KR20110069800A - 내열 연료 활성화 물질 - Google Patents

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세이타로 다카하시
마사히로 이토
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파이어 업 가부시키가이샤
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Abstract

연료활성화 재료를 이용한 연료 활성화 물질에 내열성을 가지게 하는 것으로, 지금까지 유기 수지 바인더로는 사용할 수 없었던 온도 조건하에서도 연료 활성화 물질을 장착할 수 있게 하여 연소기기에 있어서의 에너지 절약효과를 더 높인다. 전자파장 3∼20㎛의 범위의 분광 방사율이 0.85 이상인 연료 활성화 재료 100중량%에 대하여, 금속 용사 재료 50∼150중량%를 용융 혼합하고, 이를 용사 가능하게 한 것을 특징으로 하는 내열 연료 활성화 물질. 또는 동 연료 활성화 재료 100중량%에 대하여, 융점이 420℃ 이하인 금속 재료 50∼150중량%를 용융시키어 시트 상(狀)으로 형성도 좋다. 더구나, 동 연료 활성화 재료 100중량%에 대하여, 내열온도가 300℃ 초과의 무기질 계 수지 75∼150중량%를 혼합하여 시트 상(狀)으로 형성하거나 용융상태의 것을 용사 또는 도설(塗設)하여도 좋다.

Description

내열 연료 활성화 물질 {HEAT-RESISTANT FUEL-ACTIVATING SUBSTANCE}
본 발명은 중유, 경유 등의 액체 화석 연료와 LPG, 천연가스 등의 기체 화석 연료 및 석탄 등의 고체 화석 연료를 연료로 하는 보일러 등의 연소장치에 있어 사용하는데 적합한 것이며, 그의 연소에 있어서 연소 활성화 효과를 높이는, 내열 연료 활성화 물질에 관한 것이다.
종래부터, 보일러 등의 연소장치의 연소시의 열효율의 향상은 여러 가지 연구되고 있었다. 그 목적으로, 예를 들면 특허문헌 1 기재의 발명과 같이, 버너의 개량을 행하거나 한 것이 있었다.
본 발명의 발명자 등은 연료 활성화 물질로부터의 전자파(電磁波)에 의해서 열분해 영역에서의 메탄계 분자를 활성화함에 의해 연소시의 연소효율의 향상을 생각하였다. 즉, 연소에 있어서, 연료의 열분해로 생기는 활성화학 종의 1종인 메탄계 분자에는, 특정한 전자파장, 구체적으로는 8㎛ 근방(대체로 3∼20㎛의 범위)의 전자파를 흡수하는 흡수대(吸收帶)가 있는데, 그 파장역(域)의 전자파를 열분해 영역에서의 메탄계 분자에 방사해서, 연소 선구체(先驅體)인 활성화학 종의 1종인 메탄계 분자를 더 심하게 진동시키게 된다. 이에 의해, 메탄계 분자와 공기 중의 산소분자와의 충돌빈도가 높여지게 되고, 그 결과, 연소반응이 촉진되어서 화염온도의 상승을 인도할 수 있어, 연소효율을 보다 완전연소에 근접시키는 결과, 사용연료량의 삭감이 실현되게 되는 것이다. 본건 발명자 등은, 이와 같은 파장에 있어서의 분광 방사율이 높은 연료 활성화 물질의 개발을 시도하였다.
그를 위해, 우선 전자파를 방사하는 작용이 있는 투르말린(電氣石)에 착안하여, 투르말린부터의 전자파를 열분해 영역에서의 메탄계 분자에 방사하는 실험을 행하였지만, 연소시의 연소효율을 향상시켰다고 할 정도의 효과는 보지 못하였다. 이를 근거로 본건 발명자 등은, 특허문헌 2 기재의 발명을 개시(開示)하였다. 이는, 연소 부분 앞쪽에 해당하는 메탄가스 통로에 투르말린, 철분 및 탄소를 혼합시켜 형성한 원적외선 발생 체를 위치시킴에 의해 연료를 활성화시켜 에너지 절약 효과를 얻으려 하는 것이다.
특허문헌 1 : 특개 평 11-1707 호 공보
특허문헌 2 : WO 2006/088084 A
상기 선행기술 이후, 본건 발명자 등은 다시 한번, 특히 분광 방사율에 착안하여 연료 활성화 물질의 예의 개량을 더해, 전기 파장역의 전자파가 분광 방사율 0.85 이상으로 되는 연료 활성화 재료를 이용하여, 열분해 영역에서의 메탄계 분자에 당해 파장역에서의 전자파를 방사하는 것에 의해 100∼150℃의 화염온도의 상승이 얻어지는 것을 알았다.
그런데, 종래의 연료 활성화 물질은, 활성화 재료를 우레탄 수지 등의 유기질 계 수지를 바인더로 하여 시트 상(狀)으로 형성하거나, 혹은 도료화해 도설하고 있었기 때문에, 이들의 연소장치에 있어서 100℃ 이상의 고온의 개소에 장착된 경우, 시간의 경과에 의해 바인더가 탄화하여 연료 활성화 물질로부터의 전자파의 분광 방사율이 저하하는 일이 있었다.
그래서 본 발명은, 개량된 연료 활성화 재료를 이용하고, 다시 이 연료 활성화 재료를 이용한 연료 활성화 물질에 내열성을 갖게 하여, 이제까지의 연료 활성화 물질에서는 사용되지 않았던 온도조건 하에서도 장착할 수 있게 함으로써, 가지가지의 연소장치에 있어서의 에너지 절약 효과를 보다 높이는 것을 과제로 한다.
본 발명 중 제 1의 발명에 관계되는 내열 연료 활성화 물질은, 전자파장 3∼ 20㎛의 범위의 분광 방사율이 0.85 이상인 연료 활성화 재료 100중량%에 대해, 금속 용사(溶射) 재료 50∼150중량%를 용융((溶融) 혼합하고, 이를 용사 가능하게 한 것을 특징으로 한다.
