JPS62252811A - 液体燃料の燃焼方法および装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、炭化水素系液体燃料の燃焼方法および装置に
関するもので、史に詳しくは灯軽油等の炭化水素系液体
燃料を触媒層で二段階反応させることにより無公害かつ
経済的に燃焼させる方法および装置に関するものである
。

［従来の技術］ 家庭用暖房器の燃料は、ＬＰＧなどのガス燃料、灯油等
の液体燃料及び燻炭等の固体燃料が一般に知られている
。従来、液体燃料は比較的安価で取扱いも容易であると
いう理由から家庭用暖房器用燃料として最も広く用いら
れてきた。しかしながら、石油ショック以降は価格が高
騰し、しかも不完全燃焼時に窒素酸化物（ＮＯｘ　）や
−酸化炭素（ＣＯ）といった公害ガスを発生するという
問題点がありガスや電気に対する相対的優位性が低下し
てきている。ところが固体燃料は灯油に比べれば一酸化
炭素等公書ガスの発生はが多く、固体のため取扱いが不
便である。またガス燃料も比較的クリーンな燃料とされ
ているが、ＬＰＧは石油精製による製造コストのため、
ＬＮＧは低温ガスタンク・タンカーによる貯蔵・輸送コ
ストのため液体燃料よりも高価であるとされている。

炭化水素系液体燃料の燃料装置は現（ｌ：、までに種々
の横這が考えられ、家庭用暖房器では石油ファンヒータ
ー等が実用化されている。近年燃料を酸化触媒と接触さ
せることにより酸化燃焼させる触媒燃焼装置が提案され
ている。この触媒燃焼装置の一例として、特開昭５７−
１８８９２１号を挙げることができる。これは、炭化水
素系燃料（特にガス燃料）をまず改質器に導入し分解軽
質化させ、さらに分解軽質化した生成物を下流の触媒燃
焼反応器を通過させることにより公害物質の発生を抑制
することを開示したものである。すなわち、第２図の如
く燃料と空気と水とを改質器（Ａ）へ導入し、その生成
物を改質器とは別個に設けられた下流の触媒燃焼反応器
（Ｂ）に空気とともに供給して燃焼させる装置である。

［発明が解決しようとする問題点］ 灯油等の液体燃料を用いたファンヒータが、一般家庭に
普及しはじめているが、このヒータ装置を作動させると
燃焼器ガスとしてＮＯＸが１００〜２００ｐｐＩ１１　
（４９６酸素の換算値）も発生するため、生活環境上間
ｍであるとのことから暖房器業界ではファンヒータに関
して自主規制値を設定しているほどである。ＮＯＸが発
生するメカニズムについて、ＮＯＸの原因物質を燃料中
に存在する窒素含有炭化水素化合物に求めるか、空気中
の窒素に求めるかに依り二つの説が支持されている。

これらの説に依ればＮＯＸを低減しようとすれば、燃料
中から窒素原子を除去するか燃焼条件をマイルドにして
空気中の窒素、と酸素が化合しにくくすれば良いことは
明らかである。

前記先行技術は触媒燃焼器に更に燃料改質器を組込むこ
とを提案しているが該改質器の分だけ装置が大型化する
とともに装置の製造コストが高くなってしまうという難
点がある。日本では住宅問題が深刻化しており、暖房器
の占める面積も極力小さいことが望まれ高価で大型の暖
房器は実用的ではない。また、先行技術には特にガス燃
料等（天然ガス５）をスチームや水とともに改質するこ
とを開示しているが、液体燃料をいかなる条件で燃焼さ
せたらよいかは何ら示唆するところがない。また液体燃
料を用いる場合、触媒面にタールが何首し性能を低下せ
しめるとの指摘がなされているが、具体的にいかなる運
転を行なえばかかる問題が回避しうるかは全く未解決の
ままであると占うことができる。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者らは、かかる問題点を解決すべく鋭意研究を積
重ねることにより液体燃料を特定条件で触媒層に供給し
二段階で反応させればその目的を達することができるこ
とを確認し本発明を完成させた。

・本発明の要旨は、炭化水素系液体燃料を触媒存在下で
燃焼させる方法において、まず液体燃料を触媒の存在下
１２００℃以下の温度で接触し酸化分解させ、次にその
分解生成物を該触媒の下流で気相燃焼させる液体燃料の
燃焼方法である。また本発明は、層の長さが１０〜２０
ｍｍの触媒を装置した燃焼装置である。

本発明の第１の目的は、液体燃料を効率的に触媒反応さ
せる燃焼方法を提供することである。また本発明の第２
の目的は、液体燃料をＮＯＸ等の公害物質を生ずること
なく安全かつ経済的に燃焼させるノｊ法を提供すること
である。

