JPS59152264A - バ−ナ用組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ガス、石油燃焼器に使用され、燃焼の促進あ
るいは、赤外放射加熱を行うだめのバーナに関する。

従来例の構成とその問題点 従来、ガスバーナに用いられているものにセラミック質
の組成物がある。このセラミック質は、２べ２゛ 主にシャモットで、Ａ１２０３−８ｉＯ２系よりなって
おり、製造法としては、成形後、１０ｏｏ′Ｃ以上の高
温で焼結している。強度を増加するためには、より高温
で焼成することが望ましいが、多孔性がなくなり、空気
との混合が充分ではなくなる。そのために、強度をある
程度犠牲にしても、発泡剤を添加したり、燃成温度を低
くするなどの多孔質化が行われている。したがって、こ
れら従来のセラミック組成物は、熱による脆化、または
破損はまぬがれ得ないものである。さらに、シャモット
自身に化学的結合力がないため、ハニカム構造にしても
、透過孔間の肉厚を１闘以下のように薄くできず、開孔
率も４０％以下であった。そのため、セラミック自体の
熱容量が大きく、着火後、赤熱するまで長時間を要し、
まだ充分に赤熱しないなどの欠点を有していた。

こうした実情から様々な改良が試みられ、強度を増大す
るために、シリカ−アルミナ繊維を添加したものや、赤
熱を増強するためにセラミックの表面形状をピラミッド
型にしたものや、円すい型３７　　− にしたものが見受けられる。

しかし、この様な改良にもかかわらず、従来のバーナ用
組成物では、前述のような欠点を克服することはできな
かった。

発明の目的 本発明は、以上のような従来の欠点を解消し、非焼結式
で容易に製造することができ、しかも燃焼時の有害ガス
の発生が・少なく、赤外線放射効果の犬なるバーナを与
える組成物を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は、結合剤としてのアルミン酸石灰とシリカ化合
物より構成されるもので、さらには酸化チタンを構成要
素とするものを含むものである。

ここで、アルミン酸石灰は、別名アルミナセメントとも
呼ばれ、通常のポルトランドセメントに比較し、耐熱性
が高く、１ｏｏＯ′ｃでも安定である。このアルミナセ
メントを結合剤として用いる最大の特徴は、非焼結で成
形体を得ることが可能な点である。非焼結で成形された
アルミナセメントは、ＢＥＴ比表面積が犬きく、４０ｍ
’／ｆ／程度あり、バーナ用として燃料と空気の混合に
は、この多孔質の大きさは望ましいものである。アルミ
ナセメントを触媒の観点からみると、固体塩基触媒に属
し、特徴として炭素数の多い炭に水素を比較的炭素数の
少ない炭化水素にする作用、すなわちタラノキング用触
媒として働くことである。これは、燃料をできるだけ燃
焼しやすい状態にする作用であり、本発明のバーナ用組
成物を用いた場合、従来品に比較し、排ガス中の有害成
分が少ない理由の一つになっている。

本発明で用いられるアルミン酸石灰には１、不純物とし
て酸化鉄が含まれる。この酸化鉄は、触媒作用としての
効果を有する。すなわち、石油を燃料として用いた場合
、消火後、未燃焼ガスとして排出されるが、本発明では
バーナ部を構成する材料が触媒効果を有しているため消
火後でさえも蓄積された熱で、この未燃焼ガスを酸化し
、浄化することが可能である。

以上、述べた様に、アルミン酸石灰は、分解触媒と酸化
触媒の両方の効果を有し、これが燃焼排ガス特性を良好
な状態にしている理由である。−例として、Ｃ０ＺＣＯ
□値は、ＪＩＳ規格（０，０２以下であること）の１／
１ｏ〜１／１００である゛。また低温触媒燃焼が可能と
なり、ＮＯｘも従来の・（−すの１／１ｏ〜１／１ｏｏ
になる。

