CN102583243A

CN102583243A - 用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴

Info

Publication number: CN102583243A
Application number: CN2012100543719A
Authority: CN
Inventors: 倪建军; 张建文; 乌晓江; 郑路
Original assignee: Shanghai Boiler Works Co Ltd
Current assignee: Shanghai Boiler Works Co Ltd
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: CN102583243B

Abstract

本发明公开了一种用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其包括一三通道主体和一冷却系统，其中，所述三通道主体由内向外依次包括一由一中心喷管形成的中心通道、一由一中环喷管形成的中环通道，以及一由外环喷管形成的外环通道，所述中心通道内设有一使得气化剂形成旋转射流的旋流器，浆体燃料从所述中环通道进入所述气化烧嘴，气化剂分成两路，一路从所述中心通道经过所述旋流器进入所述气化烧嘴，另一路从所述外环通道进入所述气化烧嘴。本发明所述的气化烧嘴采用内旋式三通道结构设计和组合式冷却系统。气化烧嘴的总体结构简单，制作维护方便，并且可用于浆体燃料的气化制合成气工艺，用途广泛。

Description

用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴

技术领域

本发明涉及一种制合成气的气化烧嘴，特别是涉及一种用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴。

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)以及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，一类是浆体燃料气化技术，另一种是干粉固体燃料气化技术，现有国内外应用最广的是浆体燃料气化技术。而且，作为气化系统的关键设备之一，气化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，气化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℃，烧嘴射流火焰的温度甚至超过2000℃。因此，气化烧嘴的结构设计不当，将会烧蚀其头部，烧蚀反应器内壁，产生严重后果。当气化烧嘴对浆体燃料的雾化不够充分时将会影响燃料的碳转化率，并降低合成气有效气体组分的含量。当气化烧嘴头部的设计不合理时，可能引起气化烧嘴头部壁面材料的磨蚀，影响其使用寿命。

在现有专利中，如美国专利US 4736693、US 4858538、US 4443228和中国专利CN 89104265等，均采用中心喷管为单一直管式结构设计。其共同的缺点是物料在喷入气化炉之前缺少了加速过程，离开烧嘴的速度低，直流雾化的效果差。美国专利US 3743606、US 3705108、US 4443230等采用了在中心管前端缩口的结构来提高物流速度，可以提高中心喷管出口的物流速度，增强烧嘴的雾化效果。但当速度提高后，将使气化烧嘴头部的磨蚀加重，影响了烧嘴的使用寿命。对于单烧嘴顶置式气化炉，顶部气化烧嘴的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US 6228224中采用了四通道的气化烧嘴结构，以提高烧嘴的雾化效果，但如此会使烧嘴结构更加复杂，增加了加工维护的难度。

在中国专利CN 95111750中，在中心通道和外环气化剂通道中分别加设了旋流器，强烈的双旋流雾化将使射流区扩大，射流长度难以调节和控制，燃料发生瞬间气化反应，形成发散式扩散火焰。当火焰高温区向气化烧嘴头部靠近时，气化烧嘴受高温烧蚀的问题比较突出，且其采用单一的盘管式冷却系统，冷却效果欠佳，冷却系统头部易被烧蚀，从而发生冷却液泄漏导致烧嘴使用寿命受到严重制约。

从烧嘴的冷却系统角度分析，现有浆体燃料气化系统应用的烧嘴冷却系统基本上都采用单一的盘管式冷却方式。其主要缺点是烧嘴头部冷却系统采用单通道冷却液绕流，容易产生冷却不均，传热效果较差，从而导致烧嘴头部材料被烧蚀损坏，甚至出现冷却液泄漏等问题。

综上所述，解决浆体燃料的高效雾化和烧嘴头部冷却等问题，是提高目前浆体燃料气化烧嘴的整体性能的关键所在。因此，开发出雾化效果优良、长寿命的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

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中用浆体燃料制合成气的气化烧嘴雾化效果差，且烧嘴头部冷却效果欠佳的缺陷，提供一种用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其包括一三通道主体和一冷却系统，其中，所述三通道主体由内向外依次包括一由一中心喷管形成的中心通道、一由一中环喷管形成的中环通道，以及一由外环喷管形成的外环通道，其特点在于：

所述中心通道内设有一使得气化剂形成旋转射流的旋流器，浆体燃料从所述中环通道进入所述气化烧嘴，气化剂分成两路，一路从所述中心通道经过所述旋流器进入所述气化烧嘴，另一路从所述外环通道进入所述气化烧嘴。

