利用高温燃烧催化剂的燃烧器的制作方法

本发明涉及一种利用高温燃烧催化剂的燃烧器。更详细而言，涉及代替使用高价的贵金属催化剂的通常的高温燃烧催化剂，使用低廉的过渡金属材料来进行稀燃/完全燃烧/理论燃烧的利用高温燃烧催化剂的燃烧器。

背景技术：

催化燃烧装置是可燃性气体与固体催化剂反应后燃烧的装置，由于燃烧反应在催化剂的表面进行，因此，比通常的火焰燃烧器在低温度下也能进行燃烧反应，燃料的浓度低时也能稳定地进行燃烧反应，从而纤维或塑料等需要低温度的地方也能有效地被利用。

但，为了在催化燃烧装置获得稳定的燃烧反应与高的燃烧效率，将直接引起催化燃烧反应的催化剂层的温度必须保持在开始催化燃烧的温度以上。

并且，催化燃烧反应是根据气体与固体的接触来引起的，因此，在催化燃烧装置以多种形态做成的燃烧催化剂需要与可燃性气体充分地接触才能更加容易地引起燃烧反应且获得更高的燃烧效率。

所述催化燃烧装置根据催化剂层的温度保持方法与气体与固体的接触方式可构成多种种类，在韩国专利第151641号、韩国专利第254832号、韩国专利第257551号、韩国专利第371208号、韩国专利第392702号以及韩国专利第550653号公开了结构。

在催化燃烧装置使用的燃烧催化剂是以蜂巢、颗粒、垫子等多种形态做成，根据燃烧热的利用方法决定燃烧催化剂的形态。即，利用蜂巢形态的燃烧催化剂的催化燃烧装置主要利用热风，相反利用垫子形态的燃烧催化剂的垫子催化燃烧器利用辐射传热的形态利用热。将没有火焰引起燃烧反应来加热的物质与催化燃烧器相邻设置，使得虽然垫子催化燃烧器的燃烧负荷低但传热效率非常出色。

在工厂使用的利用垫子形态的燃烧催化剂的催化燃烧器大部分以扩散方式供给燃烧空气。该催化燃烧器在开放的空间完成燃烧时虽然燃烧效率与传热效率非常高，但在密封的空间由于不能顺畅地供给氧气，使得强制性地供给燃烧空气(韩国专利第151641号)或提前供给混合燃料与空气的气体来进行燃烧(韩国专利第371208号)。

但，在所述开放的空间或外部强制性地供给空气来引起燃烧反应的扩散式催化燃烧器是根据氧气的扩散速度支配反应速度，使得当燃烧负荷增大时燃烧效率变低，从而限制使用。

因此，在垫子形态的催化燃烧器使用如同使用蜂巢形态的燃烧催化剂的催化燃烧装置将空气与燃料提前混合后供给的方式进行燃烧的方式。提前混合燃料与空气后供给的预混合催化燃烧装置是催化剂层的温度在催化剂的内热温度范围内需要保持在开始催化燃烧的温度以上。若催化剂层的温度低于开始催化燃烧的温度，则引起不完全燃烧，使得燃烧效率非常低或不引起燃烧反应，若催化剂层的温度过高，则催化剂的寿命变短。

使用蜂巢燃烧催化剂的通常形态的预混合催化燃烧器在过量空气系数1.1-2.0范围内运行，但为了保护预混合式垫子催化燃烧器(韩国专利第371208号)运行高的过量空气系数(约3.5-4.0左右)，从而催化剂层的温度不会超过耐热温度以上。

并且，所述预混合催化燃烧器根据过量空气系数的快速的线速度不能充分地进行催化燃烧反应，因此，不能充分地引起完全燃烧。为了克服此问题，使用多量的燃烧催化剂来使燃料与更多的催化剂接触引发反应。但，制造垫子催化燃烧器时，若过多地使用燃烧催化剂，则导致催化燃烧器的制造费用急剧上升，这是因为燃烧催化剂的购买费用在整体制造费用中占很高的比例。

实际上做成垫子形态的燃烧催化剂由于使用白金或铑等贵金属，因此价格贵，并且由于制造燃烧器时使用更多的燃烧催化剂，因此，垫子催化燃烧器的价格很贵。从而垫子催化燃烧器不能广泛地被利用。

