燃烧器、天然气重整装置以及SOFC发电系统

摘要

本发明公开了一种燃烧器、天然气重整装置和SOFC发电系统。燃烧器包括定位筒、风室隔板、调温筒、预混风罩、预混器、燃气进入管和空气进入管道。风室隔板位于定位筒内，风室隔板下方的空间构成保温腔；调温筒连接在定位筒上方，调温筒和定位筒的连接处有布风板，布风板上有布风孔，调温筒与定位筒连通，其中有点火装置；预混风罩连接在布风板和风室隔板之间，预混风罩、布风板以及定位筒围成的空间构成配风腔；预混器位于预混风罩内并与预混风罩和调温筒连通；燃气进入管与预混器连通；空气进入管道连通至配风腔。根据本发明的燃烧器，火焰稳定，不受风量大小影响；温度调节范围宽，既可满足低温长时间慢速启动需求，也可满足快速启动需求。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言涉及一种燃烧器、天然气重整装置以及SOFC发电系统。

背景技术

SOFC(Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池)利用电化学反应发电，具有多种优点：发电效率高，当前技术水平下发电效率约为50％～60％；且其无运动部件，自身不产生振动和噪音；其工作温度在大致在700～800℃之间、在此温度区间内氮气的化学性质稳定，不会产生氮氧化物，对环境友好；对气源品质要求不高，富氢气体即可，燃料适应广。因此，由于SOFC具有的节能、环保属性，其被视为未来新型能源利用的重要方式之一。

SOFC所使用的富氢气体需要由重整制氢设备生成，制备氢气的反应为吸热反应，需要加热装置提供反应所需热量。现有的重整制氢设备主要以电加热方式提供热源，少部分使用化石燃料加热的重整制氢设备也需要持续从外部通入燃料。使用化石燃料加热的重整制氢设备多采用直接燃烧或催化燃烧的方式放热。采用催化燃烧的重整制氢设备具有结构复杂、维护困难、成本高、升温慢以及启动时间长的缺陷；采用直接燃烧的重整制氢设备的燃烧器的结构庞大，具有点火困难、燃烧不稳定以及燃烧不完全等缺陷。

因此，需要提供一种燃烧器、天然气重整装置以及SOFC发电系统，以至少部分解决现有技术中的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种燃烧器，所述SOFC发电系统包括电堆，所述燃烧器包括：

定位筒；

风室隔板，所述风室隔板位于所述定位筒的内部，所述定位筒内的所述风室隔板下方的空间构成保温腔；

调温筒，所述调温筒连接在所述定位筒的上方，所述调温筒和所述定位筒的连接处设置有布风板，所述布风板上开设有布风孔，所述调温筒与所述定位筒连通，所述调温筒中具有点火装置；

预混风罩，所述预混风罩连接在所述布风板和所述风室隔板之间，所述预混风罩、所述布风板以及所述定位筒围成的空间构成配风腔；

预混器，所述预混器位于所述预混风罩内并与所述预混风罩和所述调温筒连通；

燃气进入管，所述燃气进入管与所述预混器连通，用于向所述预混器中输入燃料；

空气进入管道，所述空气进入管道连通至所述配风腔，同时向所述预混器和所述调温筒输送空气。

根据本发明的用于SOFC发电系统的天然气重整装置的燃烧器，气体产生的火焰稳定，不受风量大小影响；温度调节范围宽，既可满足低温长时间慢速启动需求，也可满足快速启动需求；点火简单操作方便。

进一步地，所述定位筒构造为底端封闭的筒状，所述预混器穿过所述风室隔板，所述燃气进入管从所述燃烧器的底部穿过所述定位筒，连接至所述预混器，所述预混器的外壁上开设有穿孔。

进一步地，所述调温筒构造为两端开口的筒状，所述调温筒的外径与所述定位筒的内径对应，所述调温筒从所述定位筒的上方插入所述定位筒，所述预混风罩的上部开设有定位口，所述调温筒通过所述定位块连接至所述预混风罩。

