CN108485713A - 一种内置冷却流道的一体式工艺烧嘴喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型一体化水煤浆烧嘴喷嘴。该烧嘴喷嘴为整体式单体结构，由第一氧气管、水煤浆管和管壁内置螺旋冷却流道的第二氧气管构成；第一氧气管与水煤浆喷嘴之间、水煤浆喷嘴与第二氧气喷嘴之间通过连接结构连接固定，连结结构的截面可以是三角形、矩形、圆形、椭圆形和水滴形；第一氧气管进气口端面、水煤浆管入口端面、双层螺旋冷却管内层的入水口端面和双层螺旋冷却管外层的出水口端面距离烧嘴喷嘴顶端面——即出口端面——的距离依次减小。本发明一体化结构，简化了烧嘴喷嘴的制造工序，消除了装配误差，提高了制造精度；内置双层螺旋冷却通道，提高了烧嘴散热效率，可以有效延长烧嘴使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于煤气化技术领域，应用于水煤浆工艺烧嘴。
背景技术
随着环境保护意识的提高，传统能源——煤炭的清洁利用迫在眉睫。煤炭气化是煤炭清洁利用的重要方向。工艺烧嘴作为水煤浆气化工艺的核心装备之一，需要在1400℃高温和含硫含氯气体火焰中传统持续工作，其使用寿命直接影响煤气化工艺的稳定和产能。
当前国内使用的工艺烧嘴结构都继承于美国德士古工艺烧嘴设计，都是由冷却水盘管，头部带有冷却腔的第二氧气喷嘴、水煤浆喷嘴和第一氧气喷嘴构成。该结构的工艺烧嘴在使用中始终存在第二氧气喷嘴喷口处龟裂、水煤浆喷嘴喷口内壁和第一氧气喷嘴喷口外壁冲蚀磨损和水冷盘管焊口破损泄漏等问题，原来使用不锈钢材质，烧嘴使用寿命不超过30天。将易龟裂和磨损的烧嘴头部更换为UMCo50或者Hayness188后，其平均使用寿命延长到了90天。但该类型喷嘴将由16个部件装配焊接制成，导致工艺烧嘴喷嘴处存在大量焊缝。 该工艺流程长，需要极高的装配精度，可靠性却不高。
增材制造技术在制造复杂结构方面具有显著优势。采用增材制造技术制造一体式工艺烧嘴，可以消除焊缝，可以将传统烧嘴上外置的冷却水排内置，提高烧嘴喷嘴的换热效率，有效提高烧嘴使用寿命。
发明内容
为了提高当前水冷盘管水煤浆工艺烧嘴的可靠性，延长其工作寿命，本发明公开了一种采用增材制造技术制造的结构优化的一体化工艺烧嘴喷嘴，其特征为：
S1、所述喷嘴为整体式单体结构，由第一氧气喷嘴、水煤浆喷嘴和管壁内置冷却流道的第二氧气喷嘴共计三个喷嘴组成。第一氧气喷嘴又称中心氧气喷嘴，位于最内层，是中心氧气的通道；水煤浆喷嘴居中位于第二层，包裹中心氧气喷嘴，其与中心氧喷嘴之间的环形缝隙为水煤浆通道；最外层是第二氧气喷嘴，其与水煤浆喷嘴之间的环形缝隙为外环氧气通道，其管壁内置冷却流道，用于冷却液流通给烧嘴喷嘴降温；三个喷嘴共轴，即以轴线重合和按前述顺序由内到外逐层嵌套的方式构成；喷嘴进料口处呈阶梯状，第一氧气喷嘴进气口端面、水煤浆喷嘴进浆口端面、内冷却流道进水口端面和外冷却流道出水口端面到第二氧气喷嘴喷口外端面的距离依次减小；
S2、以最外层第二氧气喷嘴喷口外端面为原点，位于其内的第一氧气喷嘴喷口外端面到该原点的距离大于水煤浆喷嘴喷口外端面到该原点的距离；
S3、最内层的第一氧气喷嘴与居中的水煤浆喷嘴之间和居中的水煤浆喷嘴与最外层的内置冷却流道的第二氧气喷嘴之间由连接结构进行连接固定，使三个喷嘴融合为一个整体；
S4、所述第二氧气喷嘴管壁内置的冷却流道由喷嘴喷口处连通的双层螺旋流道构成，内外层螺旋流道旋转方向相反；
S5、所述三个功能喷嘴之间的连接结构，其特征为：垂直于喷嘴半径方向的连接结构截面为矩形、圆形、椭圆形，最优为流线型，如拉长的水滴形；连接结构沿喷嘴圆周均匀分布，一周数量不少于2个，不多于10个，最优选择为4个或者5个；
S6、所述烧嘴喷嘴进料口处呈阶梯状，第一氧气喷嘴进气口端面、水煤浆喷嘴进浆口端面、内冷却流道进水口端面和外冷却流道出水口端面到第二氧气喷嘴喷口外端面的距离依次减小；
S7、所述第二氧气喷嘴管壁内置的冷却流道，特征为：垂直于其螺旋轴线的截面为三角形、半圆形或者椭圆形中的一种，最优选择为椭圆形，椭圆的长轴与烧嘴喷嘴轴线平行；
S8、所述三个功能喷嘴之间的连接结构，特征为：平行于喷嘴轴线和半径方向的连接结构的截面中远离喷口的边线与喷嘴半径方向的夹角不小于45°，不大于90°；
