(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収納する加熱炉と、
前記加熱炉内に設置され、内部に燃料の酸化触媒を有するとともに、前記燃料の触媒燃焼によって発生された熱を前記加熱炉内に放射する触媒燃焼部と、
前記触媒燃焼部に連通し、燃料と空気の混合ガスを供給する混合ガス供給管と、
前記触媒燃焼部に連通し、その触媒燃焼部からの触媒燃焼ガスを前記加熱炉外部に排出する排ガス管と、
前記加熱炉内で発生した発生ガスを排出する排気手段と、
前記排気手段によって排出された発生ガスを、前記触媒燃焼部または前記混合ガス供給管に導入する発生ガス導入管とを備え、
前記触媒燃焼部は、その触媒燃焼部から前記加熱炉へ前記混合ガスおよび前記触媒燃焼ガスが流入しないように遮蔽されている
ことを特徴とする触媒燃焼加熱装置。
【請求項２】
前記触媒燃焼部の前記加熱炉内に面する側壁は、熱線を透過する熱線透過窓であり、
前記酸化触媒は、多数の連通孔を有する面状体であって、その面が前記熱線透過窓と対向するように配置される
ことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項３】
前記触媒燃焼部の前記加熱炉内に面する側壁は、良熱伝導性材料の放熱板であり、
前記酸化触媒は、多数の連通孔を有する面状体であって、その面が前記放熱板と対向するように配置される
ことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項４】
前記放熱板の面積は、前記酸化触媒の面の前記放熱板への投影面積より大きいことを特徴とする請求項３記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項５】
前記触媒燃焼部の前記加熱炉内に面する側壁は、良熱伝導性材料の放熱板であり、
前記放熱板に接続され、前記酸化触媒からの熱を回収する熱回収フィンをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼加熱装置。
【請求項６】
前記触媒燃焼部の前記加熱炉内に面する側壁外側に配置される温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記混合ガス供給管によって前記触媒燃焼部に供給される混合ガスの燃料および／または空気の流量を制御する制御手段とを
備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の触媒燃焼加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒燃焼を用いて被加熱物を加熱する触媒燃焼加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼熱を熱源として乾燥、熱処理等の用途に供する加熱装置は従来より多数用いられており、また燃焼熱の発生手段としては、火炎燃焼によるものの他、燃料に対して酸化活性を有する触媒を用いた触媒燃焼方式を用いたものも多数提案されている。触媒燃焼を用いて燃焼熱の発生を得るものでは、火炎燃焼に比べて燃焼温度を低くできることから、窒素酸化物の発生を抑制することができ、燃焼排ガスをクリーンに保つことができるという特徴がある。また、触媒燃焼反応が触媒の表面で行われるために、発生した熱が直接触媒温度を上昇させることに有効に作用し、ここから高い効率で放射熱が発散されるので、高熱効率の加熱装置となし得ることも知られている。
【０００３】
触媒燃焼を用いる燃焼方式としては、触媒に燃料のみを供給して周囲の大気と接触する下流側で酸素の拡散混合を行い、ここで触媒燃焼反応を行わしめる拡散燃焼方式と、燃料と空気の予混合気を供給して主に触媒体の上流面付近で触媒燃焼反応をさせ、触媒上流面から放出される放射熱を利用する予混合燃焼方式とがあるが、前者は構成が簡易であるが完全燃焼性が得難く、後者は完全燃焼を得やすいが構成が複雑になるという特性があり、用途に応じていずれかが選択して用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の装置で、燃料のみを供給する拡散型の触媒燃焼方式では、窒素酸化物の生成は抑制できるものの未燃ガスのスリップは避けられず、排ガスを清浄に保つことは困難であるという欠点を有する。つまりこの方式の燃焼部を加熱炉内に設置した場合、被加熱物は未燃ガスを含む排ガス雰囲気に曝されることとなり、単純な被加熱物の高温乾燥等では問題なく使用でき、また被加熱物から発生する臭気成分や可燃ガスの一部を燃料と同時に酸化浄化処理できるという利点は有するものの、塗装物の乾燥や化学材料の加熱処理等では、雰囲気ガスが被加熱物に悪影響を与える場合があり、用途が限定される場合があった。
