JP2892027B2

JP2892027B2 - 触媒燃焼装置の製造法

Info

Publication number: JP2892027B2
Application number: JP1030674A
Authority: JP
Inventors: 宣雄松尾; 宏一柳; 正行松田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1999-05-17
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JPH02213607A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、触媒燃焼装置の製造法に係り、特に特別の
予熱装置を設けることなく安定した起動、燃焼を継続で
きる触媒燃焼装置およびその製造法に関する。

〔従来の技術〕

ガス状燃料を燃焼させる方式としては、これまでバー
ナによる燃焼がよく知られている。この方式による燃焼
では、燃料と空気を予めまたはバーナ先端で混合し、適
切な空気と燃料の混合割合に調整することにより、火炎
を保持し、安定に燃焼を継続させている。したがって、
燃料の種類により適切な空燃比があり、例えばメタン、
プロパンでは1.0〜1.2程度、一酸化炭素では1.0〜2.0程
度と言われている。また燃料の発熱についても、火炎を
保持し、自然しかつ安定燃焼させるためには、最低800
〜1000Kcal/m³N以上は必要であるとされている。

一方、近年触媒を用いた触媒燃焼方式が提案され、自
動車用浄化触媒等で実用化されている。この触媒燃焼方
式の代表的なシステムを第６図に示す。図において、燃
料配管４から供給された燃料は、空気配管７から熱交換
器19を経て供給される空気と混合された後、触媒層２に
供給されて燃焼が行われる。この触媒燃焼方式は、
（１）100〜200Kcal/m³N以下というような低カロリーガ
スの燃焼が可能、（２）低酸素、すなわち理論酸素での
燃焼が可能、（３）火炎がなくNOxが低い等の優れた特
徴を有している。

触媒燃焼方式においては、燃焼を完全に行うために、
触媒層の温度を一定温度以上に保持する必要があり、こ
のため燃料と酸素含有ガスの混合ガスをあらかじめ触媒
の燃焼開始温度まで予熱する予熱方式や、起動時のみ触
媒層を加熱し、安定に触媒燃焼できる温度（約400〜600
℃）まで触媒層が昇温されたら予熱なしに前記混合ガス
を供給する自然方式が知られている（特開昭58−81427
号、特願昭60−24690号、特願昭59−106238号、特開昭5
7−21716号、特開昭58−86314号等）。

一方、都市ガス等のバーナに用いられる炎口板に触媒
を担持させ、この触媒担持炎口板の貫通口に混合ガスを
通過させ、炎口板の出口で点火せしめ、炎口板出口表面
に火炎を形成させ、炎口板を直接昇温赤熱させ触媒担持
層（炎口板）を予熱する方法（特開昭57−70309号）、
さらに炎口板の形状について、混合ガスの炎口板前流へ
の逆火防止のため入口側の面積を小さくした構造が提案
されている（特開昭59−70307号、特開昭58−62416
号）。

また、上記の触媒層の製造法は一般に公知のように、
ハニカム状、または球状のサポート基材の表面に高比表
面積のγ−アルミナ等の触媒担体をコーティング、吹付
け付着または塗布し、これに触媒成分を含浸し、または
触媒成分を予め触媒担体に混合し担持させている。また
コーティング等の担体を基材表面に付着させるに際して
は、付着層の厚みを一定とし、余分な付着物を除去する
よう空気等でブローし均一に付着させている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の自然方式における従来技術では、炎口板をその
まま用いた場合、触媒燃焼時は貫通穴の径が小さく開口
面積が小さいため、混合ガス炎口板通過時の圧力損失が
大きくなり、さらに投入混合ガス量が少ないという問題
があった。また、炎口板の貫通穴径を大きくしたり、ま
たはいわゆるハニカム状触媒を用い、開口面積を大きく
すると圧力損失は小さくなるが、起動時の炎口板出口表
面での火炎の保持が困難となり、火炎が表面から剥離し
て予熱時間が長くなってしまう。さらに表面燃焼から触
媒燃焼へ移行する際、特に水素等のよく燃焼するガスを
含有したガス燃料を用いた場合、しばしば逆火を引き起
こす欠点があった。

一方、炎口板の入口の面積を小さくした場合、圧力損
失は若干増すものの、逆火は起こしにくく改善されてい
るが、表面燃焼時の火炎の保持は困難であり、予熱時間
が長くなる欠点は改善されなかった。

さらに、従来の触媒燃焼装置の製造法では、触媒層が
特殊形状の場合は、所望の形状の触媒層を得ることが困
難である。

本発明の第１の目的は、燃焼容量を大きくするととも
に起動時間を短くし、また逆火が生じることなく安定な
燃焼を維持することができる触媒燃焼装置を容易に得る
ことができる触媒燃焼装置の製造法を提供することにあ
る。

