JP4155692B2 - ハイブリッド触媒燃焼装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気流れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用室内開放型温風暖房機、コージェネレーション、発電用ガスタービンの燃焼器等、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、一層の低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。
燃焼流路内に、燃焼触媒を充填した燃焼触媒部と、それに続く気相燃焼部とを設け、断熱理論燃焼温度１５００℃以下（空気比約１．６以上）の燃料と燃焼用空気の混合気を、燃焼触媒部で部分的に接触酸化燃焼させ、その後流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達成の手段として提案されている（特表平６−５０６２９０号）。
【０００３】
このような燃焼方式を採用したハイブリッド触媒燃焼装置は、燃焼触媒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、触媒接触酸化による発熱を連接の無触媒層を通過する混合気と熱交換させ、物理的に過昇温を防止すること等の手段により、燃焼触媒部内にある触媒層では２０〜７０％が接触酸化され、触媒温度は６００〜９５０℃とされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
家庭用暖房機へ用いる燃焼装置においては、ガスタービンへ用いるものと異なって、燃焼装置へ導入される空気を予め加温することが困難で、又、燃焼装置から排出される燃焼排ガス温度は１００℃程度でも充分高温である。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２００〜５００℃に予熱されている必要がある。
従って、このような燃焼装置において自立燃焼を行うためには、発生した高温の熱をその上流側へフィードバックする必要が有る。フィードバックする熱が多ければ多いほど、燃焼装置自体はより高空気比で運転でき、燃焼反応のピーク温度を下げることにより、一層の低ＮＯｘ化を実現できる。
【０００５】
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。
このような燃焼装置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、混合気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装置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装置は、更に改良した燃焼装置構造の開発が必要であった。
【０００６】
よって、本発明は、このような事情に鑑みて、燃焼安定性に優れた、超低ＮＯｘのハイブリッド燃焼を実現する技術を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【０００８】
〔特徴〕
本発明の特徴構成は、燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気流れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置であって、
一方の端部の内側に前記燃焼触媒部を設けた内筒と、前記内筒を全方向から外囲して設けられて前記内筒との間に前記気相燃焼部を形成し、前記気相燃焼後の燃焼排ガスを排出する排出口を有する外筒とを備え、
前記外筒側から前記内筒内に混合気を供給する混合気流路と、前記内筒内に供給される混合気を予熱する予熱部とを前記内筒内に設けて構成されるとともに、
前記気相燃焼部は折り返し構造に形成されて、前記燃焼触媒部における流れ方向と、前記気相燃焼部における流れ方向とが逆方向とされ、
前記気相燃焼部に、前記混合気流れの横断方向にわたって配設され、通気性を有すると共に気体の顕熱を輻射熱に変換する気相燃焼部伝熱変換体を備え、
前記気相燃焼部伝熱変換体が、前記燃焼触媒部の入口部に相当する内筒の位置に対して、前記気相燃焼部における混合気流れ方向の下流側に位置づけられて、前記燃焼触媒部の上流側に前記輻射熱を放出する点にある。
【０００９】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、内筒の一方の端部の内側に燃焼触媒部を設け、その内筒と内筒全体を囲うように設けられた外筒との間の空間を気相燃焼部とすることで、燃焼触媒部において一部燃料を燃焼させた混合気は、内筒の端部から放出されてその内筒の回りに形成される気相燃焼部に導入され、燃料の残部を気相燃焼させることができ、その気相燃焼によって直接的に、内筒の外表面及び燃焼触媒部を加熱することができ、外部への熱損失を抑制することができる。
さらに、本構成において、内筒の内部には、予熱部が設けられているので、混合部及び予熱部を流通する混合気は、形成されてからすぐに気相燃焼によって加熱された内筒によって加熱されることになり、充分に予熱した混合気を燃焼触媒部へ供給することができる。
よって、簡単な構成で、気相燃焼部の熱をその上流側へ充分にフィードバックすることができ、空気比を高めて超低ＮＯｘ化を実現できるハイブリッド触媒燃焼装置を構成することができる。
また、上記のように、内筒と外筒によって構成されたハイブリッド触媒燃焼装置において、本構成のごとく、気相燃焼部は折り返し構造に形成されて、燃焼触媒部における流れ方向と、気相燃焼部における流れ方向とが逆方向とされ、気相燃焼部の中間位置である燃焼触媒部の入口部に相当する内筒の位置に対して、気相燃焼部における混合気流れ方向の下流側に位置づけて気相燃焼部伝熱変換体を設けることで、気相燃焼部伝熱変換体は、気相燃焼部において燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側に放射するので、気相燃焼部及びその上流側の燃焼を安定させることができる。
