JPH06221527A - 交番燃焼蓄熱式燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蓄熱体が内部に配設される一対の蓄熱槽に渡
ってガス流路を設けるとともに、一対の蓄熱槽間のガス
流路内に燃料ガスを燃焼させる燃焼部を設け、交互に一
対の蓄熱槽の一方から他方に向けて燃焼用酸素含有ガス
を供給して交番燃焼を行う交番燃焼蓄熱式燃焼装置を、
構造が簡単であるとともに、発生する酸化窒素が低いも
のとする。 【構成】 蓄熱槽５ａ、５ｂ内に、還元ガスとしての炭
化水素ガスと酸素との共存下で酸化窒素に対して還元能
を有するとともに蓄熱体として働く触媒を配設し、燃焼
部４ａ、４ｂにおいて生成される燃焼排ガスが導かれる
側の蓄熱槽５ａ、５ｂ内で温度が前記触媒の選択還元活
性温度にある部位に直接前記炭化水素ガスを供給する炭
化水素ガス供給手段１０ａ、１０ｂを備えて構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高効率、高温の輻射式
加熱用装置、熱風加熱用装置等として、熱処理、加熱、
乾燥等の分野で利用される交番燃焼蓄熱式燃焼装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】この種の燃焼蓄熱式燃焼装置は、図１、
図３、図４に示すように、蓄熱体が内部に配設される一
対の蓄熱槽と、これらの蓄熱槽の間に燃料ガスが燃焼さ
れる燃焼部を備えて構成されている。燃焼にあたって
は、前述の一対の蓄熱槽のどちらか一方側から、この蓄
熱槽を介して燃焼用酸素含有ガスが前述の燃焼部に供給
されて、燃焼がなされ、他方の蓄熱槽側へ排ガスが排出
される。この排出状態において、他方の蓄熱槽内の蓄熱
体が加熱される。そして、この工程が一対の蓄熱槽間で
交互に繰替えされて、結果的に高効率、高温の燃焼・加
熱構成を達成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】さて、以上がこの燃焼
装置の基本構成であるが、蓄熱式の燃焼装置では、燃焼
用空気を予熱し、高温の空気を使って燃焼を行うため、
高温、高効率が達成される。しかしながら、燃焼が高温
になれば、燃焼後の排ガスに含まれるＮＯｘ濃度が指数
関数的に増大する。そこで酸化窒素の発生を防止するた
めに、燃焼装置に従来からプラント等で採用されている
アンモニア脱硝設備を備えることも可能であるが、この
方式では、燃焼装置を複数台運転し煙道を集合させたも
の、あるいは大規模の燃焼装置には適応しやすいもの
の、比較的小型で燃焼装置に個別に装備するには設備コ
ストがかかりすぎ、効率も悪い。従って、現在、交番燃
焼蓄熱式燃焼装置で個別に脱硝装置が装備されたもの、
あるいは、脱硝を確実におこない排出される酸化窒素が
比較的低いものは得られていない。

【０００４】従って、本発明の目的は、構造が簡単であ
るとともに、発生する酸化窒素が低い交番燃焼蓄熱式燃
焼装置を得ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による交番燃焼蓄熱式燃焼装置の特徴構成は蓄
熱槽内に、還元ガスとしての炭化水素ガスと酸素との共
存下で酸化窒素に対して還元能を有するとともに蓄熱体
として働く触媒を配設し、燃焼部において生成される燃
焼排ガスが導かれる側の蓄熱槽内部位で温度が触媒の選
択還元活性温度にある部位に直接炭化水素ガスを供給す
る炭化水素ガス供給手段を備えたことにあり、その作用
・効果は次の通りである。

【０００６】

【作用】この装置に於ける交番燃焼に関しては従来通り
に行われるが、燃焼部において生成される排ガスは、排
気側の蓄熱槽において、この蓄熱槽内に配設される触媒
と、この部位に供給される炭化水素ガスの作用により還
元され、無害化される。一例としてＮＯ，ＮＯ₂とメタ
ン（ＣＨ₄）の場合を例に採るとこの反応は以下のよう
になる。

