CN202955697U - 一种催化燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种催化燃烧器，该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，所述基质为蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片。所述基质为上表面设有点阵状凸起的蜂窝陶瓷片或上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片。所述燃烧催化剂层包括涂覆于所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片上表面的表面燃烧催化剂层和嵌入所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片的蜂窝孔壁面的孔内燃烧催化剂层。本实用新型的催化燃烧器具有很高的红外线辐射效率，燃烧废气污染气体少，成本低廉，且燃烧器不易出现回火现象，燃气使用安全性能高，可应用于制备燃气灶、燃气热水器、燃气取暖器、燃气锅炉或工业燃气干燥设备等。

Description

一种催化燃烧器

技术领域

本实用新型涉及催化燃烧技术领域，具体涉及一种催化燃烧器。

背景技术

国内液化气和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，辐射能仅占极少的一部分。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废掉，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度），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度以下），基本上不生成或很少产生NO_х、CO和HC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，该实用新型专利采用了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。

发明内容

本实用新型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，且安全性能高的催化燃烧器。

本实用新型的上述目的是通过如下方案予以实现的：

一种催化燃烧器，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。

上述基质为多孔基质；本实用新型人通过研究发现：多孔基质能够为催化反应提供更加大的反应面积，有利于提高反应速率，燃气流经多孔基质的表面时，能与燃气催化剂充分接触并燃烧，并将燃烧热以红外辐射形式释放，以供使用。

上述多孔基质优选蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片；本实用新型人通过研究发现：蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片有较好的耐高温性能，足够的表面积以及良好的透气性。

上述多孔基质进一步优选上表面设有点阵状凸起的蜂窝陶瓷片或上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片，因为实用新型人通过研究发现：蜂窝陶瓷片的上表面设有凸起或凹槽点阵能够提供更大的辐射面积，有助于提高加热效率。

上述多孔基质进一步优选上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片，因为实用新型人通过研究发现上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片具有最好的辐射效率。

在上述多孔基质上涂覆本实用新型的燃烧催化剂，形成燃烧催化剂层，能够为催化反应提供反应位置，有利于催化反应的进行。

上述燃烧催化剂层包括涂覆于所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片上表面的表面燃烧催化剂层和嵌入所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片的蜂窝孔壁面的孔内燃烧催化剂层；所述孔内燃烧催化剂层的厚度优选嵌入蜂窝孔壁面1～3mm。

将燃烧催化剂层涂覆于所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片平面上的表面和嵌入所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片的蜂窝孔壁面，能够将燃气的催化燃烧范围进行限定，有利于防止燃气燃烧过程中发生回火而引发安全事故。同时由于发生于蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片其他部位的催化燃烧其热能较难被利用，故将燃气的催化燃烧范围限定于蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片上端部位的表面亦有利于达到节能的效果。

上述催化燃烧器的制备方法，可以采用如下两种方法中的任意一种：

方法1.将本实用新型的燃烧催化剂（粉末状）加水搅拌，制备得到催化剂浆液，该催化剂浆液中含有燃烧催化剂的质量百分比浓度为15～40%，将该催化剂浆液喷涂于基质上后，依次进行烘干处理和焙烧处理，则制备得到所需催化燃烧器；

方法2.该方法具体包括如下步骤：

（1）制备载体；

（2）使用活性组分前驱物浸渍载体，制成催化剂浆液；

（3）将步骤2制备的催化剂浆液喷涂于基质上后，依次进行烘干处理和焙烧处理，则制备得到所需催化燃烧器。

上述方法2中，所述步骤（1）和步骤（2）同前述燃烧催化剂的制备方法中的步骤（1）和步骤（2）。

上述方法1和2中，所述基质采用多孔基质，优选蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片，进一步优选上表面设有点阵状凸起的蜂窝陶瓷片或上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片，进一步优选上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片。

