一种用于SOFC系统的启动/发电工况二合一燃烧器的制作方法

本发明涉及固体氧化物燃料电池（sofc）系统，具体涉及一种用于sofc系统的启动/发电工况二合一燃烧器，该燃烧器能够同时满足系统冷启动工况和发电工况下的燃烧需求，实现两种工况间的无缝切换与宽范围高效稳定燃烧。

背景技术：

1、在高温固体氧化物燃料电池（sofc）系统中，燃烧器是关键的热管理部件。其主要功能是将电堆阳极尾气中未完全反应的残余可燃组分进行燃烧，并通过下游的热交换器回收燃烧产生的化学热能以及阴、阳极尾气的物理显热，对入口燃料、空气及水蒸气进行预热，从而实现系统余热的高效利用。在紧凑型sofc系统设计中，为了降低系统体积和复杂度，燃烧器通常还需要兼顾“启动燃烧器”的功能，即系统冷启动时，在电堆尚未产生可燃尾气的情况下，由外部燃料源（如天然气、氢气、甲烷、乙烷等）直接供气燃烧，迅速将进入电堆的燃料和空气预热至工作温度。

2、在发电工况下，不同电堆的燃料利用率（fuel utilization,fu）差异较大，且同一电堆在不同负荷下的燃料利用率也会发生变化。燃料利用率越低，阳极尾气中残余的可燃组分浓度越高；燃料利用率越高，尾气中可燃组分浓度越低。因此，阳极尾气的可燃气体浓度可在从低浓度到高浓度的很宽范围内波动（例如氢气浓度可能从5%到30%甚至更高）。燃烧器需要在如此宽的可燃浓度范围内实现稳定、完全的燃烧，避免出现脱火、回火或未燃气体逸出。

3、现有sofc系统用燃烧器在实现上述“二合一”功能时存在明显技术瓶颈。一方面，传统启动燃烧器多采用扩散火焰结构，虽然点火可靠、结构简单，但在处理宽浓度范围的阳极尾气时，容易出现火焰不稳定、局部高温或熄火现象。另一方面，专为阳极尾气设计的催化燃烧器或预混火焰燃烧器，虽然在某一特定浓度区间内表现良好，但无法兼顾高浓度启动燃料和宽浓度范围阳极尾气：当启动阶段通入高浓度燃料时，易发生热应力集中甚至烧毁结构；当发电阶段阳极尾气浓度大幅偏离设计点时，燃烧效率急剧下降，甚至无法维持火焰。

4、部分现有方案采用“启动燃烧器+尾气燃烧器”分体式布局，分别对应启动和发电工况。但这种方案不仅增加了系统体积、成本和管路复杂度，还因两个燃烧器之间的切换阀门及联动控制策略复杂，降低了系统启动可靠性和动态响应速度，难以满足紧凑型sofc系统对高度集成化的需求。具体而言，分体式方案存在以下技术缺陷：（1）需要额外的三通切换阀门和相应的管路系统，增加了系统复杂度和故障点；（2）两个燃烧器之间的切换控制逻辑复杂，容易出现切换失败或燃烧不稳定；（3）系统体积和重量增加，不利于紧凑型sofc系统的集成化设计；（4）启动和发电工况的切换时间较长，影响系统的快速启动性能。

5、此外，现有燃烧器技术在处理宽浓度范围阳极尾气方面也存在不足。当阳极尾气中可燃组分浓度较低时，容易出现火焰脱火或熄火现象；当可燃组分浓度较高时，又容易出现局部高温和nox排放超标问题。现有技术通常采用复杂的主动控制系统来应对浓度变化，但这种方法增加了系统复杂度和控制难度。

6、因此，如何设计一种既能满足sofc系统冷启动时大热容量、宽燃料适应性要求，又能在发电工况下实现从低浓度到高浓度宽范围阳极尾气的稳定燃烧，同时结构紧凑、控制简单的单燃烧器结构，成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：如何设计一种既能满足sofc系统冷启动时大热容量、宽燃料适应性要求，又能在发电工况下实现从低浓度到高浓度宽范围阳极尾气的稳定燃烧，同时结构紧凑、控制简单的单燃烧器结构。