此处，当中心喷管内加设旋流器时，在雾化剂(气相)相同入口流速条件下，通过内置旋流器的旋流作用，提高了气化剂的旋流流速，增大了气化烧嘴的雾化角度。这样可以有效地促进气液两相的快速混合，雾化效果将明显提高。

较佳地，所述冷却系统包括一包覆于所述气化烧嘴外侧的冷却夹套，及一螺旋式环绕在所述冷却夹套外侧的冷却盘管；

所述冷却夹套包括一设于所述外环喷管的外侧的夹套式冷却室和一设置在所述气化烧嘴的头部的旋流式冷却空腔；所述旋流式冷却空腔通过一开口与所述夹套式冷却室连通形成回路。

较佳地，所述旋流式冷却空腔中设有一螺旋状金属隔板，将所述旋流式冷却空腔分隔成内环冷却流道和外环冷却流道，所述外环冷却流道通过一切口与所述冷却盘管连通。

本发明采用了冷却夹套和冷却盘管两种冷却方法相结合的设计对气化烧嘴进行冷却，尤其是在气化烧嘴的头部采用带有环形通道的旋流式冷却空腔，冷却空腔分别与夹套式冷却室和冷却盘管连通。同时，在所述冷却空腔内设置的一道螺旋状金属隔板将使冷却液在空腔内形成环形流动，并与冷却盘管和夹套式冷却室形成回路。其中，冷却空腔外侧与冷却盘管切向连接，通过空腔内冷却液的高速旋流，促进了气化烧嘴的头部端面金属壁与冷却液之间的传热，避免了气化烧嘴的头部的冷却空腔内出现冷却死角。这种结合夹套式冷却室和冷却盘管的结构可以达到较好的冷却效果，使气化烧嘴的整体温度得到有效控制，从而延长了气化烧嘴的使用寿命。

较佳地，所述旋流器安装于所述中心通道的直段，所述旋流器的外径与所述中心通道的内径相同。

较佳地，所述中心通道中旋流器的中心枢轴的内径与外径之比为0.2-0.8。

较佳地，所述旋流器包括若干旋流叶片，所述旋流叶片与所述中心枢轴之间的夹角为15°-75°。

本发明所述的气化烧嘴在中心喷管内设置了一旋流器，使流入中心通道的气化剂在旋流器的作用下形成旋转射流。在外环喷管切向射流的联合作用下，使中环通道出口的浆体燃料雾化效果得到加强，从而提高了碳转化率和有效气产率。同时，还可以通过旋流器角度和外环射流角度的设计有效控制烧嘴的射流火焰长度，达到气化烧嘴射流流场与气化炉内流场相匹配的效果。

此外，通过设计旋流器的旋流角度(即所述旋流叶片与所述中心枢轴之间的夹角)和外环切向射流的射流强度及角度还可有效地控制气化火焰的长度，以达到气化烧嘴射流流场与气化炉炉内流场相匹配的效果，同时还保护烧嘴免受高温烧蚀的威胁。

较佳地，位于所述中心喷管的喷头处的第一出口端面、位于所述中环喷管的喷头处的第二出口端面及位于所述外环喷管的喷头处的第三出口端面依次向内侧缩进；

所述第一出口端面和所述第二出口端面之间形成一第一间距，所述第二出口端面和所述第三出口端面之间形成一第二间距，且所述第一间距大于所述第二间距。

较佳地，所述第一间距为所述中心通道的出口直径的0.5-3.2倍，所述第二间距为所述中心通道的出口直径的0.1-1倍。

较佳地，所述中环通道、所述外环通道及所述夹套式冷却室内均设有若干固定凸缘。

所述固定凸缘的设置可以确保所述中心通道、所述中环通道、所述外环通道及所述夹套式冷却室处于同轴状态。

本发明采用了夹套式和盘管式冷却方法相结合的组合式冷却系统，并在烧嘴端面设置中间带一道螺旋状金属隔板的冷却空腔，通过冷却液在冷却空腔内的高速旋流，避免了冷却腔内冷却死角的出现，增强了传热，保护了烧嘴端面金属壁，冷却系统高效可靠，且使用寿命长，从而延长了烧嘴整体使用寿命。

较佳地，所述浆体燃料包括碳氢质燃料，或可泵送的固态含碳物质的浆料。

在本发明所述的气化烧嘴中，气化剂主要分两部分进入烧嘴，一部分从中心通道进入，另一部分通过外环通道进入，而液体燃料从中环通道进入烧嘴。气化剂在中心喷管内经过旋流器时将形成强烈的旋流，从中心喷头射出后与燃料充分接触预混，然后在气化烧嘴的头部被外环气化剂射流流股进一步剪切破碎，通过旋流雾化和剪切雾化两者相结合，烧嘴的雾化性能大大提高。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：本发明所述的气化烧嘴采用内旋式三通道结构设计和组合式冷却系统。气化烧嘴的总体结构简单，制作维护方便，并且可用于浆体燃料的气化制合成气工艺，用途广泛。

