一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器及其控制方法，包括：外壳，包括至少一个阳极气入口、多个阴极气入口及至少一个燃烧器出口；内筒，设置在外壳内，位于阳极气入口、阴极气入口及燃烧器出口之间，且阳极气入口、内筒内腔及燃烧器出口之间形成用于尾气燃烧换热的混气流道，内筒沿混气流向轴向扩增的设置用于混气燃烧的高温燃烧区与充分燃烧区及与未反应阴极气进行热交换的换热区，高温燃烧区、充分燃烧区及换热区的筒壁上开设用于阴极气分流扩散进入内筒内腔的分布孔；点火组件，拆卸式配设至高温燃烧区用于启动工况点火及重整阶段熄火状况时再点火。本申请采用阴极气分段扩散燃烧方式，实现燃料电池在宽域工况下的高效燃烧。的高效燃烧。的高效燃烧。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器及其控制方法


[0001]本专利技术属于燃烧器
，具体涉及一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器及其控制方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池SOFC工作温度高，电堆出口排气温度超过450℃，排气余热品质高，除用于热交换装置给系统入口空气、燃气和水加热外，还可以用于燃气轮机、蒸汽机组成联合发电装置。排气热能充分利用是SOFC系统综合效率提高的关键。
[0003]SOFC尾气中有未反应尽的燃料H2、CO，通常通过燃烧器经燃烧将其中化学能转化为热能，提高尾气温度，供于热交换装置或联合发电装置。对于SOFC燃烧器，从燃烧方式上，目前有预混(含预混多孔介质)燃烧、扩散燃烧和催化燃烧。其中，预混燃烧特别是多孔介质预混燃烧的燃烧稳定性好，适合燃料电池出口的低热值气体燃烧；缺点是预混燃料和空气的比例需控制在较窄范围，工况适应性差，无法同时作为起动和稳定工作燃烧器。催化燃烧对于排气温度较低的中温SOFC较为适合，通过催化提升反应活性，促进燃烧充分；缺点是催化剂昂贵，且为了增大反应气与催化剂的接触时间，结构通常有较大压损。对于高效率SOFC发电装置，特别是中大型SOFC发电装置，扩散式燃烧装置因对阳极气和阴极气无预混要求，且无需催化剂，结构压损小，对工况和电堆运行压力的适应性好；但结构设计难度大，包括燃烧组织、点火位确定和低热应力设计。

