CN110003957B - 一种用于气流床气化炉的工艺烧嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气流床气化炉的工艺烧嘴，包括中心管，以及依次套设的第一套管、第二套管和第三套管，并在中心管内形成中心通道、在中心管与第一套管之间形成第一环形通道、在第一套管与第二套管之间形成第二环形通道、以及在第二套管与第三套管之间形成循环冷却水通道；所述中心通道内设有第三旋流组件；所述第一环形通道内设有一个分流器、多个用于输送燃料的轴向燃料通道，和第一旋流组件；所述第二环形通道内设有第二旋流组件，并且在第二旋流组件下方的烧嘴头部设有喷射器。应用本发明的工艺烧嘴，可以取消水蒸汽与氧气混在气化炉外的混合，减少了因腐蚀产生的安全事故。

Description

一种用于气流床气化炉的工艺烧嘴

技术领域

本发明涉及一种用于气流床气化炉的工艺烧嘴，特别涉及一种用于气流床气化炉中通过部分氧化反应由粉状燃料制备合成气的工艺烧嘴。

背景技术

煤的洁净与高效利用是当今能源与环境保护领域中的重大技术课题，也是我国国民经济持续发展的关键技术之一。

煤气化技术按照高温合成气冷却方式可以分为两种，一种是以荷兰壳牌(Shell)公司为代表的粉煤进料工艺(ZL02829258.8)另一种是以美国GE(原德士古(Texaco))公司为代表的水煤浆进料工艺(ZL94117093.4)。近几年国内煤化工行业得到了长足发展，也涌现出一批粉煤进料工艺路线的煤气化技术，如宁煤炉、航天炉等。

在粉煤进料工艺路线中，粉煤、氧气作为主要的原料介质，通过工艺管道输送到安装在煤气化炉上的工艺烧嘴中，在烧嘴内进行混合后并在气化炉内烧嘴头部区域进行燃烧反应，生成粗合成气。

在以上几种粉煤气化技术中，粉煤通过单独一路管线直接进入烧嘴中；而氧气则需要另与水蒸汽进行预混合后，再以混合气体的状态进入烧嘴中。氧气与水蒸汽通过各自的管线，分别进入混合器中，通过混合器内的混合内件进行混合，混合完成后并成一路，再通过一路管线送入烧嘴中。

上述氧气与水蒸汽在烧嘴前预混合的方法存在以下缺点：

1、氧气为高危气体，当带有杂质的水蒸汽与氧气混合时，易发生燃爆等事故。

2、氧气与水蒸汽混合后，在混合后的管线上的低温处，极易发生水蒸汽冷凝，从而产生氯离子腐蚀和连多硫酸腐蚀，造成管线的破坏，发生安全事故。

3、氧气与水蒸汽的混合气体对管线材料的要求非常高，从混合处开始一直到烧嘴管线及管线上设备，必须采用高合金、极低含碳量的镍基材料，而此种材料费用极高，加工困难，给装置在成本及工期上带来极大负担。

所以针对上述的缺点和弊端，取消氧气与水蒸汽进烧嘴前预混的系统，从而实现了提高安全性、简化工艺流程也是一项非常有意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于气流床气化炉的工艺烧嘴，以通过烧嘴在实现氧气和蒸汽混合的同时保证粉煤与氧气燃烧制备合成气的效果。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于气流床气化炉的工艺烧嘴，包括中心管、套于中心管外的第一套管、套设于第一套管外的第二套管、套设于第二套管外的第三套管，并在所述中心管内形成中心通道、在所述中心管与第一套管之间形成第一环形通道、在所述第一套管与第二套管之间形成第二环形通道、以及在所述第二套管与第三套管之间形成循环冷却水通道；

所述中心通道用于将氧化剂输送至烧嘴头部；并且所述中心通道内设有第三旋流组件，所述第三旋流组件用于将上方所来氧化剂形成螺旋流向并输送到烧嘴头部；

所述第一环形通道内设有一个分流器、多个用于输送燃料(例如由载气输送的煤粉)的轴向燃料通道，和第一旋流组件，其中所述分流器用于将输入所述第一环形通道的燃料沿周向均匀地分为两路并分别输入下方的轴向燃料通道；所述第一旋流组件位于第一环形通道下部，包括用于将所述第一旋流组件上方的相邻轴向燃料通道的底部出口之间的间隙封闭的封闭件，和对应于每个轴向燃料通道形成的与之相连接的螺旋燃料通道，所述螺旋燃料通道用于将与之对应的轴向燃料通道所输出的燃料以螺旋流方式输送至烧嘴头部；

