CN202647752U

CN202647752U - 负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴

Info

Publication number: CN202647752U
Application number: CN 201220219373
Authority: CN
Inventors: 倪建军; 乌晓江; 张建文; 熊杰
Original assignee: Shanghai Boiler Works Co Ltd
Current assignee: Shanghai Boiler Works Co Ltd
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2022-05-15

Abstract

本实用新型公开一种负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，包括同轴的一烧嘴中心喷管、一第一烧嘴外环喷管、一第二烧嘴外环喷管、一第三烧嘴外环喷管和一烧嘴烧嘴中心喷头、一第一烧嘴外环喷头、一第二烧嘴外环喷头、一第三烧嘴外环喷头、一旋流器以及一烧嘴冷却系统。本实用新型采用多通道结构设计，通过在中心通道喷管内设置旋流器来增强中心通道内气流的旋转，从而提高烧嘴的整体雾化性能；采用多通道设计，一方面可增强气流对液态燃料的雾化，另一方可增强对气化剂和液态燃料流量的调控，从而实现对气化烧嘴负荷的有效调控。采用夹套式冷却方式对液态燃料烧嘴进行冷却，其冷却效果比现有工业应用的液态燃料气化烧嘴盘管式冷却效果由明显的提高。

Description

负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴

技术领域

本实用新型涉及液态燃料气化烧嘴，尤其是一种负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴。

背景技术

煤等含碳燃料的清洁高效利用已逐渐成为当今能源利用的重要课题。燃料气化制合成气可为现代化工生产、联合循环发电(简称IGCC发电)、煤间接液化以及煤制氢等系统提供龙头技术。目前，煤等含碳燃料的气化制合成气技术通常分为两类，一类是液态燃料气化技术，另一种是干粉固体燃料气化技术。作为气化的关键部件之一，烧嘴技术的发展直接决定了液态燃料气化技术的运行稳定性和可靠性，烧嘴技术的落后严重制约了生产效率的提高。

由于气化炉内反应温度高达1400℃，烧嘴结构设计不当，将会烧蚀其头部，烧蚀气化炉内壁，产生严重后果。当烧嘴对液态燃料的雾化不够充分时，将影响燃料的碳转化率，降低合成气有效气体组分含量。当烧嘴头部设计不合理时可能引起烧嘴头部壁面材料的磨蚀，影响其使用寿命。另外，烧嘴头部冷却系统的冷却效率直接影响烧嘴的长周期可靠运行。已有的专利技术如美国专利4736693、4858538、4443228和中国专利89104265等均采用中心喷管为直管式结构的烧嘴，共同的缺点是物料在喷入反应器之前缺少加速过程，离开烧嘴的速度低，雾化效果欠佳，且易于烧蚀烧嘴。美国专利3743606、3705108、4443230等采用中心管前端缩口的结构来提高物流速度，中心喷管出口物流速度提高，使烧嘴雾化效果增强，但速度提高后将使烧嘴头部磨蚀加速，影响了喷嘴的使用寿命。且对于单喷嘴顶置式气化炉，顶部喷嘴出口物料流速过大将直接影响物料在气化炉内的停留时间，从而影响整体碳转化率，而且其所采用的气化烧嘴通常无法进行负荷调控。

此外，现有工业应用的液态燃料气化烧嘴基本上都采用制作工艺相对简单的盘管式水冷系统，如中国专利95111750.5和200710037138.9等，其主要存在头部冷却夹套结构设计简单，冷却效果不佳的问题。而且采用三通道结构设计，负荷调控能力较差，特别是针对整体煤气化联合循环发电时，无法灵活调节气化负荷来适应电网峰值变化。

