(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングの端部面に平面状燃焼触媒層を備えたガス燃料の触媒燃焼器であって、該触媒層の前段に、複数個の多孔質セラミックペーパーを間隔を置いて配置するとともに、相隣り合う多孔質セラミックペーパーの間、及び、触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層を形成してなることを特徴とするガス燃料の触媒燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガス燃料の触媒燃焼器において、複数個の多孔質セラミックペーパーが２個であり、相隣り合う多孔質セラミックペーパーの間、及び、触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層を形成してなり、ガス燃料がガス導入口から順次、１個目の多孔質セラミックペーパー、拡散層、２個目の多孔質セラミックペーパー、拡散層を経て触媒層に至るようにしてなることを特徴とするガス燃料の触媒燃焼器。
【請求項３】
ケーシングの端部面に平面状燃焼触媒層を備えたガス燃料の触媒燃焼器であって、該触媒層の前段に、複数の多孔質セラミックペーパーを積層してなる積層体の複数個を間隔を置いて配置するとともに、相隣り合う積層体の間、及び、触媒層寄りの積層体と触媒層の間に拡散層を形成してなることを特徴とするガス燃料の触媒燃焼器。
【請求項４】
請求項３に記載のガス燃料の触媒燃焼器において、複数の多孔質セラミックペーパーを積層してなる積層体が２個であり、相隣り合う積層体の間、及び、触媒層寄りの積層体と触媒層の間に拡散層を形成してなり、ガス燃料がガス導入口から順次、１個目の積層体、拡散層、２個目の積層体、拡散層を経て触媒層に至るようにしてなることを特徴とするガス燃料の触媒燃焼器。
【請求項５】
ケーシングの端部面に平面状燃焼触媒層を備えたガス燃料の触媒燃焼器であって、該触媒層の前段に、多孔質セラミックペーパーまたはその積層体を該触媒層に対して間隔を置いて配置し、多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層を形成してなることを特徴とするガス燃料の触媒燃焼器。
【請求項６】
前記多孔質セラミックペーパーが、セラミックファイバーを編んで構成してなる多孔質セラミックペーパーであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガス燃料の触媒燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス燃料の触媒燃焼器に関し、より具体的には低流量、低圧のガス分散を可能にしてなる平面状触媒層を備えたガス燃料の触媒燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス燃料の燃焼器の一種として触媒燃焼器がある。図１はその基本的態様を示す図である。箱形ケーシングの端部面に燃焼触媒層が配置され、その一方から天然ガスやＬＰガスなどのガス燃料を供給することで、ガス燃料を無炎の触媒反応により燃焼させることにより燃焼ガスを発生させる。
【０００３】
その際、ガス燃料を燃焼触媒層面に対して均等に供給する必要があるが、図１のような構造では燃焼触媒層面に対するガス燃料の分布に片寄りが生じる。図２はそのような片寄りを回避するようにした態様例を示す図である。ガス導入側から順次、ガス分散チューブ、多数の孔を穿設したガス分散板、燃焼触媒層が配置されている。なお、図２中ケーシングの記載は省略している。
【０００４】
上記ガス分散チューブはチューブ構造であり、チューブにはガス分散板に向けて多数の孔が設けられている。ガス燃料は、ガス導入口管からガス拡散チューブに供給され、該多数の孔を介してガス分散板に向けて放出される。ガス燃料は、ガス分散板で分散され、ここを通過して燃焼触媒層に達し、触媒表面の空気に触れて燃焼する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のようにガス拡散チューブ、ガス分散板を設けた場合にも、チューブやガス分散板の製作精度等の如何によりガス分散板に対するガス分散に傾きが生じるため必ずしも均一なガス供給ができない。このため燃焼触媒層での燃焼域が片寄って部分的にしか触媒燃焼しないことになり、触媒層表面で温度ムラが発生する。このことは配置された燃焼触媒を有効に利用していないことを意味し、しかも未燃焼のままの燃料が多くなる。
【０００６】
ところで、近年、地球温暖化防止が課題とされ、特に炭酸ガスによる温室効果が問題とされている。しかし、炭化水素ガスによる温室効果は炭酸ガスに比べてさらに高く、例えばメタンによる温室効果は、炭酸ガスによるそれの２１倍にも及ぶとされている。このことから、炭化水素燃料を未燃焼のまま排出することは可及的に少なくする必要がある。
