JPH01247909A - 触媒燃焼装置およびそれを用いた燃焼方法 - 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
のできる触媒燃焼装置およびそれを用いた燃焼方法に関
する。

〔従来の技術〕

ガス状燃料を燃焼させる方法としては、一般に−バーナ
による燃焼方式が良く知られている。このバーナ方式に
よるガス状燃料の燃焼においては。

燃料と空気をあらかじめ混合するか、あるいはバーナの
先端部で混合し、適切な空気と燃料の混合割合（空燃比
）に調整することにより、バーナ火炎を安定した状態に
保持し、燃焼を継続させるものである。したがって、ガ
ス状燃料の種類により適切な空燃比があり２例えばメタ
ン、プロパンガスの燃焼においては、空燃比が１．０〜
１．２程度に調整し、−酸化炭素では、空燃比が１．０
〜２．０程度に調整されている。また、燃料の発熱量に
ついても。

火炎を保持しつつ自燃し、かつ安定した燃焼を行わせる
ためには、燃料の発熱量として、最低８００〜１０００
ｋｃａｌ／　Ｎ＋ａ’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。

いわゆる触媒燃焼方式が提案され、自動車排気ガスの浄
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〜
２００ｋｃａｌ／　Ｎｍ’以下というような低カロリの
ガスの燃焼が可能である。（２）低酸素、すなわち理論
酸素量での燃焼が可能である。（３）火炎の生成がなく
、低Ｎ　Ｏｘ燃焼が可能である。などの優れた特長を有
するものである。

第５図は、従来の触媒燃焼方式の代表的なシステムの一
例を示すものであるが、触媒燃焼方式では１例えば特開
昭５７−２１７１６．特開昭５８−８６３１４゜特開昭
５８−１０６３１５などに提案されているごとく。

燃料１０と空気１１との可燃性混合気１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
温するための可燃性混合気１の予熱操作が必要不可欠と
なる。空気１１．燃料１０あるいは可燃性混合気１の予
熱には、熱交換器１６．加熱用バーす、電気ヒータある
いは、高温ガスの混合、排ガス再循環などが用いられる
。

［発明が解決しようとする問題点〕 上述したごとく、従来技術におけるガス状燃料のバーナ
燃焼方式においては、燃料の燃焼可能な空燃比が限定さ
れることと、さらに燃焼火炎を生じるため、多量のＮＯ
Ｘが生成するという問題があった。また、従来の触媒燃
焼方式においては。

広い範囲の空燃比でも燃焼が可能で、かつ生成されるＮ
ＯＸ量が低いという利点はあるが、可燃性混合気の予熱
が必要であり、特に大型の触媒燃焼設備になると、その
予熱設備が大型となるため。

設備費およびランニングコストが多大となる欠点があっ
た。また、加熱用バーナなどを用いて触媒層を予熱する
場合に、触媒面に加熱むらが生じると触媒層内での圧力
損失の差により、可燃性混合気が局部的に吹き抜ける現
象が生じ、不完全燃焼を引き起こすという問題が生じる
。また、湯沸し器などの小型触媒燃焼装置において、予
熱なしで触媒の保有熱のみで混合気を昇温して触媒燃焼
を継続させる自己熱触媒燃焼方式の提案があるが。

触媒層を通過する可燃性混合気の流速を遅くする必要が
あり、大型の触媒燃焼装置になると、ぼう大な触媒層が
必要となり、さらに起動時の触媒面全体への均一な可燃
性混合気の分散を行うことが難しく、触媒層の予熱むら
による局部的な吹き抜は現象が生じ、そのため不完全燃
焼を引き起こしたり１局部的な触媒層温度の異常昇温に
より、触媒の寿命が短縮したり、熱応力の発生による触
媒の破損や、燃料濃度の不均一分布による逆火現象を引
き起こすなどの問題があった。本発明者らは。

これらの問題を解決するため先願発明として、パイプバ
ーナ式予熱バーナ兼混合・分散器を触媒層の前流に設け
る方式を提案したが、パイプバーナのフレームを安定さ
せるために、パイプ内を流れる混合気体の流速を１．５
〜４．５ｍ／ｓ程度に制御する必要があり、特にパイプ
バーナの本管径をある程度大きくしなければならないこ
とになり、パイプバーナを設置するためにはかなり大き
なスペースが必要となり、かつ触媒燃焼装置の触媒面の
太きさ、形状に応じてパイプバーナの本数、配置および
燃料供給孔の配置などを工夫する必要があり。

場合によってはパイプバーナの設置が困難になるという
不具合な問題があった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点あるいは問題
点を解消し、触媒燃焼の起動時間が短く。