【化１】４ＮＯ＋ＣＨ₄→２Ｎ₂＋ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ

【化２】２ＮＯ₂＋ＣＨ₄→Ｎ₂＋ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ ここで、本願においては還元ガスとしての炭化水素ガス
が直接触媒の選択還元活性温度にある蓄熱槽部位に供給
されるため、このガスの還元性を確実に保持した状態
で、効率のよい還元をおこなうことができる。一方、触
媒は蓄熱体としての特性を備えているため、交番燃焼は
従来通りに良好におこなうことができる。

【０００７】

【発明の効果】従って、構造が簡単であるとともに発生
する酸化窒素が低く、高温で用いる場合でも、ＮＯｘの
排出量が少なく効率の高い蓄熱式交番燃焼装置が構成可
能となり、大気環境保全等に貢献できる燃焼装置を供給
できた。

【０００８】

【実施例】図面に基づいて本願の交番燃焼蓄熱式燃焼装
置１の構成を説明する。図１に示すものは直火加熱方式
のものであり、高温加熱炉２の壁面に一対のバーナ３を
備えた第一、第二燃焼部４ａ、４ｂを備え、さらにこれ
らの下手側に第一、第二蓄熱槽５ａ、５ｂを備えて構成
されている。そして、高温加熱炉２に対して下手側とな
るガス流路６の両端部６ａ，６ｂが単一の切り換え弁７
に夫々接続されており、一方の流路端部６ａが燃焼用酸
素含有ガスを供給する送風装置８に接続され、他方の流
路端部６ｂが排気側９に接続されている。一方、第一、
第二蓄熱槽５ａ、５ｂには、還元ガスとしての炭化水素
ガスが供給される第一、第二炭化水素ガス供給手段１０
ａ、１０ｂが設けられている。この第一、第二炭化水素
ガス供給手段１０ａ、１０ｂは、蓄熱槽５ａ、５ｂのガ
スの流路方向に沿って複数の炭化水素ガス供給ノズル１
００、１０１、１０２、１０３を備え、蓄熱槽内部位の
温度が後述する窒素酸化物選択還元触媒の選択還元活性
温度にある部位に存する炭化水素ガス供給ノズル１０
０、１０１、１０２、１０３のみを炭化水素ガス供給状
態とする第一、第二供給部位選択切り換え手段１１０
ａ、１１０ｂとを備えている。さらに、第一、第二燃焼
部４ａ、４ｂと第一、第二炭化水素ガス供給手段１０
ａ、１０ｂに対して、一方の燃焼部４ａ（４ｂ）と他方
の炭化水素ガス供給手段１０ｂ（１０ａ）に燃料ガスで
あるとともに還元ガスとして働く炭化水素ガスを供給す
る第一、第二炭化水素供給路１１ａ、１１ｂが設けられ
ている。この第一、第二炭化水素ガス供給手段１０ａ、
１０ｂの構成については、別に触媒との関係から詳細に
説明する。

【０００９】前述の切り換え弁７による燃焼側と排気側
の流路の選択に合わせて、前述の第一、第二炭化水素ガ
ス供給路１１ａ、１１ｂへの炭化水素ガスの供給・供給
停止を切り換える切り換え手段１２が備えられている。
即ち、切り換え弁７の作動により燃焼側とされる燃焼部
に炭化水素ガスを供給するとともに、排気側とされる炭
化水素ガス供給手段に炭化水素ガスが供給される。ここ
で、この実施例では炭化水素ガスとは具体的には１３Ａ
（メタンを主成分とする都市ガス）を使用する。

【００１０】さて、蓄熱槽５ａ、５ｂには、排ガスが有
する熱を回収して、交番状態において送風装置８より供
給される燃焼用酸素含有ガスを予熱するための蓄熱体１
３が配設されている。この蓄熱体１３としては、本願の
場合、還元ガスとしての炭化水素ガスとともに酸素共存
下で酸化窒素に対して還元能を有する選択還元触媒（ガ
ンマアルミナを主成分としたもので、粒状、ペレット状
もしくはハニカム状に成型されたもの）が採用される。
このガンマアルミナ（γ−Ａｌ₂Ｏ₃）は、炭化水素ガス
とともに、蓄熱槽における槽内温度が３００℃〜８００
℃の部位で、酸化窒素（ＮＯｘ）を還元して無害化す
る。

