JP3732034B2

JP3732034B2 - ハイブリッド触媒燃焼装置及び燃焼方法

Info

Publication number: JP3732034B2
Application number: JP04639999A
Authority: JP
Inventors: 博己貞森
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: JP2000240907A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、触媒燃焼部の下流側に気相燃焼部を備え、触媒燃焼部において燃料の一部を、前記気相燃焼部で燃料の残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼技術の応用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用室内開放型温風暖房機、コジェネレーション、発電用ガスタービン燃焼機器等、高空気比で作動される機器にあっては、高空気比における燃焼安定性の向上によって、大幅な低ＮＯｘ化が図られる可能性がある。一方、これらの機器にあっては、一層低ＮＯｘ化の要望がある。中でも、家庭用室内開放型温風暖房機は、生活空間に直接排気を放出しているので、ＮＯｘ１ｐｐｍ（酸素０％）以下の極限までの低ＮＯｘ化が望まれている。
【０００３】
図７に示すように、燃焼室３内に、燃焼触媒を充填した触媒燃焼部１とそれに続く気相燃焼部２とを設け、断熱理論燃焼温度１５００℃以下（空気比約１．６以上）の燃料と空気の混合ガスを、触媒燃焼部で部分的に接触酸化燃焼し、その後流の気相燃焼部で気相酸化を誘発して完全燃焼させる方式（ハイブリッド触媒燃焼方式と称される）が、超低ＮＯｘ達成手段として提案されている（特表平６−５０６２９０）。
【０００４】
このようなハイブリッド触媒燃焼は、触媒燃焼部で部分的に燃焼させる手段として、触媒活性物質を燃料であるメタンに対して最も低温活性が高く、高温で自己反応抑制作用のあるパラジウムを主体とすること、更に、金属ハニカムを触媒基体として、触媒コート層（セル）とコートしない層（セル）とを隣接させ、触媒酸化による発熱を連接の無触媒層を通過する予混合ガスと熱交換させ、物理的に過昇温を防止すること等の手段をとることにより、触媒燃焼部内にある触媒層では２０〜７０％が接触酸化され、触媒温度は７００〜９５０℃とされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなハイブリッド触媒燃焼において、超低ＮＯｘ化を実現するためには、より高空気比条件で燃焼させることが必要である。しかし、高空気比で燃焼を行った場合、不完全燃焼が起こりやすく、安定して燃焼させることが困難であり、ＣＯ等の不完全燃焼成分の発生を抑制する必要がある。
又、家庭用暖房機へ用いる燃焼器においては、ガスタービンへ用いるものと異なって、燃焼器へ導入される空気を予め加温することが困難で、又、燃焼器から排出されるガス温度は１００℃程度でも充分である。一方、ハイブリッド触媒燃焼を行うためには触媒に導入される燃料と空気の混合ガス温度は燃料の種類に依存するが２００〜６００℃に予熱されている必要がある。
【０００６】
又、従来の家庭用暖房機への応用を目指したハイブリッド触媒燃焼装置は触媒酸化が比較的容易な灯油系液体燃料用を意図したものである。
このような燃焼器を触媒酸化活性が最も低いメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス系燃料へは応用し難い問題があった。つまり都市ガス、天然ガス系燃料に応用する場合には、触媒へ導入される混合ガスの予熱温度は灯油系液体燃料のそれに比べて１００〜２００℃高く設定する必要がある。このために、混合ガスの予熱を大きくするために大きい熱交換器を取り付けた場合、その圧力損失や燃焼器自体の増大化の問題が生じ、そのために触媒及び気相燃焼部を更にコンパクトに設計する必要があり、上記の混合ガス側の熱交換器のみでの熱移動では充分ではなく、必要な予熱を達成できない。
従って、主として都市ガス、天然ガス系燃料に応用する燃焼器は、更に改良した燃焼器構造の開発が必要であった。
【０００７】
よって、本発明は、このような事情に鑑みて、超低ＮＯｘ燃焼を実現するとともに、燃焼安定性に優れたハイブリッド触媒燃焼を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
