JPS598179B2 - 液体燃料燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明の目的は、液体・燃料〈灯油はじめとする家庭
用燃料油〉の燃焼に際して、燃焼気化ガスを触媒により
改質せしめ、炭素〈カーボン〉の析出、タールの生成を
防止し、更に燃焼性を高めた燃焼方法を提供しようとす
るものである。

従来の液体燃焼器には、大きく分類すれば、噴霧燃焼式
と蒸発〈気化〉燃焼式がある。

噴霧燃焼式では液体を小孔ノズルから噴出してできた微
小液滴に直接着大燃焼させるもの、及び空気予混合室に
て混合し加熱したものをスリットバーナなどを通して燃
焼させるものなどがある。

これらは液体〈燃料〉の余熱部にて液体〈燃料〉重合の
ため炭素質が析出して余熱効果が悪くなるとか、ノズル
の閉塞、或はノズル部に炭素質、タールが固着、堆積し
て噴霧が悪くなり、噴霧液滴の粒径のバラツキで燃焼性
効率も悪くするなどの欠点を有している。

次に蒸発〈気化〉燃焼式では電熱ヒータによって燃料を
加熱、ガス化して燃焼させる気化式バーナ、ガラス繊維
などを編組してなる灯芯体に・燃料なしみ込ませて自然
ドラフトで空気を吸引し燃焼させる灯芯式バーナ、又ポ
ット式バーナなどな用いた燃焼器が挙げられる。

４００〜ＩＯＯＯＷの電熱ヒータを組み込んだ特別な気
化装置を有する気化式バーナは燃料の気化ガスと空気と
を予混合させ、都市ガスやプロパンガスと同様に燃焼音
の低い青火燃焼をさせる事ができるが点火操作時、電熱
ヒータに通電してから気化装置が燃料を気化できる温度
に達するまでに１０分〜２０分間を要し、すぐに燃焼を
開始する事が不可能である。

又燃焼中も気化ガスの温度を常に一定に保つ必要があり
、その気化装置は複雑、高価な温度制御装置が必要とな
る。

気化部に炭素やタールなどが付着して温度が変動し気化
ガスの温度が低すぎる場合は、燃焼に達するまでに再液
化し充分な・燃焼量が得られなかったり、空燃比のバラ
ンスがくずれ吹消えを起こしたり、又同様にタール化が
気化部、燃焼部に達する間に促進されるようになる。

逆に気化部の温度が高すぎる場合は、スリットなどを有
する燃焼部での予混合ガスの噴出速度と燃焼速度のバラ
ンスがくずれて逆火を起こしやすくなる。

蒸発体として、ガラス芯などを編組した灯芯体に燃料を
しみ込ませて自然ドラフトで燃焼させる灯芯式は、自然
ドラフトによって、バランスを保ちながら燃焼している
ため燃焼が極めて不安定でタール、臭気が最も大きな課
題であり、特に灯芯へのタールの付着がネックとなって
いる。

ポット式では、金属製のポットが蒸発部となるもので、
ポットの中に燃料を供給し、着火後の火炎によりポット
の底部を加熱し燃料を蒸発させて燃焼を継続させるもの
で、このタイプはポットの中央部に燃料が集まるため（
すなわち、ポット全面への燃料の吸廻りが全くないため
）着火から定常燃料に達するまでに１０分程度必要とし
、構造が比較的簡単でコストが安いもののポット中央部
にたまる燃料が高温で乾留される結果となり、タールが
生成しやすく、又不完全燃焼によるスス、ＣＯ、臭気の
発生にもつながる。

更に燃料の供給を停止して消火操作をしてもポットの底
部に残っている燃料が徐々に蒸発していくが、この間前
述の如く極めてタール化が促進される結果となる。

以上のように従来の液体燃料の燃焼装置に於いては、炭
素（カーボン）、タールの生成、臭気などが最犬の課題
であり、現状の機器でのネックとなっている。

従来、これらの問題点の解決に当りガラス繊維、アスベ
スト繊維、セラミック繊維、その他の耐熱性繊維物質な
どの表面に白金、パラジウム、その他貴金属触媒を担持
、付着させたものを燃焼器用触媒として使用する事が数
多く提案されているが現状ほとんど実用化されるまでに
至っていない。