【００１１】前述の炭化水素ガス供給手段１０ａ、１０
ｂの構成をさらに詳細に説明すると、複数の炭化水素ガ
ス供給ノズル１００、１０１、１０２、１０３には各別
に分岐弁１１１、１１２、１１３、１１４が備えられ、
各分岐弁１１１、１１２、１１３、１１４は、前述のよ
うに供給ノズル１００、１０１、１０２、１０３の位置
する部分の温度が触媒の活性が低下する高温側の温度よ
りも低くなったときに開くようにし、触媒の活性が低下
する低温側の温度よりも低くなったときに閉じるように
構成されている。即ち、蓄熱槽５ａ、５ｂ内のノズル部
分に測温用熱電対等（図示せず）が配設され、蓄熱槽５
ａ、５ｂにおいてガスの流路部位に従った各部位の温度
を測定しながら分岐弁１１１、１１２、１１３、１１４
が切り換えられるのである。

【００１２】以下燃焼装置の燃焼動作について説明す
る。説明にあたっては、図１に示す状態で説明する。同
図に示す状態においては、図上下側に配設される第一燃
焼部４ａに第一蓄熱槽５ａを介して燃焼用酸素含有ガス
である空気が供給される。従って、この空気は第一蓄熱
槽５ａ内の蓄熱体１３により予熱される。この予熱空気
は、第一燃焼部４ａで第一炭化水素供給路１１ａを介し
て供給される燃料ガスと混合され燃焼する。排ガスはガ
ス流路６をへて第二燃焼部４ｂ、第二蓄熱槽５ｂに導か
れる。ここで、排ガスは酸化窒素（ＮＯｘ）を含有して
いる。さて、第二燃焼部４ｂは非燃焼状態に保たれ、第
二蓄熱槽５ｂ内の特定部位に第一炭化水素供給路１１ａ
より還元ガスとしての炭化水素ガスが供給されて、排ガ
スと混合されて酸化窒素の還元がおこなわれる。この
時、第二供給部位選択切り換え手段１１０ｂの働きによ
り、前述の構成から特定の分岐弁１１１、１１２、１１
３、１１４のみが開状態とされ、窒素酸化物選択還元触
媒の選択還元活性温度にある部位のみに炭化水素ガスが
供給される。結果、効率的な還元をおこなうことが可能
となる。以上が、切り換え弁７を一方の状態に維持した
場合の運転状況であるが、当燃焼装置１においては、第
一、第二燃焼部４ａ、４ｂにおける燃焼・燃焼停止、第
一、第二蓄熱槽５ａ、５ｂ内の特定部位への炭化水素ガ
スの供給停止・供給、第一、第二蓄熱槽５ａ、５ｂにお
ける空気の予熱・排ガスからの排熱回収および酸化窒素
除去を交互におこなって、高温・高効率で低ノックスの
運転をおこなうことができる。

【００１３】さて、上記の実施例においては、各蓄熱槽
５ａ、５ｂにガンマアルミナを１種類配設する例を示し
たが、高温に曝されると劣化する場合もある。従って、
蓄熱槽５ａ、５ｂにおいて排気状態で高温となる部位
（燃焼部近接側）には高温用の蓄熱体（触媒）を、低温
となる部分（排気側部位）には低温用の蓄熱体（触媒）
を配置することが望ましい。さらに、前記の触媒として
働く蓄熱体がもたない部分には耐熱蓄熱体を利用するの
が望ましい。このような配設例を図２（イ）（ロ）に示
した。各図において上図が各選択還元触媒の位置（横
軸）と雰囲気温度（縦軸）との関係を、下図が蓄熱槽５
ａ、５ｂ内の位置関係を示している。即ち蓄熱槽５ａ、
５ｂ内には、耐熱蓄熱体１４ｄと酸化窒素に対する選択
還元活性温度を異にする複数の触媒層１４ａ、１４ｂ、
１４ｃが排ガスの流方向において断層状に配設して構成
されており、図２（イ）に示す例においては、複数の触
媒層１４ａ、１４ｂ、１４ｃが、夫々、ジルコニア（Ｚ
ｒＯ₂）、ガンマアルミナ（γ−Ａｌ₂Ｏ₃）及びイット
リア（Ｙ₂Ｏ₃）を主成分として構成され、蓄熱槽５ａ、
５ｂにおいて槽内温度が高温となる部位から低温となる
部位に，前述の複数の触媒層１４ａ、１４ｂ、１４ｃの
記載順に配設されている。一方、図２（ロ）に示す例に
おいては、耐熱蓄熱体１５ｄと複数の触媒層１５ａ、１
５ｂ、１５ｃが、夫々、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、コバ
ルト（Ｃｏ）を担持したガンマアルミナ（γ−Ａｌ
₂Ｏ₃）及びイットリウム（Ｙ）を担持したガンマアルミ
ナ（γ−Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分として構成され、蓄熱槽５
ａ、５ｂにおいて槽内温度が高温となる部位から低温と
なる部位に、同様に記載順に配設されている。

