CN202107675U

CN202107675U - 一种煤液化残渣与水煤浆联合气化喷嘴

Info

Publication number: CN202107675U
Application number: CN2011202288833U
Authority: CN
Inventors: 高聚忠
Original assignee: China Shenhua Coal to Liquid Chemical Co Ltd; Shenhua Group Corp Ltd
Current assignee: China Shenhua Coal to Liquid Chemical Co Ltd; Shenhua Group Corp Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2021-06-30

Abstract

一种煤液化残渣与水煤浆联合气化喷嘴，包括煤液化残渣管、蒸汽环管、内环氧气管、水煤浆环管、外环氧气管、水冷环管以及煤液化残渣和蒸汽混合室，其中煤液化残渣管、蒸汽环管、内环氧气管、水煤浆环管、外环氧气管和水冷环管为由内到外依次同轴设置；煤液化残渣和蒸汽混合室的一端与煤液化残渣管的末端连通，混合室的另一端与煤液化残渣和蒸汽喷口连通，混合室的室壁上设置有与蒸汽环管相连通的蒸汽喷口；蒸汽环管的末端是封闭的；水煤浆环管的末端与水煤浆喷口连通；内环氧气管的末端与内环氧气喷口连通；外环氧气管的末端与外环氧气喷口连通。采用本实用新型气化喷嘴，可实现熔融的煤液化残渣、高温液态的重油及渣油等粘稠的重质燃料与水煤浆的联合气化。

Description

一种煤液化残渣与水煤浆联合气化喷嘴

技术领域

本实用新型涉及一种气化喷嘴，更具体而言，涉及一种用于水煤浆气化炉的气化喷嘴。

背景技术

气流床水煤浆气化炉是一种重要的煤炭气化设备，其中气化原料是水煤浆状流体，气化原料和氧气经由气化喷嘴送入气化炉，在气化炉内进行充分的混合、燃烧和气化反应。水煤浆气化技术在我国二十世纪八十年代实现工业化应用，到目前有数十台水煤浆气化炉在运行，用于生产合成氨、合成甲醇、合成二甲醚和煤间接液化制油及MTO生产的原料气。在气流床水煤浆气化工艺过程中，气化喷嘴是其中关键设备之一，其结构和性能直接影响水煤浆气化过程的连续性、经济性和安全性。

目前，水煤浆气化喷嘴通常采用三流道式结构，气化喷嘴的中间通道走氧气，中环通道走水煤浆，外环通道走氧气。中国专利ZL95111750.5披露了一种带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴。美国专利US3705108披露了一种中心管走氧气、内环管走缓和剂以及外环管走油-缓和剂的三通道气化喷嘴。

在煤直接液化工艺过程中，伴随着煤液化油品的生产，同时产生大量的煤液化残渣。在使用减压蒸馏的煤直接液化工艺中，所生产的煤液化残渣量约占液化原料煤质量的30％左右，如此大量的煤液化残渣，其综合利用问题一直是煤直接液化项目亟待解决的关键问题，其利用程度直接影响煤直接液化过程的技术、经济和环境性能。煤液化残渣具有较高的碳、氢含量，因此，以煤液化残渣为原料通过气化炉燃烧可以生产合成气(CO+H₂)或其他有用的化工原料气体。但是，通常从煤直接液化装置中获得的煤液化残渣为熔融的高温(180～320℃)粘稠液体，对于这种高温粘稠状的煤液化残渣，如果采用传统的水煤浆气化喷嘴将其送入气化炉进行气化，会导致煤液化残渣与喷嘴金属壁及冷流体间换热，致使煤液化残渣降温、增粘或凝固，从而影响煤液化残渣在喷嘴内的流动特性，甚至造成喷嘴堵塞，影响气化炉的正常生产；如果将上述煤液化残渣冷却后再加以利用，势必将增加油渣冷却排放工序和研磨工序，并且煤液化残渣的降温、升温过程也会造成大量能量损失。另外，在石油工业中，原油经加热(360～370℃)后送入常压蒸馏塔、减压蒸馏塔可分别获得重油、渣油，对于这种高温粘稠的重油、渣油，如果采用传统的水煤浆气化喷嘴将其送入气化炉中气化燃烧，也存在类似问题。