여기서,「전자파장 3∼20㎛의 범위의 분광 방사율이 0.85 이상」이란 것은, 당해 파장범위는 열분해 영역에서의 메탄계 분자의 활성화에 가장 기여하는 전자파의 파장범위로서, 소위「원적외선」이라 칭해지는 부분의 일부이다. 그리고 이 분광 방사율은 흑체(黑體)의 당해 파장범위 있어서의 방사율을 1로 한 때의 수치로서, 메탄계 분자의 활성화에 기여하는데 족한 원적외선을 방출함에 충분한 수치로서의 의의가 있다. 이 점에 대하여는 이하의 각 발명에 대하여도 마찬가지다.
여기서, 용사에 의해 내열 연료 활성화 물질을 적용하는 것으로, 표면 형상이 복잡한 개소에도 적용가능하게 된다.
즉, 본 제 1의 발명에 관계되는 내열 연료 활성화 물질은, 연소장치에 있어서, 피 적용 부위로서, 대개 100∼400℃의 온도의 범위에서 적용가능하게 돼 있다. 여기서, 금속 용사 재료로서는, 예를 들면 비교적 용융온도가 낮은 동, 알루미늄, 니켈 등이 사용가능하며, 특히 입도(粒度) 5∼150㎛의 것이 바람직하다.
그리고, 금속 용사 재료에 대하여는, 활성화 재료의 전량을 100중량%로 한 경우, 이에 대하여 50중량% 미만의 경우에는 피 적용 개소에의 부착성이 나빠지며, 150중량%를 넘는 경우에는 연료 활성화 재료의 함유율 저하에 수반하여 분광 방사율이 낮아지기 때문에, 50∼150중량%가 적절하다.
이와 같은 금속 용사 재료와 소정의 연료 활성화 재료를 혼합하여, 시판의 용사장치에 충전하여 버너의 소정의 피 적용 부위에 용사 한다. 구체적인 용사 장소로서는, 예를 들면 연소장치에 있어서 버너가 장착되는 플랜지 부분이나, 혹 은 그 버너를 수용하는 연소장치 내부의, 연소 화염 발생부위의 후방과 같은 개소가 상당한다. 당해 개소에 연료 활성화 재료를 성분으로서 함유하는 금속 피막 층으로서의 내열 연료 활성화 물질을, 소망의 두께로 형성하는 것이 가능하다. 또, 용사에 의하여, 표면 형상에 복잡한 요철이 있어 시트 상의 것이 정착이 곤란한 개소에도 적용가능하게 돼 있다.
본 발명 중 제 2의 발명에 관계되는 내열 연료 활성화 물질은, 전자파장 3∼ 20㎛의 범위의 분광 방사율이 0.85 이상인 연료 활성화 재료 100중량%에 대해, 융점이 420℃ 이하인 금속 재료 50∼150중량%를 용융시키어 시트 상으로 형성한 것을 특징으로 한다.
즉, 본 제 2의 발명에 관계되는 내열 연료 활성화 물질은, 피 적용 부위가, 대개 100∼300℃의 온도의 범위에서 적용가능하게 돼 있다. 여기서, 금속 재료로서는, 예를 들면 연, 아연 등과 같은 비교적 용융온도가 낮은 금속이 사용 가능하다. 여기서, 금속 재료에 대하여는, 연료 활성화 재료의 전량을 100중량%로 한 경우, 이에 대하여 50중량% 미만의 경우에는 시트 상(狀)으로 형성하는 것이 불가능하게 되며, 또, 150중량%를 넘는 경우에는 연료 활성화 재료의 함유율 저하에 수반하여 분광 방사율이 낮아지기 때문에, 50∼150중량%가 적절하다.
이와 같이 시트 상으로 형성하는 것으로, 예를 들면 연소장치에 있어서의 버너 부근의 소정의 피 적용부위, 예를 들면 버너가 장착되는 플랜지 부분이나, 혹은 그 버너를 수용하는 연소장치 내부의, 연소 화염 발생부위의 후방과 같은 개소에의 장착에 적합하게 된다.
본 발명 중 제 3의 발명에 관계되는 내열 연료 활성화 물질은, 전자파장 3∼ 20㎛의 범위의 분광 방사율이 0.85 이상인 연료 활성화 재료 100중량%에 대해, 내열 온도가 300℃ 초과의 무기질 계 수지 75∼150중량%를 혼합하여 형성한 것을 특징으로 한다.
즉, 본 제 3의 발명에 관계되는 내열 연료 활성화 물질은, 피 적용부위가 대개 100∼300℃의 온도의 범위에서 적용가능하게 돼 있다. 여기서, 내열 온도가 300℃ 초과의 무기질 계 수지로서는, 유기질 계수지 만으로 이루어지는 것이 아니라, 성분의 일부 또는 전부에 무기질 계 재료를 이용한 수지를 말하며, 예를 들면 실리컨 수지, 불소 수지, 물유리 등, 또는 이들 중에서 필요에 따라 혼합하여 사용되는 혼합물과 같은 내열성을 구비한 것이 사용가능하다.
여기서, 무기질 계 수지에 대하여는, 연료 활성화 재료의 전량을 100중량%로 한 경우, 이에 대하여 75중량% 미만의 경우에는 시트 상으로 형성하는 것이 불가능하게 되며, 또, 150중량%를 넘는 경우에는 연료 활성화 재료의 함유율 저하에 수반하여 분광 방사율이 낮아지기 때문에, 75∼150중량%가 적절하다. 더구나, 상기 활성화 재료 100중량% 중에는 규소 0.5∼1.5중량%를 포함하는 것으로 하여도 좋다.
본 제 3의 발명에 관계되는 내열 연료 활성화 물질은, 시트 상으로 형성하는 것도 가능하며, 또, 용융한 상태로 피 적용 개소에 용사, 혼합한 상태로 피 적용 개소에 용사 또는 도설(塗設)하는 것도 가능하다. 시트 상으로 형성한 경우에는, 예를 들면 연소장치에 있어서의 버너 부근의 소정의 피 적용부위, 이를테면 버너가 장착되는 플랜지 부근이나, 또는 그 버너를 수용하는 연소장치 내부의, 연소 화염 발생 부위의 후방과 같은 개소에의 시트로서의 장착에 적합하게 된다. 한편, 용융혼합하여 용사(溶射)하는 것도 가능하며, 상기 개소에 용사하여, 당해 개소에 상기 연료 활성화 재료를 성분으로서 함유하는 무기 물질 피막 층으로서의 내열 연료 활성화 물질을, 소망하는 두께로 형성하는 것도 가능하다.
