发电系统及其启停燃烧装置的制作方法

1.本发明属于燃气发电技术领域，具体地，涉及一种发电系统及其启停燃烧器。


背景技术：

2.现有的大功率燃气发电sofc系统中，启动燃烧和尾气处理功能部分一般为同一燃烧器装置。启动过程中，天然气进入燃烧器，燃烧烟气经过辐射器混入阴极尾气气流中，进一步与重整器、阴极换热器等换热，以实现热量的充分利用。具体地，燃烧器通常置于热箱的外侧底部，采用合成气作为燃料，扩散燃烧方式，烟气流量大，温度高。烟气直接混入阴极尾气气流，而后进入阴极换热器，通过阴极换热器加热并提升阴极进气气流的温度，以此完成整个系统的启动过程，关停过程遵循其逆过程。
3.对于合成气igfc系统，其启停燃烧器需要以合成气作为燃料，燃料富氢，相较于天然气，火焰传播速率快，易形成回火。合成气热值低，相同热负荷条件下，烟气流量大，烟气直接注入阴极排气尾部，易造成系统背压波动，可能造成电堆系统超压或者燃烧烟气无法正常排出等问题。由于现有设计中燃烧器烟气与换热器之间气体没有混合机构，混合充分性无法保证。在异常状态下，如燃烧器损坏或者调节失效，燃烧器出口温度异常升高或超压条件下，缺乏应急降温、排压措施。
4.此外，相较于天然气燃烧器可选择预混和非预混等多种燃烧方式，合成气燃烧器更适合扩散燃烧的燃烧方式，以确保安全性。由于合成气系统缺少重整器等吸热原件，且采用扩散燃烧方式，燃烧火焰和烟气可能存在的局部高温点；如果与电堆阴极尾气混合不够充分，可能造成模块局部温度过高，造成损坏或缩短使用寿命。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种发电系统及其启停燃烧装置，可有效促进烟气混合，系统背压波动小，燃烧和烟气流动更顺畅、部件使用寿命更长，发电系统的结构更紧凑，系统热效率得以有效提升。
6.为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种发电系统的启停燃烧装置，所述启停燃烧装置包括：
7.旋流集气筒，包括筒周壁和所述筒周壁围绕限定的旋流筒腔，所述筒周壁上开设有沿周向间隔分布的多个旋流进气口，所述旋流进气口设置为使得流入的电极尾气气流能够在所述旋流筒腔内形成贴合所述筒周壁的内壁面的旋流状；以及
8.燃烧器，所述燃烧器的燃烧烟气出口位于所述旋流筒腔的底端中心部。
9.在一些实施方式中，所述旋流进气口形成为贯穿所述筒周壁并沿轴向延伸的轴向凹槽，所述旋流进气口处设有旋流导流件。
10.在一些实施方式中，所述旋流进气口为冲压成型口，所述旋流导流件为与所述冲压成型口的侧边壁相连的冲压余留裙边。
11.在一些实施方式中，所述启停燃烧装置包括混合烟气出口管，所述混合烟气出口
管连接于所述旋流筒腔的顶端中心部。
12.在一些实施方式中，所述混合烟气出口管上连接有用于输入空气或用于泄压的空气调节管。
13.进一步地，所述空气调节管可穿过所述混合烟气出口管并朝向所述燃烧烟气出口向下伸入所述旋流筒腔中。
14.在一些实施方式中，所述燃烧器包括：
15.燃烧器外壳体；
16.火焰筒，内置于所述燃气外壳体中，所述火焰筒的顶端开口形成为所述燃烧烟气出口；
17.燃烧座，设置在所述火焰筒的筒腔底部；以及
18.进气管组件，用于朝向所述燃烧座通入燃烧气体。
19.在一些实施方式中，所述燃烧器外壳体与所述火焰筒之间限定有环腔状的空气流通腔，所述燃烧器外壳体的底壁设有作为所述空气流通腔的入口的空气流入孔，所述火焰筒设有作为所述空气流通腔的出口的空气过孔；
20.其中，所述燃烧器还包括嵌套在所述燃烧器外壳体与所述火焰筒之间的导流筒，所述导流筒的底端与所述燃烧器外壳体的底壁相连且顶端与所述燃烧器外壳体的顶壁间隔设置，使得在所述空气流通腔中分隔出从所述空气流入孔流向所述空气过孔的空气折流流道。
21.在一些实施方式中，所述火焰筒的底部设有空气布气板，所述空气布气板用于将所述火焰筒的筒腔分隔为上部的火焰筒燃烧腔和下部的燃烧座容纳腔，所述空气过孔包括设置在所述燃烧座容纳腔的周壁上的第一空气过孔和设置在所述火焰筒燃烧腔的周壁上的第二空气过孔；
22.其中，从所述第一空气过孔流入所述燃烧座容纳腔的空气气流的一部分流向所述燃烧座以形成一次空气，另一部分通过所述空气布气板上的布风孔形成二次空气，从所述第二空气过孔流入所述火焰筒燃烧腔的空气气流形成三次空气。
23.在一些实施方式中，所述空气过孔还包括间隔分布于所述火焰筒的周壁上的多个气膜冷却孔。
24.进一步地，所述火焰筒的周壁上可设置有沿轴向依次间隔设置的多个气膜冷却孔环，各个所述气膜冷却孔环包括沿周向间隔布置呈环状的多个所述气膜冷却孔。