所述第二环形通道用于向烧嘴头部输送水蒸汽；所述第二环形通道6内设有第二旋流组件，所述第二旋流组件位于第二环形通道下部，用于将蒸汽/高温水以螺旋流方式输送至烧嘴头部；所述第二环形通道内在第二旋流组件下方的烧嘴头部设有喷射器，所述喷射器为一圆锥环形结构，其上端设有一环形凹槽，所述环形凹槽的纵向剖面呈倒梯形，所述环形凹槽的上端面与第二环形通道在所述环形凹槽上端面处的横截面的面积相等，并且所述环形凹槽的底部设有多个均匀分布的连通所述喷射器下端面的通孔。

在本发明中，氧化剂、燃料和水蒸气在烧嘴出口端混合，为更好地实现上述混合以利于后续气化反应，优选地，所述喷射器的下端与第一套管下端平齐，并且所述喷射器的内径与外径分别与所述第二环形通道的内径与外径相等，以使所述喷射器能够正好安装在第二环形通道内；进一步优选地，所述第一套管的下端高于所述第二套管1-100mm，优选40-80mm，比如50mm、60mm或70m；所述中心管的下端高于所述第一套管1-100mm，优选40-80mm，比如50mm、60mm或70m。

根据本发明的工艺烧嘴，优选地，所述轴向燃料通道设有两个，也即所述第一环形通道内对称设有两个轴向燃料通道，且所述螺旋燃料通道的入口与所述轴向燃料通道的底部出口之间以相同的截面形状相连接，以便于保证顺利输送。

根据本发明的工艺烧嘴，优选地，所述喷射器下端面上的通孔开口面积之和为所述第二环形通道下端面积的30％-70％，以利于控制蒸汽的喷射效果，进一步优选地，所述通孔为圆形通孔，直径为5-12mm，优选7-10mm。

根据本发明的工艺烧嘴，优选地，所述工艺烧嘴还包括第一连接管、第二连接管、第三连接管和第一冷却水连接管、第二冷却水连接管；其中，所述第一连接管安装于第一套管的燃料入口并与所述第一环形通道连通，用于向第一环形通道内输入燃料；所述第二连拉管安装于第二套管的蒸汽/水入口并与所述第二环形通道连通，用于向第二环形通道内输入蒸汽/高温水；所述第三连接管安装于中心管上并与所述中心通道连通，用于向中心通道内输入氧化剂；所述第一冷却水连接管和第二冷却水连接管与所述循环冷却水通道连通，分别用于输入和输出冷却水。

根据本发明的工艺烧嘴，优选地，所述循环冷却水通道中设有一个分隔壁，所述分隔壁将所述循环冷却水通道分隔为靠近第二套管一侧的内部环形间隙和靠近第三套管一侧的外部环形间隙；所述内部环形间隙和外部环形间隙在靠近烧嘴出口端的位置连通，所述第一冷却水连接管与外部环形间隙连通以向其中供应冷却水，所述第二冷却水连接管与内部环形间隙连通以将其中的冷却水排出，以提高冷却效果同时减小对第二环形通道内物料的影响。

根据该本发明的工艺烧嘴，优选地，所述循环冷却水通道中，在所述分隔壁与第二套管之间、所述分隔壁与第三套管之间都设有导流片；所述导流片将靠近烧嘴头部的内部环形间隙和外部环形间隙分隔成连通的水平螺旋环形流道，用于将轴向方向来的冷却水变为水平周向方向以提高冷却水流速，提高冷却效果。

在本发明的工艺烧嘴的一种实施方式中，所述第二旋流组件和第三旋流组件为旋流片，其与烧嘴轴线夹角优选为15-60°，比如25°、30°或40°；所述螺旋燃料通道与烧嘴轴线夹角优选为30-75°，比如45°、60°或70°；进一步优选地，所述烧嘴头部的收缩角可以为20°-40°，比如25°或30°，以利于后续混合气化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、应用本发明的工艺烧嘴，可以取消水蒸汽与氧气混在气化炉外的混合，减少了因腐蚀产生的安全事故；

2、另外，由于无需氧气与水蒸汽的混合管线，从而极大了降低了工程建设费用。与原粉煤气化技术单台套气化炉2000吨/天投煤量的气化生产线为例相比，若采用本发明中的烧嘴，每套烧嘴进料管线系统可以省掉一台套用于蒸汽与氧气的混合器，去掉混合流程后的氧气管线长度可至少减少一半，原混合器后的镍基合金管线及其上的至少一台套截止阀、至少一台套止回阀均可采用奥氏体不锈钢来代替，从而每台套气化炉生产线可以至少节省人民币约50万元；