더구나, 상기 제 1의 발명으로부터 제 3의 발명까지에 있어서의 연료 활성화 재료에 대하여는, 투르말린, 철분 및 탄소를 각각 30∼44중량%, 55∼69중량% 및 0.5∼1.5중량%의 범위로 배합하여 형성한 것일 것이 바람직하다. 여기서, 상기 각 성분 중, 어느 것의 적어도 하나가 그 각각의 상기 배합비의 범위에서 벗어나는 경우에는, 내열 연료 활성화 물질의 분광 방사율은 0.85를 하회하는 것이 본건 출원인의 실험에 의해 확인되고 있다.
더구나, 상기 활성화 재료 100중량% 중에는 규소 1.5중량% 이하를 포함하는 것으로 하여도 좋다. 이 규소를 포함하는 의의로서는, 탄소 함유량을 적게 하지 않를 수 없는 경우에 이를 보충하여, 내열 연료 활성화 물질이 0.85 이상의 분관 방사율을 나타내는 것을 가능하게 하는 데 있다.
상기 각 내열 연료 활성화 물질은 관류(貫流) 보일러, 노통 연관(爐筒 煙管) 보일러 및 수관(水管) 보일러(2 버너 이상의 산업용 보일러, 발전소 용 보일러도 포함)뿐 아니라 킬른, 건조기 및 냉온수 발생기와 같은, 연소 화염을 열원(熱源)으로 하는 연소장치와, 연소실을 구비하는 연소기기에도 사용가능하다.
더구나, 여기에 말하는 「연소실」이란, 버너로부터 내뿜어진 연료를 빠르게 착화, 연소시켜, 발생하는 가연(可燃) 가스를 공기와의 혼합 접촉을 양호하게 하여 연소를 행하게 하는 부분을 말한다. 더하여, 여기서 말하는 「버너」란. 액체 연료용 버너, 기체 연료용 버너 및 고체 연료용 버너를 말하며 구체적으로는 이하와 같다.
액체 연료용 버너는, 연료유를 미립화해 그 표면 면적을 크게 하여, 기화를 촉진시켜 공기와의 접촉을 양호하게 하여, 연소반응을 완결시키는 따위의 것으로서, 구체적으로는 압력 분무식 버너, 증기(공기) 분무식 버너, 저압 기류 분무식 버너, 회전식(로터리) 버너, 건 타이프 버너 등을 말한다.
기체 연료용 버너는, 확산 연소 방식을 이용한 것이 많으며, 구체적으로는 센터 타이프 버너, 링 타이프 버너, 멀티 스퍼드 버너 등을 말한다.
고체 연료 버너는, 구체적으로는 미분 탄(微 粉炭) 버너 연소 방식의 것을 말한다.
본 발명은 이상과 같이 구성돼 있으므로, 내열 연료 활성화 물질을 연소장치의 내부와 같은 비교적 고온의 개소에도 장착하는 것이 가능하기 때문에, 이 내열성 연료 활성화 물질로부터 방사(放射)되는 전자파가 연소 화염에 의해 직접적으로 작용할 수 있게 된다. 그 결과, 연료의 열분해로 생기는 활성화학 종의 1종인 메탄 계 분자의 진동을 활발하게 하여 연소를 촉진시켜서 화염온도의 상승과 연소 화염의 안정을 갖게 하여, 사용 연료량을 한층 더 삭감하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 관계되는 내열 연료 활성화 물질에 있어서의 분광 방사율과 화염온도의 관계를 조사하기 위하여 이용한 측정 장치를 도식적으로 보이는 것이다.
도 2는 본 발명의 제 1의 실시 예로서 내열 연료 활성화 물질을 장착한 노통 연관 보일러를 도식적으로 보이는 것이다.
도 3은, 도 2 중의 버너 부분을 확대하여 보이는 것이다.
도 4는 본 발명의 제 2의 실시 예로서 내열 연료 활성화 물질을 장착한 관류 보일러를 도식적으로 보이는 것이다.
도 5는, 도 4 중의 버너 부분을 확대하여 보이는 것이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 예로서 내열 연료 활성화 물질을 장착한 수관 보일러를 도식적으로 보이는 것이다.
도 7은, 도 6 중의 버너 부분을 확대하여 보이는 것이다.
(1) 연료 활성화 재료의 배합비의 검증
연료 활성화 재료에는 이하의 것을 사용하였다.
투르말린: 쇼올 투어멀리 42 메시(아탐 고잔 츄오 겐큐쇼)
철분: RS-200A (파우더 테크)
탄소: 활성탄소·분말 (C-AW : 12. 011, 쇼와카가구)
상기를 하기 표 1에 보인 각 배합비로 혼합한 것을 연료 활성화 재료로 하 고, 여기에 바인더로서 무기질 실리컨 수지(ES-1002T, 신에쓰 카가구고교)를 가하여 혼련한 것을, 두께 2㎜의 알루미늄 강판에 막 두께 0.6㎜로 되도록 각각 도설(塗 設)하여 얻은 샘플을 분광 방사율 측정에 제공하였다.
분광 방사율의 측정은 시마즈 프리에 변환 적외 분광 광도계(IEPrestiga-21 (P/N 206-72010), 시마즈 세이사쿠쇼)를 이용하여 행하였다. 구체적으로는, 우선, 흑체로(黑體爐)(300℃)로 분광 방사율을 1.0으로 하여 읽고, 시료 노에는 의사 흑체 도료(분광 방사율 0.94)를 도포한 측정시료를 넣어, 시료 노 내의 온도로 분광 방사율을 0.94에 설정하여, 이후, 이 조건으로 시료 노 내에 각 샘플을 넣어서 분광 방사율을 측정하였다. 그 결과도 하기 표 1에 겸하여 나타낸다.
