CN109504457B - 撞击式混合雾化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种撞击式混合雾化装置，包括两个以上入口通道和三个以上出口通道；入口通道用于引导驱动流体和被动流体流入雾化装置；出口通道围绕雾化装置的中心轴由内向外对称排布；其中，一个以上出口通道为驱动流体通道，用于引导驱动流体流出；两个以上出口通道为被动流体通道，用于引导被动流体流出。本发明还公开了基于上述装置的撞击式混合雾化方法。本发明利用一股流体加速另一股流体，并在雾化器内部或外部以接近的动量发生撞击，实现雾化混合，不仅提升了雾化效果，而且延长了雾化装置的使用寿命。

Description

撞击式混合雾化装置及方法

技术领域

本发明涉及气化工艺领域，特别是涉及气流床气化反应器的进料与混合技术，更具体地说，是涉及一种高粘度碳氢化合物流体的雾化装置及方法。

背景技术

气化是大规模、高效、清洁利用煤炭等碳氢燃料的最有效方式，也是相关化工工艺的龙头技术。气流床气化技术，由于生产强度大、环保性强，是煤气化技术中的主流技术。气流床反应器中，煤浆或煤粉与气化剂通过雾化器高速喷入发生雾化混合。雾化器是气流床气化炉的关键设备，其雾化与控制性能是气化炉反应与操作性能的关键。

在水煤浆流体中含有固体颗粒的情况下，提高流体速度会增加对雾化器的磨损，缩短雾化器的使用寿命，因此，现有的雾化器均以气流或气力雾化装置为主，其本质为雾化气体与浆体间动量的交换。由于气体质量流率较小，且受反应计量控制，因此不得不增加气体的流速，以满足雾化的要求，这样就造成了雾化器喷出速度过快、雾化效果不理想、雾化角度难控制、反应介质在反应器中停留时间短等问题。

除了上述压力雾化方式外，目前在水煤浆气化炉雾化方式上也有采用气动剪切雾化的方式，例如，专利CA1206003A、CN2306406Y等公开了一种气流内外同时剪切水煤浆的雾化方式；专利CN1056916C公开了一种部分气体与水煤浆预先部分混合喷出，然后再通过外环气体剪切的雾化器。这类雾化器通常具有结构简单、维修方便等特点，但是也存在以下问题：

(1)火焰形状调节余地小；由于目前缺乏合适的检测手段，火焰调节结果较难预测与控制；

(2)水煤浆与氧化剂雾化器在外部混合，单纯气力剪切情况下，雾化器雾化效果不理想，喷出速度过高；

(3)水煤浆与氧化剂在雾化器内部混合，形成压力雾化情况下，混合后的多相流容易对雾化器形成冲蚀，影响雾化器的可用寿命；

(4)应用于气流床燃烧或气化情况下，雾化器端部容易形成富氧燃烧，导致局部过热，缩短部件使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提供一种撞击式混合雾化装置，它雾化效果好，使用寿命长。

为解决上述技术问题，本发明的撞击式混合雾化装置，包括两个以上入口通道和三个以上出口通道；

所述入口通道用于引导驱动流体和被动流体流入雾化装置；

所述出口通道围绕所述雾化装置的中心轴由内向外对称排布；其中，一个以上出口通道为驱动流体通道，用于引导驱动流体流出；两个以上出口通道为被动流体通道，用于引导被动流体流出。

所述出口通道的出口为沿雾化器中心轴对称布置的环隙、狭缝、圆孔中的一种或多种。

相邻的驱动流体通道和被动流体通道的出口夹角大于等于0°、小于90°，优选为0～10°，更优选为5～10°；两条被动流体通道的出口夹角为1～179°，优选为60～90°。

为了提升雾化效果，还可以在流体通道内设置能够使流体产生切向速度的构件(旋流有利于增大雾化角度，减小雾化粒径)。

为了扩大雾化装置对处理能力的适应性，通道间的阻隔构件可以沿雾化装置的喷嘴的中心轴轴向移动，以便于改变出口通道的横截面积。所述阻隔构件沿流体流动方向的直径可变，也可不变。

为了调节流场，优化流体分布，还可以在雾化装置中心轴上设置中心通道，该中心通道可以通流体(有时可以同时用作驱动流体通道，通驱动流体)，也可以为了操作方便，在中心通道内设置点火装置。

可以使用高硬度合金、氮化硅等耐磨金属或非金属材料制作雾化装置或覆盖在雾化装置外，以抵御磨蚀。为了保护雾化装置不受侵蚀或热腐蚀，可以设置加热或冷却设备，例如夹套、盘管等，利用水、导热油等介质，来加热或冷却雾化装置或流体。在面向高温环境的面可以覆盖隔热材料，以保护雾化装置。

