可防回火的燃料重整器用燃烧器的制作方法

[0001]
本发明涉及可防回火的燃料重整器用燃烧器，具体是，使液化天然气、液化石油气等燃气和在燃料电池系统的燃料电池堆栈(stack)中未被使用且通过堆栈的阳极废气(anode off gas)被全部燃烧，可以彻底防止燃烧器内侧可能发生的回火，使稳定性和耐久性得以提升的燃料重整器用燃烧器。


背景技术：

[0002]
所谓燃料电池系统是使用如甲醇、乙醇、天然气等烃系物质中含有的氢，使用氧气(空气)作为氧化剂，通过与氧气的化学反应，将化学能直接转变成电能的发电系统。
[0003]
所述燃料电池系统以燃料电池堆栈(stack)和燃料处理装置为主要部位配置，将燃料罐、燃料泵等作为配套设备配置。在此，所述堆栈可以引起化学反应而产生电。此时，化学反应结束后产生的气体是称之为阳极废气(anode off gas)。
[0004]
氢气是通常以液化天然气或者液化石油气和水蒸气用作催化剂，在高温下重整(reforming)获取。这种重整内部需由燃烧器来加热催化剂，开始起动时，燃烧器用液化天然气或液化石油气运行，但正常运行时，反应后气体即阳极废气和燃气被同时投入运行。
[0005]
为提升燃料电池系统的效率，除了可以燃烧烃等燃气之外，还应可以燃烧氢气。换言之，必须配备从堆栈中未反应排出的阳极废气中含有的氢气的燃烧装置。而且为了提升燃料电池系统的效率，需要一种不仅燃烧氢等燃气，还可以燃烧阳极废气中含有的氢气，以用作燃料处理装置所需热源的燃烧器。
[0006]
这种燃料电池系统的重整器用燃烧器在韩国专利公开编号10-2009-0010402号等多个专利中公开。
[0007]
但现有的重整器用燃烧器的结构采用的是完全预混燃烧方式，燃烧速度差异大的城镇燃气和阳极废气在一个管口使用时，回火的可能性极高。就是说，氢气燃烧时的火焰速度比燃气的火焰速度更快(甲烷的十倍)，燃烧时火焰会反向燃料流动方向的上流燃烧，因此容易引发爆炸。
[0008]
因此需开发一种可以确保燃烧器的稳定性，且耐久性和耐热性也优良的燃料重整器用燃烧器。
[0009]
先有技术文献
[0010]
专利文献
[0011]
(专利文献0001)韩国专利公开编号10-2009-0010402号


技术实现要素：

[0012]
技术问题
[0013]
本发明是为解决上述问题而创造，因此本发明的目的在于提供一种使液化天然气、液化石油气等燃气和在燃料电池系统的燃料电池堆栈中未被使用且通过堆栈的阳极废气被全部燃烧，可以彻底防止燃烧器内侧可能发生的回火，使稳定性和耐久性或者高温特
性等性能得以提升的燃料重整器用燃烧器。
[0014]
技术方案
[0015]
为实现所述目的，本发明的燃料重整器用燃烧器包括：器体部，其一侧设有连通于空气流入口的第一气体流入口，上面设有由从所述空气流入口流入的空气和从所述第一气体流入口流入的第一气体混合的第一混合气体排出的排出口；内侧管体，其配置于所述器体部的上侧，与所述器体部的排出口被连通设置，将从所述排出口排出的第一混合气体引向上部；外侧管体，其配置于所述器体部上侧的同时被设置成包住所述内侧管体，外侧设有第二气体流入口，将从所述第二气体流入口流入的第二气体引向上部；喷嘴，其设置于所述外侧管体的内部，通过喷射孔喷射由所述第一混合气体和第二气体混合的第二混合气体；火花塞，其设置于所述器体部的下部，一端设有将所述内侧管体的内部贯通并延长至所述喷嘴上侧以引起火花的点火棒。
[0016]
作为优选的实施例，所述喷嘴通过销结合于所述外侧管体，所述内侧管体比起所述外侧管体长度相对较短地形成，外面凸出设有多个支撑条。
[0017]
为避免所述外侧管体的内部发生回火，在所述外侧管体内侧即所述支撑条上设有防焰罩，而且为避免所述第二气体流入口内部发生回火，所述第二气体流入口)内侧设有不锈钢绒构件。
[0018]
作为一实施例，所述外侧管体的外侧设有具备多个结合孔的凸缘部。
[0019]
作为本发明的优选实施例，所述内侧管体和外侧管体是以奥氏体不锈钢制成，按质量分数分别包含：0.1～0.13％的碳(c)、1.1～1.5％的硅(si)、0.78～0.98％的锰(mn)、20～23％的铬(cr)、10～12％的镍(ni)、0.05～0.1％的氮(n)、0.5～3.0％的钨(w)、0.01～0.04％的铝(al)、0.005％以下的硫(s)、0.01～0.02％的铈(ce)、0.0006～0.0015％的硼(b)、0.1～0.5％的铌(nb)、0.006～0.01％的磷(p)、0.006以下的氧(o)、1.4～3.4％的铜(cu)、0.01～0.4％的钛(ti)、0.3％以下的钼(mo)、0.0003～0.1％的锆(zr)、0.0003～0.03％的钙(ca)、0.0003～0.01％的镁(mg)、0.0003～0.1％的钯(pd)、0.0003～0.1％的铪(hf)、0.2～2.0％的钴、0.008～0.098％的钒(v)，剩余的是以铁(fe)和不可避免的杂质组成。
