CN107208883A - 在旋流器的上游和下游具有燃料喷射装置的改进的旋流燃烧器 - Google Patents

在旋流器的上游和下游具有燃料喷射装置的改进的旋流燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及改进的旋流燃烧器，特别地但不限于，用于燃料电池系统中的旋流燃烧器。

Description

在旋流器的上游和下游具有燃料喷射装置的改进的旋流燃 烧器
技术领域
本发明涉及改进的旋流燃烧器，特别地、但不限于，涉及用于燃料电池系统中的旋流燃烧器。
背景技术
燃料电池、燃料电池堆、燃料电池堆组件以及热交换器的系统、装置和方法的教示对本领域普通技术人员而言是众所周知的，并且特别地包括WO02/35628，WO03/07582，WO2004/089848，WO2005/078843，WO2006/079800，WO2006/106334，WO2007/085863，WO2007/110587，WO2008/001119，WO2008/003976，WO2008/015461，WO2008/053213，WO2008/104760，WO2008/132493，WO2009/090419，WO2010/020797和WO2010/061190，其全部内容通过参引并入本文。
除非上下文另有规定，术语“流体”包含液体和气体二者。
立法以及改善环境责任的总体趋势鼓励人们有兴趣在所有操作中减少燃料的燃烧或烧燃产生的排放。特别是在燃料电池的操作中，有立法为排放水平设定了最大限值，诸如欧洲标准EN 50465：2008，其适用于在国内使用时的燃料电池气体加热设备。在控制排放方面特别重要的是减少一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOX)的排放。
当涉及到控制燃烧排放时，燃烧器的设计特别重要。诸如空气流量、反应物的混合以及火焰的位置之类的因素都必须连同待燃烧的燃料的化学成分一起被考虑。在相同的燃烧器中燃烧的燃料的成分的改变可导致差异很大的排放量。因此，往往必须将燃烧器设计为用于特定燃料以便遵守规定的排放限值。尽管如此，在有些情况下，燃烧器必须燃烧不同的燃料，而燃烧稳定性和排放控制在每种模式中都很重要。
燃烧器往往被用在燃料电池系统中以提供热能来使燃料电池系统及其相关的系统部件的温度升高至工作温度。燃料电池系统通常包括至少一个燃料电池堆。
本文中当提及燃料电池或燃料电池系统时，更优选地，所指的是，固体氧化物燃料电池(SOFC)或SOFC系统，更优选地，所指的是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)或IT-SOFC系统。燃料电池系统将包括至少一个燃料电池堆，每个燃料电池堆均包括至少一个燃料电池。更优选地，燃料电池具有、或者燃料电池堆的燃料电池具有450至650摄氏度的工作温度范围、更优选地、500至610摄氏度、或500至615摄氏度或500至620摄氏度、并且可能615至620摄氏度的工作温度范围。
当利用固体氧化物燃料电池时，优选的是，燃烧器燃烧低热值(LCV)燃料和高热值(HCV)燃料二者。应当注意，这些术语区别于例如、“较低热值”(同样被称为“LCV”)和“较高热值”(同样被称为“HCV”)-所有燃料都具有较低热值和较高热值二者。低热值(LCV)燃料的示例是具有较高比例的H2、CO并且可选地具有较低比例的CH4的燃料。LCV燃料的沃泊指数(Wobbe index)通常介于18MJ/m3和35MJ/m3之间。高热值(HCV)燃料的示例是含有甲烷、乙烷、丙烷或其任何组合的燃料，HCV燃料的沃泊指数(Wobbe index)通常介于36MJ/m3和85MJ/m3之间。
燃料电池堆使用富氢的HCV燃料来进行电化学反应。由于电化学反应，燃料气体通过一些活性元素被氧化而改变了成分，诸如氢变成水蒸气并且一氧化碳变成二氧化碳。因此，这个过程的废气(off-gas)是LCV燃料。因此，显然地，HCV燃料不同于LCV燃料。
通过电化学反应形成的LCV燃料之后可在燃烧器中进行燃烧。然而，通常需要HCV燃料的燃烧来对燃料电池系统进行最初的加热(例如、在启动时)直到燃料电池达到工作温度。因而，在启动时必须使HCV燃料燃烧。在燃料电池的稳定状态运行期间，必须主要地燃烧LCV燃料。在燃料电池的工作点状态之间过渡的期间(即，当燃料电池的电能输出改变时)，待燃烧的燃料的成分相应地改变，并且在从稳定状态向停止过渡的期间其也类似地改变。为了保持这些燃料的每一者的燃烧的低排放，需要燃烧器的不同构型：HCV燃料燃烧器有利于在燃烧之前与氧化剂的较大程度的混合；而LCV燃料燃烧器有利于在燃烧之前与氧化剂的较低量的混合。而且，与LCV燃料相比，对HCV燃料而言，较大的气流是优选的。然而，由于系统中其它地方的要求，诸如被用于控制燃料电池堆的温度的氧化剂流量的要求，仅仅出于燃烧控制的目的而控制到燃烧器的气流是不可能的。因此，显然地，在所述的情况下，利用被设计用于一种燃料或特定气流的燃烧器将导致对其它燃料而言不利的燃烧。
因此需要生产一种燃烧器，其能够或者同时、或者单独地燃烧LCV燃料和HCV燃料二者而不分离燃烧或利用复杂的系统，同时保持低排放并处理变化的气流，并且特别地、处理大范围的空气燃料比、拉姆达(lambda)。
现有技术装置可能也因在大范围的运行条件、包括不同的拉姆达(lambda)上缺乏火焰稳定性而受到损失。此外，还需要实现紧凑的火焰以便减小产品尺寸。
本发明旨在基于现有技术的燃烧器进行改进。特别地，本发明旨在解决、克服或减轻现有技术问题中的至少一者。
发明内容
根据本发明，提供了一种旋流燃烧器组件，其包括：
(i)中空纵向长形的体部，其沿中心轴线延伸并具有第一端部和第二端部；
(ii)位于第一端部处的端壁；
(iii)燃烧器壁，其位于所述第一端部和所述第二端部之间，并限定从所述第一端部到所述燃烧器壁的第一空间和从所述燃烧器壁到所述第二端部的第二空间；
(iv)通向所述第一空间的氧化剂入口；
(v)至少一个中空纵向长形的燃烧器单元，其具有燃烧器单元第一端部，燃烧器单元第一端部从所述第一空间向所述体部中的开口的外部延伸，燃烧器单元从所述第一空间向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的开口并延伸到燃烧器单元第二端部，并且燃烧器单元限定燃烧器单元内部空间，并包括：
(a)轴向旋流式旋流混合器，其定位于燃烧器单元的内部并位于所述燃烧器单元第一端部与所述燃烧器单元第二端部之间，所述旋流混合器包括多个叶片，多个叶片具有内径和外径、第一侧部和第二侧部，第一侧部朝向所述第一空间定位并通向所述第一空间，第二侧部朝向所述第二空间定位并通向所述第二空间；
(b)第一燃料入口，其通向所述第一空间，所述第一燃料入口定位于所述氧化剂入口与所述旋流混合器之间并且定位于所述多个叶片的所述外径的径向内部；以及
(c)第二燃料入口，其通向所述第二空间并且接近所述燃烧器单元第二端部并位于所述多个叶片的所述外径的径向内部，其中，每个所述至少一个燃烧器单元：
(A)限定了第一点，其是沿所述中心轴线最靠近所述第一端部的点，其中，在所述第一点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器单元旋流混合器的所述多个叶片相交；
(B)限定了第二点，其是沿所述中心轴线距离所述第一端部最远的点，其中，在所述第二点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器单元旋流混合器的所述多个叶片相交；并且
(C)限定了几何中点，其沿所述中心轴线与所述第一点和所述第二点的距离相等，
其中，
各自的第一燃料入口位于所述氧化剂入口与所述旋流混合器之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的与所述第一点的距离介于所述第一燃料入口流动区域的等效圆形直径1与2之间的点相交，并且
各自的第二燃料入口位于所述第一燃料入口与所述第二端部之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的与所述几何中点的距离等于或小于所述多个叶片的所述内径的点相交。
本文对方法步骤或结构的提及同样是对本发明的适于或构造为执行这种方法步骤的系统的提及。
