发电系统的尾气处理燃烧器的制作方法

1.本发明属于尾气处理燃烧器领域。


背景技术：

2.对于燃气发电sofc系统，阳极尾气中存在未反应的可燃气体和污染物气体，如ch4，co等。在系统循环pid中，运行状态下，采用一个尾气燃烧器，利用过量空气将尾气中的可燃气体进行燃烧，确保污染物排放达标，尾气燃烧之后主要成分为h2o和co2。燃烧器产生的热量，利用辐射换热器、板式换热器等设备用以加热阴极进气(例如空气)，或者提供给重整器，余热利用，以提升系统热效率。
3.但现有系统的尾气排放中，含有较大量的co2，加剧大气温室效应，且采用空气作为助燃剂，会引入n2杂质，影响co2富集效率，尾气处理过程中no
x
排放量较大，可能造成系统尾部管线酸蚀，影响安全性。
4.此外，对于合成气igfc系统，合成气热值较低，阴极和阳极流量差别较大，余热加热阴极效果不够明显，且烟气直接注入阴极排气尾部，易造成系统背压波动。


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的尾气处理燃烧器，能够实现co2富集，提高热利用率。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种发电系统的尾气处理燃烧器，所述尾气处理燃烧器包括：
7.火焰筒；阳极进气管，作为热交换器伸入所述火焰筒内；以及
8.燃烧组件，包括位于所述火焰筒的筒腔底部的燃烧座以及与所述燃烧座相连的氧气进气管和阳极尾气进气管。
9.在一些实施方式中，所述氧气进气管连接有纯氧供气管或制氧机。
10.在一些实施方式中，所述阳极进气管包括：
11.轴向伸入段，向下伸入所述火焰筒中；
12.轴向伸出段，向上伸出所述火焰筒外；和
13.蛇形盘管段，连接于所述轴向伸入段与轴向伸出段之间并在所述火焰筒的筒腔内沿周面盘旋。
14.在一些实施方式中，所述蛇形盘管段的盘旋周面与所述火焰筒的内壁面径向间隔平行。
15.在一些实施方式中，所述蛇形盘管段包括：
16.多个直盘管，沿轴向延伸且沿周向彼此间隔平行；和
17.弧形盘管，连接在相邻的所述直管段的管端之间。
18.在一些实施方式中，所述燃烧组件设置为使得燃烧烟气在所述火焰筒的筒腔内呈螺旋状盘升。
19.在一些实施方式中，所述燃烧组件包括：
20.氧气布风板，设有中心安装孔和多个布风孔，多个所述布风孔沿周向依次间隔排布并形成环绕所述中心安装孔的圈形；
21.燃烧座，嵌装于所述中心安装孔中并包括多个燃气孔，多个所述燃气孔沿周向依次间隔排布成孔圈状；和
22.稳焰扩张器，呈向上扩口的锥筒状并环绕所述布风孔安装在所述氧气布风板上；
23.其中，通过所述布风孔的氧气气流与通过所述燃气孔的燃气气流在所述稳焰扩张器内产生混合燃烧。
24.在一些实施方式中，所述布风孔和所述燃气孔均为孔轴线朝向同一圆周方向倾斜以形成同向旋流的旋流孔，所述旋流孔的孔轴线朝向所述稳焰扩张器的内壁面斜向上且向外延伸。
25.在一些实施方式中，所述布风孔的孔轴线与水平面之间的锐角夹角不等于所述燃气孔的孔轴线与水平面之间的锐角夹角。
26.在一些实施方式中，所述火焰筒的径向外端套设有强制冷却外壳，所述强制冷却外壳用于对所述火焰筒的筒壁冷却降温，所述火焰筒的径向外端且靠近所述燃烧座处设置有延伸出所述强制冷却外壳的点火孔。
27.在本发明的尾气处理燃烧器中，采用火焰筒、阳极进气管和燃烧组件装配形式，氧气进气管为助燃剂纯氧气通入管路，阳极尾气进气管为燃料管路，通过燃烧座旋流混合燃烧，纯氧助燃，避免引入杂质，提升co2富集。产生烟气与阳极进气管进行单纯热交换式换热，避免系统压力波动，提高热利用率。
28.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
29.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：
30.图1为根据本发明的具体实施方式的尾气处理燃烧器的立体图；
31.图2为图1的爆炸图，展示了火焰筒内阳极进气管和燃烧组件等；
32.图3为图1的前视图；
33.图4为图3的整体剖视图，展示了尾气处理燃烧器的内部结构；
34.图5和图6分别为图3的尾气处理燃烧器的俯视图，其中为清楚展示而省略了部分组件，图5具体图示了火焰筒及内部的阳极进气管、氧气布风板、燃料旋流喷嘴和稳焰扩张器等，图6进一步仅展示了氧气布风板、燃料旋流喷嘴和稳焰扩张器；
35.图7为图6中沿a-a截面剖切后的剖视图；
36.图8为图1所示的阳极进气管在不同视角下的立体图；
37.图9为图1所示的燃料旋流喷嘴在不同视角下的立体图；
38.图10为图9所示的燃气孔在俯视视角下的立体图；以及
39.图11为图1所示尾气处理燃烧器的工作原理图。
40.附图标记说明：
41.100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
火焰筒
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
200
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极进气管