上述方法1和方法2中，所述烘干处理的温度为100～200℃。

上述方法1和方法2中，所述焙烧处理采用高于300℃的温度进行焙烧，优选采用600～900℃的温度进行焙烧。

本实用新型的催化燃烧器可用于制备如燃气灶、燃气热水器、燃气取暖器、燃气锅炉或其他工业燃气干燥设备等燃烧器。

上述燃气催化剂包括载体及催化活性组分，所述载体主要由氧化铝（Al₂O₃）和改性剂制成，所述改性剂选自于SiO₂、CeO₂、BaO、La₂O₃或ZrO₂中的一种或两种或两种以上的组合；所述催化活性组分是Pt（铂）或Pd（钯）中的任意一种或两种。

上述燃气催化剂中，载体的作用是为催化活性组分提供附着点，有利于增加燃气催化剂的稳定性；本实用新型人通过研究后发现，Al₂O₃具有良好的耐高温性能，在用作本实用新型的载体时，可将所述催化活性组分牢固吸附，表现出较好的高温稳定性。

上述燃气催化剂中，改性剂的使用能够提高催化剂的耐高温性能，从而延长催化剂使用寿命，增强催化剂在高温下的稳定性。

上述燃气催化剂中，改性剂的用量为载体总质量的0.1%～50%，则氧化铝的用量为载体总质量的50%～99.9%。

上述燃气催化剂中，载体也可以不包含改性剂而主要由氧化铝构成，但是实用新型人通过研究发现，载体不包含改性剂时，其产品的高温稳定性不好，寿命低。

上述燃气催化剂中，载体的晶粒粒径小于100nm。

上述燃气催化剂中，催化活性组分能够催化燃气进行充分地燃烧，几乎不产生有害气体，从而防止环境、人体健康受损害。本实用新型人在对多种备选催化活性组分进行研究后发现：Pt、Pd对燃气的催化活性高于Fe、Mn、Co、Ni的氧化物，燃气在Pt或Pd催化下的燃烧温度一般低于1100℃，该温度下Pt或Pd具有较高的稳定性，故采用Pt或Pd中的任意一种或两种作为催化涂层的活性组分，使本实用新型所提供的燃气催化剂具有较高的催化活性及较长的使用寿命。

上述燃气催化剂中，催化活性组分在整个催化剂中的含量是：催化活性组分占燃气催化剂总质量的0.1%～5%，则载体占燃气催化剂总质量的95%～99.9%。

上述燃气催化燃烧剂催化燃气燃烧时，将燃烧热以红外辐射的形式释放，有利于降低热损耗、提高燃烧热的利用率。

上述燃气催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）制备载体；

（2）使用催化活性组分前驱物浸渍载体，制成催化剂浆液；

（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：

（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，载体的制备是先制备载体浆液，将载体浆液在80～200℃条件下干燥后，于300～1100℃条件下焙烧后获得载体，所得载体研磨至45微米以下备用。

上述载体浆液的制备可采用如下两种方法中的任意一种：

方法1.采用铝盐和改性剂前驱物通过共沉淀法、溶胶凝胶法或水热法等方法中的任意一种制备载体浆液，并过滤清洗去除杂质；

方法2.采用改性剂前驱物对现成的纳米氧化铝进行改性处理后得到载体浆液。

上述载体浆液制备中，所述改性剂前驱物是指改性剂的可溶性盐溶液或溶胶，所述改性处理是指浸渍法、沉积沉淀法或溶胶凝胶法中的任意一种；所述的纳米氧化铝可以购买商品纳米氧化铝，也可采用沉淀法、溶解凝胶法、水热法等方法制备，优选沉淀法制备；所述浸渍法、沉积沉淀法、溶胶凝胶法、沉淀法、溶解凝胶法或水热法均采用本领域技术人员的常规操作。

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，催化剂浆液的固含量为20%～55%。

上述步骤（3）中，干燥处理的温度为100～200℃。

上述步骤（4）中，对燃气催化剂颗粒进行焙烧处理的目的在于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，本实用新型人通过优化实验后选择焙烧处理温度采取高于等于300℃。

