CN103881758B - 一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴 - Google Patents

Abstract

一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴，包括中心气化剂通道，与其同轴并依次套装在其外的燃料通道和外气化剂通道，布置在中心气化剂通道和燃料通道之间、与燃料通道和外气化剂通道之间以及外气化剂通道外侧的冷却水通道；冷却水通道由若干窄通道构成；高压冷却水在窄通道内流速增加，以热传导和强制对流换热的方式对中心气化剂通道、燃料通道和外气化剂通道以及冷却水通道自身的金属壁面的冷却作用加强；高压冷却水从窄通道出口以高速冲击射流形式喷出，对烧嘴的各个出口处进行喷射冷却，以强制对流换热和相变换热的方式对烧嘴的各个出口进行有效冷却；本发明克服现有技术的气化烧嘴技术的烧嘴冷却效果差、寿命较短的缺陷。

Description

一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，具体涉及一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴。

技术背景

煤炭是一种重要的能源，但是长期以来，煤炭在使用过程中伴随着严重的环境污染。近年来，以减少污染排放和提高利用效率为目的的洁净煤技术日益为人们所重视；煤气化技术作为其中的一种煤炭加工和转化技术，被认为是最为高效清洁的洁净煤技术之一。

煤气化炉是把化石燃料(粉煤、石油、天然气等)制成煤气的装置，广泛用于化工、氮肥、燃气、联合发电等领域。鉴于我国贫油、少气、多煤的资源状况，我国的气化燃料主要是煤炭(粉煤或水煤浆)。燃烧喷嘴(简称烧嘴)是气化炉的关键部件，也是最容易高温损坏的部件。目前比较先进的煤气化方式是从国外引进的大型粉煤加压气化工艺。利用氮气或二氧化碳气体将粉煤等粉状炭质材料通过烧嘴送入气化炉，同时富氧气体和水蒸汽也通过烧嘴送入气化炉。粉状炭质材料和氧气、水蒸汽反应燃烧，生成一氧化碳和氢气，燃烧温度达1400℃以上。

由于燃烧火焰温度很高，气化烧嘴常因高热通量和潜在的富氧腐蚀性环境引起损坏。由于烧嘴损坏引起大型气化炉频繁的停炉检修，造成生产企业巨大的经济损失，引起了国外技术提供商和国内有关研究机构的高度重视，但到目前为止仍未有效地解决气化炉烧嘴易损坏、寿命短的问题。

加压气流床气化炉从启动到运行、停炉的整个过程中：点火预热时600～1000℃的高温阶段、气化反应时1700℃的高温阶段和停车时从1700℃高温开始的高温下降阶段，这三个阶段均会对烧嘴造成高温损坏，尤其是烧嘴头部（烧嘴最接近炉内火焰的部分），由于其工作环境最为恶劣，往往最先损坏。对于气化烧嘴的损坏，由于无法观察到烧嘴喷头被损坏的过程，因此，人们在很长时间内无法了解高温烧损和磨损中哪一种为烧嘴喷头损坏的主要原因。但通过近年来引进的一部分内冷式烧嘴已创造一年以上使用寿命的情况分析，由于内冷式烧嘴的特点是散热比较快和均匀，烧嘴不易烧坏，寿命变长，证明了烧嘴的损坏是烧坏先于磨坏。因此，解决烧嘴喷头部的高温损坏问题，也就成了延长烧嘴寿命的一个主要方面。

当前，对于如何解决烧嘴头部温度过高的问题，一般有两种方法，一是研制出新型的高温材料，同时，在高温部件的表面涂上防热涂层来提高材料的性能；二是采用合理的冷却方法对热端部件进行冷却，可以研究出新型的冷却方法或者对现有的冷却技术进行改造以提高其冷却潜力。

窄通道换热技术是利用传热学原理，将热量从热流体传给冷流体的，冷热流体分别在固体壁面的两侧流过，热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。当换热流道尺寸小于3mm时，气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大尺寸，通道越小，这种尺寸效应越明显。当管内径到0.5～1mm时，对流换热系数可增大50%～100%。由于窄通道换热结构紧凑、体积小、换热效果好，已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。将这种强化传热技术用于空调换热器,适当改变换热器结构、工艺及空气侧的强化传热措施,预计可有效增强空调换热器的传热、提高其节能水平。如果将该技术应用于气化烧嘴的冷却过程中，可以强化冷却水对烧嘴（尤其是烧嘴的头部）的冷却作用，从而避免烧嘴因高温烧蚀而损坏，有效延长烧嘴的使用寿命。

另外，通过对各类气化炉烧嘴的对比研究发现，气化效率的高低取决于两方面因素—雾化和混合。通常情况下，两者难以同时得到满足，尤其是自上而下单喷嘴喷射的情况下，原料进口与工艺气在同一轴线上，容易导致物料走短路，造成原料利用效率降低。因此，改进、优化烧嘴结构几何参数，使得气化过程的雾化与混合同时达到优良，对提高气化炉的气化效率至关重要。