42.201
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴向伸入段
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
202
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴向伸出段
43.203
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
蛇形盘管段
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2031
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直盘管
44.2032
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
弧形盘管
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
300
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃烧组件
45.301
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃烧座
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3011
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
氧气布风板
46.3012
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃料旋流喷嘴
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3013
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
稳焰扩张器
47.302
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
氧气进气管
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
303
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极尾气进气管
[0048]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
布风孔
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃气孔
[0049]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
强制冷却外壳
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
点火孔
[0050]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
氧气入口
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极尾气入口
[0051]
c1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冷却空气进口
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
c2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
冷却空气出口
[0052]
oo
’ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
燃气孔的孔轴线
具体实施方式
[0053]
以下结合附图对本发明实施例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实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0054]
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。
[0055]
下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
[0056]
本发明提供了一种发电系统的尾气处理燃烧器，参见图1至图11的具体实施方式，该尾气处理燃烧器包括：
[0057]
外侧的火焰筒100；
[0058]
火焰筒100的内腔上部的阳极进气管200，参见图4、图5，该阳极进气管200作为热交换器伸入火焰筒100内；以及
[0059]
下部的燃烧组件300，包括位于火焰筒100的筒腔底部的燃烧座301以及与燃烧座301相连的氧气进气管302和阳极尾气进气管303，参见图4、图6。