本発明において、燃料は常温で液体の炭化水素であり、
沸点が１２０℃〜４００℃の灯油、軽油およびＡ重油で
ある。原料は原油あるいは石炭液化物で、これら原料油
を常圧あるいは減圧下に蒸留して得られる留出油をさら
に分解あるいは精製して製造される。留出油の分解、精
製は通常、反応器内でシリカ、アルミナ或いはゼオライ
ト等に担持されたＮｉ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＷ等の第■族又
は第■族の金属からなる触媒を用いて高温、高圧化に処
理される。分解又は精製処理により、留出油から硫黄化
合物（メルカプタン等）や窒素化合物を除去するもので
、１−記処理により硫黄化合物含礒２山臓９・６以下好
ましくは０．２重徽％以下、窒素化合物１重量９６以下
、好ましくは０．０１重は？６以下の液体燃料が５Ｂ製
される。留出油の分解は、水素の存在下または不在下に
反応器で高温高圧条件で原料留出油（特に、軽油やＡ重
油、Ｂ重油）を触媒反応させる。原料油中の長鎖炭化水
素が、この分解反応で軽質化し同時に一部の硫黄化合物
や窒素化合物が硫化水素やアンモニアとして１余去され
る。

本発明において用いられる触媒は、通気性の良い担体構
造を有するノ１ニカム等に、活性の高い貴金属が担［ｊ
ｉされた触媒が用いられる。

すなわち、担体はハニカム構造、海綿構造といった大口
径の気孔が多く燃料を比較的小さな抵抗で流通しうるち
のが採用される。好ましいのはハニカム担体でこの概観
は第３図に示した。セル（１５）は８０〜２５０セル／
ｉｎ２特に１００〜２００セル／ｉｎ２であり、担体の
長さく燃料の流通方向）は、特に１０〜２０ｍｍの担体
が好ましく使用される。長さがこの範囲内にある時、通
過する燃料が効率的に反応を起し安定的に燃焼する。燃
料の酸化分解反応は触媒層の表面において生起し、さら
にその下流において該燃料の酸化分解生成物が燃焼反応
を生起する。従って、担体が１０ｍｍ未満では燃料の酸
化分解反応のみが生起しその燃焼反応が不充分となり、
燃料が不完全燃焼となる。一方、担体が２１ｍｍ以上で
は燃料の酸化分解生成物による著しい燃焼熱が発生する
ため担体温度が高まり触媒が溶損するという問題を惹起
しやすい。担体の成分は、耐熱性と強度に優れるセラミ
ックスが採用され、例えば、アルミナ、シリカ、シリカ
アルミナ、ジルコニア、コージェライト、ゼオライト、
珪藻１　、ムライト、スポンデュメン、シリコンカーバ
イト、シリコンナイトライド及びそれらの混合物が挙げ
られる。このうちコージェライト及びムライトは原料が
豊富で成型性も良好で、かつ約１２００℃以下の温度条
件であれば長期間溶損による変形がなく性能が維持され
るので本発明において好ましく使用しうる。

本発明の触媒は、上記担体に活性金属を０，０１〜５．
０重量９６、好ましくは０．１〜１．０重Ｑ　ｑ（ｌ担
持したものである。活性金属は、周期律表第■族の白金
、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及びオスミウム或
いは、コバルト、ニッケル、鉄もしくは第■族のタング
ステン、モリブデン、クロムから選択される。比較的低
温活性が高いということから、白金、パラジウム、ロジ
ウムまたはルテニウムが好ましい。

触媒は種々の方法で調製されるが、次に含浸法による本
発明の触媒調製法を例示する。セラミ・ツク製ハニカム
表面に触媒金属を高分散状態で担持するために、まず、
ハニカム構造をアルミナで波型する。アルミナはα−ア
ルミナを除く転移アルミナを用い、酢酸、塩酸又は硝酸
などの酸性水性懸濁液を調製する。（例えば２０．０ｇ
の転移アルミナ、１．２ｇのａＨＮＯ，７８，８ｇの水
）この懸濁液にハニカム担体を浸積した後、乾燥および
約５００　’Ｃで空気燃焼して３〜１０ｆｆｉ量９６の
アルミナを彼工したハニカムを得る。これは表面に多数
の小孔を持ち触媒を担持したとき金属が孔中にぽ人し表
面」−の露出金属の濃度を少くする。

このためこれら小孔を少くするため空気中６００〜１２
００’Ｃ，１〜１０時間］″−備か焼する。担持する触
媒金属は貴金属でその塩化物、臭化物等のハロゲン化合
物あるいは硝酸塩、炭酸塩等の化合物から選択される一
種又は二種以りが用いられ、例えば白金であれば塩化白
金酸（Ｉ（ＰｔＣ１６）パラジウムであれば塩化パラジ
ウム酸（Ｈ２ＰｄＣ１４）、またルテニウムであれば塩
化ルテニウム（Ｒｕ　Ｃｌ　３）などが例示される。さ
らに分散性の良＆Ｔな貴金属触媒を得るために例えば第
一塩化パラジウム酸カリウムや第一塩化パラジウム酸ナ
トリウムのような貴金属系アルカリ塩を用いる。

