CN105271115A - 一种气态烃转化炉烧嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气态烃转化炉烧嘴，主要包括同轴设置的一中心喷管、一内环喷管、一外环喷管，以及气化剂通道、辅助气化剂通道、燃料通道和冷却系统。本发明提出的气态烃转化烧嘴应用于气态烃转化炉中，气化剂和燃料相对位置的设置不仅使得烧嘴所形成的火焰温度低且分布均匀，可在转化炉内实现无焰转化，而且装置内物料混合均匀，可以使甲烷的转化率得到提高。本发明提供的烧嘴具有结构简单、寿命长，甲烷转化率高、适用范围广等优点，具有十分广阔的应用前景。

Description

一种气态烃转化炉烧嘴
技术领域
本发明涉及一种气态烃转化工艺烧嘴。
背景技术
天然气、页岩气、煤层气、油田气、炼厂气、焦炉气、热解气等气态烃以甲烷为主要成分，是重要的基础能源和化工原料。气态烃转化制合成气是这些气态烃利用的重要技术路线之一。其中，气态烃部分氧化制备合成气技术日益受到工业界的重视。
气态烃部分氧化制备合成气过程是指，在一定温度和压力下，气态烃与气化剂(如氧气、蒸汽、二氧化碳等)通过转化炉顶部的喷嘴高速喷入转化炉内，在转化炉上部主要发生燃烧反应，为转化过程提供热量；在转化炉的下部发生转化反应。气态烃部分氧化制备合成气根据转化炉下部是否装填催化剂，可分为非催化部分氧化(无催化剂)和自热转化(有催化剂)。
烧嘴对气态烃燃料与气化剂的混合效果影响巨大，是关键设备之一。目前气态烃转化炉存在着烧嘴端部烧蚀严重、寿命短，转化炉拱顶耐火砖寿命短、易超温，以及CH4转化率不高等问题。烧嘴端部烧蚀严重主要是由于不合理的烧嘴设计导致火焰区距离烧嘴端部过近造成。一些现有技术中，在烧嘴流道设计上使得纯氧与燃料(天然气或炉内合成气)直接接触，导致氧气离开喷嘴后迅速与燃料发生反应，在烧嘴附近释放大量热量使得烧嘴端面温度过高，产生烧嘴烧蚀现象，缩短了喷嘴寿命。耐火砖寿命短问题也主要是由于烧嘴设计的不合理导致。在一些现有技术中，烧嘴采用旋流方式或者渐扩流道设计方式，导致火焰(高温区)向转化炉径向扩张，与耐火砖接触，从而引起耐火砖烧蚀。而且在现有设计中，由于热量集中在烧嘴附近释放，导致烧嘴附近温度极高，而其他区域温度较低，不利于甲烷转化反应(吸热反应)的进行。由于转化炉内物料混合不均匀，转化炉出口甲烷转化率较低。
因此，实践中迫切需要长寿命高转化率的气态烃转化烧嘴来满足系统长周期稳定安全运行。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是针对现有技术中的用于转化炉中的烧嘴在高温下寿命短、产生的火焰烧蚀耐火砖等缺陷，提供一种新的转化炉工艺烧嘴。本发明提出的转化炉工艺烧嘴通过特殊的流道设计避免了氧气与燃料直接接触，实现了无焰燃烧，使火焰区远离烧嘴端面，最高温度明显降低且温度分布均匀；本发明烧嘴产生的火焰高温区位于炉体轴线附近，避免了高温火焰与耐火砖的接触，对耐火砖起到保护作用；转化炉内物料混合均匀，可以使甲烷的转化率得到提高。本发明提出的转化炉烧嘴寿命长，气态烃转化率高，大大提高了转化炉的运行周期。具体技术方案如下：
一种气态烃转化炉烧嘴，所述烧嘴包括同轴设置的中心喷管5、内环喷管6、外环喷管7，以及气化剂通道1、辅助气化剂通道2、燃料通道3和冷却系统4；
所述中心喷管5、内环喷管6和外环喷管7由内向外依次设置，分别形成中心通道、内环通道和外环通道；
所述气化剂通道1由所述中心喷管5构成的所述中心通道组成；
所述辅助气化剂通道2由所述中心喷管5和内环喷管6构成的所述内环通道组成；
所述燃料通道3由所述外环喷管7和内环喷管6构成的所述外环通道组成。
所述中心喷管5采用直管结构；所述内环喷管6的头部采用直管结构或者渐缩结构；所述外环喷管7的头部采用直管结构或者渐缩结构。
所述内环喷管的头部采用渐缩结构时，外倾斜角α为45～90°；所述外环喷管的头部采用渐缩结构时，外倾斜角β为45～90°。
进入所述气化剂通道1的气化剂为氧气与水蒸气或者氧气与二氧化碳的混合物；进入所述辅助气化剂通道2的气化剂为水蒸气或二氧化碳。
所述气化剂通道的物流速度在60～150m/s之间，所述内环通道的物流速度在40～150m/s之间，所述外环通道的物流速度在60～150m/s之间。
所述气化剂的摩尔流量为所述气态烃摩尔流量的0.5～0.8倍；所述辅助气化剂的摩尔流量为所述气化剂摩尔流量的0.1～0.5倍。
所述气态烃是指天然气、页岩气、油田气、煤层气、炼厂气、焦炉气、热解气中的一种或其混合物。
本发明的优点在于：通过该烧嘴的使用可以使气态烃火焰温度显著降低，转化炉内温度分布更加均匀，高温区域远离喷嘴从而使得喷嘴寿命大大提高；通过该烧嘴的使用还可以使气态烃的转化率得到提高。
附图说明