进一步地，所述空气进入管道上设置有空气流量调节阀，所述燃气进入管设置有燃气调节阀。

进一步地，所述燃烧器还包括燃烧喷嘴，所述燃烧喷嘴从所述预混器的上方连通至所述预混器，所述点火装置位于所述燃烧喷嘴的侧方并与所述燃烧喷嘴间隔开，

所述预混器至少部分构造为在所述定位筒的长度方向上两端宽中间窄的变径结构，以提高混合气体进入所述燃烧喷嘴的速度。

进一步地，所述燃烧器还包括火焰检测装置，所述火焰检测装置设置在所述燃烧喷嘴的侧方并与所述燃烧喷嘴和所述点火装置间隔开。

进一步地，所述燃烧器还包括火焰保护罩，所述火焰保护罩构造为筒状，并套设在所述火焰检测装置、所述点火装置和所述燃烧喷嘴的外部。

进一步地，所述定位筒的底部设置有观火孔，用于观察火焰的燃烧情况，与火焰检测装置协同检测燃烧启动状态。

本发明的第二方面提供一种用于SOFC发电系统的天然气重整装置，所述SOFC发电系统包括电堆，所述天然气重整装置包括：

重整换热器，用于将天然气重整为富氢气体；以及

上述第一方面所述的燃烧器，位于所述重整换热器的下方并与所述重整换热器连通，用于为所述重整换热器提供启动重整反应所需的热量气体。

根据本发明的用于SOFC发电系统的天然气重整装置，重整换热器利用燃烧器为重整反应提供热量，火焰稳定，不受风量大小影响；温度调节范围宽，既可满足低温长时间慢速启动需求，也可满足快速启动需求；点火简单操作方便气体。

本发明的第三方面提供一种SOFC发电系统，其特征在于，包括：

电堆，所述电堆包括阴极排气口和阳极进气口；

重整换热器，包括重整排气管，所述重整排气管与所述阳极进气口连通，所述重整换热器用于将天然气重整为富氢气体并通过所述重整排气管为所述电堆提供所述富氢气体；

上述第一方面所述的燃烧器，位于所述重整换热器的下方并与所述重整换热器连通，所述空气进入管道与所述阴极出气口连通，向所述重整换热器输送来自所述电堆的阴极气体。

根据本发明的SOFC发电系统，天然气重整装置利用燃烧器为重整反应提供热量，气体火焰稳定，不受风量大小影响；温度调节范围宽，既可满足低温长时间慢速启动需求，也可满足快速启动需求；点火简单操作方便。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据本发明的天然气重整装置的立体示意图；

图2为图1中的天然气重整装置的剖视示意图；

图3为根据本发明的天然气重整装置的燃烧器的立体示意图；

图4为图3中燃烧器的剖视示意图；

图5为根据本发明的天然气重整装置的燃烧器的工作流程示意图。

附图标记说明：

100：天然气重整装置 200：重整换热器

300：燃烧器 310：燃气进入管

311：燃气喷嘴 320：空气进入管道

330：预混器 331：燃烧喷嘴

332：点火装置 333：火焰检测装置

340：定位筒 341：风室隔板

342：预混风罩 343：保温腔

344：配风腔 350：调温筒

351：布风板 352：定位块

353：火焰保护罩 360：观火孔

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。

图3和图4示出了本发明优选实施方式的用于SOFC发电系统的天然气重整装置的燃烧器，包括定位筒340、风室隔板341、调温筒350、预混风罩342、预混器330、燃气进入管310和空气进入管道320。

其中，风室隔板341位于定位筒340的内部，定位筒340内的风室隔板341下方的空间构成保温腔343；调温筒350连接在定位筒340的上方，调温筒350和定位筒340的连接处设置有布风板351，布风板351上开设有多个布风孔，布风孔的直径约为2mm。调温筒350与定位筒340连通，调温筒350中具有点火装置332；预混风罩342连接在布风板351和风室隔板341之间，预混风罩342、布风板351以及定位筒340围成的空间构成配风腔344；预混器330位于预混风罩342内并与预混风罩342和调温筒350连通；燃气进入管310与预混器330连通，用于向预混器330中输入燃料；空气进入管道320连通至配风腔344，同时向预混器330和调温筒350输送空气。