[0060]
本发明旨在提供一种针对sofc系统阳极尾气的尾气处理燃烧器，以解决阳极尾气的co2富集及其热利用率提升的问题。由于燃气发电sofc系统中，阳极尾气中存在未反应的可燃气体和污染物气体，如ch4，co等，需要利用尾气处理燃烧器对阳极尾气进一步处理，燃烧过程中释放热能并产生co2等燃烧产物，因此需要充分考虑尾气处理过程中能量利用问题及尾气减排问题，提高热能利用率并对co2进行固化富集，尽量形成高利用率的能源集约型和低尾气排放的环境友好型生产工艺。
[0061]
在本实施例中，针对发电sofc系统，提出了一种co2捕集的尾气处理燃烧器的结构设计形式。其中，火焰筒100下部的氧气进气管302、阳极尾气进气管303分别为纯氧气通入管路和阳极尾气通入管路，结合火焰筒100筒腔底部的燃烧座201，形成燃烧组件300，进一步地，阳极进气管200作为热交换器采用盘管状延伸入火焰筒100的燃烧烟气出口处，本实施例中采用蛇形盘管状，但不限于此，如图4和图11所示。
[0062]
如图所示，助燃气体纯氧气沿氧气入口a进入氧气进气管302内，燃料气体阳极尾气沿阳极尾气入口b进入阳极尾气进气管303内，燃气和助燃气于燃烧座301处旋流混合并燃烧，其中助燃气为纯氧，避免引入n2等杂质，为实现燃烧烟气的co2捕集提供先决条件；进
一步地，燃烧产生的高温烟气旋流盘升至火焰筒100上部，燃烧烟气位于火焰筒100内，阳极进气位于阳极进气管200内，二者进行单纯热交换式换热，而非物质交换式热交换，保证燃烧烟气内不引入新的气体成分，保证燃烧尾气内co2浓度，为进一步实现燃烧烟气的co2捕集提供有利条件。
[0063]
本实施例中，氧气进气管302连接有纯氧供气管或制氧机。纯氧供气管或制氧机用于提供或生产纯氧气，保证氧气进气管302通入气体为纯氧气，纯氧气作为助燃剂的同时，仅向尾气处理燃烧器内引入氧元素，氧元素作为阳极尾气组成气的必备元素之一，高度契合工业生产过程中不引入新杂质的生产理念，需要说明的是，氧气进气管302的进气端也不局限于纯氧供气管或制氧机，只要能够满足向氧气进气管302内通入纯氧气即可。
[0064]
同时，如图4和图8所示，阳极进气管200包括：轴向伸入段201，向下伸入火焰筒100中；轴向伸出段202，向上伸出火焰筒100外；和蛇形盘管段203，连接于轴向伸入段201与轴向伸出段202之间并在火焰筒100的筒腔内沿周面盘旋。阳极进气管200由三部分组成，其中轴向伸入段201为阳极进气的输入端，轴向伸出端202为阳极进气的输出端，阳极进气于蛇形盘管段203内顺势流动，使阳极进气沿火焰筒100轴向流动并靠近火焰筒100筒壁周面，实现流动阳极进气与旋流盘升燃烧燃气进行单纯热交换式换热，即减少烟气直接冷却造成的热损失，提高换热效率，又防止二者物质交换，避免系统压力波动，与此同时，蛇形盘管段203贴近火焰筒筒壁，控制火焰筒筒壁温度，并减少直接对筒壁冷却造成的热损失，同时避免高温烟气直接冲刷筒壁，保护筒壁，提高火焰筒的使用寿命。
[0065]
更具体地，作为示例，蛇形盘管段203的盘旋周面与火焰筒100的内壁面径向间隔平行，如图5所示。使阳极进气均匀流过火焰筒100筒壁，均匀控制火焰筒100筒壁温度。其中，蛇形盘管段203包括：多个直盘管2031，沿轴向延伸且沿周向彼此间隔平行；和弧形盘管2032，连接在相邻的直盘管2031的管端之间，如图8所示。其中，直盘管2031保证阳极进气沿火焰筒100的轴向方向流动，弧形盘管2032减少阳极进气流动阻力和对盘管的冲击，实现阳极进气的顺畅流动。
[0066]
如图4、图6和图7所示，燃烧组件300设置为使得燃烧烟气在火焰筒100的筒腔内呈螺旋状盘升，其中燃烧烟气沿筒腔螺旋状盘升与上述阳极进气管200内阳极进气流动方向垂直，保证高温烟气多次旋流垂直扫过换热表面，充分利用热对流和辐射热加热内阳极进气，以提升系统热效率。
[0067]
现有的发电sofc系统的尾气处理燃烧器多采用空气作为助燃剂，利用过量的空气与阳极尾气中的可燃气体进行燃烧，确保co和no
x
等污染物排放达标，其尾气燃烧后主要成分为h2o和co2；与此同时，燃烧器产生的热量，利用辐射换热器、板式换热器等设备用以混入阴极出气，通过换热器加热阴极进气，或者提供给重整器，余热利用，提升系统热效率。
[0068]
其中，利用空气作为尾气助燃剂，引入大量n2，造成no
x
污染物排放，污染大气同时影响co2的富集效率，甚至可能引起尾部系统的酸蚀，影响安全性；与此同时，对于合成气igfc系统，合成气热值较低，阴极和阳极流量差别较大，典型工况下阴极流量为阳极流量的10～15倍，余热加热阴极效果不够明显，且烟气直接注入阴极排气尾部，易造成系统背压波动。
[0069]
具体地，在本实施例中，如图6、图7所示，燃烧座301包括：氧气布风板3011，设有中心安装孔和多个布风孔1，多个布风孔1沿周向依次间隔排布并形成环绕中心安装孔的圈