本实用新型的燃烧催化剂经检测其耐高温性能好，可在1100℃以下长期使用。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1．本实用新型创造性地通过将燃烧催化剂层涂覆于所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片平面上的表面和嵌入所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片的蜂窝孔壁面（嵌入蜂窝孔壁面1～3mm），而不是对蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片整个全都进行喷涂，这样不但可以用很少的量就实现完全催化燃烧，降低生产成本，而且由于蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片的中下部不含催化剂，因而可将燃气的能量绝大部分以红外线的方式向上方辐射，避免了往下辐射造成燃烧器底部过热而回火，提高燃气使用安全性，并且提高辐射效率，减少污染； 

2. 本实用新型使用Pt、Pd作为催化剂的活性组分，其催化活性高、性能更稳定，保证了燃气的充分燃烧，具有燃烧无明火、燃烧充分、几乎无有毒废气产生等优点；Pt、Pd作为催化剂的活性组分，在正常工作温度——1100℃下具有较长的使用寿命； 

3. 本实用新型的催化燃烧器具有很高的红外线辐射效率，燃烧废气污染气体少，成本低廉，且燃烧器不易出现回火现象，燃气使用安全性能高，可应用于制备燃气灶、燃气热水器、燃气取暖器、燃气锅炉或工业燃气干燥设备等。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合具体实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1  一种燃气催化剂

本实施例提供一种粉末状的燃气催化剂，可将其直接喷涂于燃烧器中使用。本实施例中，选含有质量分数为3%的SiO₂以及97%的Al₂O₃作为载体，选用Pd作为活性组分，其质量占燃气催化剂成品总质量的1.6%。

上述燃气催化剂的制备方法如下：

（1）制备载体：取7.4克质量分数为20%的SiO₂硅溶胶并加入2L去离子水稀释，然后加入349克Al(NO₃)₃·9H₂O。混合均匀后，滴入到碳酸铵溶液中，过滤清洗后制得载体滤渣，将载体滤渣干燥后于600℃下焙烧4小时，制成本实施例的载体；将所述载体研磨制成粒径小于45微米的颗粒；

（2）将催化活性组分负载至于载体上：取步骤1制备的载体颗粒加入110.32g质量分数为1.78%的Pd(NO₃)₂·2H₂O溶液中，制得固含量为30%的催化剂浆液；

（3）对上述催化剂浆液进行干燥，制得颗粒状燃气催化剂；

（4）将上述颗粒状燃气催化剂于800℃焙烧2小时，制得本实施例所提供的燃气催化剂。

上述步骤（1）中，通过改性剂及载体的前驱物制备载体时，除沉淀法外，使用溶胶凝胶法、水热法也可获得较好的效果。

将本实施例制备的燃气催化剂涂敷于蜂窝陶瓷上，用于催化天然气燃烧，100S内可达到稳定燃烧，使用200小时后，140S内可达稳定燃烧，CO排放率为0%，NO_x排放浓度为1ppm，热效率达71.1%。可见，本实施例所提供的燃气催化剂能在较短的时间内达到稳定燃烧（即由常规火焰燃烧转化为催化燃烧），在较长的使用时间后其催化速率仍能得到保持，所排放的废气量低，热效率高。

实施例2  一种催化燃烧器

如图1所示，本实施例提供一种催化燃烧器，包括以蜂窝陶瓷片作为基质1以及涂覆于所述蜂窝陶瓷片平面上的表面燃烧催化剂层和嵌入所述蜂窝陶瓷片的蜂窝孔壁面的孔内燃烧催化剂层2。上述表面燃烧催化剂层和孔内燃烧催化剂层包含以Pt为催化活性组分的燃气催化剂，其中Pt的质量分数为5%。上述燃气催化剂含以质量分数分别为9%的SiO₂以及91%的Al₂O₃制成的载体。

