JPS58133831A - 触媒燃焼器 - 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】 本発明は、燃焼触媒に係り、特に木材燃焼ストーブより
の煙の如き排気物質のための燃焼触媒に係る。

石油や天然ガスの如きエネルギー資源の入手性やコスト
に対する細心が高まるにつれて、多くの人々は自分達の
住居を暖房するための燃料を木材や石炭の如き固体燃料
に転換した。木材や石炭を燃焼させるストーブに代表さ
れる如き固体燃料を燃焼させる技術の多くは４０乃至５
０年又はそれ以上古いものである。しかし最近になって
燃焼効率及び燃焼の清浄性を改善することを狙った新な
ストーブが開発されている。たとえば米国特許第４．２
２１．２０７号を参照されたい。

最近のいわゆる第２世代のストーブは、ストーブの上方
部分即ち排気部分に触媒燃焼、器を挿入してストーブよ
り排出する排気又は煙を更に燃焼させるなどの如き手段
を組込むことにより、燃焼効率や汚染排気物質の低減に
関し追加の実質的な改善を成している。ストーブより排
出する汚染物質の低減及び煙突内に蓄積するクレオソー
トの如き物質を低減することに加えて、上述の如き触ａ
ｍ焼器はストーブの燃焼効率も改善し、燃焼される単位
ｍｌの燃料当りの熱量を増大した。しかし燃焼される燃
料により触媒材料の寿命が低減されるなどの理由から、
かかる触媒燃ａｍの効率を改善する必要性がいまだに残
されている。

従って今日までこの技術分野に於て多大の努力が払われ
ているにも拘らず、触媒燃焼器の効率を改善する必要性
が残されている。

本発明は種々の燃料源よりの排気ガスを燃焼させるため
の触媒燃焼器に関するものである。本発明による触媒燃
焼器は長寿命であり、硫黄に対する許容性を有している
。又本発明による触媒燃焼器は従来より使用されている
この種の触媒燃焼器よりもより一層効率的である。本発
明による触媒ｆＩＡ読器は、ロジウム燃焼触媒Ｐ担持す
る触媒担体材料であって、排気ガスに対し安定なランタ
ンにて安定化されたアルミナ触媒担体材料又はマグネシ
ウムにて促進されランタンにて安定化されたアルミナ触
媒担体材料を含んでいる。

本発明の他の一つの局面には、かかる触媒燃焼器を組込
まれた木材燃焼ストーブが含まれている。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

本発明に関連する触媒材料は燃焼ガスに対し安定な基体
上に担持されている。基体材料は第１図に示されている
如き円筒形のハニカム構造体や、金属スクリーン支持体
１と該支持体上に支持され改良された触媒材料にて含浸
された粒状材料２とを有する第２図に示されている如き
キャニスタの如く、従来より使用されている任意の構造
のものであってよい。

触媒担体材料は典型的には酸化アルミニウム、コーディ
エライト、シリカ、ジルコニアの如き安定なセラミック
やステンレス鋼の如き安定な金属にて形成されている。

ランタンにて安定化されたアルミナ又はマグネシウムに
て促進されランタンにて安定化されたアルミナが特に本
発明に従って使用されるに適した基体である。

ランタンにて安定化されたアルミナ基体は商業的に入手
可能な触媒担体材料であり、例えばＱｒａｃｅ　　ＳＭ
Ｒ１４４９の如＜Ｗ、　Ｒ，Ｇｒａｃｅ　　＆ＧＯ，よ
り販売されている。マグネシウムにて促進されランタン
にて安定化されたアルミナ畔、ランタンにて安定化され
たアルミナをマグネシウム塩（好ましくは硝酸マグネシ
ウム）の溶液（好ましくは水溶液）にて含浸し、しかる
＊＊＊を除去すべく乾燥し、かくして着装された塩を酸
化させて酸化マグネシウムを形成すべく空気中にで焼成
することにより形成される。焼成温度は使用される特定
の塩に従って麦化されてよいが、一般的には例えば硝酸
マグネシウムについては約１８００下（９８２℃）程度
の濃度が使用される。焼成後に約３〜１５％のマグネシ
ウムが、好ましくは約５ｗｔ％のマグネシウムが担体材
料中に存在するよう、十分な量のマグネシウム塩が担体
材料上に着装される。

