(57)【要約】【課題】  ガスと空気とを十分に均一に混合させて触媒燃焼させることができる触媒燃焼装置を提供する。【解決手段】  ガス混合加熱部１３内に螺旋状をした旋回羽根２２を設け、旋回羽根２２の内側に加熱室２３を形成する。ガスバーナ１２に供給されたガスの一部を燃焼口１６で燃焼させて加熱室２３内の混合ガスを加熱する。一方、ガスバーナ１２に供給されたガスの一部をガス吐出口１７から加熱室２３内に吐出させる。ガス混合加熱部１３の空気供給口２１から吹き込まれた空気は、旋回羽根２２を通過して加熱室２３内に供給される。旋回羽根２２を通過する空気は、旋回羽根２２によって渦巻き状に旋回させられ、加熱室２３内のガスと空気を旋回させることによって攪拌し均一に混合させ、触媒層１４で混合ガスを完全燃焼させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスと空気とを混合させるためのガス混合部と、ガス混合部にガスを供給するガス吐出口と、ガス混合部に空気を供給するための空気供給口と、ガス混合部に供給されたガスと空気の混合ガスを加熱するための燃焼部と、ガス混合部で混合及び加熱された混合ガスを燃焼させるための触媒層とを備えた触媒燃焼装置において、
前記ガス混合部に供給された空気を旋回させて前記混合部内の空気とガスを混合させるための旋回羽根を前記ガス混合部内に設けたことを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項２】
前記ガス混合部の底面に、前記燃焼部とは別に前記ガス吐出口を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の触媒燃焼装置。
【請求項３】
前記燃焼部は、ガス混合部に供給されるガスの一部を燃焼させるものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の触媒燃焼装置。
【請求項４】
前記旋回羽根は、筒状に配置されており、前記空気供給口は、空気が旋回羽根の中心軸に垂直な方向から旋回羽根に囲まれた空間へ流れ込むように配置され、前記ガス吐出口は、ガスが旋回羽根の中心軸に平行な方向から旋回羽根に囲まれた空間へ流れ込むように配置されていることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の触媒燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒を用いてガスを完全燃焼させるようにした触媒燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスが不完全燃焼すると窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する。窒素酸化物は環境を汚染するため、ガスを燃焼させる際に発生する窒素酸化物を低減させるために触媒燃焼装置が用いられている。
【０００３】
従来の触媒燃焼装置としては、例えば実開昭６１−４１１０号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この触媒燃焼装置では、パイロットバーナで予熱された４００〜５００℃のガスを一方端部から燃焼装置本体内に供給している。一方、燃焼装置本体の外周胴面には複数本の燃料ノズルが接続されており、各燃料ノズルは燃焼装置本体の中心を向く方向から傾けて螺旋状に配設されている。また、燃焼装置本体の他方端部には、触媒層を設けている。
【０００４】
しかして、燃焼装置本体の一方端部から燃焼装置本体内にガスを供給すると共に燃料ノズルから燃焼装置本体内に２次燃料を供給し、燃焼装置本体内でガスと２次燃料とを混合させている。燃料ノズルは螺旋状に配置されているので、このとき燃料ノズルから吐出される２次燃料の流れが燃焼装置本体内で渦巻き状となり、ガスと２次燃料とが均一に攪拌される。そして、均一に攪拌されたガスと２次燃料を触媒層で完全に燃焼させるようにしている。
【０００５】
しかしながら、このような構造の触媒燃焼装置では、燃焼ノズルから供給される２次燃料によって生じる渦巻き状の流れは燃焼装置本体内部の周囲（内壁面の近く）だけであり、燃焼装置本体の中心部においては十分にガスと２次燃料を攪拌することができず、ガスと２次燃料の混合ガスのガス濃度にむらが生じていた。
