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    公开号:WO1990001656A1
    申请号:PCT/JP1989/000795
    申请日:1989-08-02
    公开日:1990-02-22
    发明作者:Yoshitaka Kawasaki；Atsushi Nishino；Jiro Suzuki；Masato Hosaka
    申请人:Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.；
    IPC主号:F23C13-00
    专利说明:
    [0001] - 明 細 書
    [0002] 発明の名称
    [0003] 触媒燃焼装置
    [0004] 技術分野
    [0005] 本発明は燃料を固体酸化触媒上で酸化反応さ せる触媒燃焼装 置に関す る。
    [0006] 背景技術
    [0007] 液体ま たは気体燃料を固体酸化触媒上で酸化反応さ せ る触媒 燃焼装置は、 従来よ り い く つか提案されてお り、 例えば第 1 図 の よ う な も のがあ る （触媒， V o l. 2 9， N o. 4， 3 1 3 ( 1 9 8 7 ) ) 0
    [0008] 第 1図において、 1 0 1 は燃料管、 1 0 2は噴出口、 1 0 3 は断熱層、 1 0 4は電気 ヒ ー タ、 1 0 5は触媒層、 1 0 6 は 力 バーであ る。 燃料は燃料管 1 0 1 に設け ら れた噴出口 1 0 2か ら 分散供給 さ れ、 多孔質の断熱層 1 0 3を通過 し て、 電気 ヒ 一 夕 1 0 4で予熱された触媒層 1 0 5 に到る。 一方空気は、 カバ — 1 0 6 の下方か ら 対流によ っ て供給される。 触媒層 1 0 5の 表面付近では、 燃料 と空気が拡散に よ っ て混合 さ れ、 織維状多 孔質の触媒層 1 0 5で触媒燃焼が行われる。
    [0009] しかし なが ら、 こ のよ う な方式の触媒燃焼装置において、 以 下のよ う な問題点があ っ た。 第 1 に触媒層 1 0 5は、 触媒反応 を開始する温度ま で昇温しなげればな らず、 電気 ヒ ー タ 1 0 4 で予熱し てい る力;'、 電気 ヒ ー タ 1 0 4によ っ て予熱す る方法で は、 著し く 大容量の電気 ヒ ー タ 1 0 4を用いな い限 り、 触媒層 1 0 5が所定温度に昇温する に は長時間を要す る。 第 2に、 燃 焼熱は触媒層 1 0 5 の表面から放射熱と して前面に供給される が、 触媒層 1 0 5 は金属多孔体などからなる カバ一 1 0 6で覆 われるのみで半露出状態にあ り、 突風や水等の飛沫で燃焼が中 断され、 不完全燃焼を生じて、 悪臭や有害な一酸化炭素を発生 する場合がある。 第 3 に、 長時間の使用によ って触媒層 1 0 5 の活性が低下した場合、 これを検出する手段が備えられておら ず、 不完全燃焼のま.ま燃料が流出したり、 不完全燃焼を招いて 悪臭や一酸化炭素を多量に排出し続ける恐れがある。 第 4に、 室内など閉鎖された空間で燃焼させた場合、 酸素濃度が減少し て人体に悪影響を及ぼす状態になっても、 触媒層 1 0 5 の温度 が維持される範囲では燃焼が中断されず、 酸欠と不完全燃焼を 継続する。
    [0010] 発明の開示
    [0011] 本発明はかかる問題点を解消し、 燃焼制御性、 安全性に優れ た触媒燃焼装置を提供するものである。 そ して本発明は、 触媒 層の上流側に、 点火手段とイ オ ン電流検知手段を添装した炎口 を備えた こ とを特徴とするも のであ り、 またィ オ ン電流値によ つて燃焼環境または燃焼状態の異常を検出する こ とを特徵とす る も のである。
    [0012] 図面の簡単な説明
    [0013] 第 1図は従来例の触媒燃焼装置の構成図、 第 2図は本発明の 第 1 の実施例の触媒燃焼装置の構成図、 第 3図， 第 4図， 第 5 図および第 6図は各々本発明の第 2， 第 3， 第 4および第 5 の 実施例の触媒燃焼装置の構成図、 第 7図は灯油と一酸化炭素の 酸化反応に対する貴金属組成による転換率の相違を示す性能説 明図、 第 8 図は触媒層容積に対する補助触媒容積の比率が灯油 お よび一酸化炭素の酸化反応の転換率に及ぼす影響を示す性能 説明図、 第 9 図は補助触媒層のセ ル数が一酸化炭素の酸化反応 の転換率に及ぼす影響 5 を示す性能説明図であ る。