综上所述，解决气化炉烧嘴头部冷却和烧嘴的高效雾化混合的问题，是提高目前气化床气化烧嘴使用性能的关键所在。因此，开发先进的高效雾化混合的冷却效果好、长寿命的气化烧嘴是实现我国煤气化技术高效性和可靠性的关键技术途径之一。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴，克服现有技术的气化烧嘴技术的烧嘴冷却效果差、寿命较短、雾化和混合性能不能同时达到良好效果等缺陷。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴，包括中心气化剂通道1，与中心气化剂通道1同轴并依次套装在其外的燃料通道3和外气化剂通道4，布置在中心气化剂通道1和燃料通道3之间、燃料通道3和外气化剂通道4之间以及外气化剂通道4外侧的冷却水通道2；

所述冷却水通道2由若干窄通道2-1构成，即由若干截面积较小的通道组成；所述冷却水通道2内采用高压冷却水，以窄通道强制对流换热及热传导的方式对中心气化剂通道1、燃料通道3和外气化剂通道4以及冷却水通道2自身的金属壁面进行冷却；

高压冷却水从所述窄通道2-1的出口以冲击射流的形式高速喷出，冲击喷射到中心气化剂通道1、燃料通道3和外气化剂通道4以及冷却水通道2自身的的出口处，以强制冲击对流换热和相变换热的方式对其进行冷却。

优选地，窄通道2-1的出口采用收缩喷嘴结构，以提高其出口高压冷却水的射流流速，进一步提高其对烧嘴各个出口的冷却作用。

所述中心气化剂通道1和外气化剂通道4内分别布置有内旋流叶片6和外旋流叶片5，所述内旋流叶片6和外旋流叶片5的叶片倾斜方向相反。

所述外气化剂通道4出口的旋流强度大于中心气化剂通道1出口的旋流强度。

所述冷却水通道2内的冷却水压力高于气化炉内的操作压力。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明采用窄通道强化换热与喷射冷却相结合的方式对烧嘴进行高效冷却。冷却水流入窄通道后，流速急剧增大，与壁面的对流换热系数迅速增大，以强制对流换热和热传导的方式对中心气化剂通道、燃料通道和外气化剂通道及窄通道自身的金属壁面进行有效冷却；冷却水流过窄通道后，从窄通道出口以高速冲击射流喷出，通过将高压冷却水喷射到中心气化剂通道、燃料通道和外气化剂通道及冷却水通道自身的出口处，以相变汽化换热和强制冲击对流换热的方式对其进行冷却，迅速降低其温度。综上所述，本发明可以更好的使烧嘴（尤其是烧嘴的头部）的温度保持在所需的合适温度范围，从而解决了现有烧嘴喷头部因受炉内高温热辐射和热气流烘烤而产生的高温氧化和超温烧蚀等问题，使烧嘴能稳定运行，延长烧嘴使用寿命。

2、所述冷却水为高压并经过去杂质处理的纯净水，与烧嘴换热后，部分汽化为水蒸气，随总气流进入气化炉内部，经过进一步换热后，全部转化为水蒸气，在气化炉的反应区作为气化剂与燃料进行反应。

3、所述冷却水通道内的冷却水流量，可根据炉内工况的变化而改变流量，从而，增强或减弱其对烧嘴的冷却作用，保持喷嘴（尤其是烧嘴的头部）温度在合适范围，避免烧嘴因炉内工况不稳定而烧蚀损坏。

4、冷却通道内的窄通道结构具有均流作用，确保冷却水在冷却水通道内均匀分布流动，使其对烧嘴的冷却作用均匀，减小热偏差，避免因冷却不均、局部过热而导致烧嘴损坏。

5、烧嘴的中心气化剂通道和外气化剂通道内，均布置有旋流叶片，使内、外气化剂通道的出口气流皆为强烈旋流，但是，内、外通道的气流旋转方向相反，这样有利于气化剂的雾化，并强化了气化剂与燃料的混合作用，使气化剂与燃料能充分、均匀混合。

6、所述的喷射冷却水喷射出烧嘴后，不会流淌到炉膛内壁上，而是随总气流进入到气化炉的内部，并被炉内高温转化为水蒸汽。因此，不会对炉内水冷壁挂渣层或炉膛耐火材料造成损坏，而且产生的水蒸汽还可以在气化炉内反应区作为气化反应所需的气化剂。

7、外气化剂通道出口的旋流强度大于内气化剂通道出口的旋流强度，使气化剂和燃料混合后的总体气流成旋流状态，延长了燃料在气化炉内的停留时间，使气化反应更充分，提高了气化炉的整体效率。