S9、所述三个功能喷嘴之间的连接结构与喷嘴管壁的连接处均为圆角，圆角半径不小于0.5mm，不大于5.0mm；
S10、本发明的制造工艺为：激光选区熔化技术；
S11、本发明选用的材质为：GH3625、GH4169、GH3536、UMCo50、Hayness188、CoCrMo、CoCrW和Stellite 系列合金中的任意一种，其中最优选择为CoCrMo、CoCrW和Stellite系列合金中的任意一种。
本发明主要是通过在三个功能喷嘴之间设置连接结构，使原本独立的功能喷管连接固定成为一个整体。本发明实现了冷却管路内置到第二氧气管壁内，减少了暴露在高温火焰环境中的表面积，提高了烧嘴的换热效率；一体化设计与制造方式，使各喷嘴天然保持同轴，无需装配也无焊缝，提高了产品可靠性，有利于提高使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明冷却管双层螺旋线结构示意图。
图3为本发明中连结结构的矩形截面示意图。
图4为本发明中连结结构的圆形截面示意图。
图5为本发明中连结结构的椭圆形截面示意图。
图6为本发明中连结结构的最优截面形——拉长雨滴形截面示意图。
图7为本发明中连结结构的分布示意图。
具体实施方式
实施例一
下面结合附图，对本发明的一个优选实施方案做详细描述。
如图1所示，本发明的水煤浆烧嘴喷嘴包括：第一氧气喷嘴1，水煤浆喷嘴2，第二氧喷嘴3，内置于第二氧气喷嘴管壁上的双层螺旋冷却流道内层冷却流道4，双层螺旋冷却流道外层冷却流道5，第一氧气喷嘴1与水煤浆喷嘴2之间的连接结构6，水煤浆喷嘴2与第二氧气喷嘴3之间的连接结构7。
以双层螺旋内层冷却流道4为进水流道，双层螺旋外层冷却流道5为出水流道，图2所示为冷却流道轴线螺旋示意图。
标识11是水煤浆喷嘴出口外端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识12是第一氧气喷嘴外端面到第二氧气喷嘴外端面的距离；标识12代表的距离大于标识11代表的距离。本实施例标识11的距离是3mm，标识12的距离是70mm。
13是双层螺旋冷却流道外层冷却流道5出水口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识14是双层螺旋冷却流道内层冷却流道4入水口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识15是水煤浆喷嘴2进浆口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识16是第一氧气喷嘴1进气口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离。编号13、14、15、和16代表的距离依次增加。相邻两个距离之差不大于20mm，本实施例采用相邻两个距离的差都是20mm。
17标识的是连接结构与喷嘴半径方向的夹角，一般不小于45°，本实施例采用的是45°角。
第一氧气喷嘴、水煤浆喷嘴和第二氧喷嘴，其出口均采用渐变缩口设计，以提高流体出口流速，水煤浆管还起到氧和水煤浆预混功能。
连接结构6和7所起作用主要是连接和固定三个功能喷嘴位置构成一体，并起到加强强度的作用，因此连接结构可以采用图3所示矩形、图4所示圆形和图5所示椭圆形，其中椭圆形的大半径与喷嘴轴线平行。但喷嘴内存在流体运动，为减小连接结构对流体的阻力，截面的最优形状为流线型，本实施例采用了拉长的水滴形，水滴宽度10mm，高度20mm，如图6所示。
本发明烧嘴喷嘴基本形状为切尖的圆锥体，沿圆周方向各部位受热和受力基本一致，因此煤水浆通道和第二氧气通道内的连接结构均沿圆周方向均匀分布。各通道内连接结构最少2个，左右对称设置；考虑到对流体流量的影响，最多不超过10个。水煤浆通道内的连结结构与第二氧气通道内的连接结构不一定位于同一半径截面上。本实施方案采用每个通道内设置6个连接结构，间隔60°均匀分布，两个通道的连结结构处于同一半径截面，如图7所示。
由于增材制造过程中产品存在较强的内应力，产品设计中每一个夹角都是一个裂纹源。因此，连接结构与各喷嘴壁的连接处要进行倒圆角处理，消除尖角。一般来说，倒圆角半径不小于0.5mm,不超过5mm，本实施方案中，倒圆角半径为2mm。