常時予熱を必要としない、小型から大型の触媒燃焼装置
に至るまで、常に安定した均一燃焼を行い得る自己熱燃
焼型の触媒燃焼装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記本発明の目的は、触媒燃焼装置における触媒層本体
の前流に、プレート形状の部材に、保炎孔兼可燃性混合
気の供給孔を複数個設けたパンチングプレート型混合拡
散予熱バーナ（以下プレー１−型予熱バーナと言う）を
、触媒層に対して平行に、少なくとも１式配置し、この
プレート型予熱バーナに燃料−空気の混合気を供給して
可燃性混合気の供給孔で燃焼させて触媒層を予熱するか
。

あるいは触媒層を予熱した後、上記の可燃性混合気の供
給孔を通して、燃料と空気を十分に混合し拡散させ、触
媒層へ可燃性混合気を均一に供給することにより、達成
される。

また１本発明の触媒燃焼装置において、触媒層とプレー
ト型予熱バーナの間にプレート型予熱バーナからの輻射
熱を受熱し触媒を予熱する輻射受熱体を、触媒層とプレ
ート型予熱バーナの間に。

触媒層と平行に配置することにより、さらに効果的に触
媒層を予熱することができる。

さらに本発明の触媒燃焼装置を用いて触媒燃焼させる場
合に、その起動時において、プレート型予熱バーナに供
給するガス状燃料と燃焼用空気の供給量を制御して、プ
レート型予熱バーナの混合気供給孔における着火燃焼量
を制御して触媒層を設定の温度以上に予熱する手段と、
触媒層を設定の温度以上に予熱した後、触媒燃焼させる
ガス状燃料と燃焼用空気の供給量を、必要とする設定の
燃焼容量に応じて多段階に制御する手段を用いて燃焼さ
せることにより２本発明の触媒燃焼装置における触媒燃
焼をいっそう効率的に行うことができるっ 〔作用〕 触媒燃焼装置の触媒層の前流に配置したプレート型予熱
バーナは、触媒燃焼の起動時における触媒層の予熱時に
は、プレート型予熱バーナのプレート部材全域にわたっ
て設けられている多数の保炎孔兼可燃性混合気供給孔よ
り短炎を形成して燃焼し、触媒層に局部的な高温部分な
どの不均一な温度分布を生じることなく、均一に触媒層
の予熱が行えると共に、均一な短炎化がはかられるため
に、触媒層に近接してプレート型予熱バーナを配置する
ことができ、触媒燃焼時における可燃性混合気体の通過
スペースを極力短くすることができ。

逆火などの異常現象が発生しても、その被害を最小限に
くい止められる。また、プレート型予熱バーナは、触媒
予熱完了後には可燃性混合気の混合拡散に供されるが、
プレート型予熱バーナが安定して火炎を維持できる条件
（空燃比、孔からの噴出流速）範囲は小さく、触媒燃焼
時には、空燃比がプレート型予熱バーナの燃焼条件を大
幅にはずれ、また可燃性混合気の供給孔からの噴出流速
も増加するため、プレート型予熱バーナは、火炎を形成
せずに触媒層全域にわたって、多数の可燃性混合気の供
給孔より、均一な可燃性混合気体が分散供給されると共
に、その供給孔はオリフィス効果により、燃料と空気の
均一混合性を高め、燃料の混合むら、あるいは拡散むら
により起こる局部的な触媒温度の異常上昇による触媒寿
命の短縮や。

熱応力などによる触媒の破損および燃料の濃度分布に起
因する逆火現象などを引き起こすことがない。また９本
発明の触媒燃焼装置に用いるプレート型予熱バーナは、
可燃性混合気の供給孔を複数個設けたプレート部材の構
造が極めて簡単なものであり、またパイプバーナ式の予
熱器に比べて流路断面積が大きくとれるため、設置スペ
ースはプレート型予熱バーナの厚さを確保するだけでよ
く。

装置を極めてコンパクト化することが可能となる。

しかも、触媒層の大きさや形状に応じてプレート型予熱
バーナの孔数、孔径、配置などを任意に自在に変えるこ
とができ、装置の大きさ、形状に適応させることができ
る。また、輻射受熱体は、触媒層からの輻射熱を受熱し
て、効率的に触媒層と輻射受熱体間の可燃性混合気を有
効に加熱する作用がある。

そして、触媒燃焼装置の起動時における触媒層の予熱過
程、触媒層の予熱過程から触媒燃焼過程への切換え時（
プレート型子熱バーナ→触媒燃焼）、あるいは触媒燃焼
容量の切換え時において、空気−燃料の供給量を、それ
ぞれ触媒燃焼条件に応し１て最適な触媒燃焼が行なえる
ように多段制御することによって、失火や逆火あるいは
触媒の損傷などを起こすことなく、安定した自己熱燃焼
型の触媒燃焼装置を得ることができる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ１図面に基づいて、さら
具体的に説明する。

