Brevet FR2679981A1 — publié le 19930205

Brûleur catalytique de combustion, et appareil incorporant un tel brûleur La présente invention concerne les brûleurs catalytiques d'un gaz combustible tel que propane ou butane, c'est-à-dire brûlant un mélange gazeux composé uniquement dudit gaz combustible et d'air comburant. Plus précisément, l'invention s'intéresse aux brûleurs catalytiques dits "à air induit", comprenant: un injecteur permettant d'éjecter un jet calibré du gaz combustible sous pression; un organe d'admixtion d'air comburant au jet du gaz combustible, pour obtenir le mélange à brûler; une structure catalytique, recevant par sa face amont le mélange à brûler, et évacuant par sa face aval les gaz brûlés, ladite structure comprenant au moins un support inerte et réfractaire, perméable aux gaz, sur lequel est déposé au moins un catalyseur de combustion des hydro- carbures. Différents supports inertes et réfractaires, perméables aux gaz, ont déjà été proposés, au rang desquels on peut citer: des tissus ou papiers de fibres minérales réfractaires, par exemple d'alumine, présentant une surface spécifique importante; des matériaux alvéolaires, du type "nid d'abeille", obtenus en céramique, et dont la face interne des canaux est revêtue par une matière réfractaire à grande surface spécifique ("washcoat"), etc Différents catalyseurs de combustion ont déjà été proposés, au rang desquels on peut citer: le platine, connu en particulier pour ses qualités de combustion complète des hydrocarbures saturés, et sa relative inefficacité vis-à-vis des insaturés; le palladium, connu en particulier pour ses qualités de combustion complète du méthane et des hydrocarbures insaturés, et sa relative inefficacité vis-à-vis des hydrocarbures saturés. Par "platine" ou "palladium", on entend que de tels éléments peuvent être déposés sur un support inerte et réfractaire, aussi bien à l'état métallique, qu'à l'état composé ou complexé, par exemple sous forme de sels. Les brûleurs catalytiques explicités précédemment ont été et sont utilisés sous différentes configurations ou applications, au rang desquelles on peut citer les petits appareils portatifs, comportant une réserve de gaz combustible, et utilisés pour la soudure, comme fer à friser, sèche-cheveux, pour la cuisson et le chauffage, comme grils, etc En pratique, le butane commercial et le propane commercial apparais- sent être un mélange de plusieurs hydrocarbures saturés et insaturés: pour le butane commercial: n-butane, isobutane, butène-1, butène-2, et isobutène; pour le propane commercial: propane, propène. Nonobstant l'existence de tous ces constituants, autres que le butane et le propane proprement dits, il apparait néanmoins nécessaire d'obtenir une combustion catalytique complète et hygiénique du gaz combustible, au sens d'une conversion totale en eau et gaz carbonique de tous les constituants dudit gaz Cette exigence découle des conditions d'utilisation de ces brûleurs catalytiques, ou des appareils les incorporant ou les intégrant, à des fins domestiques, et/ou en atmosphère confinée. S'agissant par exemple de la combustion complète du butane com- mercial, et connaissant les propriétés et spécificités du platine et du palladium, rappelées ci-dessus, on a expérimenté selon la procédure décrite ci-après une structure catalytique associant du platine et du palladium sur un même support. Le support inerte et réfractaire, utilisé pour le dépôt du ou des catalyseurs de combustion, est un papier constitué de fibres d'alumine, produites par la Société ICI et commercialisées sous la marque SAFFIL Ce suppport, représenté à la Figure l sous la référence numérique 5, présente les caractéristiques suivantes: densité: de l'ordre de 700 g/m 2 diamètre moyen de fibres: 3 pm aire spécifique théorique: 150 m 2/g, mesurée: 139 m 2/g teneur en alumine supérieure à 95 % en poids épaisseur de 5 mm. De manière à présenter une perméabilité aux gaz, et une faible perte de charge, conformément à la Figure 1, des perforations de 1,5 mm, montrées sous la référence numérique 5 c, sont espacées régulièrement selon les deux dimensions de la feuille 5, avec un entraxe de 2,4 mm. Le catalyseur de combustion, qu'il s'agisse du platine et/ou du palladium, est déposé à raison de l % en poids par rapport au support inerte et réfractaire, décrit précédemment Ce dépôt est obtenu par imprégnation du papier avec une solution d'un sel du métal catalytique, suivi d'un séchage à une température de 1201 C. Des disques ou galettes de diamètre 12 mm sont découpés dans la structure catalytique, telle qu'obtenue précédemment, et diffèrent d'un essai à l'autre par la composition ou nature du catalyseur de combustion Ces différents disques sont essayés, en ce qui concerne le taux de conversion obtenu, en étant disposés dans un brûleur catalytique tel que représenté à la Figure 2, et