一种用于SOFC系统的高调节比燃烧集成装置

摘要

本发明提供一种用于SOFC系统的高调节比燃烧集成装置，包括由外向内依次嵌套设置的热风旋流混合器、火焰长度控制器和内燃烧器；还包括用于建立火焰的自动点火装置、用于监控火焰的火焰检测单元、用于检测腔内流体温度的温度监控单元。本装置通过热风旋流混合器、火焰长度控制器和内燃烧器的结构设置，能适用于燃料热值300Kcal/Nm3到10000Kcal/Nm3的区间范围，燃料和空气流体温度‑20℃到1000℃的区间范围，对持续波动的燃料热值和持续波动的流体温度有很高的适用性，在空气燃料体积比大幅波动的情况下，火焰长度也能自动稳定一个给定范围，无需使用催化燃烧，即可实现SOFC系统的稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物电池技术领域，具体是一种用于SOFC系统的高调节比燃烧集成装置。

背景技术

在所有的燃料电池中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)的工作温度最高，属于高温燃料电池。近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。

在SOFC系统中需要配置燃烧器，一是作为系统启动的加热器用来对系统进行升温，二是当系统正常工作后，作为排除尾气的燃尽装置，充分利用残余燃料的热值能量，也同时作为处理尾气的环保装置，使得最终的尾气达标排放。

由于SOFC中残余燃料和空气的流量并不稳定，进入燃烧器的燃料与空气的流量波动、热值波动对系统运行稳定性的影响，目前为止一直没有得到有效彻底的解决。诸如催化燃烧需要用到昂贵的催化剂，其他稳定装置也由于过多的压力损失导致系统整体的工作稳定性下降。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种用于SOFC系统的高调节比燃烧集成装置。

为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于SOFC系统的高调节比燃烧集成装置，包括由外向内依次嵌套设置的热风旋流混合器、火焰长度控制器和内燃烧器；

所述热风旋流混合器包括第一筒体，所述第一筒体的头端具有开口、末端封闭，所述第一筒体的筒壁上设置有空气入口；

所述火焰长度控制器包括第二筒体，所述第二筒体的头端具有开口、末端封闭，所述第二筒体的筒壁上设置有多个第一控风孔，所述第二筒体与第一筒体之间形成第一空气通道；

所述内燃烧器包括第三筒体，所述第三筒体的头端具有开口、末端具有与燃料入口相连通的开口，所述第三筒体的筒壁上设置有多个第二控风孔，所述第三筒体与所述第二筒体之间形成第二空气通道，所述第三筒体的内部形成燃气和空气混合通道；

还提供一电池空气导入管路，其用于将SOFC系统电池阴极侧排出的空气导入到所述空气入口；

还提供一外部燃料支路，其用于将外部燃料供给到所述燃料入口；

还提供一电池尾气燃料支路，其用于将SOFC系统电池阳极侧排出的尾气供给到所述燃料入口；

还包括用于建立火焰的自动点火装置、用于监控火焰是否存在的火焰检测单元、用于检测腔内流体温度的温度监控单元以及主控制器，所述自动点火装置的点火端位于所述内燃烧器内，

所述主控制器与所述自动点火装置、火焰检测单元、温度监控单元信号连接，所述主控制器接收所述火焰检测单元检测的火焰有无信号、以及温度监控单元检测的温度值数据，处理后发出控制所述自动点火装置动作的指令信号。

采用本发明技术方案，在SOFC系统冷态启动时，通过外部燃料支路将外部燃料供给到所述燃料入口，自动点火装置自动点火，并通过火焰检测单元持续监控火焰，确保在燃烧装置腔内温度未达到安全自燃温度前有安全联锁自动控制措施，使SOFC系统快速升温；在SOFC系统稳定运行后，关闭外部燃料支路，完全采用SOFC系统排出的空气和燃料尾气，并通过温度监控单元持续监测腔内流体温度，当所测温度低于安全自燃温度750℃时，自动点火装置立即自动打火，确保短时间内重新建立稳定火焰。本燃烧集成装置通过热风旋流混合器、火焰长度控制器和内燃烧器的结构设置，能适用于燃料热值300Kcal/Nm

进一步地，以进入所述第一筒体筒壁上空气入口的总空气量为Q，则，进入到所述第一空气通道内的空气量Q1＝60％Q-75％Q；进入到所述第二空气通道内的空气量Q2＝20％Q-30％Q；进入到所述内燃烧器内的空气量Q3＝5％Q-10％Q。

