CN101024489A - 液态燃料部分氧化制合成气烧嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，本发明对现有的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴的中心喷头、中环喷头的端部经过优化设计，使其具有雾化性能优良、混合均匀、烧嘴冷却系统使用寿命长等优点。本发明的烧嘴，一方面保证了烧嘴喷口机械强度和磨损的要求，另一方面，避免了在喷头端部极易生成的局部流体内回流区，大大促进了气液介质高效接触，可以显著促进液体在高速气流作用下的雾化过程，烧嘴雾化性能明显提高。本发明的烧嘴，具有结构简单、制作与维护方便、雾化性能优良、混合均匀、烧嘴冷却系统使用寿命长等优点，用途广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种制合成气烧嘴，尤其涉及一种液态燃料部分氧化制备合成气(CO+H2)的烧嘴。
背景技术
液态燃料(包括液态碳氢质燃料，或可泵送的固态含碳物质的浆料，固态含碳物质选自粉煤、石油焦、生物质或固态废弃物)部分氧化制备合成气的气流床气化方法，是在气流床中，将液态燃料与气化剂在高温高压下进行化学反应，制得以一氧化碳和氢气为主要组成的合成气。这种气化方法温度、压力高，设备生产强度大，碳转化率高，对燃料的适应性强，制得的合成气可用于发电、生产化学品与化肥、合成油品、作气体燃料等，用途十分广泛。
烧嘴是气流床气化的关键部件之一。通过它将液态燃料和气化剂以一定速度导入气流床，在高速喷射的气化剂的气动力作用下，将液态燃料雾化成小液滴，实现液态燃料与气化剂的充分混合，并发生化学反应。由于气化反应器内反应温度高达～1500℃，压力约为1.0～10MPa，对烧嘴要求非常高。烧嘴结构设计不当，将会导致烧嘴雾化效果差、烧嘴端部烧蚀、烧嘴冷却系统泄漏等，产生严重后果。现有的烧嘴专利技术，如中国专利申请号：93118217.4、94214422.8、95111750.5等，存在烧嘴雾化效果差、烧嘴冷却系统易泄漏导致烧嘴使用寿命短等问题。实践中迫切需要雾化性能优良、长寿命的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明的构思是这样的：
发明人在长期从事气化技术研究的基础上发现，液态燃料部分氧化制合成气技术的优劣主要取决于气化烧嘴的结构特性，以及烧嘴与炉体匹配形成的流场特征。在气化反应器一定的情况下，气化烧嘴的性能对整个气化系统的运行效率和连续运行时间有重要影响。液态燃料雾化后形成的液滴越细，燃料的碳转化率就越高，气化装置效率越高。而烧嘴冷却系统使用寿命偏短，是限制气化装置长周期连续运行的最重要因素之一。
为此，发明人对现有的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴的结构进行了优化，使其具有雾化性能优良、混合均匀、烧嘴冷却系统使用寿命长等优点。
本发明所说的烧嘴，包括同轴的外环喷头、中环喷头、中心喷头、烧嘴中心导管、烧嘴中环导管和烧嘴外环导管；
所说的中心喷头、中环喷头和外环喷头(1)分别为一个截头的锥管，外环喷头套在中环喷头外，中环喷头套在中心喷头外；
外环喷头的大端与烧嘴外环导管相连接，中环喷头的大端与烧嘴中环导管相连接，中心喷头的大端与烧嘴中心导管相连接，中环喷头与外环喷头之间设有间隙，构成烧嘴外环通道；中心喷头和中环喷头之间设有间隙，构成烧嘴中环通道，中心喷头和烧嘴中心导管构成烧嘴中心通道；
所说的中心喷头具有内喷头内收缩半角α和内喷头外侧倾角β；
中环喷头具有中环喷头内收缩半角ε和中环喷头外侧倾角γ；
外环喷头具有外环喷头内收缩半角；
所说的中心喷头的喷口处设有喷口直段，内喷头的喷口口径d与喷口直段高度h的比例，即h∶d＝0～10；
所说的中心喷头的喷口端面与中环喷头的喷口端面之间的距离s为0～100mm，优选为0.5～10mm；
所说的中环喷头的喷口端面与外环喷头的喷口端面之间的距离t为0～50mm，优选为0.5～10mm
所说的中心喷头的端部的两侧分别向反方向收缩，一侧设有中心喷头内角π2，π2为0°～80°，优选为50°～80°，另一侧设有中心喷头外角π1，π1为0°～80°，优选为50°～80°，中心喷头端部的厚度p为0.01～4mm，优选为0.1～2mm，中心喷头端部内高度h2为0～10mm，优选为0.5～5mm，中心喷头端部外高度h1为0～10mm，优选为0.5～5mm；
中环喷头的端部的两侧分别向反方向收缩，一侧设有中环喷头内角π4，π4为0°～80°，优选为0°～30°，另一侧设有中环喷头外角π3，π3为0°～80°，优选为20°～60°，中环喷头端部厚度q为0.01～4mm，优选为0.1～2mm，中环喷头端部内高度h4为0～10mm，优选为0.5～5mm，中环喷头端部外高度h3为0～5mm，优选为0.5～3mm；