【０００７】
本発明は、ガス燃料の触媒燃焼器における前記諸問題を解決するためになされたものであり、ガス燃料を可及的に均一に分散し、燃焼触媒層に対して可及的に均一に供給するとともに、未燃焼のままの燃料を可及的に少なくするか、皆無としてなるガス燃料の触媒燃焼器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）ケーシングの端部面に平面状燃焼触媒層を備えたガス燃料の触媒燃焼器であって、該触媒層の前段に、複数個の多孔質セラミックペーパーを間隔を置いて配置するとともに、相隣り合う多孔質セラミックペーパーの間、及び、触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層を形成してなることを特徴とするガス燃料の触媒燃焼器を提供する。
【０００９】
本発明は、（２）ケーシングの端部面に平面状燃焼触媒層を備えたガス燃料の触媒燃焼器であって、該触媒層の前段に、複数の多孔質セラミックペーパーを積層してなる積層体の複数個を間隔を置いて配置するとともに、相隣り合う積層体の間、及び、触媒層寄りの積層体と触媒層の間に拡散層を形成してなることを特徴とするガス燃料の触媒燃焼器を提供する。
【００１０】
本発明は、（３）ケーシングの端部面に平面状燃焼触媒層を備えたガス燃料の触媒燃焼器であって、該触媒層の前段に、多孔質セラミックペーパーまたはその積層体を該触媒層に対して間隔を置いて配置し、多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層を形成してなることを特徴とするガス燃料の触媒燃焼器を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のガス燃料の触媒燃焼器は、ケーシングの端部面、特に箱形ケーシングの一端部面に平面状燃焼触媒層を配置して構成される。そして、本発明（１）は、該触媒層の前段に、複数個の多孔質セラミックペーパーを間隔を置いて配置し、相隣り合う多孔質セラミックペーパーの間、及び、触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層を形成して構成される。
【００１２】
また、本発明（２）は、ケーシングの端部面、特に箱形ケーシングの一端面に平面状燃焼触媒層を配置し、該触媒層の前段に、複数の多孔質セラミックペーパーを積層してなる積層体の複数個を間隔を置いて配置し、相隣り合う積層体の間、及び、触媒層寄りの積層体と触媒層の間に拡散層を形成して構成される。これは、本発明（１）の各多孔質セラミックペーパーを、多孔質セラミックペーパーの複数個を積層した積層体に代えた場合に相当している。
【００１３】
さらに、本発明（３）は、該触媒層の前段に、多孔質セラミックペーパーまたはその積層体を該触媒層に対して間隔を置いて配置し、多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層を形成して構成される。
【００１４】
図３〜５は本発明の態様例を説明する図である。図３は箱形ケーシング内に複数個の多孔質セラミックペーパーを間隔を置いて配置した場合である。相隣り合う多孔質セラミックペーパー間、及び、触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層が形成される。ガス燃料は、ガス導入口から順次、１個目の多孔質セラミックペーパー、拡散層、２個目の多孔質セラミックペーパー、拡散層・・・・・触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーと触媒層の間の拡散層を経て触媒層に至り、触媒層表面の空気に触れて燃焼する。
【００１５】
ここで、図３において、多孔質セラミックペーパーを１個配置した場合には本発明（３）の態様に相当する。この態様では、平面状燃焼触媒層の前段に、多孔質セラミックペーパーを触媒層に対して間隔を置いて配置し、多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層が形成される。ガス燃料は、ガス導入口から順次、多孔質セラミックペーパー及び拡散層を経て触媒層に至り、触媒層表面の空気に触れて燃焼する。
【００１６】
図４は、２個の多孔質セラミックペーパーを間隔を置いて配置した場合で、図３における多孔質セラミックペーパーの数が２個の場合に相当している。両多孔質セラミックペーパー間、及び、触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層を形成している。図４のとおり、ガス燃料は、ガス導入口から多孔質セラミックペーパーを通過し、拡散層を経て触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーを通過し、該多孔質セラミックペーパーと触媒層の間の拡散層を経て燃焼触媒層に達し、触媒表面の空気に触れて燃焼する。
