CN102767827B - 一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴 - Google Patents

一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：包括中心通道，热氧喷枪燃料通道成环形均匀设于中心通道外部，热氧喷枪燃料通道的外壁上设有侧面气化剂入口，热氧喷枪燃料通道内部设有热氧喷枪燃烧器，热氧喷枪燃烧器的头部设有气化剂喷口；热氧喷枪燃料通道外部设有与中心通道同轴的热氧通道外金属壁，冷却夹套金属内壁同轴设于热氧通道外金属壁的外部，冷却夹套外壁通过冷却夹套中间管壁同轴设于冷却夹套金属内壁外部。本发明提供的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴克服了现有技术的不足，实现了开工烧嘴和工艺烧嘴的一体化，简化了整个气化炉点火过程，具有多功能性、用途广泛、使用寿命长的特点。

Description

一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴
技术领域
本发明涉及一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，属于工艺烧嘴技术领域。
背景技术
早期的热氧燃烧技术应用于钢铁行业和少量煤粉炉发电机组，如美国专利US3661561应用热氧技术进行鼓风炉炼铝，将氧气提升到1000℃以上。美国专利US4928605将热氧喷枪燃烧器内置于燃料烧嘴内组成了一种内混式燃料烧嘴，可被用作煤粉炉的烧器，其利用热氧技术来形成稳定的煤粉燃烧火焰。中国专利CN200980125201.1提出了一种热氧发生装置，采用中心通道设置阻燃喷管对环隙氧气进行加热，提供1000℃以上高温氧，可用于工艺喷嘴的点火与稳燃。
现有固体燃料气流床气化炉启动点火过程复杂，采用点火烧嘴、开工烧嘴和工艺烧嘴三种烧嘴组合依次启动点火的过程，其先采用点火烧嘴点燃，然后用开工烧嘴将气化炉加热到高温、高压状态，再启动工艺烧嘴，为了使工艺烧嘴达到稳燃状态，开工烧嘴将进入适时伴烧阶段。现有装置的运行情况表明，该启动过程复杂，开工烧嘴在伴烧过程中烧嘴头部非常容易烧坏。
现有技术的固态粉体气化工艺烧嘴多为双通道结构，分燃料通道和气化剂通道，如美国专利US4858538公开了一种干煤粉加压气化工艺烧嘴，采用低温水夹套式冷却工艺；中国专利CN200510025050.6提供了一种固态含碳物质气化烧嘴，采用低温水盘管式冷却工艺。粉体燃料通常通过中心通道送入气化炉，富氧气体(气化剂)通过环形通道送入气化炉，由于燃烧产生的温度较高，火焰温度最高超过2000℃，烧嘴经受高温、高压的双重考验，烧嘴前端头部经受了高热通量和富氧腐蚀性环境的恶劣工况，不管是盘管式冷却还是夹套式冷却工艺，烧嘴头部均采用了夹套式冷却工艺，头部的高热通量使烧嘴前端壁面的热应力较大，烧嘴前端头部存在较大的应力损坏风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种开工烧嘴和工艺烧嘴一体化的固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：包括中心通道，烧嘴喷口通过中心喷头设于中心通道下端；热氧喷枪燃料通道成环形均匀设于中心通道外部，热氧喷枪燃料通道的外壁上设有侧面气化剂入口，热氧喷枪燃料通道内部设有热氧喷枪燃烧器，热氧喷枪燃烧器的头部设有边缘板，边缘板上设有气化剂喷口；
热氧喷枪燃料通道外部设有与中心通道同轴的热氧通道外金属壁，冷却夹套金属内壁同轴设于热氧通道外金属壁的外部，热氧通道外金属壁和冷却夹套金属内壁下方设有外环喷头，冷却夹套外壁通过冷却夹套中间管壁同轴设于冷却夹套金属内壁外部。
优选地，所述中心通道为内径不变的直管，所述中心通道外壁设有耐火涂层，耐火涂层厚度为1～20mm，耐火涂层材料为碳化硅、氧化铝。
优选地，所述热氧通道外金属壁内部设有耐火涂层；所述热氧通道外金属壁由上部直管段和下部喷头段组成。
优选地，所述冷却夹套金属内壁由内壁上部直管段和内壁下部喷头段组成，内壁下部喷头段为渐缩结构。
优选地，所述冷却夹套中间管壁由中间管壁上部直管段和中间管壁下部喷头段组成，中间管壁下部喷头段为渐缩结构。
