JP3815887B2

JP3815887B2 - ハイブリッド触媒燃焼装置

Info

Publication number: JP3815887B2
Application number: JP19260198A
Authority: JP
Inventors: 博己貞森
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: JP2000028109A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合気路から供給される燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を通過過程で部分的に触媒燃焼させる触媒燃焼部と、この触媒燃焼部を通過した予混合気に再循環領域を発生させることで気相燃焼を誘発させて、残りの未燃焼予混合気を気相燃焼させる気相燃焼部とを備えるハイブリッド触媒燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド触媒燃焼装置は、低ＮＯｘ化に極めて有効であることが知られており（例えば、特表平６−５０６２９０号公報参照）、また、触媒燃焼部では予混合気を部分的に燃焼させるだけであるから、予混合気を全て触媒層の通過過程で燃焼させてしまう触媒燃焼単独式のものに比べ、触媒燃焼部分を小さくすることができ、触媒酸化反応性が石油系ガス燃料などに比べて低いメタン系のガス燃料（天然ガスや都市ガスなど）を用いる場合でも、触媒燃焼部分を小さくすることができて、実用性の高いコンパクトな装置を形成できる利点がある。
【０００３】
ところで、触媒燃焼を行わせるには、触媒の活性化のために予混合気や燃焼用酸素含有ガスを予熱する必要があるが、従来一般に、装置自身の発生燃焼熱を利用して予熱を行うには、図５に示す如く、燃焼ガスと燃焼用空気を（ないしは燃焼ガスと予混合気）を互いに直交する方向に通過させながら熱交換させる直交型の熱交換器Ｎを燃焼ガス路に介装する構造を採っている。４は触媒層である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の予熱構造では、熱交換器部分が複雑で大型になって装置コストが高く付くとともに装置が大型化し、この点、前記の如きハイブリッド触媒燃焼装置の利点を十分に活かせない問題があり、また、直交型熱交換器での圧力損失が大きく、そのために燃焼用ファンに高圧のものが必要になって、ランニングコストが嵩むとともにファン騒音が大きくなる問題もある。
【０００５】
以上の実情に鑑み、本発明の主たる課題は、合理的な予熱構造を採ることにより上記の如き問題を解消し、また併せ、一層効果的な低ＮＯｘ化を可能にして一層優れたハイブリッド触媒燃焼装置にする点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、
予混合気路から供給される燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を通過過程で部分的に触媒燃焼させる触媒燃焼部と、
この触媒燃焼部を通過した予混合気に再循環領域を発生させることで気相燃焼を誘発させて、残りの未燃焼予混合気を気相燃焼させる気相燃焼部とを設けるのに、
内部を予混合気路とする内筒、その内筒を囲う外筒、及び、内筒の先端から流出する予混合気を受け入れて内筒と外筒との間の環状流路に反転流入させる蓄気室を設け、
前記環状流路を燃焼流路として、その環状流路における蓄気室の出口部に前記触媒燃焼部を環状に配置するとともに、
その触媒燃焼部の出口部に環状の再循環領域発生部を設けて環状流路の後流側部分を前記気相燃焼部にする。
【０００７】
