明する。燃料供給部１から供給される灯油・ガソリン等の液体燃料が気化ヒータ２と気化室３を有する気化部４に送られる。気化室３から噴出した気化ガスは、送風機５から送られる燃焼用空気と混合部６で混合する。混合部６の下流には放射状に開口する噴出口７がノズル８のテーパ面に設けられている。ノズル８は燃焼室９に突出している。気化部４の燃焼室９に面する部分に、触媒を担持した気化熱の熱回収部１０が設けられている。燃焼室９の燃焼室上流壁１１の内面には輻射率の高い皮膜処理が施されている。燃料が天然ガス等のガス燃料の場合は気化室３は不要で、燃料を直接混合部６に供給すればよい。
【００１７】
燃焼室９には、第１触媒体１２と第２触媒体１３と第３触媒体１４の３つの触媒体が設けられている。図３に第１触媒体１２とフィンタイプの第１受熱部１５の組み合わせの詳細図を示す。第１触媒体１２は２４枚の薄板フィンである第１受熱部１５に隙間を介して設けられ、第１受熱部１５間には２枚の第１触媒体１２が設けられている。第１受熱部１５と触媒体１２のあいだの隙間および触媒体１２同士の隙間は触媒体１２に設けた突起等（図示せず）で一定に保たれている。
【００１８】
第１受熱部１５は厚さ０．５ｍｍ、幅１２０ｍｍ、流れ方向長さ３０ｍｍの耐食処理を施した銅板で、冷却経路１６に半田付けされている。第１触媒体１２は厚さ０．４ｍｍの耐熱鉄合金の表面にγアルミナをコートして、白金やパラジュウムのような白金族金属触媒を担持したものである。第１触媒体１２の下流側には冷却経路１６に挿入するための切り欠き部１７が設けられている。切り欠き部１７には補助触媒１８が設けられている。補助触媒１８は耐熱鉄合金の薄板を多数接続して一体化した物でも、ハニカムの細長い形状でも良い。第１触媒体１２の上流端は第１受熱部１５より５ｍｍ、下流端は１５ｍｍ突出している（図３の数参照）。
【００１９】
図４に第２触媒体１３と第３触媒体１４の詳細図を示す。ハニカム構造の第２触媒体１３は第１触媒体１２よりも幾何学的表面積が大きい３００セル／平方インチのハニカム構造である。流れ方向厚さは１５ｍｍである。ハニカム担体はコーディエライトやアルミン酸石灰を成形したもので、白金族金属触媒およびγアルミナが担持体として担持されている。ハニカム孔は一辺０．６ｍｍ角の正方形である。第２触媒体１３と第３触媒体１４の間にシーズタイプの電気ヒータ１９が設けられている。
【００２０】
第３触媒体１４は基本的には予熱時に電気ヒータ１９の熱を保温するものであるので、触媒が担持してないハニカム（通気性保温体）でも良い。しかし、第３触媒体１４に触媒を担持すると後述のように、予備燃焼時の燃焼量を大きくできるため最大燃焼の開始時間が短縮できる。また、排気特性の点でも有利である。
【００２１】
第３触媒体１４の下流には第２受熱部２０と排気熱回収用の冷却経路２１が設けられ、冷却経路１６と連通し内部に水が流れる。発生した温水は給湯や暖房に利用される。内部は水以外の熱媒体、例えばヒートポンプ用の冷媒や不凍液でも良い。第３触媒体１４は電気ヒータ１９と冷却経路２１を遮熱していると云える。排気口２２が更に下流に設けられている。燃焼室９の内壁は断熱材で覆っても良いし、冷却水のジャケットとして外部の温度上昇による危険性を低減しても良い。
【００２２】
なお、第１触媒体１２の上流近傍に第１触媒体１２の温度を検出する第１温度検知部２３が、また第１触媒体１２と第２触媒体１３の間に第２触媒体１３上流の温度を検知する第２温度検知部２４が設けられている。
【００２３】
次に、本実施の形態の動作を説明する。燃焼開始前に電気ヒータ１９が通電される。電気ヒータ１９は６００Ｗで第２触媒体１３下流と第３触媒体１４上流を加熱する。第２触媒体１３上流の温度が５００℃に達したことを第２温度検知部２４の温度変化から検知して、燃料の供給を開始する。温度検知部は触媒体温度と相関性のある位置に設置できる。
