JPH01247902A - 触媒燃焼装置およびその燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、触媒燃焼装置に係り、特に特別の予熱装置を
設けることなく安定して触媒燃焼を継続させることので
きる触媒燃焼装置およびその燃焼制御方法に関する。

〔従来の技術〕

ガス状燃料を燃焼させる方式としては、これまでバーナ
による燃焼が良く知られている。

このバーナ方式による燃焼では、燃料と空気を予め混合
するか、あるいはバーナ先端部で混合し適切な空気と燃
料の混合割合に調整することにより火炎を保持し、安定
に燃焼を継続させるものである。したがって燃料の種類
によって適切な空燃比があり、例えば、メタン、プロパ
ンでは空燃比が１．０〜１．２程度であり、−酸化炭素
では、１．０〜２．０程度といわれている。また、燃料
の発熱量についても安定して火炎を保持し自燃させるた
めには、最低８００〜１０００ｋｃａＱ　／　Ｎ　ｔｍ
３以上は必要であるとされている。

一方、近年触媒を用いて、接触燃焼を行わせる方式、い
わゆる触媒燃焼方式が提案され、自動車排ガスの浄化触
媒燃焼などにおいて実用化されている。この触媒燃焼方
式においては、（１）発熱量が１００〜２ＱＯｋｃａＱ
／　Ｎｍ”以下の低カロリーガスの燃焼が可能であり、
（２）低酸素（理論酸素量）での燃焼が可能で、（３）
火炎の発生がなくＮＯＸが低いなどの優れた特徴を有し
ている。

第６図に、従来の触媒燃焼方式の代表的なシステムの一
例を示す、この触媒燃焼方式では、例えば、特開昭５７
−２１７１６号公報、特開昭５８−８６３１４号公報、
特開昭５８−１０６３１５号公報などにおいて提案され
ているごとく、燃料３４と空気（酸素）３５との混合気
体３６の温度が触媒燃焼の開始温度以下である場合は、
燃焼開始温度まで昇温する、いわゆる予熱が必要不可欠
となる。空気３５．燃料３４あるいは混合気体３６の予
熱には、熱交換器３１、加熱用バーナ、電気ヒータある
いは高温ガスの混合、排ガス再循環などの方法が用いら
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したごとく、従来技術におけるバーナ燃焼方式にお
いては、燃焼可能な空燃比が限定され、さらに火炎を生
じるため１局部的高温部が発生し多量のＮＯｘが生成す
るという問題があった。また、これまでの触媒燃焼方式
においては、広い空燃比で燃焼可能で、ＮＯｘの発生量
は低減できるが、可燃性混合気体の予熱が必要であり、
特に大型設備の場合、予熱設備が大型となるため起動に
時間がかかり、設備費も多大となる欠点があった。

また、加熱用バーナなどを用いた場合、触媒面に加熱む
らが生じると触媒内での圧力損失の差により局部的な吹
き抜は現象が生じ、不完全燃焼を引き起すという問題が
あった。また、湯沸器などの１００〜２００＋ａｍ角程
度の小型の触媒燃焼装置では、予熱なしで触媒保有熱の
みで混合気体を昇温する提案があるが、混合気体の流速
が遅いため、５００ｍｎ＋角程度以上の大型装置では、
ぼう大な触媒量を必要とし、また触媒層の急激な温度上
昇により、逆火、熱応力による触媒の破損あるいは触媒
温度の異常高により触媒寿命が著しく短縮されるという
問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点あるいは問題点を
解消し、起動時間が短く、大型の触媒燃焼装置であって
も好適に触媒燃焼を継続することのできる触媒燃焼装置
および触媒燃焼の制御方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記本発明の目的は、触媒燃焼装置に設けられている燃
焼用触媒層本体の前流に、可燃性混合気体の通過流速の
遅い（低い）前置触媒層を設け、該前置触媒層の前段に
、輻射加熱室および必要に応じて起動用加熱室を配置し
、上記輻射加熱室を設定の温度に昇温した後、燃料と空
気を供給し、上記輻射加熱室において、上記前置触媒層
直前の温度を検出して、上記前置触媒層直前の温度を所
定の温度範囲に保持するように、上記燃料あるいは空気
の供給量を制御する手段を設けることにより、達成され
る。

さらに本発明の触媒燃焼装置において必要に応じて設け
られる起動用加熱室には、触媒燃焼装置の起動時のみ使
用する小型バーナあるいは電気ヒータなどの昇温装置を
設け、装置の起動時における前置触媒層もしくは混合気
体の昇温を行うことにより、本発明の目的を達成するこ
とができる。

