CN100441945C - 一种集束型气化或燃烧喷嘴及其工业应用 - Google Patents

一种集束型气化或燃烧喷嘴及其工业应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集束型气化或燃烧喷嘴及其工业应用，包括壳体(5)和设置在壳体(5)中的N个喷嘴(11)，所说的喷嘴(11)包括外套管(3)和设置在外套管(3)内的内套管(4)、下管板(6)、上管板(7)和冷却室(13)，其与传统的同心套管式喷嘴(例如二通道、三通道、多通道喷嘴)相比，优势如下：火焰相对较短，趋于矩形，有利于保护气化炉中下部耐火砖，延长其使用寿命；停留时间分布较狭，有利于提高碳的转化率；喷嘴结构合理，有利于提高喷嘴使用寿命。

Description

一种集束型气化或燃烧喷嘴及其工业应用
技术领域
本发明涉及以烃类物质为原料制备合成气的装置，尤其涉及一种气化或燃烧喷嘴。
背景技术
合成气是生产合成氨(尿素的前驱体)、合成甲醇、二甲醚、合成油、制氢、海绵铁生产的公共技术、源头技术、关键技术，而喷嘴又是气流床生产合成气的关键技术之一，人们在该领域中进行了大量的研发工作，形成了诸多专利，有代表性的是：Shell(ZL 90103807.5)，Texaco(ZL94193847.6)和华东理工大学(ZL 98110616.1)。但从提高煤的转化率以及耐火砖的使用寿命角度看，这些技术还不能满足工业要求。
上述气化技术煤的转化率低、耐火砖寿命短，除与工艺因素有关外，重要原因是与喷嘴结构有关。气流式套管型外混喷嘴属于射流型，在气化炉内形成受限射流，由于卷吸，回流质量是射流质量的数倍之多：
m e m 0 = 0.32 x d 0 - 1 - - - ( 1 )
me-卷吸流质量流率；m0-射流总量流率；x-轴线方向距喷口长度，m；d0-喷口直径，m。([1]Ricou，F.P.and spalding，D.B.，“measurements ofentrainments by axisymmetrical turbulent jets”，J.Fluid Mech.，1961，1，pp21-32)。有关火焰长度的半经验公式：
L / d = 6 ( R + 1 ) ( ρ e ρ F ) 1 2 - - - ( 2 )
R是化学计重空气/燃料质量比(以CH4为例，R＝17.25)；ρe-燃料密度；L-火焰长度，m；ρF-平均火焰气密度；d-喷嘴直径，m。([2]Guenther，R.，
Figure C20061011658800043
，1966，15，p376)。
由(2)式知，喷嘴直径减少将会使火焰缩短；由(1)式知，相应的携带(卷吸)量必降低。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种集束型气化或燃烧喷嘴，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明所述的集束型气化或燃烧喷嘴，包括壳体和设置在壳体中的N个喷嘴，N＞1；
所说的喷嘴包括外套管和设置在外套管内的内套管、下管板、上管板和冷却室；
所说的外套管与内套管下端齐平，外套管与下管板固接，内套管与上管板固接，下管板和上管板分别与壳体的内壁固接；
冷却室设置在喷嘴的出口处；
在壳体内中部设置一块以限制喷嘴在工作时振动的定位管板；
壳体的上部设有煤浆或其他烃类物质进口和气化介质进口，煤浆或其他烃类物质进口与内套管相连通，气化介质进口与外套管相连通；
本发明的集束型气化或燃烧喷嘴，可以将其安装在气流床上，用于以烃类物质为原料制备合成气，包括如下步骤：
烃类物质自入口进入内套管，其速度为1～20m/s；
气化介质自入口进入外套管，其速度为10～200m/s；
冷却水以1～50吨/h的流量进入冷却室；
所说的气化介质选自纯O2、CO2、水蒸汽、空气中的一种或者它们的混合物；
气流床操作压力为1.0～10.0MPa，温度为1200～1700℃；
所说的烃类物质包括煤、水煤浆、天然气、生物质以及其他含碳氢化合物的物质。
采用上述的上述集束型气化或燃烧喷嘴，在其他工艺条件相同的情况下，其与传统的同心套管式喷嘴(例如二通道、三通道、多通道喷嘴)相比，优势如下：火焰相对较短，趋于矩形，有利于保护气化炉中下部耐火砖，延长其使用寿命；停留时间分布较狭，有利于提高碳的转化率；喷嘴结构合理，有利于提高喷嘴使用寿命。
附图说明
图1为集束型气化或燃烧喷嘴正视剖面图；
图2为图1的A-A向剖面。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明所述的集束型气化或燃烧喷嘴，包括壳体5和设置在壳体5中的N个喷嘴11，喷嘴11最好垂直设置在壳体5中，喷嘴11的轴线最好彼此平行，N＞1，优选N＝2～300；
所说的喷嘴11包括外套管3和设置在外套管3内的内套管4、下管板6、上管板7和冷却室13；
所说的外套管3与内套管4下端齐平，外套管3与下管板6固接，内套管4与上管板7固接，下管板6和上管板7分别与壳体5的内壁固接，外套管3与内套管4二者最好共轴线；
外套管3之间管心距为d～10d，d为外套管3外直径；
冷却室13设置在喷嘴11的出口17处，所说的冷却室13包括与壳体5固定连接的U形外壳1、U形外壳1上部的盖板2和设置在盖板2上的冷却水进口14和回水口15；进水管14最好插入U形件1的内底面，而出水管15靠近盖板2，使冷却室13内的冷却水形成旋转，更有利于传热；
在壳体5内中部设置一块以限制喷嘴11在工作时振动的定位管板12；
壳体5的上部设有煤浆或其他烃类物质进口10和气化介质进口8，煤浆或其他烃类物质进口10与内套管4相连通，气化介质进口8与外套管3相连通；
U形件1与盖板2的固接位置离下端部愈高愈好，本发明优选L为40mm；
喷嘴高度H为100～3000mm，过高则阻力增加，过短则火焰不稳定。
以水煤浆为原料制备合成气为例，煤浆自进口10，经内管4向喷嘴11出口流动，流速为1～20m/s；
气化介质，例如氧(为安全计可含5％的水蒸汽)经入口8进入，沿管3与管4之间的环隙向下运动，流速为10～200m/s，两股流体，煤浆与氧相互碰撞，煤浆为气流雾化，平均粒径为50～150μm；两股流体形成火焰射向气化炉(气化反应器)进行气化反应(3)、(4)、(5)、(6)
C+H2O＝CO+H2      (3)
C+CO2＝2CO        (4)
CO+H2O＝CO2+H2    (5)
煤中挥发份热解，例如：
C2H6＝CH4+C+H2    (6)
冷却水自入口管14进入，流量1～50m3/h。
实施例1
一个年产10万吨甲醇厂采用以水煤浆为原料，采用设有图1和图2所示的集束型气化或燃烧喷嘴的气化炉气化，该装置日产甲醇303t，日处理煤400吨；
集束型气化或燃烧喷嘴的结构参数：
壳体5外直径为260mm，采用7个喷嘴，内套管直径为31×3mm，外管直径为39.6×3，外套管3之间管心距为80mm；喷嘴高度H为2000mm，U形件1与盖板2的固接位置L为40mm；
内套管中，煤浆出喷口速度～2m/s；
外套管中，气体出喷口速度～100m/s；
气化炉压力4.0MPa，气化温度1300℃，灰渣成熔融态进入气化炉的激冷室，所得气体有效气成分CO+H2≥82％；碳转化率≥98％。
实施例2
一个年产110万吨甲醇厂采用以水煤浆为原料，日产甲醇3030t，需日处理煤1500吨的气化炉3台。气化炉采用设有图1和图2所示的集束型气化或燃烧喷嘴的气化炉气化；
集束型气化或燃烧喷嘴的结构参数：
壳体5外直径为400mm，采用13个喷嘴，内套管直径为31×3mm，外管直径为39.6×3，外套管3之间管心距为80mm；喷嘴高度H为2000mm，U形件1与盖板2的固接位置L为40mm；
内套管中，煤浆出喷口速度～4m/s；
外套管中，气体出喷口速度～125m/s；
气化炉压力6.5MPa，气化温度1400℃，灰渣成熔融态进入气化炉的激冷室，所得气体有效气成分CO+H2≥82％；碳转化率≥98％。