【０００５】
これに対して予混合型の触媒燃焼方式では完全燃焼を得やすく、また排ガスを直接加熱炉外に導くことが可能であるため、燃焼排ガスが加熱炉内に悪影響を与える懸念は避けられる。しかしながらこの場合には、燃焼反応が被加熱物の収納される加熱炉内とは別の閉回路で行われるため、被加熱物から発生する臭気成分や可燃ガスには何らの作用もなし得ず、単なる熱源としての作用を供するものであった。
【０００６】
本発明は、かかる従来の欠点を解消して、被加熱物が燃料ガスおよび燃焼ガスによって実質上曝されないようにし、かつ加熱炉内で発生した発生ガスを浄化する触媒燃焼加熱装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の本発明（請求項１に対応）は、被加熱物を収納する加熱炉と、
前記加熱炉内に設置され、内部に燃料の酸化触媒を有するとともに、前記燃料の触媒燃焼によって発生された熱を前記加熱炉内に放射する触媒燃焼部と、
前記触媒燃焼部に連通し、燃料と空気の混合ガスを供給する混合ガス供給管と、
前記触媒燃焼部に連通し、その触媒燃焼部からの触媒燃焼ガスを前記加熱炉外部に排出する排ガス管と、
前記加熱炉内で発生した発生ガスを排出する排気手段と、
前記排気手段によって排出された発生ガスを、前記触媒燃焼部または前記混合ガス供給管に導入する発生ガス導入管とを備え、
前記触媒燃焼部が、その触媒燃焼部から前記加熱炉へ前記混合ガスおよび前記触媒燃焼ガスが流入しないように遮蔽されている
ことを特徴とする触媒燃焼加熱装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【０００９】
なお、以下に述べる本発明の実施の形態には、各種炭化水素系燃料への酸化活性を有する触媒およびその触媒を担持させる構成基材や、耐熱性の熱線透過材料、良熱伝導性の放熱板材料、着火装置等の他、燃料および空気や熱媒体等の流量制御装置、温度検出手段や必要に応じて駆動装置等が必要となるが、これらはいずれも周知の技術である。例えば触媒としては、白金やパラジウム等の貴金属を主成分としたものが一般に用いられ、燃料種によっては卑金属酸化物やペロブスカイト等の複合酸化物等が用いられる。またこれらを担持して燃焼触媒を構成する基材としては、コージライト等のセラミックハニカムやシリカ・アルミナ等からなるセラミック多孔体、もしくはそれらの繊維の積層体や編組体、あるいはステンレス等の耐熱性金属薄板やコルゲート状構成体が使用される。また耐熱性の熱線透過材料としては、石英ガラスや結晶化ガラス等が通常使用され、良熱伝導性の放熱板としてはアルミニウムや銅もしくは黒鉛などが用いられる。空気や気体燃料の流量制御には、ニードルバルブやソレノイドバルブ等を用いることができ、液体燃料の場合には電磁ポンプ等を使用することができる。
【００１０】
着火手段としては、電気加熱式のヒータ、圧電素子を用いた放電着火等の他、ライターやマッチ等を使用することができる。温度検知手段は、熱電対やサーミスタが一般的であるが、光学式の検出手段を用いることもできる。その他駆動部分は、手動のレバー操作によるものもあり、自動制御のモータ駆動のものもある。また空気の供給手段としては、送風ファンを用る方法もあり、また燃料の噴出圧で自吸するスロート構成を用いてもよく、これらはいずれも従来から一般的に採用されている手段であり、本明細書ではこれらについての技術的説明は省略する。
【００１１】
