CN103045306A - 一种水煤浆气泡雾化喷嘴 - Google Patents

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本发明属于一种水煤浆气化设备,具体讲是一种水煤浆气泡雾化喷嘴,包括有从内到外同轴依次设置的气泡发生器、水煤浆喷嘴和环氧喷嘴,气泡发生器与水煤浆喷嘴之间为水煤浆通道,气泡发生器内为中心氧通道,水煤浆喷嘴与环氧喷嘴之间为环氧通道,所述气泡发生器末端设置有氧气喷孔,所述水煤浆喷嘴和环氧喷嘴为渐缩喷嘴,末端收缩段的锥角为20-50°。本发明的优点在于将气泡雾化与气动雾化结构相结合,首先利用小部分氧气通过气泡雾化使连续的水煤浆流体被撕裂、破碎,达到初步雾化的效果;然后利用大部分氧气通过气动雾化对水煤浆进行二次雾化,使水煤浆实现完全雾化,雾化效果更加彻底。

Description

一种水煤浆气泡雾化喷嘴
技术领域
本发明属于一种水煤浆气化设备,具体讲是一种水煤浆气泡雾化喷嘴。
背景技术
水煤浆气化喷嘴是水煤浆气化工艺中的关键设备,其雾化性能对气化效率、碳转化率等有很大影响,其使用寿命则直接关系到气化炉稳定运行的周期。因此,雾化性能及使用寿命是气化喷嘴的评价标准中最重要的两个方面。
目前最常用的水煤浆气化喷嘴是以德士古喷嘴为代表的三通道内外混气动雾化喷嘴,采用同轴套管结构,中心通道和外环通道流通氧气,内环通道流通水煤浆。中心通道相比内环通道有明显内缩,形成供中心氧和水煤浆混合的内混室,水煤浆被稀释和加速后从内混室出口喷出,发生初步雾化;外环氧在外环通道中加速后以很高的速度从外环通道出口喷出,在喷嘴外跟沿轴向喷出的水煤浆呈一定夹角发生冲击、碰撞,使水煤浆发生二次雾化。
借助高的气液相对速度差,气动雾化克服了水煤浆粘度高雾化难的问题,这种将内混和外混结合的三通道气动雾化喷嘴对水煤浆实现了不错的雾化效果,在煤化工行业取得了出色的应用业绩。但由于低速的水煤浆跟高速的中心氧混合后,水煤浆流速有了明显提高,水煤浆中高硬度的固体颗粒对水煤浆喷嘴内壁面的磨损加快,缩短了喷嘴的使用寿命。德士古喷嘴寿命较短,一般2-3个月就需要对喷嘴进行维修或更换,对气化炉长周期运行造成了很大影响,其中,水煤浆喷嘴的磨损是气化喷嘴损坏的重要原因。
为解决德士古三通道喷嘴磨损快寿命短的问题,研究人员尝试在现有喷嘴结构的基础上进行修改,但都难以解决喷嘴的磨损问题。
例如公开日为2010年10月6日,公开号为CN101850308A的中国专利文献公开了“一种带有镍-碳化钨涂层的水煤浆喷嘴及其制备方法”,通过在水煤浆喷嘴内壁制备一层镍-碳化钨涂层,以提高水煤浆喷嘴的耐冲蚀性能。但在喷嘴内壁制备耐磨涂层不仅加工难度大,加工质量难保证,而且涂层及喷嘴本体材料在不同温度下热膨胀性存在差异,在水煤浆长时间的冲刷作用下,耐磨涂层易剥落而失去保护作用。
再例如公开日为2011年11月23日,公开号为CN102250644A的中国专利文献公开了“一种水煤浆气化炉工艺烧嘴”,在中喷头上设置了与外喷头腔室相通的用于将外喷头腔室中的氧气导入中喷头腔室中的氧气导入部,将外喷头中的部分氧气导入内喷头腔室,期望在内喷头内壁形成一层氧气层,起到阻止流经中喷头的水煤浆与中喷头腔室内壁的直接接触,进而达到降低水煤浆对中喷头腔室内壁的磨损的作用。但在实际使用过程中,从氧气导入部过来的氧气大多直接与水煤浆发生了混合,难以形成可以阻挡水煤浆的氧气层,对中喷头腔室内壁保护效果不明显。
为解决现有水煤浆气化喷嘴存在的问题及设计出具有自主知识产权的煤气化喷嘴,国内研究人员设计了不同结构的气化喷嘴,但都存在一定问题。
