CN102275872B - 非催化部分氧化制合成气烧嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种非催化部分氧化制合成气烧嘴，由同轴设置在内、外以及中间冷却水夹套构成，在内冷却水夹套的外径与中间冷却水夹套的内径之间设置有氧化剂通道，中间冷却水夹套的外径与外冷却水夹套的内径之间设置有原料气通道；内、外以及中间冷却水夹套三者的底端形成多通道全冷却POX烧嘴的烧嘴头，原料气通道和氧化剂通道位于烧嘴头的一端开口，分别形成原料气环形喷射口和氧化剂环形喷射口，原料气由原料气环形喷射口喷出，氧化剂由氧化剂环形喷射口喷出，喷出的原料气与喷出的氧化剂在烧嘴头处进行预混合并在烧嘴头外部燃烧。本发明使得原料气和氧化剂的混合更好、燃烧充分；同时又有效地避免了炭黑的生成。

Description

非催化部分氧化制合成气烧嘴

技术领域

本发明涉及诸如焦炉气和天然气等气态烃类为原料，以空气、富氧空气和纯氧气等为氧化剂，制备多种氢碳比(氢气和一氧化碳的摩尔比或者体积比等)合成气的燃烧装置技术领域，特别涉及一种将工艺烧嘴和开车烧嘴相结合的、非催化部分氧化的新型非催化部分氧化制合成气烧嘴。 

背景技术

合成气(CO+H₂)作为重要的化工原料，在化学工业领域中，主要用来合成氨、油、液体燃料、甲醇、醚类和化肥等一系列重要的化学产品，因此对合成气有大量的需求，这也导致对更大产能转化炉的工业需求。 

在气态烃转化制备合成气的工艺中，非催化部分氧化技术(POX)作为其中一种，在国内合成气转化领域将越来越重要。而POX烧嘴作为合成气生产工段和转化炉上的关键设备，直接影响着原料和氧化剂混合燃烧情况、炉体大小、运行周期、寿命及其出口甲烷含量等重要参数，虽然近年来有很多专家学者致力于烧嘴结构的研究，发明了很多专利，但是在烧嘴混合燃烧效果、烧嘴寿命这两方面难以做到优化。然而随着科技不断进步和生产技术要求的日益提高，需要更加优化的、创新性的烧嘴来改进、完善气态烃转化制备合成气工艺。 

传统的烧嘴设计需要将开车烧嘴抽出，然后再安装工艺烧嘴，在这样高温的工况下安装工艺烧嘴，不仅烧嘴与转化炉装配的公差无法保证和检验，而且各法兰连接件的密封性能也不高。 

发明内容

本发明所要求解决的技术问题在于针对现有POX烧嘴在高温工况下、材料面临高的屈服应力以及各种腐蚀等诸多不利的恶劣条件而提出一种新型非催化部分氧化制合成气烧嘴，该新型非催化部分氧化制合成烧嘴使得原料气和氧化剂的混合更好、燃烧更充分；同时又有效地避免了炭黑的生成；提高原料气的 转化率、减少转化炉出口其他杂质；对烧嘴头部进行充分冷却，有效地降低头部的高温，延长烧嘴的寿命；对烧嘴混合燃烧火焰的形态进行优化控制，缩短火焰长度，减小转化炉体积，减少投资成本。 

本发明通过对烧嘴头部混合燃烧的模拟计算分析，从而设计出烧嘴头结构。一般而言，烧嘴的性能优劣，主要是体现在烧嘴头的设计上，它影响了各流体间的混合、烧嘴的使用寿命、火焰的燃烧形态、炭黑的规避、原料气的转化率、产品气的收率，以及反应器内的温度场、浓度场和速度场等。所以烧嘴头是整个烧嘴的关键部件，也是核心部件。 

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现： 

一种新型非催化部分氧化制合成气烧嘴，由同轴设置在内冷却水夹套、中间冷却水夹套和外冷却水夹套构成，其中所述外冷却水夹套套在所述中间冷却水夹套上，所述中间冷却水夹套套在所述内冷却水夹套上；所述内冷却水夹套的中心具有一在开车时用以放置开车烧嘴的开车烧嘴中心通道，在所述内冷却水夹套的外径与所述中间冷却水夹套的内径之间设置有氧化剂通道，在所述中间冷却水夹套的外径与所述外冷却水夹套的内径之间设置有原料气通道；所述内冷却水夹套、中间冷却水夹套和外冷却水夹套三者的底端形成所述多通道全冷却POX烧嘴的烧嘴头，所述原料气通道和氧化剂通道位于所述烧嘴头的一端开口，分别形成原料气环形喷射口和氧化剂环形喷射口，所述原料气由所述原料气环形喷射口喷出，所述氧化剂由所述氧化剂环形喷射口喷出，喷出的原料气与喷出的氧化剂在所述烧嘴头处进行预混合在烧嘴头外部燃烧。 