【０００６】
そして、ガスと２次燃料との混合が不均一でガス濃度にむらがあると、ガス濃度の高い箇所では触媒層で反応しきれず、ガスを完全燃焼させることができなくなる恐れがあった。
【０００７】
さらに、混合ガスのガス濃度に比例して触媒層との反応熱による温度分布が触媒層に生じる。触媒層は一定温度以上になると焼結（シンタリング）を生じ、触媒としての能力が低下し、触媒としての能力がなくなる。従って、かかる温度分布によって触媒に温度むらが発生すると、触媒の能力が部分的に損なわれる。そのため、触媒層は常にある一定温度以下に保たれるように管理しながら使用する必要があるが、温度分布が生じると、そのような温度管理が困難になる。
【０００８】
【特許文献１】実開昭６１−４１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガスと空気とを十分に均一に混合させて触媒燃焼させることができる触媒燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に記載の触媒燃焼装置は、ガスと空気とを混合させるためのガス混合部と、ガス混合部にガスを供給するガス吐出口と、ガス混合部に空気を供給するための空気供給口と、ガス混合部に供給されたガスと空気の混合ガスを加熱するための燃焼部と、ガス混合部で混合及び加熱された混合ガスを燃焼させるための触媒層とを備えた触媒燃焼装置において、前記ガス混合部に供給された空気を旋回させて前記混合部内の空気とガスを混合させるための旋回羽根を前記ガス混合部内に設けたことを特徴としている。なお、ガス吐出口から供給されるガスには、空気が含まれていても差し支えない。
【００１１】
本発明の請求項１の触媒燃焼装置によれば、旋回羽根を前記ガス混合部内に設けているので、ガス混合部に供給されて旋回羽根を通過する空気を旋回羽根によって旋回させて渦流を発生させることができ、この渦流によってガス混合室内のガスと空気を強制的に攪拌することができる。しかも、この渦流はガス混合室の内部に設けられた旋回羽根によって生成されるので、ガス混合室の中心部側でも渦流を発生させることができ、ガスと空気を効率よく攪拌させることができる。
【００１２】
よって、請求項１の触媒燃焼装置によると、ガスと空気を均一に混合させることができると共に混合ガスを均一に加熱することができ、触媒層における混合ガスの温度やガス濃度を均一に分布させることができ、触媒層によってガスを完全燃焼させることができる。また、触媒層が部分的に高温になって劣化するのを避けることができ、触媒層の寿命を長くすることができる。
【００１３】
また、旋回羽根は静止しているので、旋回羽根を回転させるための動力も必要なく、触媒燃焼装置の構造が複雑になることもない。さらに、混合ガス加熱室には、空気とガスが別々に供給されるので、混合ガス加熱室以外では逆火となってガスが不測に燃焼することがなく、触媒燃焼装置の安全性も高い。
【００１４】
請求項２に記載の実施態様は、請求項１に記載の触媒燃焼装置において、前記ガス混合部の底面に、前記燃焼部とは別に前記ガス吐出口を設けたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、ガス吐出口から供給されるガスを燃焼部により予熱しながらガス混合部へ供給することができ、より均一な温度分布となるようにガスと空気とを混合させることができる。また、燃焼部とガス吐出口をガス混合部の底面にまとめることができるので、触媒燃焼装置をコンパクト化できる。
【００１５】
請求項３に記載の実施態様は、請求項１又は２に記載の触媒燃焼装置において、前記燃焼部が、ガス混合部に供給されるガスの一部を燃焼させるものであることを特徴としている。かかる実施態様によれば、触媒層で燃焼させるためのガスの一部を燃焼部へ導いて燃焼部で燃焼させることができるので、燃焼部へ別途ガスを供給する手段が必要なく、触媒燃焼装置の構造を簡単にすることができる。
【００１６】