3、本发明的工艺烧嘴，在将蒸汽通道与氧化剂通道分开设置的同时，进一步将燃料通道设置在它们之间，并配合各通道内的旋流与水蒸汽通道内的喷射器，成功克服了将蒸汽通道与氧化剂通道分开设置的混合难点，通过本发明烧嘴的工厂运行实验，使用本发明烧嘴的气化炉的在除烧嘴(对比所用烧嘴为CN203671597U中所公开的烧嘴)以外，相同的运行条件下，有效合成气成分为93％，碳转化率为99％，与对比所用烧嘴的生产运行数据基本一致，仍然能保持优异气化效果。

附图说明

图1为本发明的工艺烧嘴的一种实施方式的示意图；

图2为图1中喷射器的一种实施方式的纵剖面示意图；

其中：1、第三连接管；2、中心管；3、中心通道；4、分流器；5、第二连接管；6、第二环形通道；7、第一冷却水连接管；8、第二套管；9、内部环形间隙；10、分隔壁；11、外部环形间隙；12、第三套管；13、第二旋流组件；14、导流片；15、喷射器；16、第三旋流组件；17、第一旋流组件；18、第二冷却水接管；19、轴向燃料通道；20、第一连接管；21、第一环形通道；22、第一套管；23、螺旋燃料通道；24、循环冷却水通道；25、水平螺旋环形流道；151、环形凹槽；152、通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明，但本发明并不仅限于此。

在本发明中，所述的“上”“下”均为参照附图中的方向而言。

如图1所示，本发明提供的工艺烧嘴，包括中心管2、套于中心管外的第一套管22、套设于第一套管22外的第二套管8、套设于第二套管8外的第三套管12，及位于中心管2外的第一连接管20、第二连接管5、第三连接管1和第一冷却水连接管7、第二冷却水连接管18；所述中心管2与第一套管22之间、第一套管22与第二套管8之间、第二套管8与第三套管12之间分别存在径向距离并形成多个环形通道。

所述中心管2内腔形成用于将氧化剂输送至烧嘴头部的中心通道3；所述第三连接管1安装于中心管2上并与所述中心通道3连通，用于向中心通道3内输入氧化剂；所述中心通道3内设有第三旋流组件16，所述第三旋流组件16用于将上方所来氧化剂的流向从直流变成螺旋流向并输送到烧嘴头部；所述第三旋流组件16位于中心通道3下部且位于烧嘴头部上方，安装固定在中心管2上并可进行拆卸更换。

所述第一连接管20安装于第一套管22上并与所述第一环形通道21连通以形成燃料入口，用于向第一环形通道21内输入燃料；所述第一环形通道21内设有一个分流器4、两个用于输送燃料的轴向燃料通道19，和第一旋流组件17，其中所述分流器4用于将输入的燃料沿周向均匀地分为两路并分别输入下方的轴向燃料通道19；所述第一旋流组件17位于轴向燃料通道19下端且位于烧嘴头部上方，包括用于将其上方相邻的轴向燃料通道19的底部出口之间的间隙封闭以防止物料进入该间隙的封闭件，和对应于每个轴向燃料通道19形成的与之相连接的螺旋燃料通道23，且所述螺旋燃料通道23的入口与所述轴向燃料通道19的底部出口之间以相同的截面形状相连接，所述螺旋燃料通道23用于将与之对应的轴向燃料通道19所输出的燃料以螺旋流方式输送至烧嘴头部。

所述第二连接管5安装于第二套管8上并与所述第二环形通道6连通以形成水蒸汽入口，用于向第二环形通道6内输入水蒸汽；所述第二环形通道6内设有第二旋流组件13，所述第二旋流13组件位于第二环形通道6下部且位于烧嘴头部上方，用于将水蒸汽以螺旋流方式输送至烧嘴头部。所述第二环形通道6内在烧嘴头部设有喷射器15，所述喷射器15的下端与第二套管8下端平齐；所述喷射器15为一圆锥环形结构，其内径与外径分别与所述第二环形通道6的内径与外径相等，以使所述喷射器15能够正好安装在第二环形通道6内。所述喷射器15的上端设有一环形凹槽151，所述环形凹槽151的纵向剖面呈倒梯形(即梯形的上端大于下端)，所述环形凹槽151的上端面与第二环形通道6在所述环形凹槽上端面处的横截面的面积相等，并且所述环形凹槽151的底部设有个均匀分布的连通喷射器15下端面的通孔152，以便连通第二环形通道6与烧嘴出口端，在本实施例中比如设置24个直径为8mm的圆形通孔152，沿所述喷射器16的下端面的中心圆均匀地分布。所述通孔152的作用是使从喷射器15喷出的蒸汽能够保持一个高的速度，例如速度可以达到90m/s，以利于后续混合气化。