上述の如き基体材料は燃焼環境内に於ける高温度に於て
特に安定であるので、かかる基体材料を使用することが
好ましい。かかる基体材料はＢ、Ｆ。

王、　（１３ｒｕｉｎａｕｅｒ−Ｅ　ｓｖ＋ｅｔｔ−Ｔ
ｅ１ｌｅｒ　）表面積を＾い値に維持するものであるこ
とが解っており、またかかる基体材料はその寸法安定性
が高く、例えば特にベレットの場合には収縮が少なく、
特にマグネシウムにて促進されされた場合には許容し得
る高い圧壊強さを有する。またこの基体材料は本発明に
よる触媒性能を発揮する上で必要である微細な金属結晶
がその表面に生成することを許すものであることが解っ
ている。またこの基体材料は例えば修正されていないア
ルミナ上に炭素が生成することに対する許容度を改善さ
れている。

本発明に関連する活性触媒材料は当技術分野に於て従来
より使用されている任意の方法により水溶液より基体材
料上に着装される。金属塩、典型的には硝酸塩が水又は
有機溶媒中に溶解され、基体上にて乾燥される。次いで
かくして着装された塩は金属結晶を形成するよう水素に
て処理される。

ロジウムが本発明による利点を得る上で有用なものであ
ることが解っている。究極的に金属結晶が基体材料上に
形成される限り、水素還元によって塩より直接金属結晶
に転換したり、塩を空気中にて酸化ししかる後水素中に
て還元する等の方法の如く、塩より金属に転換する任意
の許容し得る方法が使用されてよい。使用されるロジウ
ムの優は広い範囲に亙り変化されてよいが、一般的には
触媒及び担体材料の総量に対し約０．０１〜６％ロジウ
ム、―型的には約０．１〜１％ロジウムの量にて使用さ
れる。

キャニスタ、ハニカムインサート体等はそれが使用され
る特定のストーブにより必要とされる任意の大きさのも
のであってよいが、キャニスタ等は典型的には０．５〜
２ｆｔｇ　　（１５，２４〜６０゜９６））であり、排
気ガスチャンネルの自然排気に干渉しないよう十分に大
きく且その上にベレットの層を支持し得るに十分なほど
小さい孔を有するものである。対角線長さが約０．０６
２５インチ（０，１５９ｃｇ＋）の実質的に正方形の孔
を有するステンレス鋼製のスクリーンが使用される。ス
クリーン上に載置される粒状体の積層厚さは、それが使
用される排気チャンネルに応じて、一般に０．３７５イ
ンチ〜２インチ（０，９３５〜５゜０８ＣＩ）の範囲で
ある。自然排気の環境に於ては、圧力降下が小さいこと
が必要であり、触媒床の厚さは薄く維持されなければな
らない。これに対しより大きい圧力降下が許容される強
制排気の環境に於ては、触媒床の厚さはより大きいもの
であってよい。

尚触媒床の構造については、ベレット形の触媒材料が使
用される場合に特に適した燃焼触媒のための触媒床構造
について記載されている本願と同日付にて本願出願人に
より出願された特願昭５８号を参照されたい。

以上に於ては本発明を木材燃焼ストーブに使用される触
媒燃焼器について説明したが、本発明は石油やガスを燃
料とするストーブ、または炉の如き燃焼プロセスの効率
を改善する口とが必要である任意の環境に於て使用し得
るよう構成され得るものである。また本発明はガス流よ
り潜在的に有害なヒユームを除去するためにも有用なも
のである。