(专利文献0001)1.公开专利公报第10-0254832号(低nox预混合式催化燃烧器)

(专利文献0002)2.公开专利公报第10-0550653号(包括催化燃烧方式的预热单元的催化燃烧装置)

技术实现要素：

要解决的技术问题

本发明是鉴于所述诸多问题而提出的，其目的在于，提供一种代替通常的高温燃烧催化剂的高价的贵金属催化剂，使用低廉的过渡金属材料来进行稀燃/完全燃烧/理论燃烧的利用高温燃烧催化剂的燃烧器。

本发明需要解决的问题并不被所述的课题而限制，没有说明的其他课题通过以下说明会更加明确。

技术方案

为了实现所述目的，本发明的利用高温燃烧催化剂的燃烧器，包括：混合单元及分配单元，用于混合及分配供给的燃料气体与空气；燃烧催化剂单元，根据从所述混合单元及分配单元接受的燃料气体的催化燃烧反应产生热；预混合室，用于连接所述混合单元及分配单元与燃烧催化剂单元，使得预混合进入到所述燃烧催化剂单元的燃烧气体，所述燃烧催化剂单元，包括：机壳，形成为前后开放形，内部具备腔室；穿孔板，设置于所述机壳的前后面，用于供所述燃料气体从机壳的后方朝前方通过；燃烧催化剂，形成为蜂巢形，填充在所述机壳的腔室内部；以及热源单元，用于产生发生所述燃烧催化剂的催化燃烧的热源，所述高温燃烧催化剂，包括：制造包含硝酸盐过渡金属、硝酸盐碱土金属及硝酸盐铝的金属前体溶液的步骤；制造沉淀溶液的步骤；混合所述金属前体溶液及所述沉淀溶液后制造混合溶液的步骤；将所述混合溶液升温到90～100℃后，保持10～48小时后反应沉淀的步骤；过滤根据所述沉淀反应形成的沉淀物泥浆后从所述混合溶液分离的步骤；水洗所述沉淀物泥浆的步骤；为了去除包含在所述水洗的沉淀物泥浆里的水分进行干燥的步骤；以及为了去除残留在所述干燥的沉淀物泥浆里的水分，在1000～1500℃烧制的步骤。

优选地，所述热源单元作用为点火单元，所述热源单元设置于所述机壳的前方的状态下，借助点火热将所述高温燃烧催化剂成为进行催化燃烧。

所述热源单元作用为电炉或电热器，使得所述热源单元包围所述机壳的外部的状态下，借助电热将所述高温燃烧催化剂进行催化燃烧。

优选地，在所述机壳的边缘面形成用于取出或放进用于交换高温燃烧催化剂的催化剂交换孔，所述催化剂交换孔借助螺丝帽可选择性地开闭。

优选地，相对所述燃烧催化剂单元的燃烧气体空间速度(gjsv)为1.000～30.000h^-1时，所述燃烧催化剂单元的体积为1～1.5公升，所述高温燃烧催化剂的密度为所述高温燃烧催化剂的孔隙率为(相对燃烧催化剂的整体体积的空间体积的比例)0.3～0.5％，相对所述预混合室内的压力的所述燃烧催化剂单元的排出压力损失系数为20％以内。

优选地，所述高温燃烧催化剂形成为具有气孔的圆柱形、六面体形、球形中一个。

优选地，所述高温燃烧催化剂是六铝酸盐催化剂。

优选地，所述机壳由耐热材料的不锈钢或哈氏合金构成。

优选地，所述混合单元及分配单元包括通风扇与静态混合器，通风扇用于向所述燃烧催化剂单元供给燃料气体及空气，静态混合器用于混合借助所述通风扇接受的燃料气体与空气。

有益效果

根据本发明具有以下效果，不包含贵金属，在高温具有出色的耐久性，即便使用由价格低廉的过渡金属成分构成的高温燃烧催化剂也能进行稀燃/完全燃烧/理论燃烧，使得基本上不会产生一氧化碳，并且也不会产生氮氧化物，从而，保护环境、节省原料、热效率高。