综上所述，解决液态燃料的高效雾化和烧嘴头部冷却等问题，是提高目前液态燃料气化烧嘴使用性能的关键所在。因此，开发先进的负荷可控式长寿命高效雾化气化烧嘴是提高我国液态燃料气化技术可靠性的关键技术途径之一。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术的气化烧嘴技术的负荷不易调控、烧嘴冷却效果差和雾化性能不好等缺陷，提供一种负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特点在于，其包括同轴的一烧嘴中心喷管、一第一烧嘴外环喷管、一第二烧嘴外环喷管、一第三烧嘴外环喷管和一烧嘴中心喷头、一第一烧嘴外环喷头、一第二烧嘴外环喷头、一第三烧嘴外环喷头、一旋流器以及一烧嘴冷却系统；

该烧嘴中心喷头、该第一烧嘴外环喷头、该第二烧嘴外环喷头和该第三烧嘴外环喷头分别为一个截头的锥管；

该第一烧嘴外环喷管套在该烧嘴中心喷管外形成了一第一外环通道；该第二烧嘴外环喷管套在该第一烧嘴外环喷管外形成了一第二外环通道；该第三烧嘴外环喷管套在该烧嘴外第二环喷管外形成了一第三外环通道；

该中心通道内设有旋流器，该旋流器的外径与该中心通道的内径相同，该旋流器包括若干旋流叶片；

该烧嘴中心喷头具有一烧嘴中心喷头内收缩半角α和一烧嘴中心喷头外侧倾角δ；

该第一烧嘴外环喷头具有一第一烧嘴外环喷头内收缩半角β和一第一烧嘴外环喷头外侧倾角ε；

该第二烧嘴外环喷头具有一第二烧嘴外环喷头内收缩半角μ；

该第三烧嘴外环喷头具有一第三烧嘴外环喷头外侧倾角τ；

该烧嘴中心喷头的喷口处设有一喷口直段，该烧嘴中心喷头的喷口直径d与喷口直段的高度h₄的比例0<h₄∶d≤10；

该烧嘴中心喷头的喷口端面与该第一烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₁为0≤h₁≤100mm；

该第一烧嘴外环喷头的喷口端面与该第二烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₂为0≤h2≤60mm；

该第二烧嘴外环喷头的喷口端面与该第三烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₃为0≤h₃≤60mm。其中，上述各个喷头的大端与各自通道的喷管相连接。

其中，该烧嘴中心喷头的喷口端面与该第一烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₁为1~20mm。

其中，该第一烧嘴外环喷头的喷口端面与该第二烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₂为1~20mm。

其中，该第二烧嘴外环喷头的喷口端面与该第三烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₃为1~20mm。

其中，气化剂从该烧嘴中心通道和该第二外环通道或该第三外环通道进入气化炉，液态燃料通过该烧嘴的第一外环通道进入气化炉，保护气通过该第三外环通道进入气化炉。

其中，该烧嘴中心喷头内收缩半角α为5°~30°，该烧嘴中心喷头外侧倾角δ为30°~85°；该第一烧嘴外环喷头内收缩半角β为5°~45°，该第一烧嘴外环喷头外侧倾角ε为30°~85°；该第二烧嘴外环喷头内收缩半角μ为5°~45°；该第三烧嘴外环喷头外侧倾角τ为30°~85°。

其中，该旋流器的中心枢轴的内径与外径之比为0.2~0.8，该旋流器的高度为5~100mm，该旋流器的旋流叶片数为2~20，所述旋流叶片的厚度为1~25mm；所述旋流叶片与该中心枢轴之间的夹角为15°~75°。

其中，该烧嘴冷却系统包括设置在该外喷头外侧的一内冷却室、一与该内冷却室连通且环绕在该内冷却室外的外冷却室、一冷却室端面、一与该内冷却室连通的冷却剂进口、一与该外冷却室连通的冷却剂出口、一冷却室金属分隔板、一冷却室内圈顶板、一冷却室外圈顶板、一冷却液入口通道、一冷却液出口通道、一冷却室外壁通道管和一冷却室上部通道中间分隔板；冷却剂进口和冷却剂出口分别通过管道连接、设在该烧嘴与该气化炉连接的法兰处；该冷却剂由该冷却剂进口通道进入该内冷却室后以一定的流速旋转流动至该外冷却室后向上进入该冷却室出口通道。冷却剂可采用低温冷却水或其他冷却介质。该冷却系统通过该冷却室金属隔板分为两个空腔，即形成两个环形冷却空腔，即该内冷却室和该外冷却室，冷却剂从内侧低位入口进入，在内、外环形通道环形绕流后经外侧高位出口流出；其中，该冷却剂出口和该冷却剂进口的的个数各为1~5个。