〔作用〕

可燃性混合気体の通過流速の低い前置触媒層と、該前置
触媒層の前面部に輻射加熱室を設けることにより、特別
の予熱装置を設けることなく、前置触媒層からの輻射熱
を有効に混合気体に与えることができ、効率的に混合気
体を昇温することができる。また、前置触媒層直前の温
度を検出して。

燃料および空気の供給量を制御することにより逆火、触
媒の破損あるいは触媒温度の異常昇温を避けることがで
き、触媒の劣化を生じることがない。

また、輻射加熱室と起動用加熱室を輻射受熱壁で分割す
ることにより、火炎の影響を直接触媒層に与えないので
起動時の触媒層の温度むらを生じることがなく、局部的
吹き抜は現象が生じることがない。

さらに燃焼用触媒層本体と前置触媒層とを設けることに
より、燃焼用触媒層本体では、前置触媒層から発生する
高温燃焼ガスと燃料および空気の混合気体により昇温で
きるので、特段の触媒の予熱装置は不要となり、かつ短
時間で起動することができ、しかも可燃性混合気体の触
媒層通過速度を高くすることができるので、例えば５０
０ｍｍ角以上の大型の触媒燃焼装置であっても少量の触
媒で充分に燃焼させることができる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ、図面に基づいてさらに
具体的に説明する。

第１図は、本発明による触媒燃焼装置の構造の一例を示
す模式図である。図において、前置触媒層１の前段には
、その触媒面と対面し、触媒面から５０〜１００ｍｍ程
度離れた位置に、触媒面からの輻射を受ける輻射受熱壁
２を設けた輻射加熱室３、輻射受熱壁２を隔てて起動用
加熱室４、さらに起動用加熱室４の内部には起動用加熱
装置５が設けられる。

前置触媒層１の後段には、触媒層本体６およびその前流
に燃料、空気と前置触媒層１から発生する高温燃焼ガス
を混合する混合室７が設置されている。

起動用加熱室４、輻射加熱室３および混合室７には燃料
供給用配管８．９．１０．１０’および空気供給用配管
１１．１２．１３．１３’が設けられている。

輻射加熱室３の前置触媒層１の触媒面直前には、温度検
出器１４．さらに空気供給用配管１２に空気流量調節弁
２２が設置されている。そして、燃料供給用配管９に燃
料流量調節弁２１が設けられている。

温度検出器１４からの信号は温度調節器２６を介して、
空気流量調節弁２２または燃料流量調節弁２１に伝えら
れる。

また、混合室７には、温度検出器１６、燃料供給用配管
１０、空気供給用配管１３には燃料流量調節弁２３、空
気流量調節弁２４が、触媒層本体６の出口部には、温度
検出器１７、燃料供給用配管ｌＯには燃料流量調節弁２
３が設置されている。また、混合室７内には、図示して
いないがガス混合用の案内羽根、多孔板などのガス混合
用部材が設けられ、燃料と空気、高温燃焼ガスとの良好
な混合拡散が行われる。

上述した構造の触媒燃焼装置を用い、触媒としては、β
アルミナの担体にＰｄなどの貴金属を約０．５ｗｔ％担
持させた触媒で、燃料としては、メタン、プロパン、水
素、灯油などを用いて試験した結果を以下に示す。

第２図は燃料（メタン）と空気の混合気体の前置触媒層
１通過流速と触媒層の必要予熱温度の関係を示したもの
である。図に示すごとく、混合気体の触媒層を通過する
流速が低通過流速である場合には、触媒の予熱を必要と
しない流速範囲が存在し１通過流速が高くなるにしたが
って触媒の予熱温度を高くする必要があることが判った
。

次に、前置触媒層１の温度分布測定データの一例を第３
図に示す。図に示すように、混合気体の触媒層を通過す
る流速が、高通過流速である場合には、前置触媒層１人
口面における温度は、予熱温度に対し約１０〜５０℃高
くなるにすぎないが、触媒の予熱を必要としない低通過
流速では約５００〜６００℃の温度上昇があった。なお
、この条件ではしばしば逆火現象が生じ触媒燃焼装置を
停止した。

そこで、輻射加熱室３を設けたところ、さらに約１５０
〜２００℃の温度上昇があった。この温度上昇により、
さらに通過流速をいっそう大きくすることが可能となっ
た。輻射加熱室３の温度は、５０〜１００＋＊ｄｉした
輻射受熱壁２面で約２００〜４００℃となっており、前
置触媒層１人口前流５ｍｍの位置では約４００℃となっ
ていた。輻射加熱室３を設けた場合には、通過流速をさ
らに高くすることが可能であり、そして通過流速を高め
ることにより逆火も生じにくくなることが判った。