    [0014] 発明を実施するための最良の形態
    [0015] 以下に本発明の実施例について説明する。 第 2図か ら第 6 図 は本発明の実施例に関する も の であ り、 同一構成要素には同一 番号を付している。 また第 7 図か ら 第 9 図は、 灯油ま たは一酸 化炭素の酸化反応に対し て、 触媒層 ま たは捕助触媒層の構成お よ び貴金属組成が及ぼす影響を示す触媒性能に 関する も の であ る。
    [0016] 第 2図において、 1 は液体燃料の タ ン ク、 2 は燃料用 ポ ン プ、 3 は送風用の フ ァ ン、 4 は混合室で、 混合室 4 の出口には炎口 5 が備え ら れてお り、 炎口 5 の近傍には点火電極 6 と 火炎中 の イ オ ン電流を測定す る電極、 いわゆ る フ レ ー ム ロ ッ ド 7 が配設 さ れてい る。
    [0017] 炎口 5 の上方には多数の連通孔 8 a を穿設 し た シ リ 力 · ア ル ミ ナを主成分 と するハニ カ ム状セ ラ ミ ッ ク平板に 白金属の活性成 分を担持させた触媒層 8 が直立して備え ら れ、 その上流面 （前 面） に対向し てガ ラ ス板から な る透過窓 9 が配置されてい る。 1 0 はポ ン プ 2 の制御部、 1 1 は触媒層 8 の温度を検出す る熱 電対、 1 2 は燃焼制御回路であ る。
    [0018] 次に動作に ついて詳述する と、 燃料用 ポ ン プ 2 か ら 供給 さ れ た燃料 （灯油） は混合室 4 内で気化 され、 フ ァ ン 3 か ら供給 さ れた空気 と充分予混合さ れて上部の炎口 5 に送 られる。 点火時 にはまず炎口 5において点火電極 6 によって点火され、 こ こで 火炎燃焼を開始する。 高温の排ガスは上部へ流れ、 連通孔 8 a を通過して下流へと流れる間に触媒層 8を昇温させる。 所定時 間燃焼させて触媒層 8が充分な温度に昇温した こ とが熱電対 1 1 で検出された時点で、 一旦ポ ンプ 2を停止し、 炎口 5 の火炎 を消滅させてから再度ポ ンプ 2 の動作を開始する。 こ の時、 混 合室 4を出た予混合気は上方に直立する触媒層 8 に至る力 こ こ は充分昇温されているから、 主に上流側 （前面） 表面で触媒 燃焼を生じつつ、 撚焼排ガスは連通孔 8 a を経て下流側 （後面） へと流れる。 また触媒層 8 の表面で生じた反応熱は、 透過窓 8 を一部は透過して、 また一部は透過窓 8 を加熱する こ と に よ つ てこ こか ら の二次放射と してそれぞれ前面に放散され、 加熱や 暖房等に供せられる。 と こ ろで点火時には炎口 5 に火炎を形成 させるが、 フ レ ー ム ロ ツ ド 7では火炎中に所定のイ オ ン電流が 流れている こ とを確認しており、 これによ つて ミ ス着火および 失火を検出する。
    [0019] 一方、 炎口 5での火炎を消滅させ、 触媒層 8 での触媒燃焼を 開始した時点では、 フ レ ーム ロ ッ ド 7では逆に、 炎口 5 には火 炎が存在しないこ と、 すなわちィ オ ン電流が流れないこ とを確 認し、 触媒燃焼に移行している こ と、 および炎口 5の火炎が完 全に消滅していなかった り、 あ るいは触媒層 8から炎口 5へ逆 火して火炎を形成していないこ とを検知する。
    [0020] こ こで触媒層 8 の予熱に炎口 5で形成した火炎での発生熱を 用いる こ とによ り、 高温の排ガスが全量触媒層 8 の連通孔 8 a を通過し、 かつ触媒層 8の全域にわたってほぼ均一に加熱する - - こ と にな るか ら、 効率的な予熱が可能にな る。 例えば電気 ヒ 一 夕 では 1 . 5 k Wを使用 しても 3 分から 5 分を要していた予熱 の時間が、 1 2 0 0 k c a 1 ノ h の火炎燃焼では 1 分以下で触 媒層 8 を所定温度に昇温する こ と がで き、 ま た電気ヒ ー タ では ヒ ータ近傍は比較的容易に昇温でき る力 ヒ ー タ か ら 離れた部 分では著し く 昇温が遅れるの に対し て、 火炎燃焼では部分的な 温度む ら も な く、 全体が短時間で均一に昇温で き る。 同時に常 時高温で酸化雰囲気にあ る触媒層 8 近傍で、 電気 ヒ ー タ が酸化 腐食された り 熱焼損 さ れた り する心配も な く、 し かも燃焼開始 および触媒燃焼継続中の異常を、 常に フ レ ー ム ロ ッ ド 7 で検知 し てい る こ と にな る か ら、 寿命性能においても、 ま た安定 し た 安全燃焼と い う点においても好ま し い結果が得 ら れる。