また貴金属浸漬液中に塩化カリウムや塩化ナトリウムの
如きアルカリハライドを共存させる事により、貴金属の
高分散性か実現できる。これらの溶液にアルミナ波型ハ
ニカムを浸積することにより触媒金属化合物を含浸させ
る。含浸量は溶液濃度および浸漬時間を調節することに
より行なうことができる。次にこれを６０〜２００℃で
空気乾燥し次いで２５０〜４５０℃で含浸化合物を分解
するがこれを省いてこれを直接還元することもできる。

残存する塩素は酸化分解反応を阻害するので、あらかじ
めヒドラジンの如きアルカリ性還元剤を用いて脱塩素す
ればよい。例えば１０％水素気流中で４００〜６００℃
、２４時間で還元し最終的に０．０１〜５．０重量９６
の触媒金属を担持したハニカム触媒が調製される。

次に本発明の燃焼方法および装置の一例を第１図を用い
て説明する。液体燃料は、第１図に示した燃焼装置によ
って燃焼される。装置本体は、燃料または燃焼用空気の
導入部、気化部及び分解反応部とから構成される。導入
部は、液体燃料導管（１）および燃焼用空気導入管（２
）から構成され、該燃料導管は気化室（３）の回転円板
（４）の一端に開口している。液体燃料は、気化室下流
の電気ヒータ（５）により加熱された金属壁面一（６）
と接触して気化し、さらに後方の分解反応燃焼部へと流
下する。分解反応燃焼部は、セラミックフオーム（１０
）、ハニカム触ｆｉ　（１１）および断熱材（１２）で
構成される。セラミックフオームは、アルミナ、シリカ
等のセラミックス粉体に発泡剤を混和して多孔質化した
もので、触媒層とほぼ同一の厚さく５〜３０報）に形成
されている。触媒層とほぼ同一の厚さく特に８〜２５■
ｍ）に形成されている為に比較的抵抗が小さく触媒保護
効果も大きい。。断熱材はセラミツフッオーム及びハニ
カム触媒からなる分解反応燃焼部材を囲み外部への熱の
流出を抑制するものである。

断熱材は、セラミックファイバーや耐火レンガ等の公知
の材料を用いることができる。気化室にて気化された燃
料は、空気とともに該分解反応燃焼部へ導入される。燃
料は、セラミックフオームによって空気と均密に混合さ
れて該フオームと端部が接する触媒 層へ流入される。触媒層への燃料流量は、０．　７〜７
　Ｋｃａｌ／ｃｍ３Ｈ特に１〜６　Ｋｃａｌ／　Ｃｆｆ
１３　’　Ｈに制御される。また触媒層の温度は、１２
００℃以下で特に５００〜１２００℃の範囲内に設定さ
れる。

燃料は、触媒層表面付近で分解酸化反応を起こし、その
下流において気相燃焼反応を生起する。なお、混合気は
触媒下流で適切な方法で着火され気相燃焼を開始するが
、そのとき空気量を絞って気相燃焼を起し易くする操作
が必要となる。炎により触媒が加熱され気相燃焼の一部
が触媒燃焼に移行し始めると共に触媒温度も上昇するの
で、１２００℃を越えぬように空気量を増大して調節す
る。本発明者らは、燃料流量が１〜５ｇ／ｍｉｎにおい
て触媒温度を８００〜１１００℃とした時に、触媒燃焼
と気相燃焼が同時に起こり低ＮＯＸクリーン燃焼が達成
しうることを確認した。

［作　用］ 本発明の燃焼方法によって液体炭化水素系燃料を燃焼さ
せれば、ＮＯＸやＣＯ等の有害ガスが発生しない。この
作用機構は、大よそ次のように推考することができる。

液体燃料を気化させ燃焼させる場合、無触媒下では燃焼
Ｗ期に気化に伴う加熱、脱水素、水素化分解及びスチー
ムリフォーミング等の吸熱反応が進行する。本発明の如
く触媒表面層で、これらの吸熱反応を進行させると触媒
が酸化促進作用を付与するとともに、触媒担体が釘する
保温効果などにより吸熱反応に必要な熱の供給がなされ
る。このため、触媒層ではその表面から下流層に至るま
で温度分布が狭く局部的に高温に達することはない。更
に、触媒表面付近での吸熱反応や部分酸化反応によって
生成した分−解ガスは大半が軽質のガス状燃料なため反
応性が高いので下流の無触媒領域においても、従来より
も低温で完全に酸化反応か進行する。ＮＯＸの発生は１
５００℃以上の品温燃焼雰囲気において発生量が急増す
るが、本発明では上記のように１２００℃以上で触媒反
応させその分解ガスを比較的低温条件下で燃焼させるた
めＮＯＸの生成が抑制されるものと考えられる。