其中，该气化剂的流速为30~300m/s，该液态燃料的流速为1~40m/s，该保护气的流速为20~250m/s；50~100%的气化剂由外环通道喷射进入气化炉，0~50%气化剂通过中心通道喷射进入气化炉。液态燃料通过第一烧嘴外环通道喷射进入气化炉后，在中心通道喷射出的高速旋流气和外环通道喷射出的高速斜切气的高速气动力作用下，液态燃料被雾化成小液滴，并与气化剂在烧嘴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。所说的保护气选自CO₂、水蒸汽和N₂或其混合物。通过调节液态燃料、气化剂以及保护气的比例、流速，可改变气化火焰的形状，关闭或调节相应通道物流比例，可大幅调节烧嘴负荷。

其中，该液态燃料包括液态碳氢质燃料或可泵送的固态含碳物质的浆料；该气化剂是空气、氧气的体积分数大于21%的富氧空气、氧气体积分数大于98%的纯氧、水蒸汽或二氧化碳中的一种或其混合物。将该负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴安装于气化炉后，可用于液态燃料气化制合成气。

其中，该固态含碳物质的浆料选自煤粉、石油焦、生物质或固态废弃物。

其中，该烧嘴的适用压力0.1~15.0MPa。

本实用新型中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本实用新型各较佳实施例。

本实用新型的积极进步效果在于：

1)本实用新型所述的气化烧嘴采用多通道结构设计，夹式水冷却系统，烧嘴总体结构简单，制作维护方便；可用于水煤浆、油焦浆、渣油、生物质类与煤共成浆等浆体燃料的气化制合成气工艺，用途广泛；

2)本实用新型所述的气化烧嘴设置了三个气相通道，一个液态燃料通道，气相通道中设有一个保护气通道，通过改变各通道物流流量、流速和相对比例，总体上实现了烧嘴负荷的灵活调控；

3)本实用新型所述的气化烧嘴采用多通道结构设计，并于中心通道内设有旋流器，提高了烧嘴的整体雾化性能，对液态燃料的雾化更加充分，有助于提高气化系统的碳转化率，从而提高整体气化效率；

4)本实用新型所述烧嘴采用了夹套式冷却系统设计，解决了盘管式冷却系统中冷却不均的问题，特别是烧嘴头部的夹套式冷却设计，大大提高了烧嘴头部材料的冷却效果，从而延长了烧嘴的使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴的结构示意图。

图2是本实用新型烧嘴的头部剖面示意图。

图3是本实用新型烧嘴的头部剖面局部结构示意图。

图4是本实用新型烧嘴的头部冷却夹套剖面结构示意图。

图5为本实用新型的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴的旋流器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本实用新型较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。

实施例1

图1~3是本实用新型的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴的外围结构和内部结构示意图。所述的烧嘴包括保护吹扫气入口29、中心氧化剂入口30、燃料入口31、外环通道氧化剂入口32、外环氧化剂或保护气入口33、冷却剂入口34、冷却剂出口35、连接法兰36、同轴的烧嘴中心喷管6、第一烧嘴外环喷管5、第二烧嘴外环喷管4、第三烧嘴外环喷管3和烧嘴中心喷头17、第一烧嘴外环喷头18、第二烧嘴外环喷头19、第三烧嘴外环喷头20、旋流器11以及烧嘴冷却系统。

