CN116053539A - 一种尾气燃烧器、尾气处理系统及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尾气燃烧器、尾气处理系统及处理方法，其中，尾气处理器包括组成密封内腔的上极板和下极板，内腔一端留有阴极尾气入口，上极板的两侧，沿阴极尾气的流向，线性排列冷却气体排气孔，上极板的中部设有多个阴极尾气排气孔，阴极排气孔的开孔尺寸随阴极尾气的流向递减；上极板的中部还有贯穿于上极板与下极板的阳极尾气排气孔，上极板上方安装燃烧腔，形成燃烧室，用于为阴极尾气和阳极尾气提供燃烧空间，燃烧室上方有高温废气出口，燃烧室里面有点火装置；下极板上有旁路空气进气孔。本发明中的结构设计能够提高尾气燃烧器的安全性、可靠性，降低其制造成本，提升燃烧均匀性以及能够适应更宽的过量空气系数。

Description

一种尾气燃烧器、尾气处理系统及处理方法
技术领域
本发明涉及尾气处理技术领域，更具体的说是涉及一种尾气燃烧器、尾气处理系统及处理方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是几种燃料电池中，应用最广泛，且理论能量密度最高的一种。
目前，SOFC主要是以氢气作为燃料，考虑到在SOFC电堆内部不可能100％将输入的阳极气体反应完全，因此用于将电堆反应后的尾气进行进一步燃烧的尾气燃烧器是必要的。
当前，现有技术涉及到的SOFC尾气燃烧主要有三种形式：催化燃烧、预混燃烧、扩散燃烧。催化燃烧的燃烧器虽可以较好的提升燃烧效率，但因需要昂贵的催化剂而使制造成本大幅增加，并且这种燃烧方式会带来较大压损从而反过来影响整体效率；预混燃烧的燃烧器虽可使尾气与空气较充分、均匀混合，但其允许的过量空气系数及温度范围一般较小，且目前采用预混燃烧方案的尾气燃烧器为了改进上述缺陷，结构设计愈加复杂，对可靠性与寿命带来了不利影响；扩散燃烧的燃烧器组成通常较简单，不存在催化剂或多孔介质等成本较高的材料，但因对燃烧可靠性及安全性的保证几乎全部依靠设计，故结构设计难度很大，通常会因为设计不良存在回火和脱火等不稳定燃烧状况，且燃烧腔室会因燃烧分布不均存在明显的温度梯度，导致存在较大的热应力。
因此，随着相关产业的不断发展，如何提供一种新的尾气燃烧器、尾气处理系统及处理方法，以满足SOFC系统日渐提高的要求是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术中尾气燃烧器存在的缺陷，本发明提供了一种结构简单的新型尾气燃烧器，以及包含尾气燃烧器的尾气处理系统以及处理方法，旨在提高安全性与可靠性，降低制造成本，提升燃烧均匀性以及能够适应更宽的过量空气系数。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本申请公开了一种尾气燃烧器，包括组成密封内腔的上极板和下极板，所述密封内腔的一端有阴极尾气入口，
所述上极板的两侧，沿所述阴极尾气的流向，线性排列冷却气体排气孔，
所述上极板的中部设有多个阴极尾气排气孔，所述阴极排气孔的开孔尺寸随所述阴极尾气的流向递减；所述上极板的中部还有贯穿于所述上极板与所述下极板的阳极尾气排气孔，
所述上极板上方安装燃烧腔，形成燃烧室，用于为所述阴极尾气和所述阳极尾气提供燃烧空间，所述燃烧室上方有高温废气出口，所述燃烧室里面有点火装置；
所述下极板上有旁路空气进气孔。
优选的，所述阴极尾气排气孔所在的平面高于所述阳极尾气排气孔所在的平面。
优选的，所述下极板下方有凸起结构一和凸起结构二，所述凸起结构一覆盖所述旁路空气进气孔形成密闭空间一，所述密闭空间一具有旁路空气入口；
所述凸起结构二覆盖所述阳极尾气排气孔形成密闭空间二，所述密闭空间二具有阳极尾气入口。
优选的，所述凸起结构一和所述凸起结构二组成一体式底扣板结构；
