CN1275848C - 多通道天然气部分氧化制合成气烧嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道天然气部分氧化制合成气烧嘴，由中心假件、气化剂导管、天然气导管、蒸汽导管和各导管相固接的相应喷口，以及冷却系统诸零部件组合而成。由于本发明的烧嘴设计了多通道结构，形成多股流体的强烈湍动，促进了氧气、天然气和蒸汽三者之间的快速均匀混合，从而提高天然气的转化率和气化炉出口合成气的有效组分含量，圆满地实现了天然气氧化制合成气。此外，通过提高气体流速和缩小喷口收缩角，降低了气化炉上部的燃烧强度；通过设置冷却系统，良好地保护了烧嘴，延长了烧嘴的使用寿命。

Description

多通道天然气部分氧化制合成气烧嘴

                        技术领域

本发明涉及一种天然气部分氧化制合成气(CO+H₂)烧嘴。

                        背景技术

部分氧化法制合成气的原料一般为渣油或水煤浆，但是随着全球原油价格的上涨和渣油深加工技术的发展，渣油供不应求，价格随之上涨，以渣油为原料生产合成气(用于合成氨、甲醇、醋酸的生产)的成本显著增加，原料路线的调整势在必行。我国西部大储量天然气田的发现和西气东输管网的建立，使辐射半径内的以渣油原料的合成氨厂客观上具备了改烧天然气的可能性。其关键是将原渣油烧嘴改为天然气烧嘴。

鉴于这一背景，有关生产厂迫切希望科研工作者对提供一种可以在现有渣油气化炉上直接用天然气作原料，通过天然气部分氧化法制合成气的烧嘴。

                             发明内容

为满足现有工厂的上述要求，发明人设计了一种多喷口的天然气部分氧化制合成气的烧嘴，它具有反应介质混合均匀，天然气转化率高，气化炉上部燃烧强度适中等优点，可满足有关厂家对天然气部分氧化制合成气烧嘴的要求。

本发明的构思是这样的，发明人在长期从事气化技术研究的基础上发现，天然气部分氧化制合成气技术的优劣主要取决于气化烧嘴的结构特性，以及烧嘴与炉体匹配形成的流场特征。

天然气部分氧化过程通常在高温(1200～1450℃)下进行，化学反应速度极快，整个反应过程为混合控制，而混合过程完全由烧嘴的结构特性所决定，换句话说，烧嘴混合性能的优劣及其与炉体匹配形成的流场特征决定了天然气部分氧化制合成气过程的效果。

为了达到上述的技术目标，同时适应现有渣油气化炉改用天然气原料的需要，特别是在原有配管尺寸基本不变的情况下方便使用，发明人构思设计了一种多通道天然气部分氧化制合成气的烧嘴，由中心假件，气化剂导管，天然气导管，蒸汽导管和各导管相固接的相应喷口，以及冷却系统零部件组合而成的同心的四通道烧嘴，其中一部分气化剂由气化剂导管通过假件上的均匀分布小空进入由假件构成的中心通道，经中心气化剂喷口进入气化炉，另一部分则直接通过气化剂导管由环隙气化剂喷口进入气化炉，燃料天然气由进口管进入天然气导管，由天然气喷口进入气化炉，蒸汽由进口管进入蒸汽导管，由蒸汽喷口进入气化炉。

多通道结构保证了反应介质间的均匀快速混合；在气化炉预热阶段中心假件可以拿出，安装预热烧嘴，气化炉预热到开工所需的温度后，拿出预热烧嘴，安装中心假件，这样设置的优点是，工作烧嘴与预热烧嘴基本作到了一体化，减少了一般工厂因另外设置的预热烧嘴而带来烧嘴更换的不便，有利于预热后的气化炉保温；为防止炉内回流区高温气体与氧气接触而快速燃烧，从而危害烧嘴，天然气喷口外侧设置了蒸汽通道，同时蒸汽作为反应介质，有利于抑制天然气裂解产生碳黑；烧嘴头外侧还设置了冷却夹套，以保护烧嘴头部过热引起的烧蚀，以延长烧嘴的使用寿命。