本発明の第２の目的は、さらに触媒燃焼装置の触媒層
出口のガス流路の径を均一にするとともに、任意の長さ
にすることが容易な触媒燃焼装置の製造法を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

本願で特許請求される発明は以下のとおりである。

（１）15〜50重量％の濃度に調製した触媒担体スラリ液
に、複数のガス流路を有するサポート基材を、ガス流路
が垂直になるように、かつ形成する無触媒層部の所定位
置から２〜3mm下部まで浸した後、該サポート基材を引
き上げて静置し、前記サポート基材に無触媒層部および
ガス流路径の断面積縮小部をその先端部に有する触媒層
部を一体的に形成することを特徴とする触媒燃焼装置の
製造法。

（２）15〜50重量％の濃度に調製した触媒担体スラリ液
に、複数のガス流路を有するサポート基材を、ガス流路
が垂直になるように、かつ形成する無触媒層部の所定位
置から２〜3mm下部まで浸した後、該サポート基材を引
き上げて一次乾燥して無触媒層部と触媒層部を形成し、
次いで該サポート基材の触媒層部の先端部から２〜3mm
上部までを前記スラリ液に再度浸した後、該スラリ液か
ら引き上げて静置することを特徴とする触媒燃焼装置の
製造法。

本発明の触媒燃焼装置の製造法に用いる触媒担体スラ
リ液の濃度は15〜30重量％、好ましくは20〜30重量％で
ある。スラリ濃度が15重量％未満では、スラリ液中にサ
ポート基材を所定の位置まで浸しても、サポート基材の
吸水性による毛細管現象のため無触媒層とすべき部分ま
でスラリが付着し、また所定位置から下部まで浸したと
しても触媒層本部のコーティング厚みが一定せず、さら
に触媒層をスラリ液から引き上げたとき、出口部の面積
縮小部が形成されないかまたは不十分となる。またスラ
リ濃度が50％を超えると、スラリ液の粘性、表面張力が
大きくなりすぎるため、ハニカム状サポート基材の開口
部上部へスラリ液が上昇せず、安定したコーティングが
達成されない。

〔作用〕

触媒層の出口面を絞り、開口面積を小さくすることに
より触媒層出口面の噴出口部に渦流を生じ、火炎が保持
されるので、火炎が炎口板出口面より剥離することがな
い。また、出口部のみを絞っているので炎口板通過時の
圧力損失も比較的小さくてすむ。

また、触媒層は、無触媒層部と触媒層部からなる構成
となっており、触媒層部では、燃焼ガスが燃焼し触媒層
そのものを加熱昇温することとなるが、この熱量の一部
は触媒層入口側の無触媒層部に伝導により伝えられ、無
触媒層部も昇温されることとなる。一方、燃焼装置に供
給される低温の混合ガスは、触媒層入口側から触媒層部
に到るまでの無触媒層部において輻射、対流によって昇
温されるので、反対に無触媒層部は冷却されることとな
る。このため第５図に示すように、触媒層入口面の温度
は低下し、入口面前流の混合ガスは、無触媒層部のない
従来の場合（破線）に較べ無駄に昇温されることがな
い。したがって、炎口板入口面側にハニカム状または炎
口板により細分化された無触媒層部を形成することによ
り、前記触媒層入口前流の混合ガスの温度は、自然発火
温度以下となり、さらに無触媒層部の混合ガスの通路は
細分化されているので、水平面方向へ火炎が伝播するこ
とがなく、水素等の易触媒燃焼性ガス燃料でも逆火が生
じにくい。

また、上記触媒層の製造においては、該触媒層がガス
入口側に無触媒層部を、出口側に断面積縮小部をもつと
いう特殊形状であるため、通常は２〜10重量％程度であ
るスラリ濃度を15〜50重量％にすることにより、スラリ
液の粘度が上昇し、表面張力も大きくなるので、毛細管
現象の作用が小さく抑えられ、スラリ液に浸す位置に応
じ触媒担体がコーティングされ、無触媒層部が形成され
る。また、表面張力が大きくなることから、触媒層をス
ラリ液より引き上げたとき、出口部下端が雨滴状をなし
（第９図）、充分なる断面積縮小が達成される。さら
に、引き上げた触媒層を出口部を下端として、例えばハ
トロン紙等の油性紙上に置くことにより、触媒層から水
分の急速なる除去がなく、徐々に吸水していくので断面
積縮小部の形状が破壊されず残留し、また紙等の平面上
に置くことにより出口部端面が平面となるので、焼成後
の加工が不要となる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す燃焼装置の全体構
成図である。