【００１４】以上説明した例に於ける交番燃焼蓄熱式燃
焼装置１のノックス低減能について表１に基づいて説明
する。脱硝率は、蓄熱槽５ａ、５ｂと燃焼部４ａ、４ｂ
との間からサンプリングしたガス中のＮＯｘ濃度と蓄熱
槽５ａ、５ｂと切り換え弁７との間からサンプリングし
たガス中のＮＯｘ濃度の比から求めた。同表において、
図２（イ）に示す例を第二触媒例と、図２（ロ）に示す
例を第三触媒例と称する。また、混入比とは排ガス量に
対する混入される還元ガス（炭化水素ガス）の比であ
る。

【００１５】 浄化性能 燃焼状態：空燃比（γ）＝１．２ ＳＶ ＝１００００ 燃料ガス ＝１３Ａ（天然ガス：主成分 メタン） 切り換え速度＝１分 分岐弁の数 ＝４（時間切り換え） 分岐弁１１１開 ＝２０〜３０秒（切り換え弁７が切り替わってから 分岐弁１１２開 ＝２５〜４０秒 各分岐弁が開く時間） 分岐弁１１３開 ＝３５〜５０秒 分岐弁１１４開 ＝４０〜６０秒 ジルコニア触媒の製法；ジルコニウムアルコキシドを加
水分解 イットリア触媒の製法；イットリウムアルコキシドを加
水分解 コバルト担持アルミナ触媒の製法；市販γアルミナに１
重量％の硝酸コバルトを含浸 イットリウム担持アルミナ触媒の製法；市販γアルミナ
に１重量％の硝酸イットリウムを含浸

【００１６】

【表１】

【００１７】結果、いずれの例においても５０％以上の
脱硝を達成しており、実用上はこの程度で充分な脱硝を
達成している。

【００１８】〔別実施例〕以下、本願の別実施例につい
て説明する。 （イ）上記の実施例においては直火加熱方式の燃焼装置
に本願発明を適応する例を示したが、図３に示す一台の
バーナを備えた燃焼装置、図４に示す輻射加熱方式の燃
焼装置に対しても適応できる。前者の例の場合は、バー
ナ３０を備えた燃焼部４０は単一であり、切り換え弁７
０ａ、７０ｂが第一、第二蓄熱槽５０ａ、５０ｂに対し
てその流入・流出側に一対備えられて構成される。バー
ナ３０を備えた炉２０は密封状態で使用され、空気は第
一蓄熱槽５０ａを経て高温に予熱され、バーナ３０へ送
り込まれる。そしてバーナ３０で燃焼し、さらに高温の
ガスとなって炉内へ放出される。バーナ３０から送り込
まれた高温のガスは、炉２０内で加熱等の用に供され、
バーナ３０の周囲の煙道３１から炉２０外へ排出され
る。排出された高温の排ガスは反対側の第二蓄熱槽５０
ｂを通るときに蓄熱体１３を加熱する。第一、第二蓄熱
槽５０ａ、５０ｂには前記例と同様に選択還元触媒が配
置されており、第一、第二蓄熱槽５０ａ、５０ｂに各々
炭化水素ガスを各別に供給する炭化水素ガス供給手段１
１０ａ，１１０ｂが設けられる。図４に示す例は、燃焼
部４ａ，４ｂ間に輻射加熱管２００を備えて構成され、
流路の切換え構成等は図１に示すものと同一である。

【００１９】（ロ）以上説明した例においては、還元ガ
スと燃焼ガスとを同一のもの（メタン）としたが、還元
ガスと燃焼ガスとを別種のものとしてのよく、還元ガス
としてその還元能の高いプロパン等、炭化水素であれば
いかなるものを使用してもよい。