次に、燃料を変えて触媒燃焼試験を行った結果、燃料が
自燃する場合の前置触媒層１人口面の温度は、触媒の着
火開始温度よりも２００〜３００℃高くなっており、こ
のとき前置触媒層１人口面前流５〜１０ｍｍの位置で、
はぼ触媒の接触燃焼の着火開始温度近くまで昇温されて
いたが、この温度が自燃若人温度よりも１５０〜２００
℃以上高いと逆火を生じやすく、またこの位置で触媒燃
焼反応の着火開始温度を下回ると失火することが判った
。なお、輻射受熱壁２がない場合は、この位置で自然着
火温度を超えると、しばしば逆火を起した。

上述の結果、燃料と空気の混合気体の前置触媒層１人口
温度に対し、触媒層を通過する気体の冷却効果と触媒燃
焼の発生熱による昇温効果の熱的バランスが保持できる
限界となる混合気体の触媒層への通過流速が存在するこ
とが判り、本発明を想到するに至ったのである。

次に、第４図に輻射受熱壁２と前置触媒層１の距離を変
えた場合の前置触媒層１の前流５ｍｍの位置での温度（
Ａ）および輻射受熱壁２の温度ＣＢ）の温度変化の一例
を示す０図から明らかなごとく、前置触媒層１と輻射受
熱壁２との距離が離れるにしたがって、前置触媒層１の
前流５ｍａ＋の位置での温度が下がり、１００ｍｍを超
えると、輻射受熱壁２の効果が少ないことが判る。した
がって、輻射受熱壁２と前置触媒層１の距離は、１００
ｍｍ以内が望ましく、より好ましくは６ｏＩＩｌｆｆ１
以内が良い。

要するに、本発明の触媒燃焼装置は、触媒燃焼を行う触
媒層本体と通過流速の遅い前置触媒層を配置し、前置触
媒層の前流に輻射加熱室を設け、前置触媒層の前流５〜
１０ｍｍの位置には温度検出器を配置し、上記の位置の
温度を触媒の着火開始温度から、自燃着火温度＋１５０
℃の間の温度に保持するように、燃料あるいは空気の供
給量を制御することにより、特別の触媒予熱装置を設け
ることなく、安定して触媒燃焼を継続させることができ
る特徴を有するものである。

さらに、前置触媒層からでる燃焼生成ガスに新らたに燃
料と空気を追加供給し、混合室内のガス温度を触媒の着
火開始温度以上に保つことにより、触媒層本体での燃焼
が可能となる。この場合、触媒層本体は予熱された状態
になっているので、触媒層本体内のガス通過速度を大き
くとることができ１例えばメタン燃料では６ｍ／ｓまで
安定して燃焼させることが可能であった。

さらに、第１図に示す前置触媒層１と燃焼用触媒層であ
る触媒層本体６の距離を２５０ｍｎ＋以下、望ましくは
１５０ｍｍ以下とすると、前置触媒層１の輻射効果によ
り、先の輻射受熱壁２と同等の効果が得られることが判
った。上記の距離が先の前置触媒層１と輻射受熱壁２の
距離より大きくとれるのは、前置触媒層１と触媒層本体
６の両方から混合室７内部の可燃性混合気体は熱を受け
ることができるためであると考えられる。また、触媒層
本体６の前流５〜１０ｍｍの位置の温度も、上述した前
置触媒層１の場合とほぼ同じ範囲に保つ必要があった。

一方、起動用加熱室４には、起動時、前置触媒層１を６
００〜８００℃まで加熱することができる加熱装置、例
えば、パイプ状の燃焼装置、ブンゼンバーナ、電気ヒー
タなどが設けられてあり、これにより、起動時、前置触
媒層１のみを短時間で加熱した後、常温の燃料、空気な
どを供給すると、前置触媒層１の保有熱により、燃料が
着火し、燃焼しはじめる。起動用加熱装置５は、前置触
媒層１で燃料が着火すると同時に停止してもよく、ある
いは着火後、徐々に容量を低下させてもよく、いずれに
おいても、前置触媒７１は安定して継続燃焼させること
ができる。