第一端部也可被称为上游端部，并且第二端部可被称为下游端部。术语“上游”和“下游”意在反映所提及的部件的相对位置。特别地，“上游”和“下游”的使用可反映流体流路径中或过程中的部件的相对位置。短语“结构X的上游”(在体部内的结构的情况下)意味着从“结构X”朝向第一端部定位，即，位于第一端部与“结构X”之间；“结构X的下游”(在体部内的结构的情况下)意味着从“结构X”朝向第二端部定位，即，位于“结构X”与第二端部之间。类似地，第一侧部可被称为上游侧部，而第二侧部可被称为下游侧部。第一燃料入口也可被称为HCV燃料入口，而第二燃料入口也可被称为LCV燃料入口。
优选地，中空纵向长形的体部限定内部腔。更优选地，体部是限定内部空间的有壁的形状。中空纵向长形的体部的形状的示例包括圆筒状和管状，以及具有多边形横截面的形状。多边形横截面的示例包括四边形(如长方形)、五边形、六边形、七边形和八角形的横截面。体部可以沿中心轴线并且绕中心轴线延伸。
如上所述，体部沿中心轴线延伸。在某些实施例中，中心轴线可以是非直线的轴线。例如，轴线可以是弯曲的或者其可以是阶梯式的。
从上文的定义可以看出，流体流路径被限定为从所述氧化剂入口到所述第一空间再到第二空间。
第一空间可被认为被限定于第一端部、燃烧器壁和体部之间。类似地，第二空间可被认为被限定于燃烧器壁、第二端部和体部之间。
优选地，体部包括从所述燃烧器壁延伸至所述第二端部的体部内表面。优选地，所述第二空间被限定于所述燃烧器壁、所述体部内表面和所述第二端部之间。
第二空间也可被称为燃烧管，并且这两个术语在本文中可交换地使用。
如上所述，至少一个燃烧器单元的第一端部从第一空间向体部中的开口的外部延伸。因而，至少一个燃烧器单元的第一端部不必自体部第一端部处的端壁延伸。例如，至少一个燃烧器单元的第一端部可从体部的侧壁延伸。如果旋流燃烧器组件包括多个燃烧器单元，那么在一些实施例中，从第一空间向体部中的开口的外部延伸的部分可以是多个燃烧器单元的共用部分或共有部分。
优选地，所述旋流混合器位于所述第一燃料入口与所述第二燃料入口之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的与一点(该点是沿所述中心轴线距离所述第一端部最远的点，其中，在所述点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器壁相交)的距离等于所述多个叶片的一个内径或在所述多个叶片的一个内径内的点相交。
在某些实施例中，叶片形成为燃烧器壁的一部分，使得燃烧器壁被制造有叶片或旋流混合器，或燃烧器壁被切割或被机加工成由燃烧器壁形成叶片而不必添加独立的燃烧器单元。
由于至少一个燃烧器单元延伸穿过燃烧器壁中的开口，每一燃烧器单元第一端部可被认为限定第一空间的周缘的一部分。类似地，所述燃烧器单元第二端部可被认为限定第二空间的周缘的一部分。因而，当旋流混合器在第一空间内更加朝向第一端部定位时，第一空间减小，并且当旋流混合器在第二空间内更加朝向第二端部定位时，第二空间减小。
优选地，至少一个燃烧器单元包括燃烧器单元外部体部，燃烧器单元外部体部更优选地限定燃烧器单元内部空间。因而，内部空间包含于第一空间内(即，是第一空间的一部分)。优选地，燃烧器单元外部体部限定至少一个开口(至少一个空气入口开口)。优选地，流体流路径被限定为从所述氧化剂入口到所述第一空间到所述燃烧器单元内部空间再到所述第二空间(即，从所述氧化剂入口到所述第一空间再经由所述第一空间的所述内部空间部分到所述第二空间)。优选地，第一燃料入口位于所述内部空间内。
除非上下文另有规定，本文对“一至少一个燃烧器单元”和“至少一个燃烧器单元”的提及优选地视情况指每个至少一个燃烧器单元以及指每个燃烧器单元。
优选地，至少一个燃烧器单元包括外部轴环，外部轴环从所述第一空间向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的所述开口，所述外部轴环具有外径、内径、第一端部和第二端部。优选地，所述外径等于所述燃烧器壁中的开口的直径。
优选地，至少一个燃烧器单元包括内部轴环，内部轴环从所述第一空间向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的所述开口，所述内部轴环具有外径、内径、第一端部和第二端部。
优选地，外部轴环第一端部和内部轴环第一端部是外部轴环和内部轴环的最靠近旋流燃烧器组件第一端部的端部。类似地，外部轴环第二端部和内部轴环第二端部优选地是外部轴环和内部轴环的最靠近旋流燃烧器组件第二端部的端部。
更优选地，所述外部轴环第二端部与垂直于中心轴线的平面相交，该平面在旋流混合器与旋流燃烧器组件第二端部之间延伸，并且该平面与沿所述中心轴线的位于几何中点下游处且与几何中点的距离等于或介于多个叶片的一个内径与多个叶片的内径的一半之间的点相交。
更优选地，所述外部轴环第一端部与垂直于中心轴线的平面相交，该平面在旋流混合器与旋流燃烧器组件第一端部之间延伸，并且该平面与位于如下位置处的点相交，即，在所述外部轴环第二端部上游且等于多个叶片的两个外径或在多个叶片的两个外径内。
在某些实施例中，外部轴环的部分或全部可由燃烧器单元外部体部形成。
更优选地，所述内部轴环第二端部与垂直于中心轴线的平面相交，该平面与在沿所述中心轴线的位置处的点相交，并且该平面在旋流混合器与旋流燃烧器组件第二端部之间延伸，并且该平面与沿所述中心轴线的位于几何中点下游处且与几何中点的距离等于或小于所述多个叶片的内径的一半的点相交。
更优选地，所述内部轴环第一端部(内部轴环第一端部的最靠近旋流燃烧器组件第一端部的部分)位于第一燃料入口的下游并位于内部轴环第二端部的上游。
优选地，所述内部轴环的外径小于所述外部轴环的内径。更优选地，内部轴环定位于所述外部轴环的径向内部(即，相对于所述外部轴环径向向内地定位)。
在某些实施例中，外部轴环形成为燃烧器壁的一部分，因为其与壁成一体。在这样的实施例中，外部轴环仍可朝向体部第一端部和/或第二端部延伸。举例来说，外部轴环可由燃烧器壁挤压、成形、压制或以其它方式形成。类似地，内部轴环可形成为燃烧器壁的一部分。
优选地，多个叶片定位于所述外部轴环内。更优选地，多个叶片在所述外部轴环与所述内部轴环之间径向地延伸。优选地，外部轴环内径等于多个叶片的外径并且内部轴环外径等于多个叶片的内径。
在一些实施例中，多个叶片可自所述内部轴环或所述外部轴环中单一一者延伸，使得它们由单个轴环支承，在这样的实施例中，多个叶片的外径可小于外部轴环的内径，或多个叶片的内径可大于内部轴环的外径。
对本领域普通技术人员而言，显然的是，将叶片制造为内部轴环的一部分、或外部轴环的一部分、或内部轴环和外部轴环的一部分、或者在外部轴环是燃烧器壁的一部分的情况下将叶片制造为外部轴环的一部分，例如、燃烧器单元外部体部的一部分。
轴环可影响燃烧器特性，因为它们可在第二空间内比多个叶片延伸得更远。
在存在多于一个燃烧器单元的情况下，优选地，每个燃烧器单元均具有内部轴环和外部轴环，外部轴环延伸穿过上述燃烧器单元的燃烧器壁中的开口。
优选地，至少一个燃烧器单元包括第一燃料管路，第一燃料管路具有第一端部、第二端部、内径和外径。优选地，所述第一燃料管路限定所述第一燃料入口。优选地，所述第一燃料管路定位于内部轴环外径的径向内部。更优选地，所述第一燃料管路的所述外径等于或小于所述内部轴环外径。
优选地，至少一个燃烧器单元包括第二燃料管路，第二燃料管路具有第一端部、第二端部、内径和外径。优选地，所述第二燃料管路限定所述第二燃料入口。优选地，所述第二燃料管路定位于多个叶片的内径的径向内部。更优选地，所述第二燃料管路位于第一燃料管路的径向内部。
在其它实施例中，第二燃料管路可从体部向燃烧器单元径向向内地延伸。更优选地，所述第二燃料管路从所述体部向所述燃烧器单元延伸穿过所述第二空间。
优选地，第一燃料入口和第二燃料入口位于多个叶片的内径的径向内部。
优选地，第一燃料入口和第二燃料入口沿大体平行于中心轴线的轴线对齐或沿大体平行于中心轴线的多个轴线各自对齐。
优选地，多个叶片的外径大于多个叶片的内径、介于多个叶片的内径的两倍到四倍之间，更优选地约为多个叶片的内径的三倍。
优选地，所述第一点是沿所述中心轴线最靠近所述第一端部的点，其中，在所述点处垂直于所述中心轴线的平面与所述多个叶片的适于在沿所述多个叶片流动的流体中引起角动量的部段相交(即，在一点处与所述多个叶片相交)。因而，在具有多个叶片的燃烧器单元中，上述多个叶片具有弯曲的部段和下述部段，即，在流过该部段之上的流体中不引起角动量(例如，具有不绕轴线——特别是与所述中心轴线大体平行的轴线——径向地移动的直的部段的叶片)，第一点被认为处于弯曲的部段的开始处。
