【摘 要】
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固体氧化物燃料电池具有燃料适应性强、安全无污染、噪音低等优点,但其工作温度高,启动过程对能量输入要求高,稳定运行过程需要处理阳极废气。燃烧器作为系统关键热部件之一,为系统启动过程提供能量,在稳定运行工况燃烧阳极废气,因此燃烧器设计成为固体氧化物燃料电池系统关键技术之一。然而现阶段研究多停留在燃烧器本体的设计方面,针对固体氧化物燃料电池系统的燃烧器研究相对较少,因此本文为某款采用天然气为燃料的固体氧
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固体氧化物燃料电池具有燃料适应性强、安全无污染、噪音低等优点,但其工作温度高,启动过程对能量输入要求高,稳定运行过程需要处理阳极废气。燃烧器作为系统关键热部件之一,为系统启动过程提供能量,在稳定运行工况燃烧阳极废气,因此燃烧器设计成为固体氧化物燃料电池系统关键技术之一。然而现阶段研究多停留在燃烧器本体的设计方面,针对固体氧化物燃料电池系统的燃烧器研究相对较少,因此本文为某款采用天然气为燃料的固体氧化物燃料电池设计了一款燃烧器,仿真分析了燃烧性能,并对其启动工况和稳定运行工况的燃烧特性进行了模拟验证,为系统燃烧器的后续应用研究打下基础。主要工作内容及结论如下:（1）提出了基于固体氧化物燃料电池基本参数的燃烧器平均功率计算方法。设计了平均功率为92 kW的燃烧器结构并建立仿真模型,搭建了试验台架并进行结果验证。（2）基于燃烧器仿真模型,研究了不同过量空气系数对燃烧和排放的影响,研究发现,随过量空气系数增大,燃烧室内高温区收窄,燃烧变差,尾气温度降低。CO排放呈现过量空气系数小于2.5时几乎为0,过量空气系数大于2.5时增加的趋势。NOx排放呈现随过量空气系数增大而减少的趋势,在CH4流量为60、90和120g/min的工况下,过量空气系数小于2.5时,减少速度快,大于2.5时减少速度慢,在CH4流量为30g/min工况下无明显分界点。启动工况中燃烧器压降较小。（3）基于燃烧器仿真模型,研究了不同平均流速下CH4的燃烧和排放情况,发现随过量空气系数增大,使燃烧器保持良好燃烧的平均流速减小。过量空气系数为2.9、3.1和3.3时,平均流速分别取小于6.2m/s、小于5.4m/s和小于4.6m/s时能保持良好燃烧状态。（4）通过控制燃烧器单位时间尾气输出能量,研究了不同入口空气温度下的燃烧和排放性能。研究发现,随入口空气温度升高过量空气系数增大,燃烧室内高温区向前部集中,燃烧室内最高温度升高。NOx排放随入口空气温度升高而增加。单位时间尾气输出能量为257 kJ/s时,CO和CH4排放随入口温度升高而减少,其他工况下两者排放在入口空气温度低于373 K时增加,高于373 K时减少。（5）基于Cycle Tempo软件对固体氧化物燃料电池系统建模并计算不同电堆燃料利用率下的阳极废气和阴极废气组分,固定燃烧器出口温度为1073K计算所需阳极废气和阴极废气流量。以此作为燃烧器输入条件进行仿真计算,研究发现,对于过量空气系数较大的稳定运行工况,燃烧器依旧能稳定燃烧且具有良好的排放性能和较小的压降。
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