つまり、この構成では、内筒の内部を流れる予混合気を、内筒と外筒の間の環状流路（燃焼流路）を流れる燃焼ガスと内筒の筒壁を伝熱壁とする形態で対向流形式に熱交換させることにより効率的に予熱し、またその後、蓄気室において内外筒間の環状流路へ反転流入させる際の蓄気室室壁への衝突により燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合をさらに効果的に促進する。
【０００８】
そして、内外筒間の環状流路へ反転流入させた予混合気は、環状流路における蓄気室の出口部に環状に設けた触媒燃焼部の通過過程で部分的に触媒燃焼させ、またこれに続き、触媒燃焼部の出口部に設けた環状の再循環領域発生部で気流中に再循環領域を生じさせて気相燃焼を誘発させることにより、残りの未燃焼予混合気を気相燃焼部としての環状流路の後流側部分で気相燃焼させ、これら燃焼に伴い発生する熱を、内筒の筒壁を伝熱壁とする前記の如き熱交換により予混合気の予熱に用いる。
【０００９】
すなわち、予混合気の予熱に上記の如き単純な二重筒形式の予熱構造を採ることにより、直交型の熱交換器を燃焼ガス路に介装する従来の予熱構造に比べ、予熱のための熱交換部分の構造を簡単で小型なものにすることができ、これにより、装置コストを低減し得るとともに、ハイブリッド触媒燃焼装置の利点を活かして装置を一層コンパクト化することができる。
【００１０】
また、直交型熱交換器を用いるに比べ、圧力損失も大幅に低減することができ、これにより、燃焼用ファンを低圧のもので済ませて、ランニングコストを低減するとともにファン騒音も効果的に低減できる。
【００１１】
そしてまた、予混合気を内外筒間の環状流路へ反転流入させる際の蓄気室室壁への予混合気の衝突により燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合を効果的に促進するから、予混合気の温度及び濃度をより均一にすることができて、触媒燃焼部及びそれに続く気相燃焼部での燃焼をより安定的なものにするとともに、気相燃焼部での火炎温度を効果的に平準化してそのピーク温度を低くすることができ、これにより、ハイブリッド触媒燃焼装置の最も大きな利点である低ＮＯｘ化性能も一層向上できる。
【００１２】
ちなみに、二重筒形式の予熱構造ついては、別方式としては、図４に示す如く、外筒２と内筒１の間の環状流路を予混合気路とし、かつ、内筒１の内部に触媒燃焼部Ａと気相燃焼部Ｃを設ける構成として、内外筒間の環状流路から流出する予混合気を内筒の内部へ反転流入させる方式も考えられるが、これに比べ、請求項１に係る発明の上記構成であれば、触媒燃焼部及び気相燃焼部の環状配置により気相燃焼が環状に分散することで、気相燃焼部での火炎温度をより一層効果的に平準化することができてそのピーク温度を低下させることができ、また、周面積の大きな外筒の筒壁を介しての外部への放熱で環状の気相燃焼部における火炎温度を効果的かつ均等に低下させることもでき、これらが相俟ってより高い低ＮＯｘ化性能を得ることができる。
【００１３】
また、内部通過する予混合気により内筒が効果的に冷却されることに加え、上記の如く気相燃焼が環状に分散することで、内筒の必要耐熱温度を低くすることができ、これにより、内筒の構成材として例えばセラミックス材に代え加工が容易で安価な耐熱金属を用いることが可能になるなど、製作面・コスト面でもより有利になる。
【００１４】
以上要するに、請求項１に係る発明によれば、低ＮＯｘ化及び小型化を効果的に達成できるとともに、装置構造が簡単で制作面及びコスト面でも有利となり、また、ランニングコストを節減できるとともに騒音も低い優れたハイブリッド触媒燃焼装置にすることができ、特に、これらの効果から、触媒酸化反応性が石油系ガス燃料よりも低くて触媒層が大きくなりがちなメタン系ガス燃料使用の燃焼機器（例えば、ファンヒータや湯沸かし器など）への適用に極めて好適なハイブリッド触媒燃焼装置となる。