    [0021] なお、 こ こ で、 燃焼用空気は全量混合室 4 に供給し てい るが、 一部を炎口 5 の近傍に供給し て、 部分予混合の拡散燃焼併用の 火炎燃焼と し ても良 く、 こ う し た場合には イ オ ン電流の変動が 大き く、 フ レ ー ム ロ ッ ド 7 の検出精度を向上さ せ る に有効であ り、 触媒層 8 の完全燃焼性を損な う こ と な く 一層確実な火炎燃 焼検出を行う こ とがで き る。 ま た触媒層 8 の予熱に用い ら れる 火炎燃焼の継続時間は、 触媒層 8 の全体が十分昇温する に必要 な時間を予め設定し てお く 時間制御でも支障な く 行え る 力 熱 電対 1 1 によ って触媒層 8 の温度を検出 し て昇温状態を確認す る方が確実であ り、 消火直後に再点火する場合など、 触媒層 8 の温度が比較的高い場合には、 過剰の予熱を行 う こ と も な く 速 やかに触媒燃焼に移行で き る と い う 効果があ る。
    [0022] また触媒層 8 に備え ら れた熱電対 1 1 では、 上記の よ う に予 熱温度の検出を行う と同時に、 触媒燃焼時の温度管理を行う こ と もでき、 触媒層 8 の活性が低下し た り、 あ る いは触媒層 8 が 部分的に破損して反応が完全に行われな く な っ た場合には、 触 媒層 8 の温度低下と し て異常を検知する こ とが可能である。 す なわち触媒の活性が低下した場合には、 触媒燃焼反応の中心位 置が触媒層 8 の上流側 （前面） から下流側 （後面） へ と移行し、 上流側温度の低下、 下流側温度の上昇、 あ るいは下流の排ガス 温度の上昇と い っ た変化を示す。 制御回路 1 2 に予め設定され た燃料供給量と温度と の相関値に対して、 これ ら の温度低下ま たは上昇を比較する こ と に よ っ て、 燃焼異常は十分検知で き、 燃焼停止の操作を行う こ とがで き る。 また触媒層 8 が部分破損 し た場合にも、 燃料は破損箇所に集中して流れ、 触媒層 8—の温 度は低下するから、 同様に検知する こ とができ る。 逆に ポ ン プ 2 やフ ァ ン 3 の異常によ っ て、 触媒層 8 の表面温度が著し く 上 昇する よ う な場合に も、 熱電対 1 1 でこれを検出 し、 異常サイ ン を表示し た り燃焼を停止する など適宜制御で き、 安全で安定 した燃焼を維持する に有効な作用をする。
    [0023] なお、 こ こ では、 温度検出手段と して熱電対 1 1 を使用 して い るが、 温度を検出する方法であれば任意に選定する こ とが可 能であ り、 例えばサー ミ ス タ のよ う な抵抗温度計や光を用いた 放射温度計等も使用でき る。 また これらの設置位置も、 必ずし も触媒層 8 に密接させる必要はな く、 上記のよ う に排ガ ス流路 に設置して排ガス温度を測定し た り、 透過窓 9 の外側に設置し て放射熱量を測定する こ と も可能である。 また炎口 5下流の密 閉経路内に触媒層 8 を備えてい る こ とか ら、 種々の外乱因子、 例えば突風が吹き込んだ り 水の飛沫がかか っ た り し た場合にお いても、 触媒層 8 には直接的な影響がな く、 不完全燃焼や部分 的な燃焼停止も生じ る こ とな く、 安定し た完全燃焼を継続で き と こ ろで、 例えば空気比を約 1 . 5 と し て灯油の触媒燃焼を 行っ た場合、 酸素濃度が低下し て 1 5 % と な っ ても、 総酸素量 と しては十分確保さ れてお り、 理論必要酸素量に対す る実際の 供給酸素量の比、 すなわち酸素過剰率は 1 . 1 程度は維持 され ている こ と に なる。 し たがっ て触媒層 8 での燃焼反応は継続さ れたま ま にな るカ、 室内の酸素濃度は 1 6 %以下にな る と 既に 人体に対し て悪影響を及ぼす不安全領域に あ る。 