附图说明

图1是利用根据本发明的高温燃烧催化剂的燃烧器的一结构图。

图2是图1的截面图。

图3是机壳的详细立体图。

图4是利用根据本发明的高温燃烧催化剂的燃烧器的其他结构图。

图5a至图5c是示出高温燃烧催化剂的单位形态的图。

图6是用于说明根据本发明的高温燃烧催化剂的大量生产制造工程的框图。

图7是根据本发明的高温燃烧催化剂的分析结果曲线图。

图8a至图8c是根据本发明的高温燃烧催化剂的分析结果曲线图。

图9及图10是根据本发明的高温燃烧催化剂的性能实验结果曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施例。对相同的构成要素标注相同的符号，并省略重复的说明。

本发明的实施例为了向本技术领域的技术人员更加明确的说明本发明而提供的，以下实施例可以多种形态变形，本发明的范围并不被以下实施例而限定。本实施例为了向技术人员更加完整地提供本发明的思想而提供的。

第一、第二等序数的用语可以用于说明各种构成要素，但所述构成要素并不限定于所述用语。所述用语仅用来区别一个构成要素与另一个构成要素。例如，在不脱离本发明的权利要求范围的情况下，第一构成要素可以命名为第二构成要素，同样的，第二构成要素也可以命名为第一构成要素。以及/或之用语包含多个相关记载项目的组合或者多个相关记载项目中的任一项目。

在没有特别定义时，包括技术或科学用语在内的本说明书中所使用的所有用语对属于本发明的技术领域的技术人员来说是自明的。通常所使用的、词典上所定义的用语应解释为其含义与相关技术的含义一致，在本说明书中未明确地定义者，不得以理想化或者过渡形式性的意思进行解释。

连续说明的两个工程实际上可以同时执行，也可以与说明的顺序相反的顺序执行。

对于附图，根据制造技术及/或工序可以预测图示的变形例。因此，本发明的实施例并不被本说明书的特定形状而限定，例如，包括在制造过程中导致的形状变化。

图1是利用根据本发明的高温燃烧催化剂的燃烧器的一结构图，图2是图1的截面图。

如图1及图2所示，根据本发明的催化燃烧器100由混合单元及分配单元110、燃烧催化剂单元120以及预混合式130构成。

首先，如图2所示，混合单元及分配单元110是用于混合及分配供给的燃料气体及空气，混合单元及分配单元110包括导管111、通风扇112、混合器113构成，通风扇112设置于所述导管111的内部，用于向所述燃烧催化剂单元120供给燃料气体及空气，混合器112用于混合借助所述通风扇112接受的燃料气体与空气。

此时，所述混合器113可以使用静态混合器，使得即便不会动作也能将流体、气体或粉体均匀地搅拌。所述静态混合器形成有螺旋状通道，使得燃料气体及空气通过的同时引起搅拌作用来进行混合。

燃烧催化剂单元120是用于进行催化燃烧的，催化燃烧指的是将催化剂与可燃性气体(天然气、煤气等)与空气中的氧气接触后进行燃烧。当催化剂物质燃烧时，催化剂本身不会变化仅促进反应，将燃料气体与氧气瞬间地吸附及反应后产生热，此时，产生的一氧化碳与水瞬间地从催化剂解吸。在反复地进行反应物与生成物的吸附及解吸的过程中引起燃烧。由于借助催化剂引起燃烧反应，因此，能大大减少从低温及低浓度的燃烧生成氮氧化物。

燃烧催化剂单元120由机壳121、穿孔板122、高温燃烧催化剂123、热源单元124构成，机壳121，形成为前后开放形，内部具备腔室121a；穿孔板122，设置于所述机壳121的前后面，用于供所述燃料气体从所述机壳的后方朝前方通过；高温燃烧催化剂123，形成为蜂巢形，填充在所述机壳121的腔室121a内部；以及热源单元124，用于产生发生所述高温燃烧催化剂123的催化燃烧的热源。

此时，用于提高所述燃烧催化剂单元120的催化效率的最佳条件为，相对所述燃烧催化剂单元的燃烧气体空间速度(ghsv)为1.000～30.000h^-1时，所述燃烧催化剂单元120的体积为1～1.5公升，所述高温燃烧催化剂123的密度为所述高温燃烧催化剂123的孔隙率为(相对燃烧催化剂的整体体积的空间体积的比例)0.3～0.5％，相对所述预混合室130内的压力的所述燃烧催化剂单元120的排出压力损失系数为20％以内。