【００１５】
請求項２に係る発明では、再循環領域を発生させて気相燃焼を誘発させる前記再循環領域発生部を、外筒の内周面寄りの位置で予混合気の再循環領域を発生させる構成にする。
【００１６】
つまり、この構成を採用すれば、外筒の内周面寄りの位置に形成される再循環領域（換言すれば渦流領域）を基点に気相火炎を生じさせて、その気相火炎を外筒の内周面に沿って薄く延びる状態のものにすることができ、これにより、気相燃焼部での火炎温度をさらに効果的に平準化してそのピーク温度を低下させることができるとともに、外筒の筒壁を介しての外部への放熱効果も高めることができて、そのことで低ＮＯｘ化性能を一層向上できる。
【００１７】
また、このように気相燃焼部における気相火炎を外筒の内周面に沿って薄く延びる形状にすることで、内筒の必要耐熱温度もさらに低下させることができ、これにより、内筒構成材の選択もさらに容易にすることができる。
【００１８】
請求項３に係る発明では、外筒の内周面から突出して前記環状流路を縮径する環状の邪魔板より前記再循環領域発生部を形成する。
【００１９】
つまり、この構成では、上記環状邪魔板の内周縁（エッジ）で予混合気の流れに剥離を生じさせて、環状邪魔板の下流側面と外筒内周面との間のコーナー部分に再循環領域を生じさせ、これを基点として外筒の内周面に沿って薄く延びる状態の気相火炎を形成する。
【００２０】
そして、この構成であれば、外筒の内周面から突出する環状邪魔板をもって再循環領域を形成するから、外筒そのものは触媒燃焼部から気相燃焼部にかけて基本的に同径・同肉厚のもので済ませることができ、これにより、製作加工を容易にすることができる。
【００２１】
請求項４に係る発明では、前記触媒燃焼部の出口部で外筒の内周面を急拡大して前記再循環領域発生部を形成する。
【００２２】
つまり、この構成では、上記急拡大部における拡大開始縁（エッジ）で予混合気の流れに剥離を生じさせて、急拡大部における下流向き面と外筒内周面との間のコーナー部分に再循環領域を生じさせ、これを基点として外筒の内周面に沿って薄く延びる状態の気相火炎を形成する。
【００２３】
そして、この構成であれば、急拡大が圧力損失の要因にはなるものの、外筒の内周面から突出する邪魔板を設ける前記の構造に比べれば、圧力損失を小さくすることができ、燃焼用ファンの低圧化を促進できる。
【００２４】
請求項５に係る発明では、内筒の内部に、内筒内周面から突出する伝熱用のひだ状部、又は、内筒内部を横断面視で複数域に区画する伝熱用の仕切り壁を設ける。
【００２５】
つまり、これら伝熱用のひだ状部や仕切り壁を設けることにより、内筒の径は小さくして装置の小型化を図りながらも、内筒の内部を流れる予混合気と内外筒間の環状流路を流れる燃焼ガスとの熱交換の伝熱面積を大きく確保して、予熱効率（換言すれば熱回収効率）を高めることができ、これにより、燃焼負荷率を高くすることができて装置の小型化を一層効果的に達成できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は家庭用温風暖房機などに用いるハイブリッド触媒燃焼装置を示し、内部を予混合気路ｆ１とする内筒１と、その内筒１を囲う有底の外筒２を設け、外筒２の底部は内筒１の先端から流出する予混合気を受け入れて内筒１と外筒２の間の環状流路ｆ２へ反転流入させる蓄気室３にしてある。
【００２７】
環状流路ｆ２における蓄気室３の出口部（すなわち、内筒先端部の周囲）には環状の触媒層４を配置して、蓄気室３からの予混合気を通過過程で部分的に触媒燃焼させる環状の触媒燃焼部Ａを形成し、また、この触媒燃焼部Ａの出口部には、触媒燃焼による燃焼ガスを含んで触媒燃焼部Ａから流出する予混合気に再循環領域ｘ（渦流領域）を発生させて気相燃焼を誘発させる再循環領域発生部Ｂを設け、これにより、環状流路ｆ２の後流側部分を気相燃焼部Ｃとして、この気相燃焼部Ｃにおいて残りの未燃焼予混合気を気相燃焼させる。