시료넘버
 투르말린 철분 탄소 합계 바인더 분광 방사율
g % g % g % g g %
1 150 22.5% 508 76.0% 10 1.5% 668 668 100% 0.77
2 201 30.1% 458 68.6% 9 1.3% 668 668 100% 0.92
3 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 668 100% 0.94
4 293 43.9% 368 55.1% 7 1.0% 668 668 100% 0.89
5 320 47.9% 344.5 51.6% 3.5 0.5% 668 668 100% 0.72
6 308 46.1% 350 52.4% 10 1.5% 668 668 100% 0.78
7 291.5 43.6% 367.5 55.0% 9 1.3% 668 668 100% 0.91
3 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 668 100% 0.94
8 203 30.4% 460 68.9% 5 0.7% 668 668 100% 0.87
9 184 27.5% 480.5 71.9% 3.5 0.5% 668 668 100% 0.70
10 243 36.4% 424 63.5% 1 0.1% 668 668 100% 0.75
11 242.5 36.3% 422 63.2% 3.5 0.5% 668 668 100% 0.90
3 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 668 100% 0.94
12 239 35.8% 419 62.7% 10 1.2% 668 668 100% 0.89
13 236 35.3% 417 62.4% 15 2.2% 668 668 100% 0.74
* :「%」는 어느 것이나「합계」에 대한 중량%
상기 결과로부터, 연료 활성화 재료 중의 투르말린이 240g(35.9중량%), 철분이 420g(62.9중량%) 및 탄소가 8g(1.2중량%)인 시료 No. 3의 분광 방사율이 0.94이어서, 이것이 베스트 모드라 생각되었다. 이를 중심으로 하여, 투르말린의 배합비율이 30중량% 이상 또한 44중량% 이하(시료 No. 2 및 No. 3에서), 철분의 배합비가 55중량% 이상 또한 69중량% 이하(시료 No. 7 및 No. 8에서) 및 탄소의 배합비가 0.5중량% 이상 또한 1.5중량% 이하(시료 No. 11 및 No. 12에서)이면 분광 방사율이 0.85이 되는 것을 알았다.
(2) 금속 용사에 의해 형성되는 내열 연료 활성화 물질
다음에, 상기 (1)의 결과에서 베스트 모드였던 시료 No. 3의 연료 활성화 재료를 이용하여, 금속 용사 용의 바인더의 적절한 중량비를 검토하였다.
바인더로서는 니켈 및 알루미늄을 주성분으로 한 메털라이징 29029(니혼 유테크)를, 전기 시료 No. 3의 연료 활성화 재료 100중량%에 대하여 하기 표 2의 중량비로 용융 혼합하고, 테로다이징 시스템 2000(니혼 유테크)을 이용하여, 두께 2㎜의 알루미늄 강판에 막 두께 0.6㎜가 되도록 용사(溶射) 하였다. 이 용사에 의해 형성된 내열 연료 활성화 물질에 대하여, 전기 (1)과 마찬가지로 분관 방사율을 측정하는 동시에, 용사 부위에의 부착성 또한 검토하였다. 그 결과는 하기 표 2와 같다.
시료넘버
 투르말린 철분 탄소 합계 바인더 분광 방사율
g % g % g % g g %
14 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 300 45% -
15 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 334 50% 0.91
16 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 668 100% 0.94
17 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 1000 150% 0.90
18 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 1150 172% 0.72
* :「%」는 어느 것이나「합계」에 대한 중량%
상기 결과에서, 연료 활성화 재료 100중량%에 대한 바인더의 중량비가 100중량%인 No. 16의 분광 방사율이 0.94로 가장 높고, 이를 중심으로 하여, 바인더의 중량비가 50중량%인 시료 No. 15, 및 150중량%인 시료No. 17의 분광 방사율은 0.85 이상이었다. 그에 대하여, 바인더의 중량비가 150중량%를 웃도는 시료 No. 18에서는 분광 방사율은 0.85를 밑도는 것으로 되었다. 더구나, 바인더의 중량비가 50중량%를 밑도는 시료 No. 14에서는, 강판에의 용사 후, 손으로 문지르면 용이하게 벗겨져서, 내열 연료 활성화 물질로서의 부착성이 부족하여 실용에는 적당하지 않은 것이 판명되었다.
이상에서, 금속 용사용의 바인더를 혼합하여 내열 연료 활성화 물질을 형성하는 경우에 있어서, 연료 활성화 재료 100중량%에 대한 바인더의 적절한 중량비는 50중량% 이상 또한 150중량% 이하인 것을 알았다.
(3) 금속 시트로서 형성되는 내열 연료 활성화 물질
다음에, 상기 (1)의 결과에서 베스트 모드였던 시료 No. 3의 연료 활성화 재료를 이용하여, 금속 시트로 형성하기 위한 바인더의 적절한 중량비를 검토하였다.
바인더로서는, 연(鉛)을, 전기 시료 No. 3의 연료 활성화 재료 100중량%에 대하여 하기 표 3의 중량비로 배합하여 이를 350℃에서 용융한 것을, 두께 1㎜의 시트 상(狀)으로 성형하였다. 이를, 전기 (1)과 마찬가지로 분광 방사율을 측정하는 동시에 시트로서의 성형성도 검토하였다. 그 결과는 하기 표 3과 같다.
시료넘버
 투르말린 철분 탄소 합계 바인더 분광 방사율
g % g % g % g g %
19 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 300 45% -
20 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 334 50% 0.90
21 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 668 100% 0.94
22 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 1000 150% 0.88
23 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 1150 172% 0.70
* :「%」는 어느 것이나「합계」에 대한 중량%
상기 결과에서, 연료 활성화 재료 100중량%에 대한 바인더의 중량비가 100중량%인 No. 21의 분광 방사율이 0.94로 가장 높고, 이를 중심으로 하여, 바인더의 중량비가 50중량%인 No. 20, 및 150중량%인 시료 No. 22의 분광 방사율은 0.85 이상이었다. 그에 대하여, 바인더의 중량비가 150중량%를 웃도는 시료 No. 23에서는 분광 방사율은 0.85를 밑도는 것으로 되었다. 더구나, 바인더의 중량비가 50중량%를 밑도는 시료 No. 19에서는, 시트에 정형하는 것이 불가능하였기 때문에, 내열 연료 활성화 물질로서의 실용에는 적당하지 않은 것이 판명되었다.