[0020]
有益效果
[0021]
根据本发明的燃料重整器用燃烧器，其有益效果在于，
[0022]
使用防焰罩(flame screen)和不锈钢绒形态不锈钢绒构件避免喷嘴下部的外侧管体内部中混合气体发生回火或者含氢的阳极废气流入的第二气体流入口内侧发生回火，从而确保使用燃烧器时的稳定性；
[0023]
喷嘴与销结合被完全固定住，即便长期使用燃烧器，但喷嘴不会移动，从而确保耐久性；
[0024]
本发明的燃烧器所用内侧管体和外侧管体以高温蠕变强度、抗氧化性、耐热性等高温特性最佳的材料构成，即便长时间燃烧，依然确保其耐久性。
附图说明
[0025]
图1是显示本发明的燃料重整器用燃烧器的外观结构的示意图；
[0026]
图2是简略显示本发明的燃料重整器用燃烧器的内部结构的剖视图。
[0027]
符号说明
[0028]
10：器体部；
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11：空气流入口；
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12：第一气体流入口；
[0029]
13：排出口；
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20：内侧管体；
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21：支撑条；
[0030]
30：外侧管体；
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31：第二气体流入口；
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40：喷嘴；
[0031]
41：喷射孔；
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42：绝缘材料；
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50：火花塞；
[0032]
51：点火棒；
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60：防焰罩；
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61：不锈钢绒构件；
[0033]
70：销(pin)；
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80：凸缘部；
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81：结合孔。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图详述本发明的燃料重整器用燃烧器的优选实施例。
[0035]
本发明的器体部(10)如图1和图2所示设有空气流入口(11)、第一气体流入口(12)和排出口(13)。
[0036]
就是说，所述器体部(10)的一侧设有连通于空气流入口(11)的第一气体流入口(12)，上面设有由从所述空气流入口(11)流入的空气(g0)和从所述第一气体流入口(12)流入的第一气体(g1)混合的第一混合气体(f1)排出的排出口(13)。
[0037]
所述器体部(10)通过所述空气流入口(11)和第一气体流入口(12)接收空气或氧气和第一气体，使空气(g0)和第一气体(g1)混合，在内侧生成第一混合气体(f1)。
[0038]
流入所述器体部(10)的第一气体流入口(12)的第一气体(g1)优选的是，使开始火焰容易发火的液化天然气或者液化石油气。
[0039]
从所述器体部(10)的内侧生成的第一混合气体(f1)是通过所述排出口(13)向上部排出。
[0040]
所述内侧管体(20)配置于所述器体部(10)的上侧，与所述器体部(10)的排出口(13)连通地被设置，具有将从所述排出口(13)排出的第一混合气体(f1)引向上部的管道形态。
[0041]
所述内侧管体(20)与所述外侧管体(30)的长度相比，相对较短地形成，使通过所述第一外侧管体(30)移至上部第二气体(g2)和第一混合气体(f)在外侧管体(30)中混合生成第二混合气体(f2)。
[0042]
作为优选的实施例，所述内侧管体(20)如图2所示，外面凸出设有多个(一实施例为四个)的支撑条(21)。
[0043]
所述支撑条(21)被紧贴于所述外侧管体(30)内周面固定住，防止所述内侧管体(20)向一方向倾斜或者流动，而且起到凸坎作用，使得后述的防焰罩(60)如图2所示配置于外侧管体(30)内部。