つまり、このようなハイブリッド触媒燃焼装置において、低負荷燃焼を行う場合、気相燃焼は燃焼触媒部の後流の小さい空間で完了するが、燃焼発熱量が低い分、燃焼系の放熱損失の割合が大きくなり特に気相燃焼部の気相燃焼が不安定となりやすいが、本構成の気相燃焼部伝熱変換体を、例えば気相燃焼部を上流側と下流側に区切る板状体として排出口に対して離間させて設けて、その上流側に熱を輻射熱に変換してフィードバックさせることで、低負荷燃焼時における燃焼系からの放熱割合を減らせることができ、気相燃焼を安定させることができるので、幅広い燃焼負荷のハイブリッド触媒燃焼装置を実現することができる。
さらに、本構成のごとく、気相燃焼部伝熱変換体の配設位置を上記の位置とすることで、気相燃焼部伝熱変換体から燃焼触媒部の上流側へ放射される輻射熱によって、燃焼触媒部及び気相燃焼部からなる燃焼系全体が熱のフィードバックを常に受けることができ、低負荷燃焼時においても安定な燃焼を達成することができる。
【００１６】
請求項２に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１７】
〔特徴〕
上記請求項１に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置において、前記排出口に、通気性を有すると共に気体の顕熱を輻射熱に変換して前記内筒側に放出する排出部伝熱変換体を備える。
【００１８】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、例えば内筒の混合気流路に対向する外筒に設けられた排出口に、排出部伝熱変換体を設けることで、その排出部伝熱変換体は、気相燃焼部から外部へ排出される燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側、即ち、内筒の混合気流路を設けた外壁面に放射することができ、その内筒をさらに加熱して混合気の予熱温度を一層高めることができる。また、その排気部伝熱変換体から放射される輻射熱によって、気相燃焼部の放熱損失を低減することができるので、気相燃焼部における燃焼を安定させることもできる。
よって、混合気の予熱を充分にでき、かつ広い燃焼負荷範囲において安定した燃焼を実現できるハイブリッド触媒燃焼装置を構成することができる。
【００１９】
請求項３に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００２０】
〔特徴〕
上記請求項１又は２に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置において、前記予熱部に、前記内筒から前記内筒内を流通する混合気への伝熱を促進する熱交換用フィンを備える。
【００２１】
〔作用・効果〕
上記のように、予熱部に、内筒から内筒内を流通する混合気への伝熱を促進する熱交換用フィンを設けることで、気相燃焼部の気相燃焼によって加熱された内筒の熱を良好に予熱部の混合気に伝熱することができ、燃焼触媒部に供給する混合気を一層加熱することができる。
よって、一層の高空気比低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。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、天然ガス系都市ガスを燃料ガスＧとする燃焼装置５０及びその燃焼装置５０を備えたファンヒータ１００について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る燃焼装置５０を備えたファンヒータ１００の全体概略図、図２は図１に示す燃焼装置５０の側断面概略図、図３は燃焼装置５０に備えられた熱交換フィンの拡大斜視図である。
【００２９】
図１、２を参照して、燃焼装置５０には、燃料ガスＧの一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部１１と、燃料ガスＧの残部を気相燃焼させる気相燃焼部１２とによって構成されたハイブリッド触媒燃焼方式の燃焼装置である。
燃焼装置５０には、後に説明する燃焼用ファン１ａによって供給される燃焼用空気Ａと燃料遮断弁３及び比例制御弁２を介して供給される燃料ガスＧとを混合して予混合気を形成する混合気流路４と、混合気流路４から送られる予混合気を予熱する予熱部１８と、前記燃焼触媒部１１とを設けた内筒２０と、その内筒２０の外周全体を囲う外筒２２とを設けて、燃焼触媒部１１の後流に気相燃焼部１２を設けると共に、燃焼で発生する熱を上流側へ熱再生できるように構成している。
予熱部１８には内筒２０の内壁に接し混合気の流れ方向と直角方向に板面を有する熱交換フィン１９が複数設けられている。熱交換フィン１９は、図３に示すように、互いに開口１９ｃの穿設状態が異なる２種類のＳＵＳ製のパンチングメタル１９ａ，１９ｂを２枚づつ交互に配設して構成されてものであり、予熱部１８を流通する混合気は、その熱交換フィン１９の開口１９ｃを通過しながら、気相燃焼部１２の気相燃焼によって加熱された内筒２０の熱をこの熱交換フィン１９を介して受熱し、好ましい状態に加熱される。
燃焼触媒部１１は内筒２０の先端部に取付けられており、有効寸法、幅８５ｍｍ、奥行き２０ｍｍ、層高２０ｍｍの角形である。
【００３０】