請求項４に記載の実施態様にあっては、請求項１、２又は３に記載の触媒燃焼装置において、前記旋回羽根を筒状に配置し、前記空気供給口を、空気が旋回羽根の中心軸に垂直な方向から旋回羽根に囲まれた空間へ流れ込むように配置し、前記ガス吐出口を、ガスが旋回羽根の中心軸に平行な方向から旋回羽根に囲まれた空間へ流れ込むように配置したことを特徴としている。かかる実施態様によれば、ガス混合部において旋回羽根で旋回させられている混合ガスの旋回方向に垂直な方向（あるいは、旋回羽根の中心軸に平行な方向）からガスを供給することができ、ガスと空気とをより均一に混合できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものでなく、適宜設計変更可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の実施例１による触媒燃焼装置１１を示す概略断面図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面図である。この触媒燃焼装置１１は、下方より順にガスバーナ１２、ガス混合加熱部１３（ガス混合部）および触媒層１４によって構成されている。
【００１９】
ガスバーナ１２は環状をしたガス室１５を備えており、ガス室１５の内周部においてガスバーナ１２の上面板１９には環状に燃焼口１６が形成され、さらに、燃焼口１６の外側において上面板１９には複数個のガス吐出口１７が開口されている。また、ガスバーナ１２には、ガス室１５内にガスを供給するためのガス供給管１８が接続されている。なお、図示例では、ガス混合加熱部１３とガスバーナ１２とは一体に形成されているが、これらは別々に構成されていてもよい。
【００２０】
ガス混合加熱部１３は略円筒状に形成されており、その下面中央部は底板（ガスバーナ１２の上面板１９）によって塞がれ、上面中央部には混合ガス吹出口２０が開口している。また、ガス混合加熱部１３の周胴面（外周面）には、複数本のパイプ状をした空気供給口２１が設けられている。
【００２１】
ガス混合加熱部１３内には、前記底板と混合ガス吹出口２０の間の空間を囲むようにして旋回羽根２２が円筒状に設けられている。ガス混合加熱部１３の内部は旋回羽根２２の配置された円筒状の領域によって仕切られており、空気供給口２１は旋回羽根２２よりも外側に位置しており、触媒層１４は混合ガス吹出口２０を通してガス混合加熱部１３内の旋回羽根２２よりも内側の空間（以下、ここを加熱室２３という。）に面しており、ガス吐出口１７はガス混合加熱部１３内の加熱室２３に面している。ガスバーナ１２の燃焼口１６は、下方から加熱室２３内に突出するように配置されている。
【００２２】
図２に示すように、旋回羽根２２は上下に立てた複数枚の羽根板２６によって構成されており、各羽根板２６は螺旋状に傾いていて各羽根板２６間の隙間を外側から内側へと空気が通過できるようになっている。また、前記空気供給口２１は、その長さ方向がガス混合加熱部１３の外周面をなす円形の接線方向を向くように配設されており、空気供給口２１から空気を送り込んだとき、送り込まれた空気がガス混合加熱部１３内を円周方向に沿って渦巻き状に流れるようになっている。
【００２３】
触媒層１４としては、たとえば白金触媒を用いることができるが、これ以外の触媒を用いてもよい。たとえば金属触媒に限らず、セラミックの触媒であってもよい。
【００２４】
次に、上記触媒燃焼装置１１においてガスが触媒で完全燃焼させられるまでの働きを説明する。ガスバーナ１２のガス室１５内には、ガス又は低混合ガスが送り込まれる。ここでいう低混合ガスとは、ガスと空気との混合ガスであるが、空気量が理論空気量ｍ＝１以下の混合ガスである。すなわち、空気の混合比が、ガスと空気の最適な燃焼比率における空気の混合比よりも少なくなっている。ガス室１５に送り込まれたガス又は低混合ガスは、その一部が燃焼口１６から加熱室２３内に吐出され、また一部がガス吐出口１７から加熱室２３内の旋回羽根２２近傍に吐出される。
【００２５】
一方、空気供給口２１からガス混合加熱部１３内に空気が吹き込まれると、図２に示すように、ガス混合加熱部１３内に円周方向に沿って渦巻き状に吹き込まれる。よって、ガス混合加熱部１３内に吹き込まれた空気は、ガス混合加熱部１３の周胴部内面に沿って流れるので、ガス混合加熱部１３の周胴面の温度上昇が抑えられる。そして、ガス混合加熱部１３に供給され空気は、旋回羽根２２の羽根板２６の間を通過することによってさらに渦巻き状に旋回しながら加熱室２３内に供給される。
【００２６】