在本发明的定义内，所述HCV入口可朝向第二空间或者所述LCV入口可朝向第一空间定位。如果可能只是在一定程度上进行这种重新定位，那么燃烧不会受到不利影响，即，旋流燃烧器组件对于其功能而言不再有效。
由燃烧器壁和第二端部限定的第二空间可被称为燃烧管。优选地，燃烧管通常是圆筒状并具有内径和外径并绕中心轴线布置。更优选地，燃烧管内径介于多个叶片的外径的2倍到3倍之间。再更优选地，燃烧管内径是多个叶片的外径的2.5倍。
优选地，第一燃料入口和第二燃料入口中至少一者是喷嘴。各自的至少一个喷嘴由所述燃料入口中的至少一个孔限定，其中，至少一个孔可以呈任意形状。至少一个孔的面积之和具有与单个圆形孔的圆形直径等效的圆形直径。至少一个孔的面积之和也可被称为流动面积，例如，第一燃料入口流动面积或第二燃料入口流动面积，或者第一燃料入口或第二燃料入口的流动面积。
这种入口可以是所述第一燃料管路或所述第二燃料管路中的孔隙。所述入口不需定位在所述第一管路的所述第二端部处或所述第二管路的所述第二端部处，而是可沿所述管路定位。如果所述第一燃料入口或所述第二燃料入口包括多个开口，燃料入口的位置优选地被限定为在流动面积加权平均沿中心轴线的均值处。
优选地，旋流燃烧器组件包括点火器。优选地，点火器位于第二空间中。更优选地，点火器从第二空间从体部向外延伸。更特别地，点火器可从第二空间从体部向外径向地延伸，即，点火器可从第二空间沿径向向外的方向在体部外延伸。更优选地，点火器的点火端定位于第二空间内。在某些实施例中，点火器位于体部第二端部之外。在某些实施例中，点火器延伸穿过燃烧器壁或穿过体部第二端壁。
优选地，燃烧器壁具有(即，限定)至少一个空气分流开口，其中，所述至少一个空气分流开口包括从燃烧器壁的第一空间侧部延伸至第二空间侧部的至少一个孔(即，孔隙)。更优选地，所述至少一个空气分流开口与多个叶片的外径径向同心。更优选地，所述至少一个空气分流开口是同心地布置的连续孔。
虽然使用了术语孔，该孔可采取任意形状或形式，通过这样的形状或形式在燃烧器壁中实现了从第一空间向第二空间轴向地延伸的通道或开口。
优选地，所述燃烧器壁中的所述至少一个空气分流开口定位于多个叶片的所述外径的径向外部。更优选地，所述燃烧器壁中的所述至少一个空气分流开口定位于所述体部的径向内部。
优选地，如果存在，至少一个空气分流开口允许一定比例的氧化剂流量通过至少一个孔从第一空间传递至第二空间。
更优选地，至少一个空气分流开口适于使得穿过至少一个空气分流开口的氧化剂流量与在所述至少一个燃烧器单元的多个叶片的下游处穿过所述至少一个燃烧器单元的氧化剂和燃料的混合物在第二空间中汇聚。
燃烧器壁中的至少一个空气分流开口导致了旋流燃烧器组件的不同的操作。不是所有的氧化剂和燃料都通过旋流混合器进入第二空间内，而是允许一些氧化剂直接传递至第二空间，而不需要事先与燃料混合。这是有利的，因为穿过燃烧器壁中的至少一个空气分流开口的氧化剂流在被点燃的燃料周围提供流至旋流燃烧器组件第二端部的氧化剂流。这种氧化剂流建立了使体部与被点燃的气体的热量部分地分离开的屏障(“氧化剂幕”)。
在所述至少一个空气分流开口定位于进一步径向远离所述旋流混合器的实施例中，允许沿所述体部引导氧化剂流由此激发更多层流并建立更可持续的界限条件，以便抵抗被点燃气体的热量。
优选地，旋流燃烧器组件、特别地至少一个空气分流开口、适于或构造为使得在使用时穿过至少一个空气分流开口的氧化剂流量介于穿过旋流混合器的总的氧化剂流量的5％到20％之间。更优选地，其介于7.5％到15％之间，更优选地，介于穿过旋流混合器的氧化剂流量的8.75％到12.5％之间。
在某些实施例中，体部包括单一壁，单一壁从燃烧器壁延伸至第二端部并具有内表面，内表面限定体部内表面并且因而限定第二空间。
在其它实施例中，体部是多壁式的体部，多个壁从燃烧器壁延伸至第二端部，内壁具有内表面，内表面限定体部内表面并且因而限定第二空间，而外壁位于所述内壁的外部。第三空间被限定于所述燃烧器壁、所述内壁、所述外壁和所述第二端部之间。更特别地，第三空间被限定于所述燃烧器壁、所述外壁的内表面、所述内壁的外表面和所述第二端部之间。
优选地，燃烧器壁附加地包括位于所述第一空间与所述第三空间之间的至少一个旁路开口。因而，流体流路径被限定为从所述氧化剂入口到所述第一空间到所述至少一个旁路开口再到所述第三空间。
氧化剂可单独地从第三空间中排出或与从第二空间中排出的流体一起从第三空间中排出。例如，可提供与第二空间和第三空间流体流连通的排出气体(例如、旋流燃烧器体部排出气体)。可替代地，可提供来自第二空间和第三空间的分离的排出气体。
除非上下文另有规定，本文提及开口时指的是部件中孔、通道、开口或通路，并且这样的术语是可互换的。各自的开口可具有从由以下各项组成的组中独立选择的形状，包括孔、通道和槽。各自的开口可具有从由以下各项组成的组中选择的横截面形状，包括圆形、卵形、椭圆形、矩形、肾脏形(即，肾形的)和近于环状(即，几乎为环形)。
优选地，燃烧器壁中的至少一个旁路开口与中心轴线或与多个叶片的外径同心布置。更优选地，至少一个旁路开口是同心地布置的连续孔或一组孔。
优选地，如果存在，至少一个旁路开口允许一定比例的氧化剂从第一空间流至第二端部而不流经第二空间。
至少一个旁路开口和经第三空间到第二端部的流动路径允许一定比例的入口氧化剂绕过至少一个燃烧器单元。这允许更大的氧化剂流量流经第一空间而不对燃烧产生不利影响(即，保持至少一个燃烧器单元处的拉姆达在可接受的范围内)。这提供了显著的优势，即，旋流燃烧器组件能够在更大范围的拉姆达值上运行(基于穿过氧化剂入口进入第一空间内的氧化剂流量和穿过第一燃料入口和第二燃料入口的燃料流量计算出拉姆达值)。
优选地，每个第一燃料入口与HCV燃料源流体流连通。优选地，每个第二燃料入口与LCV燃料源流体流连通。
优选地，旋流燃烧器组件是用于燃料电池系统的燃烧器。更优选地，旋流燃烧器组件是尾气燃烧器，其中，尾气燃烧器是适合于燃烧来自燃料电池堆的阳极废气和阴极废气的燃烧器。
优选地，旋流燃烧器组件与燃料电池组件或系统成一体，更优选地，与固体氧化物燃料电池系统成一体，再更优选地，与中温固体氧化物燃料电池系统成一体。
优选地，旋流燃烧器组件与燃料电池系统流体流连通，更优选地，与燃料电池系统的燃料电池堆流体流连通。优选地，氧化剂入口与氧化剂源流体流连通。更优选地，氧化剂入口与至少一个燃料电池堆阴极废气出口流体流连通。优选地，至少一个燃烧器单元与至少一个燃料电池堆阳极废气出口流体流连通。更优选地，至少一个燃烧器单元的第一燃料入口与燃料电池系统的至少一个燃料源流体流连通。优选地，至少一个燃烧器单元的第二燃料入口与至少一个燃料电池堆阳极废气出口流体流连通。
优选地，燃料电池系统是固体氧化物燃料电池(SOFC)系统。更优选地，燃料电池系统是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)系统。
旋流燃烧器组件可由本领域已知的材料形成，例如，用于管路和壁的金属合金以及用于管的玻璃。由于温度较高，材料必须具有耐高温性。
根据本发明还提供了一种运行根据本发明的旋流燃烧器组件的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将氧化剂供给至所述氧化剂入口；
(ii)供给燃料，包括将HCV燃料供给至所述第一燃料入口和将LCV燃料供给至所述第二燃料入口中至少一者；以及
(iii)使所述燃料在所述第二空间中燃烧。
优选地，当HCV燃料被供给至所述HCV燃料入口时，所述氧化剂和所述HCV燃料流在所述第一空间中、第一燃料入口与旋流混合器之间汇聚，并且当LCV燃料被供给至所述LCV燃料入口时，所述氧化剂和所述LCV燃料流在第二空间中、旋流混合器与第二端部之间汇聚。
如上所述，优选地，HCV燃料是含有甲烷、乙烷、丙烷或其任意组合的燃料。更优选地，HCV燃料被认为是沃泊指数(Wobbe index)介于36MJ/m3和85MJ/m3之间的燃料。典型的HCV燃料是天然气——天然气的沃泊指数(Wobbe index)为48MJ/m3到54MJ/m3。
优选地，LCV燃料是具有较高比例的H2、CO或CO2的燃料。更优选地，LCV燃料的沃泊指数(Wobbe index)通常介于18MJ/m3和35MJ/m3之间，更优选地，介于22MJ/m3和26.53MJ/m3之间。
优选地，氧化剂是空气或来自运行的燃料电池的阴极废气(这样的氧化剂与空气相比而言之后部分氧被消耗)。更优选地，所述氧化剂是来自运行的固体氧化物燃料电池的阴极废气，更优选地，来自运行的中温固体氧化物燃料电池的阴极废气。