所说的中心假件通过法兰与烧嘴主体连接，其上沿周向开有均匀分布的小孔，与气化剂通道相通，中心假件与中心气化剂喷口通过机械配合后再固接。

气化剂导管通过气化剂进口管法兰与气化剂管线相配合固接，通过气化剂导管上方法兰与中心假件相配合固接，通过气化剂导管下方法兰与天然气和蒸汽导管相配合固接，气化剂导管与环隙气化剂喷口通过机械配合后再固接。

天然气导管通过天然气进口管法兰与天然气管线相配合固接，蒸汽导管通过蒸汽进口管法兰与蒸汽管线相配合固接，它们通过法兰与烧嘴冷却夹套相配合固接。天然气导管与天然气喷口通过机械配合后再固接；蒸汽导管与蒸汽喷口通过机械配合后再固接。

水冷夹套外设有连接法兰，籍助它与气化炉外壳上的法兰相固接。

所说的中心假件上端与气化剂导管通过法兰相配合固接，下端与中心气化剂喷口通过机械配合后固接，假件沿周向开有均匀分布的小孔，与气化剂通道相通。中心气化剂喷口的内收缩角α为10°～80°，其外侧倾角β为30°～85°；环隙气化剂喷口的内收缩半角γ为10°～45°，其外侧倾角τ为30°～85°；天然气喷口的内收缩半角ε为10°～45°，与环隙喷口28的内收缩半角γ保持一致，其外侧倾角为θ为30°～85°；蒸汽喷口的内收缩半角δ为10°～45°。

中心气化剂喷口和环隙气化剂喷口的同心度通过气化剂导管内按机械公差配合中的d级间隙配合要求精加工的固定环保证，而它们与天然气喷口的同心度由天然气导管内按机械公差配合中的d级间隙配合要求精加工的固定环保证，它们与蒸汽喷口的同心度由蒸汽导管内按机械公差配合中的d级间隙配合要求精加工的固定环保证。所有固定环沿纵向至少开有两个以上的通道，保证轴向气流的畅通。

为了保护喷嘴，在喷嘴外侧设置了冷却夹套，冷却液常用的为水，由入口管导入夹套，由出口管排出。

本发明亦是这样实现的：本发明设计的多通道天热气部分氧化制合成气烧嘴为一种由中心假件、气化剂导管、天然气导管、蒸汽导管和各导管相固接的相应喷口，以及冷却系统零部件组合而成的同心的四通道烧嘴，其中：

所说的中心假件，它与中心气化剂喷口通过机械配合后相固接，它通过周向均匀分布的小孔与环隙气化剂通道相通，中心假件顶端设有连接法兰，与气化剂导管相固接配合，在气化炉预热阶段中心假件拿出，安装预热烧嘴，气化炉预热到开工所需的温度后，拿出预热烧嘴，安装中心假件；中心气化剂喷口的内收缩角α为10°～80°，其外侧倾角β为30°～85°；中心气化剂喷口借助纵向至少开有两个以上通道并按机械公差配合中的d级间隙配合加工的固定环保持与环隙气化剂喷口的同心度；

所说的气化剂导管，它与环隙气化剂喷口通过机械配合后相固接；在气化剂导管的顶端设有连接法兰，并借助它与中心假件上的联接法兰相配合固接；在气化剂导管的顶端的连接法兰下部侧面设有气化剂入口管，在入口管上还设有连接法兰，借助它与气化剂管线相连接；环隙气化剂喷口的内收缩半角γ为10°～45°，其外侧倾角τ为30°～85°；环隙气化剂喷口借助纵向至少开有两个以上通道并按机械公差配合中的d级间隙配合加工的固定环保持与天然气喷口的同心度；

所说的天然气导管，它与天然气喷口通过机械配合后相固接，它通过法兰分别与气化剂导管和蒸汽导管配合后相固接；在天然气导管的上侧部设有天然气入口，在天然气入口上还设有连接法兰，借助它与天然气管线相连接；天然气喷口的内收缩半角ε为10°～45°，与环隙气化剂喷口28的内收缩半角γ保持一致，其外侧倾角θ为30°～85°；天然气喷口分别借助纵向至少开有两个通道并按机械公差配合中的d级间隙配合加工的固定环保持与环隙气化剂喷口和蒸汽喷口的同心度；