この触媒燃焼装置１は、触媒層２と、触媒層２の前流
に混合ガスの偏流を防止する偏流防止部材３と、偏流防
止部材３の前流側に混合ガスを供給する燃料配管４およ
び空気配管７とから主として構成される。燃料配管４に
は制御弁５および燃料遮断弁６が、燃焼用空気配管７に
は制御弁８および必要に応じ送風機９が設置される。第
２図は触媒層２の詳細断面図、第４図は第２図のＡ−Ａ
断面図である。第２図において、触媒層２は、混合ガス
入口側の触媒を担持しない無触媒層部16と、中央部以降
の触媒を担持した触媒層部17と出口側断面積縮小部18と
からなる。

上記構成において、燃料ガスは単独で（または燃焼用
空気と予混合され）燃料配管４より、また燃焼用空気
（酸素含有ガス）は空気配管７より触媒燃焼装置１の偏
流防止部材３の前流側に導入される。混合ガスが触媒燃
焼装置１に導入されると同時に点火装置15が作動し、混
合ガスは触媒層出口側の断面積縮小部18の端面で火炎を
形成し自燃する。この際、触媒層流出口側の面積縮小の
効果により、混合ガスの流出速度が高められて流出口よ
り噴出するが、このとき第３図に示すように、周辺の大
気を巻込む渦流20が噴出口周辺に発生し、前記流出口部
16に火炎が確実に保持される。

燃料ガス量および空気量は、触媒層出口温度検出端10
からの信号により調節計11を介し、制御弁５および８を
制御することにより調整される。また緊急時には、触媒
層出口温度および触媒層入口温度検出端12,12′、また
はガス分析器13からの異常信号により調節計14を介し、
遮断弁６が閉じられる。

本実施例によれば、上記の火炎保持効果により触媒層
２への熱の伝達が速くなり、短時間で触媒層２を昇温す
ることができ、触媒燃焼への移行時間を短くすることが
できる。また、無触媒層部を配置したことにより、触媒
層入口前面の温度を低く押さえることができるので逆火
が押さえられる。

次に、本発明の触媒燃焼装置の製造法について説明す
る。

第７図に、触媒燃焼装置に用いられる触媒層製造のフ
ロー図を示す。

触媒および担体を平均１μ以下の粒径まで微粉砕し、
水を加えてスラリ濃度が15〜50重量％以下、好ましくは
20〜30重量％になるよう調整する。次に第８図に示すよ
うに、このスラリ液21中にサポート基材23をガス出口画
側を下面として触媒を担持させる部分の上端より数mm
（約２〜3mm）下まで浸した後、引き上げ、そのまま空
気ブローをせず第10図に示すように油性紙25上に静置す
る。約１時間そのまま放置した後、焼成し触媒層２とす
る。この触媒層２を燃焼装置１の燃焼部に配置する。

触媒成分は、あらかじめ担体に混合しておいてもよい
し、担体をコーティング後含浸させてもよいが、含浸さ
せた場合には、無触媒部にも若干触媒成分が担持される
ので、好ましくはあらかじめ担体に触媒成分を混合して
おくのがよい。

本発明の装置に用いられる触媒層製造法の他の実施例
を第11図に示す。

本実施例においては、あらかじめ上記と同様に調整さ
れたスラリ液により、触媒層本体部まで均一にスラリを
コーティングし空気ブローした後、出口側先端部のみを
再度スラリ液に浸し、その後空気ブローせずに油性紙上
に静置して断面積縮小部を形成するようにしたものであ
る。この実施例によれば、出口側先端部の形成を後工程
で行うようにしたので、断面積縮小部の口径制御を容易
に行なうことができる。

以下、本発明の具体的実施例を述べる。

実施例１触媒層寸法を150mm四角の厚さ20mmとし、1.8mmピッ
チ、壁厚0.25mmのハニカム状であり（200セル／イン
チ）、ガス前流側10mmが無触媒層部、流出側面積縮小部
の孔径が0.5mmの触媒層を用いた触媒燃焼装置により、
燃料量および空気量を変えて試験を行ない、装置の起動
時間、触媒層の圧力損失、触媒燃焼容量および前流空間
温度を測定した。

比較例１触媒層として、150mm四角の厚さ10mmの200セル／イン
チハニカム状で全層に触媒成分を担持させ、ガス流出側
の縮小部のないものを用い、実施例１と同様の試験を行
なった。

