CN113991153A - 一种尾气燃烧器及固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃烧器领域，公开了一种尾气燃烧器及固体氧化物燃料电池系统，尾气燃烧器包括壳体、导热耐火挡板和孔径依次增大的第一多孔介质、第二多孔介质和第三多孔介质，壳体的下游端连接有混合气出气管，上游端连接有空气进气管和燃气进气管；第三多孔介质设置在壳体内，第三多孔介质的横截面为U型且开口朝向上游端设置，第一多孔介质和第二多孔介质间隔设置在所述第三多孔介质内侧；导热耐火挡板设置在第三多孔介质的内侧面与第一多孔介质、第二多孔介质的外侧面之间；空气进气管分别与第一多孔介质和第三多孔介质连通，燃气进气管与第一多孔介质连通，混合气出气管与第三多孔介质连通。本发明可满足较高温度、宽范围过量空气系数的尾气燃烧。

Description

一种尾气燃烧器及固体氧化物燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃烧器领域，尤指一种尾气燃烧器及固体氧化物燃料电池系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)具有效率高、污染小、燃料适应性好、噪声低，且无需昂贵催化剂等优点。SOFC对工作温度要求苛刻，一般在600℃-1000℃，排气温度较高，余热可利用，形成燃料电池-燃气轮机联合发电系统，燃料电池-热电联共系统等；此外，高温排气余热也可用于预热燃料电池入口空气和水，从而提升综合效率。

SOFC阳极尾气通常含有未反应尽的燃料，可采用燃烧方式燃烧其残余化学能。目前国内外文献和专利等资料报道了一些SOFC尾气燃烧器。SOFC阳极尾气热值较低，工作阶段通常小于2MJ/m³，属超低热值气体燃料，为了燃烧稳定、可靠，通常采用预混式的多孔介质燃烧技术，很大程度上避免了回火和脱火等不稳定燃烧现象，且多孔介质的蓄热功能易实现燃烧过程出现短暂熄火后再燃。

现有SOFC预混式燃烧器通常在燃烧前将阳极尾气和阴极空气充分预混后再进入燃烧区点火燃烧。然而，这种燃烧器适用性有限，当阳极和阴极尾气平均温度较高(如超过700℃)时，易在蒸汽重整阶段(此时H₂比例较高)发生不可控自燃危及系统安全，严重时甚至会出现爆炸事故；以及当过量空气系数过大(如超过10)时，预混后燃料会被过分稀释，超过贫燃极限而不能着火或失火。

发明内容

本发明的目的是提供一种尾气燃烧器及固体氧化物燃料电池系统，以满足较高温度、宽范围过量空气系数的超低热值尾气燃烧。

本发明提供的技术方案如下：

一方面，提供一种尾气燃烧器，用于固体氧化物燃料电池，包括：

壳体，所述壳体的下游端连接有混合气出气管，上游端连接有空气进气管和燃气进气管；

孔径依次增大的第一多孔介质、第二多孔介质和第三多孔介质，所述第三多孔介质设置在所述壳体内且外侧面与所述壳体的内侧壁贴合，所述第三多孔介质的横截面为U型且开口朝向所述上游端设置，所述第一多孔介质和所述第二多孔介质沿所述上游端至所述下游端的方向依次间隔设置在所述第三多孔介质内侧，所述第一多孔介质与所述第二多孔介质之间形成预混着火区，所述第二多孔介质内为燃烧区，所述第三多孔介质内为换热区；

导热耐火挡板，设置在所述第三多孔介质的内侧面与所述第一多孔介质、所述第二多孔介质的外侧面之间；

所述空气进气管的出口分别与所述第一多孔介质的上游面以及所述第三多孔介质的上游面连通，所述燃气进气管的出口与所述第一多孔介质的上游面连通，所述混合气出气管与所述第三多孔介质的下游面连通。

