CN103331168A - 一种燃气催化剂及其制备方法、燃气催化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃烧催化剂及其制备方法、燃气催化器，该燃烧催化剂由载体和催化活性组分组成，其中：所述载体是氧化铈、氧化镁和氧化铝组成的复合载体，氧化铈占载体总质量的5%～50%，氧化镁占载体总质量的3%～20%，氧化铝占载体总质量的30%～92%。本发明采用贱金属为催化剂主要组分，成本低廉，且搭配氧化镁和氧化铈，能够提高产品耐高温烧结性能，氧化镁还可以提高活性组分的分散性，进一步提高产品的高温稳定性。本发明的燃烧催化器耐高温性能好，可用于制备如燃气灶、燃气热水器、燃气取暖器、燃气锅炉或工业燃气干燥设备等燃烧器。

Description

一种燃气催化剂及其制备方法、燃气催化器

技术领域

 本发明涉及催化燃烧技术领域，具体涉及一种燃气催化剂及其制备方法、燃气催化器。

背景技术

国内液化气、天然气的消费量逐年递增，这些燃气主要采用传统的火焰燃烧的方式释放能量。火焰燃烧热能主要是对流热能，辐射热能占极少的一部分。对流传热是通过对流热（热空气、火焰）与被加热物体间的温差、停留时间来进行的，由于其停留时间短，其对流热有大量被耗费掉，使得器具所接收的热量大为减少，热效率低；同时，火焰燃烧温度高（1500℃），容易使空气中的N₂和O₂反应形成毒性很大的NO_x，且燃烧不完全还产生CO、CH等污染物。

催化燃烧是燃料在催化剂表面进行的完全氧化反应。在催化燃烧反应过程中，反应物在催化剂表面形成低能量的表面自由基，生成振动激发态产物，并以红外辐射方式释放能量；由于辐射的传热特点，对于被加热物质，如水，具有很强的穿透性，其热量很容易被加热物体所吸收，因而热效率大幅提高，在不同灶具上，可实现节能15%～45%；同时，催化燃烧的温度低（1000℃以下），基本上不生成或很少产生NO_x、CO和CH等污染物，因而采用催化燃烧的方式具有高效节能和环保的优点。

现有的燃气催化剂大多以Fe、Mn、Ni、Pt以及碱土金属、稀土金属等作为催化的活性成份，并使其负载于多孔载体上制成。公开号为CN1224047A的中国专利申请公开了一种用于天然气燃烧的催化剂，主要由副族金属、碱土金属和稀土金属组成，可将排放尾气的HC、CO和NO_x降低至小于1ppm，但是其使用温度偏低，寿命短，无法实际应用。公开号为CN133203A的中国专利申请公开了一种燃气燃烧催化剂，其主要由碱土金属，贵金属和氧化铝组成，低温活性好，但其只适用于0.4～4%的甲烷浓度，且为粒状催化剂，不能用来加工燃气具。公开号为1504260的中国专利申请公开了可应用于燃气灶具的整体式燃气催化燃烧催化剂，该发明专利采用了3种不同组分的催化剂涂覆于蜂窝基材上，制备工艺较为复杂，催化剂主要成分为过渡金属和稀土金属，使用寿命较为有限，且整个蜂窝均含有催化剂成分，在燃气灶具上使用时，易发生回火，存在安全隐患。

鉴于市场上对燃烧催化剂的需求，研发新型燃烧催化剂具有广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种催化活性高、耐高温性能好，且成本低廉的燃气催化剂。

本发明的另一个目的是提供上述催化燃烧剂的制备方法。

本发明的另一个目的是提供由上述催化燃烧剂制备的催化燃烧器。

本发明的上述目的是通过如下方案予以实现的：

一种燃烧催化剂，由载体和催化活性组分组成，其中：

所述载体由氧化铈（CeO₂）、氧化镁（MgO）和氧化铝（Al₂O₃）组成的复合载体，其中，氧化铈占载体总质量的5%～50%，氧化镁占载体总质量的3%～20%，氧化铝占载体总质量的30%～92%。