ハイブリッド触媒燃焼装置では、燃焼装置からの排ガスが持ち去る顕熱損失を抑制することが重要であり、本発明にあっては、燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、前記燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、前記触媒燃焼部の下流側に気相燃焼部を備え、前記触媒燃焼部において燃料と空気の混合ガスの一部を、前記気相燃焼部で混合ガスの残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼装置を構成するに、請求項１に記載されているように、前記気相燃焼部の出口部に、通気性を有し、気体の顕熱を輻射に変換して上流側に放出する伝熱変換体を備える。
即ち、本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、燃焼触媒からなる触媒燃焼部、その下流側の気相燃焼部からなる燃焼室の出口部に排ガスの顕熱を輻射に変換し、その上流側に放出する伝熱変換体を配置し、触媒燃焼部において混合ガスの一部を、気相燃焼部において混合ガスの残部を燃焼させ、排ガスが気相燃焼部から伝熱変換体を通って排出される構成とする。排ガスの顕熱により加熱された伝熱変換体は上流側の燃焼室に優先的に放射伝熱されるので、燃焼室からの対流熱損失を抑制し、熱を好適に上流側へフィードバックすることができ、より高い空気比で運転しても、燃焼が安定し、燃焼反応のピーク温度を下げることにより、一層の低ＮＯｘを達成できる。
【０００９】
このようなハイブリッド触媒燃焼装置は、請求項２に記載されているように、前記伝熱変換体が、三次元骨格構造のセラミックフォーム、若しくはハニカム構造のセラミックで構成されることが好ましい。
このように、伝熱変換体がセラミックフォーム、若しくはセラミックハニカムで構成されていることにより、伝熱変換体は大きな骨格表面積を持ち、効率よく排ガスの顕熱が伝熱変換体へ伝わり、熱の大部分が上流側へ放射されることとなり、排ガスの顕熱損失が大幅に抑制され、より高空気比側で燃焼が完了できるようになり、低ＮＯｘを達成できる燃焼量範囲も拡大できる。
又、セラミックフォームとしては、網目径０．３〜１０ｍｍ、空隙率６０〜９５％が好ましく、材質としてはコーデイライト、アルミナ−コーデイライト、アルミナチタニア、ムライト、炭化珪素が好ましい。
又、セラミックハニカムとしては、開口径０．３〜１０ｍｍ、空隙率６０〜９５％が好ましく、材質としてはコーデイライト、アルミナ−コーデイライト、アルミナチタニア、ムライト、炭化珪素が好ましい。
更に、伝熱変換体の厚みは、５〜２５ｍｍ程度が好ましく、好適に気体の顕熱を上流側へ輻射することができる。
【００１０】
一般に、低ＮＯｘを実現するべく、高空気比条件の燃焼を行うと、不完全燃焼が起こりやすい条件となる。しかし、本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、高空気比の運転時において発生しやすいＣＯをはじめとする不完全燃焼成分を除去できるように構成することができる。
即ち、請求項３に記載されているように、前記伝熱変換体に、可燃性ガスに酸化活性を有する触媒物質を塗布して備えることができる。
即ち、伝熱変換体にアルミナ、シリカ、ジルコニア等の高比表面積を有する担体をコートし、それに、触媒酸化活性を有するパラジウム、白金、マンガン、クロム、コバルト、ニッケル等の遷移金属、若しくはその酸化物の前駆体化合物を含浸担持し、活性化する、又は、伝熱変換体を製造する時点で、触媒酸化活性を有する上述の遷移金属若しくはその酸化物の前駆体化合物を混合成形することで、伝熱変換体に可燃性ガスに酸化活性を有する触媒物質を塗布することができる。
このことによって、排ガス中に含まれるＣＯ、アルデヒドなど有害の燃焼中間生成物を伝熱変換体の下流側に放出することが無くなり、燃焼装置からの排出を抑制することができる。
【００１１】
又は、請求項４に記載されているように、前記伝熱変換体が、可燃性ガスに酸化活性を有する触媒物質であることもできる。
このように、伝熱変換体を触媒物質そのものとすることで、同じく、不完全燃焼成分を下流側へ放出することなく、更に、簡単な構造で、経済的である。
又、この場合においては、高温酸化触媒のマンガン置換形ヘキサアルミネートから直接、ハニカム成形若しくはセラミックフォーム成形したものも、伝熱変換体として効果的に使用できる。
【００１２】
これまでのハイブリッド触媒燃焼装置において、請求項５に記載されているように、前記伝熱変換体と前記触媒燃焼部の間に、前記触媒燃焼部に供給される前の前記混合ガスを予熱する予熱機構の吸熱部を備えることができる。