【００２４】
液体燃料は燃料供給部１よりポンプで気化部４に送られ、あらかじめ加熱されている気化室３で気化して、送風機５の空気と混合して噴出口７より放射状に噴出する。短距離で均等に混合気を第１触媒体１２に送るためノズル８はテーパ状が良い。また、噴流を旋回するなどの手段により濃度と流れを均一化することが好ましい。加熱されていない第１触媒体１２を反応せずに通過した混合気は、加熱されている第２触媒体１３で反応する。第２触媒体１３で反応した後の排気にも未燃燃料は含まれるが、濃度が薄いので電気ヒータ１９で発火しない。薄い未燃燃料を含んだ排気は更に第３触媒体１４で完全に反応を終了する。第３触媒体１４が単なる保温材の場合は、わずかであっても未燃燃料が排出し、装置外に臭気を発生する。燃焼量を低くして第２触媒体１３で反応を完結させることも可能であるが、この予備燃焼期間が長くなる。
【００２５】
第２触媒体１３上流の温度が反応により６００℃に達したときに電気ヒータ１９の通電を停止する。過剰な通電は電気の無駄であり、ヒータの損傷を招く。また、早急な停止はより速く触媒温度を上昇させる目的にそぐわない。電気ヒータ１９の表面温度はここでの発火防止のために、８００℃以下が好ましいが、発火しても第３触媒体１４に触媒が担持してあれば、火炎の発生するＣＯも酸化できる。この状態で第２触媒体１３の反応が進行すると上流端の温度は８００℃に達する。この上流端の高温面からの放射熱で隣接する第１触媒体１２の下流端および補助触媒１８が昇温する。もしも第１触媒体１２の下流端が第１受熱部１５の近傍にあれば、電気ヒータ１９の熱は冷却経路の水を加熱してしまうことになる。しかし、第１触媒体１２が下流方向に突出しているためにここの温度は放射熱でも上昇しやすい。第１触媒体１２の下流および補助触媒１８が反応を開始して高温となると、金属製の第１触媒体１２の中を熱が上流に伝導し、第１触媒体１２の上流端が高温となり、ここで初めて反応が第１触媒体１２の上流端から生じている状態となる。ここまでの予備燃焼は最大定格燃焼量より低い２ｋＷでおこなっている。また空気過剰率は１．５で行っている。
【００２６】
第１触媒体１２の上流端の温度が５００℃に達したことを第１温度検知部２３で検知した後に、燃焼量を自由に定格範囲内で設定できる定格燃焼が可能である。この状態では全触媒が反応可能な状態であるからである。例えば、最大定格燃焼量の４．５ｋＷの燃料を供給する。空気過剰率は１．４〜１．８が好ましい。触媒体全体の温度は上昇する。第１触媒体１２の上流は８００〜８５０℃、第２触媒体１３の上流は７００〜７５０℃になる。この状態では第１触媒体１２で全燃料の７０〜８０％が燃焼し、残りの２０〜３０％が第２触媒体１３で燃焼している。第３触媒体１４では燃焼量はわずかであるが、臭気の除去は行っている。また、第１触媒体１２の反応熱の約７０％が第１受熱部１５に伝わり温水を加熱する。第１触媒体１２より排出された高温の排気と未燃燃料の反応熱で第２触媒体１３は反応可能な温度を維持している。第２触媒体１３には受熱部がないので第３触媒体１４の温度は第２触媒体１３とほぼ等しい６８０〜７３０℃である。第３触媒体１４からの６５０℃超の高温排気は第２受熱部２０の冷却経路２１の水を加熱する。
【００２７】
排気は低温となって器具外に排気口２３より排出される。本発明では２つの受熱部により熱交換するため熱効率は極めて高く設定できる。このため燃焼装置全体を排気口を下に垂直として、第２受熱部２０からの排気の結露水滴が触媒体にかからないようにすることが好ましい。
【００２８】