在本发明一个优选实施例中，所述外冷却水夹套通过可拆卸连接件套在所述中间冷却水夹套上，所述中间冷却水夹套通过可拆卸连接件套在所述内冷却水夹套外面。 

在本发明一个优选实施例中，在所述外冷却水夹套的外环壁上设置有用以安装整个多通道全冷却POX烧嘴的法兰和第一冷却水进、出口以及原料气入口，其中所述第一冷却水进、出口与所述外冷却水夹套内的冷却水腔贯通，所述原料气入口与所述原料气通道贯通。 

在本发明一个优选实施例中，在所述中间冷却水夹套的外环壁上设置有第二冷却水进、出口和氧化剂入口，其中所述第二冷却水进、出口与所述中间冷 却水夹套内的冷却水腔贯通，所述氧化剂入口与所述氧化剂通道贯通。 

在本发明一个优选实施例中，在所述内冷却水夹套的外环壁上设置有第三冷却水进、出口，并在所述内冷却水夹套顶部设置有用以安装开车烧嘴的连接法兰，开车时，在所述内冷却水夹套的开车烧嘴中心通道内插入开车烧嘴，并通过紧固件使所述开车烧嘴的连接法兰盖与所述连接法兰连接，开车结束后，拔出开车烧嘴，插入气化剂通入部件；所述第三冷却水进、出口与所述内冷却水夹套内的冷却水腔贯通。 

在本发明一个优选实施例中，在所述外冷却水夹套的冷却水腔内通过设置，将所述外冷却水夹套内的冷却水腔分隔成两部分，两部分分别为自所述第一冷却水进口向所述外冷却水夹套的底端方向流动的第一进水通路和自所述外冷却水夹套的底端向所述第一冷却水出口方向流动的第一出水通路，所述第一进水通路和第一出水通路在所述外冷却水夹套的冷却水腔位于所述外冷却水夹套底端的位置处连通。在该优选实施例中，所述第一进水通路位于所述外冷却水夹套的冷却水腔的内侧，所述第一出水通路位于所述外冷却水夹套的冷却水腔的外侧。 

在本发明一个优选实施例中，在所述中间冷却水夹套的冷却水腔内设置有将所述中间冷却水夹套内的冷却水腔分隔成自所述第二冷却水进口向所述中间冷却水夹套的底端方向流动的第二进水通路和自所述中间冷却水夹套的底端向所述第二冷却水出口方向流动的第二出水通路，所述第二进水通路和第二出水通路在所述中间冷却水夹套的冷却水腔位于所述中间冷却水夹套底端的位置处连通。在该优选实施例中，所述第二进水通路位于所述中间冷却水夹套的冷却水腔的外侧，所述第二出水通路位于所述中间冷却水夹套的冷却水腔的内侧。 

在本发明一个优选实施例中，在所述内冷却水夹套的冷却水腔内设置有将所述内冷却水夹套内的冷却水腔分隔成自所述第三冷却水进口向所述内冷却水夹套的底端方向流动的第三进水通路和自所述内冷却水夹套的底端向所述第三冷却水出口方向流动的第三出水通路，所述第三进水通路和第三出水通路在所述内冷却水夹套的冷却水腔位于所述内冷却水夹套底端的位置处连通。在该优选实施例中，所述第三进水通路位于所述内冷却水夹套的冷却水腔的外侧，所述第三出水通路位于所述内冷却水夹套的冷却水腔的内侧。 

在本发明一个优选实施例中，在所述原料气通道内设置有与所述外冷却水夹套的内径和中间冷却水夹套的外径接触的第一定距块，在所述氧化剂通道内设置有与所述中间冷却水夹套的内径和内冷却水夹套的外径接触的第二定距块，通过调整第一、第二定距块的厚度即可调节原料气通道和氧化剂通道的宽度。 

在本发明的一个优选实施例中，所述原料气环形喷射口宽度小于原料气通道的宽度。 

在本发明的一个优选实施例中，所述外冷却水夹套底端的内径由里向外逐渐扩大，形成一喇叭口，所述喇叭口的中心夹角为0°～60°。 

在本发明的一个优选实施例中，所述中间冷却水夹套底端的内径通过第一内圆倒角与中间冷却水夹套底端的端面过渡连接，所述内圆倒角的半径为10mm～40mm。 

在本发明的一个优选实施例中，所述内冷却水夹套底端的外径由里向外逐渐内缩至与内径交汇形成一第一环斜面。在该实施例中，所述第一环斜面与所述内冷却水夹套的轴线之间的夹角为20°～80°。 