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、その担体層にパラジウム若しくは白金系触媒、又はそれを主成分として、銀、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムまたはロジウムから選択される一つまたはそれ以上の補助触媒を包含する触媒を塗布して焼成した後、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、片面のみに触媒をコートしたセルの集合体として形成されるので、触媒コート面で触媒燃焼によって発生する熱は、反対面の触媒がコートされていない面に熱伝導され混合気へ熱伝達される。こうして、触媒温度は断熱理論燃焼温度が１５００℃の混合気を燃焼する場合でも、燃焼率は５０％以下に抑制され、触媒温度も最高９５０℃以下に抑制され、触媒の劣化が抑制される。
【００３１】
内筒２０の外面は金属の熱保護と過度な熱伝達を抑制し燃焼を安定化するために厚み６ｍｍ以下の保温層が設けられている。また、燃焼触媒部１１の出口部直後の温度を検出する温度センサ２１が備えられ、その出力値を制御装置３０に送るように構成されている。
外筒２２は内筒２０の、燃焼触媒部１１の上方、周辺部、混合気流路４の下方からそれぞれ約２０ｍｍ程度の間隙を有して、内筒２０を囲っており、両者の間隙が気相燃焼室１２となっている。
外筒２２の下部には、熱を上流側へ輻射熱して戻すために、幅２５ｍｍ、長さ１３０ｍｍ、厚み１２ｍｍの排出部伝熱変換体１４を組み込み、上流側の面を内筒２０の混合気流路４に対向するように排気口１５を備えており、この排出部伝熱変換体１４は、気相燃焼部１２から外部へ排出される燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側、即ち、気相燃焼部１２と内筒２０の混合気流路４を設けた外壁面とに放射することができる。
また、内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部に相当する気相燃焼部１２の位置から、混合気流路４に相当する気相燃焼部１２の位置までの範囲内である内筒２０の上縁から５０ｍｍの位置に、気相燃焼部１２の流路断面全体にわたって、厚み１２ｍｍの気相燃焼部伝熱変換体１６がセットされている。この気相燃焼部伝熱変換体１６は、気相燃焼部１２において燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側の放射するのであるが、特に、低負荷燃焼を行う場合、気相燃焼部伝熱変換体１６の上流側の空間に熱を輻射熱に変換してフィードバックさせることで、高温の対流熱損失を抑制することができ、安定した気相燃焼を行うことができる。
伝熱変換体１４，１６はセル数６ケ／２５ｍｍ、見かけ比重０．４３、厚み１２ｍｍのアルミナーコーデイエライト製セラミックフォームである。
【００３２】
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。外筒２２の内側には断熱部材が設置されており、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、混合気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温度センサ２４が備えられている。
【００３３】
次に、ファンヒータ１００に備えられたファン装置１について説明する。
図１を参照して、ファンヒータ１００に備えられたファン装置１は、燃焼装置５０の混合部に燃焼用の空気Ａ（第１気体の一例）を供給するための燃焼用ファン１ａと、排気口１５から排出される燃焼排ガスＥを空気Ａによって希釈して暖房用温風Ｈ（第２気体の一例）として外部へ排出するための対流用ファン１ｂとを同じ回転軸１ｃ上に並設して備え、モータ１ｄによって回転軸１ｃを回転させて両ファン１ａ，１ｂを回転させるように構成されている。
また、燃焼用ファン１ａは、燃焼装置５０における圧損等を考慮して、最大送風量０．２ｍ3 ／ｍｉｎ、最大静圧２５０Ｐａ（２５ｍｍＨ2 Ｏ）が得られるシロッコ型のファンであり、対流用ファン１ｂは、送風量及び暖房用温風の排出状態を考慮して、最大送風量２．７ｍ3 ／ｍｉｎが得られるクロスフロー型のファンである。モータ１ｄは交流１００Ｖで１３段階で風力が切り換えられるものとした。
【００３４】
また、燃料遮断弁３、イグナイダ２３及びその高圧電源は市販のファンヒータに備え付けられているものと同じ物を使用した。
制御装置３０として外部設置のパソコンを利用して燃焼の自動制御とデータ収録を行った。
【００３５】
次に、上記ファンヒータ１００において、燃焼テストを行った結果を説明する。
燃焼テストはメタンを主成分とし発熱量４６ＭＪ／ｍ3 （Ｎｏｒｍａｌ）（１１０００ｋｃａｌ／ｍ3 （Ｎｏｒｍａｌ））の市中供給の天然ガス系都市ガスを用いて行った。排気は対流用ファン１ｂの出口にて吸引サンプリングし、全炭化水素、ＣＯ，ＣＯ2、ＮＯｘを分析した。
燃焼自動制御では、制御装置３０において、まず、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧Ｖを４８Ｖとして駆動し、イグナイタ２３をＯＮ状態にて、ガス遮断弁３を開にし、比例制御弁２に燃焼量３ｋＷ（２６００ｋｃａｌ／ｈ）に相当する初期動力を与える。
【００３６】
気相燃焼室１２における着火を気相燃焼部１２の温度センサー２４にて検知した後、イグナイタ２３の電源をＯＦＦにし、燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１を検出する温度センサ２１の検出結果に基づいてファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧Ｖを次式に従って上昇させる。
【００３７】
【数１】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００９７×Ｔ１１［℃］＋９．３
【００３８】