根据本发明的用于SOFC发电系统的天然气重整装置的燃烧器，火焰稳定，不受风量大小影响；温度调节范围宽，既可满足低温长时间慢速启动需求，也可满足快速启动需求；点火简单操作方便气体。

当本发明的燃烧器作为用于SOFC发电系统的天然气重整装置的部件时，空气进入管道320的一端连通至配风腔344，另一端连通至电堆的阴极排气口，同时向预混器330和调温筒350输送来自电堆的阴极的空气。下面将结合图1到图5对本发明的用于SOFC发电系统的天然气重整装置进行详细说明。

请参考图1和图2，天然气重整装置100包括重整换热器200和燃烧器300。重整换热器200用于进行重整反应，燃烧器300位于重整换热器200的下方，用于在SOFC发电系统的启动阶段为重整反应提供热量。由此天然气重整装置100将原料气转化为重整气，并将重整气提供给SOFC发电系统的电堆进行电化学反应，将化学能转变为电能。原料气优选为天然气，更优选为天然气和水蒸气的混合气体。重整气优选为富氢气体。燃烧器300使用的燃料优选为天然气。燃烧器300优选采用不锈钢制成。天然气重整装置100其长度约1m，直径约20cm，重量在20kg以内，主要为功率约为1kw级别的电堆提供重整气。

下面请参考图3、图4和图5，燃烧器300的主体由定位筒340和调温筒350构成。定位筒340构造为底端封闭的筒状，调温筒350构造为两端开口的筒状，调温筒350的外径与定位筒340的内径相对应，以便于调温筒350从定位筒340的上方插入定位筒340。调温筒350的外径还与重整换热器200的底部内径相对应，以便于调温筒350能够方便的连接至重整换热器200。

具体地，参考图4，定位筒340中设置有预混器330、风室隔板341以及预混风罩342。风室隔板341位于定位筒340的上部，风室隔板341下方的空间构成保温腔343。保温腔343内至少部分填充有保温材料，以隔绝调温筒350的高温，保证燃烧器300运行时，燃气进入管310进气端的安全。

预混风罩342位于风室隔板341的上方并连接在风室隔板341上，预混风罩342与定位筒340大致呈同心结构，其与定位筒340的侧壁之间的空间构成配风腔344。预混风罩342的上部开设有定位口，调温筒350通过定位块352连接至预混风罩342。预混器330设置在预混风罩342的内部并穿过风室隔板341，预混器330的外壁上设置有穿孔。预混风罩342上开设有多个小孔，每个小孔的直径约为8mm，并且多个小孔呈圆周排列，由此预混器330经由穿孔和预混风罩342上的小孔与配风腔344连通。

燃气进入管310从燃烧器300的底部穿过定位筒340并连接至预混器330，用于向预混器330中输入燃料；空气进入管道320的一端连通至配风腔344，另一端连通至电堆的阴极排气口。燃气进入管310的顶部设置有燃气喷嘴311，来自燃气进入管310的燃料经由燃气喷嘴311喷入预混器330，来自电堆阴极的空气和燃料在预混器330中混合成混合气。

调温筒350的底部设置有布风板351，其上开设有布风孔。调温筒350内还具有燃烧喷嘴331、点火装置332、火焰检测装置333和火焰保护罩353。其中燃烧喷嘴331设置于预混器330的上方并与预混器330连通，在预混器330中混合后的混合气体从燃烧喷嘴331喷出，燃烧喷嘴331优选为导电材料制成。燃烧喷嘴331的顶表面设置有8个2mm的喷气孔，以使得混合气能够均匀的喷射。

