CN108485714B - 一种内置水冷壁的一体式工艺烧嘴喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内置水冷壁的一体式工艺烧嘴喷嘴。该烧嘴喷嘴为整体式单体结构，设有第一氧气管、水煤浆管和管壁内置水夹套的第二氧气管；各管壁之间设有连接结构连接，连接结构与喷嘴轴线夹角不大于45°；连接结构截面可以是矩形、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、第二氧气管内壁入口端面、冷却管隔板端面和冷却管外壁底端面距离烧嘴喷嘴顶端面——即出口端面——的距离依次等距离减小。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，以轴线重合和按前述顺序由内到外逐层嵌套的方式构成。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上的内置冷却流道为夹层结构，即“第二氧气喷嘴内管壁-内冷却流道-隔板-外冷却流道-第二氧气喷嘴外管壁”三重夹层结构，在第二氧气喷嘴喷口处，内、外冷却流道连通；冷却管壁与隔板之间沿圆周设置数个与烧嘴轴线呈一定角度的连接结构。
S5、喷嘴进料口处呈阶梯状，第一氧气喷嘴进气口端面、水煤浆喷嘴进料口端面、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，相邻台阶的高度差不超过20mm。
S6、所述三个喷嘴管壁之间和夹层冷却流道管壁与隔板之间的连接结构，其特征包括：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，较优优选择为4个、5个或者6个；
S7、所述连接结构，其特征为：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°；
S8、所述连接结构，其特征为：连接结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；
S9、所述新型水煤浆烧嘴喷嘴，其特征在于：制造工艺为激光选区熔化技术；
S10、所述新型水煤浆烧嘴喷嘴所用的材料为：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。
本发明主要是通过在三个功能喷嘴和冷却通道管壁之间设置连接结构，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为本发明中连接结构的矩形截面示意图。
图3为本发明中连接结构的圆形截面示意图。
图4为本发明中连接结构的椭圆形截面示意图。
图5为本发明中连接结构的最优截面形——拉长雨滴形截面示意图。
图6为本发明中连接结构的分布示意图。
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头包括：第一氧喷管1，水煤浆喷管2，第二氧喷管3，内置于第二氧喷管壁上的冷却道4，冷却道隔板5，第一氧喷管1与水煤浆喷管2之间的连接梁6，水煤浆喷管2与第二氧喷管3之间的连接梁7，第二氧喷管3内壁、外壁和冷却通道隔板5之间的连接梁8。
冷却道4的截面呈倒U形，其中靠近喷头轴心内侧的冷却道为进水通道，外侧通道为出水通道。
11标识的是水煤浆喷管出口到烧嘴喷头顶端面的距离，12标识的是第一氧喷管到烧嘴喷头之间的距离；13标识的是冷却道外壁入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离，14标识的是冷却道隔板下端面到烧嘴喷头顶端面的距离，15标识的是第二氧喷管内壁下端面到烧嘴喷头顶端面的距离，16标识的是水煤浆喷管入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离，17标识的是第一氧喷管入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离。距离13、14、15、16和17依次等距离增加，相邻两个距离相差不超过20mm，不小于1mm，本实施方案采用10mm。18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。
第一氧喷管、水煤浆喷管和第二氧喷管，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。
连接梁6、7和8所起作用主要是连接和固定烧嘴各喷管位置形成一体，并起到加强强度的作用，因此可以采用图2所示矩形、图3所示圆形和图4所示椭圆形，其中椭圆形的大半径与喷头轴线平行。同时考虑到喷管内存在流体运动，为减小连接梁对流体的阻力，截面的最优形状为流线型，本实施例选择了拉长的水滴形，水滴高度12mm，如图5所示。
本发明烧嘴喷头基本形状为切尖的圆锥体，沿圆周方向各部位受热和力基本一致，因此各通道内的连接梁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。本实施方案优化采用每个通道内设置4个，90°均匀分布，如图6所示。
由于增材制造过程中产品存在较强的内应力，产品设计中每一个锐角夹角都是一个裂纹源。因此，连接梁与各喷管壁的连接处要进行倒圆角处理，消除锐角尖角。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头包括：第一氧喷管1，水煤浆喷管2，第二氧喷管3，内置于第二氧喷管壁上的冷却道4，冷却道隔板5，第一氧喷管1与水煤浆喷管2之间的连接梁6，水煤浆喷管2与第二氧喷管3之间的连接梁7，第二氧喷管3内壁、外壁和冷却通道隔板5之间的连接梁8。
冷却道4的截面呈倒U形，其中靠近喷头轴心内侧的冷却道为进水通道，外侧通道为出水通道。
