JPH06288510A

JPH06288510A - 触媒燃焼式ボイラシステム

Info

Publication number: JPH06288510A
Application number: JP5098690A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanaka; 収田中; Tetsushi Nakai; 哲志中井
Original assignee: MIURA KENKYUSHO KK
Current assignee: MIURA KENKYUSHO KK
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】触媒燃焼部分での燃焼温度を低下させ、触媒
の熱的問題を回避し、有害燃焼排気物の生成を抑制する
と共に、熱効率を一層向上させたボイラシステムを得る
ことであり、更に、高効率で、発停回数の多い熱機器
（ボイラ等）においても利用可能な触媒燃焼システムを
提供すること。【構成】燃料供給機構(21)を備えた触媒燃焼部(20)と
熱交換部(30)とからなるボイラユニット(10)を複数段連
結して構成し、初段のボイラユニット(10)には燃焼用空
気導入機構を接続し、このボイラユニット(10)における
供給空気量と供給燃料量の比率を空気過剰とし、最終段
のボイラユニット(10)においての供給空気量と供給燃料
量の比率が適正値となるように設定したことを特徴とす
る触媒燃焼式ボイラシステム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、触媒燃焼式ボイラシ
ステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年では、環境汚染問題等により、ボイ
ラにおいても有害燃焼排気物、特にＮＯx ，ＣＯ等の一
層の低減が求められている。このような有害燃焼排気物
の低減化対策は種々提案されているが、そのひとつとし
て、触媒を使って完全燃焼させ、有害燃焼生成物の低減
を図る、所謂触媒燃焼方式のものが脚光を浴びている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な触媒燃焼方式を採用したボイラシステムにおいては、
触媒の活性成分の耐熱温度に限界が有り、触媒の耐熱温
度以下に触媒反応温度を抑えなければならないため、空
気比が２〜３の空気過剰の状態の予混合気を供給する必
要が有って、熱効率の低下が避けられなかった。

【０００４】例えば、ハニカム状セラミック素材（触媒
担持体）に金属触媒を担持させたものを用いた場合、上
述触媒燃焼によって触媒担持体の中心部の温度は耐熱温
度以上に上昇してしまい、触媒担持体や触媒自体の溶
融、脱落が発生する（空気比が１に近い状態）。

【０００５】また触媒燃焼部への供給予混合気は、前述
の耐熱性の問題から充分均一に混合されていなければな
らず、そのために燃料と空気の混合部分に大きなスペー
スや複雑な混合・撹拌機構あるいはその両者が必要であ
った。

【０００６】更に、燃焼熱による触媒の過度の温度上昇
を防ぐには、触媒担持体周囲の表面積（伝熱面積）を大
きく設定する必要が有るが、それでも触媒内部の熱は輻
射熱としてしか回収できないために、この熱的問題を避
けるには反応率を低下させる（活性を下げる）方法しか
なく、これも熱効率向上の障害となっていた。

【０００７】また、現状では、触媒担持体の耐熱性が律
速となり、高負荷燃焼ができず、熱交換率を充分に上げ
ることが不可能であった。最近になって多段触媒燃焼と
して燃料を段階的に与える様にして触媒の耐熱性を守り
つつ燃焼させる技術は出てきたもののボイラ等高効率の
熱機関においての使用は未だに達成されていない。

【０００８】また触媒燃焼を行なわせるには、触媒の活
性が起る温度まで加温（約３５０℃以上）する必要があ
り、触媒の周囲に電気ヒーター等を配して加温する場合
には触媒中心まで均一温度となるのに長時間を要し、発
停回数の多いボイラ等にあっては利用できなかった。

【０００９】従って、この発明が解決しようとする技術
的課題は、触媒燃焼部分での燃焼温度を低下させ、触媒
の熱的問題を回避し、有害燃焼排気物の生成を抑制する
と共に、熱効率を一層向上させたボイラシステムを得る
ことであり、更に、高効率で、発停回数の多い熱機器
（ボイラ等）においても利用可能な触媒燃焼システムを
提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
に鑑みてなされたもので、燃料供給機構を備えた触媒燃
焼部と熱交換部とからなるボイラユニットを複数段連結
して構成し、初段のボイラユニットには燃焼用空気導入
機構を接続し、このボイラユニットにおける供給空気量
と供給燃料量の比率を空気過剰とし、最終段のボイラユ
ニットにおいての供給空気量と供給燃料量の比率が適正
値となるように設定したことを第１の特徴とし、更に、
少なくとも第２段目以降のボイラユニットの一つに、触
媒燃焼部に燃焼用空気導入機構を備えていることを第２
の特徴とし、上記初段のボイラユニットの燃焼用空気導
入機構が、このボイラユニットの燃焼ガス流通方向上流
側に取付けられ、このボイラユニットの触媒燃焼部を予
熱し得る高空気比の燃焼バーナであることを第３の特徴
とする触媒燃焼式ボイラシステムである。