【００１７】
図５は、複数の多孔質セラミックペーパーの積層体の複数個を、間隔を置いて配置した場合である。相隣り合う積層体の間、及び、触媒層寄りの積層体と触媒層の間に拡散層を形成している。図５には積層体の数が２個の場合を示しているが、積層体の数は３個以上でもよい。図５のように積層体が２個の場合、ガス燃料がガス導入口から順次、１個目の積層体、拡散層、２個目の積層体、拡散層を経て触媒層に至り、触媒層表面の空気に触れて燃焼する。
【００１８】
ここで、図５において、多孔質セラミックペーパーの積層体を１個配置した場合には本発明（３）の態様に相当する。この態様では、平面状燃焼触媒層の前段に、多孔質セラミックペーパーの積層体を該触媒層に対して間隔を置いて配置し、多孔質セラミックペーパーと触媒層の間に拡散層が形成される。ガス燃料は、ガス導入口から順次、多孔質セラミックペーパーの積層体及び拡散層を経て触媒層に至り、触媒層表面の空気に触れて燃焼する。
【００１９】
拡散層の幅、すなわち、相隣り合う多孔質セラミックペーパーの間の幅、相隣り合う多孔質セラミックペーパー積層体の間の幅、触媒層寄りの多孔質セラミックペーパーと触媒層の間の幅、触媒層寄りの多孔質セラミックペーパー積層体と触媒層の間の幅は、そこでのガス拡散の目的が達成され得る範囲で、ガス燃料の種類（天然ガス、ＬＰガス等）や触媒燃焼器の規模、その他の条件如何により適宜設定するが、例えば３〜１０ｍｍというような幅にすることができる。
【００２０】
多孔質セラミックペーパーは、アルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、ジルコニア、炭化珪素、あるいはガラス等のセラミックス製のファイバー（セラミックファイバー）を編むことで形成される。例えば、アルミナ−シリカ系の場合、その調合物を溶融し、繊維化して得られたセラミックファイバーを編むことで多孔質セラミックペーパーが形成される。
【００２１】
本発明のガス燃料の触媒燃焼器においては、多孔質セラミックペーパー及び拡散層の作用により低流量、低圧のガス分散ができ、ガス燃料が燃焼触媒層の全面に均一に供給され、燃焼触媒層の全面で燃焼温度３００℃程度以下という低温で燃焼させることができる。メタン、エタン、プロパンの着火温度はそれぞれ５３７℃、４７２℃、４３２℃であり、このため、本触媒燃焼器は、万々一、周囲環境にそれらのガス、あるいはそれらのガスを含む天然ガスやＬＰガスが漏洩しても着火、爆発等の危険なく使用することができる。さらに、本触媒燃焼器は、無炎であるため安全であり、また高温域が発生しないため、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生が大幅に低減される。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例に限定されないことは勿論である。
【００２３】
〈実施例１〉
試験装置として図１、図３及び図５に示す装置を用いた。各試験装置の各ケーシングはステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で構成した。図１の装置を用いた試験を試験１、図３の装置を用いた試験を試験２、図５の装置を用いた試験を試験３としている。試験１（図１）は多孔質セラミックペーパーを使用しない比較例である。試験１は比較例、試験２〜３は実施例であり、試験２は多孔質セラミックペーパー８個を並置し、試験３は４枚の多孔質セラミックペーパーを積層した積層体の２個を間隔を置いて配置している。
【００２４】
試験２〜３で用いた多孔質セラミックペーパーは、アルミナ−シリカ系〔Ａｌ2Ｏ3：ＳｉＯ2（重量）比＝５．６：４．４〕のファイバーを編んだもので、その寸法は１３０ｍｍ（縦）×１３０ｍｍ（横）×１．５０ｍｍ（厚さ）である。燃焼触媒層として市販の触媒パッドを用いた。これは、無機質の短繊維にアルミナを介してＰｔを担持し不織布状に構成されたものである。
【００２５】
図６は、各ケーシングにおけるガス燃料の供給側面のガス導入口の位置を示した図である。図６のとおり、ガス燃料の導入口を中央部ではなく、中央部から片寄させているのは、ガス燃料の分布状態、すなわち燃焼触媒層に対するガス燃料の広がりの傾向をより的確に観察するためである。こうして構成した各試験装置を使用し、ガス燃料として天然ガスを使用し、ガス流量０．２５Ｌ／ｍｉｎ、ガス圧０．１ｋＰａで試験した。
【００２６】
