JPS61153404A - 触媒バ−ナ - 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） 本発明は触媒バーナに係り、特に安全運転と熱損失の防
止等に好適な触媒接触式バーナに関するものである。

（従来の技術） 燃焼方法として、通常の気相燃焼方式のものと、白金、
パラジウムおよびロジウム等の貴金属や酸化第二鉄、酸
化コバルトおよび酸化ニッケル等の金属酸化物から選ば
れるものを担持せしめた触媒の存在下で接触燃焼を行う
方式のもとか、一般に知られている。前者の気相燃焼方
式では、発熱（火炎発生）空間が限定されるため、局部
的に２０００℃付近あるいはそれ以上に達する高温領域
が存在し易く、然して窒素酸化物の発生をさけることが
本質的に困難である。また、この方式では、燃料と酸素
がいわゆる可燃範囲に混合されることが必要なため空燃
比についての制限があり、空燃比が適切に保持されない
場合には、煤塵の発生とともに燃焼効率の低下あるいは
燃焼不能の事態を招くといった問題がある。さらに、金
属の熱処理炉等ではせいぜい１０００℃程度あるいはそ
れ以下の温度で十分な場合が多いので、このような方面
に必ずしも通さないという問題もある。

一方、後者の接触燃焼方式によれば空燃比の面で気相燃
焼方式に比べ安定した燃焼が行える。すなわち、この方
式によれば燃料濃度がいわゆる可燃範囲より低い場合で
あっても、燃焼反応を持続させることができる上、気相
燃焼方式の場合よりも低い温度で燃焼が可能となるから
である。このように接触燃焼方式はすぐれた特徴を有す
るため、燃料資源の多様化や低公害燃焼といった最近の
要請に沿って石油精製プラントや製鉄所等におけるオフ
ガスの処理および自動車排気ガスの浄化等に代表される
従来からの熱利用分野のみならず、前記した金属等の熱
処理炉、その他の加熱装置およびガスタービン等に対し
ても通用が進んでいる。

従来のこの種の接触燃焼装置は、第６図に示す通り、加
熱炉３０、加熱炉炉壁１に取り付けられた複数個の触媒
バーナ３３、燃焼用空気４１および／または燃焼ガス４
２を触媒バーナ３３の風箱部へ供給するための送風機３
４、燃料４３を触媒バーナ３３へ供給するためのポンプ
３５および燃焼ガス２６の循環ライン等から主に構成さ
れる。