优选地，所述冷却夹套外壁由外壁上部直管段和外壁下部喷头段组成，外壁下部喷头段为渐缩结构。
优选地，所述热氧喷枪燃烧器为2～16个。
优选地，所述冷却夹套金属内壁与所述热氧通道外金属壁之间设有热胀性隔热材料，热胀性隔热材料厚度为1～25mm。
优选地，所述侧面气化剂入口为2～10个。
优选地，所述气化剂喷口为2～12个，所述气化剂喷口形状为圆形、环形或椭圆形。
本发明提供的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴采用双通道结构设计，中心通道可进行开工燃料和气化燃料的切换，环形气化剂通道设有热氧喷枪燃烧器，用于提供开工燃料燃烧和作为工艺烧嘴时中心通道喷出的燃料气化用高温气化剂，可使燃料在不借助明火点燃的情况下着火，从而实现开工烧嘴和工艺烧嘴的点火过程；另外为了防止烧嘴前端头部的热应力损坏，采用夹套式中温冷却剂冷却，一方面中温冷却剂降低了烧嘴前端面的热应力，另一方面避免了烧嘴直段由于冷却剂带走大量热量而使环隙热氧效果降低。
本发明提供的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴具有如下有益效果：
(1)采用双通道结构设计，烧嘴总体结构简单，制作维护方便。可用于干煤粉、煤矸石粉、石油焦、有机固体废弃物、生物质粉体等含碳固态粉体燃料的气化制合成气工艺，用途广泛；
(2)外环通道中设置了热氧喷枪燃烧器，可为中心通道燃料提供高温气化剂，可在不借助于明火的情况下对中心通道喷射出的燃料进行着火点燃，简化了整个气化炉点火过程；
(3)中心通道采用双燃料外围切换设计，实现了固态粉体燃料气化炉点火过程的开工烧嘴和工艺烧嘴的二合一，大大简化了整个气化炉点火过程，实现了本发明的多功能性；
(4)采用夹套式冷却系统，用中温水冷却，夹套内侧壁面设有隔热性热障材料，有效控制了高温热氧热损失的同时防止了烧嘴的高温腐蚀，从而延长了烧嘴的使用寿命，本发明的使用寿命超过8000小时。
本发明提供的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴克服了现有技术的不足，实现了开工烧嘴和工艺烧嘴的一体化，简化了整个气化炉点火过程，具有多功能性、用途广泛、使用寿命长的特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴的轴截面结构示意图；
图2为本实施例中热氧喷枪燃烧器示意图；
图3为本实施例中一种热氧喷枪燃料通道截面结构示意图；
图4为本实施例中另一种热氧喷枪燃料通道截面结构示意图；
图5为本实施例中前端冷却夹套截面结构示意图；
附图标记说明
1-冷却夹套外壁；2-冷却夹套中间管壁；3-热氧喷枪燃烧器外壁；4-热氧喷枪燃烧器；5-侧面气化剂入口；6-气化剂喷口；6a-第一气化剂喷口；6b-第二气化剂喷口；7-冷却夹套金属内壁；8-热胀性隔热材料；9-热氧通道外金属壁；10-热氧喷枪燃料通道；11-中心通道；12-固定凸缘；13-中心喷头；14-外环喷头；15-冷却剂出孔；16-冷却剂入孔；17-内冷却室；18-外冷却室；19-烧嘴前端面；20-烧嘴喷口；21-热氧喷枪燃烧器火焰；22-燃烧空腔；23-边缘板；24-金属隔板；25-头部冷却空腔分隔板；26-耐火涂层；27-气态/液态燃料；28-固态粉体燃料；29-气化剂；30-冷却剂。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1为本发明供的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴的轴截面结构示意图，所述的一种固态粉体燃料气化烧嘴包括中心通道11，烧嘴喷口20通过中心喷头13位于中心通道11下端；2～16个热氧喷枪燃料通道10成环形均匀装在中心通道11外部，热氧喷枪燃料通道10的外壁3上开有2～10个侧面气化剂入口5，热氧喷枪燃料通道10内部装有热氧喷枪燃烧器4，热氧喷枪燃烧器4的头部设有边缘板23，边缘板23上开有2～12气化剂喷口6，气化剂喷口6形状为圆形、环形或椭圆形。
