21世纪以来,燃料电池领域及其技术发展迅猛,而在各种类型的燃料电池中,固体氧化物燃料电池的燃料适用性更为突出,可以作为小型独立移动电源进行供电。在以天然气为主要燃料的固体氧化物燃料电池系统中,燃料电池将会排出高温低氧空气和阳极排出产物(Anode Off Gas,AOG)。本文拟设计一款高温低氧燃烧器,用于为整个燃料电池系统的启动和稳定提供热源,同时提高整个固体氧化物燃料电池系统的效率和燃料利用率,并防止污染环境。主要内容有以下几点:(1)对燃烧器的总体布置方案、空气和燃料参数、燃烧室总体尺寸和头部旋流器尺寸等进行了设计和计算,其中设计理念主要来自于自主开发的某微型燃气轮机燃烧室的部分关键结构,并以强旋流燃烧和邻角引燃相结合的主火焰组织方式作为设计思路,设计工况选取燃烧器的启动工况,设计参数以燃料电池系统的出口参数及设计性能指标作为依据。(2)建立了燃烧器的平面示意图和三维模型,通过数值模拟对燃烧器进行结构优化,通过增加燃烧室变截面位置的前端直径来减小角回流区域并降低头部压损,通过调节一级轴向旋流器的叶片角度和二级径向旋流器的流道偏心距来改变燃烧室内的回流区和火焰组织方式,从而平衡燃烧器的流速与压损、点火和稳燃效果、燃烧温度和温度均匀性、污染物排放等性能。研究发现当叶片角度增大至60°时,回流量显著增大;当偏心距增大至28mm及以上时,更有利于形成邻角引燃的火焰组织方式。(3)对燃烧器在不同工况和使用不同华白数燃料时的燃烧情况进行研究,发现燃烧器在各个工况下均能够实现稳定燃烧,但主燃烧区位置不尽相同,工况1、3和4的燃烧主要发生在旋流器流道的出口处,并且各个流道之间形成邻角引燃,工况2的燃烧位置位于旋流器下游的火焰筒轴线位置;发现燃烧器在5.37、7.69、10.46和13.89四种华白数燃料下均能够稳定运行,但较低的华白数会使得燃烧器CO排放量较高,较高的华白数将会使火焰筒壁面的受热情况恶化。