また、上記の触媒バーナ３３は、第７図に示すごとく、
ケーシング４６と断熱材２０とからなる外壁で囲われた
バーナポート４、その炉内側端部に設けられた燃焼触媒
層２）同上流入口側端部に設けられた燃料ノズル５、バ
ーナポート４の上流側に連設された風箱３、該風箱３の
下流の側端部に設けられた旋回器４５から主に構成され
る。このような構成の接触燃焼装置において、加熱炉３
０内に挿入された金属製品等の被加熱物３１の加熱処理
が行われるが、これはまず送風機３４の起動とこれに続
く空気ダンパ３７および混合ダンパ３９の開操作により
、燃焼用空気４１を触媒バーナ３３へ送ることにより開
始される。次に、燃料ポンプ３５の起動とこれに続く燃
料弁４０の開操作により燃料ノズル５から燃料４３が噴
射、点火され、気相燃焼により燃焼触媒層２が反応開始
温度まで昇温される。この間は燃焼ガスダンパ３８が閉
に保たれ、発生する燃焼ガス２６は全量煙突３６から排
出される。燃焼触媒層２の温度が反応開始温度に達した
ところで燃料弁４０が絞られ、然して燃料噴射量は低減
されるが、このようにすることによりもはや気相燃焼を
持続することができなくなるので、バーナポート４内で
は空気と燃料の混合気２５が形成され、これは燃焼触媒
層２へ送られて接触燃焼反応に供される。なお、このよ
うに燃料噴射量が減少する場合には投入熱量も少なくな
るが、燃料を絞るに従って燃焼ガスダンパ３８を開くと
ともに、空気ダンパ３７の開度を減じて燃焼ガス２６を
循環させ、排熱の回収を計るようにすれば、加熱炉３内
の温度に与える影響を少なくすることができる。また、
旋回器４５を備えたことにより燃料と空気の混合がよく
なり、気相燃焼時には短炎化、接触燃焼時には燃焼触媒
層２の温度を均一化せしめることができる。このように
、従来の接触燃焼装置による場合でもある程度良好な接
触燃焼が可能である。しかし、従来の触媒バーナでは、
接触燃焼反応が始まると燃焼触媒層２が８００°Ｃ以上
の赤熱状態となるため、これから発せられる輻射熱５２
により燃料ノズル５の先端部が加熱されるという問題が
ある。ちなみに、燃料ノズル５から噴射された燃料２４
は、燃料ノズル５の近傍では燃焼ガスまたは空気による
稀釈が不十分なため可燃限界以上の濃度になっており、
従って燃料ノズル５およびその周辺が着火温度以上にな
っていれば容易に着火し、いわゆる逆火現象を生ずるこ
ととなる。このような現象が触媒バーナの定常運転時に
発生すると、この場合には前述したごとく多量の燃焼ガ
スを循環せしめて風箱３およびバーナポート４内の酸素
分圧を低下させているため不完全燃焼となり、発生未燃
分が燃焼触媒層に詰まって圧力損失の増加や触媒機能の
劣化原因となる上、不安定な火炎による局所加熱により
、触媒が焼損したりひび割れしたりする恐れもある。さ
らに、加熱炉等の熱処理装置はその性質上完全な密封状
態とはなっていないので、−酸化炭素等の有毒性未燃分
が装置へ漏洩する等の危険もある。

このような連化現象を防ぐものとして、第８図に示すご
とく燃焼触媒層２の混合気２５流入側端邪に触媒未担持
部４７を設け、混合気流入側端部の温度を下げることに
より逆火を防止する方法（実開５７−１０８５１２およ
び実開５７−１０８５１３）、第９図に示すごとく、燃
焼触媒層２に設けられた流路４８となる小孔の形状を、
混合気２５の流入側では小さく、下流側では大きくなる
ようにして混合気流入部の流速を上げ、逆火を防ぐ方法
（特開５Ｂ−６２４１６）、第１０図に示すごとく、主
触媒Ｎ４９の上流に開口面積が小さい副触媒層５０を設
け、第８図の場合と同様にして逆火を防ぐ方法（特開５
８−１２３０１３）、および第１１図に示すごとく、燃
焼触媒層２の上流にセラミックヒータで形成される多孔
板５１を設け、以って逆火を防ぐとともに高温触媒燃焼
を可能ならしめる方法等が知られている。しかるに、第
９図に示す方法は混合気側に面する触媒層の温度低下を
目的とするものであるが、短時間の運転であればともか
く、金属熱処理炉等のように長時間の運転を必要とする
場合には、熱伝導により触媒層全体の温度が上昇するの
で、その一部分のみを低温に保つことは不可能となる。

また、第９図および第１０図の方法においても、触媒層
の温度が上昇するのは第９図の場合と同様であり、加え
て流速の増加は反応率の低下と流動抵抗、すなわち圧力
損失の増加を招くばかりであり、好ましくない。第１１
図の方法は、輻射熱を防ぐ点に関する限り上記の各方法
より効果はあるが、触媒層２が高温になれば多孔板５１
の温度も上がって、これからの再輻射量が増加すること
となるので、逆火を防ぐことにはならない。かつこの場
合には、圧力損失が一層増加するという問題もある。こ
のような逆火防止上の問題に加え、従来の触媒バーナに
は以下の問題もある。すなわち、加熱炉等には通常、複
数個の触媒バーナが設けれらているが、触媒バーナの故
障あるいは加熱炉の部分負荷運転等によって一部バーナ
の運転が停止されることがあるが、このような場合、安
全および熱効率上等の観点から加熱炉内の燃焼ガスを停
止バーナ側へ漏洩させないことが必要とされている。し
かし、従来の触媒バーナはかかる機能を備えていない。