例如公开日为2006年3月29日,公开号为CN1752521A的中国专利文献公开了“水煤浆气化喷嘴”,采用了三通道结构,中心氧、水煤浆和外环氧在混合室内混合,实现气动雾化,并通过撞击混合室内的圆台型撞击件加强雾化效果,气液混合物最终通过雾化头上的喷孔喷出。该喷嘴通过气动雾化及撞击,获得了较好的雾化效果,但由于水煤浆冲击撞击件的速度及气液混合物从喷孔喷出的速度都很高,水煤浆中高硬度的固体颗粒对撞击件及雾化头上的喷孔的磨损强度大,喷头部分易磨坏,喷嘴使用寿命较短。
再例如授权公告日为2008年12月31日,专利号为ZL200720306001.4的中国专利文献公开了“带有扩张段的直冷式水煤浆气化喷嘴”,采用两通道结构,中心管带有扩张段,用于流通水煤浆,气化剂走内环管,通过中心管的前半部分的两排或多排进气孔射流进入中心管,通过气化剂射流对中心管的水煤浆冲击混合实现雾化。该喷嘴的设计出发点是降低水煤浆对喷嘴的磨损程度,有利于提高喷嘴寿命,但仅依靠中心管上进气孔喷出的气体射流对水煤浆进行冲击混合,其雾化效果难以满足气化工艺的要求。
气泡雾化是除气动雾化以外的一种比较适合高粘度液体的雾化方式,是将高压气体(蒸汽)在流动的液体中产生气泡,用气泡作为雾化的动力,利用气泡的产生、运动、变形直到喷嘴出口爆破来产生非常细的液雾。气泡雾化对气体的速度要求不高,这一点跟气动雾化存在明显差异。气泡雾化喷嘴在燃用重、渣油工作炉上已经有一定的应用。
例如授权公告日为1993年3月10日,专利号为ZL92209232.1的中国专利文献公开了“两相流气泡雾化喷嘴”,喷嘴由内外两层壳体形成气液分开的通道,在通道末端,气体通过气泡发生器进入液体流中形成无数个气泡,具有气泡的两相流在先收缩后扩张的喷管中加速膨胀进行雾化。该专利中还对气动雾化和气泡雾化结合进行了尝试,其方案4中,空气除通过喷管壁上的小孔和锥面上的孔注入燃油中外,还有一股通过两相流喷管与外套端部的环形的音速或超音速二次气流冲击由喷管排出的两相流,使之进一步雾化。由于该方案中只有一个空气入口,无法对参与气泡雾化和气动雾化的空气比例进行调节,限制了喷嘴的负荷调节范围。
上述“两相流气泡雾化喷嘴”适用于重油,但并不适用于水煤浆,其原因是水煤浆中含有大量高硬度的固体颗粒,而喷嘴前端设计为先收缩后扩张的超音速喷管,两相流的流动速度很高,水煤浆对喷管的磨损会很强。
气泡雾化喷嘴目前主要用于高粘度的燃料油,单独采用气泡雾化的水煤浆气化喷嘴还没有成功的应用业绩。目前还没有专门为水煤浆设计的结合气动雾化与气泡雾化的气化喷嘴方案。
发明内容
为了克服现有的水煤浆雾化喷嘴由于低速的水煤浆跟高速的中心氧混合后,水煤浆流速有了明显提高,水煤浆中高硬度的固体颗粒对水煤浆喷嘴内壁面的磨损加快,缩短了喷嘴的使用寿命的问题,现在特别提出一种水煤浆气泡雾化喷嘴。
为实现上述技术效果,本发明技术方案如下:
一种水煤浆气泡雾化喷嘴,其特征在于:包括有从内到外同轴依次设置的气泡发生器、水煤浆喷嘴和环氧喷嘴,气泡发生器与水煤浆喷嘴之间为水煤浆通道,气泡发生器内为中心氧通道,水煤浆喷嘴与环氧喷嘴之间为环氧通道,所述气泡发生器末端设置有氧气喷孔,所述水煤浆喷嘴和环氧喷嘴为渐缩喷嘴,末端收缩段的锥角为20-50°。
所述气泡发生器端部缩进于水煤浆出口端,水煤浆喷嘴的出口端缩进于环氧喷嘴的出口端,在所述气泡发生器端部与水煤浆出口端之间形成混合室,混合室出口端为混合室喷口,所述环氧喷嘴出口端为环氧喷口。
所述气泡发生器和水煤浆喷嘴的外壁上设计有定位块。