2、为实现上述目的，本发明提供一种用于sofc系统的启动/发电工况二合一燃烧器，包括阴极尾气进口管、阳极尾气进口管、阴极尾气分配管路、阳极尾气分配管路、冷却空气进口管、冷启动燃料进口管、冷启动空气进口管、燃烧器进气喷管管路、燃烧室、燃烧器烟气出口管、点火棒和火焰检测器。

3、所述阴极尾气分配管路设有阴极尾气分配室、第一阴极尾气分流管、第二阴极尾气分流管、第二阴极尾气分流支路管一、第二阴极尾气分流支路管二、第三阴极尾气分流管、第三阴极尾气分流支路管一、第三阴极尾气分流支路管二。所述阴极尾气进口管与阴极尾气分配室连通，阴极尾气分配室又分别与第一阴极尾气分流管、第二阴极尾气分流管和第三阴极尾气分流管连通，其中，第二阴极尾气分流管分别与第二阴极尾气分流支路管一和第二阴极尾气分流支路管二相接，第三阴极尾气分流管分别与第三阴极尾气分流支路管一和第三阴极尾气分流支路管二相接。

4、所述阳极尾气分配管路设有阳极尾气分配室、第一阳极尾气分流管、第一阳极尾气分流支路管一、第一阳极尾气分流支路管二、第二阳极尾气分流管、第二阳极尾气分流支路管一、第二阳极尾气分流支路管二。所述阳极尾气进口管与阳极尾气分配室连通，阳极尾气分配室又分别与第一阳极尾气分流管和第二阳极尾气分流管连通，其中，第一阳极尾气分流管分别与第一阳极尾气分流支路管一和第一阳极尾气分流支路管二相接，第二阳极尾气分流管分别与第二阳极尾气分流支路管一和第二阳极尾气分流支路管二相接。

5、所述燃烧器进气喷管管路采用六层套管结构，六层喷管呈同轴套设布置，各喷管的中心轴线相互重合，由内而外分别为第一阴极尾气喷管、第一阳极尾气喷管、第二阴极尾气喷管、第二阳极尾气喷管、第三阴极尾气喷管、冷却空气喷管。在第二阴极尾气喷管内设有旋流器，用以对流经该管路的气体施加旋流作用。

6、所述第二阴极尾气分流支路管一和第二阴极尾气分流支路管二沿第二阴极尾气分流管的径向对冲汇入第二阴极尾气喷管，所述第三阴极尾气分流支路管一和第三阴极尾气分流支路管二沿第三阴极尾气分流管的径向对冲汇入第三阴极尾气喷管，所述第一阳极尾气分流支路管一和第一阳极尾气分流支路管二沿第一阳极尾气分流管的径向对冲汇入第一阳极尾气喷管，所述第二阳极尾气分流支路管一和第二阳极尾气分流支路管二沿第二阳极尾气分流管的径向对冲汇入第二阳极尾气喷管。

7、所述六层喷管之间通过支撑结构保持同轴度，同轴度公差不超过±0.5mm。

8、所述第一阴极尾气分流管与第一阴极尾气喷管相接，第二阴极尾气分流支路管一和第二阴极尾气分流支路管二都与第二阴极尾气喷管相接，第三阴极尾气分流支路管一和第三阴极尾气分流支路管二都与第三阴极尾气喷管相接，从而组成三级阴极尾气分配管路。所述第一阳极尾气分流支路管一和第一阳极尾气分流支路管二都与第一阳极尾气喷管相接，第二阳极尾气分流支路管一和第二阳极尾气分流支路管二都与第二阳极尾气喷管相接，从而组成二级阳极尾气分配管路。

9、所述冷启动燃料进口管与第一阳极尾气喷管相接，组成冷启动燃料进气管路。所述冷启动空气进口管与第二阴极尾气喷管相接，组成冷启动空气进气管路。所述冷却空气进口管与冷却空气喷管相接，组成冷却空气进气管路。

10、所述燃烧室底部与燃烧器进气喷管出口相连，在燃烧室内部设有火焰检测器，用于实时监测喷管出口火焰的燃烧特性。所述第一阴极尾气喷管内设有点火棒，点火棒头部延伸至燃烧室内，用于燃烧器点火启动。所述燃烧器烟气出口管与燃烧室顶部相接，用于排出燃烧产生的高温烟气。