进一步优选地，所述第一多孔介质以及所述第二多孔介质的外侧面与所述导热耐火挡板的内侧面贴合，所述第三多孔介质的内侧面与所述导热耐火挡板的外侧面贴合。

进一步优选地，所述第一多孔介质的外径与所述第二多孔介质的外径相同；或，所述第二多孔介质的外径大于所述第一多孔介质的外径。

进一步优选地，所述第一多孔介质的外径w根据以下公式确定：

其中，

为阴极空气流量；

为阳极燃气流量；d为燃气进气管的直径；D为空气进气管的直径；μ_s为第一多孔介质的阻力系数；μ₁为第三多孔介质的阻力系数；ε为阳极燃气的空燃比；

为燃烧区的过量空气系数，根据阳极燃气成分确定，取值范围为0.9～1.5。

进一步优选地，所述第二多孔介质的下游面及所述导热耐火挡板的下游面分别与所述第三多孔介质的内壁贴合。

进一步优选地，所述第一多孔介质的下游面、所述导热耐火挡板的下游面以及所述第三多孔介质的下游面位于同一平面。

进一步优选地，所述第一多孔介质的下游面以及所述第三多孔介质的下游面分别与所述壳体的底部具有距离形成腔体；

所述燃气进气管的出口与所述第一多孔介质的下游面贴合；

所述空气进气管的出口与所述腔体连通，进入所述腔体内的空气一部分进入所述第一多孔介质内，另一部分进入所述第三多孔介质内参与换热。

进一步优选地，还包括点火器，所述点火器设置在所述壳体上且伸入所述预混着火区。

进一步优选地，所述第一多孔介质为直孔网格型多孔介质；

所述第二多孔介质为泡沫型多孔介质；

所述第三多孔介质为直孔网格型多孔介质或泡沫型多孔介质。

另一方面，还提供一种固体氧化物燃料电池系统，包括上述任一所述的尾气燃烧器。

本发明的技术效果在于：第一多孔介质与第二多孔介质之间设置预混着火区，可保证可靠着火的同时，避免因不可控自燃导致的回火；此外，可根据尾气成分、尾气流量将阴极空气分流成参与燃烧部分和参与传热部分，可保证大过量空气系数燃料电池尾气的稳定燃烧，且可显著增大尾气燃烧器的效率、适用范围和火焰稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本申请具体实施例提供的尾气燃烧器的剖视图；

图2是图1中A-A处的截面图。

附图标号说明：

10、壳体；101、下游端；102、上游端；103、腔体；11、混合气出气管；12、空气进气管；13、燃气进气管；20、导热耐火挡板；30、第一多孔介质；40、第二多孔介质；50、第三多孔介质；60、预混着火区；70、点火器。

具体实施方式

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。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种尾气燃烧器的具体实施例，如图1所示，包括壳体10、导热耐火挡板20以及孔径依次增大的第一多孔介质30、第二多孔介质40和第三多孔介质50。壳体10的下游端101连接有混合气出气管11，上游端102连接有空气进气管12和燃气进气管13。壳体10的上游端102是指靠近阳极燃气入口的一端，壳体10的下游端101是指靠近混合气出口的一端。图1中壳体10的顶部为下游端101，壳体10的底部为上游端102。

第三多孔介质50设置在壳体10内且第三多孔介质50的外侧面与壳体10的内侧壁贴合，第三多孔介质50的横截面为U型且开口朝向上游端102设置，第一多孔介质30和第二多孔介质40沿上游端102至下游端101的方向依次间隔设置在第三多孔介质50内侧，第一多孔介质30与第二多孔介质40之间形成预混着火区60，第二多孔介质40内为燃烧区，第三多孔介质50内为换热区。外侧面是指靠近壳体10外侧的面，内侧面是指靠近壳体10中轴线的面。预混着火区60内还设有有点火器70，点火器70与壳体10焊接连接，且伸入预混着火区60内，点火器70在启动阶段和熄火再启动阶段工作，其它阶段则不工作。

第一多孔介质30为直孔网格型多孔介质，第一多孔介质30的材料可选用耐高温钢、氧化锌等；第二多孔介质40为泡沫型多孔介质，第二多孔介质40的材料可选用碳化硅；第三多孔介质50为直孔网格型多孔介质或泡沫型多孔介质，第三多孔介质50可选用耐高温合金钢。

导热耐火挡板20设置在第三多孔介质50的内侧面与第一多孔介质30、第二多孔介质40的外侧面之间；导热耐火挡板20将第三多孔介质50与第一多孔介质30和第二多孔介质40隔开，阴极空气与阳极燃气在燃烧区燃烧时，可防止火焰进入第三多孔介质50，且燃烧产生的热量可通过导热耐火挡板20进入第三多孔介质50。导热耐火挡板20采用高铝耐火材料。

空气进气管12的出口分别与第一多孔介质30的上游面以及第三多孔介质50的上游面连通，燃气进气管13的出口与第一多孔介质30的上游面连通，混合气出气管11与第三多孔介质50的下游面连通。固体氧化物燃料电池排放的尾气中的阳极燃气由燃气进气管13进入第一多孔介质30。上游面是指靠近阳极燃气入口的一面，下游面是指靠近混合气出口的一面。