附图说明

图1为本发明所述的气化烧嘴的轴截面结构示意图。

图2为本发明所述的气化烧嘴的横截面示意图。

图3为本发明所述的气化烧嘴中冷却空腔的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1、图2及图3所示，本发明用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴包括一三通道主体和一冷却系统。其中，所述三通道主体由内向外依次包括一由一中心喷管1形成的中心通道7、一由一中环喷管2形成的中环通道6及一由外环喷管3形成的外环通道5。优选地在中环通道6和外环通道5内均设有若干固定凸缘19，以确保各通道处于同轴状态。

中心喷管1、中环喷管2、外环喷管3又分别包括中心喷头8、中环喷头9和外环喷头10，其各自的结构主要为一截头的锥管。中环喷头9套在中心喷头8的外面，外环喷头10又套在中环喷头9的外面，且外环喷头10的大端与烧嘴外环喷管3相连，中环喷头9的大端与烧嘴的中环喷管2相连接，中心喷头8的大端与烧嘴的中心喷管1相连接。浆体燃料从中环通道2进入所述气化烧嘴，气化剂分两路分别从中心通道7和外环通道5进入所述气化烧嘴。

特别地，在中心通道7内设有一旋流器11，使得气化剂形成旋转射流。旋流器11优选地安装于中心通道7的直段，并且旋流器11的外径与中心通道7的内径相同。中心通道7内的旋流器11具有一中心枢轴23，其内径与外径之比为0.2-0.8。这种结构可以使得所述气化烧嘴达到较好的雾化效果。

优选地，冷却系统包括一包覆于所述气化烧嘴外侧的冷却夹套，及一螺旋式环绕在所述冷却夹套外侧的冷却盘管18。其中，所述冷却夹套包括一设于外环喷管10的外侧的夹套式冷却室4和一设置在所述气化烧嘴的头部的旋流式冷却空腔。在所述旋流式冷却空腔的内侧搁板20上开设一开口21，通过开口21使所述旋流式冷却空腔与夹套式冷却室4连通形成回路。同样地，在夹套式冷却室4内设置若干固定凸缘19，以确保夹套式冷却室4与各通道处于同轴状态。

另外，在所述旋流式冷却空腔中设有一螺旋状金属隔板13，将所述旋流式冷却空腔分隔成内环冷却流道12和外环冷却流道14，并且在外环冷却流道14上开设一切口15，通过切口15使得外环冷却流道14与冷却盘管18连通。冷却液可由与所述旋流式冷却空腔的外环冷却流道15相连通的冷却盘管18的端口17进入，经过整个冷却盘管18后在切口15处切向进入外环冷却流道14和内环冷却流道12。然后再由开口21进入夹套式冷却室4，形成回流。反之，若将夹套式冷却室4设为冷却液入口端，同样可以形成回流冷却系统。

进一步地，在位于中心喷头8处的第一出口端面、位于中环喷头9处的第二出口端面及位于外环喷头10处的第三出口端面依次向内侧缩进。同时所述第一出口端面和所述第二出口端面之间形成一第一间距h1，所述第二出口端面和所述第三出口端面之间形成一第二间距h2，并且第一间距h1大于第二间距h2。优选地，第一间距h1为中心通道7的出口直径的0.5-3.2倍，第二间距h2为中心通道7的出口直径的0.1-1倍。此时，较佳地将气化剂在烧嘴出口处的速度设置为50～250m/s，浆体燃料在烧嘴出口处的速度设置为0.5～20m/s。0～40％的气化剂从中心通道7进入气化炉，60～100％的气化剂从外环通道5进入气化炉。

其中，所述气化剂是氧气体积含量大于98％的纯氧，氧气体积含量大于21％的富氧空气、水蒸汽、二氧化碳或其混合物。所述浆体燃料包括碳氢质燃料，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、生物质或废弃物。此外，所述气化烧嘴适用于压力为0.1～12MPa，冷却系统压力略低于气化炉内压力的情况下。

