CN102259836A - 一种煤液化残渣气化喷嘴及其应用 - Google Patents

Abstract

一种煤液化残渣气化喷嘴，包括煤液化残渣管、蒸汽环管、氧气环管、水冷环管以及煤液化残渣和蒸汽混合室，其中所述煤液化残渣管、蒸汽环管、氧气环管和水冷环管为由内到外依次同轴设置，所述煤液化残渣管、蒸汽环管和氧气环管上分别设有煤液化残渣进口、蒸汽进口和氧气进口；煤液化残渣和蒸汽混合室的一端与煤液化残渣管的末端连通，混合室的另一端与煤液化残渣和蒸汽喷口连通；蒸汽环管的末端是封闭的；混合室的室壁上设置有与蒸汽环管相连通的蒸汽喷口；氧气环管的末端与氧气喷口连通。采用本发明的气化喷嘴，可以实现高温粘稠的重质燃料的直接进料，提高了物料的能量回收利用率，气化效果也更好，且安装拆卸方便、不易堵塞。

Description

一种煤液化残渣气化喷嘴及其应用

技术领域

本发明涉及气化喷嘴，更具体地说，涉及一种以高温粘稠状的重质燃料(例如煤液化残渣)为原料用于气流床气化炉的气化喷嘴。

背景技术

在气流床气化工艺中，将原料物流喷入气化炉进行燃烧的设备叫做气化喷嘴。目前，国内已经大规模工业化应用的气流床煤炭气化技术主要有Texaco水煤浆气化技术、Shell干煤粉气化技术、多元料浆气化技术和多喷嘴对置式煤气化技术。其中，水煤浆气化技术通常采用三流道式气化喷嘴结构，喷嘴的中心管走氧气，内环隙走水煤浆，外环隙走氧气；干煤粉气化技术通常采用二流道式气化喷嘴结构，喷嘴的中心管走煤粉，外环隙走氧气，或中心管走氧气、外环隙走煤粉。中国专利ZL95111750.5披露了一种带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴。美国专利US3705108披露了一种中心管走氧气、内环管走缓和剂以及外环管走油-缓和剂的三通道气化喷嘴。

在煤直接液化工艺过程中，伴随着煤液化油品的生产，同时产生大量的煤液化残渣。在使用减压蒸馏的煤直接液化工艺中，所生产的煤液化残渣量约占液化原料煤质量的30％左右，如此大量的煤液化残渣，其综合利用问题一直是煤直接液化项目亟待解决的关键问题，其利用程度直接影响煤直接液化过程的技术、经济和环境性能。煤液化残渣具有较高的碳、氢含量，因此，可以以煤液化残渣为原料通过气化炉燃烧生产合成气(CO+H₂)或其他有用的化工原料气体。但是，通常从煤直接液化装置直接获得的煤液化残渣为高温(180～320℃)粘稠液体，如果使用上述传统的气化喷嘴对其直接进行气化，会导致煤液化残渣与喷嘴金属壁及冷流体间换热，致使煤液化残渣降温、增粘或凝固，从而影响煤液化残渣在喷嘴内的流动特性，甚至造成喷嘴堵塞，影响气化炉的正常生产；如果将煤液化残渣冷却后再加以利用，势必将增加油渣冷却排放工序和研磨工序，并且煤液化残渣的降温、升温过程也会造成大量能量损失。另外，在石油工业中，原油经加热(360～370℃)后送入常压蒸馏塔、减压蒸馏塔可分别获得重油、渣油，对于这种高温粘稠的重油、渣油，如果使用传统的气化喷嘴进行气化燃烧，也存在类似问题。

综上所述，尽管国内外关于“气化喷嘴”的文献对不同气化喷嘴结构及使用性能都有介绍，但是对于高温粘稠状的重质燃料例如熔融的煤液化残渣而言，采用现有的气化喷嘴无法获得较好的气化效果。因此，需要开发一种适用于高温熔融的煤液化残渣直接进料的气化喷嘴，以克服现有气化喷嘴不适用于气化高温熔融的煤液化残渣的缺陷。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种新型的煤液化残渣气化喷嘴，采用该喷嘴可直接利用高温熔融的煤液化残渣进行气化，并能获得良好的气化效果。

