CN102492479B - 一种三通道浆体燃料气化烧嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三通道浆体燃料气化烧嘴，包括同轴的外环通道喷管，中环通道喷管、中心通道喷管、外环喷头、中环喷头和中心喷头，浆体燃料从中环通道进入气化炉，气化剂分两部分从中心通道和外环通道进入气化炉，中心喷头侧面上布置有侧面气化剂喷孔，气化剂可沿侧面气化剂喷孔从中心通道进入中环通道，中心喷头的端面上布置有端面气化剂喷孔。气化剂在中心喷头处被分成多股物流，分别从中心喷头的侧面气化剂喷孔和端面气化剂喷孔喷出，从侧面气化剂喷孔喷出的气化剂在烧嘴头部内侧即与中环通道的浆体燃料接触，浆体燃料在烧嘴出口区域又与中心通道、外环通道的气化剂一起混合，达到了尚佳的雾化效果。
Description
技术领域
本发明涉及浆体燃料雾化装置，尤其是一种三通道浆体燃料气化烧嘴。
背景技术
煤等含碳燃料的清洁高效利用已逐渐成为当今能源利用的重要课题。燃料气化制合成气可为现代化工生产、联合循环发电(简称IGCC发电)、煤间接液化以及煤制氢等系统提供龙头技术。目前，煤等含碳燃料的气化制合成气技术通常分为两类，一类是浆体气化技术，另一种是干粉固体气化技术，现有国内外应用最广的是浆体气化技术。作为气化的关键部件之一，烧嘴技术的发展直接决定了浆体气化技术的运行稳定性和可靠性，烧嘴技术的落后严重制约了生产效率的提高。
由于气化炉内反应温度高达1400℃，烧嘴结构设计不当，将会烧蚀其头部，烧蚀气化炉内壁，产生严重后果。当烧嘴对浆体燃料的雾化不够充分时，将影响燃料的碳转化率，降低合成气有效气体组分含量。当烧嘴头部设计不合理时可能引起烧嘴头部壁面材料的磨蚀，影响其使用寿命。已有的专利技术如美国专利4736693、4858538、4443228和中国专利89104265等均采用中心喷管为直管式结构的烧嘴，共同的缺点是物料在喷入反应器之前缺少加速过程，离开烧嘴的速度低，雾化效果欠佳，且易于烧蚀烧嘴。美国专利3743606、3705108、4443230等采用中心管前端缩口的结构来提高物流速度，中心喷管出口物流速度提高，使烧嘴雾化效果增强，但速度提高后将使烧嘴头部磨蚀加速，影响了喷嘴的使用寿命。且对于单喷嘴顶置式气化炉，顶部喷嘴出口物料流速过大将直接影响物料在气化炉内的停留时间，从而影响整体碳转化率。美国专利6228224采用四通道烧嘴结构，以提高烧嘴的雾化效果，但如此将使烧嘴结构更加复杂，加工维护难度增加。另外，以上提及的专利在烧嘴断面大都未采用耐高温防磨涂层保护烧嘴端面材料，由于烧嘴喷孔附近温度高达1400℃及以上，虽然采用了端面冷却水冷却，但难以避免喷嘴头部的烧蚀和磨损等恶劣工况的出现。
综上所述，解决浆体燃料的高效雾化、烧嘴头部防磨损和烧嘴头部冷却等问题，是提高目前烧嘴使用性能的关键所在。因此，开发先进的长寿命高效雾化气化烧嘴是提高我国浆体燃料气化技术可靠性的关键技术途径之一。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种不以增加烧嘴中心通道和外环通道气化剂流速为代价，就可达到气化剂与燃料着火前预混的效果的三通道浆体燃料气化烧嘴。