【００１１】

【実施例】以下にこの発明に係る触媒燃焼式ボイラシス
テムの一実施例を図１〜３に基づいて説明する。図示す
る実施例において、触媒燃焼式ボイラシステムは、触媒
燃焼部(20)と熱交換部(30)とからなるボイラユニット(1
0)を複数段（この実施例では６段）連結し、初段のボイ
ラユニットの上流側にこのボイラユニット(10)の触媒燃
焼部(20)を予熱し得る高空気比の補助バーナ(40)を設け
た構成となっており、更に、この実施例においては、最
終段のボイラユニット(10)の下流側にも熱交換器(50)を
配置している。

【００１２】上記ボイラユニット(10)は、図示する実施
例においては、図２に示すようにケーシング(11)の周壁
内周面に一本の伝熱管（モノチューブ）(31)をコイル状
に巻回してなる熱交換部(30)を備え、このコイル状の熱
交換部(30)の中心部分の空間に触媒燃焼部(20)を配置し
てある。

【００１３】上記触媒燃焼部(20)は、この熱交換部(30)
に対して、略同軸状に配置することにより構造のコンパ
クト化を図っている。この触媒燃焼部(20)は、燃料供給
機構(21)と燃焼触媒(22)とを、燃焼ガス通路(23)を備え
たハウジング(24)内に収納したもので、この燃焼ガス通
路(23)においては後述するように、補助バーナ(40)、あ
るいは、前段のボイラユニット(10)からの燃焼ガスを導
入し、燃料供給機構(21)からの燃料を燃焼触媒(22)によ
って燃焼させる。また、この実施例において、上記燃料
供給機構(21)は液体燃料の噴射ノズルとしてあり、燃焼
触媒(22)は、セラミック等の担持体に、Ｖ，Ｃｒ，Ｍ
ｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｎｉ等の金
属イオンを担持させたものとしてある。

【００１４】上記のボイラユニット(10)において、燃焼
触媒(22)からの燃焼ガスは、上記ハウジング(24)内の流
路を流れた後、このハウジング(24)とケーシング(11)と
の間の空間に反転して流入し、ケーシング(11)の周壁内
周面の伝熱管(31)との間で熱交換を行った後、燃焼ガス
出口(12)から排出されるように構成される。

【００１５】上記の高空気比の補助バーナ(40)は、初段
のボイラユニット(10)を構成する触媒燃焼部(20)を触媒
活性を生じる温度にまで昇温させるべく、必要な熱量を
発生させる予熱機構として機能すると共に、上記ボイラ
システムに必要な全空気量を供給する燃焼用空気導入機
構として機能する。

【００１６】この発明に係る触媒燃焼式ボイラシステム
への被加熱流体の供給、並びに、加熱流体の取出しは例
えば、図３に示すような配管によって行われる。即ち、
被加熱流体の供給（給水）は、初段〜３段目のボイラユ
ニット(10)に並列に接続された給水ライン(60)によって
行われるように構成され、他の４段目〜最終段目のボイ
ラユニット(10)への給水は、夫々、上記初段目と４段
目、２段目と５段目、３段目と最終段のボイラユニット
(10)間の夫々を接続する給水配管(61)によって行われ
る。更に、最終段のボイラユニット(10)の下流側の熱交
換器(50)への給水は、４段目〜最終段目のボイラユニッ
ト(10)から並列的に延びる給水配管(62)によって行われ
る。一方、加熱流体の取出し（給蒸）は、初段〜３段目
のボイラユニット(10)に並列に接続された蒸気ライン(7
0)から、まず、４段目のボイラユニット(10)に流入さ
せ、この後、４段目〜最終段目のボイラユニット(10)に
並列に接続した蒸気配管(71)から熱交換器(50)を介して
行われる。

【００１７】この実施例のボイラシステムにおいて、所
要蒸気量 500kg／h 、灯油量36.0 l／h、空気量 430N・m
³／h（排ガスＯ₂ 濃度 5％）の条件下では以下のような
設定になる。まず、補助バーナ(40)については初段のボ
イラユニット(10)における燃焼触媒(22)の予熱および供
給する全空気の加温用として、発熱量 30,000 kcal／h
程度の気化バーナを用いた場合、供給する灯油量は 4.8
l／h となる。この場合の排ガスＯ₂ 濃度は、18.9％、
空気温度は、770 ℃となり、触媒の活性が与えられる温
度を十分満足する。