本发明要解决的技术问题之二是提供一种基于上述雾化装置实现混合雾化的方法。

为解决上述技术问题，本发明的撞击式混合雾化方法，包括：

向驱动流体通道引入驱动流体、向被动流体通道引入被驱动流体的步骤；

驱动流体通道内的驱动流体从驱动流体通道出口喷出，对从相邻的被动流体通道流出的被驱动流体的速度进行加速的步骤；

来自各通道的流体在雾化装置的烧嘴端面内发生撞击，实现雾化混合的步骤。

所述流体的流动方式可以是连续、间歇、脉冲三种方式中的一种或多种的结合。

所述驱动流体可以是气体或液体。所述被驱动流体可以是固体颗粒流、液体或液-固悬浮流体。驱动流体优选气体，被驱动流体优选固体颗粒流或液-固悬浮流体，这样既可以降低被驱动流体的速度，又能方便控制不同流股的动量分配，有效地控制雾化形状。

不同通道中的驱动流体可以是不同种类的流体，也可以是相同种类的流体；不同通道中的被驱动流体可以是不同种类的流体，也可以是相同种类的流体。相同种类的流体在进入雾化装置前可以是单股的(进入雾化装置之后再分配)，也可以是多股的(可以与流体通道数相应)。

驱动流体的流速为1m/s～350m/s；被驱动流体的流速为0.01m/s～100m/s，且小于驱动流体的流速。驱动流体与被驱动流体在流体通道出口处撞击的角度为1～179°，增大撞击角度有利于消解沿雾化装置轴向的速度分量。

本发明要解决的技术问题之三是提供一种组合雾化系统，该系统由两个以上的上述撞击式混合雾化装置组合形成，适用于大型反应器的流体混合雾化。

本发明利用一股流体加速另一股流体，并在雾化器内部或外部以接近的动量发生撞击，实现雾化混合，相比现有的压力或气动剪切雾化方式，具有以下优点和有益效果：

1.能够在不提高流体流动速度的条件下，获得更优的雾化效果，因此能够减缓流体对雾化器的磨蚀，延长雾化器的使用寿命，特别适合于用作高粘度碳氢燃料气化反应器的进料和混合装置。例如，应用于水煤浆的燃烧或气化中，可以在不调节氧化剂/燃料比例的情况下获得更彻底的反应结果；

2.流体从不同通道喷射并发生撞击，可便于控制雾化角度与流体在雾化器出口的喷射速度，进而控制不同通道流体的动能，使发生撞击的多股流体的动能相接近，从而可以方便有效地控制雾化角度、雾化颗粒的形状、粒径和空间分布，提高气化反应器的空间利用率。

3.多通道的方式可以有效减薄流体膜的厚度，降低雾化颗粒尺寸，增强雾化效果，本发明可以将连续喷出的液膜雾化至0.01～0.1mm直径的液滴。

附图说明

图1本发明实施例1的雾化装置的剖面结构示意图。其中，(A)图为平面图；(B)图为剖面图。

图2本发明实施例2的雾化装置的剖面结构示意图。其中，(A)图为平面图；(B)图为剖面图。

图3本发明实施例3的雾化装置的剖面示意图。

图4点火装置安装示意图。

图5切向构件外形及安装示意图。

图中附图标记说明如下：

1：第一驱动流体通道

2：第二驱动流体通道

3：第一被动流体通道

4：第二被动流体通道

5：中心流体通道

6：点火装置

7：切向构件

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的雾化装置，包括第一驱动流体通道1、第二驱动流体通道2、第一被动流体通道3、第二被动流体通道4和中心流体通道5共计五个通道。

所述中心流体通道5设置在雾化装置的中心轴上，中心流体通道5的中心轴与雾化装置的中心轴重合。第一驱动流体通道1、第一被动流体通道3、第二被动流体通道4、第二驱动流体通道2依次围绕雾化装置的中心轴由内向外呈环形对称排布。

各驱动流体通道和被动流体通道的出口部位呈弧形弯曲，如图1所示，设定相邻的驱动流体通道和被动流体通道的出口夹角为α，两条被动流体通道的出口夹角为β，在本实施例中，α为5°，β为60°。

将本实施例的雾化装置用于水煤浆煤燃烧系统的气化炉。进料时，水煤浆以1～2m/s的流速(这一流速可以减少对雾化装置的磨蚀)分别进入第一被动流体通道3和第二被动流体通道4；氧气以120～180m/s的流速分别由第一驱动流体通道1和第二驱动流体通道2喷出，分别用于加速第一被动流体通道3和第二被动流体通道4的水煤浆。总氧气流量10％左右的一股氧气(中心流体)以100～120m/s的流速经中心流体通道5进入雾化装置，用于调节流场，优化流体分布。

在雾化装置出口(烧嘴端面以内)，被氧气加速的水煤浆以与氧气相近的动量与氧气发生碰撞，实现雾化混合。撞击后雾化平均粒径约为100微米，雾化张角介于45～80°之间，且粒径分布较普通煤浆烧嘴窄。

实施例2

如图2所示，本实施例的雾化装置，包括第一驱动流体通道1、第一被动流体通道3、第二被动流体通道4和中心流体通道5四个通道。

所述中心流体通道5设置在雾化装置的中心轴上，中心流体通道5的中心轴与雾化装置的中心轴重合。第一驱动流体通道1、第一被动流体通道3、第二被动流体通道4依次围绕雾化装置的中心轴由内向外呈环形对称排布。