前述の如く、準備の容易さ及びコストの理由から、ベレ
ット形の基体材料を使用することが好ましい。基体材料
がベレットの形態にて使用される場合には、基体材料の
直径は典型的には０．０６２５〜０．６２５インチ（０
，１５９〜１．５９ｃｇｉ）であり、好ましくは０．１
２５〜０．２５インチ（０，３１８〜０．６３５ｃ■）
である。球以外の形状の粒状体が使用される場合にも、
それらの粒状体は上述の寸法と同様の寸法を有するもの
でなければならない。

ベレットは完全に触媒にて含浸された状態にて形成され
てもよく、またリング状に触媒化された状態にて形成さ
れてもよい。「リング状に触媒化された」とは完全に触
媒にて含浸されたベレットと興なり、ベレットのその表
面に近い外周部のみが触媒材料にて含浸されたものを意
味する。典型的にはベレットの２５％又はそれ以下の外
周部（即ち０．００１〜ｏ、ｉｏｏインチ（０，００２
５〜０．２５４ｃｇ＋）の範囲の部分）が触媒化される
。ベレットの内方部分は触媒化されない状態のままであ
る。必要とされる触媒の正確な量はストーブ内□に於け
る木材及び石−の燃焼速直により決定される。燃料の燃
焼速痩は発生される排気ガスの量を決定し、この量によ
り必要とされる燃焼触媒の量が決定される。更に木材又
は石炭燃焼ストーブの環境に於ては、入口温度は一般に
４００〜９００下、（２０４〜４８２℃）の範囲であり
、出口温度は１１００〜１６００’Ｆ　（５９３〜８７
１℃）の範囲である。

触媒にて含浸された基体材料は排気ガス流中の炭化水素
及び−酸化炭素の発火温度を低減して４００〜６００下
〈２０４〜３１６℃）の範囲に（燃焼し得るようにする
。この燃焼により発生された熱は更に触媒及び担体材料
の温度を上袢させ、これによりその触媒活性が更に増大
される。更にかくして生成した高澹喰は排気ガス流中の
重い物質を破壊して更に燃焼させる。排気ガス流中の一
酸化炭素及び重い炭化水素物質は完全に触媒化されたベ
レットの第一の層に接触することによって燃焼を継続し
、その濃度は１２００〜１４００下（６４９〜７６０℃
）程度にまで上昇する。

直径約０．１２５インチ（０，３１８ｃｍ）　、長さ約
０．２５０インチ（０，６３８ｃｍ）の寸法を有するペ
レット状のランタンにて安定化されたアルミナ触媒担体
材料がＷ、　Ｒ，Ｇｒａｃｅ　　＆　　Ｃｏ。

より購入された。１バツチのこれらのベレットが濃度的
５７ｗ【％のＭｕ　　（ＮＯａ　）ｅ　　・６８ｅ　Ｏ
水溶液中に浸漬された。超音波振動を伴なう約５分間及
び超音波振動を伴なわない約３０分間に厘り前配水溶液
中にベレットを浸漬した後、そのベレットが該水溶液よ
り取出された。次いでベレットは約２３０下（１１０℃
）の温度にて３時間空気中にて炉により乾燥され、１８
００丁（９８２℃）にて１６時時間成され、冷却された
。次いでかくして形成されたマグネシウムにて促進され
ランタンにて安定化されたアルミナペレットは約１１゜
１ｖｏ１％の濃度を有するＲ−ｈ　　（ＮＯ＠）ｓの水
溶液中に浸漬された。超音波振動を伴なう約５分間及び
超音波振動を伴なわない約３０分間に亙り前配水溶液中
にベレットを浸漬した後、そのベレットが該水溶液より
取出され、２３０下（１１０℃）にて３時間空気中にて
乾燥され、基体材料上に金属結晶を形成すべく水素雰囲
気中にて加熱された。