図７〜９は、着火後、触媒層での燃焼が定常状態となった時点で、触媒パット（平面状燃焼触媒層）における燃焼状況を観察し、図面化して示したものである。図７は試験１、図８は試験２、図９は試験３の状況を示している。まず、図７のとおり、多孔質セラミックペーパーを配置していない場合には、ガス燃料の導入口に対応する触媒層面の位置に燃焼域が存在している。燃焼域（約３２０℃）から極僅かな広がりはあるが、その他の大部分は低温域であることを示している。なお、図２の装置を用い、ガス分散板としてケーシングと同じステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の多孔板を配置した場合についても、上記と同様にして試験したが、燃焼域が図７より僅かに広いだけであった。
【００２７】
次に、図８のとおり、多孔質セラミックペーパーの８枚を図３のように併置した場合には、ガス燃料の導入口に対応する位置を含む比較的広い範囲に燃焼域が存在し、触媒層における燃焼域（約２９０℃）が図７に比べて格段に広い。このように、ガス燃料がより均一に分散され、触媒層での燃焼域が有意に改善されていることを示している。
【００２８】
さらに、図９のとおり、多孔質セラミックペーパーの４枚を積層した積層体の２個を間隔を置いて図５のように配置した場合には、ガス燃料の導入口に対応する位置を中心に広い範囲に燃焼域（約２９０℃）が存在している。このように、図８に比べて、ガス燃料がさらに均一に分散され、触媒層での燃焼域が格段に改善されていることを示している。
【００２９】
〈実施例２：ガス燃料のスリップ状況試験〉
実施例１と同じ試験装置を用いて、ガス燃料である天然ガスのスリップ状況を試験した。本試験では、着火後、触媒層での燃焼が定常状態となった時点で、燃焼触媒層の全面からの排ガスを採取し、ガスクロマトグラフ法により測定した。なお、試験１〜３はそれぞれ実施例１における試験１〜３に対応している。図１０はその結果を示す図で、図１０中縦軸は排ガス中の未燃ガスの濃度である。
【００３０】
図１０のとおり、試験１においては、天然ガスが１００００ｐｐｍも未燃焼状態で排出され、スリップしている。これに対して、試験２における天然ガスのスリップ量は３５００ｐｐｍであり、試験１に比べて格段に少ない。さらに、試験３でにおける天然ガスのスリップ量は１２００ｐｐｍであり、試験２よりさらに改善されていることを示している。
【００３１】
〈実施例３：多孔質セラミックペーパーの圧損試験〉
実施例１〜２で用いたものと同じ多孔質セラミックペーパー、同じ触媒パッドを用いて圧損試験を実施した。図１１は本試験で用いた試験装置の概略を示す図である。多孔質セラミックペーパーを１枚、２枚、３枚、４枚、８枚、１０枚の各枚とし、それぞれの背面に触媒パッドを配置し、図１１中「多孔質セラミックペーパー＆触媒」として示すようにセットした。これらの各々について、天然ガスの流量を変えて試験した。図１２はこれらの結果を示す図である。
【００３２】
図１２のとおり、多孔質セラミックペーパーが１枚の場合は、天然ガス流量０．１〜０．２５Ｌ／ｍｉｎの範囲における圧力損失は０．０１ｋＰａであり、天然ガス流量０．３〜０．４Ｌ／ｍｉｎの範囲では０．０１５ｋＰａである。多孔質セラミックペーパーの枚数を増やすと圧力損失も大きくなり、例えば多孔質セラミックペーパーの枚数８枚では天然ガス流量０．１Ｌ／ｍｉｎでの圧力損失は０．０２ｋＰａである。以降、天然ガス流量を大きくするに従い圧力損失も大きくなるが、天然ガス流量０．４Ｌ／ｍｉｎでも０．０６ｋＰａである。
【００３３】
ガス燃料の触媒燃焼器での圧力損失は１ｋＰａ程度（なお、これは通常のガス分析計の許容背圧に相当している）以下であればよいが、上記各実測値は１ｋＰａより格段に小さい。この事実からして、ガス燃料の触媒燃焼器において、本発明におけるように多孔質セラミックペーパーを配置しても圧力損失上の問題はないことが明らかである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス燃料の触媒燃焼器において、ガス燃料を低流量、低圧で均一に分散でき、これにより燃焼触媒層に対して均一に供給できるとともに、未燃焼のままの燃料を格段に少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス燃料の触媒燃焼器の態様を示す図（従来例）
【図２】ガス燃料の触媒燃焼器の態様を示す図（従来例）
【図３】本発明の態様例を説明する図
【図４】本発明の態様例を説明する図
【図５】本発明の態様例を説明する図
【図６】本発明の態様例を説明する図
【図７】実施例１の結果を示す図（比較例）
【図８】実施例１の結果を示す図（実施例）
【図９】実施例１の結果を示す図（実施例）
【図１０】実施例２の結果を示す図
【図１１】実施例３で用いた試験装置を示す図
【図１２】実施例３の結果を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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