本发明的另一目的是提供所述煤液化残渣气化喷嘴在气流床气化炉中的应用。

本发明所提供的煤液化残渣气化喷嘴包括煤液化残渣管、蒸汽环管、氧气环管、水冷环管以及煤液化残渣和蒸汽混合室，其中所述煤液化残渣管、蒸汽环管、氧气环管和水冷环管为由内到外依次同轴设置，所述煤液化残渣管、蒸汽环管和氧气环管上分别设有煤液化残渣进口、蒸汽进口和氧气进口；煤液化残渣和蒸汽混合室的一端与煤液化残渣管的末端连通，所述混合室的另一端与煤液化残渣和蒸汽喷口连通；所述蒸汽环管的末端是封闭的；所述混合室的室壁上设置有与蒸汽环管相连通的蒸汽喷口；所述氧气环管的末端与氧气喷口连通。

根据本发明提供的煤液化残渣气化喷嘴的一个优选实施方式，在煤液化残渣管的末端与煤液化残渣和蒸汽混合室之间设有渐扩通道，并且在所述混合室与所述煤液化残渣和蒸汽喷口之间设有渐缩通道。本发明对于所述渐扩通道和渐缩通道的形状并无特殊要求，只要能有助于煤液化残渣的顺利流入、为原料的气化提供足够的空间，并有利于气化后的原料经煤液化残渣和蒸汽喷口注入气化炉即可，一般为圆台状。进一步优选地，所述渐扩通道的室壁上设置有与蒸汽环管连通的蒸汽喷口。

在本发明提供的煤液化残渣气化喷嘴中，对所述煤液化残渣和蒸汽混合室的形状没有特别限制。所述混合室除了可包括上述渐扩通道和渐缩通道外，其主体部分的垂直于轴向的截面一般为圆形。

根据本发明提供的煤液化残渣气化喷嘴的一个优选实施方式，所述煤液化残渣和蒸汽混合室的最大径向尺寸与所述煤液化残渣管的直径之比为1.5～8∶1，更优选为2～5∶1。

根据本发明提供的煤液化残渣气化喷嘴的一个优选实施方式，所述煤液化残渣和蒸汽混合室的轴向高度与所述混合室的最大径向尺寸之比为0.5～5∶1，更优选为1～2.5∶1。

在本发明中，术语“煤液化残渣和蒸汽混合室的最大径向尺寸”是指所述混合室内部的最大径向尺寸，术语“煤液化残渣和蒸汽混合室的轴向高度”是指所述混合室内部的轴向高度；术语“煤液化残渣管的直径”是指所述管的内径。

通常，设置在所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁上或所述渐扩通道的室壁上的蒸汽喷口的尺寸及数量根据蒸汽的用量确定，而蒸汽用量主要是根据煤液化残渣的进料量确定。因此，本发明对于所述蒸汽喷口的位置、尺寸及数量的具体设置并无特殊要求，只要有利于所述煤液化残渣的雾化即可。例如，所有蒸汽喷口可以是单层或多层设置，每层蒸汽喷口最好呈轴向对称均匀分布，同一层的蒸汽喷口数量≥3；所有蒸汽喷口的开孔尺寸为1～15mm，优选为3～10mm。

进一步优选地，蒸汽喷口的中心线可垂直于所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁或渐扩通道的室壁设置，亦可与所述混合室的室壁或渐扩通道的室壁的垂直线形成一定的夹角。在本发明的一个优选实施方式中，设置在煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁上或渐扩通道的室壁上的同一层的蒸汽喷口的数量为3，所述蒸汽喷口的中心线与所述混合室的室壁或渐扩通道的室壁的垂直线之间的夹角为0～25°；在本发明的另一个优选实施方式中，煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁上或所述渐扩通道的室壁上的同一层的蒸汽喷口的数量≥4，所述蒸汽喷口的中心线与所述混合室的室壁或渐扩通道的室壁之间的夹角为0～35°。