将本发明的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴安装于气化炉后，可用于液态燃料部分氧化制备合成气，所说的液态燃料包括液态碳氢质燃料，或可泵送的固态含碳物质的浆料，固态含碳物质选自粉煤、石油焦、生物质或固态废弃物等；
将气化剂从烧嘴中心通道和外环通道喷射进入气化炉，液态燃料通过烧嘴中环通道喷射进入气化炉，气化剂的流速为20～300m/s，液态燃料流速为1～30m/s。50～100％的气化剂通过外环通道喷射进入气化炉，0～50％的气化剂通过中心通道进入气化炉；
液态燃料通过烧嘴中环通道喷射进入气化炉后，在气化剂的高速气动力的作用下，液态燃料被雾化成小液滴，并与气化剂在喷口处进行剧烈混合，同时在高温下进行部分氧化反应，即气化反应。
所说的气化剂是空气、氧的体积含量大于21％的富氧空气、氧的体积含量大于98％的纯氧、水蒸汽或CO2中的一种或其混合物。
所说的液态燃料包括液态碳氢质燃料，或可泵送的固态含碳物质的浆料。固态含碳物质选自粉煤、石油焦、生物质或固态废弃物。
本发明的烧嘴的适用压力为0.5～12.0MPa。
本发明的烧嘴也适用于还原气的生产。
本发明的烧嘴，中心喷头、中环喷头的端部经过优化设计，一方面保证了烧嘴喷口机械强度和磨损的要求，另一方面，避免了在喷头端部极易生成的局部流体内回流区(这种喷头端部的局部流体内回流对雾化过程非常不利)，大大促进了气液介质高效接触，可以显著促进液体在高速气流作用下的雾化过程，烧嘴雾化性能明显提高。本发明的烧嘴，具有结构简单、制作与维护方便、雾化性能优良、混合均匀、烧嘴冷却系统使用寿命长等优点，用途广泛。
附图说明
图1为本发明的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴的结构示意图。
图2为图1中的A-A部分的局部剖视示意图。
图3为中环通道和外环通道导流块示意图。
图4为图3所示导流块的俯视图。
图5为中心喷头端部局部结构示意图。
图6为中环喷头端部局部结构示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明所说的烧嘴，包括同轴的外环喷头(1)、中环喷头(2)、中心喷头(3)、烧嘴中心导管(4)、烧嘴中环导管(5)和烧嘴外环导管(6)、中环通道导流块(13)、外环通道导流块(14)以及冷却系统；
所说的中心喷头(3)、中环喷头(2)和外环喷头(1)分别为一个截头的锥管，外环喷头(1)套在中环喷头(2)外，中环喷头(2)套在中心喷头(3)外；
外环喷头(1)的大端与烧嘴外环导管(6)相连接，中环喷头(2)的大端与烧嘴中环导管(5)相连接，中心喷头(3)的大端与烧嘴中心导管(4)相连接，中环喷头(2)与外环喷头(1)之间设有间隙，构成烧嘴外环通道(7)；中心喷头(3)和中环喷头(2)之间设有间隙，构成烧嘴中环通道(8)，中心喷头(3)和烧嘴中心导管(4)构成烧嘴中心通道(9)；
在外环通道(7)和中环通道(8)中设有外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)；
参见图2，所说的中心喷头(3)具有内喷头内收缩半角α和内喷头外侧倾角B，α为1°～70°，优选为5°～30°，β为10°～90°，优选为40°～85°；
中环喷头(2)的具有中环喷头内收缩半角ε和中环喷头外侧倾角γ，ε为0°～80°，优选为5°～50°，γ为10°～90°，优选为40°～85°；
外环喷头(1)具有外环喷头内收缩半角，为0°～80°，优选为5°～50°；
所说的中心喷头(3)的喷口处设有喷口直段(301)，内喷头(3)的喷口口径d与喷口直段(301)高度h的比例，即h∶d＝0～10；
所说的中心喷头(3)的喷口端面与中环喷头(2)的喷口端面之间的距离s为0～100mm；
所说的中环喷头(2)的喷口端面与外环喷头(1)的喷口端面之间的距离t为0～50mm；
参见图5，所说的中心喷头(3)的端部的两侧分别向反方向收缩，一侧设有中心喷头内角π2，π2为0°～80°，优选为50°～80°，另一侧设有中心喷头外角π1，π1为0°～80°，优选为50°～80°，中心喷头(3)端部的厚度p为0.01～4mm，优选为0.1～2mm，中心喷头端部内高度h2为0～10mm，优选为0.5～5mm，中心喷头端部外高度h1为0～10mm，优选为0.5～5mm；
参见图6，中环喷头(2)的端部的两侧分别向反方向收缩，一侧设有中环喷头内角π4，π4为0°～80°，优选为0°～30°，另一侧设有中环喷头外角π3，π3为0°～80°，优选为20°～60°，中环喷头(2)端部厚度q为0.01～4mm，优选为0.1～2mm，中环喷头端部内高度h4为0～10mm，优选为0.5～5mm，中环喷头端部外高度h3为0～5mm，优选为0.5～3mm；；