comprenant: un corps métallique 7 traversé par un conduit 7 a, pour amener un courant de gaz combustible sous pression, à partir d'une source non repré- sentée; un injecteur permettant d'éjecter un jet du gaz combustible sous pression; un organe 3 d'admixtion d'air comburant au jet du gaz combustible pour obtenir le mélange à brûler; cet organe d'admixtion consiste en un simple tube 8, pour la circulation du mélange à brûler, dont l'extrémité amont est disposée en vis-à-vis de l'injecteur, mais à distance de ce dernier pour permettre une arrivée d'air périphérique; le disque de la structure catalytique 4 étant disposé à l'extrémité aval du tube 8, pour recevoir par sa face amont le mélange à brûler, et évacuer par sa face aval les gaz brûlés. Pour le fonctionnement du brûleur catalytique précédemment décrit, les paramètres suivants sont retenus: le gaz combustible est soit de l'isobutane soit du butène; son débit correspond à la puissance indiquée dans le tableau ci-après, ramené au centimètre carré de la surface de la structure catalytique, cette puissance étant calculée à partir du pouvoir calorifique inférieur du gaz combustible retenu; l'air est introduit dans le brûleur, à raison de 1,05 fois le débit nécessaire à une combustion stoechiométrique du gaz combustible; les structures catalytiques sont essayées sur des puissances de 30, 40 et 50 watts par cm 2; pour chaque puissance, le catalyseur fonctionne pendant 20 à heures d'affilée. La pureté de l'isobutane ou du butène-1, essayé en tant que gaz combustible, est supérieure à 95 %. Pour établir un régime catalytique, la structure catalytique est chauffée au moyen d'un petit four électrique annulaire, jusqu'à amorçage de la réaction catalytique; puis on retire alors le four pour laisser la combus- tion se poursuivre sans flamme Les gaz de combustion sont captés à la sortie, c'est-à-dire sur la face aval de la structure catalytique, en vue de doser leurs constituants et calculer le pourcentage d'imbrûlés obtenu Les essais 1 à 5 correspondent à des structures catalytiques constituées par un seul et même support, et diffèrent les unes des autres par le catalyseur de combustion: pour l'essai NI 1, seul le platine est déposé dans la proportion de 1 % en poids par rapport au support; pour l'essai NI 2, seul le palladium est déposé, toujours dans la proportion de 1 % en poids; pour l'essai NI 3, le platine et le palladium sont déposés en mélange, dans la proportion de 0,5 % en poids pour chaque métal; pour l'essai N O 4, le platine a d'abord été déposé, dans la proportion de 0,5 % en poids, puis séché; et ensuite le palladium est déposé, dans la proportion de 0,5 % en poids; pour l'essai N O 5, c'est l'inverse, le palladium étant d'abord déposé dans la proportion de 0,5 % en poids, puis séché; et ensuite le platine est déposé, également dans la proportion de 0,5 % en poids. Le tableau ci-après donne pour chaque essai la proportion de gaz imbrûlés, contenue dans les produits de combustion. Essai Gaz Isobutane Butène % en poids du catalyseur Cata/Pw/cm 2 30 40 50 30 40 50 1 Pt 2 6 3 4 6 3 6 52 57 1 2 Pd 29 ne tient pas1 3 3 5 6 1 3 Pd + Pt 30 ne tient pas6 6 16 7 14 5 0,5 + 0,5 4 Pt->Pd 7 2 ne tient pas5 2 14 4 19 2 0,5 + 0,5 Pd->Pt 9 7 0,5 (flamme)1 1 4 6 17 0,5 + 0,5 6 Pd am//Pt av 7 18 30 1 10 5 17 0,83 + 0,83 7 Pt am//Pd av 1 5 1 9 2 2 5 7 10 5 16 0,83 + 0,83 Par comparaison des essais 1 à 5, on vérifie que le platine est effectivement actif pour l'isobutane, et nettement moins pour le butène, et que le palladium présente des caractéristiques inverses. Comme le montrent les essais 3 à 5, et de manière inattendue, l'association des deux métaux, à savoir platine et palladium, quel que soit son mode de préparation et dépôt sur un même support, d'une part ne permet pas de retrouver la spécificité du platine vis-à-vis du butane, et d'autre part présente une spécificité voisine de celle du palladium, vis-à-vis du butène. Dans l'association platine/palladium, tout se passe donc comme si uniquement le palladium était actif, et imposait ses caractéristiques de combustion, au détriment du platine. Dans ces conditions, pour une combustion complète du butane commercial, constitué comme dit précédemment d'hydrocarbures saturés et insaturés, il apparaît a priori impossible d'utiliser le mélange platine/palladium, alors que l'homme de métier pouvait s'attendre à obtenir une combustion complète, compte tenu des propriétés propres à chacun de ces deux cataly- seurs de combustion, connues par ailleurs. Ayant abouti aux constations précédentes, qui constituent le point de départ de la présente invention, cette dernière a eu pour objet de trouver une solution permettant une combustion catalytique complète de butane ou propane commercial. La solution selon l'invention consiste, conformément à la Figure 2, à prévoir une structure catalytique 4, comprenant