优选的，所述上极板向下形成凹槽，所述凹槽使所述上极板在两侧形成两个通道，所述通道的方向与所述阴极尾气流向平行，且所述通道上有所述冷却气体排气孔，在与所述通道垂直的方向上平行布设有连通所述通道的阴极尾气扩散通道，所述阴极尾气扩散通道上布设所述阴极尾气排气孔；所述凹槽内还有贯穿于所述上极板和所述下极板的阳极尾气排气孔；
优选的，平行布设的所述阴极尾气扩散通道的横截面尺寸沿所述通道内阴极尾气的流向递减；
所述阴极尾气排气孔的开孔尺寸沿所述阴极尾气扩散通道内阴极尾气的流向对称递减；
优选的，所述燃烧腔外侧有隔板，所述隔板与所述燃烧腔形成包含所述冷却气体排气孔的狭窄通道。
另一方面，本申请还公开了一种尾气处理系统，包括SOFC电堆、换热器以及如上所述的一种尾气燃烧器，
所述SOFC电堆，用于将产生的阴极尾气和阳极尾气分别通过所述阴极尾气入口和所述阳极尾气排气孔输入至所述尾气燃烧器，
所述尾气燃烧器，用于使所述阴极尾气和所述阳极尾气燃烧，产生高温废气，并将所述高温废气输送至所述换热器，
所述换热器，通过所述高温废气对外部空气加热，并将加热的所述外部空气输送至所述SOFC电堆，用于为所述SOFC电堆提供反应温度。
优选的，所述系统还包括分气装置，所述分气装置用于通过所述旁路空气进气孔为所述尾气燃烧器提供旁路空气，以及为所述换热器提供所述外部空气。
再一方面，本发明还公开了一种尾气处理方法，主要基于如上所述的尾气处理系统，所述方法包括：
所述SOFC电堆产生的阴极尾气和阳极尾气分别输入至所述尾气燃烧器进行燃烧，产生高温废气，
所述换热器根据所述高温废气对外部空气进行加热，得到加热后的外部空气；将所述加热后的外部空气传输至所述SOFC电堆，用于为所述SOFC电堆提供适宜的反应温度；
所述SOFC电堆在所述适宜的反应温度下进行反应。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种尾气燃烧器，与现有技术相比，本申请的有益效果在于，通过将阴极尾气和阳极尾气经过本申请提供的尾气燃烧器进行混合燃烧，能够明显改善阴极尾气和阳极尾气的混合效果，提升燃烧效率，同时，本申请中尾气燃烧器结构简单，仅通过3个零件便可实现尾气燃烧器的基本功能，且通过旁路空气的摄入，使燃烧器能够适应更宽的过量空气系数，从而满足宽域燃烧的要求，此外，通过本发明设置的阴极尾气排气孔以及阳极尾气排气孔，能够提升燃烧的均匀性，减少燃烧腔的不均匀热应力。
本申请的另一有益效果还在于，充分挖掘有限资源，创新性地提出用燃烧前温度较低的阴极尾气与外部空气的混合气体为高温的燃烧室进行降温，对燃烧器使用寿命与可靠性的增加起到有益效果。
本申请的又一有益效果还在于，充分考虑低成本设计思想，不仅无需使用催化剂等，还可使尾气燃烧器的结构组成简化，从而为进一步的大批量生产提供了有益的基础。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的尾气燃烧器的结构图；
图2附图为本发明提供的尾气燃烧器的侧视结构图；
图3附图为本发明提供的尾气燃烧器的俯视结构图；
图4附图为本发明提供的尾气处理系统的结构图。
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做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。
一方面，本发明首先公开了一种尾气燃烧器，其结构包括组成密封内腔的上极板和下极板，所述密封内腔的一端有阴极尾气入口，
上极板的两侧，沿阴极尾气的流向，线性排列尺寸均匀的冷却气体排气孔，中部设有多个阴极尾气排气孔，且阴极排气孔的开孔尺寸随阴极尾气的流向递减；同时，上极板的中部还有贯穿于上极板与下极板的阳极尾气排气孔，
另外，上极板上方安装燃烧腔，形成燃烧室，用于为阴极尾气和阳极尾气提供燃烧空间，其中燃烧室上方有高热废气出口，里面有点火装置；
