CN1015779B - 雾化喷嘴 - Google Patents

雾化喷嘴

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Abstract

一种使用空气使油液雾化的雾化喷嘴，它能使油液形成多股油流向外通向通常呈环形流动的气流中，油与气得到混合，接着使油与气的混合液形成多股单独液流向内引入，此时各股液流相互撞击形成雾化，再使雾化后的液体形成多股单独的液流从喷嘴中向外喷出。

Description

本发明与一种带有混合腔体的雾化喷嘴以及使用雾化喷嘴使送入炉中油料的雾化方法有关，例如，用于碳黑特别是软质碳黑的生产工艺。
当用燃油炉生产碳黑的过程中需使油料散布均匀，通常采用的油料是重油或残（渣）油，因为这种油料供料丰富、价格便宜而且含碳量高。
然而，使重油类油料雾化时要使它均匀散布开是困难的，很多场合下，使多种这类油料达到应有的汽化程度所供给的热量是足够充分的，这样会引起油料的热解并使焦碳的沉积超过要求。此时，油料未能雾化成足够细的颗粒。它们会从喷出口处至反应壁之间弥漫覆盖形形沉积，当这些颗粒掉落时就会使最终得到的碳黑中沾染有杂质。可以采用双流体雾化喷嘴以裂碎油料。但仅在大量的雾化用流体与油料一起通过喷嘴时才能确保在各种场合下使油料裂碎形成细雾，以防止杂质颗粒产生。此外，这种技术会引起碳黑成品的性质发生其他的一些变化，例如由西德专利（DBP）做出的结构上的改变。
本发明的目的是提供一种应用于碳黑反应器中的新型喷嘴，它所消耗的雾化用流体的流量小，却又能使供入的重油料得到充分雾化。
本发明能够有效地完成燃料的内部雾化。消除在燃烧中对空气速度的过高要求。
为了达到本发明的目的，本发明提供了一种雾化喷嘴，该喷嘴包括有一混合腔体，通过第一管形构件使腔体和油源相连，通过第二管形构件使腔体和雾化气源相连，该喷嘴还包括延伸器和喷头，其中
所述混合腔体具有通常呈圆柱形的外表面，一个在上述混合腔体的从第一端面向第二端面延伸的第一钻孔;第一组多孔通道从第一钻孔向外延伸在混合腔体的通常呈圆柱形外表面上的第一纵向部位处通过;具有圆柱形外表面的喷头与相邻的混合腔体第二端面相通，且在混合腔体的通常呈圆柱形外表面上的第二纵向部位处穿通，第二纵向部位位于第一纵向部位与混合腔体的第二端面之间。
所述延伸器位于混合腔体的第二端面处，并有圆柱形外表面，延伸器通过邻接其第一端面的部位与混合腔体的第二端面安装连接，该延伸器沿其纵轴线有一贯穿延伸的通道，使所述第二纵向部位和喷头之间相连通;
所述喷头有第一端面和第二端面，有绕纵轴配置的呈圆柱形的内表面和外表面，有一部分封闭了喷头第二端面的封闭端，所述封闭端有一组孔道，通过这些围绕喷头纵轴线环形分布的孔道使其与喷头第二端面相通，喷头的圆柱形内表面与延伸器的第二端面连接，再连接混合腔体，喷头的纵轴线与混合腔的纵轴相重合。喷头的封闭端有一内表面，该表面与延伸器的第二端面及混合腔体间有间距，因而形成 腔室，其特征在于：该喷嘴还包括一个从混合腔体第二端面向其第一端面延伸的第二钻孔，但该钻孔并不和第一钻孔相连通，还有从第二纵向部位以B角度向外延伸的第二组多孔通道，该角度B是指通道轴线和混合腔体的纵轴线之间的约为90°的夹角，第二钻孔与喷头的连通是通过从钻孔向延伸器的第二端延伸的截头圆锥形侧壁来限定的。
下面结合附图，对本发明做进一步的说明。
图1示出体现本发明特点应用于碳黑生产工艺的包含一个喷嘴的实例;
图2是图1所示喷嘴相应于图3上沿2-2线剖切的纵向剖面图;
图3是图2上喷嘴沿3-3线剖取的横断面图。
参阅图2，喷嘴2包括有一个混合腔体4，和一个喷头6。喷嘴2也包括有一个位于混合腔体4和喷头6之间的延伸器8。延伸器8 可以是一个单独的零件，它也可以与混合腔体4或与喷头6做成一体，延伸器8与混合腔体4结构上成为一体较好，因为这样的结构试验证明效果良好。混合腔体4可以单独生产和出售，现加以进一步叙述。混合腔体4具有一个通常是呈圆柱形的外表面10、一个第一端面12和第二端面14或16，这取决于有无延伸器8而定。为易于阐述，位号14定为混合腔体的第二端面标号，而位号16相应于延伸器8的第二端面标号。混合腔体内的第一钻孔18从第一端面12朝向第二端面14延伸，第二钻孔20从第二端面14朝向第一端面12延伸，然而，第一钻孔18与第二钻孔20在混合腔体内部未贯穿，所以相互间沿混合腔体纵轴线没有直接贯通。