第１図（ａ）は本発明の触媒燃焼装置の本体の断面構造
を示す模式図で、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡ部拡
大図である。

図において、燃料と空気とを混合した可燃性混合気１は
、触媒燃焼装置の本体２内に配置されたプレート型予熱
バーナ３に供給される。プレート型予熱バーナ３は、触
媒層４の入口面に対し平行に配置され、第１図（ｂ）に
示すごとく、複数個の可燃性混合気供給孔６が多数設け
られている。

プレート型予熱バーナ３に供給された可燃性混合気１は
、可燃性混合気供給孔６より噴出され、触媒燃焼装置の
起動の際の触媒層予熱時には、燃焼ガスとして短い火炎
を形成して燃焼し、触媒層４を予熱する。また触媒層４
を所定の温度に加熱した後、触媒燃焼を行わせるときに
は、可燃性混合気１のまま通過し、輻射受熱体７を通り
、触媒層４に供給され触媒燃焼される。このような構造
の触媒燃焼装置を用い、触媒層４として、βアルミナの
担体にＰｄなとの貴金属を約０．５％担持させた触媒を
使用し、燃料として、メタン、プロパン。

水素、灯油などを用いて、触媒燃焼試験を行った結果を
以下に示す。

第４図は、燃料（メタン）と空気の可燃性混合気を触媒
燃焼させる場合における可燃性混合気の触媒層通過流速
と触媒層の必要予熱温度の関係を示したものである６図
に示すごとく、可燃性混合気の触媒層通過流速が低い範
囲では触媒の予熱を必要としない流速範囲が存在し、触
媒層通過流速が高くなるにしたがって予熱温度を高くす
る必要があることが判った。

第３図に触媒層の温度分布測定データの一例を示す。図
に示すごとく、高通過流速の場合は、触媒層入口面の温
度は、予熱温度に対し約１０〜５０℃高くなるに過ぎな
いが、低通過流速域の〜０．２ｍ／ｓの範囲では、約５
００〜６００℃の温度上昇が認められ、触媒層があらか
じめ必要な温度以上に加熱されていれば、可燃性混合気
の予熱なしで、常温の可燃性混合気を供給するだけで、
触媒層の入口側への輻射熱によって予熱され、触媒層の
自己熱のみで触媒燃焼が継続できることが分かった。こ
の触媒層の自己熱燃焼は、触媒燃焼装置の規模に関係な
く、触媒の面の負荷（燃焼容量／触媒入口断面積）を５
　Ｘ　１０’　〜３．５　Ｘ　１０’ｋｃａｌ／　ｍ”
ｈに設定することで達成されるが、大型設備とした場合
、この条件でしばしば逆火事故を起こした。これは。

空気と燃料の混合および拡散の不良による局部的な高燃
料濃度域を形成したためであると考えられる。そこで、
パイプバーナ大差混合分散器をプレート型予熱バーナ方
式とすることによって、この逆火現象は解消された。こ
れは、プレート型予熱バーナが、バーナ全域にわたって
、多数の保炎孔兼可燃性混合気供給孔を有し、上記混合
気噴出時にオリフィス効果により均一に混合、拡散され
るため、触媒層予熱の温度むらおよび燃料濃度むらが生
じないためである。

また、輻射受熱体７をプレート型予熱バーナ３と触媒層
４との間に、望ましくは触媒層４から３０〜６０ｍ＋＊
の位置に配置することによって、触媒層４からの輻射熱
を吸収して、可燃性混合気１へ有効に輻射熱を与えるよ
うにして、触媒の燃焼性をさらに高めると共に、触媒通
過流速に対する自己熱燃焼領域を拡大させることができ
る。

また、第１図（ｂ）に示すように、プレート型予熱バー
ナ３の混合気供給孔６は、流れ方向に爪状のガイドを設
けることにより、プレート型予熱バーナのフレームの吹
き消火の防止および保炎効果を持たせている。