所述催化活性组分是指Co、Mn或Ni中的任意一种或两种或两种以上的组合。

上述载体是采用共沉淀法制备而得；本发明人在研究中发现，共沉淀法中沉淀剂对于最终的产品效果有一定影响，因此经过对多种沉淀剂的选择优化后，本发明确定采用碳酸铵为沉淀剂。

上述载体占燃烧催化剂总质量的80%～98%，催化活性组分占燃烧催化剂总质量的2%～20%。

本发明还提供上述燃烧催化剂的制备方法，其具体包括如下步骤：

步骤1.共沉淀法制备载体；

步骤2.使用催化活性组分前驱物浸渍载体，制成催化剂浆液；

步骤3.对步骤2制备的催化剂浆液进行干燥处理后，得到燃气催化剂颗粒：

步骤4.对步骤3制备的燃气催化剂颗粒进行焙烧处理后，制备得到所需燃气催化剂。

上述步骤1中，共沉淀法制备载体的具体步骤是：

将铈的可溶性盐溶液、镁的可溶性盐溶液和铝的可溶性盐溶液混合后得到金属盐混合溶液，将该金属盐混合溶液滴入碳酸铵溶液中并进行搅拌，沉淀反应结束后过滤清洗沉淀物，沉淀物在80℃～200℃条件下干燥后，于300℃～900℃条件下焙烧后获得所需载体，所得载体研磨至45μm以下备用。

上述铈的可溶性盐溶液、镁的可溶性盐溶液和铝的可溶性盐溶液是指铈的硝酸盐溶液、硫酸盐溶液或醋酸盐溶液，镁的硝酸盐溶液、硫酸盐溶液或醋酸盐溶液，铝的硝酸盐溶液、硫酸盐溶液或醋酸盐溶液。

上述碳酸铵溶液浓度为0.5～4mol/L。

上述沉淀反应中，在沉淀的过程中碳酸铵会不断的消耗，因而需要不断的添加固体碳酸铵，保持整个反应体系的pH值在8以上。

上述沉淀反应中，当铈的可溶性盐溶液、镁的可溶性盐溶液和铝的可溶性盐溶液混合而成的金属盐混合溶液滴完后，则停止沉淀反应。

上述载体磨细后更容易与基质牢固粘结，否则容易剥落，因此本发明采用45μm以下的粒径。

上述步骤2中，催化活性组分前驱物是指催化活性组分的可溶性盐溶液。

上述步骤2中，载体占催化剂浆液中催化剂固含量的80%～98%（质量百分比）；催化活性组分占占催化剂浆液中催化剂固含量的2%～20%（质量百分比）。

上述步骤3中，干燥处理的温度为100℃～200℃。

上述步骤4中，对燃气催化剂进行焙烧处理的目的是活化所述催化活性组分的催化活性，经活化后的燃气催化剂可直接使用；因此，本发明人通过优化实验后选择焙烧处理温度采取高于等于300℃。

本发明还提供一种由上述燃气催化剂制备的催化燃烧器，所述催化燃烧器包括基质，以及涂覆于基质表面的燃烧催化剂层。

所述基质是指蜂窝陶瓷或蜂窝金属。

所述燃烧催化剂层是将本发明的燃气催化剂先配置成燃气催化剂浆液后，向该浆液中加入粘结剂，混合后喷涂于基质上，从而得到燃烧催化剂层。

上述燃气催化剂浆液的浓度根据具体催化燃烧器的需要而定，通常以喷枪能够实现喷涂即可，如可采用5%～20%的质量百分比浓度。

上述粘结剂是硅溶胶，所述硅溶胶采用市售的硅溶胶。硅溶胶的用量为催化剂固含量的5%～40%（质量百分比）。发明人通过研究发现，硅溶胶若用量过多则影响催化性能，若少了则催化剂与基质粘结不牢固，因此，经过优化研究后，本发明硅溶胶用量为催化剂固含量的5%～40%（质量百分比）。