LCV燃料可通过诸如HCV燃料的碳氢燃料的重整形成，并且重整过程可包括使用诸如空气或蒸汽的氧化剂进行处理。LCV可在进入旋流燃烧器组件之前在燃料电池中进行电化学反应。SOFC燃料电池堆阳极废气可被认为是LCV燃料。
优选地，碳氢燃料的重整在燃料电池系统中进行。更优选地，旋流燃烧器组件与燃料电池系统成一体并使由燃料电池系统产生的阳极废气燃烧。
优选地，HCV燃料和/或LCV燃料在第二空间中通过点火器点燃或燃烧。更优选地，点火在多个叶片的下游处进行。优选地，使所述燃料在所述第二空间中燃烧的步骤包括在所述第二空间中点燃所述燃料并使所述燃料燃烧。
优选地，第一空间和所述第二空间的至少一者为密封的或封闭的空间。更优选地，当所述燃烧器单元从所述体部中的开口向外延伸时形成密封。
优选地，燃烧气体从第二空间流动穿过体部的第二端部(即，下游端部)或从第二空间穿过体部的第二端部被排出。
燃烧器壁使第一空间与第二空间分离的事实允许燃料燃烧并使燃料的燃烧被限制于第二空间。这允许控制不同的燃料在燃烧之前在旋流燃烧器组件的特定部分中的混合。这允许不同的混合量和不同的混合强度，特别地是由于如果在燃烧器壁中不存在旁路或孔那么所有的氧化剂和HCV燃料都必须穿过多个叶片以到达燃烧管。
氧化剂和HCV燃料流经多个叶片并流至第二空间内。氧化剂流和HCV燃料流在进入燃烧管之前汇聚使这两种流体流混合。流经多个叶片的流体流也使这两种流体流在进入燃烧受限的燃烧管之前进一步混合。
氧化剂和燃料的混合物在第二空间中燃烧，并且该燃烧产生的产物从旋流燃烧器组件中排出。优选地，由该过程产生的热量被用于较热燃料电池堆和燃料电池系统。
优选地，HCV燃料和LCV燃料中至少一者与氧化剂的流量使得流至旋流燃烧器组件的气体流的氧化剂与燃料比(拉姆达)介于1和20拉姆达之间，更优选地，介于1和18拉姆达之间，更优选地，介于1和10拉姆达之间或介于2和18拉姆达之间。更优选地，当旋流燃烧器具有氧化剂和HCV燃料(没有LCV燃料)的流时，旋流燃烧器组件以小于5拉姆达的氧化剂与燃料比运行。
拉姆达的相关测量在燃烧器入口处进行，即，氧化剂入口、HCV入口和LCV入口处。
在旋流燃烧器组件与燃料电池系统成一体的实施例中，有利的是，旋流燃烧器组件能够在较大的拉姆达范围上运行，因为流至旋流燃烧器组件的氧化剂流、在某种程度上、LCV流由燃料电池堆及其上的电流消耗决定。因此，使旋流燃烧器组件保持稳定的燃烧的较大的拉姆达运行范围将(a)通过限制氧化剂流量防止旋流燃烧器组件决定燃料电池堆的运行，并且/或者(b)允许所有阴极废气和阳极废气流至旋流燃烧器组件。
优选地，至少一个旁路开口和/或至少一个空气分流开口适于使馈送至旋流燃烧器组件的氧化剂和燃料(穿过第一燃料入口和第二燃料入口的燃料)的拉姆达范围加倍。
优选地，至少一个旁路开口和/或至少一个空气分流开口适于使馈送至旋流燃烧器的氧化剂和燃料的流的氧化剂与燃料的比为2到18拉姆达。
第一燃料入口或第二燃料入口的至少一个喷嘴的等效直径可由穿过它们的所需速度限定。优选地，穿过至少一个燃烧器单元的第一燃料入口的HCV燃料的速度介于3m/s和6m/s之间。更优选地，穿过至少一个燃烧器单元的第二燃料入口的LCV燃料的速度介于10m/s和35m/s之间。
本文中用来指定部件的内含物的术语“包括”也包括不存在其它部件的实施例。
在所附的独立权利要求中阐述了本发明的特定和优选的方面。从属权利要求中的特征的组合可根据需要并视情况与独立权利要求的特征相结合而不仅仅如在权利要求中明确阐述的那样。
附图说明
图1示出了根据本发明的旋流燃烧器组件的局部剖视平面示意图；
图1A示出了图1的旋流燃烧器组件的第一端部视图的示意图示(图1是沿图1A的A-A线截取的)；
图1B示出了图1的旋流燃烧器组件的第二端部视图的示意图示；
为了方便，图1A和图1B以点火器旋转90度并且空气入口略微旋转的状态示出以确保清楚地示出部件的大体布置。
图2示出了在图1中标记为“A”的结构的详细示意图；
图3示出了根据本发明的旋流燃烧器组件的局部剖视平面示意图并进一步包括空气幕结构；
图4示出了在图3中标记为“B”的结构的详细示意图；
图5示出了根据本发明的旋流燃烧器组件的局部剖视平面示意图并进一步包括旁路结构；
图6示出了在图5中标记为“C”的结构的详细示意图；
图7示出了根据本发明的旋流燃烧器组件的详细的局部剖视平面示意图，其包括空气幕和旁路结构；
图8A示出了来自根据本发明的旋流燃烧器的运行阶段的测试结果数据的趋势图。温度和排放量对比时间示出，其中，旋流燃烧器最初处于启动运行模式并且之后处于稳定状态运行模式；
图8B示出了来自图8A的运行阶段的测试结果数据的趋势图。示出了燃料流量与时间的对比；
图8C示出了图8A的运行阶段的测试结果数据的趋势图。示出了拉姆达与时间的对比；
图9A示出了来自根据本发明的旋流燃烧器的运行阶段的测试结果数据的趋势图。示出了温度和排放量与时间的对比，其中，处于稳定状态运行中的旋流燃烧器进行阶跃式变化；
图9B示出了来自图9A的运行阶段的测试结果数据的趋势图。示出了燃料流量与时间的对比；
图9C示出了来自图9A的运行阶段的测试结果数据的趋势图。示出了拉姆达与时间的对比；
图10A示出了根据本发明的旋流燃烧器的运行阶段的测试结果数据的趋势图。示出了温度和排放量与时间的对比，其中，旋流燃烧器经历多个热启动；
图10B示出了图10A的运行阶段的测试结果数据的趋势图。示出了燃料流量与时间的对比；
图10C示出了图10A的运行阶段的测试结果数据的趋势图。示出了拉姆达与时间的对比。
具体实施方式
在说明书的其余部分中更尤其地阐述了本发明的对本领域普通技术人员而言的充分且能够实现的公开内容、包括其最佳模式。现将详细地参照本发明的实施例，以下阐述其中的一个或多个示例。每个示例均作为对本发明的说明而非对本发明的限制被提供。
对本领域普通技术人员而言将是明显的是可在本发明中做出不同的改型和变型而不偏离本发明的范围。举例来说，作为一个实施例的一部分所说明的特征可用在另一实施例上以产生又一实施例。因而，意在使本发明涵盖落入随附权利要求和它们的等效权利要求的范围内的改型和变型。
在说明书的其余部分中公开了本发明的其它目的、特征和方面。本领域普通技术人员可理解的是，本论述仅是对示例性实施例的说明并非意在限制本发明的更广义的方面，这些更广义的方面以示例性构造的方式体现。
在本说明的结尾处给出了本文使用的附图标记列表。附图标记在本说明书和附图中的重复使用意在表示相同或类似的结构或元件。
为了进行本说明，术语燃烧器、旋流燃烧器和旋流燃烧器组件可被理解为指代本发明的旋流燃烧器组件，并且在适当的情况下，它们易于互换。
在以下的具体实施例中，燃料电池系统是包括至少一个燃料电池堆的IT-SOFC(中温固体氧化物燃料电池)系统，其中，至少一个燃料电池堆的燃料电池通常在450-650摄氏度的范围内工作。在其它实施例中，其它燃料电池系统以相应的工作温度范围被使用。
参照图1，其示出了旋流燃烧器组件10。旋流燃烧器组件10包括大体圆筒形(即，主要呈圆筒形)的旋流燃烧器体部12，旋流燃烧器体部12具有中心轴线12’、旋流燃烧器体部顶端壁16和旋流燃烧器体部底端壁14，其中，旋流燃烧器体部底端壁14限定旋流燃烧器体部下游端部30。
尽管术语“旋流燃烧器体部顶端壁16”被用于整个说明书，该部分也被称为“旋流燃烧器第一端部”。同样，“旋流燃烧器体部底端壁14”也被称为“旋流燃烧器第二端部”。
旋流燃烧器组件10由燃烧器壁40划分成区段，燃烧器壁40与体部12相交成径向地横穿其圆筒形形状。燃烧器壁40具有面向旋流燃烧器体部下游端部30的下游面42。燃烧器壁40还具有面向旋流燃烧器体部顶端壁16的上游面44。体部12的位于体部顶端壁16与燃烧器壁40之间的部分限定了第一部段，该第一部段在本文中被称为燃烧器管50。体部12的位于燃烧器壁40与体部底端壁14之间的部分限定了第二部段，该第二部段大体呈圆筒形并具有体部内表面64和体部外表面66。
第一空间52由燃烧器壁上游面44、旋流燃烧器体部顶端壁16的内部面54以及燃烧器管内部表面56限定(即，被限定于其之间)。类似地，第二空间62由体部内表面64、旋流燃烧器体部底端壁14以及燃烧器壁下游面42限定(即，被限定于其之间)。
燃烧器单元100具有燃烧器单元第一端部20和燃烧器单元第二端部124。燃烧器单元第一端部20(上游端部)从旋流燃烧器组件10中伸出并且特别地从第一空间52穿过旋流燃烧器体部顶端壁16中的开口16’伸出。燃烧器单元第二端部124(下游端部)从第一空间52中穿过燃烧器壁40中的开口40’伸入第二空间62。