次にシリカ化合物について述べる。

このシリカ化合物とは１．ＳｉＯ２を成分とした耐熱性
基骨材が含まれる。アルミン酸石灰は、単独でも成形体
を構成することが可能であるが、シリカ化合物と共存さ
せることにより、機械的強度、耐熱性　、耐スポーリン
グ性を向上させることが可能である。したがって、本発
明でシリカ化合物はバーナ用組成物として長時間高温に
さらされるために必須成分である。

次に酸化チタンであるが酸化チタンは、上述したアルミ
ナセメントの耐熱性を向上させること、クラッキング触
媒能を助長すること、赤外線の放射効率に優れること、
バーナの比表面積を拡大し、耐熱性を向上させることな
どの理由で用いられる。

アルミナセメントは耐熱性に優れるものの、やはり長時
間の使用では、シンタリングが起こり、比表面積は減少
する。これに対し酸化チタンは、融点が１０００℃以上
であるためバーナの使用温度条件下では安定である。こ
の酸化チタンがアルミナセメント粒子間に介在するだめ
、アルミナセメント自身のシンタリングも抑制され、全
体として耐熱性が向上し、長時間の使用でも比表面積の
大きな低下は認められない。酸化チタンの、さらに大き
な特徴は、放射率が優れるので燃焼によって生じた熱を
放射熱に変換する程度が大きいことである。

次に、アルミン酸石灰とシリカ化合物、酸化チタン各々
の材料について詳述する。

本発明のバーナを構成する結合剤は、アルミナセメント
で代表されるアルミン酸石灰であり、ポルトランドセメ
ントとは区別される。アルミナセメントは一般的にｍ　
Ａ　（１２０３・ｎｃａｏで表され、ポルトランドセメ
ントは、ｍ’５ｉ０２・ｎ’Ｃａ　Ｏで表される。

ポルトランドセメントは、需要量も多く、安価であるが
３０ｏ　’ｃ程度以上の温度に耐えられず耐熱性、耐ス
ポーリング性、硬化速度が遅いという欠点を有し、さら
には硫酸イオンに侵食されやすい。

それに対し、アルミナセメントは、３００’Ｃ以上の温
度に耐え、硬化速度も速く、触媒製造の観点から好まし
いセメントといえる。

アルミナセメントの組成は、前記のとおりで、石灰分が
４０重量％以上になると、押体を機械的強度は大きくな
るが、耐熱性が小さくなるととも□に、不純物として混
入している重金属酸化物と高温で反応し、たとえば１０
ｏＯ′Ｃ程度以上で鉄酸化物がＣ２ＬＦ０２０４等を生
成し、バーナー組成物の熱破壊を招く。−万石灰分が少
ないと耐熱性は向上するが、機械的強度が低下するとと
もに、成形時の養生時間が長くなり、生産性も悪くなる
。またアルミナ分が３５重量％以下に々ると、耐熱性は
低下する。一方、アルミナ分が多くなると、耐熱性は向
上する。８０ｏ′Ｃ程度以上の温度に耐えうるようにす
るには高アルミナセメントを用いるのがよい。

混入する酸化鉄分は２０重量％以上になると、加熱時の
機械的強度が低下し、耐熱性は低下するほかバーナが着
色し始み、美的観点からも好ましくない。この酸化鉄は
３００　’Ｃ程度以上の温度で、ガス浄化、例えば−酸
化炭素を浄化する触媒能を有する。このような助触媒的
効果を発揮させるには酸化鉄を２重量％以上含有するこ
とが好ましい。

アルミナセメントの好ましい組成は、石灰分１５〜４０
重量％、特に３０〜４ｏ重量係、アルミナ分３５〜８０
重量係、特に４ｏ〜６０重量％、酸化鉄分０．３〜２０
重量％、特に２〜１ｏ重量％である。