所说的蒸汽导管，它与蒸汽喷口通过机械配合后相固接，它通过法兰和法兰分别与天然气导管和冷却液夹套配合后相固接；在蒸汽导管的上侧部设有蒸汽入口管，在蒸汽入口管上还设有连接法兰，借助它与蒸汽管线相连接；蒸汽喷口的内收缩半角δ为10°～45°；蒸汽喷口借助纵向至少开有两个以上通道并按机械公差配合中的d级间隙配合加工的固定环保持与天然气喷口的同心度；

所说的冷却系统，主要由冷却室、夹套以及入口管和出口管构成，冷却液由入口管进入夹套的冷却液进口通道，再经通道下端周向均匀分布的小孔射流进入冷却室，然后通过通道下端周向均匀分布的小孔，经夹套的冷却液出口通道由出口管排出，冷却液进口通道和冷却液出口通道由薄壁管分隔开来；冷却室设置于烧嘴喷口端的外侧；所说的冷却液为水。

所说的中心气化剂喷口、环隙气化剂喷口、天然气喷口、蒸汽喷口、冷却夹套，其材料可以为不锈钢，也可为耐高温的Inconel 600；烧嘴内、外导管一般用不锈钢材料。

所说的气化剂可以是空气或氧气含量大于21％的富氧空气或氧气含量大于98％的纯氧，根据具体的工艺要求而定。

气化剂在喷口处的流速为10～300m/s；天然气在喷口处的流速为10～300m/s；蒸汽(一般为过热蒸汽)流速为10～100m/s；标准状态下气化剂中的氧体积与燃料中的碳量之比为0.5～1.6m³/kg。

本发明的烧嘴还适用于石脑油、柴油、重油、渣油、沥青以及其它可燃烧的一类物料气化制合成气或还原气。

所说的烧嘴的适用压力为0.5～12MPa。

本发明的烧嘴不仅适用于生产合成气，还适用于还原气的生产。

                         附图说明

下面结合附图进一步阐明本发明的内容：

图1为多通道天然气烧嘴的外形正视示意图。

图2为多通道天然气烧嘴的A-A部分的局部剖视示意图。

其中：

1——多通道天然气烧嘴主要由中心气化剂喷口、环隙气化剂喷口、天然气喷口和蒸汽喷口组合而成；

2——冷却系统，它主要由冷却液入口管3、出口管4、冷却液进口通道31a、冷却液出口通道31b、冷却室31和冷却夹套26构成；

3——冷却液入口管，它一端通过冷却液进口通道31a和通道31a下端周向均匀分布的小孔31d与冷却室31相通；

4——冷却液出口管，它一端与过冷却液出口通道31b和通道31b下端周向均匀分布的小孔31e与冷却室31相通；

5——连接法兰，它与气化炉上的法兰相固接；

6a——连接法兰，它与冷却液管线上的法兰相固接；

6b——连接法兰，它与冷却液管线上的法兰相固接；

7——连接法兰；

8——连接法兰；

9——天然气入口，在此入口管上还连有法兰10，天然气由9进入天然气导管20；

10——连接法兰；

11——蒸汽入口，在此入口管上还连有法兰12，蒸汽由11进入蒸汽导管21；

12——连接法兰；

13——连接法兰；

14——气化剂入口，气化剂由此进入烧嘴的气化剂导管19；

15——连接法兰；

16a——连接法兰；

16b——连接法兰；

17——起吊构件，它固接在法兰16a上；

18——中心假件，其上端固接在法兰16a上；

19——气化剂导管；

20——天然气导管；

21——蒸汽导管；

22——由中心假件内径空间形成的气化剂中心通道；

23——由中心假件导管和气化剂导管之间形成的气化剂环隙通道；

24——由中心天然气导管20和气化剂导管19形成的天然气通道；

25——由天然气导管20和蒸汽导管21形成的蒸汽通道；

26——冷却液夹套，由冷却液进口通道31a和冷却液出口通道31b以及薄壁管31c组成；

27——中心气化剂(氧气)喷口；

28——环隙气化剂(氧气)喷口；

29——天然气喷口；

30——蒸汽喷口；

31——冷却室，它设置于烧嘴外侧，通过与周向均匀分布的小孔31d和31e分别于夹套的冷却液进口通道31a和出口通道31b相通；冷却液通过夹套中的冷却液进口通道31a并由冷却液进口通道31a下端周向均匀分布的小孔31d射流进入冷却室；