8、冷却水通道内的冷却水压力高于气化炉内的操作压力，从而避免在烧嘴损坏的时候，炉内高温高压气体从烧嘴向外泄露，提高了系统的安全性。

附图说明

图1为本发明窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴的总体结构示意图。

图2为本发明窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴的冷却水通道结构示意图。

图3为图2A处的的局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴，包括中心气化剂通道1，与中心气化剂通道1同轴并依次套装在其外的燃料通道3和外气化剂通道4，布置在中心气化剂通道1和燃料通道3之间、燃料通道3和外气化剂通道4之间以及外气化剂通道4外侧的冷却水通道2。

所述燃料通道3内的燃料为水煤浆或干煤粉；

所述中心气化剂通道1和外气化剂通道4内的气化剂为水蒸气、二氧化碳或两者的混合物。

优选地，为了使通道的进水更加均匀，每个所述冷却水通道2采用两个及以上进水口。

所述冷却水通道2内的冷却水压力高于气化炉内的操作压力。

所述冷却水通道2内采用高压冷却水，以微通道强制对流换热及热传导的方式对中心气化剂通道1、燃料通道3和外气化剂通道4以及冷却水通道2自身的金属壁面进行冷却；

所述冷却水通道2由若干窄通道2-1构成，即由若干截面积较小的通道组成；

如图2和图3所示，高压冷却水从所述窄通道2-1的出口以冲击射流的形式高速喷出，冲击喷射到中心气化剂通道1、燃料通道3和外气化剂通道4以及冷却水通道2自身的的出口处，以强制冲击对流换热和相变换热的方式对其进行冷却。

优选地，窄通道2-1的出口采用收缩喷嘴结构，以提高其出口高压冷却水的射流流速，进一步提高其对烧嘴各个出口的冷却作用。

优选地，每个所述冷却水通道2由2个及以上的窄通道2-1构成，窄通道2-1的个数根据烧嘴的设计负荷和具体工作环境的冷却需求来确定；

优选地，所述窄通道2-1的最大截面宽度不大于4mm；

所述中心气化剂通道1和外气化剂通道4内分别布置有内旋流叶片6和外旋流叶片5，所述内旋流叶片6和外旋流叶片5的叶片倾斜方向相反。

所述外气化剂通道4出口的旋流强度大于中心气化剂通道1出口的旋流强度。

冷却水系统工作原理：高压冷却水系统从冷却水通道2的进水口流入，然后在进入冷却水通道2内的若干窄通道2-1。高压冷却水流入窄通道2-1后，流速急剧增大，与壁面的对流换热系数迅速增大，以强制对流换热和热传导的方式对中心气化剂通道1、燃料通道3和外气化剂通道4及窄通道2-2自身的金属壁面进行有效冷却。高压冷却水流过窄通道2-1后，从窄通道2-1出口以高速冲击射流的形式喷出，通过将高压冷却水冲击喷射到中心气化剂通道1、燃料通道3和外气化剂通道4及冷却水通道2自身的出口处，以相变汽化换热和对流换热的方式对其进行冷却，迅速降低其温度。

Claims (4)

1.一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴，其特征在于：包括中心气化剂通道(1)，与中心气化剂通道(1)同轴并依次套装在其外的燃料通道(3)和外气化剂通道(4)，布置在中心气化剂通道(1)和燃料通道(3)之间、燃料通道(3)和外气化剂通道(4)之间以及外气化剂通道(4)外侧的冷却水通道(2)；

所述冷却水通道(2)由若干窄通道(2-1)构成，即由若干最大截面宽度不大于4mm的通道组成；

所述冷却水通道(2)内采用高压冷却水，以窄通道强制对流换热及热传导的方式对中心气化剂通道(1)、燃料通道(3)和外气化剂通道(4)以及冷却水通道(2)自身的金属壁面进行冷却；

高压冷却水从所述窄通道(2-1)出口以冲击射流的形式高速喷出，冲击喷射到中心气化剂通道(1)、燃料通道(3)和外气化剂通道(4)以及冷却水通道(2)自身的的出口处对其进行冷却；

所述中心气化剂通道(1)和外气化剂通道(4)内分别布置有内旋流叶片(6)和外旋流叶片(5)，所述内旋流叶片(6)和外旋流叶片(5)的叶片倾斜方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴，其特征在于：所述窄通道(2-1)的出口采用收缩喷嘴结构。

3.根据权利要求1所述的一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴，其特征在于：所述外气化剂通道(4)出口的旋流强度大于中心气化剂通道(1)出口的旋流强度。

4.根据权利要求1所述的一种窄通道喷射冷却的气化工艺烧嘴，其特征在于：所述冷却水通道(2)内的冷却水压力高于气化炉内的操作压力。