次に酸化チタンであるが、本発明では酸化チタンを含ん
だ複合酸化物をも意味する。

酸化チタンには、Ｔｉ２０．　ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、Ｔ
ｉ３０．。

ＴｉＯ２が存在するが、通常安定に存在するのはＴｌＯ
２である。ＴｌＯ２にはアナターゼ、イタチタン石、ル
チルの結晶変態が存在する。これらの三変態は全て天然
に産出し、また人工的にも製造できる。この中で、ルチ
ル型は高温でも安定で、ア９　／ ナターゼ型のルチル型への転移が起こる温度は７００　
℃付近である。本発明ではこれらのどのＴｉＯ２も使用
可能であるが、特に熱安定性の優れたルチル型が好まし
い。

酸化チタンの複合酸化物には、ＴｉＯ２−ｈ１２０３゜
ＴｉＯ２−ＺｒＯ□、　ＴｉＯ２−３ｉｎ２．　ＴｉＯ
２−ＭｇＯ。

Ｔｉ０２−Ｂｉ２Ｏ３，Ｔｉ０２−Ｃｄ０．ＴｉＯ２−
８ｎＯ□などがあり、これらはいずれも使用できる。

Ｔｉｅ、、のルチル型は結晶構造が正方晶系で、融点が
１８５５′ｃである。そして天然に産出するＴｉＯ□は
約１ｏｎｆ／ｆの比表面積を有する。比表面積は、それ
程大きくはないが、融点が１８５５℃と高いため通常の
使用ではシンタリングによる表面積の減少や、アルミン
酸石灰の粒子成長が抑制されているものと思われる。

本発明における酸化チタンの含有量は３重量％以上が望
ましく、３重量％より低い場合は、酸化チタンの添加効
果は余り期待できない。逆に４０重量％を超えると、ア
ルミン酸石灰の量が少なくなり、結合力が弱く、使用に
耐え得ない。この酸０ 化チタンはアルミン酸石灰と一緒に成形に足るだけの水
を加えて混合し、任意の形状に成形後、養生して固化さ
せる。

次にシリカ化合物について説明する。

このシリカ化合物とは、単独の５１０２ばかりではなく
、ＳｉＯ２を一成分として含む化合物も含まれる。５１
０２は天然にケイ砂、ケイ石粉として存在するが、これ
らの他、人工的に作られた微粉末の溶融シリカでもよい
。さらに、種々のシリカ化合物、例えば、ケイ酸塩化合
物が含まれる。ケイ酸塩化合物としては、ケイ酸マグネ
シウム、ケイ酸カルシウムなどがある。その他、シリカ
を一成分として含む鉱物、例えばシャモット、粘土、ロ
ウ石。

ムライト、シリマナイトなども含まれる。これら５１０
２化合物は、アルミン酸石灰と共存させた場合、化学的
結合力によって結合され、アルミン酸石灰単独よりも強
度的に増大する。

本発明では、必須成分としてアルミン酸石灰。

シリカ化合物から構成される他、酸化チタンを含む場合
、４０重量％以下で用いることができる。

さらに、必要に応じて、上述した必須成分の他に、耐熱
性、耐熱衝撃性を向上させる目的で、種々の無機化合物
繊維、例えば耐アルカリガラス繊維。

シリカ−アルミナ繊維、アスベスト、アルミナ繊維など
を添加することは任意である。

さらに、成形助剤として、種々の添加剤を添加すること
は任意である。−例として、カルボキシメチルセルロー
ス、メチ゛ルセルロース、ホＩＪビニルアルコール、　
りＩＪ　−１＝　ＩＪン、　各種フルコール、　ベント
ナイト力どの粘土鉱物などが含まれる。

さて、本発明は以上述べた様な成分より構成される訳で
あるが、次に、これらの成分を用いてバーナを構成する
場合の条件について述べる。いうまでもなく、材料と構
成法とは密接な関係にあり、どれ程優れた特性を有する
材料であっても、それが目的に合うような構成にしなけ
れば、いわゆる宝の持ち腐れとなる。