第一组多孔通道22从第一钻孔18向外延伸在通常是呈圆柱形的混合腔体4外表面10的第一纵向部位24处开通，第二组多孔通道26从第二钻孔20向外延伸，在通常是呈圆柱形的混合腔体4外表面10的第二纵向部位28处开通。第二纵向部位28位于混合腔体4的第一纵向部位24与第二端面14之间。一般情况下，在混合腔体4上钻出的每一个第一通道孔22，它的轴线与混合腔体的纵轴线之间的夹角A（对应混合腔体4的第二端面14）在30°至90°之间，通常角A是在45°至90°范围内。每一个第二通道孔26，它的轴线与混合腔体4的纵轴线之间的夹角B（对应混合腔体的第二端面14）在90°至135°之间，通常角B约为90°。通道孔22和26的数目的选定是要能达到理想的雾化程度，通常第一组通道孔22的数目选为4至16个，而混合腔体4上的第二组通道孔26的数目一般为4至8个，图示本发明实例中，混合腔体上通道孔22是6个而通道孔26是4个，通道孔26的直径大于通道孔22的直径。
图2所示的混合腔体第一端面12与第二端面14之间的长度最 好是混合腔体通常是呈圆柱形的外表面10处的直径的大约2～5倍，第一纵向部位24与第二纵向部位28之间间隔的距离最好是混合腔体通常是呈圆柱形外表面10处的直径的大约0.3～3倍。最好延伸器8位于混合腔体4的第二端面14处，延伸器8具有第一端面30，第二端面16和通常是呈圆柱形的外表面32。延伸器8通过邻接其第一端面30的部位与混合腔体4的第二端面14安装连接。沿着延伸器8的纵轴线有一个贯穿的通道，它是作为钻孔20的延伸，该通道是由通常是呈截头圆锥形的内壁34围绕形成的，锥形是从第二钻孔20朝向延伸器8的第二端面16方向扩大，截头圆锥表面34与延伸器纵轴线之间的锥角C（对应延伸器的第二端面16）大约在20°～70°的范围内，呈发散状的通道能够得到好的雾化效果这一点甚为重要。
为使混合腔体在其周围构件中定在中心位置上，在混合腔体通常呈圆柱形的外表面上设置有3～12个支持腿36，它们通常沿径向向外伸出至混合腔体的通常呈圆柱形的外表面10外部的第三纵向部位38，该部位最好是邻近于混合腔体4的第一端面12处。
喷头6有一个第一端面40和一个第二端面42，它也就是相应于喷嘴的第二端面。喷头6具有一个通常是呈圆柱形的内表面44，为制造方便，其外表面46也通常做成圆柱面，喷头6沿其纵轴线通常是对称的，喷头的封闭端48使喷头的内外腔部分地隔开，封闭端上加工有一组孔道50，通过这些围绕喷头纵轴线环形分布的孔道使喷头内腔与喷头的第二端面42相通，喷头6的通常呈圆柱形内表面44与延伸器8的第二端面16最好是这样连接，即喷头6的纵轴线与延伸器8和混合腔体4的纵轴线重合一致。喷头6的封闭端48具有内表面52，它与延伸器8的第二端面16之间有间距，这样内表面 52、44和34一起构成了雾化腔54。通道孔50使雾化腔54与图1中以位号58标出的碳黑反应器的燃烧区56之间沟通建立起液流，每一个通道孔或开孔50贯通了喷头6的封闭端42，通道孔50的轴线与喷头6的纵轴线形成夹角D（对应喷头6的第二端面42）约在5°～75°之间，夹角D在10°～60°范围内比较理想，通常，通道孔50的数目是8～32个，通道孔50的数目取为12～24个较为理想。
本发明装置安装在炉内（例如碳黑反应器58）时通常还应包括有一个连接于混合腔体4内的第一钻孔18上的第一管形构件60和一个连接于喷头6第一端面40上的第二管形构件62，在本实例中，第二管形构件62焊接安装在导管64的端部，雾化气体通过此导管64引入到喷嘴2中，管形构件62与管形构件60及混合腔体4同轴线，这样在第一管形构件60与第二管形构件62及混合腔体之间形成了环形腔66，混合腔体4至少有一部分位于第二管形构件62内部并与第一管形构件60的端部安装连接，第二管形构件62的内径通常是混合腔体4外径的1.1至2倍左右。
参阅图1，第一管形构件60与油源68连接，第二管形构件62通过管形构件64与雾化用气源70接通，油料源68通常是残渣油、排出的油或煤焦油之类重油，最好是用高芳香族油料来生产高质量的碳黑。雾化用气流源70通常用的是空气，其他轻质气体如氮或甲烷等的蒸汽也适用，从油源68和从气源70供出的流质可用通常的方法进行调节。