이상에서, 금속 바인더를 혼합하여 시트 상(狀)에 성형한 내열 연료 활성화 물질을 형성하는 경우에 있어서, 연료 활성화 재료 100중량%에 대한 바인더의 적절한 중량비는 50중량% 이상 또한 150중량% 이하인 것을 알았다.
(4) 무기질 계 수지 시트로서 형성되는 내열 연료 활성화 물질
다음에, 상기 (1)의 결과에서 베스트 모드였던 시료 No. 3의 연료 활성화 재료를 이용하여, 무기질 계 수지를 바인더로 하여 시트 상에 형성하는 경우의, 바인더의 적절한 중량비를 검토하였다. 무기질 계 수지로서는, 전기 (1)에서도 사용한 무기질 실리컨 수지를, 전기 (1)의 활성화 재료 100중량%에 대하여 하기 표 3의 중량비로 배합하여 이를 혼련하여, 두께 1㎜의 시트 상(狀)에 성형하였다. 이를, 전기 (1)과 마찬가지로 분광 방사율을 측정하는 동시에, 시트로서의 성형성도 검토하였다. 그 결과는 하기 표 4와 같다.
시료넘버
 투르말린 철분 탄소 합계 바인더 분광 방사율
g % g % g % g g %
24 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 470 70% -
25 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 500 75% 0.91
26 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 668 100% 0.94
27 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 1000 150% 0.90
28 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 1150 172% 0.71
* :「%」는 어느 것이나「합계」에 대한 중량%
상기 결과에서, 연료 활성화 재료 100중량%에 대한 바인더의 중량비가 100중량%인 No. 26의 분광 방사율이 0.94로 가장 높고, 이를 중심으로 하여, 바인더의 중량비가 75중량%인 No. 25, 및 150중량%인 시료 No. 27의 분광 방사율은 0.85 이상이었다. 그에 대하여, 바인더의 중량비가 150중량%를 웃도는 시료 No. 28에서는 분광 방사율은 0.85를 밑도는 것으로 되었다. 더구나, 바인더의 중량비가 75중량%를 밑도는 시료 No. 24에서는, 시트에 정형(整形)하는 것이 불가능하였기 때문에, 내열 연료 활성화 물질로서의 실용에는 적당하지 않은 것이 판명되었다.
이상에서, 무기질 계 수지 바인더를 혼합하여 시트 상(狀)에 성형한 내열 연료 활성화 물질을 형성하는 경우에 있어서, 연료 활성화 재료 100중량%에 대한 바인더의 적절한 중량비는 75중량% 이상 또한 150중량% 이하인 것을 알았다.
(5) 무기질 계 수지 용융 용사 시트로서 형성되는 내열 연료 활성화 물질
다음에, 상기 (1)의 결과에서 베스트 모드였던 시료 No. 3의 연료 활성화 재료를 이용하여, 무기질 계 수지를 바인더로 하여 용융 용사에 의해 시트 상에 형성하는 경우의, 바인더의 적절한 중량비를 검토하였다. 무기질 계 수지로서는, 전기 (1)에서도 사용한 무기질 실리컨 수지를, 전기 (1)의 활성화 재료 100중량%에 대하여 하기 표 3의 중량비로 배합하여 이를 혼련하여, 막 두께가 두께 1㎜로 되게, 두께 2㎜의 알루미늄 강판에 용사하여, 전기 (1)과 마찬가지로 분광 방사율을 측정하는 동시에, 막으로서의 부착성도 검토하였다. 그 결과는 하기 표 5와 같다.
시료넘버
 투르말린 철분 탄소 합계 바인더 분광 방사율
g % g % g % g g %
29 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 470 70% -
30 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 500 75% 0.89
31 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 668 100% 0.94
32 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 1000 150% 0.87
33 240 35.9% 420 62.9% 8 1.2% 668 1150 172% 0.72
* :「%」는 어느 것이나「합계」에 대한 중량%
상기 결과에서, 연료 활성화 재료 100중량%에 대한 바인더의 중량비가 100중량%인 No. 31의 분광 방사율이 0.94로 가장 높고, 이를 중심으로 하여, 바인더의 중량비가 75중량%인 No. 30, 및 150중량%인 시료 No. 32의 분광 방사율은 0.85 이상이었다. 그에 대하여, 바인더의 중량비가 150중량%를 웃도는 시료 No. 33에서는 분광 방사율은 0.85를 밑도는 것으로 되었다. 더구나, 바인더의 중량비가 75중량%를 밑도는 시료 No. 29에서는, 강판에의 도설 후, 손으로 문지르면 용이하게 벗겨져서, 내열 연료 활성화 물질로서의 부착성이 부족하여 실용에는 적당하지 않은 것이 판명되었다.
이상에서, 무기질 계 수지 바인더를 혼합하여 시트 상(狀)에 성형한 내열 연료 활성화 물질을 형성하는 경우에 있어서, 연료 활성화 재료 100중량%에 대한 바인더의 적절한 중량비는 75중량% 이상 또한 150중량% 이하인 것을 알았다.
(6) 규소의 첨가
전기 (1)에 있어서, 탄소가 하한치의 0.5중량%이었던 시료 No. 11에 대하여, 다시 규소(분말 (Si 14, 쇼와 카가쿠))를 첨가한 경우에 대하여, 전기 (1)과 마찬가지의 조건 하에서 시료를 작성하여, 분광 방사율 측정에 제공하였다. 그 결과는 하기 표 6과 같다.