[0044]
所述外侧管体(30)是如图1和图2所示，配置于所述器体部(10)上侧的同时可包住所述内侧管体(20)地被设置，外侧设有第二气体流入口(31)，具有将从所述第二气体流入口(31)流入的第二气体(g2)引向上部的管道形态。
[0045]
流入所述外侧管体(30)的第二气体流入口(31)的第二气体(g2)是上述的阳极废气(anode off gas)，该气体是从燃料电池系统中化学反应结束后排出的气体。
[0046]
所述喷嘴(40)设置于所述外侧管体(30)的内部，将由所述第一混合气体(f1)和第二气体(g2)混合的第二混合气体(f2)如图2所示通过喷射孔(41)向上侧喷射，而且如图2所
示，外面紧贴所述外侧管体(30)内周面而受到支承，进而通过销(70)结合于外侧管体(30)而被固定住。
[0047]
所述喷嘴(40)设置在与引起火花(spark)的点火棒(51)的末端相对较低的位置，第二混合气体(f2)通过的喷射孔(41)以辐射状设有多个。
[0048]
所述火花塞(50)是如图1和图2所示，设置于所述器体部(10)的下部，一端或上端设有将所述内侧管体(20)的内部贯通并延长至所述喷嘴(40)的上侧以引起火花的点火棒(51)，因此随着外部高电压的输入，所述点火棒(51)上产生火花，使由所述喷嘴(40)喷射的第二混合气体(f2)被由所述点火棒(51)上发生的火花点燃而生成火焰。
[0049]
所述点火棒(51)贯通所述喷嘴(40)中央，因此喷嘴(40)部位的点火棒(51)上设有由具有绝缘功能的公知材料形成的绝缘材料(42)。
[0050]
作为本发明的主要特征之一，本发明如图2所示，所述外侧管体(30)内侧即支撑条(21)上设有防焰罩(60)，以防所述外侧管体(30)内部发生回火。
[0051]
所述防焰罩(60)具有网状，由金属材料制成的公知的防焰罩(flame screen)卷绕多层而成，用于防止火焰的回火。
[0052]
此外，本发明如图2所示，所述第二气体流入口(31)的内侧设有不锈钢绒构件(61)，用于防止所述第二气体流入口(31)内部发生回火或起火。所述不锈钢绒构件(61)以公知的不锈钢绒(stainless steel wool)形态构成。
[0053]
如上所述，本发明中分别设有所述防焰罩(60)和不锈钢绒构件(61)，使得火焰被所述防焰罩(60)被一次阻断同时，使燃烧速度远超所述第一气体(g1)的第二气体(g2)在外侧管体(30)进一步在第二气体流入口(31)内部起火而火焰回流的现象被双重阻断。
[0054]
因此本发明的燃烧器燃烧时其稳定性彻底得到保障。
[0055]
本发明的燃烧器的所述外侧管体(30)外侧设有具有多个结合孔(81)的凸缘部(80)，通过所述结合孔(81)拧结公知的拧紧装置，使得本发明的燃烧器在所需的场所容易设置。
[0056]
本发明的另一主要特征是，所述内侧管体(20)和外侧管体(30)以高温特性优良的材料制成，即便长时间燃烧，燃烧器的耐久性依然可靠。
[0057]
作为本发明的优选实施例，所述内侧管体(20)和外侧管体(30)是以奥氏体不锈钢制成，按质量分数分别包含：0.1～0.13％的碳(c)、1.1～1.5％的硅(si)、0.78～0.98％的锰(mn)、20～23％的铬(cr)、10～12％的镍(ni)、0.05～0.1％的氮(n)、0.5～3.0％的钨(w)、0.01～0.04％的铝(al)、0.005％以下的硫(s)、0.01～0.02％的铈(ce)、0.0006～0.0015％的硼(b)、0.1～0.5％的铌(nb)、0.006～0.01％的磷(p)、0.006以下的氧(o)、1.4～3.4％的铜(cu)、0.01～0.4％的钛(ti)、0.3％以下的钼(mo)、0.0003～0.1％的锆(zr)、0.0003～0.03％的钙(ca)、0.0003～0.01％的镁(mg)、0.0003～0.1％的钯(pd)、0.0003～0.1％的铪(hf)、0.2～2.0％的钴、0.008～0.098％的钒(v)，剩余的是以铁(fe)和不可避免的杂质组成。
[0058]
下面阐述所述成分的组成范围和限定理由。
[0059]
碳(c)是添加后可提升高温强度，但过量添加则延伸率和可焊性低下，因此优选的包含质量分数为0.1～0.13％。
[0060]
硅(si)是提升高温抗氧化性的元素，添加过量则可焊性和热加工性低下，因此优
选的包含质量分数为1.1～1.5％。
[0061]
锰(mn)是奥氏体相稳定化元素，作为镍的替代元素，使奥氏体相亚稳化，但添加过量则耐热性变得不良，因此优选的包含质量分数为0.78～0.98％。
[0062]
铬(cr)是促进不锈钢氧化膜形成的元素，添加20％以上可以确保耐热性，但其作为铁素体相，添加过量则热加工性低下，需增加镍的含量。因此优选的包含质量分数为20～23％。
[0063]