在本发明的一个优选实施例中，所述氧化剂通道内的下部设置有一环形旋流分布器，所述环形旋流分布器靠近所述氧化剂环形喷射口那一侧的端面与所述外冷却水夹套底端的端面之间的距离为60mm～280mm；所述中间冷却水夹套底端的端部与所述外冷却水夹套底端的端面之间的距离为0mm～100mm。 

在本发明的一个优选实施例中，所述氧化剂环形喷射口为一喇叭型氧化剂环形喷射口。 

在本发明的一个优选实施例中，所述中间冷却水夹套底端的内径由里向外逐渐扩大形成一第二环斜面，该第二环斜面并通过一第二内圆倒角与所述中间冷却水夹套底端的端面过渡连接，所述第二环斜面与所述中间冷却水夹套的轴线之间的夹角为10°～65°，所述第二内圆倒角的半径为10mm～30mm；所述内冷却水夹套底端的外径由里向外逐渐扩大至内冷却水夹套底端的端面形成一第三环斜面，所述第三环斜面与所述内冷却水夹套的轴线之间的夹角为5°～60°，所述内冷却水夹套底端的内径通过一第三内圆倒角与所述内冷却水夹套底端的端面过渡连接，所述第三内倒圆角的半径为10mm～30mm。 

在本发明的一个优选实施例中，所述内冷却水夹套底端的端面与所述外冷却水夹套底端的端面之间的距离为10mm～130mm；所述中间冷却水夹套底端的端面与所述外冷却水夹套底端的端面之间的距离为0mm～100mm。 

在本发明的一个优选实施例中，所述氧化剂通道通入的氧化剂为空气、氧气的体积浓度大于21％的富氧空气或纯氧气。 

在本发明的一个优选实施例中，所述原料气通道通入的原料是气态烃类原料或液态烃类原料。所述气态烃类原料为天然气、焦炉气或尾气。所述液态烃类原料为渣油、石脑油、柴油或重油。 

所述气化剂通入部件通入的气化剂为饱和蒸汽或过热水蒸气。 

所述原料气环形喷射口喷出液态烃类原料的流速为0.1m/s～30m/s。所述原料气环形喷射口喷出气态烃类原料为20m/s～330m/s。 

所述氧化剂环形喷射口喷出氧化剂的流速为10m/s～200m/s。 

在所述中间冷却水夹套和内冷却水夹套可根据具体工况不通入冷却介质。 

所述内冷却水夹套、中间冷却水夹套、外冷却水夹套通入的冷却介质压力应比工艺气压力高出0.3～1.0MPa。 

由于采用了如上的技术方案，本发明与现有POX烧嘴相比，主要有以下优点： 

1)混合燃烧效果好：本发明通过烧嘴头的结构设计，使得原料气和氧化剂快速混合，充分燃烧，有效减少不充分燃烧产物---碳黑的生成，同时提高原料气的转化率和合成气的收率。 

2)阻力降减小：由于在烧嘴头出口处通道流通截面积属于渐扩形式，相对于烧嘴头出口流通截面积渐缩的烧嘴来说，流体从烧嘴主体进入转化炉燃烧室的过程中增加了过渡段，可有效减小烧嘴的压降。 

3)烧嘴寿命延长：通过设置外、中、内三路水冷系统，利用冷却水的流动迅速将金属壁温降低；通过烧嘴头部结构设计，使得燃烧的火焰核心高温区离开烧嘴头部，使得烧嘴头得到有效的保护，延长烧嘴寿命。 

4)集成开车烧嘴：在内冷却水夹套的中心设置有开车烧嘴中心通道，在开车阶段，放置开车烧嘴，开车结束后拔出，即可以将开车烧嘴中心通道密封，无需再次安装工艺烧嘴，以避免传统设计在开车预热炉子后，安装工艺烧嘴带 来的公差及其密封问题。也可以通过插入气化剂通入部件，通入一定量的气化剂，使得开车烧嘴中心通道避免存在高温死区，延长了其使用寿命。 

5)总体结构紧凑、拆装方便：本发明内冷却水夹套、中间冷却水夹套、外冷却水夹套三者之间采用套接方式并采用可拆卸连接件进行连接的结构，使得安装、维护、更换烧嘴头都比较方便。 

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。 

图2为本发明实施例1的烧嘴头的结构示意图。 

图3为本发明实施例1的混合燃烧原理示意图。 

图4为本发明实施例2的烧嘴头的结构示意图。 

图5为本发明实施例2的混合燃烧原理示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来进一步详细阐述本发明。下面的实施例仅限于对本发明所要求保护的技术方案的说明，并不构成对本发明权利要求的限制。 

