KR100257551B1

KR100257551B1 - 연소장치

Info

Publication number: KR100257551B1
Application number: KR1019970010294A
Authority: KR
Inventors: 지로 스즈키; 타케시 토미자와; 타츠오 후지타; 유타카 요시다; 노리오 요시다; 쿠니히로 우카이; 카츠유키 오하라
Original assignee: 모리시타 요이찌; 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 2000-06-01
Also published as: EP1273850A1; EP0798512A2; DE69732504T2; DE69732504D1; KR970066265A; DE69729492D1; EP0798512B1; DE69729492T2; EP0798512A3; US5901700A; EP1273850B1

Abstract

본 발명은 연소열은 열원으로 하는 난방기, 급탕기, 공조기기 등에 이용되는 연소장치에 관한 것으로서, 연료공급부와 연소용 공기를 공급하는 송풍기와 연료와 연소용 공기의 혼합부와, 상기 혼합부 하류에 설치한 제1촉매체와, 제1촉매체에 인접하는 제1수열부와, 제1촉매체의 흐름 방향의 하류에 설치한 기하학적 표면적이 큰 제2촉매체와, 제2촉매체 하류에 설치한 촉매가열용 전기히터와, 전기히터의 하류에 설치한 통기성 보온체와, 통기성 보온체의 하류에 설치한 제2수열부를 구비하고, 연소 개시시에 전기히터에 통전해서 제2촉매체를 촉매의 반응 온도 이상으로 가열한 후에 연료와 공기의 혼합기의 공급을 행하여 제2촉매체에 의해서 촉매연소를 개시하고, 제2촉매체의 연소열에 의해서 제1촉매체의 흐름 방향의 하류부를 촉매의 반응 온도이상으로 가열해서 상기 제1촉매체의 연소를 개시하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

연소장치

본 발명은, 연소열을 열원으로 하는 난방기, 급탕기, 공조기기 등에 이용되는 연소장치에 관한 것이다.

촉매연소 장치를 유염연소 장차와 동일한 연소부하율(연소실체적당 연소열)에서 운전하면 촉매체 온도가 1200℃이상이 되고 촉매의 내열수명이 현저하게 짧아진다. 이 연소부하율의 과제를 해결하는 수단으로서, 예를 들면, 제1도의 일본국 특원평 7-316888의 일실시예에 표시한 바와 같이 열교환형 형식을 가진 제1촉매연소부(31)와, 제1촉매연소부(31)의 하류에 설치한 벌집 촉매체를 가진 제2촉매연소부(32)로 구성되는 연소방식이 있다. 연료는 주로 제1촉매연소부(31)에서 연소하므로, 이 하류에는 불꽃을 형성할 수 없다. 그래서 희박 연소가 가능한 촉매 연소를 제2촉매연소부(32)에서 행하고 있다 제1촉매연소부(31)는 촉매연소의 고열전 달성을 이용한 것으로서, 수열핀(fin)(33)에 촉매체(34)를 설치한 열교환형 촉매연소부이다. 냉각경로(36)의 물은 제1촉매연소부와 배열회수부(37)에서 온수가 된다. 열교환용 수열핀(33)을 직접적으로 촉매체(34)가 덮기 때문에, 촉매에서의 발열의 수열핀에의 전달속도가 높은 것이 되고, 그 때문에, 소형이고 고효율의 열교환기 일체형 연소기가 된다.

이 방식으로 연소개시하기 위해서는, 촉매를 반응 온도이상으로 미리 가열하지 않으면 안 된다. 이 연소 개시 방식으로서, 촉매연소의 개시전에 불꽃을 형성하는 방법, 또는 제1도에 표시한 전기히터(35)에 의해서 촉매연소의 개시전에 제1촉매연소부(31)와 제2촉매연소부(32)를 예열하는 방법이 제안되고 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 장치에는 다음의 3점의 과제가 있다.

1. 연소개시에 관해서, 전기히터에 의해서 촉매를 활성화 온도로 가열한 후에 연료를 공급하는 방법이 종래예에 기재되어 있다. 이 종래예에서는 전기히터가 제1촉매체, 제1촉매체의 열교환부, 제2촉매체를 전부 가열하고 있기 때문에, 촉매를 예열하기 위한 전력이 큰 과제가 있었다. 또, 불꽃으로 예열하는 방법도 기재되어 있으나, 이 방법은 전력은 적지만, 불꽃이 생성하는 배기에 NO가 함유되는 문제가 있었다.

2. 제1촉매연소실의 열교환기의 구조에 관하여, 종래예에서는 제1촉매체의 열교환핀이 주위로부터 중앙에 돌출하고 있으므로, 제1촉매체의 온도가 불균형하게 되고 있었다. 이 때문에 제1촉매체의 중앙과 주변의 반응량이 불균일하게 되고, 제1촉매체의 중앙의 고온화에 의한 열화나 주변부의 저온하에 의한 미반응량의 증가와 그 주변부의 미반응성분이 수열부를 가지지 않는 제2촉매체의 주변부에서 반응해서 그곳을 이상고온으로 해서 열화시키는 과제가 있었다.

3. 연소조절폭에 관하여, 종래예에서는 매우 낮은 저연소량으로 했을 때에 제1촉매체가 저온화해서 반응이 정지하면, 다시 여기서의 연소를 재개할 수 없었다. 이 때문에, TDR이 충분히 넓어지지 않았다.