燃烧器壁40和旋流燃烧器体部顶端壁16具有限定于它们之中的开口(分别为开口40’和开口16’)以允许燃烧器单元100穿过它们通过或放置。这允许燃烧器单元100的制造与旋流燃烧器体部12分开进行。因此，组件简单地需要将燃烧器单元100穿过旋流燃烧器体部顶端壁16中的开口16’和燃烧器壁40中的开口40’而放置。
燃烧器单元100的肩部112抵接燃烧器壁40并防止燃烧器单元100进一步进入到旋流燃烧器体部12和第二空间62内。燃烧器单元100之后通过借助焊接在旋流燃烧器体部顶端壁16处将燃烧器单元100联结至旋流燃烧器体部12而被限制于适当的位置。在其它的实施例中，使用其他的联结技术，包括锡焊(soldering)、钎焊(brazing)、定位焊或本领域已知的任何其它联结技术。这导致在燃烧器单元100与旋流燃烧器体部顶端壁16之间形成密封，使得第一空间(第一空间52)被封闭。类似地，在肩部112抵接燃烧器壁40的情况下，在它们之间产生密封。
尽管以下对单个的燃烧器单元进行了说明，在其它实施例(未示出)中，使用了多个燃烧器单元100，其中，它们穿过旋流燃烧器体部12(例如穿过旋流燃烧器体部顶端壁16)、穿过第一空间52、穿过燃烧器壁40并进入第二空间62内。
在如图1所示的旋流燃烧器组件10中，燃烧器单元100穿过第一空间52并定位成与燃烧器管内部表面56大致等距。燃烧器管内部表面56的一部分具有开口以允许空气经空气入口70馈送穿过旋流燃烧器体部12进入第一空间52内。点火器开口82以类似的方式穿过旋流燃烧器体部12，点火器80经点火器开口82伸入至第二空间62内。
点火器80和空气入口70的定位在图1中示出为在旋流燃烧器体部12的轴线的彼此相反的两侧。在其它实施例(未示出)中，空气入口70和点火器80的定位可被改变。
空气被馈送至第一空间52内，并且由于点火器80的点火而在第二空间62中进行燃料的初始点火。
第二空间62限定燃烧管，气体将在燃烧管中燃烧。
在图1A和图1B中示出了旋流燃烧器体部排气装置15(其定位成接近旋流燃烧器体部底端壁14并且从第二空间62中排放气体，即，与第二空间62流体流连通)。为了简单且方便，没有在图1中示出该旋流燃烧器体部排气装置15。为了方便，图1A和图1B以点火器80旋转90度并且空气入口70略微旋转的状态示出以确保清楚地示出部件的大体布置。
参照图2，其示出了旋流燃烧器组件10和燃烧器单元100的更详细的视图。燃烧器单元100的穿过第一空间52的部分具有燃烧器单元外部体部110，燃烧器单元外部体部110大致呈圆筒形并沿与旋流燃烧器体部12相同的圆筒形方向(在中心轴线12’上)对齐。燃烧器单元100具有燃烧器单元顶部内表面111，燃烧器单元顶部内表面111面向燃烧器壁40的大体方向。燃烧器单元100的穿过燃烧器壁40中的开口40’进入第二空间62内的端部是燃烧器单元第二端部124(即，燃烧器单元底部端部)。燃烧器单元外部体部110是有壁体部并具有一定的厚度。燃烧器单元外部体部110的内表面是内部面114。燃烧器单元内部空间116由内部面114、燃烧器单元顶部内表面111和燃烧器单元第二端部124限定(即，被限定于其之间)。
燃烧器单元外部体部110穿过燃烧器壁40中的开口40’伸入第二空间62内。在燃烧器单元外部体部110穿过燃烧器壁40伸出的情况下，燃烧器单元外部体部110具有肩部112。肩部112在远离燃烧器单元第一端部20的位置处呈阶梯状，使得燃烧器单元外部体部110的所述壁厚减小(在组装完的旋流燃烧器组件10中，这位于使燃烧器单元100在穿过燃烧器壁40伸出之前到达燃烧器壁下游面(42：图1)点处)。燃烧器单元外部体部110的具有厚度减小的壁的部分是外部轴环140，其中，外部轴环140共同具有相同的内部面114并具有外部轴环外表面144。外部轴环140穿过燃烧器壁40伸入第二空间62内远至燃烧器单元第二端部124的位置。
肩部112被限制在燃烧器壁下游面(42：图1)的反面(against)，这有利地防止肩部112在燃烧器单元100穿过燃烧器壁40中的开口和旋流燃烧器体部顶端壁16定位时穿过燃烧器壁上游面44。当组装旋流燃烧器组件时，这允许将燃烧器单元100简单地插入至旋流燃烧器体部12内，而不需测量其应当定位至穿过第一空间52多远的位置处。这使燃烧器单元100的机加工和肩部112的定位能够限定燃烧器单元100的位置并且这导致无论被制造的旋流燃烧器组件10的数量如何燃烧器单元100都相对于旋流燃烧器体部12更一致地定位。这还导致旋流燃烧器组件10的更快的组装过程，因为如果制造一致的话则不需要用以定位燃烧器单元100的附加的测量。
燃烧器单元外部体部110具有穿过内部面114的使第一空间52与燃烧器单元内部空间116邻接的至少一个空气入口孔115(在这个实施例中，多个空气入口孔115)。这些空气入口孔115允许来自第一空间52的气体通过进入燃烧器单元内部空间116内(或沿相反的方向，然而，旋流燃烧器组件10的运行应当对其进行阻止)。空气入口孔115呈圆筒形形状并且它们绕外部体部110的圆筒形形状的外周而布置。在其它实施例(未示出)中，空气入口孔115的其它几何形状是可能的。
除空气入口孔115以外，第一空间52通常与位于其内部的燃烧器单元内部空间116隔绝。这确保了来自空气入口70的空气必须在流入到第二空间62内之前行进穿过空气入口孔115。
HCV燃料管120平行于燃烧器单元外部体部110延伸并定位于燃烧器单元外部体部110的径向内部。HCV燃料管120穿过燃烧器单元100内的燃烧器单元顶部内表面111突出到燃烧器单元内部空间116内。HCV燃料管120是具有HCV燃料管内表面121和HCV燃料管外表面122的有壁的圆筒。HCV入口125位于HCV燃料管120的下游端部处。
LCV燃料管130平行于HCV燃料管120延伸并定位于HCV燃料管120的径向内部。指部130’从LCV燃料管130延伸并使LCV燃料管130在HCV燃料管120内对中。LCV燃料管130穿过燃烧器单元顶部内表面111伸出并经过HCV管内部空间123、经过HCV入口125、经过燃烧器单元第二端部124(穿过燃烧器壁40中的开口40’)并进入第二空间62内。LCV燃料管130主要地是具有内表面131和外表面132的有壁的圆筒。LCV入口135位于LCV燃料管130的下游端部。
HCV管内部空间123由HCV燃料管内表面121、LCV管外表面132、HCV入口125和燃烧器单元第一端部20限定(即，被限定于其之间)。LCV管内部空间133由LCV管内表面131、LCV入口135和燃烧器单元第一端部20限定(即，被限定于其之间)。虽然在附图中未示出，HCV燃料管120的沿上游方向延续的端部将被连接至HCV燃料供给装置，特别参照图1A和图1B，可以看到HCV燃料管120被示出为在到达燃烧器单元第一端部20之前自垂直于燃烧器100的方向接近旋流燃烧器组件10。同样，LCV燃料管130的沿上游方向延续的端部将被连接至LCV燃料供给装置。
HCV入口125定位于燃烧器单元内部空间116内、燃烧器壁40的上游，并且LCV入口135定位于第二空间62中。HCV入口125位于与肩部112的径向平面上，即，与旋流燃烧器体部12的圆筒的轴线垂直的平面。LCV入口135位于下游方向上更远的位置，即，比燃烧器单元第二端部124更进一步地朝向旋流燃烧器体部下游端部30。
LCV燃料管130没有直接通向HCV燃料管内部空间123的开口。也就是，HCV管内部空间123除作为通向燃烧器单元内部空间116的开口的位于HCV入口125处的开口之外是封闭的。同样，旋流燃烧器组件10内的用于LCV燃料管130的唯一开口是位于LCV入口135处的通向第二空间62内的开口，即，LCV管内部空间133除LCV入口135之外是封闭的。如前所述，虽然未示出，HCV燃料管120和LCV燃料管130的沿上游方向延续的端部将被连接至适当的燃料供给装置。
这种封闭确保流经燃料管路的流体流或每个管路的内部空间内的空气不会混合。在运行时，将存在沿下游方向流经管路的流体流，这将进一步确保在存在流体流时燃料或空气的流不能因流体流的压力而向下流回管路。
旋流混合器150位于HCV燃料入口125的下游、即、更进一步地朝向旋流燃烧器体部下游端部30并位于LCV入口135的上游、即、更进一步地远离旋流燃烧器体部下游端部30。旋流混合器150具有叶片155，叶片155用于引导穿过叶片155的流体流。叶片155从外部轴环140的内部面114延伸至内部轴环160、并且更具体地、延伸至内部轴环外表面162。内部轴环160定位于外部轴环140的内部、LCV燃料管130的外部并从旋流混合器150的中央沿朝向旋流燃烧器体部下游端部30的下游方向延伸。内部轴环160没有比燃烧器单元第二端部124在下游方向上延伸得更远，这与外部轴环140的情况相同。LCV燃料管130在内部轴环内表面163之间通过。