在国内外关于水煤浆气化喷嘴的文献中，对不同喷嘴的结构及使用性能有很多介绍，但尚没有将热法熔融的煤液化残渣与水煤浆一起送入气流床水煤浆气化炉内的气化喷嘴的报道。当气化原料为热法熔融的煤液化残渣时，采用现有的水煤浆气化喷嘴无法获得较好的气化效果。因此，需要开发一种适用于气化热法熔融的煤液化残渣并能够实现热法熔融的煤液化残渣与水煤浆联合气化的气化喷嘴。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种新型的煤液化残渣与水煤浆联合气化喷嘴，采用该喷嘴可直接利用热法熔融的煤液化残渣与水煤浆进行联合气化，并能获得良好的气化效果。

本实用新型所提供的煤液化残渣与水煤浆联合气化喷嘴包括煤液化残渣管、蒸汽环管、内环氧气管、水煤浆环管、外环氧气管、水冷环管以及煤液化残渣和蒸汽混合室，其中所述煤液化残渣管、蒸汽环管、内环氧气管、水煤浆环管、外环氧气管和水冷环管为由内到外依次同轴设置；所述煤液化残渣和蒸汽混合室的一端与煤液化残渣管的末端连通，所述混合室的另一端与煤液化残渣和蒸汽喷口连通，混合室的室壁上设置有与蒸汽环管相连通的蒸汽喷口；蒸汽环管的末端是封闭的；水煤浆环管的末端与水煤浆喷口连通；内环氧气管的末端与内环氧气喷口连通；外环氧气管的末端与外环氧气喷口连通。

根据本实用新型所提供的气化喷嘴的一个优选实施方式，在煤液化残渣管的末端与煤液化残渣和蒸汽混合室之间设有渐扩通道，并且在所述混合室与所述煤液化残渣和蒸汽喷口之间设有渐缩通道。本实用新型对于所述渐扩通道和所述渐缩通道的形状并无特殊要求，一般为圆台状，只要能有助于煤液化残渣的顺利流入、为原料的气化提供足够的空间，并有利于气化后的原料经煤液化残渣和蒸汽喷口注入气化炉即可。进一步优选地，所述渐扩通道的室壁上设置有与蒸汽环管连通的蒸汽喷口。

在本实用新型所提供的气化喷嘴中，对所述煤液化残渣和蒸汽混合室的形状没有特别限制，所述混合室除了可包括上述渐扩通道和渐缩通道外，其主体部分垂直于轴向的截面一般为圆形。

根据本实用新型气化喷嘴的一个优选的实施方式，所述煤液化残渣和蒸汽混合室的最大径向尺寸与煤液化残渣管的直径之比为1.5～8∶1，更优选为2～5∶1。

根据本实用新型气化喷嘴的另一个优选的实施方式，所述煤液化残渣和蒸汽混合室的轴向高度与所述混合室的最大径向尺寸之比为0.5～5∶1，更优选为1～2.5∶1。

在本实用新型中，术语“煤液化残渣和蒸汽混合室的最大径向尺寸”是指所述混合室内部的最大径向尺寸，术语“煤液化残渣和蒸汽混合室的轴向高度”是指所述混合室内部的轴向高度；术语“煤液化残渣管的直径”是指所述煤液化残渣管的内径。

通常，设置在所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁或所述渐扩通道的室壁上的蒸汽喷口的尺寸及数量根据蒸汽的用量确定，而蒸汽用量主要是根据煤液化残渣的进料量确定。因此，本实用新型对于所述蒸汽啧口的位置、尺寸及数量的具体设置并无特殊要求，只要有利于所述煤液化残渣的雾化即可。例如，所有蒸汽喷口可以是单层或多层设置，每层蒸汽喷口最好呈轴向对称地均匀分布，同一层的蒸汽喷口数量≥3；所有蒸汽喷口的开孔尺寸为1～15mm，优选为3～10mm。