こ こ で触媒燃 焼中に点火電極 6 に通電して炎口 5 で火炎を形成させ、 同時に フ レ ー ム ロ ツ ド 7 は予熱時と 同様の火炎存在''検知モー ド にする と、 酸素濃度によ っ て火炎の形成状態が変化し、 火炎中の ィ ォ ン濃度は変動する こ と か ら、 フ レ ー ム ロ ッ ド 7 で火炎中を流れ る イ オ ン電流の変化を検出し、 酸素不足状態を検知す る こ と が で き る。 イ オ ン電流値が設定値を越える場合に は酸欠状態に あ る と判断し て、 制御部 1 0 を介し て ポ ン プ 2 を停止さ せ、 燃焼 を中断する こ とがで き る。 炎口 5 の特性に よ っ ては、 酸素不足 になる と安定した火炎の形成が困難にな っ て失火状態に達する 場合も あ り、 よ り 確実に酸欠の検知がで き る。 電流値の設定条 件によ っ て、 酸素濃度 1 8 %あ るいは 1 6 %で こ の停止操作を 行う こ と がで き るか ら、 不安全な使用状態は回避でき る。 なお こ の時、 イ オ ン電流が設定値を越えていな ければ、 点火時 と 同 様に一時燃料供給を中断し、 炎口 5 での火炎を消滅させた後に 再度燃料供給を開始して、 触媒層 8 での触媒燃焼を継続さ せる こ とがで き る。 こ の操作は 3 0 分あ るいは 1 時間 とい っ た一定 間隔で、 1 〜 2分と い う短時間だけ行う こ と で酸欠状態を検知 する こ とができ、 し かも触媒層 8 の予熱過程で用いら れる 点火 電極 6 と失火 · 着火 ミ ス検知の フ レ ー ム ロ ツ ド 7 を用いて制御 で き る こ とか ら、 簡便に して確実に安全性を確保でき る も の で あ る。
    [0024] 次に第 2 の実施例について説明する。 第 3 図におい て、 触媒 層 8 の下流側にも う 一段の捕助触媒層 1 3 を備え、 こ こ に も熱 電対 1 4 を添装してい る。 捕助触媒層 1 3 は、 多数の連通孔 1 3 a を有する セ ラ ミ ツ ク ハニ カ ム に貴金属活性成分を担持さ せ たも のを用いてい る。 燃焼開始は上記同様で、 炎口 δ に火炎を 形成させ、 そ の燃焼排ガ スによ って触媒層 8 および捕助触媒層 1 3 を予熱し た後に、 一且ポ ン プ 2 を停止し て火炎を消 ί成させ、 再度ポ ン プ 2 を動作させて触媒層 8 で 媒燃焼を開始させ る c こ こで、 燃焼排ガスは更に下流側上方へと流れて補助触媒層 1 3 と接触し、 未燃成分が共存する場合には こ こ で完全に酸化さ れた後に、 清浄排ガス と なっ て連通孔 1 3 a を経て上部へ と排 出される。 し たがっ て予混合状態の偏り や温度のむら等に よ り 触媒層 8 では完全燃焼し得なか っ た場合でも、 再度混合を促進 し た後にその下流にある捕肋触媒層 1 3 で接触して反応を完結 する こ とがで き、 不完全撚焼による未燃成分をそのま ま排出す る こ と は避け られる。 ま た長期間の使用に よ っ て触媒層 8 の活 性が低下し た場合においても、 捕助触媒層 1 3 がその活性を捕 い得るか ら、 長寿命で安定した性能を維持で き る。 と こ ろ で、 触媒層 8 の活性が低下 し た場台、 反応位置は上流 側表面近傍か ら徐々に下流側に移行 し、 やがて こ こ では完全燃 焼できな く な って、 一部の燃料は未燃焼状態の ま ま通過 し、 あ る いは中間分解成分、 反応中間体であ る一酸化炭素な どの形で ぉ ガ ス中に混合される こ と にな り、 これに伴っ て熱電対 1 1 で 検出 さ れる触媒層 8 の温度は低下し て く る。 一方下流側に備え ら れた補助触媒層 1 3 では、 未燃成分の燃焼反応が行われ、 そ の反応熱に よ って熱電対 1 4 で検出 される捕助触媒層 1 4 の温 度は上昇す る こ と に な る。 か く し て触媒層 8 と 柿助触媒層 1 3 の温度は、 初期には触媒層 8 がは る かに高温であ っ た も の が、 次第に温度差の縮小が見 られ、 やがて逆転す る状態に到る。 こ の状態であ っ ても なお補助触媒層 1 3 では、 十分な活性を維持 し てい る い るから、 最終排出 さ れる排ガ ス には未燃成分や一酸 化炭素の残留はな く、 清铮な排ガ ス を維持で き る。 