水煤浆工艺烧嘴的工作温度高达1400℃甚至更高，因此必须选用高温合金，可选择的材料包括：：GH3625、GH4169、GH3536、UMCo50、Hayness188、CoCrMo、CoCrW和Stellite系列合金；同时考虑到水煤浆的冲刷和高温合成气含S，所用材料需要良好的抗高温腐蚀性和抗高温耐磨性，优选材料为钴基合金，包括UMCo50、Hayness188、CoCrMo、CoCrW和Stellite 系列合金中的任意一种。本实施例选择CoCrMo材料进行制造，材料成分如表1所示。
表1 实施例一选择CoCrMo材料成分
| 牌号 | Co | Cr | Fe | Mo | Mn | C | Si |
| Co212 | 余量 | 28~30 | ≤0.5 | 5~6 | ≤1 | ≤0.02 | ≤1 |
按照上述设计要求，绘制本实施例采用的工艺烧嘴喷头三维数模，设计成形制造方案，然后将三维数模进行离散切片，每层厚度20μm，进行相关边界参数设置，导出Stl格式数模加工文件，并导入激光选区熔化设备控制计算机中，根据CoCrMo材料设置激光选区熔化的工艺参数，设置完成后检查设备各项准备工作，确认完毕后开始进行制造。
实施例二
下面结合附图，对本发明的一个优选实施方案做详细描述。
如图1所示，本发明的水煤浆烧嘴喷嘴包括：第一氧气喷嘴1，水煤浆喷嘴2，第二氧喷嘴3，内置于第二氧气喷嘴管壁上的双层螺旋冷却流道内层冷却流道4，双层螺旋冷却流道外层冷却流道5，第一氧气喷嘴1与水煤浆喷嘴2之间的连接结构6，水煤浆喷嘴2与第二氧气喷嘴3之间的连接结构7。
以双层螺旋内层冷却流道4为进水流道，双层螺旋外层冷却流道5为出水流道，图2所示为冷却流道轴线螺旋示意图。
标识11是水煤浆喷嘴出口外端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识12是第一氧气喷嘴外端面到第二氧气喷嘴外端面的距离；标识12代表的距离大于标识11代表的距离。本实施例标识11的距离是3mm，标识12的距离是70mm。
13是双层螺旋冷却流道外层冷却流道5出水口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识14是双层螺旋冷却流道内层冷却流道4入水口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识15是水煤浆喷嘴2进浆口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识16是第一氧气喷嘴1进气口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离。编号13、14、15、和16代表的距离依次增加。相邻两个距离之差不大于20mm，本实施例采用相邻两个距离的差都是20mm。
17标识的是连接结构与喷嘴半径方向的夹角，一般不小于45°，本实施例采用的是60°角。
第一氧气喷嘴、水煤浆喷嘴和第二氧喷嘴，其出口均采用渐变缩口设计，以提高流体出口流速，水煤浆管还起到氧和水煤浆预混功能。
连接结构6和7所起作用主要是连接和固定三个功能喷嘴位置构成一体，并起到加强强度的作用，因此连接结构可以采用图3所示矩形、图4所示圆形和图5所示椭圆形，其中椭圆形的大半径与喷嘴轴线平行。但喷嘴内存在流体运动，为减小连接结构对流体的阻力，截面的最优形状为流线型，本实施例采用了拉长的水滴形，水滴宽度10mm，高度20mm，如图6所示。
本发明烧嘴喷嘴基本形状为切尖的圆锥体，沿圆周方向各部位受热和受力基本一致，因此煤水浆通道和第二氧气通道内的连接结构均沿圆周方向均匀分布。各通道内连接结构最少2个，左右对称设置；考虑到对流体流量的影响，最多不超过10个。水煤浆通道内的连结结构与第二氧气通道内的连接结构不一定位于同一半径截面上。本实施方案采用每个通道内设置5个连接结构，间隔72°均匀分布，两个通道的连结结构处于同一半径截面。
由于增材制造过程中产品存在较强的内应力，产品设计中每一个夹角都是一个裂纹源。因此，连接结构与各喷嘴壁的连接处要进行倒圆角处理，消除尖角。一般来说，倒圆角半径不小于0.5mm,不超过5mm，本实施方案中，倒圆角半径为1.5mm。