【００１８】次に各段のボイラユニット(10)においては
各々の燃料供給機構(21)からの触媒燃焼部(20)に 5.2 l
／h で燃料（灯油）を供給する。ここで、各ボイラユニ
ット(10)からの燃焼ガス温度が、500 〜 700℃となるよ
うに熱交換部(30)における熱回収能力も設定しておく。
このようにボイラユニット(10)からの排ガス温度を設定
しておくことにより、後段のボイラユニットの触媒燃焼
部(20)において燃料（灯油）の気化（蒸発）と次段触媒
の加温ができる。（尚、熱交換器出口温度（即ち、次段
の触媒入口温度）は、触媒の活性が与えられる温度を十
分満足する。）

【００１９】上記の構成の触媒燃焼式ボイラシステムに
おいて、その作用を以下に説明する。先ず、熱交換部(3
0)に適宜の被加熱流体（例えば、水）を供給し、補助バ
ーナ(40)に燃焼用空気と燃料（ここでは液体燃料）を供
給し点火する。この実施例における補助バーナ(40)は、
上述したように気化燃焼バーナであるので高い空気比で
あっても着火し、燃焼を開始する。

【００２０】上記の補助バーナ(40)からの燃焼ガスは、
上述のように高空気比での燃焼であるので、温度上昇が
少なく、初段のボイラユニット(10)における燃焼触媒(2
2)を過熱することなく、燃焼触媒部(22)における触媒活
性が生じる温度にまで有効に予熱し・昇温させる。

【００２１】この後、初段のボイラユニット(10)の燃料
供給機構(21)に燃料を供給する。この燃料は、上記補助
バーナ(40)からの燃焼ガス中に供給されるため、即座に
気化しながらこの燃焼ガスと混合し、燃焼触媒(22)内に
流入する。この燃焼触媒部(22)は、上述のように触媒活
性が生じる温度に昇温されているため、燃焼ガスと気化
燃料の混合気体はこの燃焼触媒(22)を通過する過程にお
いて、燃焼反応が始まる。そして、この燃焼触媒(22)を
通過後の燃焼ガスは、このボイラユニット(10)の熱交換
部(30)において熱交換を行った後、後段のボイラユニッ
ト(10)に流入する。このボイラユニット(10)の触媒燃焼
部(20)に流入する際に燃料供給機構(21)から燃料の供給
を受け、上述同様に、燃焼触媒(21)によって燃焼反応を
生じ、更に後段のボイラユニット(10)に流入する。

【００２２】以後は、上記の繰り返し、即ち、各段のボ
イラユニット(10)において追加される燃料を燃焼触媒(2
1)によって燃焼させ、この燃焼ガスから熱交換部(30)に
おいて熱回収を行って、被加熱流体を温水あるいは蒸気
となるまで加熱した後、最終段のボイラユニット(10)か
ら排出する。尚、この実施例においては、この最終段の
ボイラユニット(10)の下流側にも熱交換器(50)を配置
し、更なる熱交換効率の向上を図ることができる。

【００２３】図４は、この発明に係る触媒燃焼式ボイラ
システムの他の実施例を示すもので、この実施例におい
ては、各ボイラユニット(10)に燃料供給機構(21)に加え
て、燃焼用空気導入機構(25)を設けたものである。この
実施例においては、各ボイラユニット(10)の各々に、燃
料供給機構(21)並びに、燃焼用空気導入機構(25)を設け
てあるため、初段のボイラユニット(10)における燃料供
給量と燃焼用空気供給量を適宜調整することにより、前
記実施例のような補助バーナ(40)を省略している。更
に、図示する実施例においては、各ボイラユニット(10)
の熱交換部(30)の伝熱面積を後段のものほど増加させた
構成としてあり、特に、最終段のボイラユニット(10)の
熱交換部(30)は、前記の実施例における最終段のボイラ
ユニット(10)の下流側に設けた熱交換器(50)としての機
能も持たせるべく、前段のボイラユニット(10)の熱交換
部(30)に比して著しく大きい伝熱面面積としてある。