11标识的是水煤浆喷管出口到烧嘴喷头顶端面的距离，12标识的是第一氧喷管到烧嘴喷头之间的距离；13标识的是冷却道外壁入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离，14标识的是冷却道隔板下端面到烧嘴喷头顶端面的距离，15标识的是第二氧喷管内壁下端面到烧嘴喷头顶端面的距离，16标识的是水煤浆喷管入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离，17标识的是第一氧喷管入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离。距离13、14、15、16和17依次等距离增加，相邻两个距离相差不超过20mm，不小于1mm，本实施方案采用10mm。18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55°角。
第一氧喷管、水煤浆喷管和第二氧喷管，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。
连接梁6、7和8所起作用主要是连接和固定烧嘴各喷管位置形成一体，并起到加强强度的作用，因此可以采用图2所示矩形、图3所示圆形和图4所示椭圆形，其中椭圆形的大半径与喷头轴线平行。同时考虑到喷管内存在流体运动，为减小连接梁对流体的阻力，截面的最优形状为流线型，本实施例选择了拉长的水滴形，水滴高度20mm，如图5所示。
本发明烧嘴喷头基本形状为切尖的圆锥体，沿圆周方向各部位受热和力基本一致，因此各通道内的连接梁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。本实施方案优化采用每个通道内设置6个，间隔60°均匀分布。
由于增材制造过程中产品存在较强的内应力，产品设计中每一个锐角夹角都是一个裂纹源。因此，连接梁与各喷管壁的连接处要进行倒圆角处理，消除锐角尖角。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CoCrMo材料进行制造，材料成分如表1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头包括：第一氧喷管1，水煤浆喷管2，第二氧喷管3，内置于第二氧喷管壁上的冷却道4，冷却道隔板5，第一氧喷管1与水煤浆喷管2之间的连接梁6，水煤浆喷管2与第二氧喷管3之间的连接梁7，第二氧喷管3内壁、外壁和冷却通道隔板5之间的连接梁8。
冷却道4的截面呈倒U形，其中靠近喷头轴心内侧的冷却道为进水通道，外侧通道为出水通道。
11标识的是水煤浆喷管出口到烧嘴喷头顶端面的距离，12标识的是第一氧喷管到烧嘴喷头之间的距离；13标识的是冷却道外壁入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离，14标识的是冷却道隔板下端面到烧嘴喷头顶端面的距离，15标识的是第二氧喷管内壁下端面到烧嘴喷头顶端面的距离，16标识的是水煤浆喷管入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离，17标识的是第一氧喷管入口端面到烧嘴喷头顶端面的距离。距离13、14、15、16和17依次等距离增加，相邻两个距离相差不超过20mm，不小于1mm，本实施方案采用10mm。18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。
第一氧喷管、水煤浆喷管和第二氧喷管，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。
连接梁6、7和8所起作用主要是连接和固定烧嘴各喷管位置形成一体，并起到加强强度的作用，因此可以采用图2所示矩形、图3所示圆形和图4所示椭圆形，其中椭圆形的大半径与喷头轴线平行。同时考虑到喷管内存在流体运动，为减小连接梁对流体的阻力，截面的最优形状为流线型，本实施例选择了拉长的水滴形，水滴高度20mm，如图5所示。
本发明烧嘴喷头基本形状为切尖的圆锥体，沿圆周方向各部位受热和力基本一致，因此各通道内的连接梁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。本实施方案优化采用每个通道内设置5个，间隔72°均匀分布。
由于增材制造过程中产品存在较强的内应力，产品设计中每一个锐角夹角都是一个裂纹源。因此，连接梁与各喷管壁的连接处要进行倒圆角处理，消除锐角尖角。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 (3)
1.一种内置水冷壁的一体式工艺烧嘴喷嘴，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的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固定；喷嘴进料口处呈阶梯状，第一氧气喷嘴进气口端面、水煤浆喷嘴进料口端面、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；所述第二氧气喷嘴管壁上的内置冷却流道为夹层结构，所述夹层结构为第二氧气喷嘴内管壁-内冷却流道-隔板-外冷却流道-第二氧气喷嘴外管壁的三重夹层结构，在第二氧气喷嘴喷口处，内、外冷却流道连通；冷却管壁与隔板之间沿圆周设置数个与烧嘴轴线呈一定角度的连接结构；冷却道的截面呈倒U形，其中靠近喷头轴心内侧的冷却道为进水通道，外侧通道为出水通道；所述连接结构垂直于喷嘴径向的截面为水滴形，所述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；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°；制造工艺为激光选区熔化技术；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。
2.权利要求1所述一种内置水冷壁的一体式工艺烧嘴喷嘴，其特征在于：所述一体式工艺烧嘴喷嘴进料口处的阶梯，相邻台阶的高度差不超过20mm。
3.权利要求1所述一种内置水冷壁的一体式工艺烧嘴喷嘴，其特征在于：所述连接结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。
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