采用上述优选的方案，能够根据进入的燃料量，自适应地控制进入内燃烧器的空气量维持适当的化学当量比，从而获得稳定的火焰，避免火焰被大量的过剩空气吹灭。

进一步地，所述热风旋流混合器、火焰长度控制器、内燃烧器的根部基本平齐，以所述热风旋流混合器的内腔轴向深度为L，则，所述火焰长度控制器的轴向深度L1＝50％L-70％L，所述内燃烧器的轴向深度L2＝50％L1-70％L1。

进一步地，所述第一控风孔在所述第二筒体筒壁上的开孔率为10％-20％；所述第二控风孔在所述第三筒体筒壁上的开孔率为5％-10％。

进一步地，所述第一控风孔的数量为6-15个，单个第一控风孔的孔径为5-10mm；所述第二控风孔的数量为8-20个，单个第二控风孔的孔径为1-5mm。

采用上述优选的方案，可稳定工作在空气燃料体积比高达200:1的范围内，当燃料与空气的量产生变化时，也能确保火焰的长度始终在燃烧集成装置腔体内。

进一步地，所述第一筒体包括从根部向前延伸的第一圆柱部、以及从所述第一圆柱部头端向前逐渐收缩的第一缩口部，所述第一缩口部的头端口径为根端口径的60％-80％，所述空气入口位于所述第一圆柱部的根部位置。

进一步地，所述第二筒体包括从根部向前延伸的第二圆柱部、以及从所述第二圆柱部头端向前逐渐收缩的第二缩口部，所述第一控风孔都分布在所述第二圆柱部的筒壁上；所述第三筒体包括从根部向前延伸的第三圆柱部、以及从所述第三圆柱部头端向前逐渐收缩的第三缩口部，所述第二控风孔都分布在所述第三圆柱部的筒壁上。

进一步地，所述热风旋流混合器上的空气入口为一个或多个，从所述空气入口通入第一筒体内腔的气流方向与所述空气入口处的切线方向平行。

采用上述优选的方案，在热风旋流混合器内形成旋流，当空气量大大过剩时，通过热风旋流混合器的作用，使得最终出口烟气温度充分均匀无热点，确保NO

进一步地，在所述内燃烧器的根部位置还设有一个燃料旋流器，所述燃料旋流器的内腔与所述第三筒体内腔相连通，所述燃料旋流器的内腔直径大于第三筒体内腔直径，所述燃料旋流器壁体上设有一个或多个燃料入口，从所述燃料入口通入所述燃料旋流器内腔的气流方向与所述燃料入口处的切线方向平行。

采用上述优选的方案，使得燃料也形成旋流，在进入到内燃烧器内腔后，便于燃料与空气的混合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明流体流动原理示意图；

图3是本发明另一种实施方式的结构示意图之一；

图4是本发明热风旋流混合器根部的截面示意图；

图5是本发明燃料旋流器的截面示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件的名称：

10-热风旋流混合器；101-第一筒体；102-空气入口；11-第一空气通道；20-火焰长度控制器；201-第二筒体；202-第一控风孔；21-第二空气通道；30-内燃烧器；301-第三筒体；302-第二控风孔；31-燃气和空气混合通道；40-燃料旋流器；401-燃料入口；50-自动点火装置；60-火焰检测单元；70-温度监控单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

SOFC系统的具体结构可从现有技术中获知，本申请主要是提供将SOFC系统排出的空气和燃料尾气充分利用并为SOFC系统的电池和新导入流体供热的燃烧集成装置

如图1所示，本发明的一种实施方式为：一种用于SOFC系统的高调节比燃烧集成装置，包括由外向内依次嵌套设置的热风旋流混合器10、火焰长度控制器20和内燃烧器30；

热风旋流混合器10包括第一筒体101，第一筒体101的头端具有开口、末端封闭，第一筒体101的筒壁上设置有空气入口102；

火焰长度控制器20包括第二筒体201，第二筒体201的头端具有开口、末端封闭，第二筒体201的筒壁上设置有多个第一控风孔202，第二筒体201与第一筒体101之间形成第一空气通道11；

内燃烧器30包括第三筒体301，第三筒体301的头端具有开口、末端具有与燃料入口401相连通的开口，第三筒体301的筒壁上设置有多个第二控风孔302，第三筒体301与第二筒体201之间形成第二空气通道21，第三筒体301的内部形成燃气和空气混合通道31；

还提供一电池空气导入管路，其用于将SOFC系统电池阴极侧排出的空气导入到空气入口102；

还提供一外部燃料支路，其用于将外部燃料供给到燃料入口401；

还提供一电池尾气燃料支路，其用于将SOFC系统电池阳极侧排出的尾气供给到燃料入口401；

还包括用于建立火焰的自动点火装置50、用于监控火焰是否存在的火焰检测单元60、用于检测腔内流体温度的温度监控单元70以及主控制器，自动点火装置50的点火端位于内燃烧器30内，