热氧喷枪燃料通道10外部装有与中心通道11同轴的热氧通道外金属壁9，冷却夹套金属内壁7同轴装在热氧通道外金属壁9的外部，冷却夹套金属内壁7与热氧通道外金属壁9之间填有热胀性隔热材料8，热胀性隔热材料8厚度为1～25mm。热氧通道外金属壁9和冷却夹套金属内壁7下方装有外环喷头14，冷却夹套外壁1通过冷却夹套中间管壁2同轴装于冷却夹套金属内壁7外部。
热氧通道外金属壁9内部涂有耐火涂层26；热氧通道外金属壁9由上部直管段和下部喷头段组成。冷却夹套金属内壁7由内壁上部直管段和内壁下部喷头段组成，内壁下部喷头段为渐缩结构。冷却夹套中间管壁2由中间管壁上部直管段和中间管壁下部喷头段组成，中间管壁下部喷头段为渐缩结构。冷却夹套外壁1由外壁上部直管段和外壁下部喷头段组成，外壁下部喷头段为渐缩结构；头部冷却夹套分隔板上设有冷却剂进孔15和冷却剂出口16。各通道之间设有固定凸缘12保持各通道的同轴度。
使用时，用于提供加热气化剂29的热氧喷枪燃烧器4的气态/液态燃料27经热氧喷枪燃料通道10送入，并与来自侧面气化剂入口5的气化剂29混合燃烧，形成的高温火焰和烟气将与来自气化剂喷口6的气化剂29充分混合，并将气化剂29的温度迅速提高。当需要先作为开工烧嘴时，气态/液态燃料27从中心通道11经中心喷头13喷入气化炉，在气化炉喷口20处来自中心通道11的气态/液态燃料27与高温气化剂29充分混合并迅速着火。若点燃热氧喷枪燃烧器4后，中心通道11直接进固态粉体燃料28用于气化时，高温气化剂29同样将在烧嘴喷口20处与固态粉体燃料28充分混合并着火，实现工艺烧嘴的非明火点燃过程。
气态/液态燃料27可以为天然气、甲烷、丙烷、石油天然气、发生炉煤气、焦炉煤气或更低温度下是气态的烷烃、烯烃和炔烃，以及柴油、燃料油和生物油等。固态粉体燃料28可以为干煤粉、煤矸石粉、石油焦、有机固体废弃物、生物质粉体等含碳固态粉体燃料。
本发明所述的气化烧嘴为了提供足够高温的气化剂29，在热氧喷枪燃料通道10内设置了2～16个热氧喷枪燃烧器4，利用天然气、甲烷、丙烷、石油天然气、发生炉煤气、焦炉煤气或更低温度下气态的烷烃、烯烃和炔烃，以及柴油、燃料油和生物油等其它燃料燃烧提供热源，加热气化剂29达到1000℃，甚至1500℃以上高温，可通过调节热氧喷枪燃烧器4的负荷来适当调节气化剂29喷出烧嘴出口端面20时的温度。
结合图2，气态/液态燃料27通过热氧喷枪燃料通道10进入热氧喷枪燃烧器4，与来自侧面气化剂入口5和气化剂喷口6的气化剂29混合燃烧，在燃烧空腔22内形成火焰21。其中为未被消耗的气化剂29约占总气化剂29的80％左右，将被燃烧产生的火焰和高温烟气加热。
图3和4分别为两种不同的热氧喷枪燃烧器布置方式示意图。小部分气化剂29从位于热氧喷枪燃烧器外壁3的侧面气化剂入口5进入热氧喷枪燃料通道10，该部分气化剂29主要用于热氧喷枪燃烧器4的燃烧所需，而大部分气化剂29将从均布于热氧喷枪燃烧器4头部边缘板23上的气化剂喷口6进入热氧喷枪燃料通道10。进入侧面气化剂入口5的气化剂29中所含氧气被热氧喷枪燃烧器4消耗的量占总量的比例范围为5～35％，优选为10～20％。热氧喷枪燃烧器4头部边缘可以采用图3所示的圆形第一气化剂29喷口6a，也可采用图4所示的分段式环形入口设计的第二气化剂喷口6b。
图5为气化烧嘴头部冷却夹套截面示意图。该冷却夹套被中间金属板24分割为内冷却室17和外冷却室18两个冷却空腔，与冷却夹套外壁1、金属隔板24形成一组合空腔。冷却剂30从冷却剂入孔16进入，旋转绕流两周后经冷却剂出孔15排出。冷却剂30在冷却空腔内的旋转绕流速度不低于8m/s，入口温度为200～250℃，通过控制冷却剂30流量0.5～10kg/s，使出口冷却剂30温升小于3℃。
以单烧嘴负荷为1000t/d干煤粉的气化烧嘴为例，本发明所述的气化烧嘴热氧喷枪燃料通道10内设置6个环形均布的热氧喷枪燃烧器4，以甲烷为燃料，从侧面气化剂入口5和气化剂喷口6进入的气化剂29为纯氧和水蒸汽的混合气体，将热氧喷枪燃烧器4点燃后在维持热氧喷枪燃烧器4形成稳定燃烧工况前提下，逐渐增加气化剂29流量，最后在外环喷头14处形成温度为1500℃左右的高温氧气与水蒸汽的混合气体，流速约为50m/s。中心通道11首先以天然气为燃料经中心喷头13喷入，中心通道11喷口天然气流速约为40m/s，天然气和高温气化剂29在烧嘴喷口20处充分混合，并发生着火，此时本发明所述烧嘴作为开工烧嘴对气化炉进行预热，并将气化炉内温度和压力逐渐提升。气化炉操作压力4.0MPa。当预热过程结束时，切换中心通道11的燃料天然气为干煤粉，干煤粉采用氮气输送，在中心通道11喷口处喷射进入气化炉，喷口平均流速约为25m/s。干煤粉与高温气化剂29在烧嘴喷口20附近充分混合并被直接点燃，形成稳定气化火焰，气化炉温度进一步提升，达到气化炉操作温度约1450℃。当气化烧嘴和气化炉运行稳定后，可将热氧喷枪燃烧器4熄火，即切断甲烷供给，气化烧嘴作为正常的工艺烧嘴使用。