시료넘버 투르말린 철분 탄소 규소 합계 바인더 분광 방사율
g % g % g % g % g g %
11 242.5 36.3% 422 63.2% 3.5 0.5% 0 0.0% 668 668 100% 0.90
34 242.5 36.1% 422 62.9% 3.5 0.5% 3.3 0.5% 671.3 668 100% 0.92
35 242.5 35.9% 422 62.5% 3.5 0.5% 6.7 1.0% 674.7 668 99% 0.94
36 242.5 35.8% 422 62.2% 3.5 0.5% 10 1.5% 678 668 99% 0.91
37 242.5 35.7% 422 62.1% 3.5 0.5% 12 1.8% 680 668 98% 0.87
* :「%」는 어느 것이나「합계」에 대한 중량%
상기 결과에서, 규소를 첨가하지 않은 시료 No. 11의 분광 방사율이 0.90이었던데 대해, 규소를 0.5중량% 첨가한 시료 No. 34에서는 0.92로 분광 방사율의 향상을 보았다. 다시, 규소를 1.0중량% 첨가한 시료 No. 35에서는 0.94, 또 규소를 1.5중량% 첨가한 시료 No. 36에서는 0.91로 각각, 어느 것이나 규소를 첨가하지 않은 경우에 비해 분광 방사율의 향상을 보았다. 그러나, 규소의 첨가율이 1.5중량%를 넘은(1.8중량%) 시료 No. 37에서는 분광 방사율은 0.87로 도리어 저하하는 것으로 되었다.
상기 결과로, 규소의 첨가율은 1.5중량% 이하이면, 탄소 함유량이 비교적 낮은 경우에 그의 분광 방사율을 보충한다는 의의가 확인되었다.
(7) 내열 연료 활성화 물질의 계속 사용
다음은, 고온 환경 하에 있어서의 계속 사용에 의한 분광 방사율의 영향을 조사하였다.
100㎜×200㎜×두께 2㎜의 알루미늄 판에, 전기 표 5의 시료 No. 31의 내열 연료 활성화 물질을 도설(塗設)한 공시체(供試體)를 지주로 지지한 수평의 철판 상에 올려놓고, 그 철판의 아래로부터 가스 컨트롤로 1일 7시간, 280∼300℃로 가열하여, 가열 종료 후에 전기 (1)과 마찬가지로 분광 방사율 측정에 제공하였다. 이를 동일 공시체에 대하여 20일간에 걸쳐 계속하였다.
그 결과, 공시체가 나타낸 분광 방사율의 경시적 변화는 하기 표 7과 같다.
경과일수 분광 방사율
1 0.95
2 0.96
3 0.88
4 0.87
5 0.87
6 0.86
7 0.86
8 0.86
9 0.86
10 0.86
15 0.86
20 0.86
이상과 같이, 전 시험기간에 걸쳐, 분광 방사율은 0.85 이상을 유지하였다.
더구나, 전 시험기간에 걸쳐, 알루미늄 판에 도설한 내열 연료 활성화 물질에는 부어오르거나 벗겨짐, 갈라짐은 생겨있지 않았다.
또, 분광 방사율 측정 후 실내온도에 되돌린 상태에서 필링 테스트를 행하였다. 이는, 내열 연료 활성화 물질 표면에, 알루미늄층에까지 도달하는 깊이의 격자상(格子狀)의 5㎜ 간격의 베인 상처를 커터로 내어, 그곳에 셀로판 테이프를 첨부하고, 곧 테이프를 벗겨내, 거기에 벗겨진 내열 연료 활성화 물질이 부착하여 있는지 어떤지를 관찰한다, 는 방법으로 행하였으나, 전 시험기간에 걸쳐, 내열 연료 활성화 물질의 박리는 물론, 거스러미도 일절 보이지 않았다.
다시금, 밀착성에 대하여 내 충격 시험을 하였다. 내열 연료 활성화 물질을 도설(塗設)한 같은 알루미늄판을 마루 위에 놓고, 그의 상방 1m의 높이로부터 1kg의 철구(鐵球)를 3회 낙하시키어 박리하는지 어떤지를 관찰하였으나, 이것 또한 전 시험기간에 걸쳐, 내열 연료 활성화 물질의 박리는 일절 보이지 않았다.
상기의 각 관찰로, 내열 연료 활성화 물질의 피 도포 체에 대한 밀착성은 매우 양호하다는 것을 알았다.
더구나 이 분광 방사율 및 밀착성의 경시변화에 관한 관찰 결과는, (1)의 무기재료 뿜어댐의 사용양태뿐 아니라, 그 밖의 전 사용양태에 공통하여 볼 수 있었던 것임을 여기에 부기해 둔다.
(8) 분광 방사율과 화염온도와의 관계
내열 연료 활성화 물질의 장착의 유무, 및 내열 연료 활성화 물질 중에서 분광 방사율이 다른 것에 관하여, 각각 실험하여 화염의 온도변화를 조사하였다. 구체적으로는, 도 1에 보이는 바와 같은 측정장치 10을 이용하여 행하였다. 즉, 공기공 11을 구비한 버너 연결부 12에, 안지름 8.0㎜의 원 관 스테인리스제의 버너 통 13이 연결되는 동시에, 버너 연결부 12의 후방으로부터 연료 파이프 14가 버너 통 13의 도중까지 돌출하여 있다. 이 버너 통 13의 외 측면에서 또한 연료 파이프 14의 선단보다 후방의 부분에, 전기 (4)의, 무기질 계 수지를 바인더로 하여 시트 상(狀)으로 성형한 내열 연료 활성화 물질 15를 장착하였다.
이 측정장치 10은 실온(室溫), 대기압 중에 설치하여 실험을 행하였다. 연료 파이프 14로부터의 연료(도시 가스 (13A, 메탄 88%))의 유속은 73㎝/초, 공기 공 11로부터의 공기의 유속은 27㎝/초로 조정하고, 이들이 혼합되어 버너 통 12 내에서 생긴 화염 16을 고속도 비디오 카메라(HVP-1, 시마즈 세이사쿠쇼)로 비디오 촬영하여, 이 촬영한 비디오 화상을 2색 온도계측/카메라 시스템(Thermera, 노비 테크)으로 해석하는 것으로 화염온도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 8에 나타낸다.