参见图3和图4，所说的的外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)分别由空心圆柱和设置在其外的螺旋翅片(141)构成，外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)的高度l为5～100mm，翅片数目为2-20，翅片厚度δ为1～20mm，导流角度θ为10～90°；外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)的翅片导流角度方向相反，即一个为正旋，另外一个为反旋；
参见图1，所说的冷却系统，包括设置在外环喷头(1)外侧的冷却室(10)、与冷却室(10)相连通的冷却液进口管(11)和冷却液出口管(12)、冷却液进口管和出口管周围包裹的保护材料(16)、保护材料外侧的金属套管(15)构成。冷却液进、出口导管通过焊接方式连接在冷却室后部。冷却液导管及其连接冷却室的焊缝不与气化炉内高温气流直接接触。所说的冷却液一般为水，也可为其它安全的液体。所说的保护材料，可以是各种无机耐高温材料，如耐火陶纤，氧化铝空心小球等。保护材料(16)、保护材料外侧的金属套管(15)可以方便的更换维修。
实施例1
将上述的烧嘴安装于中国专利98110616.1公开的气化炉后，当燃料是浓度为61％(质量％)的水煤浆时，以98％的纯氧为气化剂，气化结果为合成气中有效气组分CO+H2(vol％)83.0％，灰渣残碳为4％，烧嘴连续使用寿命可达4个月，完全满足水煤浆气化的要求。
所说的烧嘴的结构参数如下：
α为5°，β为85°；ε为5°，γ为40°；为50°；
内喷头(3)的喷口口径d与喷口直段(301)高度h的比例，即h∶d＝10；
中心喷头(3)的喷口端面与中环喷头(2)的喷口端面之间的距离s为10mm；
中环喷头(2)的喷口端面与外环喷头(1)的喷口端面之间的距离t为2mm；
π2为80°，π1为80°，p为2mm， h2为1mm， h1为2mm；
π4为1°，π3为30°，q为2mm，h4为2mm，h3为1mm；
外环通道导流块(14)的高度l为100mm，翅片数目为10，翅片厚度δ为2mm，导流角度θ为90°；
中环通道导流块(13)的高度l为100mm，翅片数目为4，翅片厚度δ为5mm，导流角度θ为90°；
具体工艺过程如下：
将气化剂从烧嘴中心通道(9)和外环通道(7)喷射进入气化炉，液态燃料通过烧嘴中环通道(8)喷射进入气化炉，气化剂的流速为200m/s，液态燃料流速为20m/s。90％的气化剂通过外环通道喷射进入气化炉，10％的气化剂通过中心通道进入气化炉；压力为6.5MPa。
实施例2
将上述的烧嘴安装于中国专利98110616.1公开的气化炉后，当燃料是浓度为63％(质量％)的水煤浆时，以99.6％的纯氧为气化剂，气化结果为合成气中有效气组分CO+H2(vol％)85％，灰渣残碳为4％，烧嘴连续使用寿命可达4个月，完全满足水煤浆气化的要求。
所说的烧嘴的结构参数如下：
α为20°，β为60°；ε为30°，γ为50°；为40°；
内喷头(3)的喷口口径d与喷口直段(301)高度h的比例，即h∶d＝0；
中心喷头(3)的喷口端面与中环喷头(2)的喷口端面之间的距离s为1mm；
中环喷头(2)的喷口端面与外环喷头(1)的喷口端面之间的距离t为0.5mm；
π2为50°，π1为50°，p为0.1mm，h2为5mm，h1为5mm；
π4为20°，π3为40°，q为0.1mm，h4为5mm，h3为3mm；
外环通道导流块(14)的高度l为10mm，翅片数目为3，翅片厚度δ为2mm，导流角度为60°，顺时针方向；
中环通道导流块(13)的高度l为100mm，翅片数目为3，翅片厚度δ为5mm，导流角度θ为60°，逆时针方向；
具体工艺过程如下：
将气化剂从烧嘴中心通道(9)和外环通道(7)喷射进入气化炉，液态燃料通过烧嘴中环通道(8)喷射进入气化炉，气化剂的流速为120m/s，液态燃料流速为10m/s。70％的气化剂通过外环通道喷射进入气化炉，10％的气化剂通过中心通道进入气化炉；压力为2.0MPa。
Claims (10)
1.一种液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，包括同轴的外环喷头(1)、中环喷头(2)、中心喷头(3)、烧嘴中心导管(4)、烧嘴中环导管(5)和烧嘴外环导管(6)；
所说的中心喷头(3)、中环喷头(2)和外环喷头(1)分别为一个截头的锥管，外环喷头(1)套在中环喷头(2)外，中环喷头(2)套在中心喷头(3)外；
外环喷头(1)的大端与烧嘴外环导管(6)相连接，中环喷头(2)的大端与烧嘴中环导管(5)相连接，中心喷头(3)的大端与烧嘴中心导管(4)相连接，中环喷头(2)与外环喷头(1)之间设有间隙，构成烧嘴外环通道(7)；中心喷头(3)和中环喷头(2)之间设有间隙，构成烧嘴中环通道(8)，中心喷头(3)和烧嘴中心导管(4)构成烧嘴中心通道(9)；