또 다른 종래의 가열장치에서는, 전기가열은 대전류를 발생시키면, 기기의 코스트와 운전경비가 증대하고, 한편, 연소가열은 큰 열량을 경제적으로 발생시킬 수 있으나, 배기의 악취, 특히 착화시의 악취의 발생과, 소연소영역에서의 연소의 불안정성의 과제가 있다. 또, 연소와 전기히터를 병용한 기기는 연소의 배기의 문제를 해결하지 않고 있다는 과제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 촉매연소장치의 과제를 고려하여, 1.연소개시에 관해서 촉매를 예열하기 위한 전력의 삭감을 가능, 2.제1촉매체의 중앙의 고온화에 의한 열화나 주변의 저온하에 의한 미반응량의 증가와, 그 미반응 성분이 제2촉매체에 의해서 반응해서 이상고온이 되는 과제를 해결할 수 있는, 그리고, 3.넓은 연소량 조절폭이 가능하게 되는 촉매연소장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

또, 본 발명은, 난방부하의 대폭적인 변동에 대응할 수 있는 가열장치를 실현하고, 또 난방개시시나 기온이 낮을 때에는 연소에 의해서 높은 출력을 발생하고, 난방부하가 낮을 때에는 전기의 열에 의해서 가열하는 것이 가능하고, 또 연소에 있어서의 착화시의 배기를 정화할 수 있고, 또, 촉매연소에서는 촉매의 예열전원을 공용할 수 있고, 또한 저 NO의 효과를 초래하는 가열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제1도는 본 발명에 관한 종래예의 연소 장치를 표시한 단면도.

제2도는 본 발명의 연소장치의 실시형태를 표시한 단면도.

제3도는 본 발명 제2도의 제1촉매체와 제1수열부의 상세도.

제4도는 본 발명 제2도의 제2촉매체와 제3촉매체의 상세도.

제5도는 본 발명의 청구항 6의 일실시 형태의 단면도.

제6도는 본 발명의 청구항 6의 일실시 형태의 제1촉매연소부의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 연료공급부 2 : 기화히터

3 : 기화실 4 : 기화부

5 : 송풍기 6 : 혼합부

7 : 분출구 8 : 노즐

9 : 연소실 10 : 열회수부

12 : 제1촉매체 13 : 제2촉매체

14 : 제3촉매체 15 : 제1수열부

16 : 냉각경로 19 : 전기히터

20 : 제2수열부 101 : 연료공급부

102 : 연소용송풍기 103 : 혼합부

104 : 연소실 105 : 화염구멍

106 : 점화기 107 : 전기히터

108 : 열교환핀(fin) 109 : 온수관

110 : 온도검지부 111 : 순환펌프

112 : 방열열교환기 113 : 온수경로

116 : 정화용촉매체 117 : 혼합기구멍

118 : 연소용촉매체 122 : 제1연소촉매체

123 : 제2연소촉매체 124 : 제2온수관

상기 1∼3의 과제를 해결하는 주요수단은 하기와 같다.

과제 1의 연소개시에 관해서는, 연료공급부와, 연소용공기를 공급하는 송풍기와, 연료와 연소용공기의 혼합부와, 상기 혼합부하류에 설치한 제1촉매체와, 제1촉매체에 인접하는 제1수열부와, 제1촉매체의 흐름방향의 하류에 설치한 기하학적표면적이 큰 제2촉매체와, 제2촉매체하류의 설치한 촉매가열용 전기히터와, 전기히터의 하류에 설치한 통기성보온체와, 통기성보온체의 하류에 설치한 제2수열부를 설치한 것으로서, 연소개시시에 전기히터에 통전해서 제2촉매체를 촉매의 반응온도이상으로 가열한 후에 연료와 공기의 혼합기의 공급을 행하여 제2촉매체에 의해서 촉매연소를 개시하고, 제2촉매체의 연소열에 의해서 제1촉매체의 흐름방향의 하류부를 촉매의 반응온도이상으로 가열해서 상기 제1촉매체의 의해서 연소를 개시하는 수단을 사용했다.

즉, 종래예에서는 전기히터가 제1촉매체에, 제1촉매체의 제1수열부, 제2촉매체를 전부 가열하고 있던 것에 대해서 본 발명에서는 전기히터는 제2촉매체와 통기성보온체만을 가열하기 때문에, 이곳의 온도상승은 낮은 전력으로 가능하다. 또 제2촉매체와 통기성보온체는 세라믹스를 사용하면 열전도가 낮고, 열을 전기히터에 면하는 곳만 국소적으로 승온하고, 낮은 전력에 의한 예열이 가능한 특징도 가진다. 이와 같은 구성으로 제2촉매체를 저전력으로 가열한 후에, 연소개시하면 제2촉매체에 의해서만 반응이 개시한다. 이 반응열이 제2촉매체의 상류로 전달되면, 이 방사열에 의해서 제1촉매체의 하류단부가 승온해서 반응을 개시한다.

이와 같은 방법을 더욱 진보시키기 위하여 제1수열부로부터 제1촉매체의 하류단부를 제2촉매체를 향해서 돌출시키는 방법이 있다 제2촉매체의 열이 제1촉매체에 효과적으로 전달하고, 또한 전열한 열이 제1수열부에 취할 수 없기 때문에 제1촉매체의 온도상승은 빠르고, 정상상태에 빨리 도달한다.