在本实用新型提供的气化喷嘴中，所述蒸汽喷口的中心线可垂直于所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁或渐扩通道的室壁设置，亦可与所述混合室的室壁或渐扩通道的室壁的垂直线形成一定的夹角。在本实用新型气化喷嘴的一个优选的实施方式中，同一层的蒸汽喷口的数量为3，所述蒸汽喷口的中心线与所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁的垂直线之间的夹角为0～25°；在本实用新型气化喷嘴的另一个优选的实施方式中，同一层的蒸汽喷口的数量≥4，所述蒸汽喷口的中心线与所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁的垂直线之间的夹角为0～35°。

在本实用新型提供的气化喷嘴中，所述水冷环管可以采用套管式结构，也可以采用盘管式结构。

采用本实用新型提供的气化喷嘴进行气化时，一方面，由于蒸汽环管与煤液化残渣管相邻，蒸汽可以为高温粘稠的煤液化残渣提供加热保温的作用；另一方面，由于蒸汽环管的出口端是封闭的，使得蒸汽通过蒸汽喷口全部进入煤液化残渣和蒸汽混合室，在该混合室内煤液化残渣和蒸汽充分混合，大大提高了进入气化炉的煤液化残渣的雾化性能。

此外，采用本实用新型的气化喷嘴进行气化时，高温粘稠状的煤液化残渣可以不经过降温，经过加料泵加压，再经过本实用新型气化喷嘴与水煤浆一起引入水煤浆气化炉内，突破了传统的水煤浆气化炉的单一进料方式，为粘稠状的重质燃料例如热法熔融的煤液化残渣、高温液态的重油及渣油等的热法回收利用开辟了一条新的途径；将本实用新型提供的气化喷嘴用于传统的水煤浆气化炉上，可以实现热法熔融的煤液化残渣和水煤浆同时进料，省去了高温粘稠物料的冷却排放和研磨工序，相比于采用现有的气化喷嘴需要对煤液化残渣先降温冷却、后升温汽化的过程，减少了能量损失，提高了能量回收利用率。采用本实用新型的气化喷嘴可以当煤液化残渣的生产出现波动进而影响水煤浆气化炉的正常生产时，可以通过调节水煤浆进料量的方式控制气化喷嘴的总进料量，使气化装置能够满足系统开车时低负荷、正常生产时满负荷以及单炉运行时超负荷等不同工况下的要求。另外，本实用新型气化喷嘴还具有结构紧凑、制造工艺简单的特点，适合于大规模生产，并且具有良好的气化性能，不易堵塞，安装、拆卸方便。

附图说明

图1是本实用新型的煤液化残渣与水煤浆联合气化喷嘴的一个优选方式的结构示意图；

图2是如图1所示的联合气化喷嘴的结构示意图的A-A向视图；其中：

1-煤液化残渣通道

2-蒸汽通道

3-内环氧气通道

4-水煤浆通道

5-外环氧气通道

6-冷却水通道

7-煤液化残渣管

8-蒸汽环管

9-内环氧气管

10-水煤浆环管

11-外环氧气管

12-水冷环管

13-煤液化残渣和蒸汽混合室

14-内环氧气喷口

15-水煤浆喷口

16-外环氧气喷口

17-蒸汽喷口

18-蒸汽喷口

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本实用新型所提供的气化喷嘴，但本实用新型并不因此而受到任何限制。只要不偏离本实用新型的基本构思和限定的范围，本实用新型可以有其它的变形，例如，所述“煤液化残渣管”可以是其他高温粘稠的重质燃料管，所述“煤液化残渣通道”可以是其他高温粘稠的重质燃料通道，所述“煤液化残渣和蒸汽混合室”可以是其他高温粘稠的重质燃料和蒸汽的混合室，所述“煤液化残渣和蒸汽喷口”可以是其他高温粘稠的重质燃料和蒸汽的喷口。