この処理プロセスにより基体材料上に約０．０５０イン
チ（０，１２７ｃｍ）の厚さを有する触媒の表面層が着
装された。完全に触媒にて含浸される必要がある場合に
は、Ｒｈ　　（ＮＯａ　）ｓ中に浸漬する時間１例えば
２倍に延長されなければならない。

水素による還元工程は以下の如〈実施された。

上述の如く処理されたベレットがまず窒素にて洗浄され
た炉内のトレー上に配冒された。炉の温度が約６００下
（３１６℃）にまで上昇され、ベレットに対する雰囲気
が以下のスケジュールに従って壷化された。

Ｎｔ　　［％１　Ｈ！　［％］　　時間［ｈ「］１００
　　　　　　０　　　　　　０．２５９５　　　　　　
５　　　　　　０、　２５９０　　　　１０　　　　　
　０．２５７５　　　　　２５　　　　　　０．５００
　　　１００　　　　　　２．００ ２００下（９３℃）に冷却した後ペレットに対する雰囲
気が窒素１００％に麦化された。次いでベレットは室温
にまで冷却され、ベレットに対する雰囲気が以下の如く
調整された。

Ｎｔ　　［％］　０２１％］　時間［ｈ「］９５　　　
　５　　　０．５ ９０　　　１０　　　　０．５ ８０　　　２０　　　　０．５ 本発明に関連する燃焼°触媒の性能が改善されているこ
とを確認すべく、更に以下の試験が行なわれた。積層厚
さ１インチ（２，５４ｃ＋＋＋）　、即ち約０．５ｇの
触媒材料を貯容する内１０．３７５インチ（０，９５３
ｃｍ）のマイクロリアクタを使用して、試験温度の関数
として反応速度定数（燃焼活性と同義）がプロットされ
た。試験は重器で１００万部に対し約２２５０部の硫化
水素（Ｈ２Ｓ）を含有するメタンを燃焼させつつ３０時
間に厘り行なわれた。反応速度定数（ｋ）は下記の一次
近似速度方程式により定義される。

第３図に於て、商業的に入手可能な触媒（αアルミナ上
の１５ｗｔ％のニッケル）及び上述の例に従って形成さ
れた触媒の上述の試験条件にて試験されたデータ（それ
ぞれ曲線Ａ１曲線Ｂ）が通常のアレニウス（Ａ　ｒｒｈ
ｅｎｉｕｓ）のグラフにプロットされている。これらの
曲線より解る如く、曲線Ｂの触媒は比較的低い温度に於
て遥かに大きい活性を有する。このことは例えば石炭燃
料源より来る潜在的な硫黄の害が存在する場合に於ても
、本発明による触媒燃焼器がかかる環境に於て有用であ
るに十分なほど＾い性能を有するものであることを示し
ている。

本発明による触媒燃焼器を形成するに際し−（は、直径
が０．０３２インチ（０，０８１ｃｍ）であり１平方イ
ンチあたり２５６個の孔（１−あたり４０個の孔）、即
ち４５％の孔を有しワイヤにて形成されたステンレス鋼
製のスクリーン支持体を有するキャニスタ型のコンテナ
を使用することが好ましい。キャニスタの壁は典型的に
は３０４ステンレス鋼の如き３００シリーズのステンレ
ス鋼である。触媒にて含浸された直１！０．２５インチ
（０，６３５ＣＩ）のベレットが複数の層にて支持スク
リーン上に注がれる。次いでキャニスタは輸送時にベレ
ットが過剰に動くことを防止すべく一時的にプラスチッ
クカバーにて覆われてよい。第２図に於ては、キャニス
タは符＠１にて示されており、支持スクリーンは符号２
にて示されており、ベレットは符号３にて示されている
。