上述燃烧催化剂层的平均喷涂深度为蜂窝孔表面以下1.5mm；因为发明人研究发现，若喷涂深度过深则会导致燃气在蜂窝体内部就催化燃烧，能量无法辐射出来，若过浅则会导致催化燃烧效果不明显，火焰比较明显。

本发明的燃烧催化器经检测其耐高温性能好，可用于制备如燃气灶、燃气热水器、燃气取暖器、燃气锅炉或工业燃气干燥设备等燃烧器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

    1、本发明采用贱金属为催化剂主要组份，成本低廉；

2、贱金属催化剂一般高温稳定性较差，本发明催化剂载体中含有氧化镁和氧化铈，能够提高产品耐高温烧结性能，氧化镁还可以提高活性组份的分散性，进一步提高产品的高温稳定性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步地描述，但具体实施例并不对本发明做任何限定。

实施例1

本实施例的燃烧催化剂由载体和催化活性组分组成，所述载体为氧化铈、氧化镁和氧化铝的混合物，所述催化活性组分是指Co和Ni的组合，该燃烧催化剂的具体制备过程如下所示：

步骤1.共沉淀法制备载体；

步骤2.使用催化活性组分前驱物浸渍载体，制成催化剂浆液；

步骤3.对步骤2制备的催化剂浆液进行干燥处理后，得到燃气催化剂颗粒：

步骤4.对步骤3制备的燃气催化剂颗粒进行焙烧处理后，制备得到所需燃气催化剂。

上述步骤1中，共沉淀法制备载体的过程是：取硝酸铈（焙烧后可获得1g CeO₂）、硝酸镁（焙烧后可获得1gMgO）和硝酸铝（焙烧后可获得8gAl₂O₃）溶解混合后得到金属盐混合溶液，将该金属盐混合溶液缓慢滴入碳酸铵溶液中并不断搅拌，进行沉淀反应；2个小时后沉淀反应结束，过滤收集沉淀并清洗，然后将该沉淀物在150℃条件下干燥10小时后，在700℃条件下焙烧4小时，得到所需载体颗粒。

上述步骤2中，使用催化活性组分前驱物浸渍载体，制成催化剂浆液的具体操作是：取4.5g步骤1制备得到的载体颗粒，磨细后加入硝酸钴溶液（焙烧后含有0.25g的Co₃O₄）和硝酸镍溶液（焙烧后含有0.25g的NiO），搅拌1小时后，制备得到所需催化剂浆液。

上述步骤3中，干燥处理条件是100℃条件下干燥8小时。

上述步骤4中，焙烧处理条件是800℃条件下焙烧4小时。

本实施例还提供催化燃烧器，该催化燃烧器的基质采用蜂窝陶瓷，该催化燃烧器的具体制备过程如下所示：

将本实施例制备得到的燃烧催化剂磨细后配置成浆液，加入一定量硅溶胶后，喷涂于蜂窝陶瓷表面上，平均喷涂深度为1.5mm，制备得到本实施例的蜂窝陶瓷催化燃烧器。

实施例2

将实施例1中CeO₂的量调整为0.5g，MgO的量调整为0.3g，Al₂O₃的量调整为0.92g，其它条件与实施例1一致，则得到本实施例的燃烧催化剂和蜂窝陶瓷催化燃烧器。