所述第三套管12与第二套管8之间形成了循环冷却水通道24，以保护烧嘴，所述循环冷却水通道24延伸至烧嘴出口端。所述循环冷却水通道24中设有一个分隔壁10，所述分隔壁10将环形间隙分隔为靠近第二套管8一侧的内部环形间隙9和靠近第三套管12一侧的外部环形间隙11；所述内部环形间隙9和外部环形间隙11在靠近烧嘴出口端的位置连通，所述第一冷却水连接管7与外部环形间隙11连通以向其中供应冷却水，所述第二冷却水连接管18与内部环形间隙9连通以将其中的冷却水排出；所述循环冷却水通道24中，在分隔壁10与第二套管8外壁之间、分隔壁10与第三套管12内壁之间都设有导流片14；所述导流片14将靠近烧嘴头部的内部环形间隙9和外部环形间隙11分隔成连通的水平螺旋环形流道25，将轴向方向来的冷却水变为水平周向方向并提高冷却水流速。

所述第一套管22的下端高于所述第二套管的下端，例如在本实施例中高60mm；所述中心管2的下端高于所述第一套管的下端，例如在本实施例中高60mm。

所述第二旋流组件13和第三旋流组件16为旋流片，其与烧嘴轴线夹角可以为15-60°，例如在本实施例中的夹角为30°；所述螺旋燃料通道与烧嘴轴线夹角可以为30-75°，例如在本实施例中的夹角为65°。

运行时，氧化剂自第三连接管1进入所述中心通道3，并在靠近烧嘴头部设置的第三旋流组件16旋流后，经烧嘴出口喷出；燃料自第一连接管20进入所述第一环形通道21，经分流器4分流为两股分别进入轴向燃料通道19，出轴向燃料通道19的燃料进一步经第一旋流组件17旋流后，经烧嘴出口喷出；水蒸汽/高温水自第二连接管5进入第二环形通道6，经第二旋流组件13旋流后自喷射器15喷出，并最终与氧化剂和燃料在气化室内充分混合，以利于气化反应。冷却水自所述第一冷却水连接管7流入并自所述第二冷却水连接管8流出，以冷却保护烧嘴。

本领域技术人员理解，所述烧嘴头部是指各通道径向收缩处与烧嘴出口端之间的部分。在本发明中，所述烧嘴头部的收缩角可以为20°-40°，例如在本实施例中为25°。

以下结合实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

采用CN204848783U中公开的气化炉并将其烧嘴替换为本发明图1-2所示的上述烧嘴进行煤粉气化，稳定气化时，气化室内温度约为1600℃，气化压力约为40kg，煤粉进料量约为45吨/小时(原料煤数据见表1)，氧气进料量约为35吨/小时，水蒸汽进料量约为10吨/小时。

生产合成气(干基)约9000Nm³/h，有效气含量约93vol％，碳转化率约99％。

对比例1

与上述实施例1的区别在于，所用烧嘴为CN203671597U中所公开的烧嘴(以及相应的进料管线设置)，其余气化参数条件相同。

生产合成气(干基)约9000Nm³/h，有效气含量约93vol％，碳转化率约99％。

然而，与CN203671597U中所公开的烧嘴相比，采用本发明中的烧嘴，虽然气化性能基本相当，但每套烧嘴进料管线系统可以省掉一台套用于蒸汽与氧气的混合器，去掉混合流程后的氧气管线长度可至少减少一半，原混合器后的镍基合金管线及其上的至少一台套截止阀、至少一台套止回阀均可采用奥氏体不锈钢来代替，从而每台套气化炉生产线可以至少节省人民币约50万元。

表1

Claims (9)

1.一种用于气流床煤粉气化炉的工艺烧嘴，包括中心管(2)、套于中心管外的第一套管(22)、套设于第一套管(22)外的第二套管(8)、套设于第二套管(8)外的第三套管(12)，并在所述中心管内形成中心通道(3)、在所述中心管(2)与第一套管(22)之间形成第一环形通道(21)、在所述第一套管(22)与第二套管(8)之间形成第二环形通道(6)、以及在所述第二套管(8)与第三套管(12)之间形成循环冷却水通道(24)；

所述中心通道(3)用于将氧化剂输送至烧嘴头部；并且所述中心通道(3)内设有第三旋流组件(16)，所述第三旋流组件(16)用于将上方所来氧化剂形成螺旋流向并输送到烧嘴头部；