ま た熱電対 1 1 およ び 1 4 で の温度差を検知し、 設定値以下にな っ た時を 触媒層 8 の寿命限界 と し て燃焼を停止さ せ る こ と がで き、 触媒 層 8 の活性低下を確実に検知し て不完全な燃焼状態状態を回避 す る こ と が可能にな る。 触媒層 8 の設置方法は、 第 3 図の よ う な直立形状と して、 その上流側に透過窓 8 を備えた放射熱利用 型の装置と し ても、 あ る いは第 4 図に示し た第 3 の実施例の よ う に、 送風フ ァ ン 1 5 を備えて燃焼熱を温風に変えて用い る方 法でも良 く、 触媒層 8 の設置形態、 反応熱の利用形態は限定 さ れる こ と はない。
    [0025] 次に第 4 の実施例について説明す る。 第 5 図において、 フ ァ ン 3 の出口か ら分岐して二次空気管 1 6 が備え られて お り、 捕 助触媒層 1 3 の上流側に開口 し た二次空気口 1 7 に連接さ れて い る。 上記同様に して炎口 5 の火炎で触媒層 8、 補助触媒層 1 3 を予熱し た後に、 触媒層 8 での触媒燃焼に移行させた時、 空 気比を 1 . 8 〜 2 . 0 と して灯油の触媒燃焼を行っ た例につい て、 触媒層 8 と捕助触媒層 1 3 の表面温度の変化を酸素濃度の 変動に従って見る と、 燃焼反応は触媒層 8 の上流側表面でほぼ 完遂し、 表面温度は約 8 6 0 °C とな ってい る。 こ の時捕助触媒 層 1 3 の表面温度は、 触媒層 8 か ら排出 さ れる燃焼排ガス に よ つ て加熱されるのみで、 約 5 5 0 °Cに留ま っ てい る： 酸素濃度 を低下さ せていっても、 酸素量と しては十分確保さ れてい るか ら （酸素濃度 1 5 % とな った場合の実際の酸素過剰率は 1 . 3 〜 1 . 4 ) 、 触媒層 8 と補助触媒層 1 3 の温度差はほ と ん ど変 ィ匕しない。 こ こで混合室 4 に供給する空気量を 3 割程度減少さ せ る と、 触媒層 8 におけ る空気比は 3 〜 1 . 4 と な り、 酸 素濃度 2 0 %以上では完全燃焼で き る も の の、 酸素^度 1 8 % になる と実際の酸素過剰率は 1 . 1 〜 1 . 2 と な り、 一酸化炭 素や未燃ガスを発生する状態になる。 これ ら の可燃成分は、 二 次空気口 1 7 から供給された空気と混合し て捕助触媒層 1 3 に 到 り、 こ こで燃焼反応を生じ るか ら、 触媒層 8 では反応量の減 少に伴っ て温度は低下し、 一方捕助触媒層 1 3 では反応量が增 加して温度が上昇する と い う変化が現れる。 酸素濃度が更に低 下すれば、 触媒層 8 での反応量はますます低下し、 代わ っ て捕 助触媒層 1 3 での反応量はますます增加するか ら、 両者の温度 は徐々に近付き、 やがては逆転する こ と にな る。 そ こ で両者の 温度差を所定の値に設定してお き、 こ の温度差以下と なれば燃 - - 料供給を停止する よ う ポ ン プ 2 を制御すれば、 酸欠状態でなお 燃焼を継続する こ と は回避され、 人畜への悪影響は防止す る こ と がで き る。
    [0026] 温度差の設定条件は、 制御し ょ う とする 限界の酸素濃度、 総 燃焼量、 触媒層 8 と 補助触媒層 1 3 と の面積比、 設定空気比等 の条件に よ っ て変化する 力 装置の設計条件に応じて制御回路 1 2 に設定すれば良い。 ま た総燃焼量を変化 さ せた場合の設定 値の変動に対しても、 制御回路 1 2 に予め記憶さ せておけば容 易に対応で き る。 ま た混合室 4 に供給する空気量を常時こ の よ う な限界値に してお く こ と は、 燃料供給量や空気供給 flの変動 に対して不安定であ り、 基本的には触媒層 8 で完全燃焼を行わ し める た めに、 通常は十分量の空気供給をする こ と が好ま し い 従って 3 0 分ある い は 1 時間 と い っ た一定間隔で、 2 〜 3 分 と い う短時間だけ上記空気量変化の操作を行 う こ と が有効で あ る =： 第 6 図には第 5 の実施例を示し て いる力 こ こ では二次空気 管 1 6 の中間に開閉弁を有する流路制御器 1 8 を備えてお り、 一定時間毎に短時間流路を解放する よ う 構成し ている。 