旋流混合器150是轴向旋流式旋流混合器。叶片155可以是影响穿过它们的流体流的任意数量的叶片，使得它们引起轴向旋流。轴向旋流对于减小火焰长度而言是重要的，因为在燃烧管(即、第二空间62)内产生回流区/再循环区(recirculation zone)。
外部轴环140和内部轴环160有利地对进入第二空间62内的氧化剂和燃料的流产生影响，并且对由旋流混合器150形成的回流区的位置产生影响。这导致改进的旋流以便减小火焰长度并且这控制火焰位置使得其靠近旋流混合器150而不与其接触。这保护叶片155和LCV入口135不与直接的燃烧接触因而防止诸如叶片表面上或入口表面上的凹陷之类的变形。
参照图3和图4，其示出了旋流燃烧器组件200，旋流燃烧器组件200类似于图1和图2的旋流燃烧器组件。然而，存在穿过燃烧器壁40的空气分流开口210。空气分流开口210是围绕旋流混合器150径向布置的贯穿孔。
空气分流开口210使第二空间62与第一空间52邻接，空气分流开口210使来自空气入口70的空气流能够传递至第二空间62而不穿过旋流混合器150，并且，当存在流经HCV燃料管130的流体流时，穿过空气分流开口210的空气与穿过HCV燃料管130的HCV燃料在第二空间62中的混合将受到限制。
这种结构使流经空气分流开口210的空气能够沿体部内表面64形成空气幕。空气幕在燃烧与体部内表面64之间设置了界限。这种空气幕可被用于优选降低体部内表面64的温度并且因此降低体部外表面66的温度的情况下。
空气分流开口210构造成使得流经空气入口70的总流量的约10％通过它们。
参照图5和图6，设置有旋流燃烧器组件300，旋流燃烧器组件300类似于图3和图4中可见的旋流燃烧器组件，其中，旋流燃烧器组件300是多壁式体部。内壁360从燃烧器壁40延伸至旋流燃烧器体部底端壁14，内壁360具有内壁内表面364(即，旋流燃烧器体部12的内表面)和内壁外表面366。第二空间362由旋流燃烧器体部底端壁14、燃烧器壁40和内壁360限定(即，被限定于其之间)。外壁310具有外壁内表面361并从燃烧器壁40延伸至旋流燃烧器体部底端壁14并且位于内壁360的外部。第三空间363由燃烧器壁40、旋流燃烧器体部底端壁14、内壁外表面366和外壁内表面361限定(即，被限定于其之间)。
第二空间362是燃烧管，即，气体的燃烧在该空间中进行。
旁路开口320穿过燃烧器壁40、位于内壁外表面366的径向外部并且位于外壁内表面361的径向内部。
第一空间52内的来自空气入口70的空气可通过旁路开口320并进入第三空间363内。内壁360防止旁路空气移至燃烧区(即，第二空间362)内，并且来自燃料入口的燃料与第三空间363中的空气的混合不会发生。旁路空气和燃烧器燃烧产物可在第二空间362和第三空间363的下游方向上、即、旋流燃烧器体部底端壁14的下游混合。
该结构已知为空气旁路。这一结构允许穿过第三空间363的空气完全旁路而不干扰燃料的燃烧。在需要旋流燃烧器组件10以比被设计为用于燃烧器单元100的空气燃料比大的空气燃料比起作用的情况下这可能是有用的，并且因此，空气能够旁路穿过第三空间363，但排放量仍将在设计限值内。
这可使旋流燃烧器组件10能够以高得多的空气燃料比起作用，诸如2到18拉姆达的空气燃料比。
在一些实施例(未示出)中，空气的旁路不需要是永久性的结构，但旁路开口320可根据需要而实现，例如，通过的位于燃烧器壁40中的旁路开口320的打开而实现。因此，运行模式可决定是否需要旁路。
图5示出了用于旋流燃烧器组件300的点火器开口82穿过第三空间363伸出，使得点火器80定位于第二空间362内。点火器开口82的延伸是必要的以允许点火器80能够在与可燃气体相同的空间中引起火花(即，以形成燃烧管)。
图7示出了旋流燃烧器组件400，旋流燃烧器组件400类似于上文所述的旋流燃烧器组件，其包括空气分流开口结构(用于空气幕)和旁路结构二者。因而，设置有第三空间363，以及多个空气分流开口210，进而将这些结构结合在单一的燃烧器中。具有旁路开口320意味着流经空气入口70的总流量的约5％通过空气分流开口210。
流经第三空间363的空气流具有冷却内壁360的副效应。然而，在需要附加冷却的情况下，由空气分流开口210提供的空气幕可与旁路开口320相结合，如图7所示，由此通过流经内壁外表面(366：图5)和内壁内表面(364：图5)的空气流冷却内壁360。
在燃烧区的下游、即、在第二空间62的下游方向上超出旋流燃烧器体部底端壁14的位置测量燃烧器出口处的温度。在利用空气旁路的构型中，燃烧器出口处的温度是来自第二空间的排出气体和来自第三空间的排出气体的结合流的温度。在利用空气旁路的构型中，旁路空气和燃烧产物可在旋流燃烧器体部下游端部30的下游混合。
当用于燃料电池系统时，燃烧器具有四种操作模式：
1)预热、非重整：
在燃料电池系统不热的情况下，必须在达到操作状态之前对堆进行加热。这种初始阶段使燃料电池堆栈出口的温度升高至大于275摄氏度，更优选地大于300摄氏度。燃料可以是气态的或被汽化的，但在这种模式中，HCV燃料被直接馈送至燃烧器。
考虑图1和图2的旋流燃烧器组件10，在这种模式中，HCV燃料经燃烧器单元100的HCV燃料管120被馈送到燃烧器内。HCV燃料在HCV入口125处离开HCV燃料管120。与这项操作同步，空气经空气入口70被馈送至第一空间52内。这个空间内的空气通过空气入口孔115进入燃烧器单元内部空间116内并沿下游方向流向旋流燃烧器体部下游端部30。
在到达旋流混合器150之前，即，在旋流混合器150的上游，HCV燃料和空气自进入旋流燃烧器体部12以来第一次彼此接触。在这里，HCV燃料和空气进行最初的预混合。HCV燃料和空气的混合物通过旋流混合器150并且HCV燃料和空气在穿过旋流混合器150并且刚刚进入第二空间62内时进行最大程度的混合。正位于旋流混合器150的下游的这个区域是混合区。对于允许完全燃烧并减小诸如CO和NOX之类的不需要的排放物的量而言，HCV燃料与空气的高度混合是重要的。
虽然使用了术语“空气”，“氧化剂”连同本领域使用的其它术语也是用以说明含氧介质的常用术语。因此，根据本说明书的需要，空气和氧化剂是可互换的。
HCV燃料和空气的混合物之后经由点火器80点燃。旋流混合器150是轴向旋流器，其导致在第二空间62内存在反向流动区域或回流区。回流区不仅影响燃烧区，还影响混合区。这具有多种益处：HCV燃料混合物的理想燃烧应当在这个区中发生因为混合将是最强烈的；同样反向流具有减小火焰长度的效果。由于回流区而导致火焰位置正好位于旋流混合器150的下游。
在这种操作模式期间，空气流速由控制系统控制，控制系统除其它测量外还测量燃烧器的入口温度。HCV燃料流量由控制系统使用比例控制阀控制，比例控制阀根据燃烧器下游端部处的温度改变HCV燃料流速。在这种模式下的穿过燃烧器的空气流速可从70SLM到116SLM不等。预计HCV燃料流速介于0.8SLM到6SLM之间。空气-燃料当量比(拉姆达)可等于或小于4。然而，在另外的布置中，在这种模式下的穿过燃烧器的空气流速可从70SLM到300SLM不等。同样，在另外的布置中，HCV燃料流速可介于0.8SLM到8SLM之间。
HCV燃料入口125的布置和定位的变化连同该入口中的孔的大小的变化可对燃烧器的燃烧和功能产生影响，诸如产生超出规定限值的不同的排放量。
2)预热、重整：
旋流燃烧器组件10的第二种操作模式在燃料电池堆温度大于275摄氏度、更优选地大于300摄氏度时进行。这种模式使燃料从直接馈送的HCV燃料转变为来自燃料电池堆的LCV燃料。也就是，LCV燃料可以是由燃料电池的反应产生的重整气体或阳极废气。
LCV燃料经LCV燃料管130被馈送至旋流燃烧器组件10内。这个LCV燃料管130穿过旋流混合器150的内径的中央并进入第二空间62内。LCV燃料仅在这一点处经LCV入口135被馈送至第二空间62内。值得注意的是，这是HCV燃料的火焰位置的下游。
由于LCV燃料不穿过旋流混合器150，在第二空间62中存在不太强烈的与空气的混合区域并且与HCV燃料相比在燃烧之前仅与空气进行较小量的混合。然而，对LCV燃料而言，这是优选的，因为该成分不利于用以导致CO和NOX的较低排放的高度混合的预燃。