従って、加熱室２３内にはガス吐出口１７からガス又は低混合ガスが供給されると共に、空気供給口２１から空気が供給され、加熱室２３内でガス又は低混合ガスと空気とが混合される。ここで、ガス混合加熱部１３に供給される空気量は、加熱室２３内における混合ガスの空気量が理論空気量の３倍程度となるようにしている。その理由は触媒燃焼では理論空気量の３倍程度の空気が必要とされるためである。従って、加熱室２３内における混合ガスは希薄混合気となっており、触媒層１４よりも手前の加熱室２３内では、混合ガスは加熱されても燃焼しない。
【００２７】
加熱室２３内に送り込まれたガス又は低混合ガスと空気とは、旋回羽根２２によって加熱室２３内に渦巻き状に送り込まれた空気の流れによって強制的に旋回させられ、渦巻き状に旋回させられて均一に攪拌される。よって、この触媒燃焼装置１１によれば、加熱室２３内のガス又は低混合ガスと空気とを十分均一に攪拌させることができる。さらに、この実施例１では、加熱室２３内で旋回している混合ガスの旋回方向に対して垂直に（つまり、旋回羽根２２の中心軸と平行に）ガス吐出口１７からガス又は低混合ガスを吐出させているので、非常に効率よくガス又は低混合ガスと空気とを混合させることができる。
【００２８】
また、ガス吐出口１７から低混合ガスを吐出させる場合には、既に混合ガス（ｍ＝１以下）となっているので、まったく空気が混合されていないガスをガス吐出口１７から吐出させる場合に比べて、低混合ガスは空気と非常に混合し易い状態にある。
【００２９】
燃焼口１６から加熱室２３内に吐出されているガス又は低混合ガスは着火されており、燃焼口１６で燃焼している。よって、燃焼口１６で燃焼しているガスの燃焼熱によって加熱室２３内の混合ガスが加熱される。燃焼口１６でガス又は低混合ガスを燃焼させているのは、触媒反応させてガスを完全燃焼させるためには混合ガスをある温度以上に加熱する必要があるからである。ただし、前記のように加熱室２３内のガスは加熱によっては燃焼しない。
【００３０】
加熱室２３内の混合ガスは、前記のように加熱室２３内で旋回しているので、加熱室２３内の混合ガスはむらなく均一に加熱される。
【００３１】
こうして十分均一に混合されると共に加熱された混合ガスは触媒層１４へ送られ、触媒層１４において触媒燃焼させられる。よって、ガスは触媒層１４で完全燃焼させられ、窒素酸化物等の発生を抑制される。
【００３２】
また、この触媒燃焼装置１１によれば、供給されるガスの一部を燃焼させ、その熱を利用して混合ガスを加熱しており、さらに旋回羽根２２で混合ガスを旋回させることによって混合ガスをむらなく均一な濃度に混合させると共に均一に加熱することができる。この結果、触媒層１４においては、均一な濃度で均一な温度の混合ガスを燃焼させることができ、触媒層１４の各領域がほぼ一定の温度に保たれる。そのため、触媒層１４が焼結等によって劣化するおそれが少なく、触媒層１４の寿命も長くなる。
【００３３】
また、このような触媒燃焼装置１１においては、あらかじめガスと空気とを混合したものを空気供給口２１から加熱室２３に噴出させるようにしても同様な効果を得ることができるが、その場合には逆火によって空気供給口２１側へ炎が広がるおそれがある。これに対し、上記実施例１のように空気とは別にガス吐出口１７からガスを供給するように構成していれば、最悪の場合でもガス吐出口１７に火炎が形成されるだけで、それ以上の逆火は生じないため、安全に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は本発明の実施例１による触媒燃焼装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】図２は図１のＸ−Ｘ線断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１  触媒燃焼装置
１２  ガスバーナ
１３  ガス混合加熱部
１４  触媒層
１５  ガス室
１６  燃焼口
１７  ガス吐出口
１８  ガス供給管
１９  上面板
２０  混合ガス吹出口
２１  空気供給口
２２  旋回羽根
２３  加熱室
２６  羽根板
【図１】
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【図２】
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