これは、これらの触媒〈特に担持する肘金属が大きなウ
ェイトをしめるため〉が極めて高価であり、比較的小型
の家庭用液体燃料の燃焼機器への応用に関しては、経済
性の面で実用的ではないためである。

又、活性アルミナ＜Ａ １ ２ Ｃ ３＞やシリカ＜Ｓ
ｉ０２＞などの耐熱無機材料を触媒として応用する例も
あるが、都市ガス、プロパンガスなどの気体燃料の燃焼
に関しては、燃焼ガス経路に設ける事により、排ガスの
浄化等の面で効果が期待できるものの、液体燃料の場合
には、いずれの材料も酸性物質（Ａｌ２０３には非プロ
トン酸であるルイス酸の酸性点が存在する）であるため
、むしろ炭素〈カーボン〉やタール生成の促進作用とな
るものであり、液体燃料の燃焼装置への作用はは全く不
可能である。

酸性物質が炭素など？析出させる事はすでに広く文献や
特許などに於いて紹されている通りである。

工業的に重質油をはじめとする炭化水素の改質用触媒と
して用いられているニッケルーマグネシア、ドロマイト
、ビオライトなどをはじめとする触媒は、かなりの高温
で焼成、焼結させ、気孔を持ったポーラスなものに成形
されたもので、大型のプラントなど固定した状態で使わ
れるには問題はないが、家庭用の小型燃焼器の如く、製
品が運搬されたり、又一般家庭で使う場合は、頻繋に動
かされ、かつ点火、消火の繰返しによる急激な加熱一冷
却〈ヒートショック〉を受げるなどの条件、環境下では
強度的な面で耐衝撃性に極めて大きな課題を残しており
、これらの観点から問題であった。

これらの触媒を液体燃料の燃焼器に応用する事は、現状
では性能、経済性などの面で確実な方法とは言えず極め
て実用性に乏しいものである。

本発明は、アルカリ金属シリケートをバインダーとし、
オルソリン酸アルミニウム、第１リン酸アルミニウムな
どの酸性金属リン酸塩から成り耐熱性に優れた金属酸化
物系の顔料を加えた無機質系の耐熱塗料を触媒ベースと
して用い、更に本系耐熱塗料にアルカリとしてアルカリ
金属、アルカリ士類金属の群から選んだ一種以上を添加
した事を特徴とした従来とは全く異なる触媒を気化部（
蒸発部）をはじめとして燃料供給部、混合部、燃焼部な
どに応用する事により、燃焼気化ガスを改質し、従来の
問題点であった炭素くカーボン〉の析出やタールの生成
をなくし、更に燃焼性をも高めた液体燃料の燃焼方法に
関するものである。

以下、本発明の一実施例を中心に述べる。

第１図は、触媒反応燃焼装置の断面図である。

図に於いて、１は燃焼装置本体で、給油パイプ２、一次
空気供給パイプ３、二次空気供給パイプ４、炎孔５が設
けられている。

燃焼装置本体１は気化部６、予混合部７、炎孔５を有す
る燃焼部８から構成されている。

一次空気供給パイプ３は複数個の噴出孔９を有している
。

１０は装置加熱用ヒーターである。

加熱ヒーター１０により、装置１を一定温度に加熱、保
持し、燃料供給パイプ２より定油量ポンプにより燃料を
送り、一次空気供給ハイプ３、二次空気供給パイプ４よ
り燃焼に必要な空気を送り燃料が気化され上昇しなから
予混合されて炎孔部５で着火、燃焼するようにしたもの
である。