所述环氧喷口外侧设置有冷却水夹套,环氧喷嘴外侧面设设置有冷却水盘管。
本发明的工作原理为:氧气经氧气入口进入中心氧通道(气泡发生器内)和环氧通道(水煤浆喷嘴跟环氧喷嘴之间),水煤浆经水煤浆入口进入水煤浆通道(气泡发生器跟水煤浆喷嘴之间)。气泡发生器中的氧气经氧气喷孔喷入水煤浆通道中,在水煤浆中形成了大量的细小气泡,气泡随水煤浆一起流动,并与水煤浆逐渐混合均匀,在混合室中形成了均匀的气液两相流。经混合室的收缩段加速后,气液两相流从混合室喷口中喷出,由于压力下降,气泡迅速膨胀、破碎,使水煤浆发生雾化,该过程为气泡雾化。环氧通道中的氧气经收缩段加速后,以很高的速度从环氧喷口中喷出,与气泡雾化后的水煤浆发生冲击、碰撞,水煤浆被进一步雾化,该过程为气动雾化。
本发明的优点在于:
1、本发明将气泡雾化与气动雾化结构相结合,首先利用小部分氧气通过气泡雾化使连续的水煤浆流体被撕裂、破碎,达到初步雾化的效果;然后利用大部分氧气通过气动雾化对水煤浆进行二次雾化,使水煤浆实现完全雾化,雾化效果更加彻底。由于气泡雾化在较小的气液比下能达到不错的雾化效果,同时对气体流动速度要求不高,可以利用部分氧气参与气泡雾化,通过增大气液两相流的喷口面积,降低气液两相流的出口速度,以减小水煤浆对喷嘴的磨损程度,提高喷嘴的寿命;剩余氧气采用气动雾化方式,对经过气泡雾化后的水煤浆进行进一步雾化,使喷嘴达到更好的雾化效果;将参与气泡雾化和气动雾化的氧气分开进行控制,有助于对参与这两个过程的氧气比例进行调节,使喷嘴在不同负荷条件下都能实现好的雾化效果。
2、本发明的喷嘴将气泡雾化与气动雾化这两种适用于高粘度液体的雾化方式结合起来,通过气泡雾化解决了水煤浆喷嘴易磨损的问题,明显提高了水煤浆喷嘴的寿命。
3、气泡雾化对液体粘度适应性好,可用于水煤浆,同时流动速度对气泡雾化的效果影响不大,将混合室喷口增大至现有德士古三通道喷嘴混合室喷口面积的2-6倍,使由氧气和水煤浆组成的气液两相流从混合室喷口喷出的速度明显低于德士古喷嘴内混室的出口速度,降低了混合室出口处内壁的磨损程度,明显提高了水煤浆喷嘴的寿命。在经历了气泡雾化和气动雾化两个阶段后,水煤浆实现了完全雾化,本发明设计的雾化喷嘴取得了出色的雾化效果。
4、本发明将参与气泡雾化与气动雾化的氧气分开控制,在使用过程中便于对参与气泡雾化和气动雾化的氧气比例进行调节,使喷嘴在不同负荷条件下都能实现好的雾化效果。
5、本发明的定位块可对气泡发生器、水煤浆喷嘴及环氧喷嘴进行定位。
6、本发明的冷却水夹套和冷却水盘管,二者共同组成该雾化喷嘴的冷却结构。通过冷却水对喷嘴进行冷却,避免喷嘴在气化炉中1300-1500℃的高温环境下烧坏。
附图说明
图1 为本发明结构示意图。
附图中:1、气泡发生器  2、定位块  3、水煤浆喷嘴  4、环氧喷嘴  5、氧气喷孔  6、冷却水盘管  7、混合室  8、冷却水夹套   9、环氧喷口   10、混合室喷口。
具体实施方式
解决水煤浆喷嘴3的磨损问题,有两个途径:材料技术进步及结构设计;雾化性能则主要通过喷嘴结构设计来保证。现有的喷嘴设计方案都没能同时解决好这两个问题,在目前的材料技术条件下,本发明设计出一种既能满足水煤浆的雾化性能要求,又能减轻水煤浆对喷嘴的磨损的水煤浆气化喷嘴。