31a——冷却液进口通道，上端与冷却液入口管3相通，下端通过周向均匀分布的小孔31d与冷却室31相通；

31b——冷却液出口通道，上端与冷却液出口管4相通，下端通过周向均匀分布的小孔31e与冷却室31相通；

31c——薄壁管，将冷却液进口通道31a与冷却液出口通道31b分隔开来；

31d——周向均匀分布的小孔，上与冷却液进口通道31a相通，下与冷却室31相通；

31e——周向均匀分布的小孔，上与冷却液出口通道31b相通，下与冷却室31相通；

32——中心假件上均匀分布的小孔，通过它使气化剂中心通道22与气化剂环隙通道23相通；

33——固定环，它设置在天然气导管20外侧，通过它保证蒸汽喷口30与天然气喷口29之间的同心度，其纵向至少开有2个以上的通道，固定环按机械公差配合中的d级间隙配合要求加工；

34——固定环，它设置在气化剂导管19外侧，通过它保证天然气喷口29与环隙气化剂喷口28之间的同心度，其纵向至少开有2个以上的通道，固定环按机械公差配合中的d级间隙配合要求加工；

35——固定环，它设置在中心假件18外侧，通过它保证中心气化剂喷口27与环隙气化剂喷口28之间的同心度，其纵向至少开有2个以上的通道，固定环按机械公差配合中的d级间隙配合要求加工；

36——空气隔热夹层，设置36的目的在于：减少夹套26内冷却水对蒸汽冷凝的影响；

α——中心气化剂喷口的内收缩角；

β——中心气化剂喷口外侧的倾角；

γ——环隙气化剂喷口的内收缩半角；

τ——环隙气化剂喷口外侧的倾角；

ε——天然气喷口的内收缩半角；

θ——天然气喷口外侧的倾角；

δ——蒸汽喷口的内收缩半角；

气化剂由入口管14进入气化剂导管19内，一部分气化剂通过设置在固定环35上的纵向通道直接进入环隙气化剂喷口28，通过环隙喷口进入气化炉，另一部分则通过假件上均匀分布的小孔32进入中心假件18内，然后由中心气化剂喷口27进入气化炉；天然气由入口管9进入天然气导管20，增速后由天然气喷口29进入气化炉；蒸汽由入口管11进入蒸汽导管21，增速后由蒸汽喷口30进入气化炉。气化剂与天然气、蒸汽在喷口处进行剧烈混合，同时在高温下进行部分氧化反应，即气化反应。

中心气化剂喷口的内收缩角α为10°～80°，其外侧倾角β为30°～85°；环隙气化剂喷口的内收缩半角γ为10°～45°，其外侧倾角τ为30°～85°；天然气喷口的内收缩半角ε为10°～45°，其外侧为倾角θ为30°～85°；蒸汽喷口的内收缩半角δ为10°～45°。

外来的冷却液经入口管3进入冷却夹套26中的冷却液进口通道31a，然后通过周向均匀分布的小孔31d射流进入冷却室31，再经周向均匀分布的小孔31e由冷却液出口通道31b通过出口管4排出。通过冷却室31、冷却夹套26可有效地保护烧嘴，提高烧嘴的使用寿命。

按照本发明的构思和附图展示的内容，制成的多通道天然气部分氧化制合成气烧嘴，经试用有如下的技术效果。

当天然气成分为CH₄98.38(vol％)、C₂H₆0.07(vol％)、C₃H₈0.03(vol％)、CO₂0.19(vol％)、N₂1.31(vol％)时，以98％的纯氧为气化剂，气化结果为CO+H₂(vol％)96.00％，CH₄0.70％(vol％)，可完全满足合成气的质量要求。

总之，本发明的烧嘴可以在保持现有渣油气化炉外部管线基本不变的情况下使用，有利于工厂的技术改造(毋须改变配管结构)，并具有较高的天然气转化率和合成气有效组分(CO+H₂)产率的提高，降低了气化炉上部的燃烧强度，从而显著推进了现有装置的技术进步。

Claims (5)