실험 No. 내열연료 활성화
물질의 장착		 분광 방사율 화염 온도(K)
1 없음 - 2158
2 있음 0.70 2163
3 있음 0.75 2163
4 있음 0.80 2172
5 있음 0.85 2246
6 있음 0.87 2246
7 있음 0.90 2258
8 있음 0.92 2258
9 있음 0.94 2258
이상에서, 내열 연료 활성화 물질의 장착에 의해 화염온도는 상승하고, 또, 그 장착한 내열 연료 활성화 물질의 분광 방사율이 높을수록 화염온도가 상승하는 걍향을 보였다. 특히, 내열 연료 활성화 물질을 장착하지 않은 실험 No. 1과 분광 방사율이 0.90 이상의 실험 No. 7∼9에서는 화염온도는 실로 100k의 상승을 보이는 것이 관찰되었다.
더구나, 전기 (4) 이외의 내열 연료 활성화 물질로의 실험에 의해서도, 화염온도는 분관 방사율에 의존하고 있는 것을 알았다.
[실시예]
(1) 보일러로의 실험결과
이하, 구체적인 보일러에 상기 내열 연료 활성화 물질을 장착하여 그 에너지 절약 효율을 검증하였다. 여기서, 「에너지 절약 효율」에 대하여는, 하기와 같이 정의하기로 한다.
우선, 내열 연료 활성화 물질의 장착 전에 있어서, 증기를 얻기 위해 사용한물의 양(단위:㎥)으로, 그 사이에 사용한 연료의 양(단위: 액체연료의 경우 리터, 기체연료의 경우 ㎥)을 나누어 얻어진 계수를 「장착 전 연료 사용 계수」(Eｂ)로 정의한다.
한편, 내열 연료 활성화 물질의 장착 전에 있어서 마찬가지로, 증기를 얻기 위해 사용한 물의 양으로, 그 사이에 사용한 연료의 양을 나누어 얻어진 계수를 「장착 후 연료 사용 계수」(Eａ)로 정의한다.
그리고 에너지 절약률(η)을 다음 식으로 정의하는 것으로 하였다.
η = (Eｂ - Eａ) / Eｂ × 100
즉, 물 1 입방 미터를 증기로 하는데 요하는 연료량의, 내열 연료 활성화 물질 장착 전후에 있어서 감소량의, 장착 전에 요한 연료량에 대한 비율(%)이 에너지 절약률(η)로 된다.
이를 하기의 각 종류의 보일러로 검증하였다.
(1-1) 제 1 실시 예
제 1 실시 예로서, 구체적인 보일러의 타이프로서 노통 연관 보일러로의 검증을 행하였다. 이 노통 연관 보일러(KMS-16A, 이시카와시마 범용 보일러)에서 사용하는 연료의 종류는 A중유로서, 사용되는 버너의 종류는 건 타이프 버너, 보일러 용량은 8,000kg/h, 제어방법은 비례제어였다. 도 2는 그 노통 연관 보일러 20의 모식도이며, 도 3은 그중 건 타이프 버너 부분을 확대한 것이다. 보일러 본체 21 내의 연소실 28의 일단(도 2중에서는 좌단)에 연소장치 22가 장착돼 있고, 그 연소 콘 23은 그 외경이 최대로 돼 있는 콘 최대경부 24를 보일러 본체 21 내부(도 2중에서는 우방, 도 3 중에서는 상방)에 향해 벌리고 있어, 그의 거의 축심에 위치하는 건 타이프 버너 25의 선단으로부터, 연소실 28의 중심방향에 화염을 발한다. 연소장치 22의 후단에는 그 건 타이프 버너 25를 고정하는 플랜지 26이 마련돼 있다. 그 플랜지 내측 면으로서, 전기 콘 최대경부 24를 투영한 부분 27의 면적의 100%에, 하기 표 9의 각 종류의 내열 연료 활성화 물질 15를 장착하여(도 3 참조), 그의 장착 전후의 연료사용계수를 산출하여, 이들로부터 에너지 절약률을 산출하였다. 그 결과를 하기 표 9에 보인다. 더구나, 내열 연료 활성화 물질에 있어서의 분광 방사율은, 각각에 보이는 수치로 되도록 각 바인더의 중량비를 적의 조정한 것이다.
내열연료 활성화
물질 장착방법		 분광 방사율
 연료사용 계수 에너지 절약율(%)
장착 전 장착 후
금속용사 0.90 72.46 68.86 4.97
금속시트 0.88 72.40 68.89 4.85
무기질 수지시트 0.94 72.30 68.48 5.31
무기질 수지용사 0.92 72.35 68.62 5.16
이상에서, 어떤 장착방법이어도 분광 방사율이 0.85 이상이면, 장착 전 연료사용계수의, 적어도 4.85% 이상의 감소를 보였다. 특히, 내열 연료 활성화 물질이 다르더라도, 내열 연료 활성화 물질의 분광 방사율의 향상에 수반하여 에너지 절약률도 향상하는 경향을 보였다. 이는, 분광 방사율의 향상에 수반하여 화염온도가 향상하는(전기「발명을 실시하기 위한 구체적인 내용」(8)의 항 참조) 것에 의하는 것으로 추측된다.
(1-2) 제 2 실시 예
제 2 실시 예로서, 구체적인 보일러의 타이프로서 관류(貫流) 보일러로의 검증을 행하였다. 이 관류 보일러(STE2001GLM, 니폰 서모에너))에서 사용하는 연료의 종류는 LPG로서, 사용되는 버너의 종류는 건 타이프 버너, 보일러 용량은 1,667 kg/h , 제어방법은 3 위치제어였다. 도 4는 그 관류 보일러 30의 모식도이며, 도 5는 그중 버너 부분을 확대한 것이다. 보일러 본체 31의 연소실 38의 일단(도 4중에서는 상단)에 연소장치 32가 장착돼 있고, 그 연소 콘 33은 그 외경이 최대로 돼 있는 콘 최대경부 34를 보일러 본체 31 내부(도 4 및 도 5 중에서는 하방)에 향해 벌리고 있어, 그의 거의 축 중심에 위치하는 건 타이프 버너 35의 선단으로부터, 이 방향에 화염을 발한다. 연소장치 32의 후단에는 그 건 타이프 버너 35를 고정하는 플랜지 36이 마련돼 있다. 그 플랜지 36의 내측 면으로서, 전기 콘 최대경부를 투영한 부분 37의 면적의 100%에, 하기 표 10의 각 종류의 내열 연료 활성화 물질 15를 장착하여, 그의 장착 전후의 연료사용계수를 산출하고, 이들로부터 에너지 절약률을 산출하였다. 그 결과를 하기 표 10에 보인다. 더구나, 여기서 사용한 내열 연료 활성화 물질은 각각 제 1의 실시 예에서 사용한 것과 같은 것이다.