本发明的构思是采用三通道结构设计，对中心通道喷管头部进行结构设计，其燃料雾化性能的提高建立在喷管结构设计优化的基础上，而不是纯粹的提高喷管内或喷管出口物料流速。如此可避免物料流速的提高而对烧嘴管壁材料的磨蚀增加。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种三通道浆体燃料气化烧嘴，包括同轴的外环通道喷管，中环通道喷管、中心通道喷管、外环喷头、中环喷头和中心喷头，外环喷头、中环喷头和中心喷头分别为一个截头的锥管，中环喷头套在中心喷头外面，外环喷头又套在中环喷头外面；外环喷头的大端与喷嘴外环通道喷管相连，中环喷头的大端与喷嘴的中环通道喷管相连接，中心喷头的大端与喷嘴的中心通道喷管相连接；中环喷头与外环喷头之间设有间隙，构成烧嘴的外环通道，中环喷头与中心喷头之间设有间隙，构成烧嘴的中环通道，中心喷头和中心通道喷管构成中心通道；浆体燃料从中环通道进入气化炉，气化剂分两部分从中心通道和外环通道进入气化炉；中心喷头侧面上布置有侧面气化剂喷孔，气化剂可沿侧面气化剂喷孔从中心通道进入中环通道，中心喷头的端面上布置有端面气化剂喷孔。
本发明的三通道浆体燃料气化烧嘴，可使气化剂分两部分进入烧嘴，一部分从中心通道进入，另一部分通过外环通道进入。燃料从中环通道进入烧嘴。中心通道的气化剂在中心喷头处被分成多股物流，分别从中心喷头的侧面气化剂喷孔和端面气化剂喷孔喷出，中心喷头的侧面气化剂喷孔喷出的气化剂在烧嘴头部内侧即与中环通道的浆体燃料充分接触，预混的浆体燃料然后在烧嘴头部出口区域继续与中心通道端面的气化剂、外环通道的气化剂一起混合，在中心通道多股气化剂射流预混的作用下，加之外环通道气化剂流股的剪切作用，结合了预混破碎和预膜雾化两种机理，浆体燃料达到了尚佳的雾化效果。
在外环喷头外侧设有冷却水夹套，冷却水夹套由烧嘴出口端面包围外环喷头构成。冷却水夹套连接有冷却盘管，冷却盘管盘绕在外环通道喷管的外壁上。在外环喷头外部设置的冷却水夹套用于冷却外环喷头，冷却盘管用于冷却外环通道喷管，冷却水夹套和冷却盘管构成烧嘴的冷却系统。
烧嘴出口端面上设有一耐高温防磨涂层，耐高温防磨涂层采用“T”字形抓钉连接覆盖于烧嘴出口端面上。烧嘴出口端面的耐高温防磨涂层可使端面热传导性能降低，降低烧嘴端面金属壁面的温度，减少热应力，也避免了灰渣颗粒直接对烧嘴端面金属壁的冲蚀作用，延长了烧嘴的使用寿命。
本发明所述的气化烧嘴相比于现有技术的显著优点在于：
1) 本发明所述的气化烧嘴采用三通道结构设计，盘管式水冷却系统，烧嘴总体结构简单，制作维护方便。可用于水煤浆、油焦浆、渣油、生物质类与煤共成浆等浆体燃料的气化制合成气工艺，用途广泛；
2) 本发明所述的气化烧嘴在中心喷头端面和侧面设置了多个气化剂出口，可达到气化剂与燃料着火前预混的效果，且不以增加烧嘴中心通道和外环通道气化剂流速为代价，避开了高速流动固体颗粒对烧嘴壁面造成磨损的缺点；
3) 本发明所述的气化烧嘴结合了预膜式烧嘴和预混式烧嘴的特点，对浆体燃料的雾化更加充分，有助于提高气化系统的碳转化率，从而提高整体气化效率；
4) 本发明所述烧嘴在烧嘴出口端面设置耐高温防磨涂层，有助于避开冷却水夹套端面与高温火焰的直接接触，降低了烧嘴出口处冷却水夹套的金属壁的温度，降低了烧嘴冷却水系统温度，避免高速运动灰渣颗粒对烧嘴出口端面的直接冲刷，延长了烧嘴的使用寿命。
附图说明
图1是本烧嘴的轴截面结构示意图；
图2是本烧嘴的中心喷头侧面开孔布置截面示意图(共一层4个喷孔)；
图3是本烧嘴的中心喷头端面开孔布置示意图(共13个喷孔)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明不局限于以下的实施例。