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１の触媒燃焼加熱装置の構成を図１および２を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態１の触媒燃焼加熱装置の断面構成略図であり、図２はその触媒燃焼加熱装置の触媒燃焼部５を含む要部構成図である。図１において、１は加熱炉で、周囲は断熱材２で囲まれ断熱保温される構成となっており、内部には被加熱物３を搭載して移動させるコンベヤ４が設置されている。５は加熱炉１上壁面に設置された触媒燃焼部で、空気供給管６、燃料供給管７に連通する混合気供給管８が接続されており、触媒燃焼によって発生された熱を加熱炉１内に放射する手段である。また、触媒燃焼部５は、その触媒燃焼部５から加熱炉１へ混合ガスおよび触媒燃焼ガスが流入しないように遮蔽されている。９は排ガス流路で、触媒燃焼部５からの触媒燃焼ガスを加熱炉１外部へ排出する排ガス管２０に連通している。１０は加熱炉１の上部を覆うダクトカバーで、加熱炉１内で発生した発生ガスを捕集するものであって、発生ガスは排気ファン１１によって吸引され、発生ガス導入管１２を経て混合気供給管８に導入される。１３は触媒燃焼部５の加熱炉１内に面する側壁外側に配置される温度検出部で、検出信号は制御器１４に入力される。制御器１４は、検出信号に基づいて混合気供給管８に連接する燃焼制御弁１５を制御し、触媒燃焼部５に供給される混合ガスの燃料および／または空気の流量を制御する手段である。
【００１３】
ここで、触媒燃焼部５部分は図２に示すような構成となっている。内部にはセラミックハニカム担体に貴金属系触媒成分を担持させた酸化触媒１６が備えられ、その上流側空間に混合気供給管８が開口連通されている。酸化触媒１６の下流近傍には点火ヒータ１７が配置され、その下流に排ガス流路９が連接されている。酸化触媒１６の上流側に対向する触媒燃焼部５壁面には、つまり触媒燃焼部５の加熱炉１内に面する側壁には、結晶化ガラスから形成され熱線を透過する透過窓１８が配設されており、透過窓１８の外面近傍には温度検出部１３としての熱電対１９が備えられている。なお、酸化触媒１６は、多数の連通孔を有する面状体であって、その上流側の面が透過窓１８と対向するように配置されている。
【００１４】
次に、本実施の形態の動作と作用効果について説明する。空気供給管６から供給された空気と燃料供給管７から供給された燃料燃料ガスとの混合ガスは、燃焼制御弁１５によって流量を制御され、混合気供給管８を介して触媒燃焼部５に供給される。燃焼開始時には、酸化触媒１６を通過して下流へと流れた混合ガスは点火ヒータ１７で着火され、酸化触媒１６の下流面近傍に火炎を形成する。この火炎により酸化触媒１６も徐々に昇温され、触媒反応開始可能温度となって酸化触媒１６での触媒燃焼反応が開始され、これに伴って火炎は消失する。定常燃焼時には、混合気供給管８から流入する混合ガスが酸化触媒１６の主に上流側表面近傍で燃焼反応した後、排ガスは酸化触媒１６を通過して、排ガス流路９および排ガス管２０を介して加熱炉１の外へと排出される。
【００１５】
触媒燃焼反応で発生した反応熱によって赤熱状態となった酸化触媒１６の上流側表面からは多量の放射熱が発散されるが、この放射熱線のうち短波長成分の大部分は酸化触媒１６の上流側表面に対向して設置される透過窓１８を透過して直接前方に放出され、他の成分は透過窓１８に吸収されてこれを昇温し、ここから再度二次放射として発散されて、同じく前方へ放射される。かくして触媒燃焼反応により生成する熱の５０〜６０％が放射熱として加熱炉１内部にむけて放出され、被加熱物３の加熱処理に供せられる。加熱炉１はコンベヤ４によって被加熱物３を搬送するために、入口および出口を開放状態にする必要があるが、放射加熱によって熱の供給を受けるために流通する雰囲気ガス（大気や発生ガス）による熱の搬出ロスは小さく、熱利用効率の高い装置とすることができる。
【００１６】
被加熱物３が放射熱を受けることによって発生したガス（例えば塗料の溶剤や熱分解によって生じた臭気成分、可燃成分など）は、ダクトカバー１０で捕集された後、排気ファン１１で吸引されて発生ガス導入管１２へと流れ、混合気供給管８へと混合送入される。混合気供給管８内の混合気は、発生ガスを含む空気で希釈されることになるが、酸化触媒１６が既に十分な高温状態になっており、空気過剰の希薄燃料ガスとなっても安定して反応を継続し得る触媒燃焼の特性により、完全燃焼反応を継続できる。同時に低温反応であるが故に窒素酸化物の発生は防止でき、加えて加熱炉１内で発生する可燃ガスもここで完全に酸化浄化されることになり、排ガス流路９から加熱炉１外部へ排出される排ガスは、極めてクリーンな状態を維持できることになる。
【００１７】
ところで、被加熱物３が発生する発生ガスに被加熱物３の有機溶剤等からの多量の可燃ガスが含まれていて酸化触媒１６での発生熱量過大となる場合には、透過窓１８の近傍に設置された熱電対１９により過剰昇温が検知される。その場合、制御器１４は、過剰昇温が検知されたことを意味する信号を入力し、燃焼制御弁１５の開口を制御するための制御信号に変換して燃焼制御弁１５の開口を制御し、混合気供給管８によって触媒燃焼部５に供給される混合ガスの燃料および／または空気の流量を制御する。このようにすることにより、適切な加熱温度条件を維持することができる。