定常燃焼状態では、第１触媒体１２の熱は放射で並行に対面する第１受熱部１５に伝わっている。もし、直接触媒体が温水にほぼ等しい温度となる第１受熱部１５に接触していると次の問題がある。第１に第１触媒体１２からの放熱が大きく温度が低下しすぎて反応しなくなる。第２に大きくなった放熱量とバランスする発熱量とするため触媒を高温に設定して反応を促進させると触媒の寿命が短くなるという問題である。しかし、放射で伝熱しているため、このような熱的不安定性は本発明では生じない。本発明の実施の形態では高温の場合ほど第１触媒体１２温度の４乗で第１触媒体１２から第１受熱部１５への放熱量が増加し、低温になると温度の４乗で放射量が激減するので、結果として、定格燃焼量の範囲内で第１触媒体１２の温度は自律的に反応温度の範囲内に保たれている。また、第１受熱部１５と第１触媒体１２が１枚ずつ交互に設けると放熱過剰となる。第１触媒体１２の表裏が冷却されるためである。第１受熱部１５間に２枚の第１触媒体１２を設けると触媒同士の対面する面が形成され過剰な放熱が防止され触媒温度は安定しやすい。
【００２９】
第１触媒体１２の上流端は第１受熱部１５の上流端より突出している。同一位置を上流方向で最先端とすると、ここの放熱は上流方向空間に放射熱として出ると共に、第１受熱部１５にも放射するので低温化しやすいためである。とくに低燃焼量ではここの温度が反応温度以下になりやすい。しかし、本発明のように突出させれば、そこで全ての第１触媒体１２同士が平行に向き合うために低温化しない。
【００３０】
燃料が液体燃料である場合は、気化するための熱が必要である。燃焼開始時は電気の熱で気化しなければならないが、定常燃焼時は電気代がもったいない。ここで、燃焼中は第１触媒体１２の上流端の放射を受ける燃焼室上流壁１１の伝導熱と、触媒を担持した熱回収部１０での燃料の一部の反応熱を気化部４に伝熱させている。定常燃焼時の気化ヒータ２は補助的になっている。
【００３１】
第１触媒体１２の温度は水平断面方向に殆ど均一であるが、やや中央の冷却経路１６近傍が低くなる。しかし、低温となり易い周辺は、冷却経路１６から離れているので高温が保たれている。中央での温度低下は中央での未反応量の増加をもたらすが、第１触媒体１２下流に設けた補助触媒１８がこの反応低下を補完する。なぜならば補助触媒１８は第１受熱部の冷却を受けない構成で温度が高いからである。
【００３２】
次に、燃焼量を調節する場合の状況を説明する。燃焼量を２ｋＷに低下させると第１触媒体１２の温度は６００〜６５０℃、第２触媒体１３は５５０〜６００℃に低下する。供給されている燃料量の低下により発熱と放熱のバランスが低温側になっている。しかし、この双方の触媒体はともに反応温度以上であり、燃焼は正常に継続している。しかし、更に１ｋＷに燃料供給を低下させると、第１触媒体１２の温度は活性化温度以下の３００℃に急減して反応は殆どしなくなる。これは第１触媒体１２が第１受熱部１５で冷却されているので放熱が過剰となったためである。しかし、第２触媒体１３は放熱しにくいので、温度は８００℃を保ち燃料は全量ここで燃焼する。０．５ｋＷでも第２触媒体１３は６５０℃を維持して完全燃焼する。第２触媒体１３の温度が燃料供給量に左右されにくいのは、低燃焼時に冷却されている第１触媒の反応が低下すればするほど、濃い燃料が第２触媒体１３に入るためである。そして第２触媒体１３は冷却されていないので、低燃焼量でも高温を維持できている。
【００３３】
また、ハニカムである第２触媒体１３のみでの燃焼では高空気過剰率が有利である。空気過剰率１．８〜２．５としている。ハニカムでは放熱が少ないために高空気過剰率で低温化しない反面、酸素分圧の高いほうが反応性は高いためである。結果的に燃焼量調節幅は１／９となった。
【００３４】
この低燃焼量の状態から最大定格に急に戻すことはできない。なぜならば第１触媒体１２が反応温度以下であるからである。予備燃焼時と同様に２ｋＷで燃焼し、第１温度検知部２３で第１触媒体１２が所定の活性化温度に達したことを確認して、最大定格燃焼量に戻すことができる。この場合も第１触媒体１２の下流端が第１受熱部１５の下流端よりも第２触媒体１３に向かって突出していることが必要である。なぜならば、そのようにしないと第２触媒体１３の熱が迅速に第１触媒体１２へ伝熱しないからである。