参见图1，图中所示的新型非催化部分氧化制合成气烧嘴包括内冷却水夹套100、中间冷却水夹套200和外冷却水夹套300，中间冷却水夹套200套在内冷却水夹套100外面并通过可拆卸连接件400与内冷却水夹套100连接，外冷却水夹套300套在中间冷却水夹套200外面并通过可拆卸连接件500与中间冷却水夹套100连接，安装时三者同轴设置，内冷却水夹套100、中间冷却水夹套200和外冷却水夹套300三者的底端形成多通道全冷却POX烧嘴的烧嘴头。本具体实施方式中的可拆卸连接件400、500为本领域技术人员所熟知，在此不再进行详细描述。内冷却水夹套100、中间冷却水夹套200和外冷却水夹套300都可以经由可拆连接件400、500拆开和安装，这样使得整个烧嘴结构紧凑，在进行烧嘴组装、维护、更换烧嘴头时非常方便，达成一种模块化设计结构。 

内冷却水夹套100与中间冷却水夹套200套接后，在内冷却水夹套100的外壁与中间冷却水夹套200的内壁之间设置有定距块(图中未示出)，一方面来 保证中间冷却水夹套200与内冷却水夹套100之间的同轴度，另一方面通过设置定距块(图中未示出)在内冷却水夹套100的外壁与中间冷却水夹套200的内壁之间形成一个环隙，该环隙构成一氧化剂通道600。 

外冷却水夹套300与中间冷却水夹套200套接后，在中间冷却水夹套200的外壁与外冷却水夹套300的内壁之间设置定距块(图中未示出)，一方面来保证外冷却水夹套300与中间冷却水夹套200之间的同轴度，另一方面通过设置定距块(图中未示出)在中间冷却水夹套200的外壁与外冷却水夹套300的内壁之间形成一个环隙，该环隙构成一原料气通道700。原料气通道700和氧化剂通道600位于烧嘴头的底端，分别形成原料气环形喷射口710和氧化剂环形喷射口610，原料气通道700和氧化剂通道600远离烧嘴头的一端分别通过可拆卸连接件500和可拆卸连接件400密封。原料气由原料气环形喷射口710喷出，氧化剂由氧化剂环形喷射口610喷出，喷出的原料气与喷出的氧化剂在烧嘴头底端进行预混合并在烧嘴头外部燃烧。另外通过调整定距块的厚度即可调节原料气通道700和氧化剂通道600的宽度。 

内冷却水夹套100的中心设置有开车烧嘴中心通道110，并且在内冷却水夹套100的外套壁上设置有与内冷却水夹套100内的冷却水腔贯通冷却水进、出口120、130，还在内冷却水夹套100顶端设置有用以安装开车烧嘴800的连接法兰140。开车时，在内冷却水夹套100的开车烧嘴中心通道110内插入开车烧嘴800，并通过设置在开车烧嘴800的连接法兰盖810与连接法兰140连接。开车结束后，拔出开车烧嘴800，插入气化剂通入部件(图中未示出)，通入一定量的气化剂，如饱和蒸汽或过热水蒸气，使得开车烧嘴中心通道110避免存在高温死区，延长了其使用寿命。 

在中间冷却水夹套200的外壁上设置有冷却水进、出口210、220和氧化剂入口230，其中冷却水进、出口210、220与中间冷却水夹套200内的冷却水腔贯通，氧化剂入口230与氧化剂通道600贯通。氧化剂从氧化剂入口230进入，流经氧化剂通道600后，从氧化剂环形喷射口610喷射出去。氧化剂可以为空气、氧气的体积浓度大于21％的富氧空气或纯氧气。氧化剂环形喷射口610喷出氧化剂的流速为10m/s～200m/s。 

在外冷却水夹套300的外壁上设置有冷却水进、出口310、320以及原料气 入口330，其中冷却水进、出口310、320与外冷却水夹套300内的冷却水腔贯通，原料气入口330与原料气通道700贯通。原料从原料气入口330进入，流经原料气通道700后，从原料气环形喷射口710喷射出去。本具体实施方式使用的原料可以是气态烃类原料，也可以是液态烃类原料。气态烃类原料为天然气、焦炉气或尾气。液态烃类原料为渣油、石脑油、柴油或重油。原料气环形喷射口710喷出液态烃类原料的流速为0.1m/s～30m/s，喷出气态烃类原料为20m/s～330m/s。 

为了将整个多通道全冷却POX烧嘴安装到转化炉上，在外冷却水夹套300的外壁上焊接有一法兰340，通过该法兰340以及一些紧固件就能将整个多通道全冷却POX烧嘴安装到转化炉上。同时为了起吊和安装整个多通道全冷却POX烧嘴，在外冷却水夹套300的外套壁上和中间冷却水夹套200的外套壁上分别设置有吊耳350、240，并在连接法兰盖810上设置有吊环820。 