下极板上有旁路空气进气孔。
本申请相比于现有的尾气燃烧器，减小了结构的复杂程度。其仅由3个零件组成，便能实现尾气燃烧器的基本功能及有益效果。并且这3个零件均可通过类似于冲压加工的快速成型方式完成制造，且相互固定连接的形式简单可靠，为尾气燃烧器组件的大批量生产奠定了基础。
在一种实施例中，如图1-2所示，上极板11和下极板12组成密封内腔，在密封内腔的前端留有开口14，开口14作为阴极尾气入口，接收阴极尾气。
在上极板11，与阴极尾气流向平行的两侧边上，呈直线型布设多个尺寸均匀的冷却气体排气孔17，用于使阴极气体作为冷却气体排出；而在上极板11的中部，呈矩阵状布设多个阴极尾气排气孔17，同时布设多个贯穿上极板11和下极板12的阳极尾气排气孔19，在一种实施例中，为了便于阴极尾气和阳极尾气在上极板中部充分混合，将阴极尾气排气孔和阳极尾气排气孔交叉布设。
在另一种实施例中，将上极板中部向下设置成凹槽，该凹槽使上极板在两侧形成两个通道，通道的方向与阴极尾气流向平行，且通道上有冷却气体排气孔17，进一步，在与通道垂直的方向上平行布设连通两个通道的阴极尾气扩散通道16，阴极尾气扩散通道上面对燃烧腔的一侧有阴极尾气排气孔18；凹槽内还有贯穿于上极板和下极板的阳极尾气排气孔19。
阴极尾气排气孔18与阳极尾气排气孔19共同组成尾气燃烧器的燃烧矩阵，燃烧矩阵相对位置及大小的设计对燃烧效率及宽域燃烧的保证起到重要影响。
具体的，若阴极尾气排气孔与阳极尾气排气孔通过相同的平面进入燃烧室，则有可能会在流速较高的情况下发生脱火现象而导致燃烧不充分甚至无法燃烧。因此需将将一种气体的排气孔置于另一种气体排气孔的下方。在一种实施例中，更好的选择是将阳极尾气排气孔所处平面置于阴极气体排气孔所处平面的下方，如图1所示。
该种设计可以使得阳极尾气从阳极尾气排气口排出后，在燃烧室初步扩散后遇到阴极尾气，且被阴极尾气适度包裹进而发生燃烧。这样的设计不仅使得燃烧更加充分，也可以让其适应更大的过量空气系数，满足宽域燃烧。
由于阳极尾气在进入燃烧室前流动方向始终平行于阳极尾气排气孔19，因此其可保证阳极尾气排气孔19排出的气体流量大致均等。而阴极尾气随着沿程流速的降低及压强的积累，导致通过各阴极尾气排气孔18的气体流量产生差异；尤其对于图1中所示结构，在图1中，阴极尾气需要经过阴极尾气入口14分叉后经由阴极尾气支路再通入与之垂直的阴极尾气扩散通道16，最后穿过与阴极尾气扩散通道16垂直的阴极尾气排气孔18进入燃烧室，其流动路径更加复杂。
因此，为保证所有阴极尾气排气孔18排入燃烧室的气体流量大致均等，本申请中，将阴极尾气排气孔的开孔尺寸设计成随阴极尾气的流向递减。具体到图1中的结构，使平行布设的阴极尾气扩散通道16的横截面尺寸沿通道内阴极尾气的流向递减；从而适度补偿在阴极尾气支路中沿气体流动方向产生的压强积累效果；
对于阴极尾气排气孔18的开孔尺寸，使其沿阴极尾气扩散通道16内阴极尾气的流向对称递减，以此适度补偿在阴极尾气扩散通道中沿气体流动方向产生的压强积累效果。
本申请中通过理论计算确定了上述尺寸需要减小的程度，包括扩散通道的尺寸及收口速度，并用仿真手段完成优化及细化，具体计算过程如下：
依照管流中动量守恒原理，引入校正系数K，对某一扩散通道16及其前后段阴极尾气支路15列出伯努利方程：
Figure BDA0004013859930000061
其中，p1和p2，u1和u2分别为扩散通道16前后阴极尾气支路15内的压强及流速，同时可计算流入扩散通道16的气体流速：
Figure BDA0004013859930000071
其中，C为流量系数。上述校正系数K及流量系数C均可在资料中查得。依次用上述公式，可大致计算得到各个扩散通道16的流量。
通过实验证明，本发明能使所有阴极尾气排气孔的气体流量大致均等，并能对燃烧室内的均匀稳定燃烧带来有益效果。