图1示出了根据本实用新型的一种优选的气化喷嘴。如图1所示，气化喷嘴包括由内到外依次同轴设置的煤液化残渣管7、蒸汽环管8、内环氧气管9、水煤浆环管10和外环氧气管11，各个物流管之间为插入式结构，其中煤液化残渣管7内为煤液化残渣通道1，煤液化残渣管7与蒸汽环管8之间的环隙为蒸汽通道2，蒸汽环管8和内环氧气管9之间的环隙为内环氧气通道3，内环氧气管9和水煤浆环管10之间的环隙为水煤浆通道4，水煤浆环管10和外环氧气管之间的环隙为外环氧气通道5；煤液化残渣和蒸汽混合室19的一端与煤液化残渣管7的末端之间设有圆台状的渐扩通道，在混合室渐扩通道的室壁上设有四个轴向对称分布的蒸汽喷口17，该混合室的另一端与煤液化残渣和蒸汽喷口13之间设有圆台状的渐缩通道，在混合室的室壁上也设有四个轴向对称分布的蒸汽喷口18，所述内环氧气管9的末端与内环氧气喷口14连通，所述水煤浆环管10的末端与水煤浆喷口15连通，所述外环氧气管11的末端与外环氧气喷口16连通；如图2所示，混合室19主体部分的横截面为圆形，混合室19主体部分的内径W与煤液化残渣管7的内径D之比为W∶D＝3∶1，混合室19的轴向高度H与其横截面直径W之比为H∶W＝2∶1；并且蒸汽喷口17和18的中心线分别垂直于混合室渐扩通道的室壁和混合室主体部分的室壁；蒸汽环管8的末端为渐缩式结构，蒸汽环管8的渐缩式末端的内壁面与混合室渐缩通道的外壁面均为精加工的光滑表面，蒸汽环管8的渐缩式末端与混合室渐缩通道之间为插入式无间隙安装或设置耐高温密封圈，从而使所述蒸汽环管8的末端形成一封闭结构，使蒸汽全部经由蒸汽喷口17和18进入煤液化残渣和蒸汽混合室19中与煤液化残渣混合，同时也便于蒸汽环管8的安装和拆卸；将套管式水冷环管12同轴设置在外环氧气管11的外侧，套管式水冷环管12内设有冷却水通道6。

以煤直接液化工艺装置中排放的高温熔融的煤液化残渣为气化原料、以氧气为气化剂生产合成气(CO+H₂)或制H₂原料气为例，粘稠状的煤液化残渣经过加料泵加压后进入本实用新型气化喷嘴的煤液化残渣通道1中，进而流入煤液化残渣和蒸汽混合室19中；同时，蒸汽进入蒸汽通道2，并分别经由蒸汽喷口17和蒸汽喷口18进入煤液化残渣和蒸汽混合室19中，在混合室内所述蒸汽与煤液化残渣充分混合后经由煤液化残渣和蒸汽喷口13喷出，因此，蒸汽还起到气化剂的作用，大大提高了煤液化残渣进入气化炉的雾化性能，此外，蒸汽给煤液化残渣管7内的煤液化残渣提供加热保温的作用，使煤液化残渣在喷嘴内始终保持良好的流动特性；与此同时，氧气分别进入内环氧气通道3和外环氧气通道5中，并经由内环氧气喷口14和外环氧气喷口16喷出；水煤浆进入水煤浆通道4中，并经由水煤浆喷口15喷出；同时，冷却水经由冷却水通道6进入套管式水冷环管12中，对气化喷嘴进行冷却，保护喷嘴在高温气化炉中不被烧毁。