技术实现思路

[0004]在一方面，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器，采用阴极气分段扩散燃烧方式，实现燃料电池在宽域工况下的高效燃烧。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器，包括：
[0007]外壳，包括至少一个阳极气入口、多个阴极气入口及至少一个燃烧器出口；
[0008]内筒，设置在所述外壳内，位于所述阳极气入口、阴极气入口及燃烧器出口之间，且所述阳极气入口、内筒内腔及燃烧器出口之间形成用于尾气燃烧换热的混气流道，所述内筒沿混气流向轴向扩增的设置用于混气燃烧的高温燃烧区与充分燃烧区及与未反应阴极气进行热交换的换热区，所述高温燃烧区、充分燃烧区及换热区的筒壁上开设用于阴极气分流扩散进入内筒内腔的分布孔；
[0009]点火组件，拆卸式配设至所述高温燃烧区用于启动工况点火及重整阶段熄火状况时再点火。
[0010]一些实施方案中，所述高温燃烧区沿混气流向顺次设置用于形成宽的燃料气浓度分布的渐扩段和用于高温燃烧以维持燃料反应活性的平直段；和/或，
[0011]所述充分燃烧区为实现富态至稀薄燃料燃烧平缓过渡并抑制脱火和回火的渐扩结构；和/或，
[0012]所述换热区为实现充分燃烧区出口烟气与未反应阴极气体之间热交换的平直结构。
[0013]一些实施方案中，所述高温燃烧区位于渐扩段开设有1排8
×
φ6mm的分布孔，位于平直段开设有2排8
×
φ6mm的分布孔；所述充分燃烧区上开设有1排12
×
φ12mm的分布孔；所述换热区上开设有1排12
×
φ20mm的分布孔。
[0014]一些实施方案中，各所述阴极气入口分别连通有阴极气入口管，所述阴极气入口管的中心轴线和所述中心轴线与外壳接触点的切线锐角相交。
[0015]一些实施方案中，所述点火组件包括顺次联结的点火杆、绝缘护套及金属导线，所述外壳邻近所述高温燃烧区连通有斜置套管，所述点火组件密封装配至所述斜置套管时所述点火杆贯穿所述斜置套管且前端穿伸入所述高温燃烧区。
[0016]一些实施方案中，所述尾气燃烧器除点火组件外的金属材料均采用高温镍基合金材料。
[0017]一些实施方案中，还包括用于燃烧状态监测的热电偶，所述外壳邻近所述换热区连通有热电偶套管，所述热电偶套管端部插入换热区，所述热电偶插入至所述热电偶套管中。
[0018]另一方面，本专利技术提供一种适用上述尾气燃烧器的控制方法，依据换热区布置热电偶所测温度值控制尾气燃烧器在熄火状态、(再)点火燃烧状态与待机状态之间的切换。
[0019]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0020]以时间间隔t为周期记录热电偶采集到的温度信号T1、T2、
…
T
n
；
[0021]计算任一时刻换热区内热电偶的温升率TR1、TR2、
…
TR
n
，其中，TR
n
＝(T
n
‑
T
n
‑1)/t；
[0022]熄火状态或待机状态时，当任一所述热电偶检测所得的连续十组TR值中七组高于TS值时，尾气燃烧器由待机状态转变为(再)点火燃烧状态；
[0023](再)点火燃烧状态时，当任一所述热电偶检测所得的连续十组TR值中八组低于TS值时，尾气燃烧器由着火燃烧状态转变为熄火状态；
[0024](再)点火燃烧状态和熄火状态时，可通过手动归位燃烧状态为待机状态；
[0025]其中，所述TS为依据燃烧器的额定功率所确定的预设温升率。
[0026]一些技术方案中，所述热电偶为对称布置的2个，以时间间隔1s为周期记录各热电偶的温度信号并计算连续10s内热电偶的温升率，所述TS的取值为0.3℃/s～3℃/s。
[0027]本专利技术采用以上技术方案至少具有如下的有益效果：
[0028]1.采用内筒分段扩增设计，使阳极气入口处直径较小保证此处流速较高，避免回火，也使阴极气分段渐增式流入燃烧器内筒保证高温燃烧区和充分燃烧区流速不至过快导致脱火；
[0029]2.将点火组件布置在高温燃烧区，由于该区阴极气流通量较小，过量空气系数平均偏低且范围大，因而，可以利用高能点火的大放电区，实现起动工况可靠点火，以及重整阶段熄火状况时的可靠再点火；
[0030]3.本专利技术通用性强，不同功率固体氧化物燃料电池发电模块的燃烧器均可采用此构型，发电模块中多个电堆共用一个燃烧器时，只需在燃烧器外壳均匀布置相应数量的阴极气入口管，以及在阳极气入口管前增加一个均压腔，均压腔连接电堆阳极气出口管；
[0031]4.易损件点火组件和燃烧状态监测热电偶均可拆卸，易损件均有备份，提高可靠
性和易维修性。
附图说明
[0032]为了更清楚的说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图及其标记作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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它的附图。
[0033]图1为本专利技术实施例所述的一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器的结构示意图；
[0034]图2为本专利技术实施例所述的点火组件及斜置套管的结构示意图；
[0035]图3为本专利技术阴极气入口数分别为2个和4个时的燃烧器示意图；
[0036]图4为冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器，其特征在于，包括：外壳，包括至少一个阳极气入口、多个阴极气入口及至少一个燃烧器出口；内筒，设置在所述外壳内，位于所述阳极气入口、阴极气入口及燃烧器出口之间，且所述阳极气入口、内筒内腔及燃烧器出口之间形成用于尾气燃烧换热的混气流道，所述内筒沿混气流向轴向扩增的设置用于混气燃烧的高温燃烧区与充分燃烧区及与未反应阴极气进行热交换的换热区，所述高温燃烧区、充分燃烧区及换热区的筒壁上开设用于阴极气分流扩散进入内筒内腔的分布孔；点火组件，拆卸式配设至所述高温燃烧区用于启动工况点火及重整阶段熄火状况时再点火。2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器，其特征在于，所述高温燃烧区沿混气流向顺次设置用于形成宽的燃料气浓度分布的渐扩段和用于高温燃烧以维持燃料反应活性的平直段；和/或，所述充分燃烧区为实现富态至稀薄燃料燃烧平缓过渡并抑制脱火和回火的渐扩结构；和/或，所述换热区为实现充分燃烧区出口烟气与未反应阴极气体之间热交换的平直结构。3.根据权利要求2所述的一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器，其特征在于，所述高温燃烧区位于渐扩段开设有1排8
×
φ6mm的分布孔，位于平直段开设有2排8
×
φ6mm的分布孔；所述充分燃烧区上开设有1排12
×
φ12mm的分布孔；所述换热区上开设有1排12
×
φ20mm的分布孔。4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器，其特征在于，各所述阴极气入口分别连通有阴极气入口管，所述阴极气入口管的中心轴线和所述中心轴线与外壳接触点的切线锐角相交。5.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池用尾气燃烧器，其特征在于，所述点火组件包括顺次联结的点火杆、绝缘护套及金属导线，所述外壳邻近所述高温燃烧区连通有斜置套管，所述点火组件密封装配至...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙春华，李海亮，宋忠尚，李启玉，刘业昌，周耀东，苏晨光，方骁远，杜忠选，
申请(专利权)人：上海齐耀动力技术有限公司，
类型：发明
国别省市：