CN110079363A - 石油焦高温气化喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石油焦高温气化喷嘴，具有由内至外同轴设置的氧气喷管、内层冷却夹套与石油焦粉喷管，其中：氧气喷管的上部为氧气进口，下部竖直延伸并形成氧气出口；内层冷却夹套上部形成有内层冷却剂进口与内层冷却剂出口，下部竖直延伸至氧气喷管底部位置并密封；在内层冷却夹套的外部同轴地设有石油焦导向旋转叶片；在石油焦粉喷管上部设有数个石油焦进料斜管，石油焦粉喷管的下部竖直延伸至内层冷却夹套底部位置处而形成环隙，石油焦粉喷管的内壁与石油焦导向旋转叶片形成径向密封接触。内层冷却夹套能够控制喷嘴内部温度，防止超温变形，避免磨损，防止石油焦粉流动不畅，延长喷嘴使用寿命。

Description

石油焦高温气化喷嘴
技术领域
本发明涉及石油焦高温高压气流床反应器气化技术领域，具体涉及一种气化喷嘴。
背景技术
石油焦作为炼油过程中的副产物，随着全球原油加工量的不断上升，石油焦产量也在不断地增长。近几年随着国际原油劣质化和重质化，高硫石油焦的产量占石油焦总产量的比例迅速上升，且近年石油焦增加的产量绝大部分是高硫石油焦。当今炼油厂正在研究各种更可行、更具经济价值的石油焦处理方案，目前比较有效的利用方式是将其作为原料燃烧或者气化。
目前，燃烧石油焦这种利用方式存在若干问题，比如高硫石油焦用作水泥窑炉、循环流化床锅炉等燃料时，燃烧效率较低、飞灰中的含碳量高，硫化物、氮氧化物等污染物排放量大，造成环保处理投资费用高等问题。而石油焦气化是一种更高效且环保的利用方式。石油焦气化工艺是把石油焦中的碳、氢元素通过高温非催化部分氧化工艺转化为合成气(主要组分是氢气和一氧化碳)。气化反应的还原气氛下氮氧化物不易生成，99％的原料硫可转化为硫化氢气体，可将其进行脱除并回收，避免了环境的污染，污染物资源化利用，提高经济效益。
石油焦气化的难点在于其反应活性非常低，由于其经过～500℃左右的焦化处理，具有石墨化程度高、孔隙率低、挥发分低的特点，气化反应活性远低于常规的含碳气化反应原料。为了提高石油焦的气化反应转化率目前的途径是提高反应温度(>1400℃)，以及使物料快速与气化剂混合并同时减少返混。
气化喷嘴是气流床气化反应器的核心设备之一，喷嘴的结构和操作条件对反应器内的浓度、流场及物料的停留时间均有影响。而且，喷嘴的性能在很大程度上决定了气化反应器能否安全，稳定和经济的运行。除此之外适用于石油焦气化的喷嘴需要耐高温，强化物料混合传质，减少返混，提高石油焦气化反应转化率等功能。
发明内容
为了解决石油焦反应活性低的气化难题，本发明提供了一种石油焦高温气化喷嘴，其结构简单，耐高温且能使物料快速与气化剂混合并同时减少返混，并提高石油焦气化反应转化率，能安全，稳定的运行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：具有由内至外同轴设置的氧气喷管、内层冷却夹套与石油焦粉喷管，其中：
氧气喷管的上部为氧气进口，下部竖直延伸并形成氧气出口；
内层冷却夹套上部形成有内层冷却剂进口与内层冷却剂出口，下部竖直延伸至氧气喷管底部位置并密封；在内层冷却夹套的外部同轴地设有石油焦导向旋转叶片；
在石油焦粉喷管上部设有数个石油焦进料斜管，石油焦粉喷管的下部竖直延伸至内层冷却夹套底部位置处而形成环隙，石油焦粉喷管的内壁与石油焦导向旋转叶片形成径向密封接触。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：在环隙的内侧与外侧分别设有石油焦喷嘴内锥与石油焦喷嘴外锥。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：石油焦喷嘴内锥的锥角范围为30°至50°，石油焦喷嘴外锥的锥角范围为60°至70°。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：石油焦导向旋转叶片的下部竖直延伸至氧气喷管底部位置，石油焦导向旋转叶片的匝数为3-5匝，螺旋角的角度范围为60°至75°。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：在石油焦粉喷管外部同轴地设有辅助气化剂喷管，辅助气化剂喷管的上部设有辅助气化剂进气口，下部竖直延伸至石油焦粉喷管底部位置并设有辅助气化剂锥形旋转喷嘴。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：辅助气化剂锥形旋转喷嘴的锥角范围为30°至50°。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：在辅助气化剂喷管的外部同轴地设有外层冷却夹套，外层冷却夹套的下部竖直延伸至辅助气化剂锥形旋转喷嘴底部位置，外层冷却夹套上部设有外层冷却剂进口和外层冷却剂出口。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：石油焦进料斜管的竖直夹角的范围为60°至75°，并与石油焦导向旋转叶片的螺旋角的角度相同。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：各石油焦进料斜管均与石油焦导向旋转叶片的外径圆相切。