과제 2. 제1촉매연소실의 열교환기의 구조에 관하여, 연료공급부와 연소용공기를 공급하는 송풍부와, 연료와 연소용공기의 혼합부와, 상기 혼합부 하류에 설치한 제1촉매체와, 상기 1촉매체에 인접하는 수열부와, 상기 제1촉매체의 흐름 방향의 하류에 설치한 상기 제1촉매체보다도 기하학적 표면적이 큰 제2촉매체를 가진 것으로서 상기 수열부가 다수의 핀(fin)과 상기 핀을 관통하는 냉각경로로 구성되고, 상기 제1촉매체가 상기 핀사이에 대략 병행해서 설치되어 있는 수단으로 했다.

이 구성에서는 연소실의 중앙에 냉각수의 경로를 형성하고 있다. 여기에 수열용 다수의 핀이 설치되어 있다. 핀의 사이에는 제1촉매체가 삽입되어 있다. 종래예에서는 제1촉매체의 열교환핀이 주위로부터 중앙에 돌출하고 있으므로, 제1촉매체의 온도가 불균일하게 되고 있었다. 그러나, 이 구성에서는 온도가 높아지기 쉬운 연소실 중앙에 냉각경로를 형성하고, 온도가 낮아지기 쉬운 주변을 향해서 핀이 뻗어 있다. 핀의 선단부는 중앙보다도 온도가 높기 때문에, 외곽 주변의 냉각을 받아도 저온화하지 않기 때문에, 제1촉매체의 온도는 균일하게 된다. 이 때문에 제1촉매체의 국부적인 온도불균일에 의한 과제를 해결할 수 있다.

과제 3. 연소조절폭에 관하여, 연료공급부와 연소용공기를 공급하는 송풍부와, 연료와 연소용공기의 혼합부와, 상기 혼합부하류에 설치한 제1촉매체와, 상기 제1촉매체에 인접하는 수열부와, 상기 제1촉매체의 흐름 방향의 하류에 인접해서 설치한 상기 제1촉매체보다도 기하학적 표면적이 큰 제2촉매체를 가진 것으로서, 고연소량일 때에는 상기 제1촉매체에 의해서 주로 연소하고, 저연소량일 때에는 상기 제2촉매체에 의해서 주로 연소하는 수단으로 했다.

이 구성에서는, 저연소량일때에 제1촉매체는 저온화하여 반응하지 않으나, 제2촉매체에 의해서 전체연료가 반응하고 있다. 이 때문에 저연소량에서도 제2촉매체의 온도는 반응온도를 유지할 수 있다. 다시, 고연소량으로 했을 때에 제2촉매체의 상류의 방사열에 의해서 인접하는 제1촉매체의 온도가 상승해서 제1촉매체가 반응을 재개한다. 이와 같이, 2개의 다른 구성의 촉매를 사용해서, 연소량에 따라서 주연소위치를 바꿈으로써, 대폭적인 연소량 조절이 가능하게 된다.

또, 난방부하의 대폭적인 변동에 대응할 수 있기 위하여, 본 발명은, 연료를 공급하는 연료공급부와, 연소용공기를 공급하는 송풍부와, 상기 연료와 연소용공기를 혼합하는 혼합부와, 상기 혼합부의 하류에 배치된 촉매체와, 전기히터와, 수열부를 구비하고, 가열량이 작은 경우에는 상기 전기히터의 발열에 의해서 상기 수열부를 가열하고, 가열량이 큰 경우에는 상기 전기히터에 통전한 후에 상기 촉매체를 의해 촉매연소를 행하여 상기 수열부를 가열하는 것을 특징으로 하는 연소장치를 제공한다.

또, 마찬가지로 본 발명은, 연료를 공급하는 연료공급부와, 연소용공기를 공급하는 송풍부와, 상기 연료와 연소용 공기를 혼합하는 혼합부와, 상기 혼합부 하류에 배치된 촉매체와, 전기히터와, 수열부를 구비하고, 가열량이 작을 경우에는 상기 전기히터에 통전하는 동시에 연료를 공급해서 상기 촉매체를 연소시키고, 가열량이 클 경우에는 상기 전기히터에 통전한 후에 가열량이 적은 경우보다도 많은 연료를 공급해서 상기 촉매체를 연소시키고, 상기 수열부를 가열하는 것을 특징으로 하는 연소장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.

먼저, 청구범위 제1항∼제17항에 대응하는 본 발명의 일실시형태의 구성을 그 동작과 함께, 제2도를 참조해서 설명한다. 연료공급부(1)로부터 공급되는 등유, 가솔린 등의 액체연료가 기화히터(2)와 기화실(3)을 가진 기화부(4)에 보내진다. 기화실(3)로부터 분출한 기화가스는, 송풍기(5)로부터 보내지는 연소용공기와 혼합부(6)에서 혼합한다. 혼합부(6)의 하류에는 방사형상으로 개구하는 분출구(7)가 노즐(8)의 테이퍼면에 형성되어 있다. 노즐(8)은 연소실(9)에 돌출하고 있다. 기화부(4)의 연소실(9)에 면하는 부분에, 촉매를 담지한 기화열의 열회수부(10)가 설치되어 있다. 연소실(9)의 연소실 상류벽(11)의 내면에는 복사율이 높은 피막처리가 실시되고 있다. 연료가 천연가스들의 가스연료일 경우에는 기화실(3)은 불필요하고, 연료를 직접혼합부(6)에 공급하면 된다.

연소실(9)에는, 제1촉매체(12)와 제2촉매체(13)와 제3촉매체(14)이 3개의 촉매체가 설치되어 있다. 제3도에 제1촉매체(12)와 핀타입의 제1수열부(15)의 조합의 상세도를 표시한다. 제1촉매체(12)는 24매의 박판핀인 제1수열부(15)에 틈새를 개재해서 설치되고, 제1수열부(15)사이에는 2매의 제1촉매체(12)가 설치되어 있다. 제1수열부(15)와 촉매체(12)의 사이의 틈새 및 촉매체(12)끼리의 틈새는 촉매체(12)에 설치한 돌기 등(도시생략)에 의해서 일정하게 유지되고 있다.