燃烧在LCV入口135的下游进行。存在旋流混合器150的互补效应：LCV燃料的燃烧通常导致较长的火焰，即，比HCV火焰更大的长度，这部分是由于不太强烈的燃烧和更大的体积流量；旋流混合器150的反向流区域减小了LCV燃料火焰的火焰长度。这种火焰长度的减小对于节省空间、允许更短的、更紧凑的旋流燃烧器体部12是有用的，而且对于保护朝向旋流燃烧器组件10的下游端部、甚至超出旋流燃烧器组件10的下游端部的仪器(即，体部底端壁14的下游)也是有用的。
随着燃料电池堆的温度向550摄氏度增加，控制系统使HCV流量减小，并且因此在燃料电池进行电化学反应时HCV燃料和LCV燃料的混合运行移向单独的LCV燃料运行。
3)怠速/功率牵引
在第三种运行模式中，燃料电池堆通常处于约550摄氏度(单个的燃料电池和单个的燃料电池部件的精确温度将变化；燃料电池堆的燃料电池将在约500摄氏度至610摄氏度的范围内、或在约500摄氏度到615摄氏度的范围内或在约500摄氏度到620摄氏度的范围内运行)。这是主要LCV燃料情况。在这种模式中，LCV燃料继续通过LCV燃料管130被馈送至燃烧器内。然而，LCV燃料流速现在由燃料电池堆以及燃料电池系统所需的电力输出确定。
在这种运行模式期间流经燃料电池系统的空气流量由燃料电池堆的温度控制。对燃烧器的出口温度进行监控，并且如果燃烧器的出口温度降至某一阈值以下，则添加额外的HCV燃料以使该系统的温度增加，这将保持并增加燃料电池堆的温度。然而，该系统被理想地设计成使得在这种模式中仅需要LCV燃料。
4)关机
在第四种运行模式中，减小LCV燃料流量以使燃料电池堆和燃料电池系统的温度减小直到燃料电池堆达到450摄氏度左右，流至燃料电池系统的HCV燃料流被停止，这又使流经LCV入口135的LCV燃料流停止并使燃烧终止。然后使燃料电池系统自然冷却下来。
参照图8A至图10C，示出了数个示出实证结果的趋势图。这些趋势图的附图标记总结如下。
NOXAir Free - 燃烧器的无空气的NOX排放量，
- 示出为向上指向的三角形的数据点；
CO Air Free - 燃烧器的无空气的CO排放流量，
- 示出为向下指向的三角形的数据点；
tAirTgbOut - 离开燃烧器的空气的温度，
- 示出为正方形的数据点；
tAirTgbIn - 进入燃烧器的空气的温度，
- 示出为圆形的数据点；
dmolFuelRef - 流入燃烧器内的LCV燃料，
- 示出为竖线的数据点；
dmolFuelTgb - 流入燃烧器内的HCV燃料，
- 示出为星号的数据点；
拉姆达 - 燃烧器入口处的燃烧器的燃料空气比，
- 示出为实心菱形的数据点。
图8A至图10C示出了旋流燃烧器组件在多种运行模式中实际运行的结果连同旋流燃烧器组件对不同事件的反应的图表。每种运行的三幅图(即，A、B和C)都示出了根据本发明的旋流燃烧器组件的相同运行周期。用于该数据采集的时间周期(x轴以小时为单位)没有从零开始示出并且代表了本发明的燃烧器在连续试验期间的不同运行阶段。
图8A、图9A和图10A中的趋势图示出了进入和离开旋流燃烧器组件的空气温度并被提供来示出旋流燃烧器组件自身正在产热——如由tAirTgbOut所示——并示出燃料电池堆通过燃烧器的运行而被加热以及热的废气被馈送回旋流燃烧器组件内——如由tAirTgbIn所示，即，进入旋流燃烧器组件内的温度。最顶部的趋势图还示出了燃烧气体内的一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOX)，即，离开旋流燃烧器组件的气体。这些值以百万分容积比(ppmv)为单位-百万分容积比是在本领域中用于这种气体的标准计量单位，并且这些值是不含空气的测量值，即，调整的值以模拟燃烧气体中的无氧条件。CO、NOX和其它燃烧产物被统称为排放物，因为它们是由气体的燃烧产生的主要产物，从环境的角度来看它们被认为是不需要的。因此，排放物的减少是许多有关气体燃烧的立法的主题。就本发明而言，排放通常指的仅是CO和NOX，因为这些是本发明旨在减少的主要产物。
图8B、图9B和图10B中的趋势图示出了HCV燃料和LCV燃料的燃料流量。这是流入旋流燃烧器组件内的燃料流量并且将指示旋流燃烧器组件在何种模式下运行。举例来说，当存在LCV流量时，其有可能来自已经达到足够的温度以产生现在可被燃烧的阳极废气的燃料电池堆。在趋势图上示出的HCV燃料流量指示存在流向旋流燃烧器组件的HCV燃料流。HCV燃料流可能存在于任何运行模式中，因为其馈送独立于燃料电池的运行。
图8C、图9C和图10C中的趋势图示出了空气与燃料比，其中，空气与燃料的等比将使拉姆达/空气量比值(lambda)为1，并且随着空气的比例增加使得空气和燃料的混合物变得更稀薄，拉姆达将增大。拉姆达的趋势图示出了旋流燃烧器组件入口处的燃料和氧化剂的流量的总拉姆达，即，空气入口70、LCV入口135和HCV入口125处的流量。所示的拉姆达包括当燃料电池运行时空气流中的氧气消耗量的计算。燃烧反应物的拉姆达是重要的，因为氧化剂的流量由燃料电池堆控制。因此，需要具有这样的旋流燃烧器组件，其能够在较大的拉姆达/空气量比值(lambda)范围上运行使得氧化剂流量不需要通过用于燃烧器的额外的燃料流量补偿来产生稳定燃烧。注意到，在燃料流量停止的情况下，趋势图上的拉姆达将增大超出预期范围，这是因为在没有燃料流量的情况下，空气与燃料的比率无穷大。这通常在拉姆达增大超过20的趋势图上可见。
参照图8A、图8B和图8C，最开始我们可在图8B中看到以8SLM开始的燃料流量是HCV燃料。图8A中示出的旋流燃烧器组件内的温度最开始相当低并且当然低于使燃料堆的重整操作开始所需的275摄氏度。因此这是模式1：预热、非重整。旋流燃烧器组件处于完全的HCV模式中并且拉姆达相当低，约3到4拉姆达，如在图8C中可见，也就是，燃料混合物相当丰富以产生用于加热燃料电池堆所需的热。值得注意的是，虽然这是处于预热阶段的完全的HCV燃料模式，排放仍然非常低甚至低于所需限值。注意到，对于排放限值而言，通常在一段时间内取排放平均值，启动阶段是预期的排放已知为更高的阶段。
随着燃料电池堆的温度升高，系统能够开始重整并且LCV燃料可供用于旋流燃烧器组件。这可通过进入旋流燃烧器组件的空气的温度的升高和LCV燃料流量的开始而看到。在这个阶段的排放量有了短暂的增加，但随着拉姆达下降并且温度升高，排放量迅速降至远低于目标值。燃烧器处于模式2：预热重整。这是一种双燃料运行模式，两个流体流通过相同的燃烧器在相同的燃烧管(即，第二空间62)中燃烧并且由此产生的排放量较低。
燃料堆的温度之后达到标称水平，可通过进入旋流燃烧器组件内的温度呈平稳状态而看到。现在这是模式3：稳定状态。在这种模式中，旋流燃烧器组件主要燃烧从燃料电池供给的LCV燃料。燃烧器的设计导致非常低的排放量，NOX的排放量为限值的十分之一左右，并且CO的排放量甚至更低。
图8A至图8C清楚地证明了燃料入口的几何形状和定位导致了能够处理燃烧要求差异很大的不同燃料但仍具有较低排放量的旋流燃烧器组件。
注意到，在图8A和图8C的右上角中趋势图图解说明被示出的位置处，数据点基本上以它们在这个图解说明之前所依照的方式延续并且没有被遮挡的异常数据点。
图9A至图9C示出了具有阶跃式变化的稳定状态运行，这种阶跃式变化可因燃料电池堆的不同电流消耗而发生。这将导致流至旋流燃烧器组件的不同燃料流量以及HCV燃料和LCV燃料的不同混合。已知的问题是阶跃式变化可因不同的燃烧特性和诸如火焰切换之类的发生导致排放量突然增加。这种情况下，旋流燃烧器组件以非常低的排放量运行。当阶跃式变化发生时，即，当燃料流量改变时，排放量确实略微增加，但仍远低于限值。这显示了旋流燃烧器组件所具有的在处于稳定状态时对于变化的燃料流量的弹性。
注意到，在图10A的右上角中趋势图图解说明被示出的位置处，数据点基本上以它们在这个图解说明之前所依照的方式延续并且没有被遮挡的异常数据点。
热启动会引起燃烧器和燃料电池系统的问题，这是众所周知的问题。因较高的空气入口温度所导致的燃烧特性可能差异很大，进而导致火焰不稳定并且因此排放量可能非常高。燃料电池堆可能需要12到16个小时来冷却到冷启动条件，然而燃料电池往往被更频繁地需要。因此需要旋流燃烧器组件能够执行热启动，但保持低排放量。在图10A到10C中示出了这样的情况，系统在进入旋流燃烧器组件的温度仍然很高、约为300摄氏度时重新启动，但在每种情况下，排放量未显著超过限值，而使CO很低。
注意到，在图10A的右上角中趋势图图解说明被示出的位置处，数据点基本上以它们在这个图解说明之前所依照的方式延续并且没有被遮挡的异常数据点。
总的来说旋流燃烧器组件的设计导致当在单一模式和混合模式下通过不同燃料驱动时排放量较低，以及在较大的拉姆达范围上运行并具有较小的火焰长度进而允许紧凑的设计。