1.一种多通道天然气部分氧化制合成气烧嘴，其特征在于：所说的烧嘴系由中心假件、气化剂导管、天然气导管、蒸汽导管和各导管相固接的相应喷口，以及冷却系统零部件组合而成的同心的四通道烧嘴，其中：

所说的中心假件(18)，它与中心气化剂喷口(27)通过机械配合后相固接，它通过周向均匀分布的小孔(32)与环隙气化剂通道(23)相通，中心假件(18)顶端设有连接法兰(16a)，与气化剂导管(19)相固接配合，在气化炉预热阶段中心假件(18)拿出，安装预热烧嘴，气化炉预热到开工所需的温度后，拿出预热烧嘴，安装中心假件(18)；中心气化剂喷口(27)的内收缩角α为10°～80°，其外侧倾角β为30°～85°；中心气化剂喷口(27)借助纵向至少开有两个以上通道并按机械公差配合中的d级间隙配合加工的固定环(35)保持与环隙气化剂喷口(28)的同心度；

所说的气化剂导管(19)，它与环隙气化剂喷口(28)通过机械配合后相固接；在气化剂导管(19)的顶端设有连接法兰(16b)，借助它与中心假件上的联接法兰(16a)相配合固接；在连接法兰(16b)下部侧面设有气化剂入口管(14)，在入口管(14)上还设有连接法兰(15)，借助它与气化剂管线相连接；环隙气化剂喷口(28)的内收缩半角γ为10°～45°，其外侧倾角τ为30°～85°；环隙气化剂喷口(28)借助纵向至少开有两个以上通道并按机械公差配合中的d级间隙配合加工的固定环(34)保持与天然气喷口(29)的同心度；

所说的天然气导管(20)，它与天然气喷口(29)通过机械配合后相固接，它通过法兰(13)分别与气化剂导管(19)和蒸汽导管(21)配合后相固接；在天然气导管(20)的上侧部设有天然气入口(9)，在入口(9)上还设有连接法兰(10)，借助它与天然气管线相连接；天然气喷口(29)的内收缩半角ε为10°～45°，与环隙气化剂喷口(28)的内收缩半角γ保持一致，其外侧倾角θ为30°～85°；天然气喷口(29)分别借助纵向至少开有两个通道并按机械公差配合中的d级间隙配合加工的固定环(33)和(34)保持与环隙气化剂喷口(28)和蒸汽喷口(30)的同心度；

所说的蒸汽导管(21)，它与蒸汽喷口(30)通过机械配合后相固接，它通过法兰(13)和法兰(7)分别与天然气导管(20)和冷却液夹套(26)配合后相固接；在蒸汽导管(21)的上侧部设有蒸汽入口管(11)，在入口管(11)上还设有连接法兰(12)，借助它与蒸汽管线相连接；蒸汽喷口(30)的内收缩半角δ为10°～45°；蒸汽喷口(30)借助纵向至少开有两个以上通道并按机械公差配合中的d级间隙配合加工的固定环(33)保持与天然气喷口(29)的同心度；

所说的冷却系统(2)，主要由冷却室(31)、夹套(26)以及入口管(3)和出口管(4)构成，冷却液由入口管(3)进入夹套(26)的冷却液进口通道(31a)，再经通道(31a)下端周向均匀分布的小孔(31d)射流进入冷却室(31)，然后通过通道(31b)下端周向均匀分布的小孔(31e)，经夹套(26)的冷却液出口通道(31b)由出口管(4)排出，冷却液进口通道(31a)和冷却液出口通道(31b)由薄壁管(31c)分隔开来；冷却室(31)设置于烧嘴喷口端的外侧；所说的冷却液为水。

2.如权利要求1所述的烧嘴，其特征在于：所说的气化剂是空气、氧含量大于21％的富氧空气或氧含量大于98％的纯氧。

3.如权利要求1～2之一所述的烧嘴，其特征在于：气化剂在喷口处的流速为10～300m/s，天然气在喷口处的流速为10～300m/s，蒸汽流速为10～100m/s。

4.如权利要求1所述的烧嘴，其特征在于：标准状态下气化剂中的氧体积与燃料中的碳量之比为0.50～1.60m³/kg。

5.如权利要求1所述的烧嘴，其特征在于：气化烧嘴的适用压力为0.5～12.0MPa。

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