【００２８】
つまり、内外筒間の環状流路ｆ２は、予混合気路ｆ１から供給される予混合気を部分的に触媒燃焼させるとともに、それに続いて残りの未燃焼予混合気を気相燃焼させるハイブリッド触媒燃焼装置の燃焼流路（換言すれば燃焼室）として機能し、この環状流路ｆ２の出口５から送出される燃焼ガスを種々の加熱目的（例えば室内暖房や水加熱）に用いる。
【００２９】
また、上記の二重筒構造により、内筒１の内部を流れる予混合気を環状流路ｆ２を流れる燃焼ガスと内筒１の筒壁を伝熱壁とする形態で熱交換させて効率的に予熱するとともに、その後、蓄気室３において環状流路ｆ２へ予混合気を反転流入させる際の蓄気室室壁（外筒底壁）への衝突をもって予混合気における燃料ガスｇと燃焼用空気ａとの混合を効果的に促進するようにしてある。
【００３０】
６は燃焼用ファン７から送られる燃焼用空気ａ（燃焼用酸素含有ガスの一例）の流量を調整する質量流量調整器、８は天然ガスや都市ガスなどの燃料ガスｇの流量を調整する質量流量調整器、９はこれら流量調整器６，８により流量調整した燃焼用空気ａと燃料ガスｇを混合して、内筒１へ送る予混合気を生成する混合器であり、また、１０は燃焼用空気ａを予熱する電気ヒータ等を用いた起動用の予熱器である。
【００３１】
触媒層４には、ＺｒＯ₂／ＳｉＯ₂を担体に用いてＦｅ／Ｃｒ／Ａｌ合金シートの一面にパラジウムをコーティングにしたものを波形加工した上で螺旋巻きにして、触媒コート層と触媒非コート層とが交互に存在するようにしたハニカム構造のものを用い、触媒非コート層の存在をもって通過予混合気の触媒酸化反応を全体的に抑制することにより、予混合気の部分的触媒燃焼として、予混合気の２０〜７０％の部分をこの触媒層４の通過過程で触媒燃焼させる。
【００３２】
再循環領域発生部Ｂは、外筒２の内周面寄りの位置に予混合気の再循環領域ｘを発生させる構成にしてあり、具体的には、外筒２のうち気相燃焼部Ｃを囲む部分２ａの内径を、外筒２のうち蓄気室３及び触媒燃焼部Ａを囲む部分２ｂの内径よりも大きくして、触媒燃焼部Ａの出口部で外筒２の内周面を急拡大させ、これにより、この急拡大部における拡大開始縁（エッジ）で予混合気の流れに剥離を生じさせて、急拡大部における下流向き面と外筒内周面との間のコーナー部分に再循環領域ｘを生じさせるようにしてある。
【００３３】
つまり、このように外筒２の内周面寄りの位置に予混合気の再循環領域ｘを生じさせることにより、この再循環領域ｘを基点として外筒２の内周面に沿って薄く延びる状態の気相火炎を形成し、これにより、気相燃焼部Ｃでの火炎温度を効果的に平準化してそのピーク温度を低下させるとともに、外筒２の筒壁を介しての外部への放熱効果も高めて環状の気相燃焼部Ｃにおける火炎温度を効果的かつ均等に低下させ、これらのことで低ＮＯｘ化性能を効果的に高める。
【００３４】
内筒１の内部には、内筒内部を横断面視で４域に区画する横断面形状が十字状の伝熱用仕切り壁１１を設け、また、内筒１の外周面には、筒軸心方向に延びる多数の溝１２を形成し、これらのことにより、内筒１の内部を流れる予混合気と内外筒間の環状流路ｆ２を流れる燃焼ガスとの熱交換の伝熱面積を大きく確保して、予熱効率（換言すれば熱回収効率）を高めるようにしてある。
【００３５】
内筒１には耐熱ステンレス管を用いて、伝熱用仕切り壁１１はステンレス製にしてあり、また、外筒２のうち気相燃焼部Ｃを囲む部分２ａは１４００℃耐熱のセラミックスボードで成形し、外筒２のうち蓄気室３及び触媒燃焼部Ａを囲む部分２ｂは１２６０℃耐熱のセラミックスボードで成形してある。
【００３６】