结合参看图1、图2和图4，在外冷却水夹套300的冷却水腔内设置有将外冷却水夹套300内的冷却水腔分隔成进水通路360和出水通路370，进水通路360和出水通路370在外冷却水夹套300的底端连通。进水通路360位于外冷却水夹套300的冷却水腔的内侧，出水通路370位于外冷却水夹套300的冷却水腔的外侧。外冷却水夹套300的冷却水从冷却水进口310进入，自上而下由进水通路360流动，经过外冷却水夹套300的底端后改变水流方向，自下而上由出水通路370流动，由冷却水出口320出去。 

在中间冷却水夹套200的冷却水腔内设置有自上而下的进水通路250和自下而上的出水通路260，进水通路250和出水通路260在中间冷却水夹套200的冷却水腔位于中间冷却水夹套200底端的位置处连通。进水通路250位于中间冷却水夹套200的冷却水腔的外侧，出水通路260位于中间冷却水夹套200的冷却水腔的内侧。中间冷却水夹套200的冷却水从冷却水进口210进入，自上而下由进水通路250流动，经过中间冷却水夹套200的底端后改变水流方向，自下而上由出水通路260流动，由冷却水出口220出去。 

在内冷却水夹套100的冷却水腔内设置有将内冷却水夹套100内的冷却水腔分隔成自冷却水进口120向内冷却水夹套100的底端方向流动的进水通路150和自内冷却水夹套100的底端向冷却水出口130方向流动的出水通路160，进水 通路150和出水通路160在内冷却水夹套100的冷却水腔位于内冷却水夹套100底端的位置处连通。进水通路150位于内冷却水夹套100的冷却水腔的外侧，出水通路160位于内冷却水夹套100的冷却水腔的内侧。内冷却水夹套200的冷却水从冷却水进口120进入，自上而下由进水通路150流动，经过内冷却水夹套100的冷却水腔位于内冷却水夹套100底端的位置处后改变水流方向，自下而上由出水通路160流动，由冷却水出口130出去。 

采用内冷却水夹套100、中间冷却水夹套200和外冷却水夹套300形成的水冷却系统，使得原料气和氧化剂在烧嘴头进行混合燃烧时，接触高温的区域以及潜在高温的区域，都被流动的冷却水带走热量迅速冷却，避免金属受到高温产生的各种腐蚀和损坏，延长了烧嘴的寿命。 

烧嘴头的结构作为整个烧嘴性能好坏和寿命长短的核心部件，也是本发明的重要组成。下面通过两个实施例来详细说明本发明的烧嘴头结构。 

实施例1 

参见图2，在氧化剂通道600内的下部设置有一环形旋流分布器620，该环形旋流分布器620为叶片式旋流分布器。环形旋流分布器620靠近氧化剂环形喷射口610那一侧的端面621与外冷却水夹套300底端的端面380之间的距离设定为h3。 

内冷却水夹套100底端的外壁101由外向里逐渐内缩至内壁102，以此形成一环斜面103。该环斜面103与内冷却水夹套100的轴线之间的夹角设定为α4。中间冷却水夹套200底端的内壁201通过内圆倒角R1与中间冷却水夹套200底端的端面270过渡连接。该实施例中的原料气环形喷射口710为宽度小于原料气通道700的宽度，形成一渐缩的原料气环形喷射口，而且外冷却水夹套300底端的内壁301由里向外逐渐扩大，形成一喇叭口，喇叭口的中心夹角设定为2α1。中间冷却水夹套200底端的端面270与外冷却水夹套300底端的端面380之间的空间形成氧化剂与原料气两股流体预混合腔体，预混合的腔体的高度值设定为h2。 

参见图3，原料气701从原料气通道700通过，经过渐缩的原料气环形喷射口710喷射出去；氧化剂601流体从氧化剂通道600通过，经过环形旋流分布器620旋流后，由氧化剂环形喷射口610扩散出去；由于中间冷却水夹套200 底端的内径201通过内圆角R1与中间冷却水夹套200底端的端面270过渡连接，使得氧化剂601流体扩散后流向从原料气环形喷射口710喷射出来的原料气701，在预混合的腔体内进行预混合。经过预混合后流体流出预混合腔体后，被加热燃烧，产生火焰。火焰的核心高温区脱离烧嘴头一定的距离，烧嘴头近火焰区域的端部金属，被内冷却水夹套100、中间冷却水夹套200和外冷却水夹套300形成的水冷却系统快速冷却，避免金属因高温产生的腐蚀和损坏。 