まず、本発明の成分の特徴として、非焼成で成形体を製
造可能なことから、精度よく、ノ・ニカム状成形体を作
成できる点にある。従来、精度の良好なハニカム構造体
としてはアルミナ、コージェライトなどがあるが、これ
らはいずれも焼結型で比表面積も小さく、価格も高い。

これに対し、本発明の組成物は、非焼結であるにもかか
わらず、強度、硬度に優れるため、肉厚の薄いハニカム
構造体を構成することが可能である。このだめ、ハニカ
ムを一体と見なした場合の見掛けの表面積に対し、実に
１０倍以上の表面積を得ることができる。

バーナ用組成物として、表面積が大きいことは、以下の
理由によって有益である。すなわち、燃焼部の表面積が
少ないと、燃焼は局部的に集中し、その点で高温となり
、ＮＯｘの発生量は多くなる。

ＮＯｘの発生は燃焼温度と関連し、１１ｏＯ′Ｃ以上に
なると発生量も大になる。これに対し、燃焼部の面積が
太きいと、燃焼は拡散され、温度も低くなる。したがっ
て、本発明では燃焼温度を９００℃以下に抑えることが
可能で、ＮＯｘの発生も、従来のバーナ用組成物に対し
１／１０〜１／１００にすることが可能である。通常燃
焼用バーナとしては、１３゜ ＮＯｘの発生とＣＯ，未燃焼炭化水素の発生は、相反す
る関係にありＮＯｘの発生を抑制すると、ＣＯなとは増
える傾向にある。ところが、本発明のバーナ用組成物は
、先にも述べたように、クラッキング触媒作用があるた
め、低温でもＣＯ１未燃未燃化炭化水素生させることな
く、燃焼させることが可能である。さらに、酸素との混
合がしやすい様に、本発明のバーナ用組成物のＢＥＴ表
面積は４ｏｒｄ／ｆ／以上と大きく、多孔質である。こ
のため、空気不足によって生じる炎の立ち上りがなく、
燃焼はバーナ組成物の表面で行われる、いわゆる表面燃
焼となり、熱が有効にバーナ用組成物で放射熱に変換さ
れる。

上述した理由により、本発明の組成物を用いたバーナは
、以下のような条件を満たすことが好ましい。

まず、第一は、ハニカム型構造を有し、透過孔間の隔壁
の肉厚を１Ｍ以下とすることである。ここにハニカム型
構造とは、透過孔の形状がノ・ニカム、すなわち六角形
の形状に限定するものではな４ く、四角形１円形なども含まれる。透過孔間の隔離であ
ること、表面燃焼が期待できないことなどによる。さら
に好ましくは、ｏ、４〜０．８ｆｆｆｆ程度が良い。０
．４Ｍ以下であると、強度的に弱くなる。

透過孔の開孔率は、成形体の見掛けの横断面面積の５Ｑ
〜８２％の範囲が適蟲である。５０％以下では、従来の
バーナ組成物と同様に表ヤ燃焼が期待できなく局部的に
温度が上昇し、ＮＯｘの発生が大となる。８２係以上の
開孔率は、本発明の組成であっても肉厚が薄くなりすぎ
、強度的に問題である。

次に成形体のＢＥＴ比表面積であるが、このＢＥＴ比表
面積は、ＢＥＴ法により測定された（７７にでのＮ２の
吸着量より算出された面積）面積で形状の幾何学的な意
味での表面積とは異なる。

本発明では、このＢＥＴ比表面積の値が５７ｎ′／　ｙ
以上であることが好ましい。本発明では、アルミン酸石
灰、シリカ化合物、酸化チタンなどの配合１５ 比によって、種々の比表面の成形体を得ることが可能で
あるが、最低でも５η？／９の比表面を有しない場合は
、本発明の目的は上述した理由により、充分発揮でき々
い。

以上が本発明の構成要素であり、本発明によってもたら
される効果を以下に列挙する。

（１）　　Ｃ，Ｏ，未燃焼炭化水素の低減−燃焼の際バ
ーナ用組成物が太き々比表面を有しているため、空気の
有効々供給源となる。またアルミン酸石灰が分解触媒、
酸化鉄が酸化触媒として作用する。