综上，所述气化烧嘴的原理为：利用中心通道7和外环通道5中高速喷出的气态气化剂对中环通道6中喷出的浆体燃料进行雾化。其中，中心通道7中的旋流器11可使中心通道7中的气流产生旋转流动，从而提升雾化效果。所述气化烧嘴在使用过程中经受1300℃以上的高温，故采用夹套式冷却室和冷却盘管相结合的冷却方式。冷却剂通常为水，从冷却盘管18的端口17进入，经过整个冷却盘管18后，再通过所述旋流式冷却空腔的切口15进入夹套式冷却室4，最后由夹套式冷却室4的端口流出。当然，水的流向也可以倒置，即从夹套式冷却室4的端口流入，进入所述旋流式冷却空腔，并由且15进入冷却盘管18，经过整个冷却盘管18后由其端口17流出。

根据上述对所述气化烧嘴结构的描述，以下通过所述气化烧嘴的一具体使用实例进一步说明：

例如，以某2000t/d单烧嘴顶置式水煤浆气化炉为例，本发明所述气化烧嘴的中心通道7内旋流器11的中心枢轴23的内径与外径之比为0.5，旋流叶片22与枢轴23间夹角为45°。所述气化烧嘴的中心喷头8与中环喷头9之间的第一间距h1为50mm。中环喷头9与外环喷头10之间的第二间距h2为15mm。

以固含量为63％(wt％)的水煤浆为燃料，以99.6％的氧气为气化剂。气化剂分别通过中心通道7和外环通道5进入所述气化烧嘴，水煤浆通过中环通道6经中环喷头9增速的同时分别与中心喷头8旋流气化剂和外环喷头10斜切射流气化剂相遇，在所述气化烧嘴的出口区域充分混合雾化后进入气化炉，并在喷口处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99.0％，合成气中有效气组分CO+H₂(Vol％)含量约为85.5％，所述气化烧嘴使用寿命超过4个月。

其中，具体气化工艺设计参数如下：

将25％的气化剂从中心通道7送入气化炉，75％的气化剂从外环通道5送入气化炉，液体浆料通过中环通道6送入气化炉，气化剂流速为125m/s，浆体燃料的流速为5m/s，气化烧嘴工作压力4.0MPa；

对于所述气化烧嘴的冷却系统，采用由冷却盘管18的端口17进水，在由夹套式冷却室4出水的布置方式。冷却水进口温度约210℃，以约12m/s的速度在所述气化烧嘴的头部的冷却空腔内形成均匀的旋转绕流，层流消失，传热效果较好。回流至夹套式冷却室4出口的水温上升小于2℃。这种方式下的外环通道10的前端金属壁16温度小于620℃，对所述气化烧嘴最容易受高温侵蚀的区域材料具有有效的保护。

综上所述，本发明所述气化烧嘴对烧嘴通道的设计和冷却系统的调整，提高了烧嘴雾化性能的同时，也使冷却系统的冷却效率有较明显提高，从而延长了烧嘴的使用寿命，气化反应效率提高，碳转化率上升，降低了燃料和气化介质的消耗，是一种先进的新型、高效气化烧嘴，有力地推动了气化工业的技术进步。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其包括一三通道主体和一冷却系统，其中，所述三通道主体由内向外依次包括一由一中心喷管形成的中心通道、一由一中环喷管形成的中环通道，以及一由外环喷管形成的外环通道，其特征在于：

2.如权利要求1所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，所述冷却系统包括一包覆于所述气化烧嘴外侧的冷却夹套，及一螺旋式环绕在所述冷却夹套外侧的冷却盘管；

3.如权利要求2所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，所述旋流式冷却空腔中设有一螺旋状金属隔板，将所述旋流式冷却空腔分隔成内环冷却流道和外环冷却流道，所述外环冷却流道通过一切口与所述冷却盘管连通。

4.如权利要求1所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，所述旋流器安装于所述中心通道的直段，所述旋流器的外径与所述中心通道的内径相同。

5.如权利要求4所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，所述中心通道中旋流器的中心枢轴的内径与外径之比为0.2-0.8。

6.如权利要求5所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，所述旋流器包括若干旋流叶片，所述旋流叶片与所述中心枢轴之间的夹角为15°-75°。

7.如权利要求1所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，位于所述中心喷管的喷头处的第一出口端面、位于所述中环喷管的喷头处的第二出口端面及位于所述外环喷管的喷头处的第三出口端面依次向内侧缩进；

8.如权利要求7所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，所述第一间距为所述中心通道的出口直径的0.5-3.2倍，所述第二间距为所述中心通道的出口直径的0.1-1倍。

9.如权利要求2所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，所述中环通道、所述外环通道及所述夹套式冷却室内均设有若干固定凸缘。

10.如权利要求1-9任一项所述的用于浆体燃料气化制合成气的气化烧嘴，其特征在于，所述浆体燃料包括碳氢质燃料，或可泵送的固态含碳物质的浆料。