本实施例烧嘴头中的外冷却水夹套300底端的喇叭口的中心夹角2α1、中间冷却水夹套200底端的内径201与中间冷却水夹套200底端的端面270过渡连接的内圆角R1、预混合腔体的高度值h2、环形旋流分布器620靠近氧化剂环形喷射口610那一侧的端面621与外冷却水夹套300底端的端面380之间的距离h3、环斜面103与内冷却水夹套100的轴线之间的夹角α4、原料气环形喷射口710的宽度和氧化剂环形喷射口610的宽度这些结构参数影响了原料气和氧化剂的混合以及燃烧的效果。 

h2的高度形成的空间是两股流体预混合腔体，h2太大的话，存在预混合腔体接触高温而引燃的风险，当然h2太小的话，达不到预混合的效果，会对燃烧的效果造成影响。因此本实施例将h2设定为0mm～100mm。将中心夹角2α1设定在0°～60°之间。 

为了使氧化剂流体经过旋流器旋流分布，达到扩散的效果，h3太大则无法有效地扩散氧化剂，而h3太小导致经过旋流出来的氧化剂流动的方向和速度比较混乱。为此本实施例将h3控制在60mm～280mm内。 

同时，氧化剂扩散的效果也与α4、R1有关，内圆倒角R1起到引导氧化剂流体方向的作用，将氧化剂601流体引导进入预混合的腔体，并流向经过原料气环形喷射口710喷射出来的原料气701，进行预混合，一般而言，R1的大小设置，结合α1角度设置，应使得两股流体流动方向趋向平行但有一定的交角，使得两者能预混合。为此，本实施例将α4设定在20°～80°之间，R1设定在10mm～40mm之间。 

图3即是旋流器烧嘴头两种流体流动混合燃烧的示意图，通过相关模拟分析，可以得到良好的混合、燃烧效果，避免炭黑生成，同时有高效的原料气转化效率。 

实施例2 

参见图4，内冷却水夹套100底端的外壁101由里向外逐渐扩大至与内冷却水夹套100底端的端面170交汇，形成一环斜面180，该环斜面180与内冷却水夹套100的轴线之间的夹角设定为α3。内冷却水夹套100底端的内壁102通过内圆倒角R2与内冷却水夹套100底端的端面170过渡连接。中间冷却水夹套底端200的内壁201由里向外逐渐扩大形成一环斜面203，环斜面203通过内圆倒角R1与中间冷却水夹套200底端的端面270过渡连接，使氧化剂环形喷射口610形成一喇叭型氧化剂环形喷射口。 

该实施例中的原料气环形喷射口710为宽度小于原料气通道700的宽度，形成一渐缩的原料气环形喷射口，而且外冷却水夹套300底端的内径301由里向外逐渐扩大，形成一喇叭口，喇叭口的中心夹角设定为2α1。中间冷却水夹套200底端的端面270与外冷却水夹套300底端的端面380之间的空间形成氧化剂与原料气两股流体预混合的腔体，预混合腔体的高度值设定为h2。 

内冷却水夹套100底端的端面170与外冷却水夹套300底端的端面380之间的距离设定为h1。 

参见图5，原料气701从原料气通道700通过，经过渐缩的原料气环形喷射口710喷射出去；氧化剂601流体从氧化剂通道600通过，由氧化剂环形喷射口610扩散出去；两股流体在预混合的腔体内进行预混合。经过预混合后流体流出预混合腔体后，被加热燃烧，产生火焰。火焰的核心高温区脱离烧嘴头一定的距离，烧嘴头近火焰区域的端部金属，被内冷却水夹套100、中间冷却水夹套200和外冷却水夹套300形成的水冷却系统快速冷却，避免金属因高温产生的腐蚀和损坏。 

本实施例烧嘴头中的外冷却水夹套300底端的喇叭口的中心夹角2α1、中间冷却水夹套200底端的内径201与中间冷却水夹套200底端的端面270过渡连接的环斜面203与中间冷却水夹套200的轴线之间的夹角α2、环斜面203与中间冷却水夹套200底端的端面270过渡连接内圆倒角R1、预混合腔体的高度值h2、内冷却水夹套100底端的端面170与外冷却水夹套300底端的端面380之间的距离h1、内冷却水夹套100底端的外径101由里向外逐渐扩大至内冷却水夹套100底端的端面170交汇形成的环斜面180与内冷却水夹套100的轴线之 间的夹角α3、内冷却水夹套100底端的内径102与内冷却水夹套100底端的端面170过渡连接的内圆倒角R2、原料气环形喷射口710的宽度和氧化剂环形喷射口610的宽度这些结构参数影响了原料气和氧化剂的混合以及燃烧的效果。 

h2的高度形成的空间是两股流体预混合腔体，h2太大的话，存在在预混合腔体接触高温而引燃的风险，当然h2太小的话，达不到预混合的效果，会对燃烧的效果照成影响。因此本实施例将h2设定为0mm～100mm。将中心夹角2α1设定在0°～60°之间。 