【００１８】
なお、上述した実施の形態１では、ダクトカバー１０で捕集され排気ファン１１で吸引されて発生ガス導入管１２に導かれた、加熱炉１内で発生した発生ガスは、混合気供給管８に導入されるとしたが、混合気供給管８を介さず直接触媒燃焼部５に導入されるとしてもよい。
【００１９】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態の触媒燃焼加熱装置は、基本的な構成および燃焼操作等は実施の形態１の触媒燃焼加熱装置と同様であるが、触媒燃焼部５の酸化触媒１６に対向する壁面に、良熱伝導性材料から形成される大面積の放熱板を設置した点が異なる。したがって、この相違点を中心に本実施の形態を説明する。
【００２０】
図３に本実施の形態の触媒燃焼部５を含む要部断面構成図を示し、図４にその触媒燃焼部５の特性説明図を示す。図３において、触媒燃焼部５内に備えられた多数の連通孔を有する酸化触媒１６は、セラミックハニカムを基材として、これに貴金属系の触媒を担持させて構成されており、その上流面に対向する触媒燃焼部５壁面には、酸化触媒１６の上流側投影面積より大きな面積の放熱板２８が備えられている。放熱板２８としては、表面を放射率の大きな耐熱性塗膜で被覆処理されたアルミニウム板が用いられている。
【００２１】
上記構成において、酸化触媒１６から放射された熱は放熱板２８に吸収されてこれを昇温する。放熱板２８は熱伝導性が良好であるために、受けた放射熱を速やかに外側表面へと移動するとともに、酸化触媒１６の正面と実質上対向しない放熱板２８の外周部方向へも熱伝導により分散させて、比較的均一で低温の放射板２８表面状態を作ることになる。ここで放射板２８表面は、放射率の高い耐熱性塗料で被覆されているから、酸化触媒１６からの放射熱を効率的に吸収すると同時に、ここから前方の加熱炉１内の空間へも高い効率で放射放熱でき、前記実施の形態１で示した透過窓１８を備えた場合と遜色ない熱利用効率を維持することができる。
【００２２】
ここで、酸化触媒１６の温度を十分高く維持した状態でも、放熱板２８の面積を適切に選ぶことによって任意の放熱温度を確保することができる。図４に、酸化触媒１６の温度を一定（約８５０℃）にした時の、厚さ５ｍｍのアルミニウム板を用いた放熱板２８の面積と温度との関係を示す。図４に示すように、酸化触媒１６の約４倍の面積で放熱板２８は約５００℃、１４倍で約３００℃等と変化しており、被加熱物３を低温加熱する必要がある場合でも、放射板２８の大きさを適切に選択すれば、加熱温度を自由にコントロールできることがわかる。逆に放熱板２８の温度を所定の中〜低温に維持しながら、例えばメタンのように６５０℃以上の反応温度を維持しなければならない難燃性の燃料を使用する場合や、被加熱物３からの発生ガス中にハロゲン成分を含み、ダイオキシン類の生成排出を抑えるために、８００〜８５０℃の燃焼反応温度を維持する必要がある場合など、酸化触媒１６の温度と放熱板２８の温度に差が生じるような動作条件でも、適切な大きさの放射板２８を用いることによってその放射板２８の温度を自由に設定できることになる。ここでも放熱板２８表面に設置したサーミスタ２９により温度検出を行い、燃料制御弁１５をフィードバック制御することによって、加熱炉１内で発生する可燃物量の変動に対して対応が可能である。
【００２３】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態の触媒燃焼加熱装置は、基本的な構成および燃焼操作は実施の形態２の触媒燃焼加熱装置と同様であるが、触媒燃焼部５の構成と燃焼熱の利用形態が異なる。この相違点を中心に本実施の形態を説明する。
【００２４】
図５に、本実施の形態の触媒燃焼部５を含む要部断面構成図を示す。図５において、金属板のコルゲート状構成体に貴金属触媒成分を担持させた酸化触媒１６は、アルミニウム製の放熱板２８に対して実質上直交する方向に立設されており、酸化触媒１６の上流および下流面方向には、放熱板２８と一体構成された熱回収フィン３８が多数設けられている。熱回収フィン３８の表面には、放熱板２８と同様に放射率の大きな耐熱性塗膜が被覆されている。
【００２５】