一种水煤浆气泡雾化喷嘴,其特征在于:包括有从内到外同轴依次设置的气泡发生器1、水煤浆喷嘴3和环氧喷嘴4,气泡发生器1与水煤浆喷嘴3之间为水煤浆通道,气泡发生器1内为中心氧通道,水煤浆喷嘴3与环氧喷嘴4之间为环氧通道,所述气泡发生器1末端设置有氧气喷孔5,所述水煤浆喷嘴3和环氧喷嘴4为渐缩喷嘴,末端收缩段的锥角为20-50°。所述末端收缩段的锥角的最佳为45-48°。即水煤浆喷嘴3的出口端面跟环氧喷嘴4的出口端面相比略有缩进,气泡发生器1的端部跟水煤浆喷嘴3的出口端面相比有明显的缩进,气泡发生器1端部跟水煤浆喷嘴3的出口端面之间形成了混合室7,水煤浆和氧气气泡在混合室7中形成气液两相流,气泡发生器1端部缩进于水煤浆出口端,水煤浆喷嘴3的出口端缩进于环氧喷嘴4的出口端,在所述气泡发生器1端部与水煤浆出口端之间形成混合室7,混合室7出口端为混合室喷口10,所述环氧喷嘴4出口端为环氧喷口9。气泡发生器1和水煤浆喷嘴3的外壁上设计有定位块2。环氧喷口9外侧设置有冷却水夹套8,环氧喷嘴4外侧面设设置有冷却水盘管6。
氧气经氧气入口进入中心氧通道气泡发生器1内和环氧通道水煤浆喷嘴3跟环氧喷嘴4之间,水煤浆经水煤浆入口进入水煤浆通道气泡发生器1跟水煤浆喷嘴3之间。气泡发生器1中的氧气经氧气喷孔5喷入水煤浆通道中,在水煤浆中形成了大量的细小气泡,气泡随水煤浆一起流动,并与水煤浆逐渐混合均匀,在混合室7中形成了均匀的气液两相流。经混合室7的收缩段加速后,气液两相流从混合室喷口10中喷出,由于压力下降,气泡迅速膨胀、破碎,使水煤浆发生雾化,该过程为气泡雾化。环氧通道中的氧气经收缩段加速后,以很高的速度从环氧喷口9中喷出,与气泡雾化后的水煤浆发生冲击、碰撞,水煤浆被进一步雾化,该过程为气动雾化。
本发明的创新是通过喷嘴的结构将气泡雾化与气动雾化相结合,首先利用小部分氧气通过气泡雾化使连续的水煤浆流体被撕裂、破碎,达到初步雾化的效果;然后利用大部分氧气通过气动雾化对水煤浆进行二次雾化,使水煤浆实现完全雾化。气泡雾化对液体粘度适应性好,可用于水煤浆,同时流动速度对气泡雾化的效果影响不大,通过增大混合室喷口10,使由氧气和水煤浆组成的气液两相流从混合室喷口10喷出的速度明显低于德士古喷嘴内混室的出口速度,降低了混合室7出口处内壁的磨损程度,明显提高了水煤浆喷嘴3的寿命。在经历了气泡雾化和气动雾化两个阶段后,水煤浆实现了完全雾化,本发明设计的雾化喷嘴取得了出色的雾化效果。

Claims (5)

1.一种水煤浆气泡雾化喷嘴,其特征在于:包括有从内到外同轴依次设置的气泡发生器(1)、水煤浆喷嘴(3)和环氧喷嘴(4),气泡发生器(1)与水煤浆喷嘴(3)之间为水煤浆通道,气泡发生器(1)内为中心氧通道,水煤浆喷嘴(3)与环氧喷嘴(4)之间为环氧通道,所述气泡发生器(1)末端设置有氧气喷孔(5),所述水煤浆喷嘴(3)和环氧喷嘴(4)为渐缩喷嘴,末端收缩段的锥角为20-50°。
2.根据权利要求1所述的一种水煤浆气泡雾化喷嘴,其特征在于:所述末端收缩段的锥角为45-48°。
3.根据权利要求2所述的一种水煤浆气泡雾化喷嘴,其特征在于:所述气泡发生器(1)端部缩进于水煤浆出口端,水煤浆喷嘴(3)的出口端缩进于环氧喷嘴(4)的出口端,在所述气泡发生器(1)端部与水煤浆出口端之间形成混合室(7),混合室(7)出口端为混合室喷口(10),所述环氧喷嘴(4)出口端为环氧喷口(9)。
4.根据权利要求3所述的一种水煤浆气泡雾化喷嘴,其特征在于:所述气泡发生器(1)和水煤浆喷嘴(3)的外壁上设计有定位块(2)。
5.根据权利要求4所述的一种水煤浆气泡雾化喷嘴,其特征在于:所述环氧喷口(9)外侧设置有冷却水夹套(8),环氧喷嘴(4)外侧面设设置有冷却水盘管(6)。
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