もちろん、このような場合には混合ダンパの閉操作が行
われるが、このような操作のみでは十分とは言えない。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、運
転時での逆火防止と部分停止時での熟損出や炉内ガスの
漏洩を防止できる触媒バーナを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明は、燃焼用空気およ
び／または燃焼ガスが供給される風箱と、この風箱に連
通ずる、接触燃焼触媒層を有するバーナポートと、該接
触燃焼触媒層の上流側に燃料供給制御弁を介して設けら
れる接触燃焼用燃料ノズルとを備えた触媒バーナにおい
て、上記風箱の径をバーナポートのそれより大径にする
とともに、上記接触燃焼用燃料ノズルの燃料噴射口を風
箱内において接触燃焼触媒層からの輻射根を回避できる
死角空間に設け、かつ風箱とバーナポートの境界部に両
者を遮断自在とする遮断装置を設けたことを特徴とする
。なお、本発明の好適態様において、上記の燃料供給制
御弁は遮断装置の作動に応じて操作されるように構成す
ることが、炉内ガスの漏洩を確実に防止する上から望ま
しい。

本発明において、風箱の径をバーナポートのそれより大
径にすることにより、接触燃焼触媒層からの輻射熱を回
避できる死角空間を設けることができる。

また接触燃焼用燃料ノズルの燃料噴射口をこのような死
角空間に設けることにより、噴射直後の稀釈が不十分な
高濃度（可燃限界以上）燃料に輻射熱が作用することは
なくなり、従って逆火現象を防止することができる。

風箱とバーナポートの境界部に設けられる遮断装置は、
触媒バーナの停止時に両者を遮断し、風箱内への炉内ガ
スの漏洩を防止できるものであればどのようなものでも
よいが、特に可動栓またはダンパが好ましい。

（実施例） 以下、図面に示す実施例により本発明をさらに詳しくは
説明する。

第１図は、本発明の実施例に係る触媒バーナの側断面図
、第２図は、第１図のＡ−Ａ’方向視図を示すもので、
このものは、第７図に示す同一符号とその説明が同様に
参照される部分と、第７図に示す風箱３に替えて設けら
れた、バーナポート４より大径の風箱３Ａと、この風箱
３Ａ内において燃焼触媒層２からの輻射熱５２を回避で
きる死角空間５４に設けられた接触燃焼用燃料の噴射口
８と、風箱３Ａ内をバーナの軸心方向へ移動可能とされ
た台形断面の可動栓１３とから主に構成される。なお、
図中、１９は後記制御部２１の指示下に接触燃焼用燃料
４３の供給量制御を行う制御弁、６は該制御弁通過後の
接触燃料用燃料を分配、供給するためのリングヘッダ、
７はリングヘッダ６から分配、供給される接触燃焼用燃
料を燃料噴射口８へ案内するためのノズル、１５はバー
ナの軸心方向へ摺動自在とされた可動栓１３の支持用中
空摺動棹、４２は可動栓１３を圧接下に嵌合可能とする
ためのバーナポート４の上流側入口部に設けられた同形
の切込み部、１７は可動栓１３が切込み部４２に圧接、
嵌合されるとマイクロスイッチ２７に当接するように摺
動棹１５上に立設された遮断位置指示棒、１８はマイク
ロスイッチ２７の作動信号を（制御弁）制御部２１へ入
力するためのケーブルである。また、ＩＩＡは第７図に
示すケーシング４６および１１に替る共通のケーシング
、５Ａは設置位置が風箱３Ａ内とされ、かつ使用燃料が
昇温燃焼用燃料４３Ａのみに限定される以外は第７図の
燃料ノズル５と同様な構造の昇温燃焼用燃料ノズル、９
は空気および／または燃焼ガスの導入口、１０は加熱炉
壁ケーシング、１２は該ケーシング１０にケーシングＩ
ＩＡを固定するためのフランジ、１４および１６はそれ
ぞれ摺動棹１５のシール機構、５３は輻射熱作用空間を
示す。