上述蜂窝陶瓷片表面设有点阵状的凸起，所述孔内燃烧催化剂层嵌入所述蜂窝孔壁面2mm。

上述催化燃烧器制备步骤如下：

（1）制备载体；

（2）使用活性组分前驱物浸渍载体，制成催化剂浆液；

（3）将所述催化剂浆液喷涂于基质上，依次进行烘干处理和焙烧处理，则制备得到所需催化燃烧器。

上述步骤（1）的过程是：取含3.95gSiO₂的30%的硅溶胶，加入到2L的去离子水中并混合均匀，再加入焙烧后可获得40g氧化铝的硝酸铝并溶解得到混合溶液；将前述混合溶液缓慢滴入碳酸铵溶液中并剧烈搅拌，获得白色浆液；将白色浆液过滤清洗，干燥后于600℃焙烧4小时获得载体；将载体研磨成粒径小于45微米的颗粒； 

上述步骤（2）的过程是：将步骤1制备的载体粉末加入到计算量的硝酸铂溶液中，使得最终燃烧催化剂中含有质量百分含量为5%的铂，获得固含量为30%的催化剂浆液；

上述步骤（3）中焙烧温度为800℃。

将上述催化燃烧器直接用于催化天然气燃烧，91S内可达到稳定燃烧，使用200小时后，102S内可达稳定燃烧，CO排放率为0%，NO_x排放浓度为1ppm，热效率达72.1%。可见，本实施例所提供的燃气催化剂能在较短的时间内达到稳定燃烧（即由常规火焰燃烧转化为催化燃烧），在较长的使用时间后其催化速率仍能得到保持，所排放的有毒废气量低，热效率高。

实施例3  一种燃烧催化器  

本实施例的燃烧催化器采用上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片为基质，其具体制备过程包括如下步骤：

（1）采用沉淀法制备载体：取含2gSiO₂的硅溶胶，加入到1L的去离子水中并混合均匀，再加入焙烧后可获得40g氧化铝的硝酸铝并溶解得到混合溶液；将前述混合溶液缓慢滴入碳酸铵溶液中并剧烈搅拌，获得白色浆液；将白色浆液过滤清洗，干燥后于600℃焙烧4小时获得载体；将载体研磨成粒径小于45微米的颗粒； 

（2）将步骤1制备的载体粉末加入到计算量的硝酸钯溶液中，使得最终燃烧催化剂中含有质量百分含量为0.5%的钯，获得固含量为30%的催化剂浆液；

（3）将步骤2制备的催化剂浆液喷涂到上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片上，调整喷枪与蜂窝陶瓷片的角度，使蜂窝陶瓷片上端2mm处喷涂上催化剂浆液；将喷涂催化剂的蜂窝陶瓷片干燥后，于800℃条件下焙烧2小时获得本实施例的燃烧催化器。