又、炎孔部５は気化ガスがどのように改良されたかを確
認、ガス採集のためのサンプリング部分ともなる。

触媒の効果の確認は、一例として気化部６の底面一面に
触媒を敷き詰めて一定時間触媒反応燃焼装置１で燃焼さ
せ気化部６、燃料供給パイプ２付近、或は予混合部γ、
燃焼部８、炎孔部５の内面に付着するタールや炭素〈カ
ーボン〉の量を比！したもので、特に現状の液体燃料燃
焼器の最犬の課題であるタールについて、重点に評価し
たものである。

液体燃料の燃焼装置へ触媒を応用するに際し、具備しな
ければならない項目としては、性能くクールの抑制など
〉と同様に耐熱性、耐油性が挙げられる。

耐熱性については、本系耐熱塗料は、完全無機質の材料
で構成されたものですでに当社ガステーブル〈調理器〉
、コンロなどのバーナキャップや五徳に採用されており
、バーナキャップは４００〜５００℃に加熱されるもの
であり、又、五徳に関しては爪の先端部分は直接火炎に
さらされるところであるが、今日までかなりの使用実績
を持つもので温度的には全く問題がなく、長期間の熱安
定性の面では極めて優れたものである。

本系塗料を触媒ベースとして、これにアルカリを添加し
ても、塗料自身は成分上塩基性を呈するものであり、任
意の割合に混合する事が可能で、添加した後の耐熱性に
ついても全く変化がない事を確認している。

本系耐熱塗料に炭酸カリウム＜Ｋ ２ Ｃ ０ ３ ＞
５ ％を添加した触媒について、熱天秤を用いた熱重
量解析を実施した結果では、加熱温度２００℃程度まで
は含有水分などの飛散により重量低下が若干認められる
が、それ以上の温度では６００℃まで加熱しても重量の
変化は全く認められず、アルカリを添加しても触媒ベー
スである耐熱塗料の耐熱安定性には全く影響がない。

耐油性については、灯油中に浸漬して触媒の硬度〈圧漬
強度・手動型木屋式硬度計使用〉の経時変化を確認した
。

尚触媒は、本系耐熱塗料にアルカリとして炭酸カリウム
＜Ｋ２ＣＯ３＞ ５％添加したものを５ ｒｒｒｍ Ｘ
５ ｔｒｔｙｔ Ｘ ５−の大きさに調整したものを
用いた。

６ケ月間の連続浸漬実験に於いても、硬度変化は極めて
わずかであり、初期１５Ｋｇのものくサンプル数ｎ−１
０の平均値〉が６ケ月後に於いて１３．８Ｋｇ（同〉の
強度を保持しており、燃料中に長時間浸漬されても触媒
の崩壊などの懸念は全くない事を確認した。

このことは、シーズンオフに燃料油中に放置されても全
く心配がない事を意味している。

更に、使用時には点火一消火の繰り返しを受ける訳であ
るが、加熱一冷却の繰り返しによる硬度変化〈圧漬強度
二同試験機使用〉も確認している。

同様に調整した触媒を用いてヒートショック試，験く３
００℃８時間加熱−ｅ１０’ＣＩ６時間放置〉を実施し
た。

３００℃Ｘ ８ ｈ ｒ−ｅｉｏ℃Ｘ １ ６ ｈ ｒ
を１サイクルとして合計１０００サイクル経過後に於い
ても、耐油性試験の結果と同様、１０００サイクル後の
圧漬強度は１２．９Ｋ９を保持しており、良好であった
。

以上のように本触媒は、耐熱性、耐油性、耐衝撃性など
に関しては極めて優れた性能を有したものである。

併せて高温多湿〈温度４０℃、相対湿度９５係〉の環境
下に長時間放置しても硬度く圧漬強度〉変化がないこと
はいうまでもない。

第２図、第３図に耐油性、耐熱衝撃性の試験結果く経時
変化〉を示す。

次に触媒によるタール抑制性能について、第１図に示す
触媒反応燃焼装置を用いて評価を実施した。

実施した試験は、装置を３００℃の温度に加熱保持し、
燃料と．して軽油を用い、２時間燃焼させた後、気化部
に付着したタールを目視で観察し、更にアセトンにより
洗浄、抽出し、アセトンの着色度合〈クールの溶解度合
〉でその差な比較した。