dans le sens de circulation des gaz, un catalyseur amont 6 a comportant un support perméable 5 a, inerte et réfractaire, et du platine déposé sur ledit support, et un catalyseur aval 6 b, distinct et séparé du catalyseur amont, comportant aussi un support 5 b perméable, inerte et réfractaire, et du palladium disposé sur ledit support. En effet, les essais 6 et 7 du tableau précité, rapportés ci-après, montrent que la séparation physique des deux métaux catalytiques, et le sens de cette séparation, à savoir palladium situé en aval du platine selon le sens de circulation, permettent effectivement une combustion complète et de l'isobutane et du butène, et partant d'un mélange d'hydrocarbures saturés et insaturés. Selon les essais 6 et 7, les paramètres suivants sont modifiés par rapport à ceux précédemment exposés pour les essais I à 5: conformément à la Figure 1, le support unique est remplacé par deux feuilles 5 a et 5 b, de 3 mm, superposées et toujours obtenues chacune dans un papier d'alumine découpé selon une galette de 12 mm de diamètre selon l'essai 6, la galette 5 a est imprégnée de palladium, et la galette 5 b de platine; selon l'essai 7, la galette 5 a est imprégnée de platine, et la galette 5 b de palladium; de manière à permettre une comparaison, les quantités de platine et palladium sont équivalentes à celles utilisées pour les essais 3 à 5. L'essai 6 montre que la séparation physique du palladium et du platine n'est pas suffisante, puisqu'en particulier on retrouve les performances dégradées des essais 3 à 5, vis-à-vis de l'isobutane Seul le sens de séparation mis en oeuvre selon l'essai 7, permet de retrouver, d'une part les perfor- mances du platine seul vis-à-vis de l'isobutane, et d'autres part les perfor- mances du palladium seul vis-à-vis du butène On notera d'ailleurs que la solution selon l'invention, matérialisée par l'essai 7, permet d'améliorer les performances du platine par rapport à l'isobutane, de manière surprenante. La présente invention présente en outre les caractéristiques secondaires suivantes: chacun des supports inertes et réfractaires, perméables aux gaz, des catalyseurs amont et aval, présente une aire spécifique au moins égale à 100 m 2/g; le support du catalyseur amont est le même que celui du catalyseur aval; le poids de platine de la structure catalytique est du même ordre que le poids du palladium de la même structure; la somme des poids de platine et de palladium, rapportée à la somme des poids des supports de la structure catalytique, est de l'ordre de 1 %. Pour terminer, il faut ajouter que la solution selon l'invention permet de réduire dans des proportions importantes le coût de la structure catalytique, puisque le poids de palladium substitué au poids correspondant du platine est beaucoup moins cher que ce dernier. REVENDICATIONS 1 Brûleur catalytique ( 1) pour la combustion d'un mélange gazeux composé uniquement d'hydrocarbures saturés et insaturés, et d'air comburant, ledit brûleur comprenant: un injecteur ( 2) permettant d'éjecter un jet du gaz combustible sous pression; un organe ( 3) d'admixtion d'air comburant au jet du gaz combustible, pour obtenir le mélange à brûler; une structure ( 4) catalytique, recevant par sa face amont le mélange à brûler, et évacuant par sa face aval les gaz brûlés, ladite structure comprenant au moins un support inerte et réfractaire, perméable aux gaz, sur lequel est déposé au moins un catalyseur de combustion des hydro- carbures; caractérisé en ce que la structure catalytique comprend dans le sens de circulation des gaz, un catalyseur amont ( 6 a) comportant un support perméable ( 5 a) inerte et réfractaire, et du platine déposé sur ledit support, et un catalyseur aval ( 6 b), distinct et séparé du catalyseur amont, comportant un support ( 5 b) perméable, inerte et réfractaire, et du palladium déposé sur ledit support. 2 Brûleur catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des supports inertes et réfractaires des catalyseurs amont et aval présente une aire spécifique au moins égale à 100 m 2/g. 3 Brûleur catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support du catalyseur amont est le même que celui du catalyseur aval. 4 Brûleur catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poids de platine de la structure catalytique est du même ordre que le poids de palladium de la même structure. Brûleur catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la somme des poids de platine et de palladium, rapportée à la somme des poids des supports de la structure catalytique, est de l'ordre de I %. 6 Appareil incorporant un brûleur selon l'une quelconque des revendi- cations l à 5, caractérisé en ce qu'il est par ailleurs agencé pour l'une quelconque des utilisations ou applications suivantes, à savoir soudure, fer à friser, sèche-cheveux, réchaud de cuisson, chauffage radiant, gril.