在本发明提供的煤液化残渣气化喷嘴中，所述水冷环管10可以采用套管式结构，也可以采用盘管式结构。

此外，本发明还提供了所述煤液化残渣气化喷嘴在气流床气化炉中的应用。

根据本发明气化喷嘴在气流床气化炉中的应用，其中，所述气流床气化炉包括水煤浆气化炉和干煤粉气化炉。

根据本发明气化喷嘴在气流床气化炉中的应用，其中，蒸汽的用量不超过煤液化残渣进料量的40wt％。

根据本发明气化喷嘴在气流床气化炉中的应用，其中，煤液化残渣和蒸汽喷口以及氧气喷口的末端截面大小主要是根据出口物料的平均流速确定。在气流床气化炉中采用本发明的气化喷嘴进行气化时，所述煤液化残渣和蒸汽喷口处的物料平均流速为10～80m/s；所述氧气喷口处的物料平均流速为60～250m/s；所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁或所述渐扩通道的室壁上的蒸汽喷口处的物料平均流速为10～160m/s。

根据本发明气化喷嘴在气流床气化炉中的应用，其中，所述气化喷嘴适用于煤液化残渣的热法熔融气化以及重油、渣油等粘稠状重质燃料的高温液态进料气化。

在气流床气化炉中采用本发明提供的煤液化残渣气化喷嘴进行气化时，一方面，由于喷嘴内设置了与煤液化残渣管相邻的蒸汽环管，使蒸汽可以为高温粘稠的煤液化残渣提供加热保温的作用；另一方面，由于喷嘴内部设置了煤液化残渣和蒸汽混合室，并且混合室上还设有与蒸汽环管连通的蒸汽喷口，蒸汽环管的末端封闭，使得蒸汽全部通过蒸汽喷口进入煤液化残渣和蒸汽混合室内，在混合室内煤液化残渣与蒸汽充分混合后一起喷出，大大提高了煤液化残渣的雾化性能。由此可见，通过本发明气化喷嘴，高温粘稠状的煤液化残渣可以不经过降温而直接被引入气流床气化炉内，相比于采用现有的气化喷嘴需要对煤液化残渣先降温冷却，后升温气化的过程，减少了能量损失，提高了煤液化残渣的能量回收利用率；另外，在本发明的气化喷嘴中，由于蒸汽既是气化剂又是伴热介质，因此显著地提高了喷嘴的气化效果，并且喷嘴安装拆卸方便、不易堵塞。

将本发明所提供的气化喷嘴用于传统的水煤浆气化炉或干煤粉气化炉上，除了可以实现煤液化残渣的热法熔融气化之外，还可以实现其他粘稠状的重质燃料的高温液态进料气化，突破了水煤浆气化炉和干煤粉气化炉的传统进料方式，例如，可以将来自炼油工艺装置的高温粘稠的重油、渣油，通过本发明的气化喷嘴直接引入传统的水煤浆气化炉或干煤粉气化炉中进行气化，省去了高温粘稠油渣的冷却排放和研磨工序，为煤液化残渣、重油、渣油等重质燃料的热法回收提供了一种有效的利用方式。此外，本发明所提供的气化喷嘴还具有结构紧凑、制造工艺简单的特点，适合于大规模生产。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施方式的气化喷嘴的结构示意图；