下面通过实施例进一步说明本实用新型所提供的气化喷嘴，但本实用新型并不因此而受到任何限制。

实施例

将一个如图1所示的气化喷嘴设置在一台德士古水煤浆气化炉中，气化原料和气化剂从上往下喷入气化炉中。以中国神华煤制油化工有限公司的煤直接液化装置油渣排放处取得的高温粘稠状的煤液化残渣作为气化原料之一，并将产自神府东胜煤田的神华煤制成浓度为60wt％(即水煤浆固含量)的水煤浆作为另一气化原料，在所述气化炉中采取直接进料的方式对上述两种气化原料进行联合气化，以生产合成气(CO+H₂)。单位时间内进入气化喷嘴的煤液化残渣与单位时间内进入气化喷嘴的神华煤水煤浆中所含干煤的质量比为1∶1。所述煤液化残渣的总进料量为44400kg/h，水煤浆的进料量为74000kg/h，内环氧气管中的氧气体积流量占内环氧气管和外环氧气管中的氧气体积流量之和的14％，蒸汽用量为煤液化残渣进料量的15wt％，即蒸汽环管内的蒸汽流量为6660kg/h，气化喷嘴中所有蒸汽喷口的开孔尺寸为3.5mm。

表1中示出了实施例中所用的煤液化残渣和神华煤的工业分析数据，表2中示出了采用设置了本实用新型气化喷嘴的德士古水煤浆气化炉对上述煤液化残渣和神华煤水煤浆进行联合气化时的气化条件和气化性能。

表1煤液化残渣和神华煤的工业分析数据

气化原料	煤液化残渣	神华煤
			水分(Mad)，wt％	0	9
灰分(Aad)，wt％	19.74	6.37
			挥发分(Vad)，wt％	35.26	31.31
总硫(St.ar)，wt％	3.31	0.38
			碳(Cad)，wt％	70.45	68.31
氢(Had)，wt％	5.16	4.09
			氮(Nad)，wt％	0.81	0.94
氧(Oad)，wt％	0.54	10.98
			灰熔融温度(FT)，℃	1230	1200

表2采用本实用新型气化喷嘴对煤液化残渣与水煤浆联合气化时的气化操作条件和气化性能

对比例

采用与实施例来源相同的煤液化残渣和神华煤，在设有德士古三通道式水煤浆气化喷嘴的德士古水煤浆气化炉上分别对其进行气化，其进料方式分别为由冷却并粉碎后的煤液化残渣粉末制成的残渣水煤浆进料(冷法进料)以及神华煤制成的水煤浆进料(冷法进料)，所述残渣水煤浆中水与残渣的重量比为0.56，所述神华煤水煤浆中水与神华煤的重量比为0.67。

另外，采用与实施例来源相同的煤液化残渣和神华煤，在与上述气化炉型号相同但设有如图1所示的气化喷嘴的德士古水煤浆气化炉上进行联合气化，对于煤液化残渣而言，其进料方式为高温粘稠的煤液化残渣经加料泵加压、再经过该气化喷嘴直接引入气化炉中(热法进料)；对于神华煤水煤浆而言，仍采用冷法进料，并且所述神华煤水煤浆中水与神华煤的重量比为0.67，单位时间内进入本实用新型气化喷嘴的煤液化残渣与进入气化喷嘴的神华煤水煤浆中所含干煤的质量之间的比为1∶1，并且蒸汽用量为煤液化残渣进料量的15wt％。单位时间内进入本实用新型气化喷嘴的煤液化残渣与神华煤水煤浆中所含干煤的总重量与进入德士古三通道式气化喷嘴的煤液化残渣水煤浆或神华煤水煤浆中所含干煤的重量相同。