形。其中氧气进气管302通入的纯氧气通过多个布风孔1进入火焰筒100内，根据使用要求，在当量附近燃烧时，纯氧气流量较小，通过布风孔1保证氧气气流流速，以此加强火焰旋流强度，保证掺混效果，此外，低温氧气流经并冷却氧气布风板3011和稳焰扩张器3013时，保证焊缝温度在可接受范围之内。位于火焰筒100底部中心处的燃料旋流喷嘴3012，嵌装于中心安装孔中并包括多个燃气孔2，多个燃气孔2沿周向依次间隔排布成孔圈状，图7、图9和图10所示。其中燃料旋流喷嘴3012的顶部圆形平面形成钝体结构，内部呈锥形面结构，但不限于此，a-a截面处图7中显示的燃气孔2仅为该孔的部分结构。
[0070]
燃料旋流喷嘴3012与阳极尾气进气管303可通过燃料旋流喷嘴3012内侧螺纹进行连接，但不限于此，阳极尾气进气管303通入阳极尾气，并沿多个燃气孔2进入火焰筒100与助燃剂纯氧气混合；外沿的稳焰扩张器3013，呈向上扩口的锥筒状并环绕布风孔1安装在氧气布风板3011上；稳焰扩张器3013与氧气布风板3011和燃料旋流喷嘴3012同心，其中，通过布风孔1的氧气气流与通过燃气孔2的燃气气流在稳焰扩张器3013内产生混合燃烧，混合气流流动时与稳焰扩张器3013内壁面相撞，由于混合气流的流动方向与竖直方向成一定角度以及喷嘴钝体结构的作用，使燃烧器中间形成低压区，混合气流向卷吸回流方向流动，增强烟气卷吸回流强度，加强火焰根部的稳定性和掺混效果，火焰筒100内采用的稳火和旋流机制，提高阳极尾气(低热值、含湿量大)燃烧的稳定性，控制火焰长度。
[0071]
如图7、图10所示，布风孔1和燃气孔2均为孔轴线朝向同一圆周方向倾斜以形成同向旋流的旋流孔，旋流孔的孔轴线如图7中燃气孔2孔轴线oo’所示，朝向稳焰扩张器3013的内壁面斜向上且向外延伸。布风孔1和燃气孔2的轴线与水平面成一定旋流角，氧气和燃气同向逆时针旋流，进一步地，布风孔1的孔轴线与水平面之间的锐角夹角不等于燃气孔2的孔轴线与水平面之间的锐角夹角。这种旋流布置方式，使得阳极尾气与纯氧气在稳焰扩张器3013内汇流，燃烧气流可分解为两个方向的流向，其一为回流方向，即气流在燃烧区域的中心位置的反射回流，其二为旋流方向，燃烧气流形成较强的例如逆时针旋流，烟气螺旋状盘升与阳极进气流动方向垂直，保证高温烟气多次旋流垂直扫过换热表面，充分利用热对流和辐射热加热内阳极进气，以提升系统热效率。同时，在火焰中心形成低压回流区，将高温烟气卷吸至火焰根部，实现烟气回流，提升燃料和氧气的掺混效果，同时提升火焰根部温度，形成较强稳火效果，确保超低热值阳极尾气的稳定燃烧。
[0072]
如图2和图4所示，火焰筒100的径向外端套设有强制冷却外壳3，强制冷却外壳3用于对火焰筒100的筒壁冷却降温，其中冷却空气沿冷却空气进口c1进入强制冷却外壳3，并沿冷却空气出口c2排出，冷空气呈下进上出流动，提高冷却效果，有效保护火焰筒100筒壁，提高使用寿命，火焰筒100的径向外端且靠近燃烧座301处设置有延伸出强制冷却外壳3的点火孔4，通过点火孔4对火焰筒100内燃气和助燃气进行点火燃烧。
[0073]
本发明的发电sofc系统中系统尾气成分会随发电模块的输出负荷、燃料利用率和燃料组分变化。进一步地，针对系统输出功率的变负荷特性，开展了10kw级和5kw级系统尾气燃烧过程cfd模拟计算。
[0074]
如下表一至表四所示的四个具体实施例中，以不同组分的合成气为燃气通入不同的输出负荷的发电系统中进行实验，可获得实验结果如下表所示，其中流量单位均为slpm。以气瓶气混合模拟尾气气组分，混合后通入水浴装置，通过水浴温度控制混合气中的含水量，以此完成不同组分尾气模拟。
[0075][0076][0077]
结果表明：本发明提供的一种针对sofc系统阳极尾气的尾气处理燃烧器，在不同输出功率负荷条件下均可正常工作，处理后烟气干燥基co2浓度高于95％，显著提升了co2富集率。
[0078]
综上，本发明的尾气处理燃烧器中，采用纯氧气作为助燃剂并通入氧气进气管302内，避免引入n2等杂质，并降低no
x
排放量，为实现燃烧烟气的co2捕集提供先决条件，进一步地，采用阳极进气管200，使阳极进气沿火焰筒100轴向流动并靠近火焰筒100筒壁周面，保护筒壁，提升使用寿命，阳极进气与燃烧尾气进行单纯热交换式换热，而非物质交换式热交换，避免系统压力波动，有效提高热利用率，同时，燃烧烟气内不引入新的气体成分，保证燃烧尾气内co2浓度，为进一步实现燃烧烟气的co2捕集提供有利保障。
[0079]
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。
[0080]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0081]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0082]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0083]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0084]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0085]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。