图1是实施例1的气态烃转化炉烧嘴的结构示意图；
图2是距喷嘴出口1m处温度的径向分布图；
图3是转化炉轴向上的温度分布图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步详细的说明，但不限于这些实例，该领域的技术人员可以根据上述发明的内容对本发明进行非本质的改进和调整。
实施例1
如图1所示，本实施例中，所述的气态烃转化炉烧嘴包括同轴设置的一中心喷管5、一内环喷管6、一外环喷管7以及气化剂通道1、辅助气化剂通道2、燃料通道3和冷却系统4。
气化剂通道1由中心喷管5构成中心通道组成；辅助气化剂通道2由中心喷管5和内环喷管6构成内环通道组成；燃料通道3由外环喷管7和内环喷管6构成外环通道组成。
中心喷管5的头部为直管结构；内环喷管6头部的外倾斜角为75°；外环喷管7头部的外倾斜角为70°。
本实施例中，气化剂纯氧通过中心的气化剂通道1进入炉内；气化剂水蒸气通过内环通道即辅助气化剂通道2进入炉内。气态烃通过外环通道即燃料通道3进入炉内。
与气态烃烧嘴相关的参数如下：氧气纯度为99.6％，温度为220℃，压力为4.4MPag，流量为17020kg/h，气速为105m/s；水蒸气温度为320℃，压力为4.5MPag，流量为7800kg/h,气速为45m/s；天然气组成如表1所示，温度为280℃，压力为3.95MPag，流量为14826kg/h，气速为110m/s。
表1天然气组成(mol％)
组成 含量
CH4 0.8984
C2H6 0.0622
C3H8 0.0105
CO2 0.0066
N2 0.0223
与气态烃转化炉相关的参数如下：转化炉内径2m，转化炉操作压力为3.75MPag。
离烧嘴1m处温度的径向分布如图2所示，转化炉轴向的温度分布如图3所示。可以看出，火焰最高温度为1700℃，且火焰区域远离烧嘴出口。
由于氧气位于中心通道，无法与炉内高温合成气直接接触，且气化剂和燃料的进料温度均低于混合物的自点燃温度，所以氧气通过该发明的喷嘴进入转化炉后无法直接与燃料发生反应，而是需要卷吸炉内高温合成气，被高温合成气稀释和加热到自点燃温度后才能发生燃烧反应。因此，火焰区域远离喷嘴端面，从而保护了喷嘴及拱顶耐火砖。氧气的浓度在这个过程中被大大稀释，抑制了燃烧反应速率，实现了炉内无焰燃烧，大大降低了火焰温度，提高了温度分布的均匀性。转化炉内均匀的温度分布也促进了甲烷的转化。该发明中，天然气通过外通道进入炉内，使得甲烷离开喷嘴后就与高温合成气混合接触并发生反应，提高了甲烷的转化率。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的认识能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气态烃转化炉烧嘴，其特征在于，所述烧嘴包括同轴设置的中心喷管(5)、内环喷管(6)、外环喷管(7)，以及气化剂通道(1)、辅助气化剂通道(2)、燃料通道(3)和冷却系统(4)；
所述中心喷管(5)、内环喷管(6)和外环喷管(7)由内向外依次设置，分别形成中心通道、内环通道和外环通道；
所述气化剂通道(1)由所述中心喷管(5)构成的所述中心通道组成；
所述辅助气化剂通道(2)由所述中心喷管(5)和内环喷管(6)构成的所述内环通道组成；
所述燃料通道(3)由所述外环喷管(7)和内环喷管(6)构成的所述外环通道组成。
2.根据权利要求1所述的转化炉烧嘴，其特征在于，所述中心喷管(5)采用直管结构；所述内环喷管(6)的头部采用直管结构或者渐缩结构；所述外环喷管(7)的头部采用直管结构或者渐缩结构。
3.根据权利要求2所述的转化炉烧嘴，其特征在于，所述内环喷管的头部采用渐缩结构时，外倾斜角α为45～90°；所述外环喷管的头部采用渐缩结构时，外倾斜角β为45～90°。
4.根据权利要求1～3任一所述的转化炉烧嘴，其特征在于，进入所述气化剂通道(1)的气化剂为氧气与水蒸气或者氧气与二氧化碳的混合物；进入所述辅助气化剂通道(2)的气化剂为水蒸气或二氧化碳。
5.根据权利要求4所述的转化炉烧嘴，其特征在于，所述气化剂通道的物流速度在60～150m/s之间，所述内环通道的物流速度在40～150m/s之间，所述外环通道的物流速度在60～150m/s之间。
6.根据权利要求4所述的转化炉烧嘴，其特征在于，所述气化剂的摩尔流量为所述气态烃摩尔流量的0.5～0.8倍；所述辅助气化剂的摩尔流量为所述气化剂摩尔流量的0.1～0.5倍。
7.根据权利要求5或6所述的气态烃转化炉烧嘴，其特征在于，所述气态烃是指天然气、页岩气、油田气、煤层气、炼厂气、焦炉气、热解气中的一种或其混合物。
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