제1수열부(15)는 두께0.5mm, 폭120mm, 흐름방향길이 30mm의 내식처리를 실시한 동판으로서 냉각경로(16)에 납땜되어 있다. 제1촉매체(12)는 두께0.4mm의 내열철합금의 표면에 Γ알루미나를 코팅해서, 백금이나 팔라듐과 같은 백금족 금속촉매를 담지한 것이다. 제1촉매(12)이 하류쪽에는 냉각경로(16)에 삽입하기 위한 잘린부분(17)이 형성되어 있다. 잘린부분(17)에는 보조촉매(18)가 설치되어 있다. 보조촉매(18)는 내열철합금의 박판을 다수접속해서 일체화한 것이어도, 벌집의 가늘고 기 형상이어도 된다. 제1촉매체(12)의 상류단부는 제1수열부(15)로부터 5mm, 하류단부는 15mm돌출하고 있다(제3도의 수 참조).

제4도 제2촉매체(13)와 제3촉매체(14)의 상세도를 표시한다. 벌집구조의 제2촉매체(13)는 제1촉매체(12)보다도 기하학적 표면적이 큰 300셀/평방인치의 벌집구조이다. 흐름방향두께는 15mm이다. 벌집담체는 코디어라이트나 알루민산석회를 성형한 것으로서, 백금족 금소촉매 및 Γ알루미나가 담지체로서 담지되고 있다. 벌집구멍은 1변 0.6mm사각의 정방형이다. 제2촉매체(13)와 제3촉매체(14)의 사이에 외장타입의 전기히터(19)가 설치되어 있다.

제3촉매체(14)는 기본적으로는 예열시에 전기히터(19)의 열을 보온하는 것이므로, 촉매가 담지하고 있지 않은 벌집(통기성보온체)이어도 된다. 그러나, 제3촉매체(14)에 촉매를 담지하면 후술하는 바와 같이 예비연소시의 연소량을 크게 할 수 있기 때문에 최대연소의 개시시간을 단축할 수 있다. 또, 배기특성의 점에서도 유리하다.

제3촉매체(14)의 하류에는 제2수열부(20)와 배기열 회수용 냉각경로(21)가 형성되고, 냉각경로(16)와 연통하고 내부에 물이 흐른다. 발생한 온수는 급탕이나 난방에 이용된다. 내부는 물이외의 열매체, 예를들면 히트펌프용 냉매나 부동액이어도 된다 제3촉매체(14)는 전기히터(19)와 냉각경로(21)를 차열하고 있다고 할 수 있다. 배기구(22)가 또 하류에 형성되어 있다. 연소실(9)의 내벽은 단열재로 덮어도 되고, 냉각수의 재킷으로서 외부의 온도상승에 의한 위험성을 저감해도 된다.

또한, 제1촉매체(12)의 상류근처에 제1촉매체(12)의 온도를 검출하는 제1온도검지부(23)가, 또 제1촉매체(12)와 제2촉매체(13)의 사이에 제2촉매체(13) 상류의 온도를 검지하는 제2온도검지부(24)가 형성되어 있다.

다음에, 본 실시형태의 동작을 설명한다. 연소개시전에 전기히터(19)가 통전된다. 전기히터(19)는 600W에서 제2촉매체(13)하류와 제3촉매체(14)상류를 가열한다. 제2촉매체(13)상류의 온도가 500℃에 달한 것을 제2온도검지부(24)의 온도변화로부터 검지해서 연료의 공급을 개시한다. 온도검지부는 촉매체온도와 상관성이 있는 위치에 설치할 수 있다.

액체연료는 연료공급부(1)로부터 펌프에 의해서 기화부(4)에 보내지고, 미리 가열하고 있는 기화실(3)에서 기화해서, 송풍기(5)의 공기와 혼합해서 분출구(7)로부터 방사형상으로 분출한다. 단거리로 균등하게 혼합기를 제1촉매체(12)에 보내기 위하여 노즐(8)은 테이퍼형상이 좋다. 또, 분류를 선회하는 등의 수단에 의해 농도와 흐름을 균일화하는 것이 바람직하다. 가열하고 있지 않은 제1촉매체(12)를 반응시키지 않고 통과한 혼합기는, 가열되고 있는 제2촉매체(13)에서 반응한다. 제2촉매체(13)에서 반응한 후의 배기에도 미연소연료는 포함되나, 농도가 엷으므로 전기히터(19)에 의해서 발화하지 않는다. 엷은 미연소연료를 포함한 배기는 또 제3촉매체(14)에 의해서 완전히 반응을 종료한다. 제3촉매체(14)가 단순한 보온재일 경우에는 약간이나마 미연소연료가 배출하여, 장치밖으로 악취를 발생한다. 연소량을 낮게해서 제2촉매체(13)에서 반응을 완결시키는 것도 가능하지만, 이 예비연소기간이 길어진다.