空气进气管12的出口分别与第一多孔介质30的上游面以及第三多孔介质50的上游面连接，空气进气管12内的一部分阴极空气进入第一多孔介质30内与阳极燃气预混并燃烧，另一部分阴极空气不参与燃烧，而是进入第三多孔介质50内，用于吸收燃烧产生的热量。参与燃烧的阳极燃气和阴极空气经燃烧反应后的高温气体与阴极空气的仅参与换热部分在第二多孔介质40外混合，并一起从混合气出气管11出去。

本发明的尾气燃烧器具有以下优点：

(1)阳极燃气与阴极空气是在预混着火区60混合，预混着火区60上游为第一多孔介质30，即使阳极燃气和阴极空气温度较高，发生自燃，火焰也因第一多孔介质30的隔挡无法回火，只能向下游传播进入燃烧区，避免了当阳极燃气和阴极空气平均温度较高(如超过650℃)时，易在蒸汽重整阶段(此时H₂比例较高)发生不可控自燃问题，本发明的尾气燃烧器阳极尾气温度上限可突破700℃提升至900℃，满足高温度尾气燃烧。

(2)本发明中进入尾气燃烧器的阴极空气分两部分，一部分进入第一多孔介质30与阳极燃气预混并燃烧，另一部分不参与燃烧而是进入第三多孔介质50吸收燃烧产生的热量，实现根据阳极燃气成分和流量将阴极空气分流成参与燃烧部分和参与传热部分，以保证燃烧区的过量空气系数在0.9～1.5，具体数值可根据阳极燃气成分确定，防止燃烧区的燃料被过分稀释，提高了尾气燃烧器对固体氧化物燃料电池阴极、阳极尾气量的适应性，解决由于阴极空气量过大突破贫燃极限而不能燃烧的问题，保证大过量空气系数(适用过量空气系数范围0.6～30)燃料电池尾气的稳定燃烧。

如图1所示，第一多孔介质30的下游面以及第三多孔介质50的下游面分别与壳体10的底部具有距离形成腔体103；燃气进气管13的出口与第一多孔介质30的下游面贴合；空气进气管12的出口与腔体103连通，进入腔体103内的空气一部分进入第一多孔介质30内，另一部分进入第三多孔介质50内参与换热。参与燃烧部分的阴极空气流量由第一多孔介质30的外径确定，通过控制第一多孔介质30的外径，以控制进入燃烧区空气量，确保燃烧区的过量空气系数在0.9～1.5。

第一多孔介质30的外径w根据以下公式确定：

其中，

为阴极空气流量；

为阳极燃气流量；d为燃气进气管的直径；D为空气进气管的直径；μ_s为第一多孔介质的阻力系数；μ₁为第三多孔介质的阻力系数；ε为阳极燃气的空燃比；

为燃烧区的过量空气系数，根据阳极燃气成分确定，取值范围为0.9～1.5。

第一多孔介质30的直径充分考虑了根据阴极空气流量、阳极燃气流量、燃气进气管的直径、空气进气管的直径、第一多孔介质阻力系数、第三多孔介质阻力系数、阳极燃气充分燃烧的空燃比，可保证燃烧区的过量空气系数在0.9～1.5。

优选地，第一多孔介质30以及第二多孔介质40的外侧面与导热耐火挡板20的内侧面贴合，第三多孔介质50的内侧面与导热耐火挡板20的外侧面贴合。导热耐火挡板20分别与第一多孔介质30、第二多孔介质40和第三多孔介质50贴合，可使阴极空气与阳极燃气燃烧产生的热量被快速传导到第三多孔介质50，以便通过第三多孔介质50内的阴极空气进行换热降温。当然，若第三多孔介质50与导热耐火挡板20之间有间隙尾气燃烧器也能正常工作，只是导热效果相对差点。

在一种实施方式中，第一多孔介质30的外径与第二多孔介质40的外径相同。如图2所示，第一多孔介质30与第二多孔介质40均为圆柱形，导热耐火挡板20为中空的圆柱形，导热耐火挡板20的内径与第一多孔介质30、第二多孔介质40的外径相同。

在另一种实施方式中，导热耐火挡板20为喇叭形，且导热耐火挡板20的上游面直径大于导热耐火挡板20的下游面直径，第一多孔介质30和第二多孔介质40均为圆台形，第二多孔介质40的上游面直径大于第二多孔介质40的下游面直径，第二多孔介质40的上游面直径大于第一多孔介质30的下游面直径，以使第一多孔介质30、第二多孔介质40的外侧面与导热耐火挡板20的内侧面贴合。因阳极燃气与阴极空气燃烧后会膨胀，将第二多孔介质40设置为圆台形且第二多孔介质40的下游面直径大于第二多孔介质40上游面直径，可使燃烧后产生的混合气向第二多孔介质40的下游面传播时更加顺畅。