25.更进一步地，所述火焰筒的内周壁上可设有与所述气膜冷却孔环对应的遮挡导流环条，所述遮挡导流环条径向向内地间隔开所述气膜冷却孔并形成朝向上方开口的气膜成型环槽。
26.在一些实施方式中，所述燃烧座包括：
27.燃烧底座，内设燃气分布腔；
28.内环座，安装在所述燃烧底座的上方，所述内环座的顶面设有与所述燃气分布腔连通且呈环形分布的多个燃气分布孔；和
29.外环座，与所述内环座嵌套地安装在所述燃烧底座的上方，所述外环座设有沿周向间隔分布的多个周壁空气通孔，所述外环座与所述内环座之间形成有空气流通环腔。
30.进一步地，所述燃烧座可包括：
31.稳焰扩张器，呈向上扩口的锥筒状并环绕所述内环座地安装在所述外环座的上方；
32.其中，依次通过所述周壁空气通孔和所述空气流通环腔的空气气流与通过所述燃气分布孔的燃气气流在所述稳焰扩张器内产生混合燃烧。
33.在一些实施方式中，所述周壁空气通孔和所述燃气分布孔均为用于形成同向旋流的旋流孔，所述旋流孔的孔轴线与水平面之间具有水平夹角且所述孔轴线朝向同一周向侧偏斜。
34.在一些实施方式中，所述燃烧器包括：
35.空气分布器，连接于所述燃烧器外壳体的底端并内设空气分布腔，所述空气分布腔通过贯穿顶壁的所述空气流入孔与所述空气流通腔连通。
36.在一些实施方式中，所述进气管组件包括嵌套管状的空气接口管和燃气接口管，所述燃气接口管穿过所述空气分布器伸入所述燃烧座中，所述空气接口管从所述空气流通腔的底壁伸出并套设在所述燃气接口管外。
37.在一些实施方式中，所述燃烧器外壳体包括：
38.燃烧器上外壳，与所述火焰筒同轴设置并伸入所述旋流筒腔的底部，所述火焰筒的顶端贯穿安装于所述燃烧器上外壳的顶壁上；和
39.燃烧器下外壳，所述燃烧器下外壳的顶端分别与所述旋流集气筒的底端和所述燃烧器上外壳的底端相连。
40.根据本发明的另一方面，提供了一种发电系统，所述发电系统包括：
41.根据本发明上述的启停燃烧装置；
42.发电模块，呈堆塔结构并围绕布置在所述启停燃烧装置的周侧；和
43.阴极换热器，所述发电模块的阴极进气管与所述启停燃烧装置排出的混合烟气在所述阴极换热器中形成热交换。
44.在一些实施方式中，所述启停燃烧装置的燃气为氢气和一氧化碳的燃料合成气。
45.在一些实施方式中，所述阴极换热器为板式换热器。
46.在本发明的发电系统及其启停燃烧装置中，通过增设作为混合机构的旋流集气筒并采用旋流气体布置方式，保证了阴极尾气和高温的燃烧烟气快速均匀混合，消除局部高温点保护尾部换热器被高温损坏。还可将燃烧器的烟气出口置于低压区，便于烟气排出，防止烟气倒灌，有利于保持模块背压稳定。将启停燃烧装置内置于发电模块的堆塔中心，可提高系统产品的结构集成度、结构更为紧凑，而且散热于系统内，热损失最小，有利于提升系统热利用率。
47.本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
48.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
49.图1为根据本发明的具体实施方式的发电系统的启停燃烧装置的工作原理图；
50.图2为根据本发明的具体实施方式的发电系统的启停燃烧装置的立体图；
51.图3为图2的发电系统的剖视图，剖切面为经过旋流集气筒的中心轴线的轴截面；
52.图4为图3中的圆圈部分的局部放大图，具体展示了燃烧器部分的内部结构；
53.图5为图2所示的发电系统中的旋流集气筒与燃烧器的装配爆炸图；
54.图6为图5中的旋流集气筒部分的剖视图，展示了内部的旋流导流件；
55.图7为图5中的燃烧器部分的组装爆炸图；
56.图8为图7中的火焰筒的立体图；
57.图9为图5中的燃烧器部分的剖视图，清楚展示了燃烧器的内部结构及空气流向，图中箭头代表空气折流流道；
58.图10a至图10c均为图7中的燃烧座的结构示意图，分别展示了燃烧座的立体组装爆炸图，平面剖视爆炸图和组装后的剖视图；
59.图11为根据本发明的具体实施方式的发电系统的立体图；
60.图12a为热负荷下限工况下燃烧器中分面的温度分布图(k)；
61.图12b为热负荷下限工况下燃烧器中分面的中间产物oh自由基浓度分布图；
62.图12c为热负荷下限工况下火焰筒壁面温度分布图(k)；
63.图12d为热负荷上限工况下燃烧器中分面温度分布图(k)；
64.图12e为热负荷上限工况下燃烧器中分面中间产物oh自由基浓度分布图；以及
65.图12f为热负荷上限工况下火焰筒壁面温度分布图(k)。
66.附图标记说明：
67.100