제2촉매체(13)상류의 온도가 반응에 의해 600℃에 달했을 때에 전기히터(19)이 통전을 정지한다. 과잉의 통전은 전기의 낭비이므로, 히터의 손상을 초래한다. 또, 조급한 정지는 보다 빨리 촉매온도를 상승시킬 목적에 맞지 않는다. 전기히터(19)의 표면온도는 여기서의 발화방지를 위하여, 800℃이하가 바람직하나, 발화해도 제3촉매체(14)에 촉매가 담지하고 있으면, 불꽃이 발생하는 CO도 산화할 수 있다. 이 상태에서 제2촉매체(13)의 반응이 진행하면 상류단부의 온도는 800℃에 달한다. 이 상류단부의 고온면으로부터의 방사열에 의해서 인접하는 제1촉매체(12)의 하류단부 및 보조촉매(18)가 승온한다. 만약 제1촉매체(12)의 하류단부가 제1수열부(15)의 근처에 있으면, 전기히터(19)의 열은 냉각경로의 물을 가열해 버리게 된다. 그러나, 제1촉매체(12)가 하류방향으로 돌출하고 있기 때문에 이곳의 온도는 방사열에 의해서도 상승하기 쉽다. 제1촉매체(12)의 하류 및 보조촉매(18)가 반응을 개시해서 고온이 되면, 금속제의 제1촉매체(12)의 속을 열이 상류에 전도하고, 제1촉매체(12)의 상류단부가 고온이 되고, 여기서 처음으로 반응이 제1촉매체(12)의 상류단부로부터 발생하고 있는 상태가 된다. 여기까지의 예비연소는 최대정격연소량보다 낮은 2KW에서 행하고 있다. 또 공기과잉률은 1.5에서 행하고 있다.

제1촉매체(12)의 상류단부의 온도가 500℃에 달한 것을 제1온도검지부(23)에서 검지한 후에, 연소량을 자유롭게 정격범위내에서 설정할 수 있는 정격연소가 가능하다. 이 상태에서는 전체촉매가 반응가능한 상태이기 때문이다. 예를 들면, 초대정격연소량의 4.5KW의 연료를 공급한다. 공기과잉률은 1.4∼1.8이 바람직하다. 촉매체 전체의 온도는 상승한다. 제1촉매체(12)의 상류는 800∼850℃, 제2촉매체(13)의 상류는 700∼750℃가 된다. 이 상태에서는 제1촉매체(12)에서 전체연료의 70%∼80%가 연소하고, 나머지 20∼30%가 제2촉매체(13)에서 연소하고 있다. 제3촉매체(14)에서는 연소량은 약간이지만, 악취의 제거는 행하고 있다. 또, 제1촉매체(12)의 반응열의 약70%가 제1수열부(15)에 전달되고 온수를 가열한다. 제1촉매체(12)로부터 배출된 고온의 배기와 미연소연료의 반응열에 의해서 제2촉매체(13)는 반응가능한 온도를 유지하고 있다. 제2촉매체(13)에는 수열부가 없으므로 제3촉매체(14)의 온도는 제2촉매체(13)와 거의 동등한 680∼730℃이다. 제3촉매체(14)로부터의 650℃초과의 고온배기는 제2수열부(20)의 냉각경로(21)의 물을 가열한다.

배기는 저온이 되고 기구밖으로 배기구(22)로부터 배출된다. 본 발명에서는 2개의 수열부에 의해 열교환하기 때문에 열효율은 매우 높게 설정할 수 있다. 이 때문에 연소장치전체를 배기구를 아래로 수직으로 해서, 제2수열부(20)로부터의 배기의 결코 물방울이 촉매체에 떨어지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

정상연소상태에서는, 제1촉매체(12)의 열은 방사에 의해서 병행하게 대면하는 제1수열부(15)에 전달되고 있다. 만약, 직접촉매체가 온수와 거의 동등한 온도가 되는 제1수열부(15)에 접촉하고 있으면 다음의 문제가 있다. 첫째로 제1촉매체(12)로부터의 방열이 크고 온도가 지나치게 저하해서 반응하지 않게 된다. 두번째로 커진 방열량과 균형잡힌 발열량으로 하기 위하여 촉매를 고온으로 설정해서 반응을 촉진시키면 촉매의 수명이 짧아진다는 문제이다. 그러나, 방사에 의해서 전열하고 있기 때문에, 이와 같은 열적불안전성은 본 발명에서는 발생하지 않는다. 본 발명의 실시형태에서는 고온의 경우일수록 제1촉매체(12)온도의 4승으로 제1촉매체(12)로부터 제1수열부(15)에의 방열량이 증가하고, 저온이 되면 온도의 4승으로 방사량이 격감하므로, 결과로서 정격연소량의 범위내에서 제1촉매체(12)의 온도는 자율적으로 반응온도의 범위내에 유지되고 있다. 또, 제1수열부(15)와 제1촉매체(12)가 1매씩 교호로 설치하면 방열과잉이 된다. 제1촉매체(12)의 표리가 냉각되기 때문이다. 제1수열부(15)사이에 2매의 제1촉매체(12)를 설치하면 촉매끼리 대면하는 면이 형성되고 과잉이 방열이 방지되고 촉매온도는 안정되기 쉽다.

제1촉매체(12)의 상류단부는 제1수열부(15)의 상류단부로부터 돌출하고 있다. 동일위치를 상류방향에서 최선단부로하면, 이곳의 방열은 상류방향공간에 방사열로서 나오는 동시에, 제1수열부(15)에도 방사하므로 저온화하기 쉽기 때문이다. 특히 저연소량에서는 이곳의 온도가 반응온도이하가 되기 쉽다. 그러나, 본 발명과 같이 돌출시키면, 그곳에서 모든 제1촉매체(12)끼리가 평행하게 마주보기 때문에 저온화하지 않는다.