采用本实用新型气化喷嘴与采用德士古三通道式气化喷嘴在德士古水煤浆气化炉中的气化操作条件和气化性能之间的对比示于表3中。

表3采用本实用新型气化喷嘴和德士古三通道式气化喷嘴在气化炉中的气化操作条件和气化性能

由表3可见，利用本实用新型的气化喷嘴可以实现高温粘稠的煤液化残渣热态进料，熔融的煤液化残渣不经过降温直接经过加料泵加压，再经过本实用新型气化喷嘴与煤基水煤浆一起送入水煤浆气化炉内，提高了气化炉对气化原料的适应性，省去了冷却排放以及研磨工艺，并且气化效果既优于煤液化残渣的冷法进料，又优于煤基水煤浆的冷法进料，采用本实用新型提供的气化喷嘴对煤液化残渣和水煤浆进行联合气化时，冷煤气效率和产品煤气中CO+H₂的含量都有所提高，气化过程中氧气消耗(比氧耗)和原料消耗(比煤耗)降低。因此，将本实用新型的气化喷嘴用于目前国内已有的水煤浆气化炉上，可实现水煤浆气化炉与煤直接液化装置的联合，实现煤液化残渣热法回收利用，降低能耗，提高煤转化效率，优化煤转化工艺，突破了水煤浆气化炉中只能以煤浆进料的传统进料方式，也改变了传统水煤浆气化炉的单一进料方式，提高了气化炉对气化原料的适应性。

Claims

1.一种煤液化残渣与水煤浆联合气化喷嘴，其特征在于，所述气化喷嘴包括煤液化残渣管(7)、蒸汽环管(8)、内环氧气管(9)、水煤浆环管(10)、外环氧气管(11)、水冷环管(12)以及煤液化残渣和蒸汽混合室(19)，其中所述煤液化残渣管(7)、蒸汽环管(8)、内环氧气管(9)、水煤浆环管(10)、外环氧气管(11)和水冷环管(12)为由内到外依次同轴设置；所述煤液化残渣和蒸汽混合室(19)的一端与煤液化残渣管(7)的末端连通，混合室的另一端与煤液化残渣和蒸汽喷口(13)连通，混合室的室壁上设置有与蒸汽环管相连通的蒸汽喷口(17、18)；蒸汽环管(8)的末端是封闭的；水煤浆环管(10)的末端与水煤浆喷口(15)连通；内环氧气管(9)的末端与内环氧气喷口(14)连通；外环氧气管(11)的末端与外环氧气啧口(16)连通。

2.根据权利要求1所述的气化喷嘴，其特征在于，在所述煤液化残渣管(7)的末端与煤液化残渣和蒸汽混合室(19)之间设有渐扩通道，并且在所述混合室(19)与煤液化残渣和蒸汽喷口(13)之间设有渐缩通道。

3.根据权利要求2所述的气化喷嘴，其特征在于，在所述渐扩通道的室壁上设有与所述蒸汽环管(8)连通的蒸汽喷口(17)。

4.根据权利要求3所述的气化喷嘴，其特征在于，所述煤液化残渣和蒸汽混合室(19)的最大径向尺寸与煤液化残渣管(7)的直径之比为1.5～8∶1。

5.根据权利要求4所述的气化喷嘴，其特征在于，所述煤液化残渣和蒸汽混合室(19)的最大径向尺寸与煤液化残渣管(7)的直径之比为2～5∶1。

6.根据权利要求5所述的气化喷嘴，其特征在于，所述煤液化残渣和蒸汽混合室(19)的轴向高度与所述混合室(19)的最大径向尺寸之比为0.5～5∶1。

7.根据权利要求6所述的气化喷嘴，其特征在于，所述煤液化残渣和蒸汽混合室(19)的轴向高度与所述混合室(19)的最大径向尺寸之比为1～2.5∶1。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的气化喷嘴，其特征在于，所述蒸汽喷口采用单层或多层设置，每层蒸汽喷口呈轴向对称均匀分布，并且位于同一层的蒸汽喷口数量≥3。

9.根据权利要求8所述的气化喷嘴，其特征在于，位于同一层的蒸汽喷口的数量为3，并且所述蒸汽喷口的中心线与所述渐扩通道的室壁或所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁的垂直线之间的夹角为0-25°。

10.根据权利要求8所述的气化喷嘴，其特征在于，位于同一层的蒸汽喷口的数量≥4，并且所述蒸汽喷口的中心线与所述渐扩通道的室壁或所述煤液化残渣和蒸汽混合室的室壁的垂直线之间的夹角为0-35°。

11.根据权利要求8所述的气化喷嘴，其特征在于，所述蒸汽喷口的开孔尺寸为1～15mm。

12.根据权利要求11所述的气化喷嘴，其特征在于，所述蒸汽喷口的开孔尺寸为3～10mm。