次に、温度センサ２１の出力値である燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１が第１段目の目標出力値である４００℃に到達した時点で、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧の関数を次式に変更してさらに上昇した。尚、温度センサ２１の出力値が４００℃に到達した時点での混合気の空気比は１．６程度である。
【００３９】
【数２】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００９×Ｔ１１［℃］＋９．６
【００４０】
次に、温度センサ２１の出力値である燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１が第２段目の目標出力値である７８０℃に到達した時点で、温度Ｔ１１を７８０℃に保持するようにファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧の制御をフィードバック制御に切り換えた定常のハイブリッド燃焼に至らしめた。尚、温度センサ２１の出力値が７８０℃に到達した時点での混合気の空気比は１．９程度である。
【００４１】
均一な気相燃焼による燃焼開始後、熱再生によって触媒が予熱され約４分後に燃焼触媒部１１において触媒燃焼が開始され、ハイブリッド触媒燃焼に移行し、６分後には超低ＮＯｘ定常ハイブリッド触媒燃焼に至った。燃焼開始から定常までの最大のＣＯ濃度は５ｐｐｍ、未燃の炭化水素濃度は３０ｐｐｍ、ＮＯｘ濃度は０．７ｐｐｍであった。
【００４２】
この後、比例制御弁２を働かせて、燃焼量を４ｋＷから０．７k Ｗまで（３５００ｋｃａｌ／ｈから６００ｋｃａｌ／ｈまで）変化させて燃焼を行った。燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１の制御温度は７６０℃から８４０℃であり、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧は１００Ｖから４０Ｖに変化した。
【００４３】
これらの燃焼は非常に安定であり、未燃の炭化水素、ＣＯはいずれも５ｐｐｍ以下、ＣＯ2 は０．４５％から０．２６％であり、完全酸化率は９９．５％以上であった。ＮＯｘは０．１から０．０４ｐｐｍであり、ＮＯｘの理論乾きガス換算濃度（酸素０％濃度）は１．５ｐｐｍからほぼゼロであった。
【００４４】
〔比較例１〕
次に第１の比較例として、上記の燃焼装置５０とほぼ同じ構成の燃焼装置において、気相燃焼部伝熱変換体１６を取り外して、上記同じ条件下において燃焼テストを行った。この場合、低負荷燃焼において、０．８k Ｗ（７００ｋｃａｌ／ｈ）までの燃焼は可能であったが、０．７k Ｗ（６００ｋｃａｌ／ｈ）迄の燃焼持続はできなかった。よって、本発明においては、気相燃焼部１２に設けた気相燃焼部伝熱変換体１６によって、高温の対流熱損失を抑制することで、低負荷燃焼時において燃焼を安定させることができることがわかる。
【００４５】
〔比較例２〕
次に第２の比較例として、上記の燃焼装置５０とほぼ同じ構成の燃焼装置において、気相燃焼部伝熱変換体１６を、内筒２０の上縁、即ち燃焼触媒部１１と同じ高さの位置に設けて、上記同じ条件下において燃焼テストを行った。この場合、燃焼開始時に臭い匂いが発生し、均一の気相燃焼を阻害する傾向に有ることがわかった。また、気相燃焼部伝熱変換体１６を内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部の少し下方の内筒２０の上縁から２５ｍｍの位置に設けると、その匂いの発生はなく、上記実施例と同様の燃焼性能及びＮＯｘ抑制性能を確認できた。よって、本発明において、気相燃焼部伝熱変換体１６は、内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部に相当する気相燃焼部１２の位置から、混合気流路４に相当する気相燃焼部１２の位置までの範囲内に設けることが好ましいといえる。
【００４６】
また、本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、天然ガス系都市ガスに限らず、ＬＰＧ、灯油気化ガス、各種燃料ガスに適用できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のハイブリッド触媒燃焼装置をファンヒータの燃焼装置として設けることで、シンプルな構造で、市販のファンヒータと同様の燃焼範囲を可能とし、特に、使用時間の長い低負荷燃焼領域での燃焼安定性を達成し、ＮＯｘの大幅な抑制が可能であるハイブリッド触媒燃焼装置を構成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼装置を備えたファンヒータの全体概略図
【図２】図１に示す燃焼装置の側断面概略図
【図３】熱交換フィンの拡大斜視図
【符号の説明】
１ ファン装置
１ａ 燃焼用ファン
１ｂ 対流用ファン
１ｃ 回転軸
１ｄ モータ
４ 混合気流路
１１ 燃焼触媒部
１２ 気相燃焼部
１４ 排出部伝熱変換体
１５ 排出口
１６ 気相燃焼部伝熱変換体
１９ 熱交換用フィン
１８ 予熱部
２０ 内筒
２２ 外筒
５０ 燃焼装置
１００ ファンヒータ
Ａ 空気
Ｅ 燃焼排ガス
Ｈ 暖房用温風
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気流れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用室内開放型温風暖房機、コージェネレーション、発電用ガスタービンの燃焼器等、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、一層の低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。