触媒応用の一例として、各組成物を乾燥〈１００℃１時
間〉させ、所定の粒径に粉砕、分級したものであり、そ
の一定量を気化部底面に敷き詰めた状態で実施した訳で
あるが、この例に限定されるものではなく、燃料供給部
や予混合部、燃焼部に配置する方法もある。

着色度合は分光光度計を用い、４２０ｍμの波長で吸収
率を測定し比較したものである。

表−１に、評価を行なった触媒組成物、組成比な示す。

いずれも前述の方法により確認したものである。

触媒ベースとして、アルカリ金属シリケート、酸性金属
リン酸塩から成る無機質系耐熱塗料、アルミナセメント
〈他に石膏などをベースにしたものを試作したが崩壊し
やすいため性能評価は除外した〉について試験したが、
触媒反応燃焼試験では、アルミナセメント系よりも耐熱
塗料系の方が相対的に良好であり、アルミナセメント系
ではむしろタールの促進作用を有するものもあり、特に
著しいものは燃料供給パイプく内径φ４〉を閉塞させる
ものさえある。

アルミナセメント系では、その効果は全く期待できない
。

この原因としてはアルミナセメントの成分の中で特に酸
性物質の影響による事が大きいのではないかとおもわれ
る。

したがって、アルカリの添加効果よりもむしろ含有成分
の影響の方が大きいためであろうと想われる。

無機質系耐熱塗料にアルカリを添加したものの中では特
にＫ２ＣＯ３を添加したものが最良であった。

代表的なものについて、アセトン抽出液の４２０ｍμで
の吸光度測定結果く吸収率〉を表−２に示す。

本発明の無機質耐熱塗料はバインダー（ケイ酸ナトリウ
ム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウムなどのアルカリ金
属シリケート）と硬化剤（オルソリン酸アルミニウム、
第１リン酸アルミニウムなどに代表される酸性金属リン
酸塩）との反応硬化により塗膜を′形成するものであっ
て、表−１及び表−２に示す耐熱塗料とは、ケイ酸ナト
リウムとリン酸アルミ＝ウムを’／１（ 重ｅ比）、顔
料トしてＦ ｅ −Ｍｎ −Ｃ ｒなどを主成分とする
複合金属酸化物を全体量に対して２０〜２５係（重量比
）を添加してカクノ・ン、混合し塗料化したものである
。

くいずれもアクセント１００ＣＣ．に抽出したものであ
る〉 燃焼に於いては、炭化水素の分解が起こり炭素やタール
の副生を伴なうが、これは直接Ｃ−Ｃ結合が切断されて
カーボンが生成したり、不飽和炭化水素が重合して多環
芳香族となってタール状に変化したりするためであると
言われているが、これらの反応に於いて、経験的にアル
カリなどの存在でかなりの低温でも炭素なｇを燃焼させ
る事が可能であると言われており、塩基性を呈する触媒
ベースの無機質系耐熱塗料と添加したアルカリとの相乗
効果によるものと推察される。

炭酸カリウム〈Ｋ２Ｃ０３〉の効果については、明確で
はないが、カリウムは酸素、水素、炭素、一酸化炭素＜
ＣＯ＞、或は水蒸気などとの反応性〈活性〉が他に比べ
て頗る犬である事が挙げられる。

液体燃料の気化ガス中のＨ２，Ｃ０，０２などと良く反
応しているためであろう。

炭酸カリウム＜ Ｋ ２ ＣＯ ３ ＞添加の影響につ
いては同一の塗料に対して、Ｋ２ＣＯ３の添加量を変え
た触媒を試作し、触媒反応燃焼装置を用いて同様の試験
を実施した。