在一种实施方式中，第二多孔介质40的下游面及导热耐火挡板20的下游面分别与第三多孔介质50的内壁贴合。第二多孔介质40的下游面与第三多孔介质50的内壁贴合，可使燃烧后产生的混合气从孔径较小的第二多孔介质40直接进入孔径较大的第三多孔介质50，以使传播时更加顺畅。若第二多孔介质40的下游面与第三多孔介质50的内壁之间有间隙虽然尾气燃烧器也可以工作，但是燃烧产生的混合气进入该间隙内后会扩张，混合气扩张后再进入第三多孔介质50，会影响混合气的顺畅传播，影响尾气燃烧器的工作效率。

在一种实施方式中，第一多孔介质30的下游面、导热耐火挡板20的下游面以及第三多孔介质50的下游面位于同一平面。本实施方式中，将第一多孔介质30的下游面、导热耐火挡板20的下游面以及第三多孔介质50的下游面设置为同一平面，设计时，可减少尾气燃烧器的参数变量，以简化尾气燃烧器的参数设计。

本发明还提供一种固体氧化物燃料电池系统的具体实施例，固体氧化物燃料电池系统包括固体氧化物燃料电池和上述任一实施例的尾气燃烧器，尾气燃烧器与固体氧化物燃料电池连接，尾气燃烧器对固体氧化物燃料电池产生的燃气进行燃烧。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种尾气燃烧器，用于固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体的下游端连接有混合气出气管，上游端连接有空气进气管和燃气进气管；

孔径依次增大的第一多孔介质、第二多孔介质和第三多孔介质，所述第三多孔介质设置在所述壳体内且外侧面与所述壳体的内侧壁贴合，所述第三多孔介质的横截面为U型且开口朝向所述上游端设置，所述第一多孔介质和所述第二多孔介质沿所述上游端至所述下游端的方向依次间隔设置在所述第三多孔介质内侧，所述第一多孔介质与所述第二多孔介质之间形成预混着火区，所述第二多孔介质内为燃烧区，所述第三多孔介质内为换热区；

导热耐火挡板，设置在所述第三多孔介质的内侧面与所述第一多孔介质、所述第二多孔介质的外侧面之间；

所述空气进气管的出口分别与所述第一多孔介质的上游面以及所述第三多孔介质的上游面连通，所述燃气进气管的出口与所述第一多孔介质的上游面连通，所述混合气出气管与所述第三多孔介质的下游面连通。

2.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，

所述第一多孔介质以及所述第二多孔介质的外侧面与所述导热耐火挡板的内侧面贴合，所述第三多孔介质的内侧面与所述导热耐火挡板的外侧面贴合。

3.根据权利要求2所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，所述第一多孔介质的外径与所述第二多孔介质的外径相同；或，所述第二多孔介质的外径大于所述第一多孔介质的外径。

4.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，

所述第一多孔介质的外径w根据以下公式确定：

其中，

为阴极空气流量；

为阳极燃气流量；d为燃气进气管的直径；D为空气进气管的直径；μ_s为第一多孔介质的阻力系数；μ₁为第三多孔介质的阻力系数；ε为阳极燃气的空燃比；

为燃烧区的过量空气系数，根据阳极燃气成分确定，取值范围为0.9～1.5。

5.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，

所述第二多孔介质的下游面及所述导热耐火挡板的下游面分别与所述第三多孔介质的内壁贴合。

6.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，

所述第一多孔介质的下游面、所述导热耐火挡板的下游面以及所述第三多孔介质的下游面位于同一平面。

7.根据权利要求6所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，

所述第一多孔介质的下游面以及所述第三多孔介质的下游面分别与所述壳体的底部具有距离形成腔体；

所述燃气进气管的出口与所述第一多孔介质的下游面贴合；

所述空气进气管的出口与所述腔体连通，进入所述腔体内的空气一部分进入所述第一多孔介质内，另一部分进入所述第三多孔介质内参与换热。

8.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，还包括点火器，所述点火器设置在所述壳体上且伸入所述预混着火区。

9.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，

所述第一多孔介质为直孔网格型多孔介质；

所述第二多孔介质为泡沫型多孔介质；

所述第三多孔介质为直孔网格型多孔介质或泡沫型多孔介质。

10.一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的尾气燃烧器。

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