내열연료 활성화
물질 장착방법		 분광 방사율
 연료사용 계수 에너지 절약율(%)
장착 전 장착 후
금속용사 0.90 27.14 25.80 4.94
금속시트 0.88 27.12 25.83 4.76
무기질 수지시트 0.94 27.10 25.60 5.54
무기질 수지용사 0.92 27.15 25.71 5.30
이상에서, 어떤 장착방법이어도 분광 방사율이 0.85 이상이면, 장착 전 연료사용계수의, 적어도 4.76%의 감소를 보였다. 특히, 내열 연료 활성화 물질이 다르더라도, 전기 제 1 실시 예와 마찬가지로, 내열 연료 활성화 물질의 분광 방사율의 향상에 수반하여 에너지 절약률도 향상하는 경향을 보였다.
(1-3) 제 3 실시 예
제 3 실시 예로서, 구체적인 보일러의 타이프로서 수관 보일러로의 검증을 행하였다. 이 수관 보일러(SCM-160, 이시카와시마 하마 쥬고교)에서 사용하는 연료의 종류는 C중유로서, 사용되는 버너의 종류는 건 타이프 버너, 보일러 용량은 16,000kg/h, 제어방법은 비례제어였다. 도 6은 수관 보일러 40의 모식도이며, 도 7은 그중 버너 부분을 확대한 것이다. 보일러 본체 41 내의 연소실 48의 일단(도 6중에서는 하단)에 연소장치 42가 장착돼 있고, 그 연소 콘 43은 그 외경이 최대로 돼 있는 콘 최대경부 44를 보일러 본체 41 내부(도 6 및 도 7 중에서는 상방)에 향해 벌리고 있어, 그의 거의 축 중심에 위치하는 건 타이프 버너 45의 선단으로부터, 연소실 48의 중심방향에 화염을 발한다. 연소장치 42의 후단에는 그 건 타이프 버너 45를 고정하는 플랜지 46이 마련돼 있다. 그 플랜지 46의 내측 면으로서, 전기 콘 최대경부 44를 투영한 부분 47의 면적의 100%에, 하기 표 11의 각 종류의 내열 연료 활성화 물질 15를 장착하여, 그의 장착 전후의 연료사용계수를 산출하고, 이들로부터 에너지 절약률을 산출하였다. 그 결과를 하기 표 11에 보인다. 더구나, 여기서 사용한 내열 연료 활성화 물질은 각각 제 1 실시 예에서 사용한 것과 같은 것이다,
내열연료 활성화
물질 장착방법		 분광 방사율
 연료사용 계수 에너지 절약울(%)
장착 전 장착 후
금속용사 0.90 70.50 68.31 3.11
금속시트 0.88 70.52 68.35 3.08
무기질 수지시트 0.94 70.38 67.89 3.54
무기질 수지용사 0.92 70.42 68.05 3.37
이상에서, 어떤 장착방법이어도 분광 방사율이 0.85 이상이면, 장착 전 연료사용계수의, 적어도 3%의 감소를 보였다. 특히, 내열 연료 활성화 물질이 다르더라도, 전기 제 1 실시 예 및 제 1 실시 예와 마찬가지로, 내열 연료 활성화 물질의 분광 방사율의 향상에 수반하여 에너지 절약률도 향상하는 경향을 보였다.
(2) 기타
게다가, 상기의 각 범용 보일러 이외에도, 산업용 보일러로 사용한 경우라도 또, 보일러에 사용되는 연료로서 상기 이외에도 바이오 연료, 프로판 가스 등 연료의 종류를 불문하고, 거의 동일한 효과를 얻을 수 있었음을 여기에 부기한다.
본 발명은 관류 보일러, 노통(爐筒) 연관 보일러 및 수관 보일러(2 버너이상의 산업용 보일러, 발전소용 보일러도 포함)뿐 아니라, 킬른 및 건조기와 같은, 연소장치를 구비하는 연소기기에 이용가능하다.

Claims (5)

  1. 전자 파장 3∼20㎛의 범위의 분광 방사율이 0.85 이상인 연료 활성화 재료 100중량%에 대하여, 금속 용사 재료 50∼150중량%를 용융 혼합하고, 이를 용사가능하게 한 것을 특징으로 하는 내열 연료 활성화 물질.
  2. 전자 파장 3∼20㎛의 범위의 분광 방사율이 0.85 이상인 연료 활성화 재료 100중량%에 대하여, 융점이 420℃ 이하인 금속 재료 50∼150중량%를 용융시키어 시트 상(狀)으로 형성한 것을 특징으로 하는 내열 연료 활성화 물질.
  3. 전자 파장 3∼20㎛의 범위의 분광 방사율이 0.85 이상인 연료 활성화 재료 100중량%에 대하여, 내열온도가 300℃ 초과의 무기질 계 수지 75∼150중량%를 혼합하여 형성한 것을 특징으로 하는 내열 연료 활성화 물질.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    전기 연료 활성화 재료는 트루멀린, 철분 및 탄소를 각각 30∼44중량%, 55∼69중량% 및 0.5∼1.5중량%의 범위로 배합하여 형성한 것을 특징으로 하는 내열 연료 활성화 물질.
  5. 제 4 항에 있어서,
    전기 연료 활성화 재료 100중량% 중에 규소 1.5중량% 이하가 함유되는 것을 특징으로 하는 내열 연료 활성화 물질.
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