图2是图1中所示的气化喷嘴沿A-A向的截面示意图；其中：

1-煤液化残渣进口

2-蒸汽进口

3-氧气进口

4-冷却水进口

5-冷却水出口

6-氧气喷口

7-煤液化残渣管

8-蒸汽环管

9-氧气环管

10-水冷环管

11-煤液化残渣和蒸汽混合室

12-蒸汽喷口

13-蒸汽喷口

14-煤液化残渣和蒸汽喷口

15-冷却水进水导管

16-冷却水出水导管

17-联接法兰

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明所提供的气化喷嘴，但本发明并不因此而受到任何限制。只要不偏离本发明的基本构思和限定的范围，本发明可以有其它的变形，例如，所述“煤液化残渣管”可以是其他高温粘稠的重质燃料管，所述“煤液化残渣和蒸汽混合室”可以是其他高温粘稠的重质燃料和蒸汽的混合室，所述“煤液化残渣和蒸汽喷口”可以是其他高温粘稠的重质燃料和蒸汽的喷口。

图1示出了根据本发明的一种优选的气化喷嘴。如图1所示，气化喷嘴包括由内到外同轴设置的煤液化残渣管7、蒸汽环管8、氧气环管9，各个物流管之间为插入式结构，所述煤液化残渣管7、蒸汽环管8和氧气环管9上分别设有煤液化残渣进口1、蒸汽进口2和氧气进口3；煤液化残渣和蒸汽混合室11的一端与煤液化残渣管7的末端之间设有圆台状的渐扩通道，该混合室的另一端与煤液化残渣和蒸汽喷口14之间设有圆台状的渐缩通道，在混合室渐扩通道的室壁上设有四个轴向对称分布的蒸汽喷口12，在混合室主体部分的室壁上也设有四个轴向对称分布的蒸汽喷口13，所述氧气环管9的末端与氧气喷口6连通；如图2所示，混合室11主体部分的横截面为圆形；混合室11主体部分的内径W与煤液化残渣管内径D之比为W∶D＝3∶1，混合室11的轴向高度H与内径W之比为H∶W＝2∶1；蒸汽喷口12和13的中心线分别垂直于混合室渐扩通道的室壁和混合室主体部分的室壁；蒸汽环管8的末端为渐缩式结构，蒸汽环管8的渐缩式末端的内壁面与混合室渐缩通道的外壁面均为精加工的光滑表面，并且蒸汽环管8的渐缩式末端与混合室渐缩通道之间为插入式无间隙安装或设置耐高温密封圈，从而使所述蒸汽环管8的末端形成一封闭结构，进而使蒸汽全部经由蒸汽喷口12和13进入煤液化残渣和蒸汽混合室11中与煤液化残渣混合，同时便于蒸汽环管8的安装和拆卸；通过联接法兰17将气化喷嘴设置在气化炉(未示出)上，并将套管式水冷环管10焊接在该联接法兰上，使所述水冷环管同轴设置在氧气环管9的外侧。

以煤直接液化工艺中排放的高温熔融的煤液化残渣为原料、以氧气为气化剂生产合成气(CO+H₂)或制H₂原料气为例，粘稠状的煤液化残渣经过加料泵加压后由煤液化残渣进口1进入煤液化残渣管7中；同时，蒸汽经由蒸汽进口2进入蒸汽环管8中，并分别经由蒸汽喷口12和蒸汽喷口13进入煤液化残渣和蒸汽混合室11中，在混合室内所述蒸汽与煤液化残渣充分混合后经由煤液化残渣和蒸汽喷口14喷出，因此，蒸汽还起到气化剂的作用，大大提高了煤液化残渣进入气化炉的雾化性能，此外，蒸汽给煤液化残渣管7内的煤液化残渣提供加热保温的作用，使煤液化残渣在喷嘴内始终保持良好的流动特性；与此同时，氧气经由氧气进口3进入氧气环管9中，并经由氧气喷口6喷出；同时，冷却水从冷却水进口4进入，并经由冷却水进水导管15流入套管式水冷环管10，再经由冷却水出水管16从冷却水出口5流出，保护喷嘴在高温气化炉中不被烧毁。