所说的烧嘴中心喷头17、第一烧嘴外环喷头18、第二烧嘴外环喷头19和第三烧嘴外环喷头20分别为一个截头的锥管。第一烧嘴外环喷管5套在烧嘴中心喷管6外，形成了第一外环通道9；烧嘴的第二烧嘴外环喷管4套在第一烧嘴外环喷管5外，形成了第二外环通道8；第三烧嘴外环喷管3套在第二烧嘴外环喷管4外，形成了第三外环通道7。在中心通道10内设有旋流器11，旋流器11的外径与所述中心通道10的内径相同，中心通道中的旋流器11的中心枢轴27的内径与外径之比为0.2~0.8。所说的旋流器包括若干旋流叶片28，旋流叶片28与所述中心枢轴27之间的夹角为15°~75°（见图5）。

所说的旋流器高度为5~100mm，旋流叶片数为2~20，叶片厚度为1~25mm。

参见图3，所说的烧嘴中心喷头17具有烧嘴中心喷头内收缩半角α和烧嘴中心喷头外侧倾角δ，α为5°~30°，δ为30°~85°。该第一烧嘴外环喷头18具有一第一烧嘴外环喷头内收缩半角β和第一烧嘴外环喷头外侧倾角ε，β为5°~45°，ε为30°~85°；第二烧嘴外环喷头19具有一第二烧嘴外环喷头内收缩半角μ，μ为5°~45°；第三烧嘴外环喷头20具有一第三烧嘴外环喷头外侧倾角τ，τ为30°~85°。

所说的烧嘴中心喷头17的喷口处设有喷口直段，烧嘴中心喷头的喷口直径d与喷口直段的高度h₄的比例，即h₄∶d=0~10。

所说的烧嘴中心喷头17的喷口端面与第一烧嘴外环喷头18的喷口端面之间的距离h₁为0~100mm，优选为1~20mm。所说的第一烧嘴外环喷头18的喷口端面与第二烧嘴外环喷头19的喷口端面之间的距离h₂为0~60mm，优选为1~20mm。所说的第二烧嘴外环喷头19的喷口端面与第三烧嘴外环喷头20的喷口端面之间的距离h₃为0~60mm，有选为1~20mm。

参见图2和图4，所说的烧嘴冷却系统，包括环绕在第三烧嘴外喷头20外侧的内冷却室16、与内冷却室16连通并环绕在内冷却室16外的外冷却室15、冷却室端面21、与内冷却室16连通的冷却剂进口22、与外冷却室15连通的冷却剂出口23、设于内冷却室16和外冷却室15之间的冷却室金属分隔板24、冷却室内圈顶板26、冷却室外圈顶板25、冷却液入口通道13、冷却液出口通道14、冷却室外壁通道管1和冷却室上部通道中间分隔板2构成。冷却剂进口22和冷却剂出口23分别设在烧嘴与气化炉连接法兰处，且均通过管道连接。冷却剂由冷却液入口通道13进入烧嘴头部的内冷却室16后以一定的流速旋转流动至外冷却室15后向上进入冷却室出口通道14。所说的冷却剂一般为水，也可为其他安全的液体。为了保证烧嘴各个通道的同轴度，在烧嘴各个通道间设有固定支撑12。

若将烧嘴安装于单喷嘴顶置水煤浆气化炉，当燃料是浓度为61%wt的水煤浆时，以99.6%的纯氧为气化剂，气化结果为合成气中有效成分CO+H2vol%达到83.5%，灰渣残炭为5%，烧嘴连续使用寿命可达5个月，完全满足水煤浆气化的要求。

本实施例中，所说的烧嘴结构参数如下：

β为5°，ε为85°；β为5°，ε为45°；μ为5°；τ为30°；

烧嘴中心喷头17的喷口直径d与喷口直段的高度h₄的比例，即h₄∶d=10。烧嘴中心喷头17的喷口端面与第一烧嘴外环喷头18的喷口端面之间的距离h₁为5mm。第一烧嘴外环喷头18的喷口端面与第二烧嘴外环喷头19的喷口端面之间的距离h₂为2mm。第二烧嘴外环喷头19的喷口端面与第三烧嘴外环喷头20的喷口端面之间的距离h₃为3mm。中心通道10内设置的旋流器11高度为100mm，旋转叶片数目为8，叶片厚度为3mm，旋转角度为75°。