比較例２無触媒で厚み10mm、0.8mmの小孔を2.5mmピッチで千鳥
状に開孔した炎口板を用い、実施例１と同様の試験を行
なった。

比較例３比較例２の炎口板に触媒を担持させて実施例１と同様
の試験を行なった。

実施例２触媒層として200セル／インチハニカム状で厚み10m
m、全層に触媒成分を担持させ、流出側を実施例１と同
様0.5mm孔径まで縮小したものを用い、この触媒層の前
流に10mm厚みの無触媒ハニカムを触媒層と隙間を極力小
さくして設置し、実施例１と同様の試験を行なった。

実施例３実施例２において、無触媒ハニカムの厚みを5mmとし
た以外は実施例２と同様に試験を行なった。

結果を第１表に示す。第１表から明らかなように、本
発明の触媒燃焼装置は起動時間が短くまた触媒燃焼容量
はその範囲も最大負荷も大きくとれ、さらに触媒層前流
の温度が低く逆火を生じにくく、圧力損失も従来のハニ
カム状触媒より若干高いがほぼ同等である。また実施例
２の無触媒層と触媒層を独立に配置した場合は、それら
を一体とした場合に較べ、触媒層と無触媒層間の微小隙
間により若干逆火は生じ易いが、実施例１とほぼ同等の
効果が得られた。実施例３では無触媒層前流空間の温度
が約200℃で上昇したが、逆火は比較的生じにくかっ
た。また実施例２および３によれば、無触媒層と触媒層
を独立に配置するので触媒層を容易に製造することがで
きる。

〔発明の効果〕請求項（１）の触媒燃焼装置の製造法によれば、触媒
層の断面積縮小部と無触媒層部を容易に形成することが
でき、しかもガス出口部は水平に仕上がるので、複雑な
加工をすることなく安価に製造することができる。

請求項（２）の触媒燃焼装置の製造法によれば、請求
項（１）の効果に加えて、さらに触媒層出口のガス流路
の径を均一にでき、しかも任意の長さに制御できる。

また上記製造法で得られた触媒燃焼装置によれば、触
媒層のガス流出口部の断面積を縮小したことにより、圧
力損失は通常のハニカム状触媒より若干高いもののほぼ
同等であり、燃焼容量も大きくとれ、さらに起動時の火
炎保持ができるので、非常に短時間で起動できる。ま
た、ガス入口部に無触媒層部を設けたことにより、触媒
層前流空間の温度を低下させられるので逆火が生じにく
く、安定な燃焼を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の触媒燃焼装置の一実施例を示す全体
構成図、第２図は、本発明に用いられる触媒層の一実施
例を示す断面図、第３図は、本発明のガス流出口部の起
動時の保炎効果を説明する図、第４図は、第２図のＡ−
Ａ断面図、第５図は、本発明による触媒層前後の軸方向
の温度分布を示す図、第６図は、従来の触媒燃焼装置の
代表的フロー図、第７図は、触媒層製造のフロー図、第
８図は、サポート基材をスラリ液に浸したときの触媒担
体の付着状況を示す図、第９図は、触媒層をスラリ液か
ら引き上げたときの状況を示す図、第10図は、スラリ液
から引き上げた触媒層を油性紙上に静置したときの状況
を示す図、第11図は、触媒層の他の実施例を示す断面図
である。１……触媒燃焼装置、２……触媒層、３……偏流防止部
材、４……燃料配管、５、８……制御弁、６……遮断
弁、７……空気配管、10、12……温度検出器、11、14…
…調節計、15……点火装置、16……無触媒層部、17……
触媒層部、18……面積縮小部、20……渦流、21……スラ
リ液、22……スラリ液槽、23……サポート基材、24……
触媒担体、25……油性紙、26……均一担持部、27……再
コーティング部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭57−105243（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−174608（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−28907（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23D 14/18 F23D 11/40 F23C 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】15〜50重量％の濃度に調製した触媒担体ス
ラリ液に、複数のガス流路を有するサポート基材を、ガ
ス流路が垂直になるように、かつ形成する無触媒層部の
所定位置から２〜3mm下部まで浸した後、該サポート基
材を引き上げて静置し、前記サポート基材に無触媒層部
およびガス流路径の断面積縮小部をその先端部に有する
触媒層部を一体的に形成することを特徴とする触媒燃焼
装置の製造法。
【請求項２】15〜50重量％の濃度に調製した触媒担体ス
ラリ液に、複数のガス流路を有するサポート基材を、ガ
ス流路が垂直になるように、かつ形成する無触媒層部の
所定位置から２〜3mm下部まで浸した後、該サポート基
材を引き上げて一次乾燥して無触媒層部と触媒層部を形
成し、次いで該サポート基材の触媒層部の先端部から２
〜3mm上部までを前記スラリ液に再度浸した後、該スラ
リ液から引き上げて静置することを特徴とする触媒燃焼
装置の製造法。