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启停燃烧装置
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200
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发电模块
68.300
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阴极换热器
[0069]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旋流集气筒
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混合烟气出口管
[0070]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空气调节管
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燃烧器上外壳
[0071]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃烧器下外壳
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空气分布器
[0072]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
导流筒
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火焰筒
[0073]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空气布气板
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10
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稳焰扩张器
[0074]
11
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内环座
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12
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外环座
[0075]
13
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燃烧底座
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14
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空气接口管
[0076]
15
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燃气接口管
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16
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点火器
[0077]
61
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空气流入孔
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62
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密封安装环槽
[0078]
81
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第一空气过孔
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82
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二空气过孔
[0079]
83
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气膜冷却孔
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84
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遮挡导流环条
[0080]
85
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气膜成型环槽
[0081]
101
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旋流进气口
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102
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旋流导流件
[0082]
111
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燃气分布孔
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121
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周壁空气通孔
[0083]
122
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空气流通环腔
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131
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燃气分布腔
[0084]
201
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阴极进气管
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202
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阴极尾气管
[0085]
203
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燃烧器出口热电偶测点
[0086]
204
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换热器高温进口温度测点
[0087]
205
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换热器高温出口温度测点
[0088]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旋流筒腔
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燃烧烟气出口
[0089]cꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空气流通腔
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火焰筒燃烧腔
[0090]eꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃烧座容纳腔
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空气分布腔
具体实施方式
[0091]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0092]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0093]
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
[0094]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0095]
本发明首先公开了一种发电系统的启停燃烧装置。在结合附图的具体实施方式中，以环形布置的20kw级igfc合成气发电系统为例，详细阐述其启停燃烧装置及其他功能部分。
[0096]
本发明的启停燃烧装置也采用合成气作为燃料，与发电系统相同，保证模块燃料输入一致性，即不同于现有启停燃烧装置采用甲烷作为燃气，可采用氢气和一氧化碳的合成气作为燃气，但本发明不限于此。如图1所示，启停燃烧装置的工作原理为：合成气与空气在火焰筒8内燃烧后，其燃烧烟气进入旋流集气筒1中与阴极尾气充分混合，形成的高温混合气进入阴极换热器300，以预热进入电堆的空气，预热后的空气作为阴极进气进入电堆，换热后形成的低温混合气向外排出。