その結果な第４図に示す。炭酸カリウムの添加は、ター
ル抑制に極めて大きな効果を発揮するが、活性面から全
体量の１〜２０ｗｔ％が適当であり、これ以上では逆に
タール抑制作用が低下していく傾向にある。

アルカリ金属シリケート、酸性金属リン酸塩から成る本
系耐熱塗料は両者の反応により硬化する反応硬化型塗料
であるが、多量のアルカリ添加はこの反応を阻害する結
果となり、強度的に好ましくない。

炭酸カリウム３０ｗｔ１以上の添加で強度低下が著しく
なり、この点からも炭酸カリウム（Ｋ，２ＣＯ３＞の添
加は１〜２０ｗｔ％が性能強度の面からも最良である。

炭化水素を水蒸気と共に接触的に分解して都市ガス等を
製造する方法は炭化水素接触水蒸気改質法くスチームク
ラツキング〉としてすでに良《知られており、工業的に
重質油や微粉炭の完全燃焼、コークスの水性ガス化など
に広く用いられている。

本系触媒も水蒸気の供給により性能的には、活性が高《
なる事を確認しているが、水蒸気の存在が触媒の活性を
左右するほど決定的な要因ではなく、通常の空気の供給
で充分、その性能を発揮するものである。

次に実用性に関して、第１図に示す装置くスケ一ルアッ
プしたもの〉を用いて、連続燃焼試験を実施した。

現状の燃焼器に於いて特に異種油の混入でタールが著し
く促進された問題となっているで、燃焼実験では、短時
間でその効果を確認するため灯油中に２０％の軽油を混
合して３ケ月間〈昼夜連続〉実施した。

触媒を使用しない方は、多量のタールが燃焼装置内面に
全面的にわたって付着しており、実験室での評価結果と
同様、特に給油孔近くが著しい。

炎孔部、一次空気噴出孔部分にも多量のタールが付着し
、閉塞している一次空気噴出孔もあり、燃焼が極めて不
安定で、ススを多量に発生する状態〈黄炎燃焼〉となっ
た。

一方、本系触媒を用いた燃焼装置には、気化部、給油孔
付近にもタールの付着は全く認められず、極めて良好で
あった。

燃焼性も初期と全く変らず完全青炎燃焼であり、タール
の付着、燃焼性の両面で触媒の効果が顕著である。

以上のように耐熱塗料として実績のあるアルカリ金属シ
リケート、酸性金属リン酸塩から成り、耐熱性の優れた
金属酸化物系の顔料を加えた無機質系耐熱塗料を触媒ベ
ースとして、これにアルカリを添加した従来の触媒には
みられない全く新しいタイプの触媒を配置した液体燃料
の燃焼方法に関する゜ものであり、極めて実用的価値の
高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は触媒反応燃焼装置の断面図、第２図は灯油浸漬
による硬度変化を示す図、第３図はヒートショック試験
による硬度変化を示す図、第４図はＫ２ＣＯ３添加量と
タール抑制作用を説明する図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルカリ金属シリケート、酸性金ＭＵ）ン酸塩から
   成り、耐熱性の優れた金属酸化物系顔料を加えた無機質
   系耐熱塗料をベースとして、前記塗料にアルカリ金属も
   しくはアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物又は炭酸塩
   の群から選んだ１嘩以上な添加した触媒を配置した液体
   燃料燃焼装置。 ２ 特に炭酸カリウム＜Ｋ２ＣＯ３＞を添加した触媒を
   配置した特許請求の範囲第１項記載の液体燃料燃焼装置
   。 ３ 炭酸カリウム〈Ｋ２ＣＯ３〉の添加量を重量比で全
   体量の１〜２０％添加した触媒を配置した特許請求の範
   囲第１項記載の液体燃料燃焼装置。