次に、本発明の触媒燃焼装置における他の実施例を第５
図に示す。図において、起動用加熱室４を輻射加熱室３
の側周部に設け、輻射加熱室３の周囲に設けられた複数
本のノズル部より起動用加熱室４から発生した起動用熱
ガスを吹き込んだ場合の一例を示す。起動用熱ガスの供
給は、輻射加熱室３内の分散が適切であれば１本のノズ
ルであってもよい。本実施例においても、触媒燃焼の起
動が良好であり、上述した実施例と同様の作用効果が得
られた。さらに、本実施例の触媒燃焼装置の特徴として
、逆火現象がさらに起りにくくなり、安定して触媒燃焼
を継続させることができた。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごとく、本発明による触媒燃焼装置
においては、輻射受熱壁を設けた輻射加熱室によって前
置触媒層を効率的に予熱し燃料を自燃させることができ
、さらにこの前置触媒層で発生した熱で、触媒燃焼させ
る触媒層本体を有効に予熱することができるので、特別
の触媒予熱装置を設けることなく、高効率で自己熱によ
る触媒燃焼を安定して継続させることが可能となる。し
たがって、従来の触媒燃焼で必要としていた、助燃料を
バーナで常時燃焼させたり、電気ヒータなどを常時使用
する必要がなく、安価に、容易に触媒燃焼を行うことが
でき、低Ｎ　Ｏｘで安定燃焼を継続させることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例において例示した触媒燃焼装置
の構成を示す模式図、第２図は本発明の実施例における
可燃性混合気体の触媒層通過流速と触媒層の必要予熱温
度との関係を示すグラフ、第３図は本発明の実施例にお
ける可燃性混合気体の触媒層通過流速と温度分布を示す
グラフ、第４図は本発明の実施例における触媒層と輻射
受熱壁との距離と触媒層前流直前の温度との関係を示す
グラフ、第５図は本発明の触媒燃焼装置における輻射加
熱室の構成の他の一例を示す模式図、第６図は従来の触
媒燃焼装置の構成を示す系統図である。 １・・・前置触媒層　　　２・・・輻射受熱壁３・・・
輻射加熱室　　　４・・・起動用加熱室５・・・起動用
加熱装置　６，６′・・・触媒層本体７．７′・・・混
合室 ８、９．１０．１０’・・・燃料供給用配管１１、１２
．１３．１３’・・・空気供給用配管１４、１５．１６
．１６’、　１７．１７’・・・温度検出器２０、２２
．２４．２４’・・・空気流量調節弁１９、２１．２３
．２３’・・・燃料流量調節弁２５、２６．２７．２７
’、　２８．２８’−＠度；＊ｉ器２９・・・燃料母管
　　　　３０・・・空気母管３１・・・熱交換器　　　
　３２・・・加熱媒体調節弁３３・・・加熱媒体　　　
　３４・・・燃料３５・・・空気　　　　　　３６・・
・混合気体代理人弁理士　　中　村　純之助 第１図 触鋒漕り脂ＬＬ（例／９〕 第２図 角箆＋ｉｓ、ｓざらｂ”勾−ア巨声＊（＞ｔｎ）角−子
漕ＭＴ！Ｌ財ゲ魅壁。２齢Ｃ□４）第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、接触酸化反応によって、可燃性混合気体を燃焼させ
   る触媒層本体を有する触媒燃焼装置において、上記触媒
   層本体の前流に、触媒層本体を加熱する前置触媒層を配
   置し、該前置触媒層と上記触媒層本体との間に、燃料と
   酸素を含む燃焼用ガスを供給する手段を備えた可燃性混
   合気体の混合室を設け、かつ上記前置触媒層の前流には
   輻射受熱壁を配置して、該輻射受熱壁と上記前置触媒層
   との間に、燃料と酸素を含む燃焼用ガスを供給する手段
   を備え上記前置触媒層の加熱が行える輻射加熱室を設け
   たことを特徴とする触媒燃焼装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、輻射受熱壁の前流
   に、輻射受熱壁を有する輻射加熱室を加熱する起動用加
   熱手段を設けたことを特徴とする触媒燃焼装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、輻射加熱室に加熱
   媒体を導入して加熱する起動用加熱手段を設けたことを
   特徴とする触媒燃焼装置。 ４、特許請求の範囲第１項の触媒燃焼装置において、輻
   射加熱室に設けられた前置触媒層の前面５〜１０ｍｍの
   位置における温度の検出手段と、上記前置触媒層の温度
   検出位置における温度を設定の範囲に保持するように輻
   射加熱室に供給する燃料および空気量を制御する手段を
   用いて触媒燃焼を行うことを特徴とする燃焼制御方法。 ５、特許請求の範囲第４項において、前置触媒層の温度
   検出位置における温度を、触媒の着火開始温度から自然
   着火温度プラス１５０℃の温度範囲に制御することを特
   徴とする燃焼制御方法。