镍(ni)是如碳和氮，是奥氏体相的稳定化元素，是可提升抗氧化性的元素，但考虑到经济性，优选的包含质量分数为10～12％。
[0064]
氮(n)是奥氏体相的稳定化元素，是替代镍元素的元素，有利于提升高温强度和耐腐蚀性，但具有热加工性低下的缺陷。因此本发明中优选的包含质量分数为0.05～0.1％。
[0065]
钨(w)是提升高温下蠕变强度的元素，添加过量时抗氧化性低下，因此本发明中优选的包含质量分数为0.5～3.0％。
[0066]
铝(al)是粒径控制及脱氧剂元素，添加过量时喷嘴容易被堵住，因此本发明中优选的包含质量分数为0.01～0.04％。
[0067]
硫(s)是作为微量的杂质元素，在晶界偏析，是热轧时引起裂开的主要元素，因此本发明中优选的包含质量分数为0.005。
[0068]
铈(ce)是一种稀土金属元素，是加热时大幅提升抗氧化性的元素，但添加过量则生成氧化物，燃烧时发生喷嘴被堵塞的问题，因此本发明中优选的包含质量分数为0.01～0.02％。
[0069]
硼(b)可以改进蠕变断裂强度，提升高温下加工性，但过量则导致可焊性不良，因此本发明中优选的包含质量分数为0.0006～0.0015％。
[0070]
铌(nb)可以改进蠕变断裂强度，但过量则导致可焊性和加工性低下，因此本发明中优选的包含质量分数为0.1～0.5％。
[0071]
磷(p)不利于可焊性，会加重脆性，因此在本发明中优选的包含质量分数为0.006～0.01％。
[0072]
氧(o)是对奥氏体不锈钢的热加工性、抗氧化性等高温特性发挥有利影响的元素，但过量会生成未固溶氧化物，因此本发明中优选的包含质量分数为0.006％。
[0073]
铜(cu)是可以改进蠕变断裂强度，但过量会导致加工性低下，因此本发明中优选的包含质量分数为1.4～3.4％。
[0074]
钛(ti)可以改进蠕变断裂强度，但过量会降低可焊性和加工性，因此本发明中优选的包含质量分数为0.01～0.4％。
[0075]
钼(mo)是提升高温强度和耐腐蚀性的高价元素，但过量添加则降低高温下抗氧化性和热加工性，因此本发明中优选的包含质量分数为0.3以下。
[0076]
锆(zr)具有加强晶界、提升高温强度的作用，但过量会生成未固溶的氧化物或者氮化物，加重晶界滑动蠕变以及不均匀的蠕变，而且钢的质量变得不良，损伤在高温区的蠕变强度以及柔性，因此本发明中优选的包含质量分数为0.0003～0.1％。
[0077]
钙(ca)和镁(mg)与硫(s)结合，使硫(s)变得稳定，具有提升加工性的作用，但过量会损伤韧性、柔性以及钢的质量，因此本发明中优选的包含质量分数分别是钙0.0003～0.03％，镁0.0003～0.01％。
[0078]
钯(pd)和铪(hf)是均形成无害且稳定的氧化物或者硫化物，减少氧和硫的不利影响，提升耐腐蚀性、加工性、蠕变强度及蠕变韧性。但过量时，氧化物等夹杂物增多，损伤加工性和可焊性，而且增加成本。因此本发明中钯(pd)和铪(hf)优选的包含质量分数分别是0.0003～0.1％。
[0079]
钴(co)是通过加强固相溶液提升高温强度，在高温下长时间暴露后可以抑制σ相的形成。但在本发明中优选的包含质量分数为0.2～2.0％，以将生产成本保持在合理水平。
[0080]
钒(v)是提升高温强度和耐腐蚀性的高价元素，但大量添加会降低高温下抗氧化性以及热加工性，因此本发明中优选的包含质量分数为0.008～0.098％。
[0081]
适用于本发明的奥氏体不锈钢材料的所述内侧管体(20)和外侧管体(30)是采用以包括电弧炉、氩-氧-脱碳(aod)、使用真空熔化方法的公知的制造方法制造出合金熔化物，然后将该熔化物用铁锭连续铸造或者用铸块铸造并辊压及/或锻造后，用高温挤压制造的公知方法制造。
[0082]
下面通过实施例和比较例实验验证以所述成分组成的内侧管体(20)和外侧管体(30)的有关高温特性的物性。
[0083]
表1显示本发明的一实施例、比较例以及现有310s钢的合金成分。
[0084]
(表1的单位是质量分数)
[0085]
表1
[0086][0087][0088]
按表1中显示的成分量，用铸块(ingot)铸造后，进行热、冷辊压以及退火酸洗，分别制成2mm厚度的冷轧板后，在900℃下进行蠕变断裂试验和sag试验，其结果见表2。
[0089]
表2
[0090][0091]
如表2中所示，验证所述实施例的奥氏体不锈钢所具的高温特性最佳。
[0092]
以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施例所述的技术方案进行修改，而这些修改，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例所述技术方案的范围。

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