所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：所述氧气喷管与内层冷却夹套构成进料喷嘴，所述石油焦粉喷管、辅助气化剂喷管以及外层冷却夹套构成辅助气化剂喷嘴，进料喷嘴同轴地插入辅助气化剂喷嘴中，进料喷嘴的进料喷嘴法兰和辅助气化剂喷嘴的辅助气化剂喷嘴法兰密封连接。
本发明具有如下优点：
1.石油焦粉射出雾化效果较好，并和氧气快速扩散混合提高气化反应速率，流动阻力小；
2.辅助气化剂气体快速扩散接触石油焦粉，使石油焦焦粉颗粒微观孔道尺寸扩大和数量增加，增加反应接触面积，增加气化反应速率；辅助气化剂气体在流场中起到包裹作用，形成中间气化反应高温区和外部低温区，起到减弱中间物料返混流动和保护反应器壁面的作用；
3.内层冷却夹套控制喷嘴内部温度，防止超温变形，避免磨损，防止石油焦粉流动不畅；外层冷却夹套控制外部壁面温度，延长喷嘴使用寿命；
4.进料喷嘴设置石油焦导向旋转叶片，配合石油焦粉进料斜管，使石油焦粉均匀旋转流动；进料喷嘴与辅助气化剂喷嘴可拆卸安装，便于检修和更换。
附图说明
图1是本发明提供的石油焦高温气化喷嘴的剖视图；
图2是本发明的石油焦进料斜管水平布置图；
图3是石油焦导向旋转叶片的结构示意图；
图4是辅助气化剂锥形旋转喷嘴的结构示意图。
附图标记说明：氧气喷管1；石油焦粉喷管2；石油焦导向旋转叶片3；石油焦喷嘴内锥4；内层冷却夹套5；进料喷嘴6；辅助气化剂喷管7；外层冷却夹套8；辅助气化剂锥形旋转喷嘴9；进料喷嘴法兰10；辅助气化剂喷嘴法兰11；辅助气化剂喷嘴12；石油焦喷嘴外锥13；氧气进口a；石油焦进料斜管b；辅助气化剂进气口c；内层冷却剂进口d；内层冷却剂出口e；外层冷却剂进口f；外层冷却剂出口g；锥角α；锥角β；锥角γ；夹角δ。
具体实施方式
以下将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按真实比例绘制的。
如图1所示，本发明提供一种石油焦高温气化喷嘴，由进料喷嘴6和辅助气化剂喷嘴12组成，进料喷嘴6同轴地插入辅助气化剂喷嘴12中，进料喷嘴6的进料喷嘴法兰10和辅助气化剂喷嘴12的辅助气化剂喷嘴法兰11密封连接；气流床反应器开工烘炉时，辅助气化剂喷嘴12可插入烘炉装置，待反应器温度达到进料要求时，可将烘炉装置抽出，再将进料喷嘴6插入安装。
进料喷嘴6具有位于中心轴线上的氧气喷管1，氧气喷管1的上部为氧气进口a，下部竖直延伸并形成氧气出口；在氧气喷管1外部同轴地设有内层冷却夹套5，内层冷却夹套5上部与下部均密封，上部的相对侧面上形成有内层冷却剂进口d与内层冷却剂出口e，下部竖直延伸至与氧气喷管1底部平齐；在内层冷却夹套5的外部同轴地设有石油焦导向旋转叶片3，石油焦导向旋转叶片3的下部竖直延伸至与氧气喷管1底部平齐；石油焦导向旋转叶片3的匝数可设置3-5匝，螺旋角的角度范围可设置为60°至75°。
辅助气化剂喷嘴12固定于反应器顶部，具有位于中心轴线上的石油焦粉喷管2，石油焦粉喷管2竖直延伸至与内层冷却夹套5底部平齐，其内壁与石油焦导向旋转叶片3形成径向密封接触；在石油焦粉喷管2外部同轴地设有辅助气化剂喷管7，辅助气化剂喷管7的上部与石油焦粉喷管2形成密封，并在上部的侧面设有辅助气化剂进气口c，辅助气化剂喷管7的下部竖直延伸至与石油焦粉喷管2底部平齐并设有辅助气化剂锥形旋转喷嘴9，且辅助气化剂锥形旋转喷嘴9的锥角γ的范围可设置为30°至50°；在内层冷却夹套5底部外侧设有石油焦喷嘴内锥4，石油焦喷嘴内锥4的锥角α的范围可设置为30°至50°，在辅助气化剂喷管7底部内侧设有石油焦喷嘴外锥13，且石油焦喷嘴外锥13的锥角β的范围可设置为60°至70°；在辅助气化剂喷管7的外部同轴地设有外层冷却夹套8，外层冷却夹套8的下部竖直延伸至与辅助气化剂锥形旋转喷嘴9底部平齐并且底部密封，外层冷却夹套8上部与辅助气化剂喷管7形成密封，并在外层冷却夹套8上部的相对两侧设有外层冷却剂进口f和外层冷却剂出口g。
其中，石油焦粉喷管2上部优选可设置4至8个石油焦进料斜管b。石油焦进料斜管b的竖直夹角δ的范围可设置为60°至75°，并且最好与石油焦导向旋转叶片3的螺旋角相同；而且各石油焦进料斜管b均与石油焦导向旋转叶片3的外径圆相切为宜。