一般而言，h1大于等于h2，通过调整h1与h2之间的高度差，可以控制混合燃烧的效果以及火焰的形态，因此本实施例将h1设定在10mm～130mm之间，h2设定在0mm～100mm之间。 

同时，氧化剂扩散的效果也与α2、α3、R1、R2有关，α2，α3，R1、R2起到引导氧化剂601流体方向的作用，将氧化剂601流体引导进入预混合腔体，并喷向经过原料气环形喷射口710喷射出来的原料气701，进行预混合，一般而言，α2，α3所形成的喇叭形通道，起到分布器的作用，应使得两股流体流动方向趋向平行但有一定的交角，使得两者能预混合。为此，本实施例将α2设定在10°～65°之间，α3设定在5°～60°之间，R1设定在10mm～30mm之间，R2设定在10mm～30mm之间。 

图5即是旋流器烧嘴头两种流体流动混合燃烧的示意图，通过相关模拟分析，可以得到良好的混合、燃烧效果，避免炭黑生成，同时有高效的原料气转化效率。 

本发明的新型非催化部分氧化制合成气烧嘴工艺气压力为0.3MPa～9.0MPa，内冷却水夹套100、中间冷却水夹套200、外冷却水夹套300通入的冷却介质的压力应比工艺气压力高0.3～1.0Mpa，以避免发生意外时转化炉内高温气体外泄。 

本发明的中间冷却水夹套200和内冷却水夹套100可根据具体工况进行修订，包括取消该中间冷却水夹套200和内冷却水夹套100内的冷却介质等。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。 

Claims (31)

1.一种非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，由同轴设置在内冷却水夹套、中间冷却水夹套和外冷却水夹套构成，其中所述外冷却水夹套套在所述中间冷却水夹套上，所述中间冷却水夹套套在所述内冷却水夹套上；所述内冷却水夹套其中心具有一在开车时用以放置开车烧嘴的中心通道，在所述内冷却水夹套的外径与所述中间冷却水夹套的内径之间设置有氧化剂通道，在所述中间冷却水夹套的外径与所述外冷却水夹套的内径之间设置有原料气通道；所述内冷却水夹套、中间冷却水夹套和外冷却水夹套三者的底端形成多通道全冷却POX烧嘴的烧嘴头，所述原料气通道和氧化剂通道位于所述烧嘴头的一端开口，分别形成原料气环形喷射口和氧化剂环形喷射口，所述原料气由所述原料气环形喷射口喷出，所述氧化剂由所述氧化剂环形喷射口喷出，喷出的原料气与喷出的氧化剂在所述烧嘴头处进行预混合并在烧嘴头外部燃烧。

2.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述外冷却水夹套通过可拆卸连接件安装在所述中间冷却水夹套上，所述中间冷却水夹套通过可拆卸连接件安装在所述内冷却水夹套上。

3.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述外冷却水夹套的外套壁上设置有用以安装整个多通道全冷却POX烧嘴的法兰和第一冷却水进、出口以及原料气入口，其中所述第一冷却水进、出口与所述外冷却水夹套内的冷却水腔贯通，所述原料气入口穿过所述外冷却水夹套内的冷却水腔与所述原料气通道贯通。

4.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述中间冷却水夹套的外套壁上设置有第二冷却水进、出口和氧化剂入口，其中所述第二冷却水进、出口与所述中间冷却水夹套内的冷却水腔贯通，所述氧化剂入口穿过所述中间冷却水夹套内的冷却水腔与所述氧化剂通道贯通。

5.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述内冷却水夹套的外套壁上设置有第三冷却水进、出口，并在所述内冷却水夹套远离内冷却水夹套底端的一端端部设置有用以安装开车烧嘴的连接法兰，开车时，在所述内冷却水夹套的中心通道内插入开车烧嘴，并通过紧固件使设置在所述开车烧嘴远离烧嘴头一端的连接法兰盖与所述连接法兰连接，开车结束后，拔出开车烧嘴，插入气化剂通入部件；所述第三冷却水进、出口与所述内冷却水夹套内的冷却水腔贯通。

6.如权利要求3所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述外冷却水夹套的冷却水腔内设置有将所述外冷却水夹套内的冷却水腔分隔成自所述第一冷却水进口向所述外冷却水夹套的底端方向流动的第一进水通路和自所述外冷却水夹套的底端向所述第一冷却水出口方向流动的第一出水通路，所述第一进水通路和第一出水通路在所述外冷却水夹套的冷却水腔底端处连通。

7.如权利要求6所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述第一进水通路位于所述外冷却水夹套的冷却水腔的内侧，所述第一出水通路位于所述外冷却水夹套的冷却水腔的外侧。