このように構成することによって、触媒燃焼部に供給される混合ガスを予熱することができ、例えば、触媒活性が低いメタンを主成分とする都市ガスを燃料とした場合においても、超低ＮＯｘで安定したハイブリッド触媒燃焼を実現することができる。
このような予熱機構は、気相燃焼部から排出される燃焼ガスと触媒燃焼部に供給される前の混合ガスとの熱交換を行うように構成することができるが、それに加えて、伝熱変換体から放射される輻射熱を利用して、混合ガスの予熱を行うように構成することができる。
【００１３】
これまでのハイブリッド触媒燃焼装置における燃焼方法は、請求項６に記載されているように、燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、前記燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、前記触媒燃焼部の下流側に気相燃焼部を備え、前記触媒燃焼部において燃料と空気の混合ガスの一部を、前記気相燃焼部で混合ガスの残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼方法であって、
前記気相燃焼部の出口部に、通気性を有し、気体の顕熱を輻射に変換して上流側に放出する伝熱変換体を設け、前記気相燃焼部において燃焼後の排ガスを前記伝熱変換体の内部に流通させて、前記排ガスの顕熱を輻射に変換して上流側に放出し、前記燃焼室からの対流熱損失を抑制することを特徴とする。
このようなハイブリッド触媒燃焼方法を行うことによって、超低ＮＯｘで安定したハイブリッド触媒燃焼を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置の基本構成を図１に基づいて説明する。
燃焼器１００は燃焼触媒からなる触媒燃焼部１とその下流側の気相燃焼部２からなる燃焼室３を備えている。
このことによって、触媒燃焼部１において燃料の一部を、気相燃焼部２において燃料の残部を燃焼させるハイブリッド触媒燃焼を実現することができる。
更に、気相燃焼部２に燃焼ガスの流れに再循環を誘起させる邪魔部材５を壁面に突出させて備えている。
又、本発明に係る燃焼器１００は、燃焼室３の出口部に、通気性を有し、排ガスの顕熱を輻射に変換して上流側に放出する伝熱変換体４を備えており、排ガスが気相燃焼部２から伝熱変換体４を通って排出される構成となっている。
この伝熱変換体４は、後に説明するが、三次元骨格構造を有するアルミナ−コーデイエライト製のセラミックフォームからできており、セラミックフォームの隙間に排ガスが流通する際に、排ガスの顕熱を奪い、燃焼室３側に輻射する構成となっている。
このことによって、伝熱変換体４の上流側は伝熱変換体４による輻射によって加温され、排ガスの顕熱損失が抑制され、より高空気比の運転が可能となり、超低ＮＯｘのハイブリッド触媒燃焼装置を実現することができる。
【００１５】
次に、伝熱変換体４の排ガス流通時の温度分布を図２に示す。この伝熱変換体４は３次元骨格構造を有するアルミナ−コーデイエライト製のセラミックフォームでできており、大きな骨格表面積を持つため極めて効率よく排ガスの顕熱が伝熱変換体４へ伝わり、固体放射エネルギとして放射される。この時、伝熱変換体４における上流側では、熱線は遮られずに上流側へ放射されるが、下流側へ向かう熱線は大部分が遮蔽され、排ガスは放射された熱量分だけ温度を下げ下流側へ移動する。こうして、伝熱変換体４内で放射される熱線はその点前後の光学的厚みに応じて減衰し、更に放射熱量は絶対温度の４乗に比例することが相乗し、排ガスは伝熱変換体４の上流側で急激に温度を降下させ、排ガスの顕熱の大部分は上流側へ放射される。従って、排ガスの顕熱損失が大幅に抑制され、より高空気比側で燃焼が完了できるようになり、超低ＮＯｘを達成できる燃焼量範囲も拡大できる。
【００１６】
〔実施例２〕
次に、本願の実施の形態として、都市ガス、天然ガスを燃料とする温風暖房機への応用を意図した、本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置の概要を図３〜６に示す。図３は本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置の全体斜視図、図４は図３のハイブリッド触媒燃焼装置の立面断面図、図５は図３のハイブリッド触媒燃焼装置の混合ガスを予熱する熱交換部の平面断面図、図６は図３のハイブリッド触媒燃焼装置の燃焼部の平面断面図である。
【００１７】