流路制 御器 1 8 を解放し た場合には、 混合室 4 に供給 さ れていた空気 の一部が、 二次空気管 1 6 を経て二次空気口 1 7 に供給 さ れる こ と になる。 従っ て混合室 4 への空気は減少し、 同時に捕助触 媒層 1 3 上流への空気供給が開始さ れて、 前記第 4 の実施例 と 同様の効果が得ら れる。 こ の構成に した場合、 フ ァ ン 3 の制御 には特別な操作が要 ら ず、 ま た通常の燃焼時に は二次空気口 1 7 か ら余剰の空気が供給 されないか ら、 補助触媒層 1 3 を冷却 す る こ と も な く、 捕助触媒層 1 3 を十分高温に維持で き、 未燃 成分や一酸化炭素の完全浄化性能を確保する こ とがで き る。 次に、 第 6の実施例について説明する。 第 3図の構成におい て、 触媒層 8には白金 （ P t ) を担持させ、 捕助触媒層 1 3に はパラ ジ ウ ム （ P d ) と 白金を 2： 1 の重量比で混合し た成分 を担持ざせている。 捕助触媒層 1 3の厚さ は触媒層 8の約 8 0 %、 面積は触媒層 8の約 3 0 %で、 外形容積は約 2 4 %と な つ ている。 ま た担体である ハニ カ ム の セ ル密度 （単位面積内の連 通孔 8 a、 1 3 aの数） は、 触媒層 8では 3 0 0セル Z i n £ であるのに対して、 補助触媒層 1 3では 4 0 0 セ ル/ i η 2 と やや多 く な つ てお り、 し たがっ て連通孔 8 a の径は連通孔 1 3 aの径よ り 約 3 0 %小さ く な つ てい る。
    [0027] こ こ で触媒層 8 と捕助触媒層 1 3 と は、 上記のよ う に担持し ている貴金属組成が異な ってい る力 P t と P dの C 0および 灯油に対する反応性は、 第 7図に示すよ う な差異があ る。 すな わち C Oの酸化 （ こ こ では空気中に 4 0 0 p p mの C Oを混合 させてい る） に対し ては P dが萵活性であ り、 特に低温での反 応性に優れている。 一方灯油 （ こ こ では空気中に灯油蒸気を 2 %混合させている） に対しては P t が高活性であ り、 完全反応 性 （転換率 1 0 0 %付近の活性） には P d と大き な差が認め ら れる。 し たがって第 3図の構成において、 触媒層 8では P t を 用いる こ と に よ って灯油の燃焼反応に優れ、 温度が低い捕助触 媒層 1 3では、 P dを多 く する こ と によ って主な反応成分であ る C 0を低温で効率よ く 挣化する こ とがで き る。 触媒層 8にお いても、 P dを混合する こ と に よ っ て反応開始性を向上させる 効果が期待で き るが、 燃料の燃焼反応をよ り 完全に近 く 行わ し め るため には、 P t のみ ま たは P t を主成分にす る こ と が好ま し い。 一方捕助触媒層 1 3 で は、 C 0铮化に対し ては P d の み で も よ い力 触媒層 8 の活性低下や部分的な温度不足な どに よ つ て燃料の ス リ ッ プも 予想され、 P t を混合し てお く 方が好ま し い。 なお燃料に対する反応性では、 プ ロ パ ン や ブ タ ン な どの ガ ス燃料でも 上記灯油と 同様の活性差があ り、 メ タ ン を除 く 気 体燃料で も 同様の効果が得ら れる。
    [0028] ま た触媒層 8 と捕助触媒層 1 3 の大き さ は、 同一体積で あ つ て も性能的に は問題はないが、 補助触媒層 1 3 を必要以上に大 き く する と コ ス ト が高 く な り、 過剰の大き さ は実際上好ま し く な い。 捕助触媒層 1 3 に対する負荷は通常微小であ り、 空間速 度をかな り 大き く し て も十分完全反応が行われる。 触媒層 8 に 対する補助触媒層 1 3 の容積の比率 と、 反応'物質の転換率の関 係を第 8 図に示し てい る。 C 0 濃度が 1 0 0 p P m以下の初期 の状態では、 捕助触媒層 1 3 の触媒層 8 に対す る容積比率を 1 0 %程度、 すなわち通過する ガ ス の空間速度を約 1 0 倍に し て も 完全铮化が行われる。 