8.如权利要求4所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述中间冷却水夹套的冷却水腔内设置有将所述中间冷却水夹套内的冷却水腔分隔成自所述第二冷却水进口向所述中间冷却水夹套的底端方向流动的第二进水通路和自所述中间冷却水夹套的底端向所述第二冷却水出口方向流动的第二出水通路，所述第二进水通路和第二出水通路在所述中间冷却水夹套的冷却水腔底端连通。

9.如权利要求8所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述第二进水通路位于所述中间冷却水夹套的冷却水腔的外侧，所述第二出水通路位于所述中间冷却水夹套的冷却水腔的内侧。

10.如权利要求5所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述内冷却水夹套的冷却水腔内设置有将所述内冷却水夹套内的冷却水腔分隔成自所述第三冷却水进口向所述内冷却水夹套的底端方向流动的第三进水通路和自所述内冷却水夹套的底端向所述第三冷却水出口方向流动的第三出水通路，所述第三进水通路和第三出水通路在所述内冷却水夹套的冷却水腔底端连通。

11.如权利要求10所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述第三进水通路位于所述内冷却水夹套的冷却水腔的外侧，所述第三出水通路位于所述内冷却水夹套的冷却水腔的内侧。

12.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述原料气通道内设置有与所述外冷却水夹套的内径和中间冷却水夹套的外径接触的第一定距块，在所述氧化剂通道内设置有与所述中间冷却水夹套的内壁和内冷却水夹套的外壁接触的第二定距块，通过调整第一、第二定距块的厚度即可调节原料气通道和氧化剂通道的宽度。

13.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述原料气环形喷射口宽度小于原料气通道的宽度。

14.如权利要求1至13任一项权利要求所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述外冷却水夹套底端的内径由里向外逐渐扩大，形成一喇叭口，所述喇叭口的中心夹角为大于0°而小于等于60°。

15.如权利要求14所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述中间冷却水夹套底端的内径通过第一内圆倒角与中间冷却水夹套底端的端面过渡连接，所述内圆倒角的半径为10mm～40mm。

16.如权利要求15所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述氧化剂通道内的下部设置有一环形旋流分布器，所述环形旋流分布器靠近所述氧化剂环形喷射口那一侧的端面与所述外冷却水夹套底端的端面之间的距离为60mm～280mm；所述中间冷却水夹套底端的端部与所述外冷却水夹套底端的端面之间的距离为0mm～100mm。

17.如权利要求16所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述内冷却水夹套底端的外壁由外向里逐渐内缩至内壁。

18.如权利要求17所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述内冷却水夹套底端的外壁由外向里逐渐内缩至内壁形成的环斜面与所述内冷却水夹套的轴线之间的夹角为20°～80°。

19.如权利要求14所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述氧化剂环形喷射口为一喇叭型氧化剂环形喷射口。

20.如权利要求19所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述中间冷却水夹套底端的内径由里向外逐渐扩大形成一第二环形面，该第二环形面并通过一第二内圆倒角与所述中间冷却水夹套底端的端面过渡连接，所述第二环斜面与所述中间冷却水夹套的轴线之间的夹角为10°～65°，所述第二内圆倒角的半径为10mm～30mm；所述内冷却水夹套底端的外径由里向外逐渐扩大至内冷却水夹套底端的端面形成一第三环斜面，所述第三环斜面与所述内冷却水夹套的轴线之间的夹角为5°～60°，所述内冷却水夹套底端的内径通过一第三内圆倒角与所述内冷却水夹套底端的端面过渡连接，所述第三内圆倒角的半径为10mm～30mm。

21.如权利要求20所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述内冷却水夹套底端的端面与所述外冷却水夹套底端的端面之间的距离为10mm～130mm；所述中间冷却水夹套底端的端面与所述外冷却水夹套底端的端面之间的距离为0mm～100mm。

22.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述氧化剂通道通入的氧化剂为空气、氧气的体积浓度大于21%的富氧空气或纯氧气。

23.如权利要求22所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述氧化剂环形喷射口喷出氧化剂的流速为10m/s～200m/s。

24.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述原料气通道通入的原料是气态烃类原料或液态烃类原料。

25.如权利要求24所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述气态烃类原料为天然气、焦炉气或尾气。

26.如权利要求24所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述液态烃类原料为渣油、石脑油、柴油或重油。

27.如权利要求24所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述原料气环形喷射口喷出液态烃类原料的流速为0.1m/s～30m/s。

28.如权利要求24所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述原料气环形喷射口喷出气态烃类原料为20m/s～330m/s。

29.如权利要求5所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述气化剂通入部件通入的气化剂为饱和蒸汽或过热水蒸气。

30.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，在所述中间冷却水夹套和内冷却水夹套可根据具体工况不通入冷却介质。

31.如权利要求1所述的非催化部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于，所述内冷却水夹套、中间冷却水夹套、外冷却水夹套通入的冷却介质压力应比工艺气压力高出0.3～1.0MPa。

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