JPS6251226B2

JPS6251226B2 -

Info

Publication number: JPS6251226B2
Application number: JP58024990A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nishino; Kunio Kimura; Yasuhiro Takeuchi; Koji Ishihara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1983-02-16
Filing date: 1983-02-16
Publication date: 1987-10-29
Also published as: JPS59152264A

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ためのバー
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
ミツク質の組成物がある。このセラミツク質は、
主にシヤモツトで、Al₂O₃−SiO₂系よりなつてお
り、製造法としては、成形後、1000℃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。したがつて、これら従来のセラミ
ツク組成物は、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、シヤモツト自身
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１mm以下のように薄くでき
ず、開孔率も40％以下であつた。そのため、セラ
ミツ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、また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ツクの
表面形状をピラミツド型にしたものや、円すい型
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
ることはできなかつた。

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
の大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、1000℃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比表面積が大きく、40m²／ｇ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化水素を比較
的炭素数の少ない炭化水素にする作用、すなわち
クラツ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
い理由の一つになつている。

本発明で用いられるアルミン酸石灰には、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。一
例として、CO／CO₂値は、JIS規格（0.02以下で
あること）の1/10〜1/100である。また低温触媒
燃焼が可能となり、NO_xも従来のバーナの1/10〜
1/100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、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。したがつて、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、クラツ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1800℃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ため、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
つ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mAl₂O₃・nCaOで表され、ポル
トランドセメントは、m′SiO₂・n′CaO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300℃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℃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、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1000℃程度以上で鉄酸化物が
CaFe₂O₄等を生成し、バーナー組成物の熱破壊を
招く。一方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％以下になると、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。800℃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℃程度以上の温度で、ガ
ス浄化、例えば一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30〜40重量％、アルミナ分35〜
80重量％、特に40〜60重量％、酸化鉄分0.3〜20
重量％、特に２〜10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、Ti₂O、TiO、Ti₂O₃、
Ti₃O₅、TiO₂が存在するが、通常安定に存在する
のはTiO₂である。TiO₂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−Al₂O₃、
TiO₂−ZrO₂、TiO₂−SiO₂、TiO₂−MgO、TiO₂
−Bi₂O₃、TiO₂−CdO、TiO₂−SnO₂などがあ
り、これらはいずれも使用できる。

TiO₂のルチル型は結晶構造が正方晶系で、融
点が1855℃である。そして天然に産出するTiO₂
は約10m²／ｇ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SiO₂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。SiO₂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、例えばシヤモツト粘土、ロウ
石、ムライト、シリマナイトなども含まれる。こ
れらSiO₂化合物は、アルミン酸石灰と共存させ
た場合、化学的結合力によつて結合され、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。一例として、カルボキシ
メチルセルロース、メチルセルロース、ポリビニ
ルアルコール、グリセリン、各種アルコール、ベ
ントナイトな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つても、
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、非焼結で成
形体を製造可能なことから、精度よく、ハニカム
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、コージエ
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、肉厚の薄いハニウム構
造体を構成することが可能である。このため、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、以下の理由によつて有益である。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、NO_xの発生量は多くな
る。NO_xの発生は燃焼温度と関連し、1100℃以上
になると発生量も大になる。これに対し、燃焼部
の面積が大きいと、燃焼は拡散され、温度も低く
なる。したがつて、本発明では燃焼温度を900℃
以下に抑えることが可能で、NO_x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、NO_x
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、NO_xの発生を抑制すると、COな
ど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、クラツキン
グ触媒作用があるため、低温でもCO、未燃焼炭
化水素を発生させることなく、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40
m²／ｇ以上と大きく、多孔質である。このため、
空気不足によつ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１mm以下とすることである。こ
こにハニカム型構造とは、透過孔の形状がハニカ
ム、すなわち六角形の形状に限定するものではな
く、四角形、円形なども含まれる。透過孔間の隔
壁の肉厚を１mm以下とする理由は、それ以上であ
ると見掛けの幾何学的表面積を向上させることが
困難であること、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、0.4〜0.8mm程度が
良い。0.4mm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50〜82％の範囲が適当である。50％以下で
は、従来のバーナ組成物と同様に表面燃焼が期待
できなく局部的に温度が上昇し、NO_xの発生が大
となる。82％以上の開孔率は、本発明の組成であ
つ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
（77K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５m²／ｇ
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
比によつて、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５m²／ｇ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、充分発揮できない。

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

(1) CO、未燃焼炭化水素の低減−燃焼の際バー
ナ用組成物が大きな比表面を有しているため、
空気の有効な供給源となる。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。

(2) NO_x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。

(5) 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16〜24Kcal／cm²であるのに対し、本発明で
は７〜40Kcal／cm²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つていたが、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、ガス燃焼機器のみならず、石油
燃焼機器用のバーナ、ポーターブル触媒ヘヤーカ
ーラ用熱源バーナとしても用いることが可能であ
る。

実施例の説明実施例１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。

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）５〃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4.5×9.5
cm、厚さ１cmであり、厚さ方向に1.4mm角の正方
形の透過孔を有し、孔間を仕切る隔壁の肉厚は
0.5mm、開孔率は72％、比表面積は42m²／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
2000Kcal／台に調整し、排ガスはバーナ部より
20cm離れたところで測定した。

その結果、CO／CO₂の値は0.0004で、NO_x
（NO＋NO₂）は0.03ppmであつた。

なお、連続して3000時間燃焼後もバーナに亀
裂、クラツクは生じなかつた。

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 45重量部 SiO₂（溶融シリカー電気化学(株)製） 40 〃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、CO／CO₂は、
0.0003、NO_xは0.1ppmであつた。

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
0.4mm、開孔率が82％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
の関係を把持するため、無機質セラミツクで、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50％、70％、82％の開孔率のものではCO／
CO₂は0.0002〜0.0008であつたが、48％のものは
0.008で他に比べ、著しくCO濃度が増加した。し
たがつて開孔率は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、組成物の赤熱輝度を観察
したところ、酸化チタンの添加割合が増大するに
つれ、輝度の上昇が認められた。3000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
つた。したがつて酸化チタンの添加量は、成形体
の固形分に対し、40重量％を超えないことが好ま
しい。

実施例５実施例１の試料を1200℃で焼成し、比表面積が
2.8、4.8、5.1、12m²／ｇ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た
ところ、比表面積2.8、4.8m²／ｇのものは、炎の
立ち上がりが認められ、CO／CO₂の値も比表面
積5.1、12m²／ｇのものに比較し、２〜４倍の濃
度であつた。したがつて、本発明のバーナ用組成
物の比表面積は５m²／ｇ以上であることが望まし
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
型機でハ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（SiO₂） 60 〃グリセリン２〃 CMC １〃水 38 〃製造されたハニカム構造体の大きさは4.5×9.5
cm、厚さ１cmであり、厚さ方向に1.5mm角の正方
形の透過孔を有し、孔間を仕切る隔壁の肉厚は
0.5mm、開孔率74％、比表面積は36m²／ｇであ
る。

その結果、CO／CO₂の値は0.001でNO_x（NO
＋NO₂）は0.05ppmであつた。

なお、連続して3000時間燃焼後もバーナに亀
裂、クラツクは生じなかつた。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％スピード
アツプが可能で、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。また排ガス特性は
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

【特許請求の範囲】１石灰分が15〜40重量％、アルミナ分が35〜80
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石灰分が15〜40重量％、アルミナ分が35〜80
重量％、酸化鉄分が0.3〜20重量％のアルミン酸
石灰と、シリカ化合物と、酸化チタンを含むバー
ナ用組成物。