燃焼流路内に、燃焼触媒を充填した燃焼触媒部と、それに続く気相燃焼部とを設け、断熱理論燃焼温度１５００℃以下（空気比約１．６以上）の燃料と燃焼用空気の混合気を、燃焼触媒部で部分的に接触酸化燃焼させ、その後流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達成の手段として提案されている（特表平６−５０６２９０号）。
【０００３】
このような燃焼方式を採用したハイブリッド触媒燃焼装置は、燃焼触媒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、触媒接触酸化による発熱を連接の無触媒層を通過する混合気と熱交換させ、物理的に過昇温を防止すること等の手段により、燃焼触媒部内にある触媒層では２０〜７０％が接触酸化され、触媒温度は６００〜９５０℃とされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
家庭用暖房機へ用いる燃焼装置においては、ガスタービンへ用いるものと異なって、燃焼装置へ導入される空気を予め加温することが困難で、又、燃焼装置から排出される燃焼排ガス温度は１００℃程度でも充分高温である。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２００〜５００℃に予熱されている必要がある。
従って、このような燃焼装置において自立燃焼を行うためには、発生した高温の熱をその上流側へフィードバックする必要が有る。フィードバックする熱が多ければ多いほど、燃焼装置自体はより高空気比で運転でき、燃焼反応のピーク温度を下げることにより、一層の低ＮＯｘ化を実現できる。
【０００５】
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。
このような燃焼装置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、混合気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装置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装置は、更に改良した燃焼装置構造の開発が必要であった。
【０００６】
よって、本発明は、このような事情に鑑みて、燃焼安定性に優れた、超低ＮＯｘのハイブリッド燃焼を実現する技術を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【０００８】
〔特徴〕
本発明の特徴構成は、燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気流れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置であって、
一方の端部の内側に前記燃焼触媒部を設けた内筒と、前記内筒を全方向から外囲して設けられて前記内筒との間に前記気相燃焼部を形成し、前記気相燃焼後の燃焼排ガスを排出する排出口を有する外筒とを備え、
前記外筒側から前記内筒内に混合気を供給する混合気流路と、前記内筒内に供給される混合気を予熱する予熱部とを前記内筒内に設けて構成されるとともに、
前記気相燃焼部は折り返し構造に形成されて、前記燃焼触媒部における流れ方向と、前記気相燃焼部における流れ方向とが逆方向とされ、
前記気相燃焼部に、前記混合気流れの横断方向にわたって配設され、通気性を有すると共に気体の顕熱を輻射熱に変換する気相燃焼部伝熱変換体を備え、
前記気相燃焼部伝熱変換体が、前記燃焼触媒部の入口部に相当する内筒の位置に対して、前記気相燃焼部における混合気流れ方向の下流側に位置づけられて、前記燃焼触媒部の上流側に前記輻射熱を放出する点にある。
【０００９】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、内筒の一方の端部の内側に燃焼触媒部を設け、その内筒と内筒全体を囲うように設けられた外筒との間の空間を気相燃焼部とすることで、燃焼触媒部において一部燃料を燃焼させた混合気は、内筒の端部から放出されてその内筒の回りに形成される気相燃焼部に導入され、燃料の残部を気相燃焼させることができ、その気相燃焼によって直接的に、内筒の外表面及び燃焼触媒部を加熱することができ、外部への熱損失を抑制することができる。
さらに、本構成において、内筒の内部には、予熱部が設けられているので、混合部及び予熱部を流通する混合気は、形成されてからすぐに気相燃焼によって加熱された内筒によって加熱されることになり、充分に予熱した混合気を燃焼触媒部へ供給することができる。
よって、簡単な構成で、気相燃焼部の熱をその上流側へ充分にフィードバックすることができ、空気比を高めて超低ＮＯｘ化を実現できるハイブリッド触媒燃焼装置を構成することができる。
また、上記のように、内筒と外筒によって構成されたハイブリッド触媒燃焼装置において、本構成のごとく、気相燃焼部は折り返し構造に形成されて、燃焼触媒部における流れ方向と、気相燃焼部における流れ方向とが逆方向とされ、気相燃焼部の中間位置である燃焼触媒部の入口部に相当する内筒の位置に対して、気相燃焼部における混合気流れ方向の下流側に位置づけて気相燃焼部伝熱変換体を設けることで、気相燃焼部伝熱変換体は、気相燃焼部において燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側に放射するので、気相燃焼部及びその上流側の燃焼を安定させることができる。