下面通过实施例进一步说明本发明所提供的气化喷嘴，但本发明并不因此而受到任何限制。

实施例

将一个如图1所示的气化喷嘴设置在一台德士古水煤浆气化炉上，使气化原料和气化剂从上往下喷入气化炉中；将两个如图1所示的气化喷嘴水平对喷状设置在一台Shell干煤粉气化炉上，使两个喷嘴中的气化原料和气化剂均以水平方式喷入气化炉中。以中国神华煤制油化工有限公司的煤直接液化装置油渣排放处取得的高温粘稠状的煤液化残渣为气化原料，氧气为气化剂，在上述两种气化炉中采取煤液化残渣直接进料的方式进行气化，以生产合成气(CO+H₂)。

在德士古水煤浆气化炉中，煤液化残渣的流量为89225kg/h，气化喷嘴中的蒸汽用量为煤液化残渣进料量的40wt％，即蒸汽环管内的蒸汽流量为35690kg/h，所有蒸汽喷口的开孔尺寸均为8mm，其平均喷出速率为156m/s，煤液化残渣和蒸汽喷口的平均喷出速率为78m/s，氧气喷口的平均喷出速率为180m/s；在Shell干煤粉气化炉中，煤液化残渣的流量为107188kg/h，每个气化喷嘴中煤液化残渣的进料量为53594kg/h，每个气化喷嘴中的蒸汽用量约为煤液化残渣进料量的25wt％，即蒸汽环管内的蒸汽流量为13398kg/h，所有蒸汽喷口的开孔尺寸均为6mm，其平均喷出速率为140m/s，煤液化残渣和蒸汽喷口的平均喷出速率为60m/s，氧气喷口的平均喷出速率为160m/s。

表1中示出了实施例中所采用的煤液化残渣的物化特性，采用本发明气化喷嘴在不同气化炉上对上述煤液化残渣进行气化的操作条件和气化性能示于表2中。

表1煤液化残渣的物化特性

表2本发明气化喷嘴在不同气化炉中的气化操作条件及其气化性能

对比例

采用一台设有德士古三通道式水煤浆气化喷嘴的德士古水煤浆气化炉对实施例中的煤液化残渣进行气化，其中该气化喷嘴的进料方式为：由冷却并粉碎后的煤液化残渣和水等制成的残渣水煤浆进料(冷法进料)；采用一台与上述气化炉型号相同但设有如图1所示的气化喷嘴的德士古水煤浆气化炉对相同重量的煤液化残渣进行气化，其中该气化喷嘴的进料方式为：高温粘稠的煤液化残渣经加料泵加压、再经过该气化喷嘴直接引入气化炉中(热法进料)；所述德士古水煤浆气化喷嘴与本发明气化喷嘴在德士古水煤浆气化炉中的操作温度和操作压力相同。

另外，再采用一台设有两个水平对喷状的Shell干煤粉气化喷嘴的Shell干煤粉气化炉对实施例中的煤液化残渣进行气化，其中该气化喷嘴的进料方式为：由冷却并粉碎后的煤液化残渣粉末(冷法进料)和蒸汽混合进料；采用一台与上述气化炉型号相同但设有两个水平对啧状的如图1所示的气化喷嘴的Shell干煤粉气化炉对相同重量的煤液化残渣进行气化，其中两个气化喷嘴的进料方式为：高温粘稠的煤液化残渣经加料泵加压后直接进料(热法进料)；所述Shell干煤粉气化喷嘴与本发明气化喷嘴在Shell干煤粉气化炉中的操作温度和操作压力相同。