Claims (6)

1.一种集束型气化或燃烧喷嘴，其特征在于，包括壳体(5)和设置在壳体(5)中的N个喷嘴(11)，N＞1；
所说的喷嘴(11)包括外套管(3)和设置在外套管(3)内的内套管(4)、下管板(6)、上管板(7)和冷却室(13)；
所说的外套管(3)与内套管(4)下端齐平，外套管(3)与下管板(6)固接，内套管(4)与上管板(7)固接，下管板(6)和上管板(7)分别与壳体(5)的内壁固接；喷嘴(11)垂直设置在壳体(5)中，喷嘴(11)的轴线彼此平行；外套管(3)与内套管(4)二者共轴线；
冷却室(13)设置在喷嘴(11)的出口处；
在壳体(5)内中部设置一块以限制喷嘴(11)在工作时振动的定位管板(12)；
壳体(5)的上部设有煤浆或其他烃类物质进口(10)和气化介质进口(8)，煤浆或其他烃类物质进口(10)与内套管(4)相连通，气化介质进口(8)与外套管(3)相连通。
2.根据权利要求1所述的集束型气化或燃烧喷嘴，其特征在于，所说的冷却室(13)包括与壳体(5)固定连接的U形外壳(1)、U形外壳(1)上部的盖板(2)和设置在盖板(2)上的冷却水进口(14)和回水口中(15)。
3.根据权利要求2所述的集束型气化或燃烧喷嘴，其特征在于，进水管插入U形外壳(1)的内底面，出水管靠近盖板(2)。
4.根据权利要求2所述的集束型气化或燃烧喷嘴，其特征在于，U形外壳(1)与盖板(2)的固接距离L为40mm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的集束型气化或燃烧喷嘴，其特征在于，喷嘴高度H为100～3000mm，N＝2～300。
6.根据权利要求1～5任一项所述的集束型气化或燃烧喷嘴的应用，其特征在于，将其安装在气流床上，用于以烃类物质为原料制备合成气，包括如下步骤：
烃类物质自其他烃类物质进口(10)进入内套管(4)，其速度为1～20m/s；
气化介质自气化介质进口(8)进入外套管(3)，其速度为10～200m/s；
冷却水以1～50吨/h的流量进入冷却室；
所说的气化介质选自纯O2、CO2、水蒸汽、空气中的一种或者它们的混合物；
气流床操作压力为1.0～10.0MPa，温度为1200～1700℃；
所说的烃类物质包括煤、水煤浆、天然气、生物质以及其他含碳氢化合物的物质。
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