11、优选的，所述第二阴极尾气分流支路管一与第二阴极尾气分流支路管二的过流截面积相等，且两管过流截面积之和与第二阴极尾气分流管的过流截面积相等；所述第三阴极尾气分流支路管一与第三阴极尾气分流支路管二的过流截面积相等，且两管过流截面积之和与第三阴极尾气分流管的过流截面积相等；所述第一阳极尾气分流支路管一与第一阳极尾气分流支路管二的过流截面积相等，且两管过流截面积之和与第一阳极尾气分流管的过流截面积相等；所述第二阳极尾气分流支路管一与第二阳极尾气分流支路管二的过流截面积相等，且两管过流截面积之和与第二阳极尾气分流管的过流截面积相等。

12、优选的，所述第一阴极尾气分流管、第二阴极尾气分流管、第三阴极尾气分流管的过流截面积比值为0.3～0.5:0.5～0.75:1；所述第一阳极尾气分流管、第二阳极尾气分流管的截面积比值为0.4～0.75:1。更为优选的，所述第一阴极尾气分流管、第二阴极尾气分流管、第三阴极尾气分流管的过流截面积比值为0.4:0.6:1；所述第一阳极尾气分流管、第二阳极尾气分流管的截面积比值为0.667:1。

13、优选的，所述第二阴极尾气分流支路管一、第二阴极尾气分流支路管二沿第二阴极尾气分流管轴线剖面完全对称；所述第三阴极尾气分流支路管一、第三阴极尾气分流支路管二沿第三阴极尾气分流管轴线剖面完全对称；所述第一阳极尾气分流支路管一、第一阳极尾气分流支路管二沿第一阳极尾气分流管轴线剖面完全对称；所述第二阳极尾气分流支路管一、第二阳极尾气分流支路管二沿第二阳极尾气分流管轴线剖面完全对称。

14、优选的，所述旋流器的旋流叶片与中心轴的夹角为25°～75°，旋流叶片数量为4～20个。更为优选的，所述旋流器的旋流叶片与中心轴的夹角为30°，旋流叶片数量为8个。

15、优选的，所述旋流器采用精密铸造或数控加工成型，叶片表面粗糙度ra不大于3.2μm。

16、优选的，所述燃烧器壳体及各喷管管路采用耐热不锈钢制成，以适应燃烧室内部800～1000℃的高温环境。所述耐热不锈钢为310s或inconel 600。

17、优选的，所述点火棒采用高铝陶瓷绝缘护套火花塞，耐温不低于1200℃。

18、优选的，所述火焰检测器采用紫外光电管或离子电流检测式火焰探测器。

19、优选的，所述冷启动燃料进口管用于通入甲烷、丙烷、天然气或氢气作为启动燃料。

20、优选的，所述燃烧器通过冷启动燃料进口管向第一阳极尾气喷管中补充外部辅助燃料，以在阳极尾气中可燃组分浓度偏低时维持火焰稳定；通过冷却空气进口管增大冷却空气流量，以在阳极尾气中可燃组分浓度偏高时对燃烧区进行冷却稀释。所述阳极尾气中可燃组分浓度偏低是指氢气浓度低于8%，所述阳极尾气中可燃组分浓度偏高是指氢气浓度高于25%。

21、本发明另一方面提供一种用于sofc系统燃烧器的工况切换控制方法，采用前述的燃烧器，包括以下步骤：

22、步骤s1：冷启动阶段，通过冷启动燃料进口管向第一阳极尾气喷管通入外部启动燃料，通过冷启动空气进口管向第二阴极尾气喷管通入外部启动空气，点火棒点火启动燃烧器；

23、步骤s2：过渡阶段，保持冷启动燃料和冷启动空气的供应，电堆温度逐渐升高，直至电堆达到工作温度；

24、步骤s3：重叠供气阶段，电堆温度达到工作温度后，电堆开始产生阴极尾气和阳极尾气，且阴、阳极尾气流量逐渐增大，此时同步减小冷启动燃料和冷启动空气的供应量，两者存在重叠供气时间；