图1~3是本发明三通道浆体燃料气化烧嘴的内部结构示意图。所述的烧嘴包括外环通道喷管1，中环通道喷管2，中心通道喷管3，外环喷头4，中环喷头5，中心喷头6，外环通道7，中环通道8，中心通道9，中心喷头的端面气化剂喷孔10，中心喷头的侧面气化剂喷孔11，中心喷头端面12，冷却水系统入口管13，冷却盘管（也称蛇形管）14，外环通道喷管与中环通道喷管间的固定凸缘15，中心通道喷管3与中环通道喷管2间的固定凸缘16，烧嘴出口端面17，烧嘴出口头部冷却水夹套18，烧嘴出口头部冷却水夹套出口19，烧嘴出口头部冷却水夹套入口20，烧嘴出口头部冷却水夹套外侧壁21，烧嘴出口22，烧嘴出口端面耐高温防磨涂层23，耐高温防磨涂层“T”字形抓钉24。
本发明所述的气化烧嘴为了保护烧嘴，在外环喷头4外侧设有冷却水夹套18和与冷却室相连通的冷却盘管14，冷却液由入口管13流入冷却水夹套18，由冷却水夹套出口19排出进入冷却盘管14，盘绕烧嘴外喷管外壁1。
本发明所述的气化烧嘴外环喷头、中环喷头和中心喷头分别为一个截头的锥管，锥管设计的目的是让物料在喷口处得到提速，增强混合，提高雾化效果，因此每个物料喷口通道都设计了一合适的角度范围，以达到较佳的雾化效果和理想的射流流场。本发明所述的气化烧嘴中心喷头6的内收缩半角θ为15~60°，其外侧倾角δ为30~75°，侧面气化剂喷孔11的方向与水平面的夹角τ为45~90°，侧面气化剂喷孔11沿中心喷头6侧面圆弧均匀布置，可设1~3层，每层2~8个喷孔，开孔直径为1~40mm；中心喷头6出口端面开有1~5个孔，在端面均匀布置，开孔直径为1~40mm；中环喷头5的内收缩半角σ为0~70°，其外侧倾角α为20~90°；外环喷头4的内收缩半角ε为20~75°。
本发明所述的气化烧嘴的中心喷头6与中环喷头5的出口端面距离为0~40mm。所述的中环喷头5与外环喷头4的出口端面距离为0~50mm。
实施例1
若以某2000t/d单喷嘴顶置式水煤浆气化炉为例，本发明所述的气化烧嘴中心喷头6的内收缩半角θ为30°，其外侧倾角δ为60°，中心喷头6的侧面气化剂喷孔11为1层，共6个孔，喷孔方向与水平面夹角τ为75°，喷孔直径5mm；出口端面12开孔7个，喷孔直径5mm。
气化烧嘴中环喷头5的内收缩半角σ为30°，其外侧倾角α为60°。外环喷头4的内收缩半角ε为45°。
气化烧嘴的中心喷头6与中环喷头5的出口端面距离为25mm。中环喷头5与外环喷头4的出口端面距离为10mm。
将以固含量为61%(wt%)的水煤浆为燃料，以99.8%的氧气为气化剂。气化剂分别通过中心通道9和外环通道7进入烧嘴，水煤浆通过中环通道8经中环喷头5增速的同时与中心喷头6的侧面气化剂喷孔11的氧气预混合，然后在烧嘴的出口处22与中心喷头6前端氧气以及外环喷头4的氧气进行混合雾化后进入气化炉，并在烧嘴出口处22进行部分氧化燃烧反应。气化后的产物经测定，其碳转化率达98.5%，合成气中有效气组分(CO+H2)含量约为84%(Vol%)。
本发明所述的气化烧嘴结合了预膜式烧嘴和预混式烧嘴的优点，又改进了两种烧嘴的缺点，即延长了烧嘴的使用寿命，增强了雾化效果和气化反应效率，提高了碳转化率，降低了燃料和气化剂的消耗，是一种先进的新型、高效气化烧嘴。
Claims (10)