触媒層４には測温用の熱電対（図示せず）を触媒非コート層部分（すなわち、予混合気の触媒酸化反応率が検出温度に反映し易い箇所）に配置して装備し、この熱電対による検出温度に基づき、空気側及び燃料側の質量流量調整器６，８を制御して空燃比を自動調整するようにしてある。
【００３７】
また、燃焼開始の方式としては、着火装置を燃焼流路としての環状流路ｆ２に設ける方式や、触媒層４に直接通電して触媒層自身を発熱させることで燃焼開始させる方式などを採用する。
【００３８】
次に上記の装置構成で下記諸元のものについて実施した運転結果を示す。
【００３９】
触媒層４：外径５５ｍｍ，内径２７ｍｍ，層厚２０ｍｍ，ハニカム構造の目の数が１平方インチあたり３００，触媒層出口から５ｍｍ上流側の箇所で触媒非コート層部分に直径１ｍｍの測温用熱電対を装着。
内筒１：外径２７ｍｍ，肉厚２．５ｍｍ。
伝熱用仕切り壁１１：厚み２ｍｍ。
外筒２のうち気相燃焼部Ｃを囲む部分２ａ：外径８８ｍｍ，厚み１０ｍｍ，燃焼ガス出口５までの長さ１００ｍｍ。
外筒２のうち蓄気室３及び触媒燃焼部Ａを囲む部分２ｂ：外径８８ｍｍ，厚み１５ｍｍ。
再循環領域発生部Ｂの急拡大幅：５ｍｍ。
燃焼ガス出口５：２５ｍｍ角。
燃料：総発熱量１１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３の天然ガス系都市ガス。
【００４０】
運転結果：予熱器１０で３８０℃に予熱した燃焼用空気ａのみを送って系内を安定化させた後に燃料ガスｇの供給を開始すると、直ちに触媒燃焼部Ａでの触媒燃焼が開始され、触媒層４の昇温が確認された。その後、燃料ガスｇの供給量を増加させるに伴い触媒層４の温度が上昇し、触媒層４の温度が９００℃を超えると気相燃焼部Ｃで気相燃焼が開始され、ハイブリッド触媒燃焼へ移行した。その後、予熱器１０での予熱量を低下させるとともに、燃焼用空気ａ及び燃料ガスｇの供給量を増減調整しながら、燃焼範囲とＮＯｘの発生量を測定した。
【００４１】
その結果、予熱器１０での予熱は停止した状態で、燃焼量２８００ｋｃａｌ／ｈ〜８００ｋｃａｌ／ｈの範囲において、燃焼効率９９．９％以上，触媒層４の温度９００℃以下の安定なハイブリッド触媒燃焼が継続し、ＮＯｘ発生量が極めて低い（例えば２ｐｐｍ以下）ことが確認された。触媒層４の入口温度は全ての操作範囲で３００℃を超えており、内筒１での予混合気の予熱効率（熱回収効率）は極めて良好であった。内筒１の外表面温度は金属の耐熱温度１０５０℃を超えることはなく、材料選定が容易になることが確認され、また、圧力損失は最大で１５ｍｍＡｑで、燃焼用ファン７に低騒音の低圧仕様のものを使用できることが確認された。
【００４２】
なお、燃焼ガスの濃度測定には、燃焼ガス出口５の中央に水冷のサンプリング管をセットし、このサンプリング管から吸引ポンプによりサンプリングガスをケミルミネッセンス型ＮＯｘ計、非分散型ＣＯ／ＣＯ₂計、水素炎型ＨＣ計、磁気式酸素計に送って同時測定した。
【００４３】
〔別実施形態〕
触媒燃焼部Ａを通過した予混合気に再循環領域ｘを発生させて気相燃焼を誘発させる再循環領域発生部Ｂの具体的構造は種々の変更が可能であり、予混合気の再循環領域ｘを外筒２の内周面寄りの位置で発生させる場合、前述の実施形態の如く、触媒燃焼部Ａの出口部で外筒２の内周面を急拡大させる構造に代え、図３に示すように、触媒燃焼部Ａの出口部で外筒２の内周面から突出して環状流路ｆ２を縮径する環状の邪魔板１３を設けるようにしてもよい。
【００４４】
つまり、この邪魔板１３を設ける構成では、環状邪魔板１３の内周縁（エッジ）で予混合気の流れに剥離を生じさせて、環状邪魔板１３の下流側面と外筒内周面との間のコーナー部分に再循環領域ｘを生じさせ、これを基点として外筒２の内周面に沿って薄く延びる状態の気相火炎を形成する。
【００４５】