当发明用于生产碳黑时，装置通常还进一步包括有第三管形构件72，它的轴线通常与喷头6的纵轴线同轴并与喷头的外表面46之间有一定的间距，一块端隔板74封闭了管形构件72的第一端面 76，一般情况下构成腔室56的构件72和74都由高熔点材料制成并且都采用很好的隔热措施。常规的冷却和收集装置（未画出）装设在腔室56的下游端。端隔板74沿管形构件72纵轴线方向有一中心通道，第二管形构件64从外延伸穿过此端隔板74上的通道，这样，位于沿管形构件72纵轴线上的喷头6，它的一些穿通喷头的封闭端48的开孔50其指向是背向第三管形构件72的端隔板74。在接近端隔板74处至少有一个管道76通入到腔室56内，含氧气的气源78与管道76相连接，当需要以燃气来代替热空气引入到腔室56用于使从油源68供来的油产生高温分解，也可以按需要把可燃的流体如油、天然气或回收的反应器排出气体接到孔道76上，冷却用气源82（诸如空气）通过管道64和端隔板74之间的环形空间注入腔室56，冷却气流流量很小但可保护喷嘴2。密封装置84使管道64通过端隔板74滑动的安装并使腔室56对其周围大气形成密封。
本发明的另一特点是提供一种用喷嘴形成雾化的方法。从油源来的油通过孔道22形成多股油流向外通向通常呈环形流动的气流中使油与气混合，混合后的流体又分成多股单独的液流（例如经过孔道26流入），各股液流相互撞击形成雾化，雾化后的液流随即通过许多开孔50形成多股单独的液流从喷嘴2向外喷出。混合液流流经喷嘴内通常呈环状的混合腔（如腔66），雾化后的液流先流经一条扩散的通道再流入雾化腔（如由侧壁34围成的腔室），接着再使液流形成多股单独液流从喷嘴中向外喷出，这样效果是理想的。
本发明应用于碳黑生产的场合，从气源70供来的气流通常是空气或蒸汽，采用空气更为方便，供入的油液应已予热，温度约在100℃～400℃之间，通常为150～350℃，这样的温度有 助于汽化。与先有技术喷嘴相比，本发明喷嘴雾化用气体的消耗量约可减少50%，例如用一标准立方米（Nm3）的空气可以期望使15至25kg的油液雾化，而先有技术的喷嘴用相同一立方米的空气只能使10kg的油液雾化。
本发明特别适用于生产“软”碳黑，这种碳黑每克重量占有的面积约为20～75平方米。在生产“软”碳黑的工艺中，反应器内流入的可燃气体流速过低有时会使喷头喷出的油料过早地穿越过去附着到反应器壁上，这会使碳黑成品中含有杂质颗粒，在使用先有技术喷嘴的场合，这就会要求雾化用空气流量大才能足以使油料散开以防止过量的油料达到反应器壁。然而，空气流量过大会使碳黑制品产生不希望有的结构改变，这是由西德专利（DBP）估计的结果。但雾化用气流的流量过小会造成碳黑中含有杂质，而流量大会引起碳黑结构超出规范。本发明却可以在使用较小的雾化用气体流量情况下有效地避免上述问题的发生。
现通过下述例子，对本发明进一步说明。
实例Ⅰ
用标准的切向配置反应器生产低粒度N-550碳黑，反应器区段56的内径为24吋、长23吋，后接的区域内径为28吋，反应器上切向配置两条孔道76，每条孔道的内径为6吋。
喷头6由316号不锈钢制成，喷头上有16个孔径为0.177吋的开孔50，角D是20°。腔室54的内径是1.575吋，喷头的全长是2.36吋。混合腔体4和延伸器8制成一体，材料是316号不锈钢。第一钻孔18的内径是0.803吋，第二钻孔20的内径0.90吋，10个通道孔22使第一钻孔18与腔室66连通，其孔径都是0.1875吋，角A为45°，4个孔径为0.375 吋的通道孔26使腔室66与第二钻孔20相连通，角B为90°，角C是45°，截头圆锥区的长度是0.175吋，第一纵向部位与第二纵向部位之间的间距约为1.6吋。
表Ⅰ给出了该装置的运用数据。
Figure 86107989_IMG2
表Ⅰ中的附注
注1：测量的尺寸是取自耐热材料端壁至喷嘴顶端的距离;
注2：样品取自燥器;
注3：油液组分
美国石油学会比重标率（API    Grav）-2.30
碳（%）    90.15
氢（%）    7.51
硫（%）    2.33
从表Ⅰ中可以看到，制得的碳黑具有极细的颗粒度。
例Ⅱ
本发明喷嘴与先有技术喷嘴的比较见表Ⅱ。
项目    最少需用的雾化    最大油气比
喷嘴 油流量 空气流量（注） kg/Nm3
类别 kg/h Nm3/h
（公斤/小时） （米3/小时） （公斤/米3）
标准
PEAB    ODY    1，800    180    10
喷嘴    2，100    210    10
1，500    140    10，7
新型    2，600    140    18，6
喷嘴    3，000    150    20
3，400    170    20
注：如使用更少的雾化用空气量，粒度就会超出规范的允许值。碳黑的结构确定了可用的最大供气流量。
从表Ⅱ中可以清楚看出新型喷嘴在空气利用上有足够高的效率。