以上所述气化烧嘴冷却系统采用250℃饱和水作为冷却剂30进入烧嘴冷却夹套，流量控制为3.5kg/s，经试验得到冷却水出口温度约为251.5℃，烧嘴前端面19的温度最高处约为550℃。烧嘴所用耐高温抗热辐射材料可长周期可靠工作，使用寿命大于8000小时。
煤粉与气化剂在气化炉进行部分氧化反应，产出的合成气中有效气(CO+H2)成分约为93％，碳转化率达到99％以上。
本发明所述的气化烧嘴融合了开工烧嘴和工艺烧嘴的功能于一体，并采用了先进的热氧技术，使气流床气化炉点火启动过程大大简化，并省去了明火点燃开工烧嘴和工艺烧嘴的过程，采用冷却夹套技术，有效降低了烧嘴因热应力过大造成的损坏概率，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、高效多功能气化烧嘴。

Claims (7)

1.一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：包括中心通道(11)，烧嘴喷口(20)通过中心喷头(13)设于中心通道(11)下端；热氧喷枪燃料通道(10)成环形均匀设于中心通道(11)外部，热氧喷枪燃料通道(10)的外壁(3)上设有侧面气化剂入口(5)，热氧喷枪燃料通道(10)内部设有热氧喷枪燃烧器(4)，热氧喷枪燃烧器(4)的头部设有边缘板(23)，边缘板(23)上设有气化剂喷口(6)；
热氧喷枪燃料通道(10)外部设有与中心通道(11)同轴的热氧通道外金属壁(9)，冷却夹套金属内壁(7)同轴设于热氧通道外金属壁(9)的外部，热氧通道外金属壁(9)和冷却夹套金属内壁(7)下方设有外环喷头(14)，冷却夹套外壁(1)通过冷却夹套中间管壁(2)同轴设于冷却夹套金属内壁(7)外部；
所述冷却夹套金属内壁(7)由内壁上部直管段和内壁下部喷头段组成，内壁下部喷头段为渐缩结构；
所述冷却夹套中间管壁(2)由中间管壁上部直管段和中间管壁下部喷头段组成，中间管壁下部喷头段为渐缩结构；
所述冷却夹套外壁(1)由外壁上部直管段和外壁下部喷头段组成，外壁下部喷头段为渐缩结构。
2.如权利要求1所述的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：所述中心通道(11)为内径不变的直管，所述中心通道(11)外壁设有耐火涂层(26)，耐火涂层(26)厚度为1～20mm，耐火涂层(26)材料为碳化硅、氧化铝。
3.如权利要求1所述的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：所述热氧通道外金属壁(9)内部设有耐火涂层(26)；所述热氧通道外金属壁(9)由上部直管段和下部喷头段组成。
4.如权利要求1所述的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：所述热氧喷枪燃烧器(4)为2～16个。
5.如权利要求1所述的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：所述冷却夹套金属内壁(7)与所述热氧通道外金属壁(9)之间设有热胀性隔热材料(8)，热胀性隔热材料(8)厚度为1～25mm。
6.如权利要求1所述的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：所述侧面气化剂入口(5)为2～10个。
7.如权利要求1所述的一种固态粉体燃料气化用复合式热氧点火工艺烧嘴，其特征在于：所述气化剂喷口(6)为2～12个，所述气化剂喷口(6)形状为圆形、环形或椭圆形。
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