연료가 액체연료일 경우에는 기화하기 위한 열이 필요하다. 연소개시시에는 전기의 열에 의해서 기화하지 않으면 안되나, 정상연소시에는 전기요금이 아깝다. 여기서, 연소중에는 제1촉매체(12)의 상류단부의 방사를 받는 연소실상류벽(11)의 전도열과, 촉매를 담지한 열회수부(10)에서의 연료의 일부의 반응열을 기화부(4)에 전열시키고 있다. 정상연료시의 기화히터(2)는 보조적으로 되어 있다.

제1촉매체(12)이 온도는 수평단면방향으로 거의 균일하지만, 약간 중앙의 냉각경로(16)근처가 낮아진다. 그러나, 저온이 되기 쉬운 주변은 냉각경로(16)로부터 떨어져 있으므로 고온이 유지되고 있다. 중앙에서의 온도저하는 중앙에서의 미반응량의 증가를 초래하나, 제1촉매체(12) 하류에 설치한 보조촉매(18)가 이 반응저하를 보완한다. 왜냐하면 보조촉매(18)는 제1수열부의 냉각을 받지 않는 구성으로 온도가 높기 때문이다.

다음에, 연소량을 조절하는 경우의 상황을 설명한다. 연소량을 2KW로 저하시키면 제1촉매체(12)이 온도는 600∼650℃, 제2촉매체(13)는 550∼600℃로 저하한다. 공급되고 있는 연료량의 저하에 의해 발열과 방열의 밸런스가 저온쪽이 되고 있다. 그러나, 이 쌍방의 촉매체는 모두 반응온도이상이고, 연소는 정상으로 계속하고 있다. 그러나, 또 1KW로 연료공급을 저하시키면, 제1촉매체(12)의 온도는 활성화 온도이하의 300℃로 급감해서 반응은 거의 하지 않게 된다. 이것은 제1촉매체(12)가 제1수열부(15)에서 냉각되고 있으므로 방열이 과잉이 되었기 때문이다. 그러나, 제2촉매체(13)는 방열하기 어려우므로, 온도는 800℃를 유지하고 연료는 전체량 여기서 연소한다. 0.5KW에서도 제2촉매체(13)는 650℃를 유지해서 완전 연소한다. 제2촉매체(13)의 온도가 연료공급량에 좌우되기 어려운 것은, 저연소시에 냉각되고 있는 제1촉매에 반응이 저하하면 할수록 진한 연료가 제2촉매체(13)에 들어가기 때문이다. 그리고 제2촉매체(13)는 냉각되고 있지 않으므로, 저연소량에서도 고온을 유지할 수 있다.

또, 벌집인 제2촉매체(13)만으로의 연소에서는 고공기과잉률이 유리하다. 공기과잉률 1.8∼2.5로 하고 있다. 벌집에서는 방열이 적기 때문에 고공기과잉률로 저온화하지 않는 반면, 산소분압이 높은 편이 반응성은 높기 때문이다. 결과적으로 연소량조절폭은 1/9가 되었다.

이 저연소량이 상태로부터 최대정격으로 급하게 복귀시킬 수는 없다. 왜냐하면 제1촉매체(12)가 반응온도이하이기 때문이다. 예비연소시와 마찬가지로 2KW에서 연소하고, 제1온도검지부(23)에서 제1촉매체(12)가 소정의 활성화 온도에 달한 것을 확인해서, 최대정격연소량으로 복귀시킬 수 있다. 이 경우도 제1촉매체(12)의 하류단부가 제1수열부(15)의 하류단부보다 제2촉매체(13)를 향해서 돌출하고 있는것이 필요하다. 왜냐하면, 그와 같이 하면 제2촉매체(13)의 열이 신속하게 제1촉매체(12)에 전열하지 않기 때문이다.

다음에, 청구범위 제18항, 제19항에 대응하는 본 발명의 일실시형태에 대해서 제5도, 제6도와 함께 설명한다. 제5도에 표시한 바와 같이, 연료공급부(101)로부터 공급되는 연료가스와 연소용송풍기(102)로부터 보내지는 연소용 공기가 혼합부(103)에서 혼합되어 혼합기가 만들어진다. 혼합부(103)의 하류에 설치한 제1촉매연소부(119)에 혼합기는 흘러들고, 제1촉매연소부(119)의 제1촉매체(122)에 의해서 반응한다. 즉, 이 제1촉매연소부(119)의 단면을 표시한 제6도로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1촉매연소부(119)의 내면에 돌출하는 수열용핀(120)에 틈새(121)를 개재해서 설치된 박판형상의 제1촉매체(122)에 의해서 혼합기는 반응한다. 알루미늄합금제의 제1촉매연소부(119)의 외주에는 제1온수관(124)이 설치되고 열회수를 행한다. 제1촉매체(122)는 내열철합금에 r 알루미나를 코팅하고, 여기에 백금이나 팔라듐과 같은 백금족금속촉매가 담지되고 있다. 제1촉매연소부(119)의 하류에 제2촉매연소부가 설치되고, 여기에 벌집구조의 제2촉매체(123)가 설치되어 있다. 제1촉매연소부(119)와 제2촉매연소체(123)의 사이에 전기히터(107)가 설치되어 있다. 제1촉매연소부(119)의 상류에도 전기히터를 설치해서, 연동시켜도 된다. 제2촉매체(123)이 내벽은 단열재에 의해서 라이닝되어 있다.

제2촉매체(123)의 하류에는 핀(108)과 배기열회수용 제2온수관(109)이 설치되고, 제1온수관(124)과 연통하고 있다.