所述机壳121由耐热材料的不锈钢或哈氏合金构成。哈氏合金作为镍、钼、铁的合金在高温下机械性高，耐氧化性丰富，主要使用于燃气涡轮、热处理火炉用铸件、渗碳用加热装置等，不锈钢的熔化温度为1427～1510℃(18铬钢)，1400～1454℃(18-8阶)因此，在高温耐热性出色，从而，适合作为在高温燃烧的燃烧单元的机壳的材料。

并且，如图3所示，在所述机壳121的边框形成催化剂交换孔121b，催化剂交换孔121b用于取出及放入所述高温燃烧催化剂123，所述催化剂交换孔121b借助螺丝帽121c可选择性地开闭。

因此，交换所述高温燃烧催化剂123时，分离所述螺丝帽121c后开放催化剂交换孔121b，然后，将设置在机壳121的内部的通常的高温燃烧催化剂123通过催化剂交换孔121b取出后，放入新的高温燃烧催化剂123，然后借助所述螺丝帽121c密封催化剂交换孔121b，从而简单地完成交换作业。

如图5a至5c所示，所述高温燃烧催化剂123形成为颗粒形态，也可以形成为圆筒形、圆柱形、球形、六面体形等。这些都形成气孔123a，形成气孔后，由于能防止扩散燃料气体及不受压差的影响，从而燃料气体不会偏重于特定部位能均衡地通过。

优选地，所述颗粒的大小为2～5mm。若颗粒的大小大于此范围，则颗粒与颗粒之间的气孔变大，使得降低燃烧效率，相反，若颗粒的大小小于此范围，则气孔变小，使得降低燃烧气体的通过率，从而燃烧催化剂单元120的点火火花反射到预混合室130，因此需要遵守所述大小范围。

所述高温燃烧催化剂123通过以下工程可大量制造。

图6是用于说明根据本发明的高温燃烧催化剂的大量生产制造工程的框图。

根据图6，制造包含有硝酸盐过渡金属、硝酸盐碱土金属及硝酸盐铝的金属前体溶液(s110)。硝酸盐过渡金属/碱土金属/硝酸盐铝的摩尔比是(1-x)(1-y)/11，此时，x是属于0.1至0.5范围的数，y是属于0.1至0.5范围的数。硝酸盐过渡金属包括锰、钴、铁或铬中一个以上。碱土金属包括钙、锶、钡或镭中一个以上。制造金属前体溶液时将硝酸盐过渡金属、硝酸盐碱金属及硝酸盐铝溶解在蒸馏水。

制造沉淀溶液(s120)。制造沉淀溶液指的是将要素搅拌在蒸馏水。在沉淀溶液的要素的浓度是金属前体溶液里的金属前体的浓度的12倍。

将金属前体溶液及沉淀溶液混合(s130)制造混合溶液后，将混合溶液升温到90～100℃，保持10～48小时后发生沉淀反应s140。将混合溶液沉淀反应时可利用均匀溶液沉淀法。

借助沉淀反应形成的沉淀物泥浆被过滤s150，使得从混合溶液分离。过滤沉淀物泥浆后分离的混合溶液可以再次使用制造沉淀溶液s155。水洗沉淀物泥浆s160。

为了去除包含在水洗的沉淀物泥浆里的水分进行干燥(170)。将水洗的沉淀物泥浆干燥时在100～150℃的温度下进行干燥。

为了去除残留在干燥的沉淀物泥浆的水分在1000～1500℃进行烧制(s170)。烧制的沉淀物泥浆具备六铝酸盐结构，并具备5～150m²/g范围的比表面积。

使用于根据本发明的高温燃烧催化剂的制造方法的均匀溶液沉淀法与通常的沉淀法不同，工程简单，并容易地进行大量生产。制造通常的催化剂的方法是使用共沉法，为了合成催化剂使用碳酸钠或氢氧化钠等碱性物质，金属前体是使用金属硝酸盐等酸性物质。将在两种物质的酸中和反应中生成的盐作为催化剂来使用。在此过程中，调整ph是决定催化剂的物性与性能的重要要素。但，配对ph调整速度是比较麻烦的工程。由于此工程很难反复且大量地制造相同的质量的催化剂。