所述第一环形通道(21)内设有一个分流器(4)、多个用于输送煤粉的轴向燃料通道(19)，和第一旋流组件(17)，其中所述分流器(4)用于将输入所述第一环形通道(21)的燃料沿周向均匀地分为两路并分别输入下方的轴向燃料通道(19)；所述第一旋流组件(17)位于第一环形通道(21)下部，包括用于将所述第一旋流组件(17)上方的相邻轴向燃料通道(19)的底部出口之间的间隙封闭的封闭件，和对应于每个轴向燃料通道(19)形成的与之相连接的螺旋燃料通道(23)，所述螺旋燃料通道(23)用于将与之对应的轴向燃料通道(19)所输出的燃料以螺旋流方式输送至烧嘴头部；

所述第二环形通道(6)用于向烧嘴头部输送水蒸汽；所述第二环形通道(6)内设有第二旋流组件(13)，所述第二旋流组件位于第二环形通道(6)下部，用于将蒸汽/高温水以螺旋流方式输送至烧嘴头部；所述第二环形通道(6)内在第二旋流组件(13)下方的烧嘴头部设有喷射器(15)，所述喷射器(15)为一圆锥环形结构，其上端设有一环形凹槽(151)，所述环形凹槽(151)的纵向剖面呈倒梯形，所述环形凹槽的上端面与第二环形通道(6)在所述环形凹槽上端面处的横截面的面积相等，并且所述环形凹槽(151)的底部设有多个均匀分布的连通所述喷射器(15)下端面的通孔(152)；

所述喷射器(15)的下端与第一套管下端平齐，并且所述喷射器的内径与外径分别与所述第二环形通道(6)的内径与外径相等，以使所述喷射器(15)能够正好安装在第二环形通道(6)内。

2.根据权利要求1所述的工艺烧嘴，其特征在于，所述轴向燃料通道(19)设有两个，且所述螺旋燃料通道(23)的入口与所述轴向燃料通道(19)的底部出口之间以相同的截面形状相连接。

3.根据权利要求2所述的工艺烧嘴，其特征在于，所述喷射器(15)下端面上的通孔(152)开口面积之和为所述第二环形通道(6)下端面积的30％-70％。

4.根据权利要求3所述的工艺烧嘴，其特征在于，所述通孔(152)为圆形通孔，直径为5-12mm。

5.根据权利要求4所述的工艺烧嘴，其特征在于，所述通孔(152)直径为7-10mm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的工艺烧嘴，其特征在于，所述工艺烧嘴还包括第一连接管(20)、第二连接管(5)、第三连接管(1)和第一冷却水连接管(7)、第二冷却水连接管(18)；其中，所述第一连接管(20)安装于第一套管(22)的燃料入口并与所述第一环形通道(21)连通，用于向第一环形通道(21)内输入燃料；所述第二连接管(5)安装于第二套管(8)的蒸汽/水入口并与所述第二环形通道(6)连通，用于向第二环形通道(6)内输入水蒸汽；所述第三连接管(1)安装于中心管(2)上并与所述中心通道(3)连通，用于向中心通道(3)内输入氧化剂；所述第一冷却水连接管(7)和第二冷却水连接管(18)与所述循环冷却水通道(24)连通，分别用于输入和输出冷却水。

7.根据权利要求6所述的工艺烧嘴，其特征在于，所述循环冷却水通道(24)中设有一个分隔壁(10)，所述分隔壁(10)将所述循环冷却水通道分隔为靠近第二套管(8)一侧的内部环形间隙(9)和靠近第三套管(12)一侧的外部环形间隙(11)；所述内部环形间隙(9)和外部环形间隙(11)在靠近烧嘴出口端的位置连通，所述第一冷却水连接管(7)与外部环形间隙(11)连通以向其中供应冷却水，所述第二冷却水连接管(18)与内部环形间隙(9)连通以将其中的冷却水排出。

8.根据权利要求7所述的工艺烧嘴，其特征在于，所述循环冷却水通道(24)中，在所述分隔壁(10)与第二套管(8)之间、所述分隔壁(10)与第三套管(12)之间都设有导流片(14)；所述导流片(14)将靠近烧嘴头部端的内部环形间隙(9)和外部环形间隙(11)分隔成连通的水平螺旋环形流道(25)，用于将轴向方向来的冷却水变为水平周向方向以提高冷却水流速。

9.根据权利要求8所述的工艺烧嘴，其特征在于，所述第二旋流组件(13)和第三旋流组件(16)为旋流片。

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