このような構成の触媒バーナにおいて、まず空気４１が
風箱３Ａ内に供給され、次いでノズル５Ａから昇温燃焼
用燃料４３Ａが噴射、転化されて気相燃焼が開始され、
然して燃焼触媒層２が加熱昇温される。燃焼触媒層２の
温度が反応開始温度以上に達したところで昇温燃焼用燃
料４３Ａの供給が絞られ、代わりに燃料供給制御弁１９
を開くことにより、接触燃焼用燃料４３Ｂがリングヘッ
ダ６および接触燃焼用燃料ノズル７を経たのち噴射口８
から風箱３Ａ内の中心部へ向けて噴射される。か（して
噴射された燃料２４Ｂは、空気導入口９を経て供給され
る空気および／または燃焼ガス２６と混合、稀釈された
のち燃焼触媒層２に送られ接触燃焼される。このとき全
投入燃料量は減少するが、加熱炉から排出される燃焼ガ
スを循環せしめ、高温の燃焼ガス２６として導入口９か
ら風箱３Ａ内へ導入して熱回収を計れば、必要な導入熱
量を確保することができる。

ところで、噴射口８から噴射された燃料２４Ｂは、噴射
直後は濃度が高いため、気相燃焼における可燃範囲にあ
るが、上記噴射口８が高温下にある燃焼触媒層２からの
輻射熱５２を回避できる死角空間５４に位置しているた
め着火することばない。噴射燃料は次いで輻射熱作用空
間５３に達するが、このときには十分稀釈、混合されて
気相燃焼における可燃範囲外となっているので逆火の危
険はない。

以上は通常運転時について説明したものであるが、加熱
炉の部分負荷運転時あるいは故障等で加熱炉運転中にも
かかわらず当該バーナを停止しておく必要のある場合に
は、可動栓１３を炉内側へ圧着するまで移動させること
によりバーナポート４の遮断が行われる。これにより、
加熱炉炉内から燃焼ガスが停止バーナの風箱３Ａ側へリ
ークすることはなくなるので、該風箱や昇温燃焼用燃料
ノズル５Ａの加熱といった安全および熱損失等の観点か
ら見て好ましからざる事態をさけることができる。また
バーナポート４が上記遮断状態にある場合には、摺動棹
１５に立設された遮断位置指示棒１７がマイクロスイッ
チ２７に当接し゛てこれを作動せしめ、この信号がケー
ブル１８を経て制御部２１に送られ、制御弁１９の閉操
作が行われる。これにより、接触燃焼用燃料４３Ｂが風
箱３Ａ内へ誤って噴射されることが回避される。

さらに、可動栓１７を例えば破線の１３２に示すごとく
中間位置に保てば、噴射燃料２４Ｂはこれに衝突して分
散化が促進されるので、燃焼触媒層２に送られる混合気
２５の濃度をより均一化することができる。これにより
反応の均等化が達成されるため、触媒上の温度分布が均
一化される上、局部加熱により触媒が割れるといった問
題がなくなる等の実施例特有の効果も得られる。

以上は、本発明の典型的な実施例について説明したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形や
応用が可能である。例えば、第３図に示すごとく、空気
および／または燃焼ガスの導入口を旋回方向イが得られ
るように風箱３Ａの中心に対して偏心させた９Ａとする
とともに、接触燃焼用燃料ノズルの噴射孔を上記旋回方
向イに対し逆方向となるような８Ａとすれば、風箱３Ａ
内における接触用燃料と空気および／または燃焼ガスと
の混合を一層促進することができる。

また、第４図および第５図に示すごとく、バーナポート
の遮断手段として水平方向（口参照）に摺動自在とされ
た摺動ダンパ２８を設けることもでき、同様な効果が達
成される。なお、第５図において、１７Ａは該摺動ダン
パ２８の上面に立設された遮断位置指示棒、２９はシー
ル機構である。