1.一种三通道浆体燃料气化烧嘴，包括同轴的外环通道喷管（1），中环通道喷管（2）、中心通道喷管（3）、外环喷头（4）、中环喷头（5）和中心喷头（6），所述外环喷头（4）、中环喷头（5）和中心喷头（6）分别为一个截头的锥管，中环喷头（5）套在中心喷头（6）外面，外环喷头（4）又套在中环喷头（5）外面；外环喷头（4）的大端与外环通道喷管（1）相连，中环喷头（5）的大端与喷嘴的中环通道喷管（2）相连接，中心喷头（6）的大端与中心通道喷管（3）相连接；中环喷头（5）与外环喷头（4）之间设有间隙，构成烧嘴的外环通道（7），中环喷头（5）与中心喷头（6）之间设有间隙，构成烧嘴的中环通道（8），中心喷头（6）和中心通道喷管（3）构成中心通道（9）；浆体燃料从中环通道（8）进入气化炉，气化剂分两部分从中心通道（9）和外环通道（7）进入气化炉，对浆体燃料进行内外包夹气化，其特征在于，中心喷头（6）侧面上布置有侧面气化剂喷孔（11），气化剂可沿侧面气化剂喷孔（11）从中心通道（9）进入中环通道（8），所述中心喷头（6）的端面（12）上布置有端面气化剂喷孔（10）；所述侧面气化剂喷孔（11）的方向与水平面的夹角τ为45~90°。
2.根据权利要求1所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，在外环喷头（4）外侧设有冷却水夹套（18），所述冷却水夹套（18）由烧嘴出口端面（17）包围外环喷头（4）构成。
3.根据权利要求2所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，所述冷却水夹套（18）连接有冷却盘管（14），所述冷却盘管（14）盘绕在外环通道喷管（1）的外壁上。
4.根据权利要求2所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，所述烧嘴出口端面（17）上设有一耐高温防磨涂层（23），所述耐高温防磨涂层（23）采用“T”字形抓钉（24）连接覆盖于烧嘴出口端面（17）。
5.根据权利要求1所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，所述中心喷头（6）为一个具有内缩半角θ和外侧倾角δ的锥管，所述中环喷头（5）为一个具有内缩半角σ和外侧倾角α的锥管，所述外环喷头（4）为一个具有内缩半角ε的锥管。
6.根据权利要求5所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，所述中心喷头（6）的内收缩半角θ为15~60°，其外侧倾角δ为30~75°。
7.根据权利要求5所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，所述中环喷头（5）的内收缩半角σ为0~70°，其外侧倾角α为20~90°。
8.根据权利要求5所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，所述外环喷头（4）的内收缩半角ε为20~75°。
9.根据权利要求1所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，侧面气化剂喷孔（11）沿中心喷头（6）侧面圆弧均匀布置，可设1~3层，每层2~8个喷孔，开孔直径为1~40mm；所述端面气化剂喷孔（10）在中心喷头（6）出口端面上均匀布置1~5个，开孔直径为1~40mm。
10.根据权利要求1所述的三通道浆体燃料气化烧嘴，其特征在于，所述中心喷头（6）与中环喷头（5）的出口端面距离为0~40mm；所述中环喷头（5）与外环喷头（4）的出口端面距离为0~50mm。
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