이와 같은 구성에서의 본 발명의 동작을 설명한다. 전기히터(107)에 통전하고, 제1촉매체(122)와 제2촉매체(123)를 동시에 가열해서 촉매예열을 개시한다. 제1촉매체(122)와 하류 및 제2촉매체(123)의 상류가 가열된다. 촉매(122)(123)가 소정의 활성화온도에 달한 후, 전기히터(107)의 통전을 정지하고, 연료의 공급을 개시한다. 혼합부(103)로부터 보내진 혼합기는 제1촉매연소부(119)를 통과한다. 활성화온도는 연료나 촉매의 종류에 의해서 다르고, 예를 들면 프로판가스에서는 약 300℃이고, 메탄은 이보다도 높고, 등유는 낮다. 촉매를 활성화온도로 가열하기 위하여, 전기히터의 표면온도는 600℃이상이 바람직하다.

혼합기는 먼저 제1촉매체(112)하류에서 부분적으로 반응하고, 제1촉매체(122)를 빠져나간 미반응연료는 제2촉매체(123)의 상류에서 반응하기 시작한다. 제2촉매체(123)는 고온이 되고 있으므로, 미반응가스는 여기서 반응하고, 최종배기에는 미연소가스는 거의 포함되지 않는다.

제1촉매체(122)에서는 촉매가 가스와 산소를 흡착하고, 촉매표면에서 반응하므로 무염연소가 되고 연소열에 의해서 제1촉매체(122)는 고온이 되고, 이 열이 틈새(121)를 방사열로서 통과하여 핀(121)에 전달된다. 이 제1촉매연소부(119)에서 공급한 연료의 에너지의 75%가 연소하고, 연소한 에너지의 80%가 핀(120)으로부터 제1온수관(124)에 전열한다. 즉 공급연료에너지의 60%(=75% 81%)가 여기서 물에 전열한다. 제1촉매연소부(119)로부터 배출되는 배기에는, 공급연료에너지를 100%로 해서 미연소연료가 25%(=100%-75%)와 배기열이 15%(=75%-60%), 합계에서 40%남아 있다. 제2촉매체(123)의 온도가 저온화하면 여기서 미연소연료가 전부 연소한 후의 제2촉배연소체(1230로부터의 배기는 공급에너지의 40%를 배기열로서 가진 것이 된다. 다음에, 핀(108)을 가진 제2온수관(108)에서 이 열을 회수한다. 여기서는 열교환율은 70%였다. 제2온수관(109)이 회수하는 열은 28%(=40%×70%)가 된다. 즉 제1온수관(124)과 제2온수관(109)을 합계하면 88%(60%+28%)의 종합열효율이 되었다.

촉매연소장치를 유염연소장치와 동일한 연소부하율(연소실체적당 연소량)에서 운전하면, 촉매체온도가 1200℃이상이 되고 촉매의 내열수명이 현저하게 짧아진다. 따라서 실시형태 4에서는 큰 촉매를 사용하고 있다. 그러나 본 실시형태에서는 열교환부인 핀(120)을 직접 촉매체가 덮기 때문에 제1촉매체(122)는 비교적 저온이 되고, 또한 촉매에서의 발열로부터 수열부에 직접 전열하므로 열교환효율은 높아진다.

이 실시형태에서도 난방부하가 감소해서 온수온도가 지나치게 상승하면, 연료 공급량을 감소시키지 않으면 안된다. 촉매가 활성화 온도보다도 낮아지는 2KW가 연소의 하한계이다. 여기서 연소를 정지하고 재차 전기히터(7)에 통전해서 온수를 가열한다. 전기히터는 2KW∼0까지 제어할 수 있기 때문에 난방부하의 대폭적인 변동에 대응할 수 있다. 그러나, 재연소의 촉매의 활성화 온도를 유지하면 언제나 연소를 재개할 수 있어, 급속한 난방부하의 상승에 대응할 수 있다. 또, 활성화 온도이하에서도 재차 통전에 의한 예열시간을 약간 설정하면 재연소시의 청정한 배기를 손상하지 않는다.

이와같은 실시형태 1∼4의 연소와 전기의 절환의 제어는, 외기온도, 실내온도, 또는 온수온도를 검지해서 행하는 등 용도에 따라서 선택하면 된다.

이상에 설명한 본 발명의 효과는 다음과 같다. 저NO_x와 무염연소를 특징으로하는 촉매연소장치에 있어서 이하의 효과를 가진다.

1. 연소 개시에 관해서, 촉매를 예열하기 위한 전력의 삭감이 가능.

2. 제1촉매체의 중앙의 고온화에 의한 열화나 주변의 저온하에 의한 미반응량의 증가와, 그 미반응성분이 제2촉매체에 의해서 반응해서 이상고온이 되는 과제를 해결할 수 있다.

3. 넓은 연소량조절폭이 가능하게 된다.

또, 본 발명은, 난방부하의 대폭적인 변동에 대응할 수 있는 가열장치를 실현하고, 난방개시시나 기온이 낮을 때에는 연소에서 높은 출력을 발생하고, 난방부하가 낮을 때에는 전기의 열에 의해서 가열하는 것이 가능하다.

또, 연소에 있어서의 착화시의 배기를 정화할 수도 있기 때문에 연소특유의 폐해도 감소하고 있다.

또, 촉매연소에서는 촉매의 예열전원을 공용할 수 있고, 또한 저 NO의 효과를 초래한다.