[0097]
本发明旨在解决合成气发电系统中燃气启动停车过程中能量优化利用、安全和稳定性问题。在安全性保证前提下，加快系统的升降温速率，并提高能量利用效率。为此，基于上述工作原理，本发明提供了一种发电系统的启停燃烧装置。如图2至图10c所示，该启停燃烧装置100包括：
[0098]
旋流集气筒1，包括筒周壁和筒周壁围绕限定的旋流筒腔a，如图5、图7所示。其中，筒周壁上开设有沿周向间隔分布的多个旋流进气口101，旋流进气口101设置为使得流入的电极尾气气流能够在旋流筒腔a内形成贴合筒周壁的内壁面的旋流状；以及
[0099]
燃烧器，燃烧器的燃烧烟气出口b位于旋流筒腔a的底端中心部。
[0100]
其中，针对现有设计中燃烧烟气与阴极换热器300之间的气体没有混合机构导致混合充分性无法保证的缺陷，本发明增设了作为混合机构的旋流集气筒1，并采用旋流气体布置方式，保证阴极尾气和高温的燃烧烟气快速均匀混合，确保混气结构表面温度，保护高温元件和换热器的使用安全。体积较大的旋流筒腔a形成缓冲作用，降低电堆背压，同时可将燃烧器出口置于低压区，防止烟气倒灌。
[0101]
参见图4、图5，在阴极尾气出口设置大腔体的旋流集气筒1，在旋流筒腔a内可形成空气旋流，与以下将具体阐述的燃烧器排出的燃烧烟气的旋流方向相同。这样，阴极尾气通过周侧的旋流进气口101进入旋流筒腔a内，燃烧烟气自底端中心部进入旋流筒腔a，旋流筒腔a的体积较大可起到气体缓冲作用。两股内外旋流可充分混合，内旋流为高温燃烧烟气，外旋流为相对低温的阴极尾气，这样在旋流过程中可混合更充分，在均匀混合过程中可消
除局部高温点，外旋流可保护旋流集气筒1的筒壁面和阴极换热器300等。燃烧烟气在旋流筒腔a内的旋流上升和混合，可在筒中心部形成低压区，带来负压作用，便于燃烧器的燃烧烟气出口b的烟气排出并降低燃烧器进气压力，有益于保持模块背压稳定。
[0102]
以下还将阐述的，启停过程中可保持阴极尾气流量不变，在此基础上可进一步通过控制燃烧烟气的温度，进而可控制燃烧烟气与阴极尾气混合后的高温混合气的温度，以避免造成模块内部局部超温，造成保温部件损坏和使用寿命降低。不仅可保持阴极尾气流量不变，在调节燃烧烟气温度时，合成气的变化量极小，对燃烧烟气的流量影响小，可确保燃烧烟气流量在不同调节工况下保持稳定。
[0103]
为使得电极尾气气流能够在旋流筒腔a内形成贴合筒周壁的内壁面的旋流状，如图4、图5和图7所示，在本实施方式中，旋流集气筒1的筒周壁上的旋流进气口101设计为贯穿筒周壁并沿轴向延伸的轴向凹槽状，旋流进气口101处设有旋流导流件102。其中，周侧间隔设置且沿轴向尽可能延伸至端部的多个轴向凹槽可确保大流量的阴极尾气进入旋流筒腔a中，在通过旋流进气口101时，可通过旋流导流件102的切向导流作用形成沿筒周壁的切向进入旋流筒腔a的旋流。
[0104]
可选地，旋流导流件102可以是旋流进气口11的周向侧壁，即周向侧壁形成为切向斜壁，经过旋流进气口11的阴极尾气在切向斜壁的导流下，形成沿切向方向的流体，从而在旋流集气筒1的筒周内壁上形成旋流，低温旋流可保护旋流集气筒1的筒壁。在本实施方式中，参见图5和图7，旋流进气口101为冲压成型口，旋流导流件102为与冲压成型口的侧边壁相连的冲压余留裙边。冲压余留裙边位于旋流筒腔a内，导流面沿切向方向延伸。
[0105]
如图1所示，燃烧烟气与阴极尾气在旋流集气筒1中以同向旋流形式混合后，形成高温混合气。参见图2，启停燃烧装置100包括混合烟气出口管2，混合烟气出口管2连接于旋流筒腔a的顶端中心部以将高温混合气引入阴极换热器300中，用于通过热交换预热一侧的阴极进气管201进入的空气，预热后的空气通过另一侧的阴极进气管201进一步进入电堆中。换热后的高温混合气成为低温混合气，可通过阴极尾气管202排出。
[0106]
特别地，在本实施方式中，混合烟气出口管2上还连接有用于输入空气或用于泄压的空气调节管3，如图2至图4所示。在阴极换热器300前设置空气调节管3作为空气调节口和放空口，便于在超温超压条件下或紧急状况下实施保护干预，提供高温元件超温超压保护。即，在必要时通过空气调节管3向外排气以泄压，保证背压稳定及模块安全，或者在阴极换热器300超温等情况下可通过空气调节管3向旋流筒腔a中通入额外空气，以降低高温混合气的温度，保护阴极换热器300等。
[0107]