水煤浆工艺烧嘴的工作温度高达1400℃甚至更高，因此必须选用高温合金，可选择的材料包括：：GH3625、GH4169、GH3536、UMCo50、Hayness188、CoCrMo、CoCrW和Stellite系列合金的任意一种；同时考虑到水煤浆的冲刷和高温合成气含S，所用材料需要良好的抗高温腐蚀性和抗高温耐磨性，优选材料为钴基合金，包括UMCo50、Hayness188、CoCrMo、CoCrW和Stellite 系列合金，本实施例选择CoCrW材料进行制造，材料成分见表2所示。
表2 实施例二选择CoCrW成分
| 牌号 | Co | C | Cr | Ni | W | Mn | Si | Fe |
| Co502 | 余量 | 1.4 | 29.0 | 3.0 | 8.5 | 0.7 | 1.5 | 3.0 |
按照上述设计要求，绘制本实施例采用的工艺烧嘴喷头三维数模，设计成形制造方案，然后将三维数模进行离散切片，每层厚度20μm，进行相关边界参数设置，导出Stl格式数模加工文件，并导入激光选区熔化设备控制计算机中，根据CoCrW材料设置激光选区熔化的工艺参数，设置完成后检查设备各项准备工作，确认完毕后开始进行制造。
实施例三
下面结合附图，对本发明的一个优选实施方案做详细描述。
如图1所示，本发明的水煤浆烧嘴喷嘴包括：第一氧气喷嘴1，水煤浆喷嘴2，第二氧喷嘴3，内置于第二氧气喷嘴管壁上的双层螺旋冷却流道内层冷却流道4，双层螺旋冷却流道外层冷却流道5，第一氧气喷嘴1与水煤浆喷嘴2之间的连接结构6，水煤浆喷嘴2与第二氧气喷嘴3之间的连接结构7。
以双层螺旋内层冷却流道4为进水流道，双层螺旋外层冷却流道5为出水流道，图2所示为冷却流道轴线螺旋示意图。
标识11是水煤浆喷嘴出口外端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识12是第一氧气喷嘴外端面到第二氧气喷嘴外端面的距离；标识12代表的距离大于标识11代表的距离。本实施例标识11的距离是3mm，标识12的距离是70mm。
13是双层螺旋冷却流道外层冷却流道5出水口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识14是双层螺旋冷却流道内层冷却流道4入水口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识15是水煤浆喷嘴2进浆口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离，标识16是第一氧气喷嘴1进气口端面到第二氧气喷嘴外端面的距离。编号13、14、15、和16代表的距离依次增加。相邻两个距离之差不大于20mm，本实施例采用相邻两个距离的差都是20mm。
17标识的是连接结构与喷嘴半径方向的夹角，一般不小于45°，本实施例采用的是45°角。
第一氧气喷嘴、水煤浆喷嘴和第二氧喷嘴，其出口均采用渐变缩口设计，以提高流体出口流速，水煤浆管还起到氧和水煤浆预混功能。
连接结构6和7所起作用主要是连接和固定三个功能喷嘴位置构成一体，并起到加强强度的作用，因此连接结构可以采用图3所示矩形、图4所示圆形和图5所示椭圆形，其中椭圆形的大半径与喷嘴轴线平行。但喷嘴内存在流体运动，为减小连接结构对流体的阻力，截面的最优形状为流线型，本实施例采用了拉长的水滴形，水滴宽度10mm，高度20mm，如图6所示。
本发明烧嘴喷嘴基本形状为切尖的圆锥体，沿圆周方向各部位受热和受力基本一致，因此煤水浆通道和第二氧气通道内的连接结构均沿圆周方向均匀分布。各通道内连接结构最少2个，左右对称设置；考虑到对流体流量的影响，最多不超过10个。水煤浆通道内的连结结构与第二氧气通道内的连接结构不一定位于同一半径截面上。本实施方案采用每个通道内设置4个连接结构，间隔90°均匀分布，两个通道的连结结构不在同一半径截面。
由于增材制造过程中产品存在较强的内应力，产品设计中每一个夹角都是一个裂纹源。因此，连接结构与各喷嘴壁的连接处要进行倒圆角处理，消除尖角。一般来说，倒圆角半径不小于0.5mm,不超过5mm，本实施方案中，倒圆角半径为2mm。
水煤浆工艺烧嘴的工作温度高达1400℃甚至更高，因此必须选用高温合金，可选择的材料包括：：GH3625、GH4169、GH3536、UMCo50、Hayness188、CoCrMo、CoCrW和Stellite系列合金；同时考虑到水煤浆的冲刷和高温合成气含S，所用材料需要良好的抗高温腐蚀性和抗高温耐磨性，优选材料为钴基合金，包括UMCo50、Hayness188、CoCrMo、CoCrW和Stellite 系列合金的任意一种。本实施例选择Stellite 6材料进行制造，表3所示为Stellite 6化学成分。