本发明不仅限于上文的实施例，并且其它实施例对本领域普通技术人员而言将是显而易见的而不偏离随附权利要求的范围。
附图标记：
10 旋流燃烧器组件
12 旋流燃烧器体部
12′ 中心轴线
14 旋流燃烧器体部底(或第二)端壁
15 旋流燃烧器体部排气装置
16 旋流燃烧器体部顶(或第一)端壁
16’ 旋流燃烧器体部顶(或第一)端壁中的开口
20 燃烧器单元第一端部
30 旋流燃烧器体部下游端部
40 燃烧器壁
40’ 燃烧器壁中的开口
42 燃烧器壁下游面
44 燃烧器壁上游面
50 燃烧器管
52 第一空间
54 旋流燃烧器体部顶(或第一)端壁的内部面
56 燃烧器管内表面
62 第二空间
64 体部内表面
66 体部外表面
70 空气入口
80 点火器
82 点火器开口
100 燃烧器单元
110 燃烧器单元外部体部
111 燃烧器单元顶部内表面
112 肩部
114 燃烧器单元外部体部的内部面
115 空气入口孔
116 燃烧器单元内部空间
120 HCV燃料管
121 HCV燃料管内表面
122 HCV燃料管外表面
123 HCV管内部空间
124 燃烧器单元第二端部
125 HCV入口
130 LCV燃料管
130′ 指部
131 LCV燃料管内表面
132 LCV燃料管外表面
133 LCV管内部空间
135 LCV入口
140 外部轴环
144 外部轴环外表面
150 旋流混合器
155 叶片
160 内部轴环
162 内部轴环外表面
163 内部轴环内表面
200 具有氧化剂幕的旋流燃烧器组件
210 空气分流开口
300 旋流燃烧器组件
310 外部壁
320 旁路开口
360 内壁
361 外部壁内表面
362 第二空间(空气旁路)
363 第三空间
364 内壁内表面
366 内壁外表面
400 旋流燃烧器组件

Claims (15)

1.一种旋流燃烧器组件，包括：
(i)中空纵向长形的体部，所述中空纵向长形的体部沿中心轴线延伸并具有第一端部和第二端部；
(ii)位于所述第一端部处的端壁；
(iii)燃烧器壁，所述燃烧器壁位于所述第一端部和所述第二端部之间，并限定从所述第一端部到所述燃烧器壁的第一空间和从所述燃烧器壁到所述第二端部的第二空间；
(iv)通向所述第一空间的氧化剂入口；
(v)中空纵向长形的至少一个燃烧器单元，所述至少一个燃烧器单元具有燃烧器单元第一端部，所述燃烧器单元第一端部从所述第一空间向所述体部中的开口的外部延伸，所述燃烧器单元从所述第一空间向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的开口并延伸到燃烧器单元第二端部，并且所述燃烧器单元限定燃烧器单元内部空间，并包括：
(a)轴向旋流式旋流混合器，所述轴向旋流式旋流混合器定位于所述燃烧器单元的内部并位于所述燃烧器单元第一端部与所述燃烧器单元第二端部之间，所述旋流混合器包括多个叶片，所述多个叶片具有内径和外径、第一侧部和第二侧部，所述第一侧部朝向所述第一空间定位并通向所述第一空间，所述第二侧部朝向所述第二空间定位并通向所述第二空间；
(b)第一燃料入口，所述第一燃料入口通向所述第一空间，所述第一燃料入口定位于所述氧化剂入口与所述旋流混合器之间并且定位于所述多个叶片的所述外径的径向内侧；以及
(c)第二燃料入口，所述第二燃料入口通向所述第二空间并且接近所述燃烧器单元第二端部并位于所述多个叶片的所述外径的径向内侧，
其中，所述至少一个燃烧器单元中的每一个：
(A)限定了第一点，所述第一点是沿所述中心轴线最靠近所述第一端部的点，其中，在所述第一点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器单元旋流混合器的所述多个叶片相交；
(B)限定了第二点，所述第二点是沿所述中心轴线距离所述第一端部最远的点，其中，在所述第二点处垂直于所述中心轴线的平面与所述燃烧器单元旋流混合器的所述多个叶片相交；并且
(C)限定了几何中点，所述几何中点沿所述中心轴线与所述第一点和所述第二点的距离相等，
其中，
每个第一燃料入口位于所述氧化剂入口与所述旋流混合器之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的与所述第一点的距离介于所述第一燃料入口的流动区域的1倍等效圆形直径与2倍等效圆形直径之间的点相交，并且
每个第二燃料入口位于所述第一燃料入口与所述第二端部之间的与垂直于所述中心轴线的平面相交的点处，并且该平面与沿所述中心轴线的与所述几何中点的距离等于或小于所述多个叶片的所述内径的点相交。
2.根据权利要求1所述的旋流燃烧器组件，至少一个燃烧器单元进一步包括：
i)外部轴环，所述外部轴环从所述第一空间向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的所述开口，所述外部轴环具有外径、内径、第一端部和第二端部；并且
ii)包括内部轴环，所述内部轴环从所述第一空间向所述第二空间延伸穿过所述燃烧器壁中的所述开口，所述内部轴环具有外径、内径、第一端部和第二端部。
3.根据权利要求2所述的旋流燃烧器组件，其中，所述内部轴环位于所述外部轴环的径向内侧。
4.根据权利要求2或3所述的旋流燃烧器组件，其中，所述多个叶片在所述外部轴环与所述内部轴环之间径向地延伸，所述外部轴环的内径等于所述多个叶片的所述外径并且所述内部轴环的外径等于所述多个叶片的所述内径。
5.根据前述权利要求中任一项所述的旋流燃烧器组件，其中，所述第一燃料入口和所述第二燃料入口分别位于处于所述多个叶片的所述内径的径向内侧的点处。
6.根据前述权利要求中任一项所述的旋流燃烧器组件，还包括点火器。
7.根据权利要求6所述的旋流燃烧器组件，其中，所述点火器位于所述第二空间中并且所述点火器从所述第二空间延伸到所述体部之外。
8.根据前述权利要求中任一项所述的旋流燃烧器组件，其中，所述燃烧器壁具有至少一个空气分流开口，所述至少一个空气分流开口包括至少一个孔，所述至少一个孔从所述燃烧器壁的所述第一空间侧延伸至所述燃烧器壁的所述第二空间侧。
9.根据权利要求8所述的旋流燃烧器组件，其中，所述至少一个空气分流开口相对于所述多个叶片的所述外径径向同心。
10.根据前述权利要求中任一项所述的旋流燃烧器组件，所述体部具有多个壁，所述多个壁从所述燃烧器壁延伸至所述第二端部，并且包括：
(i)内壁，所述内壁具有内表面，所述第二空间被限定于所述燃烧器壁、所述第二端部和所述内壁的内表面之间；以及
(ii)外壁，所述外壁位于所述内壁的外部，第三空间被限定于所述燃烧器壁、所述内壁、所述外壁和所述第二端部之间，
所述燃烧器壁还包括至少一个旁路开口，所述至少一个旁路开口位于所述第一空间与所述第三空间之间并限定流体流路径，其中，所述旁路开口是从所述第一空间到所述第三空间并与所述第一空间和所述第三空间进行流体流连通的通道。
11.根据权利要求10所述的旋流燃烧器组件，其中，所述至少一个旁路开口包括相对于所述多个叶片的所述外径径向同心的多个旁路开口。
12.一种运行根据前述权利要求中任一项所述的旋流燃烧器组件的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将氧化剂供给至所述氧化剂入口；
(ii)供给燃料，包括将HCV燃料供给至所述第一燃料入口和/或将LCV燃料供给至所述第二燃料入口；以及
(iii)使所述燃料在所述第二空间中燃烧。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，当HCV燃料被供给至所述HCV燃料入口时，所述氧化剂和所述HCV燃料流在所述第一空间中、在所述第一燃料入口与所述旋流混合器之间汇聚，并且当LCV燃料被供给至所述LCV燃料入口时，所述氧化剂和所述LCV燃料流在所述第二空间中、在所述旋流混合器与所述第二端部之间汇聚。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，通过点火器在所述第二空间中点燃或燃烧所述HCV燃料和/或所述LCV燃料。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，穿过所述至少一个燃烧器单元的所述第一燃料入口的所述HCV燃料的速度介于3m/s和6m/s之间，和/或，穿过所述至少一个燃烧器单元的所述第二燃料入口的所述LCV燃料的速度介于10m/s和35m/s之间。
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