参见图3，空气调节管3可直接穿过混合烟气出口管2并竖直向下伸入旋流筒腔a中以靠近燃烧烟气出口b，这样排空泄压效果更好，或者补入的空气可更早地参与旋流混合以更有效降低高温混合气温度。
[0108]
图5、图6分别图示了本实施方式中的燃烧器的组装图和爆炸图。具体地，该燃烧器包括：
[0109]
燃烧器外壳体；
[0110]
火焰筒8，内置于燃气外壳体中，火焰筒8的顶端开口形成为燃烧烟气出口b；
[0111]
燃烧座，设置在火焰筒8的筒腔底部；以及
[0112]
进气管组件，用于朝向燃烧座通入燃烧气体。
[0113]
在本发明的燃烧器中，由于空气进气量大而合成气占比小，调节温度范围广，因而燃气比例少时的稳定性存在问题。因此，燃烧器设计时旨在实现旋流燃烧，确保在不同热负荷要求下温度可调节范围大，同时保持燃烧烟气的流量变化小，即保持烟气流量稳定，使得背压波动小。
[0114]
对于大流量空气，为实现稳定持续燃烧，应确保空气充分稳定地供应，空气流速、分布等应均衡。因此，如图9所示，燃烧器外壳体与火焰筒8之间限定有环腔状的空气流通腔c，燃烧器外壳体的底壁设有作为空气流通腔c的入口的空气流入孔61，火焰筒8设有作为空气流通腔c的出口的空气过孔；其中特别地，燃烧器还包括嵌套在燃烧器外壳体与火焰筒8之间的导流筒7，导流筒7的底端与燃烧器外壳体的底壁相连且顶端与燃烧器外壳体的顶壁间隔设置，使得在空气流通腔c中分隔出从空气流入孔61流向空气过孔的空气折流流道，如图9中箭头表示的流道。
[0115]
这样，通过增设导流筒7形成空气折流，可在燃烧器中稳定空气气流压力和在空间上的空气均匀分布，便于形成多级燃烧，使得合成气的燃烧更充分，提升热效率。此外，为在空气流通腔c中密封间隔以形成空气折流流道，导流筒7的底端应密封安装在燃烧器底壁(即空气分布器6的顶壁)上。具体地，如图9所示，燃烧器底壁上可设有密封安装环槽62，嵌装密封胶条等，而后将导流筒7的底端抵压安装在密封胶条上。
[0116]
如图4、图9所示，火焰筒8的底部设有空气布气板9，空气布气板9上密布有布风孔(图中未显示)，空气布气板9将火焰筒8的筒腔分隔为上部的火焰筒燃烧腔d和下部的燃烧座容纳腔e，燃烧器设置在燃烧座容纳腔e中。
[0117]
参见图8，火焰筒8上设置的空气过孔可包括设置在燃烧座容纳腔e的周壁上的第一空气过孔81和设置在火焰筒燃烧腔d的周壁上的第二空气过孔82；如图9所示，从第一空气过孔81流入燃烧座容纳腔e的空气气流的一部分可沿径向流向中心的燃烧座以形成一次空气，在燃烧器上与合成气构成一次燃烧，另一部分可通过空气布气板9上的布风孔向上进入火焰筒燃烧腔d形成二次空气，参与二次燃烧，而从上方靠近空气布气板9的第二空气过孔82流入火焰筒燃烧腔d的空气气流则可形成三次空气，参与三次燃烧，以实现合成气的完全燃烧，确保烟气出口温度均匀性。可见，本实施方式中实现了合成气的三次燃烧，燃气利用充分，燃气利用率高。当然，本发明不限于三次燃烧，也可以是两次燃烧或更多次燃烧。
[0118]
合成气与空气在火焰筒8内多次燃烧时，产生的高温对火焰筒8的筒壁产生持续高温损害。为此，在本实施方式中，上述空气过孔还可包括间隔分布于火焰筒8的周壁上的多个气膜冷却孔83，用以保护火焰筒8。如图8所示，在本实施方式中，第一空气过孔81、第二空气过孔82和气膜冷却孔83的孔径大小依次递减，以实现空气的合理分配，但本发明并不限定各个空气过孔的孔径大小，可根据功能需要进行调整、设定。
[0119]
进一步地，为完整保护火焰筒内壁，可通过气膜冷却孔83形成气膜环。具体地，参见图8、图9，火焰筒8的周壁上设置有沿轴向依次间隔设置的多个气膜冷却孔环，各个气膜冷却孔环包括沿周向间隔布置呈环状的多个气膜冷却孔83。这样，空气流通腔c中的空气气流沿图9中箭头表示的空气折流流道流动时，从火焰筒8的外壁面上的各个空气过孔进入火焰筒内腔中，通过气膜冷却孔环进入的空气气流可贴合内筒壁面形成环形空气气膜，以周向完整地保护内壁。
[0120]
为更易于形成气膜环并更紧贴内壁，火焰筒8的内周壁上设有与气膜冷却孔83环
对应的遮挡导流环条84，遮挡导流环条84径向向内地间隔开气膜冷却孔83并形成朝向上方开口的气膜成型环槽85。具体而言，遮挡导流环条84与设有气膜冷却孔83的内壁面之间沿径向间隔开，形成的环形间隔槽即上方开口的气膜成型环槽85，遮挡导流环条84本身用于阻挡通过气膜冷却孔83的空气气流径向向内流动，并将空气气流导向至贴合内壁向上流动，从气膜成型环槽85向上流出，形成空气气膜环。在图9中，相邻的遮挡导流环条84之间的轴向间距小，从位于下方的遮挡导流环条84的气膜成型环槽85向上流出的气膜环可完整覆盖相邻遮挡导流环条84之间的火焰筒内壁面。这样，火焰筒8的内周壁可通过轴向分段形式被多个气膜环完整覆盖，形成完好的低温保护，提升火焰筒的使用寿命。
