CN103937553A - 一种新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴 - Google Patents

Abstract

一种新型射流冲击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、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；冷却水通道由进水通道和回水通道组成，在进水通道内布置有冷却水均匀分布装置；进水通道和回水通道之间通过进水通道的下部通道上的若干密排圆孔相连通；高压冷却水进入进水通道后从进水通道下部通道上的若干密排圆孔以射流的形式，冲击喷射到回水通道的壁面上，对其进行高效冷却，然后从回水通道流到冷却水通道的出水口；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

一种新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴

技术领域

本发明涉及煤气化领域，具体而言涉及一种新型射流冲击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。

射流冲击冷却是一种冷却介质以射流形式喷向被冷却部件表面以带走热量的冷却方式。在所有的强化传热技术中，冲击冷却能够最有效的提高局部传热系数。在温度较高、有大量的热量需要被吸收的表面，这一技术可以通过简单的空腔和孔板结构有效地达到冷却效果。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，开发先进的雾化混合良好的高效冷却、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新型射流冲击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：

一种新型射流冲击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之间以及布置在外气化剂通道4外的冷却水通道2；

所述冷却水通道2内采用高压冷却水，以强制射流冲击对流换热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自身的金属壁面和底部壁面进行高效冷却；

所述冷却水通道2由进水通道2-2和设置在进水通道2-2内外两侧的回水通道2-3组成，所述进水通道2-2和回水通道2-3之间通过进水通道2-2的下部通道上的若干密排圆孔2-4相连通。

优选地，所述圆孔2-4在进水通道2-2的下部通道上的分布从上到下逐渐变密，即对回水通道2-3的金属壁面的射流冲击冷却作用从上到下逐渐加强。

所述冷却水通道2的进、出水口均设置有流量监测装置。

所述进水通道2-2的上部通道内布置有冷却水均匀分布装置2-1，所述冷却水均匀分布装置2-1为孔板结构。

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、本发明采用射流冲击冷却的方式对烧嘴进行高效冷却。高压冷却水进入冷却水通道的进水通道后，从进水通道下部通道上的若干密排圆孔以射流的形式，冲击喷射到回水通道的金属壁面上和冷却水通道的底部壁面上，以冲击对流换热的形式对中心气化剂通道、燃料通道和外气化剂通道及冷却水通道自身金属壁面进行高效冷却。由于射流冲击冷却的换热作用十分强烈，可以对烧嘴内部金属壁面进行高效冷却，因而可以使烧嘴喷(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、所述冷却水通道内的冷却水流量，可根据炉内工况的变化而改变，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)的温度在合适范围，避免烧嘴因炉内工况不稳定而烧蚀损坏。

3、在所述冷却水通道的进水通道内布置有冷却水均匀分布装置，同时冷却水通道的下部通道上的密排圆孔也具有一定的均流作用，确保冷却水在水套结构内均匀分布流动，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。

4、所述冷却水通道的进、出水口皆设置流量监测装置，一旦烧嘴内冷却水发生泄露，出水口总流量就会变小，与进水口总流量相差很大，预警系统随即进行报警，以便及时组织停车处理，避免发生严重事故。

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、外气化剂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、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呈旋流状态，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。

7、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为本发明新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴的总体结构示意图。

图2为图1A处的局部放大图。

图3为本发明新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴的冷却水通道的结构示意图。

图4为本发明新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴的冷却水通道内的冷却水均匀分布装置示意图。

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，一种新型射流冲击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。

所述冷却水通道2内采用高压冷却水，以强制射流冲击对流换热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。

如图2和图3所示，所述冷却水通道2由进水通道2-2和设置在进水通道2-2两侧的回水通道2-3组成，在进水通道2-2内布置有冷却水均匀分布装置2-1。所述进水通道2-2和回水通道2-3之间通过进水通道2-2的下部通道上的若干密排圆孔2-4相连通。高压冷却水进入进水通道2-2后从进水通道2-2下部通道上的若干密排圆孔2-4以冲击射流的形式，垂直喷射到回水通道2-3的金属壁面和冷却水通道2的底部壁面上，然后从回水通道2-3流到冷却水通道2的出水口。

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。

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

所述冷却水通道2的进、出水口均设置有流量监测装置。

优选地，所述密排圆孔2-4在进水通道2-2的下部通道上的分布从上到下逐渐变密，即对回水通道2-3的金属壁面的射流冲击冷却作用从上到下逐渐加强。

优选地，所述密排圆孔2-4的直径不大于5mm，根据烧嘴的设计负荷和具体工作环境的需求来确定；

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。

如图4所示，所述冷却水均匀分布装置2-1为孔板结构，布置在进水通道2-2的上部通道内。

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。

冷却水系统工作原理：高压冷却水从冷却水通道进水口进入进水通道2-2，然后从进水通道2-2下部通道上的若干密排圆孔2-4以射流的形式，垂直冲击喷射到回水通道2-3的金属壁面和和冷却水通道2的底部壁面上，然后从回水通道2-3流到冷却水通道2的出水口。高压冷却水通过进水通道2-2下部通道上的若干密排圆孔2-4以射流的形式，垂直喷射冲击到回水通道2-3的壁面上，以强制冲击对流换热的形式对中心气化剂通道1、燃料通道3和外气化剂通道4及冷却水通道2自身的金属壁面进行有效冷却。由于射流冲击冷却的换热作用十分强烈，可以对烧嘴进行高效冷却，因而可以使烧嘴喷(尤其是烧嘴的头部)的温度保持在所需的合适温度范围，使烧嘴能稳定运行，延长烧嘴使用寿命。

Claims (7)

1.一种新型射流冲击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)之间以及布置在外气化剂通道(4)外的冷却水通道(2)；

所述冷却水通道(2)内采用高压冷却水，以强制射流冲击对流换热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)由进水通道(2-2)和设置在进水通道(2-2)内外两侧的回水通道(2-3)组成，所述进水通道(2-2)和回水通道(2-3)之间通过进水通道(2-2)的下部通道上的若干密排圆孔(2-4)相连通。

2.根据权利要求1所述的一种新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴，其特征在于：所述密排圆孔(2-4)在进水通道(2-2)的下部通道上的分布从上到下逐渐变密。

3.根据权利要求1所述的一种新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴，其特征在于：所述冷却水通道(2)的进、出水口均设置有流量监测装置。

4.根据权利要求1所述的一种新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴，其特征在于：所述进水通道(2-2)的上部通道内布置有冷却水均匀分布装置(2-1)，所述冷却水均匀分布装置(2-1)为孔板结构。

5.根据权利要求1所述的一种新型射流冲击冷却的气化工艺烧嘴，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述的一种新型射流冲击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。

7.根据权利要求1所述的一种新型射流冲击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。