（２１ＮｏＸの低減−燃焼表面積が大きいので、バーナ
で表面燃焼が生じ、燃焼温度が低い。

（３）放射熱の向上−放射率の優れた酸化チタンの添加
効果とハニカム構造の肉厚、開孔率の向上により熱容量
が低下する。

（４）　　消火後の酸化触媒効果−特に燃料として石油
を用いた場合、効果を発揮し、アルミナセメントに含ま
れる酸化鉄が有効である。

（６）　　バーナ部での表面燃焼−アルミン酸石灰が分
解触媒として作用し、燃料を燃焼しやすい低炭素数の炭
化水素にするため、炎の立ち上りがなくバーナ表面で燃
焼し、有効な放射熱への変換を行う。

（６）　　バーナの単位面積当りの発熱量の拡大□従来
は１６〜２４Ｋｍｔ／ｃｌであるのに対し、本発明では
７〜４０　Ｋｍｔ／ｃａ　　と燃焼範囲が拡大される。

（７）機械的強度、耐熱性の向上□従来は、結合力がシ
ンタリングにのみ頼っていたが、本発明では、化学的結
合力で結合されている。

（８）低価格□素材がアルミナセメントで、しかも非焼
結で成形可能なため、低価格である。

本発明は、上述した様に従来に比較し数々の優れた特徴
を有し、ガス燃焼機器のみ々らず、石油燃焼機器用のバ
ーす、ポータープル触媒へヤーカーラ用熱源バーナとし
ても用いることが可能であ第１表に示す組成の原料を混
練し、押し出し成型機でハニカム構造体を作成した。

１７　／ 第１表 アルミナセメント　　　　　　　４０重量部ケイ石粉（
ＳｉＯ２）　　　　　　　　４０　　／／酸化チタン（
ルチル型）　　゛　　　６　〃ケイ酸マグネシウム　　
　　　　２０　〃グリセリン　　　　　　　　　２　〃 水　　　　　　　　　　　　　　　　　４０　〃製造さ
れたハニカム構造体の大きさは４．６×９．５１．厚さ
１０ｎであり、厚き方向ｆ１．４ｍｗ角の正方形の透過
孔を有し、孔間を仕切る隔壁の肉厚は０．５問、開孔率
は７２％、比表面積は４２　ｙｙ？　／’！である。

この試料２枚を、燃料を石油にしたバーナ部に設置し、
排ガス特性を調べた。燃焼器は２００ｏＫ、ｙ／台に調
整し、排ガスはバーナ部より２０α離れたところで測定
した。

その結果、ＣＯ／ＣＯ２の値は０．０００４で、Ｎ０ｘ
（Ｎｏ＋Ｎｏ２）は０．０３　ｐｐｍであった。

なお、連続して３０００時間燃焼後もバーナに亀８ 裂、クランクは生じなかった。

実施例２ 第２表に示す組成の原料を用いて実施例２と同様のハニ
カム構造体を作成した。

第２表 アルミナセメント　　　　　　　４６重量部ＳｉＯ□（
溶融シリカ−電気化学　４ｏ　〃■製） ケイ酸マグネシウム　　　　　　２０　〃グリセリン　
　　　　　　　　３　〃 水　　　　　　　　　　　　　　　　　３５　　〃この
ハニカム構造体を用いて実施例１と同様にして排ガス特
性を調べたところ、Ｑ　Ｏ／ＣＯ□は、０．０００３、
ＮＯｘは０．１　ｐｐｍであった。

実施例３ 実施例２と同様の組成物で孔間の隔壁の肉厚が０．４鰭
、開孔率が８２チのハニカム構造体を作成した。このハ
ニカム構造体で、開孔率と排ガス特性の関係を把握する
ため、無機質セラミックで、１９　。