[0121]
为实现旋流燃烧，参见图10a至图10c，在一种具体实施方式中，燃烧座包括：
[0122]
燃烧底座13，内设燃气分布腔131；
[0123]
内环座11，安装在燃烧底座13的上方，内环座11的顶面设有与燃气分布腔131连通且呈环形分布的多个燃气分布孔111；和
[0124]
外环座12，与内环座11嵌套地安装在燃烧底座13的上方，外环座12设有沿周向间隔分布的多个周壁空气通孔121，外环座12与内环座11之间形成有空气流通环腔122。
[0125]
进一步地，燃烧座还可包括稳焰扩张器10，呈向上扩口的锥筒状并环绕内环座11地安装在外环座12的上方；其中，依次通过周壁空气通孔121和空气流通环腔122的空气气流与通过燃气分布孔111的燃气气流在稳焰扩张器10内产生混合燃烧。
[0126]
可见，本实施方式的燃烧座采用非一体式结构，包括了多个组成部件。针对合成气低热值、富含氢等特点，采用单喷嘴双旋流扩散燃烧器，适用于大范围负荷变换以适应启停过程调节。采用合成气旋流扩散单喷嘴燃烧器，可保证合成气燃烧安全性，防止回火，去除燃烧烟气局部高温点。不同工况下烟气流量稳定，热负荷调节范围大，有益于控制模块在启停过程中电堆背压控制。
[0127]
具体地，周壁空气通孔121和燃气分布孔111均为用于形成同向旋流的旋流孔，即旋流孔的孔轴线与水平面之间具有水平夹角且孔轴线朝向同一周向侧偏斜。这样，如前所述，从空气流通腔c通过第一空气过孔81流入燃烧座容纳腔e的空气气流的大部分大致径向向内地流向燃烧座，通过外环座12上的周壁空气通孔121进入图10c所示的空气流通环腔122中形成空气旋流。而后，空气旋流与通过燃气分布腔131、燃气分布孔111流出的燃气旋流混合，在点火器16的点活作用下，在稳焰扩张器10内产生一次燃烧，同时产生向上的旋流烟气。
[0128]
参见图4、图9，燃烧器还包括空气分布器6，该空气分布器6连接于燃烧器外壳体的底端并内设空气分布腔f，空气分布腔f通过贯穿顶壁的空气流入孔61与空气流通腔c连通。这样，空气分布腔f可起到对大流量空气的缓冲降压作用，更能够对燃烧器底壁进行空气冷却散热，一方面冷却壁面形成保护，另一方面预热燃烧空气。
[0129]
参见图2至图4，进气管组件可包括嵌套管状的空气接口管14和燃气接口管15，燃气接口管15穿过空气分布器6伸入燃烧座中，空气接口管14从空气流通腔c的底壁伸出并套设在燃气接口管15外。在本实施方式采用的空气燃料双旋流扩散燃烧燃烧器中，所需的空气流量远大于合成气流量，因而图示的空气接口管14以外嵌套方式包裹燃气接口管15，二者管径比大致适配于所输送气流的流量比。
[0130]
如前所述，本发明的燃烧器应确保在不同热负荷要求下保持烟气流量稳定，背压
波动小。因此，可采用固定空气流量的调节方式，以保持烟气流量稳定。如此，燃烧烟气与阴极尾气混合后产生的高温混合气在启停过程中的不同工况下可保持不变，在输入模块尾部后，保证背压稳定或背压波动较小。
[0131]
具体地，在运行过程中保持空气流量不变，即通过空气接口管14输入燃烧器的空气流量保持稳定，通过调节燃料流量(即改变燃气接口管15的合成气流量大小)以调节出口的燃烧烟气的温度。由于燃料流量远小于空气流量，因此燃烧烟气的流量在不同负荷下可基本保持稳定。
[0132]
此外，如图5、图6所示，燃烧器外壳体可包括：
[0133]
燃烧器上外壳4，与火焰筒8同轴设置并伸入旋流筒腔a的底部，火焰筒8的顶端贯穿安装于燃烧器上外壳4的顶壁上；和
[0134]
燃烧器下外壳5，燃烧器下外壳5的顶端分别与旋流集气筒1的底端和燃烧器上外壳4的底端相连。
[0135]
燃烧器外壳体的分部结构，可方便将燃烧器上外壳4与火焰筒8同轴设置并伸入旋流筒腔a的底部，燃烧器上外壳4、旋流集气筒1与燃烧器下外壳5可更方便地实现同轴定位，一起通过法兰方式固定连接于安装基板(未显示)上。
[0136]
在上述的启停燃烧装置100的基础上，本发明还公开了一种发电系统，如图11所示的实施方式中，该发电系统包括：
[0137]
上述的启停燃烧装置100；
[0138]
发电模块200，呈堆塔结构并围绕布置在启停燃烧装置100的周侧；和
[0139]
阴极换热器300，发电模块200的阴极进气管201与启停燃烧装置100排出的混合烟气在阴极换热器300中形成热交换。
[0140]