触媒床の厚さは、特に石炭又は木材燃焼ストーブの如き
自然通気環境については、触媒床を横切る圧力降下を最
小限に押えるべくできるだけ小さい値に維持されなけれ
ばならない。−次空気のための送風機を使用する工業用
バーナによればキャニスタはより深いものであってよく
、圧力降下も＾い値であってよい。自然排気環境又は送
風機により補助された環境のいずれに於ても圧力降下が
大き過ぎる場合、即ちガスの流れが制限される場合には
、木材又は他の固体燃料の燃焼速度は悪影響を受ける。

しかし触媒がその触媒上に於けるガスの燃焼に影響を与
え得るにたるガス滞留時間を与えるに十分な最の触媒が
存在しなければならない。典型的な滞留煙突に於ける通
風圧力は、「５ｔａｎｄａｒｄ　　＠　ａｎｄｂｏｏｋ
　　ｆｏｒ　　ｌｙｌ　ｅｃｈａｎｉｃａｌ　　Ｅｎｇ
ｉｎｅｅｒｓＪ第７版（Ｍｃ　Ｇｒａｗ　　Ｈｉｌｌ　
　ＢｏｏｋＣＯｏ）により決定される如く、水柱０．０
５〜０゜１０インチ（０，１２７〜０．２５４ｃｍ＞程
度であるので、自然通気環境に於ける触媒床の前面面積
及び厚さは流れの制限を最小限に抑えるよう水柱０．０
１インチ（０，０２５４ｃ＋ｅ）程度の圧力降下を有す
るような大きさである。圧力降下は感応性デルタ圧力ゲ
ージにて測定され得る。圧力降下が十分に小さく流れの
制限を与えるものでないかどうかを決定する他の一つの
方法は、燃料燃焼速度、即ち単位時間当りに燃焼される
燃料のＩｌ−が十分な値であるかどうかを測定すること
である。

圧力降下が小さ過ぎる場合、即ち触媒床が小さ過ぎる場
合には、煙の迂回及び不完全な燃焼が発生することがあ
る。このことはストーブの排気中の煙を観察することに
よって検出される。

以上に於ては本発明をロジウム触媒について説明したが
、ルテニウム、ニッケル、パラジウム、酸化鉄、イリジ
ウム、プラチナの如き他の触媒や従来の燃焼触媒も有用
であることに留意されたい。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかがる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明による典型的な触媒
燃焼器の実施例を示す斜徊図である。 第３図は商業的に入手可能な触媒材料及び本発明による
触媒材料の燃焼活性を比較して示すグラフである。 １・・・キャニスタ、２・・・スクリーン、３・・・ベ
レット 特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　穀（自　発） １．事件の表示　　昭和５８年特許額第０１５３７７号
２、発明の名称　　触ＩＩ燃鏡− ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　アメリカ合衆国コネチカット州、ハートフォ
ード、フィナンシャル・プラグ　１ 名　称　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレイ
ション４、代理人 居　所　　〒１０４東京都中央区新川１丁目５醤１９号
茅場町長−ピル３１１Ｉ　　電話５５１−４１７１号」
をｒ特願昭５８−０１５３７８＠ｊと補正する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）木材や石炭を燃焼させるストーブに使用されるよ
   う構成された触媒燃焼器にして、硫黄に対する許容性を
   有し活性の高い口、ジウム燃焼触媒にて含浸された＾製
   置定性を有するランタンにて安定化されたアルミナ基体
   又はマグネシウムにて促進されランタンにて安定化され
   たアルミナ基体を含んでいることを特徴とする触媒燃焼
   器。
2. （２）空気入口セクションと燃焼セクションと燃焼及び
   未燃焼ガス排気セクションと該ガス排気セクションに設
   けられた触媒燃焼器とを含む固体燃料燃焼ストーブにし
   て、前記触媒燃焼器は硫黄に□対する許容性を有し活性
   の＾い０ジウム燃焼触媒にて含浸された高温宥定性を有
   するランタンにて安定化されたアルミナ基体又はマグネ
   シウムにて促進されランタンにて安定化されたアルミナ
   基体を含んでいることを特徴とする固体燃料燃焼ストー
   ブ。