前述の実施形態では、内筒１の内部を流れる予混合気と内外筒間の環状流路ｆ２を流れる燃焼ガスとの熱交換を促進するのに、内筒１の内部を横断面視で複数域に区画する仕切り壁１１を設けたが、これに代え、内筒１の内周面にスパイラルフィンを付設するなど、内筒内周面から突出する伝熱用のひだ状部を内筒１の内部に設けるようにしてもよい。
【００４６】
また、図３に示すように、内筒１へ送る予混合気を燃焼ガス出口５からの燃焼ガスと熱交換させて前段予熱する熱交換手段１４を付加的に装備するようにしてもよい。
【００４７】
予混合気を通過過程で部分的に触媒燃焼させる触媒燃焼部Ａを構成するのに、使用する触媒、及び、触媒層の具体構造は種々の変更が可能である。
【００４８】
内筒１の材質は、各種の耐熱金属や、耐熱金属の表面にセラミックス溶射などをもって耐熱加工を施したもの、あるいは、炭化珪素系やアルミナ系のセラミック材など種々のものを適用でき、また、外筒２の材質も、セラミックス繊維に適当なバインダを添加して成形したモールドを初め、種々のものを適用できる。
【００４９】
内筒１及び外筒２の夫々の横断面形状は、円形に限られるものではなく楕円や、四角形を初めとする多角形にしてもよい。
【００５０】
燃料には、都市ガス、天然ガス、ＬＰガス、灯油気化ガスなど、種々のものを使用でき、また、燃焼用酸素含有ガスａにも空気のほか酸素富化ガスを用いるなど、種々の酸素含有ガスを使用できる。
【００５１】
本発明によるハイブリッド触媒燃焼装置は、家庭用暖房器や湯沸かし器など、種々の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】装置構成を示す縦断面図
【図２】装置構成を示す横断面図
【図３】別実施形態を示す縦断面図
【図４】比較例を示す縦断面図
【図５】従来の予熱構造を示す概略縦断面図
【符号の説明】
１内筒
２外筒
３蓄気室
１１伝熱用仕切り壁
１３邪魔板
Ａ触媒燃焼部
Ｂ再循環領域発生部
Ｃ気相燃焼部
ａ燃焼用酸素含有ガス
ｆ１予混合気路
ｆ２環状流路
ｇ燃料
ｘ再循環領域

Claims

予混合気路から供給される燃料と燃焼用酸素含有ガスとの予混合気を通過過程で部分的に触媒燃焼させる触媒燃焼部と、
この触媒燃焼部を通過した予混合気に再循環領域を発生させることで気相燃焼を誘発させて、残りの未燃焼予混合気を気相燃焼させる気相燃焼部とを備えるハイブリッド触媒燃焼装置であって、
内部を前記予混合気路とする内筒、その内筒を囲う外筒、及び、前記内筒の先端から流出する予混合気を受け入れて前記内筒と前記外筒との間の環状流路に反転流入させる蓄気室を設け、
前記環状流路を燃焼流路として、その環状流路における前記蓄気室の出口部に前記触媒燃焼部を環状に配置するとともに、
その触媒燃焼部の出口部に環状の再循環領域発生部を設けて前記環状流路の後流側部分を前記気相燃焼部にしてあるハイブリッド触媒燃焼装置。
前記再循環領域発生部を、前記外筒の内周面寄りの位置で予混合気の再循環領域を発生させる構成にしてある請求項１記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
前記外筒の内周面から突出して前記環状流路を縮径する環状の邪魔板より前記再循環領域発生部を形成してある請求項２記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
前記触媒燃焼部の出口部で前記外筒の内周面を急拡大して前記再循環領域発生部を形成してある請求項２記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
前記内筒の内部に、内筒内周面から突出する伝熱用のひだ状部、又は、内筒内部を横断面視で複数域に区画する伝熱用の仕切り壁を設けてある請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。