所述主控制器与自动点火装置50、火焰检测单元60、温度监控单元70信号连接，所述主控制器接收火焰检测单元60检测的火焰有无信号、以及温度监控单元70检测的温度值数据，处理后发出控制自动点火装置50动作的指令信号。

采用上述技术方案的有益效果是：在SOFC系统冷态启动时，通过外部燃料支路将外部燃料供给到燃料入口401，自动点火装置50自动点火，并通过火焰检测单元60持续监控火焰，确保在燃烧装置腔内温度未达到安全自燃温度前有安全联锁自动控制措施，使SOFC系统快速升温；在SOFC系统稳定运行后，关闭外部燃料支路，完全采用SOFC系统排出的空气和燃料尾气，并通过温度监控单元70持续监测腔内流体温度，当所测温度低于安全自燃温度750℃时，自动点火装置50立即自动打火，确保短时间内重新建立稳定火焰。本燃烧集成装置通过热风旋流混合器10、火焰长度控制器20和内燃烧器30的结构设置，能适用于燃料热值300Kcal/Nm

如图1、2所示，在本发明的另一些实施方式中，通过合理的热风旋流混合器10、火焰长度控制器20和内燃烧器30高度设置，以及合理的第一控风孔202、第二控风孔302大小和数量设置，以进入第一筒体筒壁上空气入口102的总空气量为Q，则，进入到第一空气通道11内的空气量Q1＝60％Q-75％Q；进入到第二空气通道21内的空气量Q2＝20％Q-30％Q；进入到内燃烧器30内的空气量Q3＝5％Q-10％Q。采用上述技术方案的有益效果是：能够根据进入的燃料量，自适应地控制进入内燃烧器的空气量维持适当的化学当量比，从而获得稳定的火焰，避免火焰被大量的过剩空气吹灭。

如图3所示，在本发明的另一些实施方式中，热风旋流混合器10、火焰长度控制器20、内燃烧器30的根部基本平齐，以热风旋流混合器10的内腔轴向深度为L，则，火焰长度控制器20的轴向深度L1＝50％L-70％L，内燃烧器30的轴向深度L2＝50％L1-70％L1。第一控风孔202在第二筒体201筒壁上的开孔率为10％-20％；第二控风孔302在第三筒体301筒壁上的开孔率为5％-10％。第一控风孔202的数量为6-15个，单个第一控风孔202的孔径为5-10mm；第二控风孔302的数量为8-20个，单个第二控风孔302的孔径为1-5mm。通过实机模拟测试：(1)在燃料入口通入的燃气量1Nm

如图1所示，在本发明的另一些实施方式中，第一筒体101包括从根部向前延伸的第一圆柱部、以及从所述第一圆柱部头端向前逐渐收缩的第一缩口部，所述第一缩口部的头端口径为根端口径的60％-80％，空气入口102位于所述第一圆柱部的根部位置。第二筒体201包括从根部向前延伸的第二圆柱部、以及从所述第二圆柱部头端向前逐渐收缩的第二缩口部，第一控风孔202都分布在所述第二圆柱部的筒壁上；第三筒体301包括从根部向前延伸的第三圆柱部、以及从所述第三圆柱部头端向前逐渐收缩的第三缩口部，第二控风孔302都分布在所述第三圆柱部的筒壁上。热风旋流混合器10上的空气入口102为一个或多个，在图4中，示出了具有3个空气入口102的实施例，从空气入口102通入第一筒体101内腔的气流方向与空气入口处的切线方向平行。采用上述技术方案的有益效果是：在热风旋流混合器内形成旋流，当空气量大大过剩时，通过热风旋流混合器的作用，使得最终出口烟气温度充分均匀无热点，确保NO

如图1所示，在本发明的另一些实施方式中，在内燃烧器30的根部位置还设有一个燃料旋流器40，燃料旋流器40的内腔与第三筒体301内腔相连通，燃料旋流器40的内腔直径大于第三筒体301内腔直径，燃料旋流器40壁体上设有一个或多个燃料入口401，在图5中示出了具有2个燃料入口401的实施例，从燃料入口401通入燃料旋流器40内腔的气流方向与燃料入口401处的切线方向平行。采用上述技术方案的有益效果是：使得燃料也形成旋流，在进入到内燃烧器内腔后，便于燃料与空气的混合。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。