实施例3

将实施例1中CeO₂的量调整为5g，MgO的量调整为2g，Al₂O₃的量调整为3g，其它条件与实施例1一致，则得到本实施例的燃烧催化剂和蜂窝陶瓷催化燃烧器。

实施例4

将实施例1中Co的量调整为0.05g，Ni的量调整为0.05g，其它条件与实施例1一致，则得到本实施例的燃烧催化剂和蜂窝陶瓷催化燃烧器。

实施例5

将实施例1中Co的量调整为0.5g，Ni的量调整为0.5g，其它条件与实施例1一致，则得到本实施例的燃烧催化剂和蜂窝陶瓷催化燃烧器。

实施例6

将实施例1中的活性组分调整为0.25g的Co、0.25g的Ni和0.25g的Mn，其它条件与实施例1一致，则得到本实施例的燃烧催化剂和蜂窝陶瓷催化燃烧器。

对比例

采用目前市面上较为广泛采用的，喷涂有黑色金属氧化物的蜂窝陶瓷。

对实施例1-6制备的蜂窝陶瓷催化燃烧器和对比例的蜂窝陶瓷进行性能对比，其性能对比试验的操作是：将实施例1-6制备的蜂窝陶瓷催化燃烧器和对比例的蜂窝陶瓷均分别用于功率为3.2kw的红外线燃气灶上，用红外测温仪测试蜂窝体表面温度，由此判断催化剂对燃气的催化燃烧效果，结果如表1所示。

表1 性能对比试验结果

由表1可以看出，采用本发明方法制备的蜂窝陶瓷催化燃烧器（实施例1-6），其催化燃烧效果均优于现有产品。添加适量的氧化铈（CeO₂）和氧化镁（MgO）对催化燃烧活性有益，但是过量的添加会导致活性的下降；催化剂活性组分添加量较大时对催化剂活性有益。

由上述实施例对比可以看出，本发明催化剂可提升蜂窝陶瓷表面温度，最高提升135摄氏度，提升了辐射能在总能量中的比重。

Claims (10)

1.一种燃烧催化剂，由载体和催化活性组分组成，其中：

所述载体由氧化铈（CeO₂）、氧化镁（MgO）和氧化铝（Al₂O₃）组成的复合载体，其中，氧化铈占载体总质量的5%～50%，氧化镁占载体总质量的3%～20%，氧化铝占载体总质量的30%～92%；

所述催化活性组分是指Co、Mn或Ni中的任意一种或两种或两种以上的组合。

2.根据权利要求1所述一种燃烧催化剂，其特征在于所述载体占燃烧催化剂总质量的80%～98%，催化活性组分占燃烧催化剂总质量的2%～20%。

3.一种权利要求1-2所述燃烧催化剂的制备方法，其特征在于该制备方法包括如下步骤：

步骤1.共沉淀法制备载体；

步骤2.使用催化活性组分前驱物浸渍载体，制成催化剂浆液；

步骤3.对步骤2制备的催化剂浆液进行干燥处理后，得到燃气催化剂颗粒：

步骤4.对步骤3制备的燃气催化剂颗粒进行焙烧处理后，制备得到所需燃气催化剂。

4.根据权利要求3所述一种燃烧催化剂的制备方法，其特征在于所述步骤1中，共沉淀法制备载体是将铈的可溶性盐溶液、镁的可溶性盐溶液和铝的可溶性盐溶液混合后得到金属盐混合溶液，将该金属盐混合溶液滴入中边搅拌边滴入滴入碳酸铵溶液中并进行搅拌，沉淀反应结束后过滤清洗沉淀物，沉淀物在80℃～200℃条件下干燥后，于300℃～900℃条件下焙烧后获得所需载体，所得载体研磨至45 μm以下备用。

5.根据权利要求3所述一种燃烧催化剂的制备方法，其特征在于所述步骤2中，催化活性组分前驱物是指催化活性组份的可溶性盐溶液。

6.根据权利要求3所述一种燃烧催化剂的制备方法，其特征在于所述步骤3中，干燥处理的温度为100℃～200℃。

7.根据权利要求3所述一种燃烧催化剂的制备方法，其特征在于所述步骤4中，焙烧处理温度采取高于等于300℃。

8.一种燃烧催化器，其特征在于该燃烧催化器包括基质，以及将权利要求1所述燃烧催化剂涂覆于基质表面形成的燃烧催化剂层。

9.根据权利要求8所述一种燃烧催化器，其特征在于所述基质是指蜂窝陶瓷或蜂窝金属。

10.根据权利要求8所述一种燃烧催化器，其特征在于所述燃烧催化剂层是将权利要求1的燃气催化剂先配置成燃气催化剂浆液后，向该浆液中加入粘结剂，混合后喷涂于基质上，从而得到燃烧催化剂层。