つまり、このようなハイブリッド触媒燃焼装置において、低負荷燃焼を行う場合、気相燃焼は燃焼触媒部の後流の小さい空間で完了するが、燃焼発熱量が低い分、燃焼系の放熱損失の割合が大きくなり特に気相燃焼部の気相燃焼が不安定となりやすいが、本構成の気相燃焼部伝熱変換体を、例えば気相燃焼部を上流側と下流側に区切る板状体として排出口に対して離間させて設けて、その上流側に熱を輻射熱に変換してフィードバックさせることで、低負荷燃焼時における燃焼系からの放熱割合を減らせることができ、気相燃焼を安定させることができるので、幅広い燃焼負荷のハイブリッド触媒燃焼装置を実現することができる。
さらに、本構成のごとく、気相燃焼部伝熱変換体の配設位置を上記の位置とすることで、気相燃焼部伝熱変換体から燃焼触媒部の上流側へ放射される輻射熱によって、燃焼触媒部及び気相燃焼部からなる燃焼系全体が熱のフィードバックを常に受けることができ、低負荷燃焼時においても安定な燃焼を達成することができる。
【００１６】
請求項２に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１７】
〔特徴〕
上記請求項１に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置において、前記排出口に、通気性を有すると共に気体の顕熱を輻射熱に変換して前記内筒側に放出する排出部伝熱変換体を備える。
【００１８】
〔作用・効果〕
本構成のごとく、例えば内筒の混合気流路に対向する外筒に設けられた排出口に、排出部伝熱変換体を設けることで、その排出部伝熱変換体は、気相燃焼部から外部へ排出される燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側、即ち、内筒の混合気流路を設けた外壁面に放射することができ、その内筒をさらに加熱して混合気の予熱温度を一層高めることができる。また、その排気部伝熱変換体から放射される輻射熱によって、気相燃焼部の放熱損失を低減することができるので、気相燃焼部における燃焼を安定させることもできる。
よって、混合気の予熱を充分にでき、かつ広い燃焼負荷範囲において安定した燃焼を実現できるハイブリッド触媒燃焼装置を構成することができる。
【００１９】
請求項３に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００２０】
〔特徴〕
上記請求項１又は２に係る本発明のハイブリッド触媒燃焼装置において、前記予熱部に、前記内筒から前記内筒内を流通する混合気への伝熱を促進する熱交換用フィンを備える。
【００２１】
〔作用・効果〕
上記のように、予熱部に、内筒から内筒内を流通する混合気への伝熱を促進する熱交換用フィンを設けることで、気相燃焼部の気相燃焼によって加熱された内筒の熱を良好に予熱部の混合気に伝熱することができ、燃焼触媒部に供給する混合気を一層加熱することができる。
よって、一層の高空気比低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。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、天然ガス系都市ガスを燃料ガスＧとする燃焼装置５０及びその燃焼装置５０を備えたファンヒータ１００について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る燃焼装置５０を備えたファンヒータ１００の全体概略図、図２は図１に示す燃焼装置５０の側断面概略図、図３は燃焼装置５０に備えられた熱交換フィンの拡大斜視図である。
【００２９】
図１、２を参照して、燃焼装置５０には、燃料ガスＧの一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部１１と、燃料ガスＧの残部を気相燃焼させる気相燃焼部１２とによって構成されたハイブリッド触媒燃焼方式の燃焼装置である。
燃焼装置５０には、後に説明する燃焼用ファン１ａによって供給される燃焼用空気Ａと燃料遮断弁３及び比例制御弁２を介して供給される燃料ガスＧとを混合して予混合気を形成する混合気流路４と、混合気流路４から送られる予混合気を予熱する予熱部１８と、前記燃焼触媒部１１とを設けた内筒２０と、その内筒２０の外周全体を囲う外筒２２とを設けて、燃焼触媒部１１の後流に気相燃焼部１２を設けると共に、燃焼で発生する熱を上流側へ熱再生できるように構成している。
予熱部１８には内筒２０の内壁に接し混合気の流れ方向と直角方向に板面を有する熱交換フィン１９が複数設けられている。熱交換フィン１９は、図３に示すように、互いに開口１９ｃの穿設状態が異なる２種類のＳＵＳ製のパンチングメタル１９ａ，１９ｂを２枚づつ交互に配設して構成されてものであり、予熱部１８を流通する混合気は、その熱交換フィン１９の開口１９ｃを通過しながら、気相燃焼部１２の気相燃焼によって加熱された内筒２０の熱をこの熱交換フィン１９を介して受熱し、好ましい状態に加熱される。
燃焼触媒部１１は内筒２０の先端部に取付けられており、有効寸法、幅８５ｍｍ、奥行き２０ｍｍ、層高２０ｍｍの角形である。
【００３０】
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、その担体層にパラジウム若しくは白金系触媒、又はそれを主成分として、銀、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウムまたはロジウムから選択される一つまたはそれ以上の補助触媒を包含する触媒を塗布して焼成した後、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、片面のみに触媒をコートしたセルの集合体として形成されるので、触媒コート面で触媒燃焼によって発生する熱は、反対面の触媒がコートされていない面に熱伝導され混合気へ熱伝達される。こうして、触媒温度は断熱理論燃焼温度が１５００℃の混合気を燃焼する場合でも、燃焼率は５０％以下に抑制され、触媒温度も最高９５０℃以下に抑制され、触媒の劣化が抑制される。
【００３１】