触媒層 8 で の反応が全 く 行われな い状 態 （全燃料がス リ ッ プし て捕助触媒層 1 3 に達する） と な っ て も、 補助触媒層 1 3 の容積比率が 5 0 %あればほぼ異常な く 燃 焼でき、 臭気や C O を多量に排出する こ と は避け られ、 ま た逆 火などの異常状態を引 き起こ す こ と も ない。 捕助触媒層 1 3 の 温度上昇を熱電対 1 4 で検出する こ と に よ っ て触媒層 8 の異常 は検知で き、 燃焼を停止させる こ と は可能であ るから、 補助触 媒層 1 3 を最小限の容量にする こ と が コ ス ト の面から 要求 さ れ、 温度検知の精度に応じて、 ま た触媒層 8 の劣化の程度の許容値 に応じて、 触媒層 8 に対する捕助触媒層 1 3 の容積比率は 1 0 〜 5 0 %にする こ と が有効であ る。
    [0029] さ ら に捕助触媒層 1 3 を通過するガス中 の可燃性成分濃度は、 触媒層 8 の場合に比べてはるかに希薄であ り、 酸化反応を行う には反応物質の拡散が律速とな る。 こ こ で捕助触媒層 1 3 の連 通孔 1 3 a の径を小さ く、 すなわち ハニ カ ム の セ ル密度を大き く すれば、 可撚成分の拡散時間は短縮されて反応性が向上し、 第 9 図に示したよ う に低い温度でも高い転換率が得ら れる。 触 媒層 8 の場合には、 セ ル密度を大き く し過ぎる と反応熱の集中 が生じ、 過剰に温度が上昇して触媒活性の低下を招 く こ と にな る が、 捕助触媒層 1 3 では希薄ガ ス である ために発生熱量はわ ずかであ り、 その心配はない。 第 9 図の結果は、 捕肋触媒層 1 3 が小容量 （すなわち空間速度が大） でも、 セ ル密度を大き く すれば反応性が向上して完全浄化が可能になる こ とを示し てお り、 低温で希薄濃度ガ ス が通過する捕助触媒層 1 3 を小容量に するためにも有効な手段であ る。 セ ル密度を大き く する と 流路 抵抗も増加し、 また加工性か ら の限界も あ る 、 温度が高 く 高 活性であ る触媒層 8 の連通孔 8 a よ り も捕助触媒層 1 3 の連通 孔 1 3 a を小径にする こ と によ って、 小容積かつ低コ ス ト でよ り 効果的に排ガスを浄化する こ と ができ る。
    [0030] 上記いずれの場合においても、 触媒層 8 およ び捕助触媒層 1 3 の担体と しては、 実施例に示したセ ラ ミ ッ ク ハニ カ ム に は限 定されず、 発泡セ ラ ミ ッ クや耐熱性繊維の編組体、 あ るいは金 属ハニ カ ム な どでも 同様の効果が得られ、 触媒層 8 や捕助触媒 層 1 3 の担体構成や形状によ っ て上記効果が損なわれ る も の で はない。
    [0031] 産業上の利用可能性
    [0032] 以上説明 し たよ う に、 本発明の触媒燃焼装置は、 高温の排ガ ス が得ら れる火炎燃焼で触媒層を予熱する ため に、 短時問で均 一な触媒予熱が可能であ り、 ま た イ オ ン電流検出手段で、 火炎 燃焼時に は安定し た火炎が形成さ れてい る こ と を確認 し、 触 ¾ 燃焼時に は火炎が存在し ない こ と を確認す る こ と によ っ て、 火 炎燃焼時の着火 ミ ス や失火に よ る未燃ガ ス の噴出を回避し、 触 媒燃焼時には ポ ン プゃ フ ァ ン の異常によ っ て触媒層が過 ¾ し、 炎口に火炎を形成す る よ う な逆火現象を生 じ て いない こ と を 認でき る。 ま た触媒層の温度検知手段を備え る こ と に よ つ て、 最短時間で触媒の予熱温度を最適に調整す る こ と がで き、 初期 か ら完全反応する触媒燃焼を開始で き る。 ま た触媒層の構造や 活性に異常を生じ た場合に、 速やかに異常を検出で き、 不完全 ■燃焼によ る臭気や一酸化炭素の発生を未然に防止で き る。 さ ら に一定時間毎に火炎燃焼を行わせ る こ と に よ り、 ィ オ ン電流検 出手段で所定の電流値が得られてい る こ と を確認すれば、 酸 ¾ 濃度に異常があ る こ と を検知で き、 人体に有害な酸欠状態を回 避する事が可能にな る。 また触媒層を二段に備え、 両者の温度 差を検出する こ と に よ り、 触媒層の活性低下、 破損等を検知で き、 さ ら に下流側の触媒層 （捕助触媒層） 上流に二次空気を供 給する こ と に よ っ て、 酸欠状態も検知する こ と がで き る。 ま た 上流側の触媒層は P t を主成分 と し、 下流側の触媒層は P d を 主成分と する こ と に よ っ て、 燃焼成分の組成や濃度に応じ た最 適な反応が行われ、 完全反応性に優れた燃焼装置とす る こ と が - 1 G- 可能にな る。 また二段の触媒層の容積は、 負荷の小さ い下流側 を小容量と し、 あ る いは可燃ガス濃度が希薄な下流側のセ ル径 を小さ く する こ と に よ っ て、 低コ ス ト で効率的な燃焼と排ガス 浄化が行える。