在另外一种实施例中，为了实时调控参与燃烧的阴极尾气的温度与流量，需要引入更多的空气，即需要整个尾气燃烧器有更宽的过量空气系数以更好地运行，故在下极板上设有旁路空气进气口，其中旁路空气进气口有多个，以使尾气燃烧器能适应较宽的过量空气系数；进一步，下极板下方有凸起结构一和凸起结构二，如图2所示，其中凸起结构一覆盖旁路空气进气口形成密闭空间一，且密闭空间一具有旁路空气入口；
凸起结构二覆盖阳极尾气排气孔形成密闭空间二，该密闭空间二具有阳极尾气入口21。
在一种实施例中，凸起结构一和凸起结构二组成一体式底扣板结构。
如图3所示，该底扣板13与下极板12贴合并固定，底扣板13与下极板12形成的两个密闭空间分别用于接收旁路空气以及阳极尾气，以便于旁路空气和阳极尾气均匀的进入燃烧室，同时便于对气体流量进行控制。如，在旁路空气进入燃烧室之前，通过分气装置实时调控其流量，用于调节尾气燃烧器燃烧反应的过量空气系数，同时随同阴极尾气为燃烧腔进行降温。
对于尾气燃烧器，由于其燃烧腔大部分时间处于高温工作状态，为了适当增加其可靠性与使用寿命，本申请在上极板的阴极尾气支路上沿其流动方向设置了冷却气体排气孔17，用于将燃烧前温度较低的阴极尾气与外部空气的混合气体沿燃烧室两侧边缘排入其内部，从而在燃烧反应的核心区域与燃烧腔的壁面之间形成一层相对低温的空气屏障，从而有效降低燃烧腔的壳体温度。
在一种实施例中，燃烧腔外侧设有隔板，隔板与燃烧腔壁面平行，并与燃烧腔形成包含冷却气体排气孔的狭窄通道，以便使冷却气体从狭窄通道中通过并在燃烧室上方靠近高热废气出口的位置与高热废气混合，从而使对燃烧腔壁面的降温效果更加明显。
通过本发明公开的上述尾气燃烧器，应用于固体氧化物燃料电池，不仅可适应较宽的过量空气系数，显著提升燃烧效率及燃烧腔室的均温性，而且能为始终处于高温状态的燃烧腔适当降温，以提升其使用寿命及可靠性；此外，还将低成本的设计思想贯彻始终，提供了一种不额外使用催化剂、多孔材料等高成本耗材，且制造方法简单可靠的设计。
另一方面，
本发明还公开了一种尾气处理系统，系统包括如上所述的一种尾气燃烧器，SOFC电堆以及换热器，
其中，SOFC电堆，用于将产生的阴极尾气和阳极尾气分别通过阴极尾气入口和阳极尾气排气孔输入至尾气燃烧器，
尾气燃烧器，用于使阴极尾气和阳极尾气燃烧，产生高温废气，并将高温废气输送至换热器，
而换热器，通过高温废气对外部空气加热，并将加热的外部空气输送至SOFC电堆，用于为SOFC电堆提供反应温度。
在一种实施例中，该系统还包括分气装置，分气装置用于通过旁路空气进气孔为尾气燃烧器提供旁路空气，以及为换热器提供外部空气。该系统各部分的连接关系具体如图4所示，A为SOFC电堆，B为分气装置，C为尾气燃烧器，D为换热器，
其中，6为电堆阳极气体进入通道，电堆的阴极气体经过分期装置B和换热器D后进入电堆，阳极气体与阴极气体在电堆内反应后产生阴极尾气和阳极尾气，进一步阴极尾气和阳极尾气分别通过阴极尾气进气通道5和阳极尾气进气通道7，进入尾气燃烧器的阴极尾气入口和阳极尾气入口，进而进入燃烧室，点火后燃烧；燃烧产生的高温废气通过高温废气通道8进入换热器，从而进行热交换，即对经过分气装置B以及外部冷空气进气通道3进入换热器D的外部空气进行加热，加热后的空气通过阴极气体进气通道4进入电堆，从而为电堆反应提供适宜的温度。
同时，分气装置B还通过旁路进气通道为尾气燃烧器提供旁路空气，以便于根据设置于尾气燃烧器上的温度监测装置，低延时地控制其始终处于合适的工作温度范围；另外，可为尾气燃烧器的金属壳体进行降温以及实时调节燃烧的过量空气系数。
再一方面，本发明还公开了一种尾气处理方法，主要应用如上所述的尾气处理系统，方法具体包括：
SOFC电堆的阴极尾气和阳极尾气分别输入至尾气燃烧器进行燃烧，以产生高温废气，
换热器根据高温废气对外部空气进行加热，得到加热后的外部空气后，将其传输至SOFC电堆，用于为SOFC电堆提供适宜的反应温度；