25、步骤s4：纯发电工况阶段，阴、阳极尾气流量达到额定值，关闭冷启动燃料和冷启动空气供应，燃烧器依靠阴、阳极尾气维持燃烧。

26、上述用于sofc系统燃烧器的工况切换控制方法还包括宽浓度范围自适应控制步骤：当阳极尾气中可燃组分浓度偏低时，通过冷启动燃料进口管补充外部辅助燃料稳燃；当阳极尾气中可燃组分浓度偏高时，通过增大冷却空气进口管的进气量降低燃烧器出口烟温。

27、本发明基于以下技术原理：

28、分级燃烧原理：通过六层套管同轴喷射结构，实现燃料和氧化剂的分级混合与燃烧，有效控制燃烧区域温度分布，降低热力型nox生成。燃料（阳极尾气）分两层环形射流喷入，氧化剂（阴极尾气）分三层环形射流喷入，形成多级混合燃烧区域，避免局部高温。

29、固有比例分配原理：通过固定截面分流系统，利用流体力学原理实现气流的固有比例分配，无需复杂的主动控制系统。根据各级分流管的过流截面积比值，在无需任何阀门控制的情况下，自动实现气流量按预定比例分配。

30、气膜冷却原理：最外层冷却空气形成气动隔热屏障，保护燃烧室内壁，延长设备使用寿命。冷却空气沿壁面流动，在火焰与燃烧室内壁之间构建气膜冷却层。

31、工况共用原理：启动燃料和阳极尾气共用同一喷射通道，通过流量调节实现工况平滑切换。冷启动燃料和发电工况阳极尾气均通过第一阳极尾气喷管喷入，冷启动空气和发电工况部分阴极尾气均通过第二阴极尾气喷管喷入。

32、与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

33、（1）本发明采用由内而外依次为“阴极尾气-阳极尾气-阴极尾气-阳极尾气-阴极尾气-冷却空气”的同轴套管射流结构，使阳极可燃气体以两层分散环形射流形式喷入燃烧室，形成分区、分级火焰形态。该设计有效避免燃料集中喷射所致的局部高温峰值区，从源头削弱了热力型nox的生成条件，相比传统扩散燃烧器，nox排放可降低30%-50%。

34、（2）本发明阴、阳极尾气均采用无运动部件的固定截面分流管道系统，通过精确设定各级分流管的过流面积比值，实现气体流量的固有比例分配。该结构使大部分阴极尾气自动从最外层喷管流出，作为冷却稀释介质，仅内层定量阴极尾气参与燃烧反应，从而在无需主动控制的情况下，确保燃烧器始终处于合理的过量空气系数范围内，过量空气系数可控制在1.1-1.3范围内，保证了燃烧组织的可靠性与一致性。

35、（3）本发明第二、第三股阴极尾气以及第一、第二股阳极尾气通过两侧对称支路管沿径向对冲汇入喷管，有效抵消了单一方向进气所产生的切向动量分量，消除了喷管内部因气流转向引起的杂乱旋流与偏流现象，确保各喷管出口气流轴向喷射的对称性与均匀性，气流偏斜角度可控制在±3°以内，避免火焰出现偏斜或单侧燃烧不均的问题。

36、（4）本发明最外层喷管通入冷却空气，形成沿壁面流动的直流冷却环面。该冷却气流在火焰与燃烧室内壁之间构建了一道气动隔热屏障，能有效降低壁面热流密度，壁面热流密度可降低40%-60%，避免高温烧蚀。

37、（5）本发明冷启动燃料与冷启动空气分别接入第一阳极尾气喷管和第二阴极尾气喷管，与正常运行工况下的阴、阳极尾气共用同一套管式喷射通道。该集成化布局省去了传统分体式方案中必需的工况切换阀门及复杂联锁控制逻辑，系统体积可减少20%-30%，控制复杂度降低50%以上，大幅简化了sofc辅助系统管路结构，提升了系统紧凑性与冷启动响应可靠性。

38、（6）本发明在发电工况下，当阳极尾气中可燃组分浓度偏低时，可通过冷启动燃料管路补充外部辅助燃料，维持火焰稳定、防止熄火；当阳极尾气中可燃组分浓度偏高时，可对应增大冷却空气喷管进气量，强化对燃烧区的冷却稀释作用，防止局部超温。该调节机制使本发明燃烧器能够兼容不同电堆燃料利用率以及负荷波动引起的阳极尾气浓度大幅变化，可适应氢气浓度5%-30%的宽范围变化，具有极强的宽浓度范围适配能力。