【００２０】（ハ）本願において蓄熱体としても使用さ
れる酸化窒素に対する選択還元能を示す触媒としては、
上記記載のものの他、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃），酸化
ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃），酸化亜鉛（ＺｎＯ）の一種以上
を含む金属酸化物、もしくはガリウム（Ｇａ）、ジルコ
ニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、亜鉛（Ｚｎ）か
ら選ばれた一種以上の金属でイオン交換したシリコアル
ミノフォスフェートを主成分とするもの等もある。

【００２１】（ニ）上記の実施例において、測温用熱電
対等（図示せず）により実際に温度を検出しながら分岐
弁１１１、１１２、１１３、１１４の開閉をおこなう例
を示したが、実験結果に示すように供給ノズル対応部分
の温度を、切り換え弁７を切り換えてからの時間の経過
とともに予め測定しておき、その温度を時間の関数とし
て捉え、切り換え弁７を切り換えてから、例えばＴ１時
間後に１番目の分岐弁を開き、Ｔ１’時間後に１番目の
分岐弁を閉じる構成としても良い。さらにまた、供給ノ
ズルに膨張率の異なる材料を使い、温度により自動的に
供給ノズルが開閉する仕組みを用いても良い。

【００２２】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】直火加熱方式の交番燃焼蓄熱式燃焼装置の構成
を示す図

【図２】蓄熱槽に於ける各種蓄熱体の配置構成を示す図

【図３】一台のバーナを用いた交番燃焼蓄熱式燃焼装置
の構成を示す図

【図４】輻射加熱方式の交番燃焼蓄熱式燃焼装置の構成
を示す図

【符号の説明】

４ａ 燃焼部 ４ｂ 燃焼部 ５ａ 蓄熱槽 ５ｂ 蓄熱槽 ６ ガス流路 １０ａ 炭化水素ガス供給手段 １０ｂ 炭化水素ガス供給手段 １３ 蓄熱体 １００ 炭化水素ガス供給ノズル １０１ 炭化水素ガス供給ノズル １０２ 炭化水素ガス供給ノズル １０３ 炭化水素ガス供給ノズル １１０ａ 供給部位選択切り換え手段 １１０ｂ 供給部位選択切り換え手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄熱体（１３）が内部に配設される一対
   の蓄熱槽（５ａ),（５ｂ）に渡ってガス流路（６）を設
   けるとともに、前記ガス流路（６）内で前記一対の蓄熱
   槽（５ａ),（５ｂ）間に燃料ガスを燃焼させる燃焼部
   （４ａ),（４ｂ）を設け、交互に前記一対の蓄熱槽（５
   ａ),（５ｂ）の一方から他方に向けて燃焼用酸素含有ガ
   スを供給して交番燃焼を行う交番燃焼蓄熱式燃焼装置で
   あって、前記蓄熱槽（５ａ),（５ｂ）内に、還元ガスと
   しての炭化水素ガスと酸素との共存下で酸化窒素に対し
   て還元能を有するとともに前記蓄熱体として働く触媒を
   配設し、前記燃焼部（４ａ),（４ｂ）において生成され
   る燃焼排ガスが導かれる側の蓄熱槽（５ａ),（５ｂ）内
   で温度が前記触媒の選択還元活性温度にある部位に直接
   前記炭化水素ガスを供給する炭化水素ガス供給手段（１
   ０ａ),（１０ｂ）を備えた交番燃焼蓄熱式燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記炭化水素ガスがメタン（ＣＨ₄）を
   主成分とするもので、前記触媒がガンマアルミナ（γ−
   Ａｌ₂Ｏ₃）であり、前記選択還元活性温度が３００℃〜
   ８００℃である請求項１記載の交番燃焼蓄熱式燃焼装
   置。
3. 【請求項３】 前記蓄熱槽（５ａ),（５ｂ）内にガスの
   流路方向に沿って複数の炭化水素ガス供給ノズル（１０
   ０),（１０１),（１０２),（１０３）を備え、蓄熱槽内
   部位の温度が前記触媒の選択還元活性温度にある部位に
   存する前記炭化水素ガス供給ノズル（１００),（１０
   １),（１０２),（１０３）のみを炭化水素ガス供給状態
   とする供給部位選択切り換え手段（１１０ａ),（１１０
   ｂ）を備えて前記炭化水素ガス供給手段（１０ａ),（１
   ０ｂ）が構成されている請求項１記載の交番燃焼蓄熱式
   燃焼装置。