【００２４】この実施例のボイラシステムにおいて、所
要蒸気量 200kg／h 、灯油量 36.0l／h、空気量 174.3
N・m³／h（最終段のボイラユニットからの排ガス中のＯ₂
濃度を 5％に仮定）の条件下では以下のような設定に
なる。各段の燃料供給量は、すべて同一とし、各段に供
給する空気量は、１段目が 87.1 N・m³／h 、２段目が4
3.6 N・m³／h 、３段目，４段目が、 21.8 N・m³／h とな
る。この場合、各段のボイラユニット(10)における触媒
燃焼部(20)の前後でのガス温度は夫々、約 500℃、約
1,000℃、熱交換部(30)出口でのガス温度は、１乃至３
段目までが約 500℃、最終段では約 210℃となり、各燃
焼触媒(22)において触媒の活性が与えられる温度を十分
満足する。

【００２５】尚、以上の説明においては、ボイラシステ
ムを構成するボイラユニット(10)が、触媒燃焼部(20)が
燃料供給機構(21)のみを備えている実施例と、触媒燃焼
部(20)に燃料供給機構(21)並びに燃焼用空気導入機構(2
5)を備えている実施例とについて説明したが、この発明
に係る触媒燃焼式ボイラシステムにおいては、ボイラシ
ステムを構成するにあたり、触媒燃焼部(20)に燃料供給
機構(21)のみを備えたボイラユニット(10)と、触媒燃焼
部(20)に燃料供給機構(21)並びに燃焼用空気導入機構(2
5)を備えたボイラユニット(10)とを適宜組合せることが
できる。また、以上の説明においては、灯油を燃料とし
て用いたものであるが、この発明に係る触媒燃焼式ボイ
ラシステムにおいては、灯油以外の液体燃料、ＬＰＧ等
の気体燃料でもよく、特に、気体燃料を用いる場合は、
上記のような燃料を蒸発させる熱量は不要であるから、
燃焼触媒に対する熱的負荷が少なくなり、触媒の耐久性
が向上する。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る触媒燃焼
式ボイラシステムによれば、触媒燃焼器と熱交換器を一
つのユニットとしているため、ユニット数の変更によっ
て要求熱量に容易に対応でき、またこのようなユニット
形式であるためボイラシステムの構造の簡略化、小型
化、並びに単位設置スペース当たりの熱回収効率の向上
が図れる。

【００２７】更に、この発明に係る触媒燃焼式ボイラシ
ステムによれば、補助バーナによって初段の燃焼触媒の
予熱を行うと共に、この補助バーナを高空気比で燃焼さ
せ、その中の残存Ｏ₂ と燃料とを反応させ、不活性種に
より触媒の温度を制御することができるため、従来のよ
うな高耐熱性の高価な触媒を用いる必要が無く、これら
の選択の自由度が高くなり、コストの低減も図れる。

【００２８】従って、この発明に係る触媒燃焼式ボイラ
システムによれば、触媒燃焼方式の低ＮＯx 、低ＣＯと
いう利点を有効に利用でき、従来のような燃焼触媒の予
熱の問題、熱的耐久性の問題を解決した高効率の熱機器
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る触媒燃焼式ボイラシステムの概
略構成を例示する図面である。

【図２】この発明に係る触媒燃焼式ボイラシステムにお
けるボイラユニットの構造を例示する縦断面図である。

【図３】この発明に係る触媒燃焼式ボイラシステムにお
ける各ボイラユニットの接続例を示す概略構成図であ
る。

【図４】この発明に係る触媒燃焼式ボイラシステムの他
の実施例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

(10) ボイラユニット (11) ケーシング (20) 触媒燃焼部 (21) 燃料供給機構 (22) 燃焼触媒 (23) 燃焼ガス通路 (25) 燃焼用空気導入機構 (30) 熱交換部 (31) 伝熱管 (40) 補助バーナ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料供給機構(21)を備えた触媒燃焼部(2
0)と熱交換部(30)とからなるボイラユニット(10)を複数
段連結して構成し、初段のボイラユニット(10)には燃焼
用空気導入機構を接続し、このボイラユニット(10)にお
ける供給空気量と供給燃料量の比率を空気過剰とし、最
終段のボイラユニット(10)においての供給空気量と供給
燃料量の比率が適正値となるように設定したことを特徴
とする触媒燃焼式ボイラシステム。
【請求項２】上記のボイラユニット(10)を複数段連結
してなるボイラシステムにおいて、少なくとも第２段目
以降のボイラユニット(10)の一つに、触媒燃焼部(20)に
燃焼用空気導入機構(25)を備えていることを特徴とする
請求項１記載の触媒燃焼式ボイラシステム。
【請求項３】上記初段のボイラユニット(10)の燃焼用
空気導入機構が、このボイラユニット(10)の燃焼ガス流
通方向上流側に取付けられ、このボイラユニット(10)の
触媒燃焼部(20)を予熱し得る高空気比の燃焼バーナ(40)
であることを特徴とする触媒燃焼式ボイラシステム。