而SOFC电堆在所述适宜的反应温度下进行反应。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种尾气燃烧器，其特征在于，包括组成密封内腔的上极板和下极板，所述密封内腔的一端有阴极尾气入口，
所述上极板的两侧，沿阴极尾气的流向，线性排列冷却气体排气孔，
所述上极板的中部，设有多个阴极尾气排气孔，所述阴极尾气排气孔的开孔尺寸随所述阴极尾气的流向递减；所述上极板的中部还有贯穿于所述上极板与所述下极板的阳极尾气排气孔，
所述上极板上方安装燃烧腔，形成燃烧室，用于为所述阴极尾气和阳极尾气提供燃烧空间，所述燃烧室上方有高温废气出口，所述燃烧室里面有点火装置；
所述下极板上有旁路空气进气孔。
2.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，所述阴极尾气排气孔所在的平面高于所述阳极尾气排气孔所在的平面。
3.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，所述下极板下方有凸起结构一和凸起结构二，所述凸起结构一覆盖所述旁路空气进气孔形成密闭空间一，所述密闭空间一具有旁路空气入口；
所述凸起结构二覆盖所述阳极尾气排气孔形成密闭空间二，所述密闭空间二具有阳极尾气入口。
4.根据权利要求3所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，所述凸起结构一和所述凸起结构二组成一体式底扣板结构。
5.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，所述上极板向下形成凹槽，所述凹槽使所述上极板在两侧形成两个通道，所述通道的方向与所述阴极尾气流向平行，且所述通道上有所述冷却气体排气孔，在与所述通道垂直的方向上平行布设有连通所述通道的阴极尾气扩散通道，所述阴极尾气扩散通道上布设所述阴极尾气排气孔；所述凹槽内还有贯穿于所述上极板和所述下极板的阳极尾气排气孔。
6.根据权利要求5所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，平行布设的所述阴极尾气扩散通道的横截面尺寸沿所述通道内阴极尾气的流向递减；
所述阴极尾气排气孔的开孔尺寸沿所述阴极尾气扩散通道内阴极尾气的流向对称递减。
7.根据权利要求1所述的一种尾气燃烧器，其特征在于，所述燃烧腔外侧有隔板，所述隔板与所述燃烧腔形成包含所述冷却气体排气孔的狭窄通道。
8.一种尾气处理系统，其特征在于，包括SOFC电堆、换热器以及权利要求1-7任一所述的一种尾气燃烧器，
所述SOFC电堆，用于将产生的阴极尾气和阳极尾气分别通过所述阴极尾气入口和所述阳极尾气排气孔输入至所述尾气燃烧器，
所述尾气燃烧器，用于使所述阴极尾气和所述阳极尾气燃烧，产生高温废气，并将所述高温废气输送至所述换热器，
所述换热器，通过所述高温废气对外部空气加热，并将加热的所述外部空气输送至所述SOFC电堆，用于为所述SOFC电堆提供反应温度。
9.根据权利要求8所述的一种尾气处理系统，其特征在于，所述系统还包括分气装置，所述分气装置用于通过所述旁路空气进气孔为所述尾气燃烧器提供旁路空气，以及为所述换热器提供所述外部空气。
10.一种尾气处理方法，其特征在于，基于权利要求8所述的一种尾气处理系统，所述方法包括：
所述SOFC电堆产生的阴极尾气和阳极尾气分别输入至所述尾气燃烧器进行燃烧，产生高温废气，
所述换热器利用所述高温废气对外部空气进行加热，得到加热后的外部空气；将所述加热后的外部空气传输至所述SOFC电堆，用于为所述SOFC电堆提供适宜的反应温度；
所述SOFC电堆在所述适宜的反应温度下进行反应。
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