在本发明的发电系统中，将启停燃烧装置100内置于模块中心，即发电模块200的堆塔中心位置，保证同轴心，这样不仅提高系统产品的结构集成度、结构更为紧凑，而且散热于系统内，热损失最小，有利于提升系统热利用率。
[0141]
在发电系统的启动停车过程中，保持发电模块200的电堆进气量不变，开启燃烧器，点火后，保持燃烧器的空气进气量基本不变，通过调节合成气的燃料量，从而调整燃烧烟气的出口温度。在旋流集气筒1中，阴极尾气与燃烧烟气形成内外分层的同向旋流混合，混合充分后形成高温混合气，通过混合烟气出口管2流入阴极换热器300内。其中，可通过调节燃烧烟气的出口温度实现对阴极进气气流的预热温度的变化调节。由于燃烧器所需的空气流量远高于合成气的燃气量，因此燃烧烟气流量、质量在不同工况下可认为是稳定的。异常情况下，可通过空气调节管3开启调节空气，控制流入阴极换热器300的高温混合气的进气温度。高温混合气进入阴极换热器300后，通过阴极换热器300加热空气，形成电堆阴极进气，从而实现模块升温和程序降温过程。
[0142]
其中，如图2所示，可设置燃烧器出口热电偶测点203、换热器高温进口温度测点204以及换热器高温出口温度测点205等多个参数监测点，以监测判断是否存在温度压力异常，是否启动适时空气调节管3。
[0143]
需要特别说明的是，现有系统的阴极换热器为外圆柱形板式换热器，或称外缘集成环形板式换热器，体积相对较大，散热较大，动态过程的热惯性较大。对于合成气igfc系统，合成气热值较低，阳极流量较大。此外，由于缺少重整过程，阴极流量需要相对更大，完
成系统的热平衡。设计条件下阴极流量可能使阳极的10～15倍，因此阴极保温和热量管理对于模块热平衡十分重要。对于合成气燃料，外侧阴极换热器换热面积较大，流通面积相对较小；此外，对于较大流量的空气流量，可能造成背压升高。因此，合成气系统更适合采用换热强度更高、结构跟紧凑的板翅式换热器。阴极换热器300即为板式换热器。换热器采用结构紧凑和换热强度大的板翅式换热器，换热器体积质量较小，可降低模块的热惯性。
[0144]
本发明采用合成气的上述发电系统中，在不同的热负荷工况下进行检测试验，获得结果如下：
[0145][0146]
其中，选取具有代表性的燃烧器中分面的oh自由基、温度以及燃烧器火焰筒8的壁面温度的计算结果云图作为参考数据，cfd计算结果如图12a至图12f所示。
[0147]
结果显示，火焰形态正常，无吹熄、无明显的火焰抬升或者回火状况，燃烧反应区连贯无明显断裂。上限工况条件下燃烧器壁面最高温度约为850℃，现有的燃烧器结构设计可以在设计工况条件下正常稳定燃烧运行。上下极限工况出口烟气温度约为1277℃和690℃。
[0148]
综上，本发明的合成气燃烧器采用空气、燃料的双旋流结构，燃烧器头部设置空气布风板。燃料气与空气旋流充分接触反应，于布风板处形成一次混合，燃烧器壁面设置掺混孔以补入二次空气等，可确保燃烧烟气的出口温度的均匀性。冷空气通过冷却孔进入火焰筒，并通过气膜环的导流作用，在火焰筒壁面附近形成冷却气膜，保护长周期运行条件下燃烧器的安全性。燃烧烟气从底部进入旋流集气筒1内，阴极尾气从周侧的旋流进气口101进入旋流集气筒1中，集气筒容积较大形成气体缓冲作用，保持背压稳定。旋流导流件102将引导气体流动方向与燃烧烟气同向旋流，燃烧烟气和阴极尾气在旋流过程中混合均匀，低温气体在旋流离心力作用下贴近集气筒的内壁面，保护集气筒。燃烧烟气和阴极尾气通过旋流充分混合，消除局部高温点保护尾部换热器被高温损坏。集气筒中心由于烟气旋流形成低压区域，燃烧器出口布置于低气压区，形成负压，便于烟气排出和充分混合，由此可降低燃烧器进气压力，降低模块背压波动风险。
[0149]
阴极换热器300前设置空气调节管3作为调节空气口和背压排泄口，可在紧急状况下实施干预，保护换热器和模块电堆。异常情况下，换热器进气温度超温，则输入调节空气，
迅速降低气体温度，保护换热器不被损坏。模块背压异常条件下，可开启排气放空，保证背压稳定。
[0150]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，例如对多级燃烧时各个空气过孔的个数、孔径、孔形状进行简单变化，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0151]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0152]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。