使用于根据本发明的高温燃烧催化剂的制造方法的均匀溶液沉淀法为，解决调整ph问题的同时，大量且反复地制造相同质量的高温燃烧催化剂。在均匀溶液沉淀法使用为沉淀剂的要素是在90～100℃分解为氨与二氧化碳，使得与多个金属前体反应。此时，在溶液前体均匀地示出沉淀反应，ph自然地保持7。利用氢氧化钠等作为沉淀剂的共沉法是仅在投放沉淀剂的地方首先局部地引起沉淀反应，同时瞬间地在其部位示出高的ph，使得需要强力的搅拌，并且由于难以保障均匀性，因此，难以生产相同质量的催化剂。相反，由于均匀溶液沉淀法能决绝此问题，因此，比较简单地生产相同质量的高温燃烧催化剂。

在过滤及水洗工程中，利用氢氧化钠等来作为沉淀剂时，需要去除残留在沉淀物泥浆里的钠或硝酸盐等杂质，该杂质需要利用多量的蒸馏水来溶解，该杂质降低催化剂的物性与性能，因此，需要严格地实施过滤及水洗工程。此时，使用的蒸馏水量合成催化剂时，比使用的蒸馏水需要3～4倍以上。相反，在均匀溶液沉淀法生成的杂质是硝酸铵或未反应要素，该杂质在微量的蒸馏水也能容易地被去除，借助热也能去除。使得均匀溶液沉淀法比通常的共沉法几乎不会出现降低催化剂的物性及性能的现象，由于工程简单能节省工程费用。

并且，当结束沉淀反应后，在过滤工程中生成的大部分的废水是未反应的要素，因此，能重新使用为作用为沉淀剂的沉淀溶液。在沉淀反应中过量使用的沉淀溶液中仅与前体浓度相同的要素使用于沉淀反应剩余的要素会残留。使用过量的要素是用于将沉淀反应的速度朝正反应侧顺畅地进行。使得在沉淀溶液中局部被使用剩余成为过滤液流出。因此，仅添加使用于过滤液的要素量就能重新成为沉淀溶液。

水洗工程也比通常的共沉法简单。经过过滤工程后残留在沉淀物的杂质作反应后以硝酸铵的形态残留，硝酸铵的溶解度高，即便使用蒸馏水的1/2左右也能充分地被去除，在干燥及烧制工程也能被完全去除。并且，生成的少量的废水也能重新使用。根据本发明的一实施例的高温燃烧催化剂的制造方法是基本上没有废弃的废液的无公害制造方法。

在干燥及烧制工程中，在100℃进行十个小时以上干燥沉淀物泥浆来去除残留的水分。并且，在烧制工程中，用1000℃以上保持一个小时以上，从而能制造在高温保持性能及耐久性的高温燃烧催化剂。

以下，详细说明根据本发明的高温燃烧催化剂的制造方法。

1.金属前体溶液制造

金属前体使用锰、钡、将铝作为硝酸盐形态的硝酸盐锰、硝酸盐钡、硝酸盐铝等试药。将高温燃烧催化剂的成分比的锰/铝/钡以1/10/1的摩尔比来溶解在蒸馏水中。

2.制造要素溶液

将要素搅拌在蒸馏水里后制造要素溶液。要素溶液的浓度是金属

前体浓度的约12倍。

3.混合

前面制造的金属前体溶液及要素溶液在合成反应器混合形成混合溶液。混合溶液是能均匀地搅拌。

4.沉淀反应

合成反应器的温度是约升温到95℃，混合溶液是24小时强力地搅拌。

5.过滤

为了利用均一溶液沉淀法去除残留在沉淀物泥浆里的硝酸铵及未反应的少量的要素与金属前体的杂质及水实施过滤工程。在布氏漏斗设置过滤器后，放入沉淀物泥浆，从而分离为在过滤器过滤的沉淀物泥浆与废液。废液添加重新使用的要素(金属前体浓度为1m时，对应1m添加要素)后，重新作为要素溶液来使用。