内筒２０の外面は金属の熱保護と過度な熱伝達を抑制し燃焼を安定化するために厚み６ｍｍ以下の保温層が設けられている。また、燃焼触媒部１１の出口部直後の温度を検出する温度センサ２１が備えられ、その出力値を制御装置３０に送るように構成されている。
外筒２２は内筒２０の、燃焼触媒部１１の上方、周辺部、混合気流路４の下方からそれぞれ約２０ｍｍ程度の間隙を有して、内筒２０を囲っており、両者の間隙が気相燃焼室１２となっている。
外筒２２の下部には、熱を上流側へ輻射熱して戻すために、幅２５ｍｍ、長さ１３０ｍｍ、厚み１２ｍｍの排出部伝熱変換体１４を組み込み、上流側の面を内筒２０の混合気流路４に対向するように排気口１５を備えており、この排出部伝熱変換体１４は、気相燃焼部１２から外部へ排出される燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側、即ち、気相燃焼部１２と内筒２０の混合気流路４を設けた外壁面とに放射することができる。
また、内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部に相当する気相燃焼部１２の位置から、混合気流路４に相当する気相燃焼部１２の位置までの範囲内である内筒２０の上縁から５０ｍｍの位置に、気相燃焼部１２の流路断面全体にわたって、厚み１２ｍｍの気相燃焼部伝熱変換体１６がセットされている。この気相燃焼部伝熱変換体１６は、気相燃焼部１２において燃焼排ガスの顕熱を輻射熱に変換してその上流側の放射するのであるが、特に、低負荷燃焼を行う場合、気相燃焼部伝熱変換体１６の上流側の空間に熱を輻射熱に変換してフィードバックさせることで、高温の対流熱損失を抑制することができ、安定した気相燃焼を行うことができる。
伝熱変換体１４，１６はセル数６ケ／２５ｍｍ、見かけ比重０．４３、厚み１２ｍｍのアルミナーコーデイエライト製セラミックフォームである。
【００３２】
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。外筒２２の内側には断熱部材が設置されており、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、混合気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温度センサ２４が備えられている。
【００３３】
次に、ファンヒータ１００に備えられたファン装置１について説明する。
図１を参照して、ファンヒータ１００に備えられたファン装置１は、燃焼装置５０の混合部に燃焼用の空気Ａ（第１気体の一例）を供給するための燃焼用ファン１ａと、排気口１５から排出される燃焼排ガスＥを空気Ａによって希釈して暖房用温風Ｈ（第２気体の一例）として外部へ排出するための対流用ファン１ｂとを同じ回転軸１ｃ上に並設して備え、モータ１ｄによって回転軸１ｃを回転させて両ファン１ａ，１ｂを回転させるように構成されている。
また、燃焼用ファン１ａは、燃焼装置５０における圧損等を考慮して、最大送風量０．２ｍ3 ／ｍｉｎ、最大静圧２５０Ｐａ（２５ｍｍＨ2 Ｏ）が得られるシロッコ型のファンであり、対流用ファン１ｂは、送風量及び暖房用温風の排出状態を考慮して、最大送風量２．７ｍ3 ／ｍｉｎが得られるクロスフロー型のファンである。モータ１ｄは交流１００Ｖで１３段階で風力が切り換えられるものとした。
【００３４】
また、燃料遮断弁３、イグナイダ２３及びその高圧電源は市販のファンヒータに備え付けられているものと同じ物を使用した。
制御装置３０として外部設置のパソコンを利用して燃焼の自動制御とデータ収録を行った。
【００３５】
次に、上記ファンヒータ１００において、燃焼テストを行った結果を説明する。
燃焼テストはメタンを主成分とし発熱量４６ＭＪ／ｍ3 （Ｎｏｒｍａｌ）（１１０００ｋｃａｌ／ｍ3 （Ｎｏｒｍａｌ））の市中供給の天然ガス系都市ガスを用いて行った。排気は対流用ファン１ｂの出口にて吸引サンプリングし、全炭化水素、ＣＯ，ＣＯ2、ＮＯｘを分析した。
燃焼自動制御では、制御装置３０において、まず、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧Ｖを４８Ｖとして駆動し、イグナイタ２３をＯＮ状態にて、ガス遮断弁３を開にし、比例制御弁２に燃焼量３ｋＷ（２６００ｋｃａｌ／ｈ）に相当する初期動力を与える。
【００３６】
気相燃焼室１２における着火を気相燃焼部１２の温度センサー２４にて検知した後、イグナイタ２３の電源をＯＦＦにし、燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１を検出する温度センサ２１の検出結果に基づいてファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧Ｖを次式に従って上昇させる。
【００３７】
【数１】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００９７×Ｔ１１［℃］＋９．３
【００３８】
次に、温度センサ２１の出力値である燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１が第１段目の目標出力値である４００℃に到達した時点で、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧の関数を次式に変更してさらに上昇した。尚、温度センサ２１の出力値が４００℃に到達した時点での混合気の空気比は１．６程度である。
【００３９】
【数２】
Ｖａ［Ｖ］＝０．００９×Ｔ１１［℃］＋９．６
【００４０】