采用本发明气化喷嘴与采用现有气化喷嘴在不同气化炉上对煤液化残渣进行气化时的操作条件和气化性能结果示于表3中。

表3本发明气化喷嘴与现有气化喷嘴在气化炉中的气化操作条件及其气化性能

由表3可见，与传统的气化喷嘴相比，采用本发明气化喷嘴对煤液化残渣进行气化时，冷煤气效率和干煤气产品中CO+H₂的含量明显提高，氧气消耗(即比氧耗)和煤液化残渣消耗(即比油渣耗)明显降低，因此气化效果明显优于传统的气化喷嘴。而且，采用本发明气化喷嘴，可以实现高温粘稠状的重质燃料在气化炉上的热法进料，突破了水煤浆气化炉和干煤粉气化炉中以水煤浆或干煤粉形式进料的传统进料方式，即，将本发明的气化喷嘴应用于传统的水煤浆气化炉或干煤粉气化炉上，高温粘稠状的重质燃料可以不经过降温，直接经过本发明气化喷嘴引入气化炉中进行气化，相比于采用传统的气化喷嘴需要先冷却后升温气化的过程，减少了能量损失，有效地提高了所述燃料的能量回收利用率，并且具有更好的气化效果。

Claims (12)

1.一种煤液化残渣气化喷嘴，其特征在于，所述气化喷嘴包括煤液化残渣管(7)、蒸汽环管(8)、氧气环管(9)、水冷环管(10)以及煤液化残渣和蒸汽混合室(11)，其中所述煤液化残渣管(7)、蒸汽环管(8)、氧气环管(9)和水冷环管(10)为由内到外依次同轴设置，所述煤液化残渣管(7)、蒸汽环管(8)和氧气环管(9)上分别设有煤液化残渣进口(1)、蒸汽进口(2)和氧气进口(3)；煤液化残渣和蒸汽混合室(11)的一端与煤液化残渣管(7)的末端连通，所述混合室的另一端与煤液化残渣和蒸汽喷口(14)连通；所述蒸汽环管(8)的末端是封闭的；所述混合室的室壁上设置有与蒸汽环管(8)相连通的蒸汽喷口(12、13)；所述氧气环管(9)的末端与氧气喷口(6)连通。

2.根据权利要求1所述的气化喷嘴，其特征在于，在煤液化残渣管(7)的末端与煤液化残渣和蒸汽混合室(11)之间设有渐扩通道，并且在所述混合室(11)与煤液化残渣和蒸汽喷口(14)之间设有渐缩通道。

3.根据权利要求2所述的气化喷嘴，其特征在于，所述渐扩通道的室壁上设有与所述蒸汽环管(8)连通的蒸汽喷口(12)。

4.根据权利要求3所述的气化喷嘴，其特征在于，所述煤液化残渣和蒸汽混合室(11)的最大径向尺寸与煤液化残渣管(7)的直径之比为1.5～8∶1，优选为2～5∶1。

5.根据权利要求4所述的气化啧嘴，其特征在于，所述煤液化残渣和蒸汽混合室(11)的轴向高度与所述混合室的最大径向尺寸之比为0.5～5∶1，优选为1～2.5∶1。

6.根据权利要求5所述的气化喷嘴，其特征在于，所述蒸汽喷口采用单层或多层设置，每层蒸汽啧口呈轴向对称均匀分布，并且位于同一层的蒸汽喷口数量≥3。

7.根据权利要求6所述的气化喷嘴，其特征在于，位于同一层的蒸汽喷口的数量为3，并且所述蒸汽喷口的中心线与所述渐扩通道的室壁或所述混合室的室壁的垂直线之间的夹角为0-25°。

8.根据权利要求6所述的气化喷嘴，其特征在于，位于同一层的蒸汽喷口的数量≥4，并且所述蒸汽喷口的中心线与所述渐扩通道的室壁或所述混合室的室壁的垂直线之间的夹角为0-35°。

9.根据权利要求7或8所述的气化喷嘴，其特征在于，所述蒸汽喷口的开孔尺寸为1～15mm，优选为3～10mm。

10.如权利要求1-9中任一项所述的气化喷嘴在气流床气化炉中的应用。

11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，蒸汽的用量不超过煤液化残渣进料量的40wt％。

12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述煤液化残渣和蒸汽喷口处的物料平均流速为10～80m/s；所述氧气喷口处的物料平均流速为60～250m/s；所述蒸汽喷口处的物料平均流速为10～160m/s。

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