図４、５を参照して、空気入口１６からの空気と、燃料導入管１７からの燃料はまず、混合ガスを予熱するための熱交換部１８へ導入される。燃料導入管１７の先端は燃料と空気の混合を充分に行うように分散ノズルが取り付けられている（図示されていない）。熱交換部１８では燃焼ガスで加熱された天板からの熱が伝導により混合ガスへ伝達されるように形成されている。このための種々の構造が考えられるがここでは、天板に溶接され下方側へ延びて千鳥状に取り付けられた直径４ｍｍのＳＵＳ性伝伝熱棒形熱交換器１９が用いられている。混合ガスは仕切板１３の周囲を迂回しながら予熱され、図３にも示すように、同入部の反対側の開放部から触媒ホルダー２０の内部へ導かれる。燃焼室入口では混合ガスの分散をよくするための分散板が用いられた（図示されていない）。
【００１８】
図３、４を参照して、触媒ホルダー２０の出口部には幅８５ｍｍ、奥行き２０ｍｍ、層高２０ｍｍの角型燃焼触媒部１１を備え、触媒ホルダー２０の外側は断熱材で被覆されている。
燃焼触媒部１１は波形の金属シートからなる支持体の片側に、高比表面積を有する担体層を形成し、その担体層に触媒活性を有する遷移金属のパラジウム系触媒物質を塗布し活性化した後、支持体を螺旋状に巻き上げハニカム状に成形したものである。このように形成された燃焼触媒部１１では触媒を有する壁面と、触媒を有さず混合ガスのみが流通する壁面への熱伝導によって発生熱が分散し触媒の再高温度を９５０℃以下に抑制でき触媒の劣化を抑制でき、安定した触媒燃焼を維持できる。燃焼触媒部１１には触媒反応を検知し、燃焼制御するための熱電対２１を備えている。
【００１９】
図３、４、６を参照して、気相燃焼部１２は触媒燃焼によって部分的に燃焼し昇温された未燃焼の燃料が気相ラジカル反応によって完全燃焼されるに必要な滞留時間を確保する空間である。気相燃焼部１２の内側には断熱部材２２が設置されており、気相燃焼部１２は折り返し構造となっている。気相燃焼部１２の折り返し部分に、混合ガスに火花点火し燃焼を開始するためのイグナイタ２３、更に、気相反応の状況を観測するための熱電対２４が備えられている。
気相燃焼部１２では長手方向の一方向側に出口が設けられており、その出口部分にセル数６ケ／２５ｍｍ、見かけ比重０．４３、厚み１２ｍｍのアルミナ−コーデイエライト製のセラミックフォームからなる伝熱変換体１４が備えられている。
更に、この伝熱変換体１４に高比表面積を有する担体としてアルミナ系等の高比表面積物質をコートし、それに、ＣＯ若しくは未然の炭化水素の燃焼中間生成物に触媒活性を有するパラジウム、白金等の酸化活性物質を含浸担持し、活性化させている。
【００２０】
このハイブリッド触媒燃焼装置の空気入口１６の上流側に羽根径６０ｍｍの低圧ファン（図示されていない）をセットして、天然ガス系都市ガスを用いて性能テストを行った。燃焼開始は以下のように行った。まずファン電圧をおよそ２５００ｋｃａｌ／ｈの燃焼量において空気比１．４に相当する空気風量が得られる電圧値にセットした状態で、イグナイタ２３をＯＮする。ついで、２５００ｋｃａｌ／ｈに相当するガスをマスフローコントローラ（図示されていない）による流量調整を伴って導入すると、燃焼触媒部１１にセットされた熱電対２１によって昇温状態を見ながらファン電圧を上昇させていき、触媒着火から定常状態まで移行する。この時の燃焼触媒部１１の温度は９５０℃を超えないように制御できる。定常状態に至った後、ファン電圧を制御しながら低ＮＯｘを達成する安定燃焼量範囲を求めた。この結果、燃焼量３５００ｋｃａｌ／ｈから７００ｋｃａｌ／ｈまでの範囲において、ＮＯｘ排出濃度２ｐｐｍ以下（酸素０％換算）、完全酸化率は９９．９％以上、ＣＯ／ＣＯ₂比は０．０００５以下の超低ＮＯｘ安定燃焼が達成される。
【００２１】
〔別実施の形態〕
上記の図１の本願に係るハイブリッド触媒燃焼装置において、伝熱変換体としてＭｎ−置換形ヘキサアルミネート
【化１】

を１平方インチ当たり３００セルに押し出しハニカム成形し、１２００℃で焼成した厚さ１０ｍｍのものを使用した。この結果、燃焼室の圧力損失は上昇したので、最高燃焼量は３２００ｋｃａｌ／ｈに限られたが、最低燃焼量は７００ｋｃａｌ／ｈまで、安定燃焼が達成された。不完全燃焼が発生しないで良好に燃焼するファン電圧制御範囲は広くなり、全範囲にわたってＮＯｘ１ｐｐｍ以下（酸素０％換算）が達成された。
【００２２】
尚、触媒燃焼部の触媒として、触媒活性を有する遷移金属のパラジウム、白金、又は、パラジウム若しくは白金を主成分として、これに、銀、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム若しくはロジウムから選択される１つ又はそれ以上の補助触媒を包含する触媒を使用することができる。