Claims

연료공급부와, 연소용공기를 공급하는 송풍부와, 연료와 연소용공기의 혼합부와, 상기 혼합부하류에 설치한 제1촉매체와, 상기 제1촉매체에 인접하는 제1수열부와, 상기 제1촉매체의 흐름방향의 하류에 설치한 상기 제1촉매체보다는 기하학적 표면적이 큰 제2촉매체와, 상기 제2촉매체하류에 설치한 촉매가열용 전기히터와, 상기 전기히터의 하류에 설치한 통기성보온체와, 상기 통기성보온체의 하류에 설치한 제2수열부와, 상기 제2수열부의 하류에 설치한 배기구를 구비하고, 연소개시시에 상기 전기히터에 통전해서 상기 제2촉매체를 촉매의 반응온도 이상으로 가열한 후에 연료와 공기의 혼합기의 공급을 행하여 상기 제2촉매체에 의해서 촉매연소를 개시하고, 상기 제2촉매체의 연소열에 의해서 상기 제1촉매체의 흐름 방향의 하류부를 촉매의 반응온도이상으로 가열해서 상기 제1촉매체의 연소를 개시하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항에 있어서, 통기성보온체는 촉매를 담지한 것임을 특징으로 하는 연소장치.
제1항에 있어서, 연료공급후, 제2촉매체가 소정의 온도에 달한 후, 상기 전기히터의 종전을 정지하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항에 있어서, 연료공급량을 상기 제1촉매체의 온도가 소정의 온도에 달할 때까지 정격연소보다도 작게 한 것을 특징으로 하는 연소장치.
연료공급부와, 연소용공기를 공급하는 송풍부와, 연료와 연소용공기의 혼합부와, 상기 혼합부하류에 설치한 제1촉매체와, 상기 제1촉매체에 인접하는 수열부와, 상기 제1촉매체의 흐름방향의 하류에 설치한 상기 제1촉매체보다도 기하학적 표면적이 큰 제2촉매체를 구비하고 상기 수열부가 다수의 핀과 상기 핀을 관통하는 냉각경로로 구성되고, 상기 제1촉매체가 상기 핀사이에 실질상 병행해서 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제5항에 있어서, 핀사이에 제1촉매체가 2매이상 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제5항에 있어서, 제1촉매체가 하류쪽에는, 상기 냉각경로에 삽입하기 위한 잘린 부분이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제7항에 있어서, 잘린부분에 보조촉매가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
연료공급부와, 연소용공기를 공급하는 송풍부와, 연료와 연소용공기의 혼합부와, 상기 혼합부하류에 설치한 제1촉매체와, 상기 제1촉매체에 인접하는 수열부와, 상기 제1촉매체의 흐름방향의 하류에 인접해서 설치한 상기 제1촉매체보다도 기하학적 표면적이 큰 제2촉매체를 구비하고, 고연소량일 때에는 상기 제1촉매체에 의해서 실질상 연하하고, 저연소량일 때에는 상기 제2촉매체에 의해서 실질상 연소하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제9항에 있어서 , 저연소시의 공기과잉률보다도 고연소시의 공기과잉률을 작게 한 것을 특징으로 하는 연소장치.
제9항에 있어서, 저연소량으로부터 고연량으로 연소량을 전환할 때에, 중간연소량영역을 거쳐 연소량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항 또는 제9항에 있어서, 제1촉매체의 하류단부가 상기 수열부의 하류 단부보다는 제2촉매체를 향해서 돌출하고 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항, 제5항 또는 제9항에 있어서, 제1촉매체의 흐름방향 상류단부가 상기 수열부의 상류단부로부터 상류방향으로 돌출하고 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 제1촉매체, 상기 제2촉매체, 상기 제2수열부 및 배기구를 수직으로 배열하고, 또한 그 배기구를 아래쪽으로 한 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항, 제5항 또는 제9항에 있어서, 제1촉매체의 상류와 대면하는 복사 수열면에 대해서 일체 또는 열적으로 접속된 액체연료의 기화부를 가진 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항, 제5항 또는 제9항에 있어서, 제1촉매체 상류공간에, 방사형상으로 배열된 분출구멍을 형성한 노즐이 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제16항에 있어서, 노즐의 테이퍼면에 분출구멍이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항, 제5항 또는 제9항에 있어서, 연료를 공급하는 연료공급부와, 연소용공기를 공급하는 송풍부와, 상기 연료와 연소용공기를 혼합하는 혼합부와, 상기 혼합부의 하류에 배치된 촉매체와, 전기히터와, 수열부를 구비하고, 가열량이 작은 경우에는 상기 전기히터의 발열에 의해서 상기 수열부를 가열하고, 가열량이 큰 경우에는 상기 전기히터에 통전한 후에 상기 촉매체에 의해 촉매연료를 행하여 상기 수열부를 가열하는 것을 특징으로 하는 연소장치.
제1항, 제2항 또는 제9항에 있어서, 연료를 공급하는 연료공급부와, 연소용공길를 공급하는 송풍부와, 상기 연료와 연소용 공기를 혼합하는 혼합부와, 상기 혼합부 하류에 배치된 촉매체와, 전기히터와, 수열부를 구비하고, 가열량이 작을 경우에는 상기 전기히터에 통전하는 동시에 연료를 공급해서 상기 촉매체를 연소시키고, 가열량이 클 경우에는 상기 전기히터에 통전한 후에 가열량이 적은 경우보다는 많은 연료를 공급해서 상기 촉매체를 연소시키고 그에 의해 상기 수열부를 가열하는 것을 특징으로 하는 연소장치.