Claims (8)

1、一种雾化喷嘴，该喷嘴包括有一混合腔体，通过第一管形构件(60)使腔体和油源相连，通过第二管形构件(62)使腔体和雾化气源相连，该喷嘴还包括延伸器和喷头(6)，其中
a.所述混合腔体(4)具有通常呈圆柱形的外表面(4)；一个在上述混合腔体的从第一端面(12)向第二端面(14)延伸的第一钻孔(18)；第一组多孔通道(22)从第一钻孔向外延伸在混合腔体的通常呈圆柱形外表面(10)上的第一纵向部位(24)处通过；具有圆柱形外表面的喷头(6)与相邻的混合腔体第二端面(14)相通，且在混合腔体的通常呈圆柱形外表面上的第二纵向部位(28)处穿通，第二纵向部位(28)位于第一纵向部位(24)与混合腔体的第二端面(14)之间；
b.所述延伸器(8)位于混合腔体的第二端面(14)处，并有圆柱形外表面，延伸器通过邻接其第一端面(30)的部位与混合腔体的第二端面(14)安装连接，该延伸器沿其纵轴线有一贯穿延伸的通道，使所述第二纵向部位(28)和喷头(6)之间相连通；
c.所述喷头(6)有第一端面(40)和第二端面(42)，有绕纵轴配置的呈圆柱形的内表面(44)和外表面(46)，有一部分封闭了喷头第二端面(42)的封闭端(48)，所述封闭端有一组孔道(50)，通过这些围绕喷头纵轴线环形分布的孔道使其与喷头第二端相通，喷头的圆柱形内表面与延伸器的第二端面连接，再连接混合腔体，喷头的纵轴线与混合腔的纵轴相重合，喷头的封闭端有一内表面(52)，该表面与延伸器的第二端面及混合腔体间有间距，因而形成腔室，其特征在于：该喷嘴还包括一个从混合腔体第二端面(14)向其第一端面(12)延伸的第二钻孔(20)，但该钻孔并不和第一钻孔(18)相连通，还有从第二纵向部位(28)以B角度向外延伸的第二组多孔通道(26)，该角度B是指通道轴线和混合腔体的纵轴线之间的约为90°的夹角，第二钻孔(20)与喷头(6)的连通是通过从钻孔(20)向延伸器的第二端(16)延伸的截头圆锥形侧壁(34)来限定的。
2、按照权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：第一组多孔通道（22）的每个孔，其轴线与混合腔体的纵轴线之间的夹角A（其对应的是混合腔体的第二端面14）约在30°至90°之间。
3、按照权利要求2所述的喷嘴，其特征在于：第一组多孔通道（22）的孔数约为4至16个，角A约为45°至90°，其中第二组多孔通道（26）的孔数约为4至8个。
4、按照权利要求1或2所述的喷嘴，其特征在于：混合腔体有横切通常呈圆柱形的外表面（10）得到的第一外径，在第一端面（12）与第二端面（14）之间的间距约为第一外径的2至5倍，其中，第一纵向部位（24）与第二纵向部位（28）之间的间距为第一直径的0.3-3倍。
5、按照权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：通常呈截头圆锥通道的内壁表面与延伸器纵轴线之间形成的锥角（对应于延伸器的第二端面16）C约为20°至70°。
6、按照权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：穿通喷头封闭端的多孔通道（50）的每一个孔，其纵轴线与喷头的纵轴线形成的夹角D（对应于喷头的第二端面）约为50°至75°。
7、按照权利要求6所述的喷嘴，其特征在于：贯通喷头封闭端的开孔数约为8至32个。
8、按照权利要求7所述的喷嘴，其特征在于：贯通喷头封闭端的开孔数约为12至24个。
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