【００２３】
更に、上記の実施の形態において、図３に示す触媒ホルダー２０には伝熱促進のための伝熱棒あるいはパンチングメタル等を挿入し、気相燃焼部１２、及び伝熱変換体１４からの輻射熱を触媒ホルダー２０内の混合ガスに伝熱させる構造とすることができる。
【００２４】
又、図３に示す伝熱変換体１４にコートする担体として、アルミナ、シリカ、若しくはジルコニア等の高表面積を有する物質をコートすることができる。又、その担体に含浸担持させる触媒としては、パラジウム、白金、マンガン、クロム、コバルト等の遷移金属やその酸化物を使用することができる。更に、高温度酸化触媒としてマンガン置換形ヘキサアルミネートから直接ハニカム成形、若しくはセラミックスフォームに成形したものを伝熱変換体として使用することができる。
【００２５】
上記の実施の形態において、燃料として天然ガス系都市ガスを使用したが、天然ガス、都市ガスに限らず、ＬＰＧ、灯油気化ガスなどに燃料は自由に選択できる。
更に、本願発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、低圧から高圧までの燃焼装置に適用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
燃焼装置から持ち去られる顕熱を大幅に抑制することにより、より過剰空気燃焼を可能とし、一層の低ＮＯｘ化が図られる。又、基準レベル以下のＮＯｘ値を達成する空気比の制御範囲が拡大でき、安全性に富んだ制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置の断面図
【図２】伝熱変換体の燃焼ガス流通時の温度分布を示す図
【図３】本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置の全体斜視図
【図４】図３のハイブリッド触媒燃焼装置の立面断面図
【図５】図３のハイブリッド触媒燃焼装置の混合ガスを予熱する熱交換部の平面断面図
【図６】図３のハイブリッド触媒燃焼装置の燃焼部の平面断面図
【図７】従来のハイブリッド触媒燃焼装置の基本構成を説明する断面図
【符号の説明】
１触媒燃焼部
２気相燃焼部
３燃焼室
４伝熱変換体
１００燃焼器

Claims

燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、前記燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、前記触媒燃焼部の下流側に気相燃焼部を備え、前記触媒燃焼部において燃料と空気の混合ガスの一部を、前記気相燃焼部で混合ガスの残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼装置であって、
前記気相燃焼部の出口部に、通気性を有し、気体の顕熱を輻射に変換して上流側に放出する伝熱変換体を備えたハイブリッド触媒燃焼装置。
前記伝熱変換体が、三次元骨格構造のセラミックフォーム、若しくはハニカム構造のセラミックで構成される請求項１に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
前記伝熱変換体に、可燃性ガスに酸化活性を有する触媒物質を塗布して備えた請求項１又は２に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
前記伝熱変換体が、可燃性ガスに酸化活性を有する触媒物質である請求項１又は２に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
前記伝熱変換体と前記触媒燃焼部の間に、前記触媒燃焼部に供給される前の前記混合ガスを予熱する予熱機構の吸熱部を備えた請求項１から４の何れか１項に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
燃焼流路を内部に形成する燃焼室を備え、前記燃焼流路に燃焼触媒からなる触媒燃焼部を備えるとともに、前記触媒燃焼部の下流側に気相燃焼部を備え、前記触媒燃焼部において燃料と空気の混合ガスの一部を、前記気相燃焼部で混合ガスの残部を燃焼するハイブリッド触媒燃焼方法であって、
前記気相燃焼部の出口部に、通気性を有し、気体の顕熱を輻射に変換して上流側に放出する伝熱変換体を設け、
前記気相燃焼部において燃焼後の排ガスを前記伝熱変換体の内部に流通させて、前記排ガスの顕熱を輻射に変換して上流側に放出し、
前記燃焼室からの対流熱損失を抑制するハイブリッド触媒燃焼方法。