バーナポートの遮断状態検出機構としては、前記第１図
および第５図に示したような遮断位置指示棒とマイクロ
スイッチの組合わせに限らず、可動栓や摺動ダンパ等の
位置の変化を検出して燃料供給制御弁を作動可能とする
ものや、風箱内圧の急激な上昇を検出して燃料供給制御
弁を閉作動させるもの等でもよく、同様な安全上の効果
が得られる。

（発明の効果） 以上、本発明によれば、接触燃焼用燃料ノズルの燃料噴
射口を風箱内において接触燃焼触媒層からの輻射熱を回
避できる死角空間に設け：かつ風箱とバーナポートの境
界部に両者を遮断自在とする遮断装置を設けたことによ
り、通常運転時には噴射直後の空気および／または燃焼
ガスによる稀釈が不十分な高濃度燃料に輻射熱が作用す
ることはなくなるので逆火現象を防止でき、また部分停
止時には、遮断装置の作動により炉内ガスが風箱を経て
外部へ漏洩する等の危険を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係る触媒バーナの側断面図
、第２図は、第１図のＡ−Ａ　’方向に沿った視図、第
３図は、本発明の他の実施例に係る触媒バーナを第１図
のＢ−Ｂ“方向に沿って示す視図、第４図は、本発明の
他の実施例に係る触媒バーナの側断面図、第５図は、第
４図のＣ−Ｃ“方向に沿った視図、第６図は、従来の接
触燃焼装置の主要部側断面系統図、第７図は、従来の触
媒バーナの側断面図、第８〜第１１図は、それぞれ他の
従来触媒バーナの部分側断面図である。 １・・・加熱炉炉壁、２・・・燃焼触媒層、３．３Ａ・
・・風箱、４・・・バーナポート、５・・・燃料ノズル
、５Ａ・・・昇温燃焼用燃料ノズル、６・・・リングヘ
ッダ、７・・・接触燃焼用燃料ノズル、８．８Ａ・・・
燃料噴射口、１１、ＩＩＡ、４６・・・ケーシング、１
３・・・可動栓、１４．１６．２９・・・シール機構、
１５・・・摺動棹、１７．１７Ａ・・・遮断位置指示棒
、１９・・・燃料供給制御弁、２０・・・断熱材、２４
．２４Ｂ・・・噴射燃料、２５・・・混合気、２６・・
・燃焼ガス、２７・・・マイクロスイッチ、２８・・・
摺動ダンパ、３ｏ・・・加熱炉、３１・・・被加熱物、
３３・・・触媒バーナ、４１・・・燃焼用空気、４２・
・・切込み部、４３・・・燃料、４３Ａ・・・昇温燃焼
用燃料、４３Ｂ・・・接触燃焼用燃料、４５・・・旋回
器、４７・・・触媒未担持部、４８・・・流路、４９・
・・主触媒層、５０・・・副触媒層、５１・・・多孔板
、５２・・・輻射熱、５３・・・輻射熱作用空間、５４
・・・輻射熱回避死角空間。 代理人　弁理士　川　北　武　長 第２図 第４図 ２８：摺動７ンパ ３０：如妃が′ 第７図 第８図 第９図　　　　第１０図 第１１図 ４８：ｉ路 η

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼用空気および／または燃焼ガスが供給される
   風箱と、この風箱に連通する、接触燃焼触媒層を有する
   バーナポートと、該接触燃焼触媒層の上流側に燃料供給
   制御弁を介して設けられる接触燃焼用燃料ノズルとを備
   えた触媒バーナにおいて、上記風箱の径をバーナポート
   のそれより大径にするとともに、上記接触燃焼用燃料ノ
   ズルの燃料噴射口を風箱内において接触燃焼触媒層から
   の輻射熱を回避できる死角空間に設け、かつ風箱とバー
   ナポートの境界部に両者を遮断自在とする遮断装置を設
   けたことを特徴とする触媒バーナ。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、上記燃料供給制
   御弁は遮断装置の作動に応じて操作されることを特徴と
   する触媒バーナ。