上記構成において、混合気供給管８から供給された混合ガスは、酸化触媒１６上で燃焼反応が行われるが、発生した燃焼熱によって加熱された酸化触媒１６からは、上流側のみならず下流側にも放射放熱される。特に酸化触媒１６の基材をセラミックより熱伝導性の良い金属板材で構成すると、主反応位置となる酸化触媒１６の上流側で発生した熱も比較的速やかに下流側へと伝導され、上流と下流での温度、ひいては放射熱量も大きな差が出ない状態となる。ここで放熱板２８と一体成形された熱回収フィン３８を多数立設することにより、酸化触媒１６の上流側では主に放射熱を受けてこれを放熱板２８に伝え、一方下流側では酸化触媒１６の下流面から放射される放射熱と、流出する高温排ガスからの熱を受けてこれを放熱板２８に伝えることができる。かくして酸化触媒１６で発生した燃焼反応による熱の大部分を、十分に回収して放熱板２８の昇温に用いることができ、ここから被加熱物３に向けての効率的な熱放射が可能となり、熱利用効率を一層高めることができる。同時に前記の発生ガス浄化作用や、完全反応確保条件の維持および温度制御作用はここでも同様に発揮できる。
【００２６】
なお、上述した実施の形態３では、熱回収フィン３８は放熱板２８と一体成形されたものであるとしたが、熱回収フィン３８は放熱板２８と接続されておりさえすればよい。
【００２７】
以上、本発明の触媒燃焼加熱装置の例を説明したが、本発明はこれに限定されるものでないことは勿論である。すなわち、以下のような場合も本発明の効果は発揮される。
【００２８】
燃料種として液体燃料を使用する場合も適用できる。この場合には、燃料供給管７の出口や混合気供給管８の経路内で、液体燃料を気化させる手段を付加することが必要となる。また酸化触媒１６に担持される活性成分としては、白金、パラジウム、ロジウム等の白金属の貴金属が一般的であるが、放熱板２８の設定温度にかかわらず酸化触媒１６の使用温度条件を十分高く維持することが可能であることから、貴金属の混合体や他の金属やその酸化物との混合組成であってもよく、燃料種や使用条件に応じた活性成分の選択が可能である。また混合気の供給手段としては、燃料および空気を強制供給するものでもよく、あるいは燃料の噴出力によって空気を自己吸引する方式の供給手段でもよく、いずれも本発明の効果は得られるものである。
【００２９】
つまり、本発明に係る触媒燃焼加熱装置は、触媒燃焼反応によって発生する熱を有効に被加熱物に放射供給することにより、熱利用効率の高い経済的な装置であると同時に、予混合ガスを触媒燃焼部に供給することによって完全燃焼を維持しつつ窒素酸化物の発生もなく、かつ被加熱物から発生する可燃ガスも同時に酸化浄化し得ることから、有害物や不快物を装置外に排出しないクリーンな排ガス性能を維持確保できるものである。
【００３０】
また、被加熱物の性状に応じた任意の放射加熱温度条件を提供しつつ、酸化触媒の反応温度も適切な状態に設定でき、難燃性ガスの燃焼や浄化および有害ガスの排出防止にも寄与できるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、被加熱物が燃料ガスおよび燃焼ガスによって実質上曝されないようにし、かつ加熱炉内で発生した発生ガスを浄化する触媒燃焼加熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の触媒燃焼加熱装置の断面構成略図である。
【図２】上記装置の要部断面構成図である。
【図３】本発明の実施の形態２の触媒燃焼加熱装置の要部断面構成図である。
【図４】上記装置の触媒燃焼部５の特性説明図である。
【図５】本発明の実施の形態３の触媒燃焼加熱装置の要部断面構成図である。
【符号の説明】
１  加熱炉
２  断熱材
３  被加熱物
４  コンベヤ
５  触媒燃焼部
６  空気供給管
７  燃料供給管
８  混合気供給管
９  排ガス流路
１０  ダクトカバー
１１  排気ファン
１２  発生ガス導入管
１３  温度検出部
１４  制御器
１５  燃焼制御弁
１６  酸化触媒
１７  点火ヒータ
１８  透過窓
１９  熱電対
２０  排ガス管
２８  放熱板
２９  サーミスタ
３８  熱回収フィン
【図１】
0003595720.tif 000002
【図２】
0003595720.tif 000003
【図３】
0003595720.tif 000004
【図４】
0003595720.tif 000005
【図５】
0003595720.tif 000006