【００３５】
【発明の効果】
以上に述べた本発明の効果は次の通りである。低ＮＯｘと無炎燃焼を特徴とする触媒燃焼装置において以下の効果を有する。
１．燃焼開始に関して、触媒を予熱するための電力の削減が可能。
２．第１触媒体の中央の高温化による劣化や周辺の低温下による未反応量の増加と、その未反応成分が第２触媒体で反応して異常高温となる課題が解決できる。３．広い燃焼量調節幅が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する従来例の燃焼装置を示す断面図
【図２】本発明の燃焼装置の一実施の形態を示す断面図
【図３】本発明の図２の第１触媒体と第１受熱部の詳細図である。
【図４】本発明の図２の第２触媒体と第３触媒体の詳細図である。
【符号の説明】
１ 第１触媒燃焼部
２ 第２触媒燃焼部
３ 受熱フィン
４ 触媒体
５ 電気ヒータ
６ 冷却経路
１２ 第１触媒体
１３ 第２触媒体
１４ 第３触媒体
１５ 第１受熱部
１６ 冷却経路
１９ 電気ヒータ
２０ 第２受熱部

Claims (13)

1. 燃料供給部と、燃焼用空気を供給する送風部と、燃料と燃焼用空気の混合部と、前記混合部下流に設けた第１触媒体と、前記第１触媒体に隣接する第１受熱部と、前記第１触媒体の流れ方向の下流に設けた前記第１触媒体よりも幾何学的表面積が大きい第２触媒体と、前記第２触媒体の下流に設けた触媒加熱用の電気ヒータと、前記電気ヒータの下流に設けた通気性保温体と、前記通気性保温体の下流に設けた第２受熱部とを備え、燃焼開始時に前記電気ヒータに通電して前記第２触媒体を触媒の反応温度以上に加熱した後に、燃料と空気の混合気の供給を行って前記第２触媒体で触媒燃焼を開始し、前記第２触媒体の燃焼熱で前記第１触媒体の流れ方向の下流部を触媒の反応温度以上に加熱して前記第１触媒体の燃焼を開始する燃焼装置。
2. 通気性保温体は触媒を担持したものである請求項１の燃焼装置。
3. 燃料供給後、第２触媒体が所定の温度に達した後、前記電気ヒータの通電を停止する請求項１の燃焼装置。
4. 燃料供給量を前記第１触媒体の温度が所定の温度に達するまで、定格燃焼量よりも小とした請求項１の燃焼装置。
5. 燃料供給部と、燃焼用空気を供給する送風部と、燃料と燃焼用空気の混合部と、前記混合部下流に設けた第１触媒体と、前記第１触媒体に隣接する受熱部と、前記第１触媒体の流れ方向の下流に隣接して設けた前記第１触媒体よりも幾何学的表面積が大きい第２触媒体とを備え、高燃焼量時は前記第１触媒体で実質上燃焼し、低燃焼量時は前記第２触媒体で実質上燃焼する燃焼装置。
6. 低燃焼時の空気過剰率よりも高燃焼時の空気過剰率を小とした請求項５の燃焼装置。
7. 低燃焼量から高燃焼量に燃焼量を切り替える時に、中間燃焼量領域を経て燃焼量を増加させる請求項５の燃焼装置。
8. 第１触媒体の下流端が前記受熱部の下流端よりも第２触媒体に向かって突出している請求項１又は５の燃焼装置。
9. 第１触媒体の流れ方向上流端が前記受熱部の上流端より上流方向に突出している請求項１又は５の燃焼装置。
10. 第１触媒体、前記第２触媒体、前記第２受熱部、排気口を垂直に配列し、かつその排気口を下方にした請求項１の燃焼装置。
11. 第一触媒体の上流と対面する輻射受熱面に対して一体または熱的に接続された、液体燃料の気化部を有する請求項１又は５の燃焼装置。
12. 第１触媒体上流空間に、放射状に配列された噴出孔をもうけたノズルが突出させられている請求項１又は５の燃焼装置。
13. ノズルのテーパ面に噴出口孔が配列されている請求項１２の燃焼装置。

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