驱动流体通道和被动流体通道的出口部位呈弧形弯曲，如图2所示，设定驱动流体通道和被动流体通道的出口夹角为α，两条被动流体通道的出口夹角为β，在本实施例中，α为5°，β为60°。

将本实施例的雾化装置用于水煤浆煤燃烧系统的气化炉。进料时，水煤浆以1～2m/s的流速分别进入第一被动流体通道3和第二被动流体通道4；氧气以120～180m/s的流速由第一驱动流体通道1喷出，用于加速第一被动流体通道3内的水煤浆，形成高速射流。总氧气流量10％左右的一股氧气(中心流体)以100～120m/s的流速经中心流体通道5进入雾化装置，用于调节流场，优化流体分布。

在雾化装置出口(烧嘴端面以内)，被氧气加速的第一被动流体通道3内的水煤浆，与氧气以及第二被动流体通道4内的水煤浆发生碰撞，实现雾化混合。雾化平均粒径约为120微米，雾化张角介于60～100°之间。

在其他实施方式中，为方便操作，也可不通中心流体，而是在雾化装置的中心流体通道5内安装一点火装置，例如高压放电装置，如图4所示，用于引燃雾化后的流体。

实施例3

如图3所示，本实施例的雾化装置，包括第二驱动流体通道2、第一被动流体通道3、第二被动流体通道4和中心流体通道5四个通道。

各通道中心轴与雾化装置的中心轴重合，并且中心流体通道5、第一被动流体通道3、第二被动流体通道4、第二驱动流体通道2依次围绕雾化装置中心轴由内向外呈环形对称排布。

对各通道形成阻隔的构件依次内缩。如图3所示，设定第二驱动流体通道2和第二被动流体通道4的出口夹角为α，两条被动流体通道的出口夹角为β，在本实施例中，α为0°，β为30°。

将本实施例的雾化装置用于水煤浆煤燃烧系统的气化炉。进料时，水煤浆以1～2m/s的流速分别进入第一被动流体通道3和第二被动流体通道4；氧气以120～180m/s的流速分别进入中心流体通道5和第二驱动流体通道2。中心流体通道5的氧气与第一被动流体通道3的水煤浆先在雾化装置腔体中进行预混加速后一同喷出(在本实施例中，中心流体通道5同时用作第一驱动流体通道)。由第二驱动流体通道2喷出的氧气对第二被动流体通道4流出的水煤浆进行加速后，一同喷出，并在雾化装置出口(烧嘴端面以内)与来自第一被动流体通道3的预混后的水煤浆发生撞击，实现雾化混合。雾化平均粒径约为120微米；雾化张角介于45～60°之间。

Claims (13)

1.一种撞击式混合雾化方法，其特征在于，所述方法使用撞击式混合雾化装置，所述装置包括两个以上入口通道和三个以上出口通道；

所述入口通道用于引导驱动流体和被动流体流入雾化装置；

所述出口通道围绕所述雾化装置的中心轴由内向外对称排布；其中，一个以上出口通道为驱动流体通道，用于引导驱动流体流出；两个以上出口通道为被动流体通道，用于引导被动流体流出；相邻的驱动流体流道和被动流体通道的出口夹角为大于等于0°且小于10°；

所述方法包括：

向驱动流体通道引入驱动流体、向被动流体通道引入被驱动流体的步骤；

驱动流体通道内的驱动流体从驱动流体通道出口喷出，对从相邻的被动流体通道流出的被驱动流体的速度进行加速的步骤；

来自各通道的流体在雾化装置的烧嘴端面内发生撞击，实现雾化混合的步骤；

其中，驱动流体与被动流体以接近的动量发生碰撞。

2.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，所述出口通道的出口为沿雾化器中心轴对称布置的环隙、狭缝、圆孔中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，两条被动流体通道的出口夹角为1～179°。

4.根据权利要求3所述的雾化方法，其特征在于，两条被动流体通道的出口夹角为60～90°。

5.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，所述出口通道间的阻隔构件能沿雾化装置喷嘴中心轴轴向移动，改变出口通道的横截面积。

6.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，所述出口通道内设置有能够使流体产生切向速度的构件。

7.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，还包括中心通道，设置在所述雾化装置的中心轴上。

8.根据权利要求7所述的雾化方法，其特征在于，所述中心通道内设置有点火装置。

9.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，还包括加热设备或冷却设备，用于加热或冷却所述雾化装置或流体。

10.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，所述流体的流动方式为连续、间歇、脉冲三种方式中的一种或多种的结合。

11.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，所述驱动流体的流速为1m/s～350m/s；所述被驱动流体的流速为0 .01m/s～100m/s，且小于驱动流体的流速。

12.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，所述驱动流体为气体或液体，所述被驱动流体为固体颗粒流、液体或液-固悬浮流体。

13.根据权利要求1所述的雾化方法，其特征在于，驱动流体与被驱动流体在流体通道出口处撞击的角度为1～179°。