次に、温度センサ２１の出力値である燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１が第２段目の目標出力値である７８０℃に到達した時点で、温度Ｔ１１を７８０℃に保持するようにファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧の制御をフィードバック制御に切り換えた定常のハイブリッド燃焼に至らしめた。尚、温度センサ２１の出力値が７８０℃に到達した時点での混合気の空気比は１．９程度である。
【００４１】
均一な気相燃焼による燃焼開始後、熱再生によって触媒が予熱され約４分後に燃焼触媒部１１において触媒燃焼が開始され、ハイブリッド触媒燃焼に移行し、６分後には超低ＮＯｘ定常ハイブリッド触媒燃焼に至った。燃焼開始から定常までの最大のＣＯ濃度は５ｐｐｍ、未燃の炭化水素濃度は３０ｐｐｍ、ＮＯｘ濃度は０．７ｐｐｍであった。
【００４２】
この後、比例制御弁２を働かせて、燃焼量を４ｋＷから０．７k Ｗまで（３５００ｋｃａｌ／ｈから６００ｋｃａｌ／ｈまで）変化させて燃焼を行った。燃焼触媒部１１の出口側温度Ｔ１１の制御温度は７６０℃から８４０℃であり、ファン装置１のモータ１ｄの駆動電圧は１００Ｖから４０Ｖに変化した。
【００４３】
これらの燃焼は非常に安定であり、未燃の炭化水素、ＣＯはいずれも５ｐｐｍ以下、ＣＯ2 は０．４５％から０．２６％であり、完全酸化率は９９．５％以上であった。ＮＯｘは０．１から０．０４ｐｐｍであり、ＮＯｘの理論乾きガス換算濃度（酸素０％濃度）は１．５ｐｐｍからほぼゼロであった。
【００４４】
〔比較例１〕
次に第１の比較例として、上記の燃焼装置５０とほぼ同じ構成の燃焼装置において、気相燃焼部伝熱変換体１６を取り外して、上記同じ条件下において燃焼テストを行った。この場合、低負荷燃焼において、０．８k Ｗ（７００ｋｃａｌ／ｈ）までの燃焼は可能であったが、０．７k Ｗ（６００ｋｃａｌ／ｈ）迄の燃焼持続はできなかった。よって、本発明においては、気相燃焼部１２に設けた気相燃焼部伝熱変換体１６によって、高温の対流熱損失を抑制することで、低負荷燃焼時において燃焼を安定させることができることがわかる。
【００４５】
〔比較例２〕
次に第２の比較例として、上記の燃焼装置５０とほぼ同じ構成の燃焼装置において、気相燃焼部伝熱変換体１６を、内筒２０の上縁、即ち燃焼触媒部１１と同じ高さの位置に設けて、上記同じ条件下において燃焼テストを行った。この場合、燃焼開始時に臭い匂いが発生し、均一の気相燃焼を阻害する傾向に有ることがわかった。また、気相燃焼部伝熱変換体１６を内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部の少し下方の内筒２０の上縁から２５ｍｍの位置に設けると、その匂いの発生はなく、上記実施例と同様の燃焼性能及びＮＯｘ抑制性能を確認できた。よって、本発明において、気相燃焼部伝熱変換体１６は、内筒２０の燃焼触媒部１１の入口部に相当する気相燃焼部１２の位置から、混合気流路４に相当する気相燃焼部１２の位置までの範囲内に設けることが好ましいといえる。
【００４６】
また、本発明に係るハイブリッド触媒燃焼装置は、天然ガス系都市ガスに限らず、ＬＰＧ、灯油気化ガス、各種燃料ガスに適用できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のハイブリッド触媒燃焼装置をファンヒータの燃焼装置として設けることで、シンプルな構造で、市販のファンヒータと同様の燃焼範囲を可能とし、特に、使用時間の長い低負荷燃焼領域での燃焼安定性を達成し、ＮＯｘの大幅な抑制が可能であるハイブリッド触媒燃焼装置を構成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼装置を備えたファンヒータの全体概略図
【図２】図１に示す燃焼装置の側断面概略図
【図３】熱交換フィンの拡大斜視図
【符号の説明】
１ ファン装置
１ａ 燃焼用ファン
１ｂ 対流用ファン
１ｃ 回転軸
１ｄ モータ
４ 混合気流路
１１ 燃焼触媒部
１２ 気相燃焼部
１４ 排出部伝熱変換体
１５ 排出口
１６ 気相燃焼部伝熱変換体
１９ 熱交換用フィン
１８ 予熱部
２０ 内筒
２２ 外筒
５０ 燃焼装置
１００ ファンヒータ
Ａ 空気
Ｅ 燃焼排ガス
Ｈ 暖房用温風
Claims (3)
- 燃焼用空気と燃料との混合気を通過させて前記燃料の一部を触媒接触酸化させる燃焼触媒部と、前記燃焼触媒部の前記混合気流れ方向の下流側に設けられ前記燃料の残部を気相燃焼させる気相燃焼部とを備えたハイブリッド触媒燃焼装置であって、
一方の端部の内側に前記燃焼触媒部を設けた内筒と、前記内筒を全方向から外囲して設けられて前記内筒との間に前記気相燃焼部を形成し、前記気相燃焼後の燃焼排ガスを排出する排出口を有する外筒とを備え、
前記外筒側から前記内筒内に混合気を供給する混合気流路と、前記内筒内に供給される混合気を予熱する予熱部とを前記内筒内に設けて構成されるとともに、
前記気相燃焼部は折り返し構造に形成されて、前記燃焼触媒部における流れ方向と、前記気相燃焼部における流れ方向とが逆方向とされ、
前記気相燃焼部に、前記混合気流れの横断方向にわたって配設され、通気性を有すると共に気体の顕熱を輻射熱に変換する気相燃焼部伝熱変換体を備え、
前記気相燃焼部伝熱変換体が、前記燃焼触媒部の入口部に相当する内筒の位置に対して、前記気相燃焼部における混合気流れ方向の下流側に位置づけられて、前記燃焼触媒部の上流側に前記輻射熱を放出するハイブリッド触媒燃焼装置。 - 前記排出口に、通気性を有すると共に気体の顕熱を輻射熱に変換して前記内筒側に放出する排出部伝熱変換体を備えた請求項１に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
- 前記予熱部に、前記内筒から前記内筒内を流通する混合気への伝熱を促進する熱交換用フィンを備えた請求項１又は２に記載のハイブリッド触媒燃焼装置。
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