而且优选情况下，辅助气化剂锥形旋转喷嘴9、石油焦喷嘴内锥4以及石油焦喷嘴外锥13三者的底部平齐。
本发明使用时，石油焦粉平均粒径优选为0.1mm，以速度3m/s至8m/s由石油焦进料斜管b均匀进入石油焦粉喷管2，并沿着石油焦导向旋转叶片3旋转向下流动，最后从石油焦喷嘴内锥4与石油焦喷嘴外锥13构成的环隙中旋转射流而出，射流气速20m/s至30m/s；氧气从氧气进口a进入，沿着氧气喷管1向下流动，最后从石油焦喷嘴内锥4的中心处射流喷出，射流气速70m/s至100m/s。这样石油焦粉射出雾化效果较好，并和氧气快速扩散混合提高气化反应速率，流动阻力较小。
与此同时，辅助气化剂气体可选用过热蒸汽，由辅助气化剂进气口c进入辅助气化剂喷管7，最后从辅助气化剂锥形旋转喷嘴9射出，射流气速30m/s至40m/s。这样过热蒸汽快速扩散接触石油焦粉，使石油焦焦粉颗粒微观孔道尺寸扩大和数量增加，增加反应接触面积，增加气化反应速率；在流场中过热蒸汽起到包裹作用，流场中间形成气化反应高温区(>2500℃)和流场外部形成低温区(1400℃)，起到减弱中间物料返混流动和保护反应器壁面的作用。
其中，冷却剂可选用脱氧水，分别从内层冷却剂进口d和外层冷却剂进口f进入，换热后分别从内层冷却剂出口e和外层冷却剂出口g流出。这样，内层冷却夹套5能够控制喷嘴内部温度，防止超温变形，避免磨损，防止石油焦粉流动不畅，而外层冷却夹套8能够控制外部壁面温度，延长喷嘴使用寿命。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：具有由内至外同轴设置的氧气喷管、内层冷却夹套与石油焦粉喷管，其中：
氧气喷管的上部为氧气进口，下部竖直延伸并形成氧气出口；
内层冷却夹套上部形成有内层冷却剂进口与内层冷却剂出口，下部竖直延伸至氧气喷管底部位置并密封；在内层冷却夹套的外部同轴地设有石油焦导向旋转叶片；
在石油焦粉喷管上部设有数个石油焦进料斜管，石油焦粉喷管的下部竖直延伸至内层冷却夹套底部位置处而形成环隙，石油焦粉喷管的内壁与石油焦导向旋转叶片形成径向密封接触。
2.根据权利要求1所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：在环隙的内侧与外侧分别设有石油焦喷嘴内锥与石油焦喷嘴外锥。
3.根据权利要求2所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：石油焦喷嘴内锥的锥角范围为30°至50°，石油焦喷嘴外锥的锥角范围为60°至70°。
4.根据权利要求1所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：石油焦导向旋转叶片的下部竖直延伸至氧气喷管底部位置，石油焦导向旋转叶片的匝数为3-5匝，螺旋角的角度范围为60°至75°。
5.根据权利要求1所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：在石油焦粉喷管外部同轴地设有辅助气化剂喷管，辅助气化剂喷管的上部设有辅助气化剂进气口，下部竖直延伸至石油焦粉喷管底部位置并设有辅助气化剂锥形旋转喷嘴。
6.根据权利要求5所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：辅助气化剂锥形旋转喷嘴的锥角范围为30°至50°。
7.根据权利要求5所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：在辅助气化剂喷管的外部同轴地设有外层冷却夹套，外层冷却夹套的下部竖直延伸至辅助气化剂锥形旋转喷嘴底部位置，外层冷却夹套上部设有外层冷却剂进口和外层冷却剂出口。
8.根据权利要求1所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：石油焦进料斜管的竖直夹角的范围为60°至75°，并与石油焦导向旋转叶片的螺旋角的角度相同。
9.根据权利要求8所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：各石油焦进料斜管均与石油焦导向旋转叶片的外径圆相切。
10.根据权利要求7所述的石油焦高温气化喷嘴，其特征在于：所述氧气喷管与内层冷却夹套构成进料喷嘴，所述石油焦粉喷管、辅助气化剂喷管以及外层冷却夹套构成辅助气化剂喷嘴，进料喷嘴同轴地插入辅助气化剂喷嘴中，进料喷嘴的进料喷嘴法兰和辅助气化剂喷嘴的辅助气化剂喷嘴法兰密封连接。
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