点火装置332和火焰检测装置333设置在燃烧喷嘴331的两侧，并且三者间隔开。点火装置332用于向燃烧喷嘴331发射电弧，点燃混合气体。火焰检测装置333用于检测火焰的燃烧情况，当检测到成功点火，则点火装置332停止放电。火焰保护罩353构造为筒状，并套设在火焰检测装置333、点火装置332和燃烧喷嘴331的外部，用于在大风量和/或低温度燃烧时维持火焰的稳定。

此外，预混器330的上部构造为先窄后宽的变径结构，以提高混合气体进入燃烧喷嘴331的速度。变径结构可以为文丘里结构。定位筒340的底部设置有观火孔360，用于观察火焰的燃烧情况。观火孔360延伸进入保温腔343，穿过保温材料，以便于能够观察火焰。优选利用观火孔360与火焰检测装置333协同检测燃烧器的启动状态。

空气进入管道320上设置有空气流量调节阀，燃气进入管310设置有燃气调节阀，以方便对流量的调节。燃烧器300的底部还具有并紧底座，用于固定燃烧器300，并紧底座优选为法兰。

燃烧器300的运行过程请参考图5，来自电堆阴极的空气在配风腔344中分为一次风和二次风。一次风沿依次经过配风腔344、预混风罩342的小孔以及预混器330上穿孔的一次风流路进入预混器330与燃料混合；二次风沿依次经过配风腔344和布风孔的二次风流路进入调温筒350，燃烧产生的烟气混合并进行补燃。

具体地，燃烧器300在天然气重整装置100的启动阶段为重整反应提供热量。电堆的阴极入口设置有鼓风机，使得空气流经阴极后从阴极排气口排出，再通过空气进入管道320进入配风腔344。一次风先经由预混风罩342上的小孔进入预混风罩342，然后穿过预混器330外壁上的穿孔进入预混器330与燃料混合为混合气。混合气从燃烧喷嘴331喷出并被点火装置332点燃，以加热重整换热器200。二次风直接向上穿过布风孔进入重整换热器200，补充氧气使得燃料完全燃烧。

随着电堆中电化学反应的进行，电堆的温度逐渐升高，阴极气体的温度也逐渐升高，并且其中含有部分未反应的氧气。高温的阴极气体从燃烧器300进入重整换热器200，阴极气体所携带的显热为重整反应提供热量。

由此，启动阶段结束后进入维持阶段，利用电堆的反应生成的热量以及阴极气体携带的显热维持重整反应的进行，能够减少甚至关闭燃烧器300中燃料的输入。

本发明还提供一种SOFC发电系统，包括电堆、天然气重整装置100和控制装置。电堆为固体氧化物燃料电池，其中设置有温度传感器。

补燃气体调节阀、燃气调节阀以及空气流量调节阀均可以为电控调节阀。控制装置与温度传感器、点火装置332、补燃气体调节阀、燃气调节阀以及空气流量调节阀电连接，并配置为能够根据电堆的温度控制补燃气体调节阀、燃气调节阀以及空气流量调节阀的开度。

具体地，控制装置还配置为在SOFC发电系统的启动阶段控制燃气调节阀和空气流量调节阀打开，并控制点火装置332点火，以加热重整换热器200。

重整换热器200内的温度达到重整反应温度时，重整换热器200开始向电堆阳极输送重整气，电堆内开始发生电化学反应。

随着电堆内反应的进行，电堆的温度逐渐升高，阴极气体和阳极气体的温度也逐渐升高，能够返回重整换热器200补充加热。此时控制装置随着温度的上升控制燃气调节阀减小开度，减小燃料的消耗。

随着电堆内电化学反应的进一步进行，阴极气体和阳极气体的温度可以达到或超过重整反应温度，此时控制装置控制燃气调节阀关闭。SOFC发电系统的启动阶段结束，进入维持阶段，利用电堆反应生成的热量以及阴极气体与阳极气体的反应热维持重整换热器200内重整反应的进行，无需外部再输入燃料，能节能降耗的作用，具有很高的经济及社会效益。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。