開孔率が４８％、５０％、７０％になる様に透過孔をふ
さいだ試料を作成し、排ガス特性を調べた。

その結果６０％、７０％、８２％の開孔率のものではＣ
ｏ／ＣＯ３は０．０００２〜０．０００８　であったが
、４８チのものは○、ｏ０８で他に比べ、著しくＣＯ濃
度が増加した。したがって開孔率は５０〜８２％が最適
である。

実施例４ 実施例１において、ケイ石粉と酸化チタンの総量を４０
重量部とし、酸化チタンの割合を、２゜３．１０，３０
，４０．４２重量部と変化させてハニカム構造体を作成
した。これらの試料を実施例１と同様の燃焼器に設置し
て、組成物の赤熱１度を観察しだところ、酸化チタンの
添加割合が増大するにつれ１．ｔ’１度の上昇が認めら
れた。３ｏ○○時間経過後、組成物の状態を観察したと
ころ、酸化チタンが４２重量部の試料は、亀裂が入り、
しかももろかった。したがって酸化チタンの添加量は、
成形体の固形分に対し、４０重量係を超えないことが好
ましい。

実施例５ 実施例１の試料を１２０ｏ　’ｃで焼成し、比表面積が
２．８　、４．８　、５．１　、１２め９の試料を作成
した。これらの試料をバーナとして用い燃焼状態を観察
しだところ、比表面積２．８　、４．８　ｄ／Ｌｊのも
のは、炎の立ち上りが認められ、ＣＯ／ＣＯ２の値も比
表面積ｔｓ、１．１２　ｎ？／　ｇのものに比較し、２
〜４倍の濃度であった。しだがって、本発明のバーナ用
組成物の比表面積は６ｎ？／ｆ１以上あることが望まし
い。

実施例６ 第３表に示す組成の原料を混練し、押し出し成型機で−
・ニカム構造体を作成した。

第３表 アルミナセメント　　　　　　４０重量部ケイ石粉（Ｓ
１０２）　　　　　　　６０　　／／グリセリン　　　
　　　　　　２　〃 ＣＭＣ１／／ 水　　　　　　　　　　　　　　　　　　３８　　〃製
造されたハニカム構造体の大きさは４．６×９．６α、
厚さ１ｃ１ｎであり、厚さ方向に１．５間角の正方形の
透過孔を有し、孔間を仕切る隔壁の肉厚は０６５Ｍ、開
孔率７４％、比表面積は３６７７メ／ｇである。

この試料２枚を、燃料を石油にしたバーナ部に設置し、
排ガス特性を調べた。燃焼器は２ｏｏ。

Ｋａｉｌ／＠に調整し、排ガスはバーナ部より２０ｆｍ
離れたところで測定した。

その結果、ＣＯ／ＣＯ２の値は０．００１でＮ０ｘ（Ｎ
Ｏ＋ＮＯ２）は０．Ｏ５ｐｐｍであった。

なお、連続して３０００時間燃焼後もバーナに亀裂、ク
ラックは生じなかった。ただ単位時間当たりの成形速度
は実施例１のものが約３０％スビードアッグが可能で、
実施例６のバーナ成形体は成形スピードを遅くするとチ
タン酸化物がなくても充分実用可能なものが得られた。

まだ排ガス特性は酸化チタンが含有されていないので若
干触媒浄化特性が劣ることが判明した。

発明の効果 ２２／　、・ 以上のように、本発明によれば、製造が容易で、燃焼時
の有害ガスの発生が少なく、赤外線放射効果の大きいバ
ーナを得ることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）石灰分が１５〜４ｏ重量係、アルミナ分が３５〜
   ８ｏ重量％、酸化鉄分が０．３〜２０重量％のアルミン
   酸石灰と、シリカ化合物より構成されたバーナ用組成物
   。
2. （２）石灰分が１５〜４０重量％、アルミナ分が部〜８
   ０重量係、酸化鉄分が０．３〜２０重量％のアルミン酸
   石灰と、シリカ化合物と、酸化チタンを含むバーナ用組
   成物。