触媒燃焼装置の起動方法は、まず、空気と燃料の可燃性
混合気１をプレート型予熱バーナ３へ供給して着火燃焼
させ触媒層４を予熱する。触媒層４の入口面の温度が予
熱温度（おおよそ６００〜９００℃）に達した時点で、
いったん燃料の供給をカットし、プレート型予熱バーナ
を消火する。この時点で、プレート型予熱バーナ３は触
媒層４の予熱燃焼から触媒層４で燃焼させる可燃性混合
気１の混合拡散器に切替えられることになる６次に、触
媒層４での燃焼を行わせる所定量で所定割合の燃料−空
気の可燃性混合気がプレート型予熱バーナを通して触媒
層４へ均一に拡散供給され、触媒燃焼が開始される。こ
こで、触媒燃焼時の空燃比は２．０〜３．０で運転され
るが、プレート型予熱バーナの場合、空燃比が１．５以
上になると火炎が形成できなくなり、火炎は吹き消え現
象を起こす、したがって触媒燃焼時には、プレート型予
熱バーナは火炎を形成することなく、可燃性混合気１を
触媒層４へ均一に拡散供給することができる。

次に１本発明のプレート型予熱バーナの他の実施例を第
２図（ａ）および（ｂ）に示す。図において、プレート
型予熱バーナ３に設ける可燃性混合気１の混合気供給孔
６をプレート型予熱バーナ３のプレート面に対し、斜め
方向に可燃性混合気１を噴出させるように設けることに
より、それぞれの混合気供給孔６からの可燃性混合気１
の噴流に方向性をもたせ、全体として可燃性混合気１の
流れを旋回流とすることにより、さらに混合拡散性を高
めることができ、プレート型予熱バーナ３と触媒層４と
の距離を一層短縮させることができ。

−段と触媒燃焼装置をコンパクト化することが可能であ
る。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごとく２本発明による触媒燃焼装置
は、大型の燃焼装置であっても、逆火現象や触媒層にお
いて局部的に高温度となる異常燃焼を引き起こすことが
ないので、触媒を損傷することなく、長期にわたって安
定して触媒の自己熱燃焼を達成することができる。した
がって、特別の予熱装置の設置、あるいは助燃バーナで
常時加熱したり、電気ヒータなどを常時使用する必要が
なく、安価で安全に、しかも簡単な構造のプレート型予
熱バーナまたは輻射受熱体を用いることによって触媒燃
焼を安定して長時間継続させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例において例示した触媒燃
焼装置本体の断面構造を示す模式図、第１図（ｂ）は第
１図（ａ）のＡ部拡大図、第２図（ａ）は本発明の他の
実施例において例示したプレート型予熱バーナの構造を
示す模式図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）のＢ部拡大図
、第３図は本発明の実施例における可燃性混合気の触媒
層通過流速と温度分布を示すグラフ、第４図は本発明の
実施例における可燃性混合気の触媒層入口流速と必要予
熱温度との関係を示すグラフ、第５図は従来の触媒燃焼
方式を示す系統図である。 １・・・可燃性混合気　　　２・・・触媒燃焼装置の本
体３・・・プレート型予熱バーナ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガス状燃料と燃焼用空気を混合した可燃性混合気を
   、触媒層に導入して、接触酸化反応により燃料を燃焼さ
   せる触媒燃焼装置において、上記触媒層の前流に、プレ
   ート形状で、複数個の可燃性混合気供給孔を有し、該供
   給孔から噴出する可燃性混合気を燃焼させて触媒層を予
   熱するか、もしくは触媒層へ導入し燃焼させる可燃性混
   合気を、上記供給孔によって混合拡散させるプレート型
   予熱バーナを備え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、触媒層とプレート
   型予熱バーナの間に、プレート型予熱バーナからの輻射
   熱を受熱し触媒層を予熱する輻射受熱体を備えたことを
   特徴とする触媒燃焼装置。 ３、ガス状燃料と燃焼用空気を混合した可燃性混合気を
   、触媒層に導入して接触酸化反応により燃料を燃焼させ
   る触媒燃焼方法において、上記触媒層の前流に、プレー
   ト形状で、複数個の可燃性混合気供給孔を有し、該供給
   孔から噴出する可燃性混合気を燃焼させて触媒層を予熱
   するか、もしくは触媒層へ導入し燃焼させる可燃性混合
   気を、上記供給孔によって混合拡散させるプレート型予
   熱バーナを備えた触媒燃焼装置における燃焼方法であっ
   て、上記触媒燃焼装置の起動時に、上記プレート型予熱
   バーナに供給するガス状燃料と燃焼用空気の供給量を制
   御して、プレート型予熱バーナの混合気供給孔における
   着火燃焼量を制御して触媒層を設定の温度以上に予熱す
   る手段と、触媒層を設定の温度以上に予熱した後、触媒
   燃焼させるガス状燃料と燃焼用空気の供給量を、必要と
   する設定の燃焼容量に応じて多段階に制御する手段を用
   いて燃焼させることを特徴とする触媒燃焼方法。