［実施例］ 灯油（沸点１４５〜２５０°Ｃ）を第１図に示す燃焼装
置により燃焼させ、燃焼により発生したガスを分析した
。触媒は貴金属系Ｉ＼ニカム触媒（ツクラジウムを０．
１６ｉ１？、ｌｌＳ％含何するコージェライト）で、触
媒層は８０セル／ｉｎ２で直径４０ｍｍかつ長さ２０＋
＋ｕ＋＋の円筒型触媒を用いた。灯油を空気と混合して
触媒層へ１．０〜５．　０ｇ／ｗｉｎ　　（熱負荷で１
．１〜５　、　５　Ｋｃａｌ／ｃ＋ｎ３Ｈ）の条件で供
給し、燃焼させた。空気流量を調節し、８４０℃、９６
０℃及び１０８０°Ｃの触媒温度に設定し各々について
燃焼生成ガス中のＮＯＸ、Ｃｏ及びｍ（空気比゛）を測
定した。

この結果、第４図に示すように１０８０℃以ドの温は、
５．０ｇ／ｌｌ１ｉｎ以ドの燃料流量について低ＮＯＸ
、低ＣＯのクリーン燃焼がｎＪ能なことか確認された。

別の実験を行なったところ４５０℃以下の温度では未燃
焼成分、ＣＯが激増し、又１２５０℃以１−では触媒が
溶損しクリーンな燃焼が得られなかった。更に熱負荷が
０　、　９　Ｋｃａｌ／　ｃｍ３Ｈ以下では炎燃焼か触
媒１．流側へ移行する、いわゆる逆火現象が起って１Ｆ
常な燃焼を維持することが出来なか　゛った。逆に熱負
荷が７　、　１　Ｋｃａｌ／　ａｍ”　Ｈ以−Ｌでは触
媒温度を規定の値に維持するために空気の流速が大きく
なって不完全燃焼を来した。

−）ｊ　、ハニカム触媒の長さが９　ｉｎ以下では不完
全燃焼のためＣＯが激増し、又２１ｍｍ以上では触媒の
温度が上昇し溶損した。更にセル数が７９セル／ｉｎ２
以ドでは同様に不完全燃焼を起こし又、２０１セル以上
では触媒の溶損を来たしいずれもクリーンな燃焼を構成
できなかった。

［発明の効果コ 本発明は、特定の触媒存在ドに灯油、軽油等の液体燃料
を部分的に酸化改質ガス化させ、史に継続的に気相燃焼
させるから、比較的低温で完全燃焼させることができる
。また、触媒層において狭い温度範囲で燃焼反応が進行
するため、ＮＯＸの生成が少なくクリーン燃焼が達成で
きる。従来の触媒燃焼と比べ、触媒必要量が少なく容積
燃焼率を高めることができるので、コンパクトで取扱い
も容易な装置が提供できる等の効果が得られるから、本
発明は産業上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の燃焼装置を示す説明図、第２図は先
行技術の概要を示す説明図、第３図は本発明で用いる触
媒の外観を示す斜視図である。 第４図は、実施例に示した実験によって得られた結果の
グラフである。 １０　セラミックフオーム １１　触媒層 １５　セル 第１図 、〜３　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）炭化水素系液体燃料を触媒存在下で燃焼させる方法
   において、まず液体燃料を触媒の存在下、１２００℃以
   下の温度で酸化分解させ、次にその分解生成物を該触媒
   の下流で気相燃焼させることを特徴とする液体燃料の方
   法。 ２）酸化分解を５００〜１２００℃のの温度範囲で行な
   うことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法
   。 ３）燃料流量を１〜６Ｋｃａｌ／ｃｍ＾３Ｈとする特許
   請求の範囲第１項に記載の方法。 ４）触媒のセル数が８０〜２００セル／ｉｎ＾２である
   特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ５）触媒層の長さが１０〜２０ｍｍである特許請求の範
   囲第１項に記載の方法。 ６）触媒が貴金属系触媒である特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ７）貴金属系触媒が、白金、パラジウム、ロジウムおよ
   びルテニウムから選択される１種または２種以上である
   特許請求の範囲第６項に記載の方法。 ８）触媒の担持量が０．０１〜５重量％である特許請求
   の範囲第１項に記載の方法。 ９）液体燃料導入部、燃焼用空気導入部、気化部及び分
   解反応部から装置本体を構成し、該分解反応部には層の
   長さが１０〜２０ｍｍのハニカム型触媒を装着してなる
   液体燃料燃焼装置。