表3 实施例3化学成分
| 牌号 | Co | Cr | Fe | Mo | W | Ni | Mn | C | Si |
| Stellite 6 | 余量 | 26~32 | ≤3 | ≤1 | 3~6 | ≤3 | ≤1 | 0.9~1.4 | ≤2 |
按照上述设计要求，绘制本实施例采用的工艺烧嘴喷头三维数模，设计成形制造方案，然后将三维数模进行离散切片，每层厚度20μm，进行相关边界参数设置，导出Stl格式数模加工文件，并导入激光选区熔化设备控制计算机中，根据Stellite 6材料设置激光选区熔化的工艺参数，设置完成后检查设备各项准备工作，确认完毕后开始进行制造。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而并非是对本发明的限制。应当指出，对于本技术领域的专业技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，也可对本发明进行若干改进和修改，这些改进和修改也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：该喷嘴为整体式单体结构，由第一氧气喷嘴、水煤浆喷嘴和管壁内置冷却流道的第二氧气喷嘴共计三个喷嘴，以轴线重合和按前述顺序由内到外逐层嵌套的方式构成；以最外层第二氧气喷嘴喷口外端面为原点，位于其内的第一氧气喷嘴喷口外端面到该原点的距离大于水煤浆喷嘴喷口外端面到该原点的距离；最内层的第一氧气喷嘴与居中的水煤浆喷嘴之间和居中的水煤浆喷嘴与最外层的内置冷却流道的第二氧气喷嘴之间有环形缝隙，并由连接结构进行连接；喷嘴进料口处呈阶梯状，第一氧气喷嘴进气口端面、水煤浆喷嘴进浆口端面、内冷却流道进水口端面和外冷却流道出水口端面到第二氧气喷嘴喷口上端面的距离依次减小。
2.根据权利要求1所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：所述第二氧气喷嘴的内冷却流道和外冷却流道由双层螺旋流道构成，内外层螺旋流道旋转方向相反，并在喷嘴喷口处连通。
3.根据权利要求1所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：所述第一氧气喷嘴与水煤浆喷嘴之间、水煤浆喷嘴与第二氧气喷嘴之间，包括连接结构，此结构垂直于喷嘴径向的截面为矩形、圆形、椭圆形、水滴形中的一种；其沿喷嘴圆周均匀分布，一周数量不少于2个，不多于10个。
4.根据权利要求1所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：所述水煤浆烧嘴喷嘴进料口处的阶梯，相邻台阶的高度差不超过20mm。
5.根据权利要求1所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：所述内外冷却流道为双层螺旋流道，其螺旋轴线的截面为三角形、半圆形或者椭圆形中的一种。
6.根据权利要求3所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：所述连接机构截面上缘到喷口的边线与喷嘴半径方向的夹角不小于45°，不大于90°。
7.根据权利要求3所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：所述连接机构与管壁的连接处均为圆角，圆角半径不小于0.5mm，不大于5.0mm。
8.根据权利要求1所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：所述喷嘴的制造工艺为激光选区熔化技术。
9.根据权利要求1所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：所述喷嘴的制备材料为GH3625、GH4169、GH3536、UMCo50、Hayness188、CoCrMo、CoCrW、Stellite系列合金中的任意一种。
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