6.水洗

分离废液后，通过在沉淀物泥浆通过少量的蒸馏水的方式去除残留在沉淀物泥浆里的硝酸铵。此时保管生成的废液后再次制造高温催化剂时重新使用于水洗工程。

7.干燥及烧制

为了完全地去除杂质及残留在沉淀物泥浆里的水分，在100℃的干燥烤炉进行10个小时以上的干燥工程。然后，为了制造高温燃烧催化剂，将干燥的沉淀物泥浆在1200℃以3℃/min升温速度升温后保持六个小时。

图7是根据本发明的一实施例制造的高温燃烧催化剂的分析结果曲线图。

参照图7，分析高温燃烧催化剂的结构及比表面积、气孔体积、气孔大小等物性。为了分析高温燃烧催化剂的结构，使用x射线衍射仪。图2是分析高温燃烧催化剂的结构的各烧制温度的曲线图。在曲线图中可以看出将高温燃烧催化剂的烧制温度在1200℃以上处理的试料具备六铝酸盐结构。并且在1000℃烧制的试料不能形成完全的六铝酸盐，只能观察一些氧化铝或峰值。

表1是示出为了测定高温燃烧催化剂的比表面积及气孔体积、气孔大小，利用吸附氮来计算的结果。高温燃烧催化剂的比表面积与气孔体积根据烧制温度的增加急剧减少。此时，在1200℃进行烧制处理的试料为，构成六铝酸盐的结构的同时具备比较高的比表面积及气孔体积。因此，在1200℃进行烧制处理时能制造具备出色的性能高温燃烧催化剂。

图8a至图8c是分析根据本发明的一实施例制造的高温燃烧催化剂的结果图。

图8a是在600℃进行烧制处理的高温燃烧催化剂的扫描电子显微镜图，图8b及图8c是在1200℃进行烧制处理高温燃烧催化剂的扫描电子显微镜图。图8a及图8b是20000倍放大图，图8c是100000倍放大图。

参照图8a至图8c，越增加烧制处理温度高温燃烧催化剂的粒子大小越大，在1200℃进行烧制处理的高温燃烧催化剂均衡地分布有约100nm的气孔。

图9及图10是根据本发明的一实施例制造的高温燃烧催化剂的性能实验结果曲线图。

为了分析高温燃烧催化剂的甲烷燃烧性能，在由1/4英寸石英管做成的固定层反应器实施燃烧反应实验。高温燃烧催化剂的量是在250mg(粒径：150～250μm)，甲烷的流量是3ml/min，空气流量是90ml/min环境下实验。进行燃烧反应后生成气体是利用气相色谱法(chromatography:gc,agilent3000microgc)分析。

并且，为了对比催化剂对比了低温常用燃烧催化剂的甲烷燃烧性能。并且，也对比了氢燃烧的性能。流量是与甲烷相同地3ml/min，空气流量也相同地90ml/min来实验。

参照图9，低温燃烧催化剂的氢是300℃，甲烷在550℃进行完全燃烧，高温燃烧催化剂的氢是550℃，甲烷是在750℃进行完全燃烧。

参照图10，在不使用催化剂的条件下，对比燃烧氢的实验结果。结果得知在800℃以上的温度不能完全燃烧氢。

在燃烧反应实验结果中得知高温燃烧催化剂的甲烷是在750℃以上，氢是550℃以上的温度能顺畅地进行燃烧反应，并且能完全燃烧/稀燃，使得如燃烧器等需要高温的同时需要清净的能源的设备上必须的要素。

并且，如图1所示，所述燃烧催化剂单元120的所述热源单元124作为点火单元设置于所述机壳121的前方，借助点火热催化燃烧所述燃烧催化剂。相反，如图4所示，也可以构成包围所述机壳121的外部的电炉124b或电热器(未图示)。

以上本发明通过具体的实施例详细说明，是用于具体地说明本发明并不被本发明限定，在本发明的技术思想内技术人员可进行变形及修改。

本发明的变形及修改均属于本发明的范围内，本发明的具体的保护范围通过权利要求范围更加明确。

图中

100：催化燃烧器，110：混合单元及分配单元

111：导管，112：通风扇，

113：混合器，120：燃烧催化剂单元

121：机壳，121b：催化剂交换孔

121c：螺丝帽，122：穿孔板

123：高温燃烧催化剂，123a：气孔

124：热源单元，130：预混合室