在外环通道(7)和中环通道(8)中设有外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)；
其特征在于，所说的中心喷头(3)具有内喷头内收缩半角α和内喷头外侧倾角β；
中环喷头(2)具有中环喷头内收缩半角ε和中环喷头外侧倾角γ；
外环喷头(1)具有外环喷头内收缩半角；
所说的中心喷头(3)的喷口处设有喷口直段(301)，内喷头(3)的喷口口径d与喷口直段(301)高度h的比例，即h∶d＝0～10；
所说的中心喷头(3)的喷口端面与中环喷头(2)的喷口端面之间的距离s为0～100mm；
所说的中环喷头(2)的喷口端面与外环喷头(1)的喷口端面之间的距离t为0～50mm；
所说的中心喷头(3)的端部的两侧分别向反方向收缩，一侧设有中心喷头内角π2，π2为0°～80°，另一侧设有中心喷头外角π1，π1为0°～80°，中心喷头端部的厚度p为0.01～4mm，中心喷头端部内高度h2为0～10mm，中心喷头端部外高度h1为0～10mm；
中环喷头(2)的端部的两侧分别向反方向收缩，一侧设有中环喷头内角π4，π4为0°～80°，另一侧设有中环喷头外角π3，π3为0°～80°，中环喷头(2)端部厚度q为0.01～4mm，中环喷头端部内高度h4为0～10mm，中环喷头端部外高度h3为0～5mm。
2.根据权利要求1所述的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所说的内喷头内收缩半角α，为1°～70°，和内喷头外侧倾角β为10°～90°，中环喷头内收缩半角ε为0°～80°，中环喷头外侧倾角γ为10°～90°，外环喷头内收缩半角为0°～80°。
3.根据权利要求1所述的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，还包括设置在外环通道(7)和中环通道(8)中的外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)。
4.根据权利要求3所述的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所说的的外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)分别由空心圆柱和设置在其外的螺旋翅片(141)构成，外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)的高度l为5～100mm，翅片数目为2-20，翅片厚度δ为1～20mm，导流角度θ为10～90°，外环通道导流块(14)和中环通道导流块(13)的翅片导流角度方向相反，即一个为正旋，另外一个为反旋。
5.根据权利要求1所述的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，还包括冷却系统，所说的冷却系统，包括设置在外环喷头(1)外侧的冷却室(10)、与冷却室(10)相连通的冷却液进口管(11)和冷却液出口管(12)、冷却液进口管和出口管周围包裹的保护材料(16)、保护材料外侧的金属套管(15)构成。冷却液进、出口导管通过焊接方式连接在冷却室后部。
6.根据权利要求1所述的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所说的保护材料，可以是各种无机耐高温材料，如耐火陶纤，氧化铝空心小球。
7.根据权利要求1～6任一项所述的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴的应用，其特征在于，用于液态燃料部分氧化制备合成气。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所说的液态燃料包括液态碳氢质燃料，或可泵送的固态含碳物质的浆料，固态含碳物质选自粉煤、石油焦、生物质或固态废弃物。
9.根据权利要求7或8所述的应用，其特征在于，将气化剂从烧嘴中心通道和外环通道喷射进入气化炉，液态燃料通过烧嘴中环通道喷射进入气化炉，气化剂的流速为20～300m/s，液态燃料流速为1～30m/s。50～100％的气化剂通过外环通道喷射进入气化炉，0～50％的气化剂通过中心通道进入气化炉；
所说的气化剂是空气、氧的体积含量大于21％的富氧空气、氧的体积含量大于98％的纯氧、水蒸汽或CO2中的一种或其混合物。
10.如权利要求1～6任一项所述的液态燃料部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于：该烧嘴的适用压力为0.5～12.0MPa。
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