实施例4～实施例19均为实施例3的对比实施例，其中：

实施例4采用上表面设有点阵状凸起的蜂窝陶瓷片作为基质，其他与实施例3一致；

实施例5采用上表面为平面的蜂窝陶瓷片作为基质，其他与实施例3一致；

实施例6将蜂窝陶瓷片上端5mm处喷涂催化剂浆液，其他与实施例3一致；

实施例7将蜂窝陶瓷片上端0.5mm处喷涂催化剂浆液，其他与实施例3一致；

实施例8的载体制备中不添加SiO₂，其他与实施例3一致。

实施例9的载体制备中，取含2gSiO₂的硅溶胶改为取含40g SiO₂的硅溶胶，其他与实施例3一致。

实施例10的载体制备中，取含2gSiO₂的硅溶胶改为取含20g SiO₂的硅溶胶，其他与实施例3一致。

实施例11的载体制备中，取含2gSiO₂的硅溶胶改为取含0.04g SiO₂的硅溶胶，其他与实施例3一致。

实施例12的载体制备中，取含2gSiO₂的硅溶胶改为取含2gCeO₂的硝酸铈，其他与实施例3一致。

实施例13的载体制备中，取含2gSiO₂的硅溶胶改为取含2g BaO的硝酸钡，其他与实施例3一致。

实施例14的载体制备中，取含2gSiO₂的硅溶胶改为取含2g La₂O₃的硝酸镧，其他与实施例3一致。

实施例15的载体制备中，取含2gSiO₂的硅溶胶改为取含2g ZrO₂的硫酸氧锆，其他与实施例3一致。

实施例16中，将钯改为相同含量的铂（前驱物为硝酸铂），其他与实施例3一致。

实施例17中，将钯的用量改为0.1%，其他与实施例3一致。

实施例18中，将钯的用量改为5%，其他与实施例3一致。

实施例19为对比实施例，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。

取实施例3～18中的蜂窝催化燃烧器和实施例19的蜂窝陶瓷安装于功率为3.2kw的液化气灶上进行燃烧测试。根据达到稳定催化燃烧（无火焰）所需的时间判断催化剂的催化活性，根据使用200小时后达到稳定催化燃烧所需的时间来判断催化剂的耐高温性能。热效率测试除了锅底颜色改变为易于吸收红外线的黑色锅底外，其他条件与新国标（GB16410-2007）的热效率测试方法相同，则试验结果如表1所示。

表1 不同催化剂达到稳定燃烧的时间对比

催化剂	达到稳定燃烧时间（秒）	使用200小时后达到稳定燃烧时间（秒）	CO排放浓度（%）	NOx排放浓度（ppm）	热效率（%）
						实施例3	90	102	0	1	72.1
实施例4	91	102	0	1	71.2
						实施例5	95	105	0	1	69.1
实施例6	83	92	0	1	59.7
						实施例7	-	-	0	5	64.5
实施例8	84	140	0	1	72.0
						实施例9	125	165	0	1	71.8
实施例10	115	143	0	1	71.9
						实施例11	84	128	0	1	72.1
实施例12	96	135	0	1	72.0
						实施例13	101	138	0	1	71.8
实施例14	99	130	0	1	71.9
						实施例15	100	139	0	1	71.8
实施例16	123	158	0	1	71.7
						实施例17	105	140	0	1	72.0
实施例18	85	90	0	1	71.2
						实施例19	-	-	0.04	11	63.2

“-”代表无法达到稳定的无火焰催化燃烧

从表1可以看出：

（1）采用本实用新型的燃气催化剂以及催化燃烧器可大幅提高燃气灶的热效率；

（2）采用上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片具有最好的辐射效率；

（3）采用添加5%左右的SiO₂的氧化铝为载体可使催化剂达到最好的稳定性，因而使用寿命也会最高；

（4）采用pd为活性组分比pt更优越，且pd的价格更低廉；pd的负载量与催化剂活性特别是和催化剂高温稳定性有较大关联，pd负载量越高催化活性越高，高温稳定性也越好，在实际应用中，根据需要负载一定量的pd，以达到最佳性价比。

Claims (4)

1.一种催化燃烧器，其特征在于:该催化燃烧器包括基质(1)，以及涂覆于基质表面的燃烧催化剂层(2)，所述基质为蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片。

2.根据权利要求1所述一种催化燃烧器，其特征在于:所述基质为上表面设有点阵状凸起的蜂窝陶瓷片或上表面设有点阵状凹槽的蜂窝陶瓷片。

3.根据权利要求1或2所述一种催化燃烧器，其特征在于:所述燃烧催化剂层包括涂覆于所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片上表面的表面燃烧催化剂层和嵌入所述蜂窝陶瓷片或金属蜂窝片的蜂窝孔壁面的孔内燃烧催化剂层。

4.根据权利要求3所述一种催化燃烧器，其特征在于:所述孔内燃烧催化剂层的厚度为嵌入蜂窝孔壁面1～3mm。

Images