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    1 . 燃料 と 空気の混合室 と、 前記混合室の下流に備え ら れ た炎 口 と、 前記炎口の下流に備え ら れた多数の連通孔を穿設す る触 媒層と、 前記炎口近傍に配設さ れた イ オ ン電流検出手段 と 点火 手段と を有し、 前記炎口において火炎を形成せ し め る よ う 点火 手段を動作さ せ、 所定時間経過後一旦燃料供給を停止 し て火炎 を消滅さ せ、 その後前記点火手段を動作さ せずに燃料供給を再 開 して前記触媒層表面での燃焼反応を開始 させ る も の に し て、 前記炎口で火炎が形成さ れてい る時は前記ィ 才 ン電流検出手段 において所定の電流値が得ら れていない こ と を検知し、 前記触 媒層で燃焼反応が開始さ れた時は逆に電流値が得 られ た こ と を 検知し て燃焼を停止する よ う 制御し た こ と を特徴とす る触媒燃 焼装置。
    2. 請求の範囲第 1 項において、 触媒層の温度を検出する手段 を備え、 炎口 において火炎を形成さ せた後、 前記触媒層温度が 所定値に達す る と 次の燃料供給一時中断の過程に移行す る よ う 火炎燃焼時間を制御する こ と を特徵 とする触媒燃焼装置。
    3 . 請求の範囲第 1 項において、 所定時間毎に点火手段を動作 さ せ、 炎口において一定時間火炎を形成さ せる と共に、 イ オ ン 電流検出手段において所定の電流値が得ら れな い時に は燃焼を 停止し、 電流値が得 られた場合には燃料供給中断、 再供給の過 程を経て触媒燃焼を再開 させる 制御手段を備えた こ と を特徵 と する触媒燃焼装置。
    4. 請求の範囲第 1 項において、 触媒層下流側に備え ら れた多 数の連通孔を穿設す る捕助触媒層 と、 前記触媒層 と前記補助触 媒層の温度検出手段と、 前記補助触媒層上流に開口 し た二次空 気供給部と、 混合室に供給する空気を一定時間毎に所定の割合 で減少させる制御手段と、 前記温度検出手段に連動し て、 両者 の温度差が所定値以下に達した時燃料の供給を停止する制御手 段 と を備えた こ と を特徵とする触媒燃焼装置。
    5. 請求の範囲第 4項において、 二次空気供給部と、 混合室と 前記二次空気供給部の両者に連通する空気供給手段を有し、 一 定間隔の所定時間のみ前記二次空気供給部へ導通させ る流路制 御手段と、 前記温度検出手段に連動 して、 両者の温度差が所定 値以下に達し た時燃料の供給を停止する制御手段を備えた こ と を特徴と する触媒燃焼装置。
    6 . 請求の範囲第 1 項ま たは第 4項において、 触媒層下流側に 多数の連通孔を穿設する捕助触媒層を備え、 前記触媒層に は 白 金または白金を主成分と する混合貴金属を担持させる と 共に、 前記捕助触媒層にはパラ ジ ウ ム ま たはパ ラ ジ ウ ム を主成分 とす る混合貴金属を担持させた こ と を特徴とする触媒燃焼装置。
    7 . 請求の範囲第 1 項、 第 4項ま た は第 6 項において、 触媒屑 下流側に多数の連通孔を有する捕助触媒層を備え、 前記捕助触 媒層の体積を前記触媒層の体積の 1 0〜 5 0 % と した こ と を特 徵とする触媒燃焼装置。
    8. 請求の範囲第 1 項、 第 4項、 第 6項ま たは第 7项において、 触媒層下流側に多数の連通孔を有する捕助触媒層を備え、 前記 捕助触媒層の連通孔径を前記触媒層の連通孔径ょ り小と し た こ と を特徴とする触媒燃焼装置。
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