具体工艺过程如下：

将气化剂从烧嘴中心通道10和第二外环通道8喷射进入气化炉，液态燃料通过烧嘴第一外环通道9喷射进入气化炉，保护气通过第三外环通道7，气化剂的流速为120m/s，液态燃料的流速为10m/s，保护气的流速为125m/s。90%的气化剂通过第二外环通道8喷射进入气化炉，10%的气化剂通过烧嘴中心通道10喷射进入气化炉；压力为6.5MPa。

当需要进行增加50%的负荷调控时，将液态燃料的流速提高为15m/s，相应增加50%的气化剂流量，其中中心通道和第二外环通道各增加30%的流量，气化剂流速达到156m/s，剩余所需要增加的20%气化剂由第三外环通道喷射进入，保护气通道流速相应提高。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，若将烧嘴安装于单喷嘴顶置水煤浆气化炉，当燃料是浓度为65%wt的油焦浆时，以98%的纯氧为气化剂，气化结果为合成气中有效气体成分CO和H₂的体积百分比之和达到86%，灰渣残炭为4%，烧嘴连续使用寿命可达5个月，完全满足油焦浆气化的要求。

所说的烧嘴结构参数如下：

β为15°，ε为60°；β为20°，ε为45°；μ为30°；τ为60°。烧嘴中心喷头17的喷口直径d与喷口直段高度h₄的比例，即h₄∶d=3。烧嘴中心喷头17的喷口端面与第一烧嘴外环喷头18的喷口端面之间的距离h₁为2mm。第一烧嘴外环喷头18的喷口端面与第二烧嘴外环喷头19的喷口端面之间的距离h₂为1mm。第二烧嘴外环喷头19的喷口端面与第三烧嘴外环喷头20的喷口端面之间的距离h₃为1mm。中心通道10内设置的旋流器11高度为50mm，旋转叶片数目为12，叶片厚度为2mm，旋转角度为60°。

具体工艺过程如下：

将气化剂从烧嘴中心通道10和第二外环通道8喷射进入气化炉，液态燃料通过烧嘴第一外环通道9喷射进入气化炉，保护气通过第三外环通道7，气化剂的流速为160m/s，液态燃料的流速为15m/s，保护气的流速为100m/s。85%的气化剂通过第二外环通道8喷射进入气化炉，15%的气化剂通过烧嘴中心通道10喷射进入气化炉；压力为4.0MPa。

当需要进行降低20%的负荷调控时，将液态燃料的流速降低为12m/s，相应减少20%的气化剂流量，气化剂流速达降低为128m/s，保护气流量流速保持不变。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，其包括同轴的一烧嘴中心喷管、一第一烧嘴外环喷管、一第二烧嘴外环喷管、一第三烧嘴外环喷管和一烧嘴中心喷头、一第一烧嘴外环喷头、一第二烧嘴外环喷头、一第三烧嘴外环喷头、一旋流器以及一烧嘴冷却系统；

该第一烧嘴外环喷管套在该烧嘴中心喷管外形成了一第一外环通道；该第二烧嘴外环喷管套在该第一烧嘴外环喷管外形成了一第二外环通道；该第三烧嘴外环喷管套在该第二烧嘴外环喷管外形成了一第三外环通道；

该第三烧嘴外环喷头具有一第三烧嘴外环喷头外侧倾角τ；

该烧嘴中心喷头的喷口端面与该第一烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₁为：0≤h₁≤100mm；

该第一烧嘴外环喷头的喷口端面与该第二烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₂为0≤h₂≤60mm；

该第二烧嘴外环喷头的喷口端面与该第三烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₃为0≤h₃≤60mm。

2.如权利要求1所述的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，该烧嘴中心喷头的喷口端面与该第一烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₁为1~20mm。

3.如权利要求1所述的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，该第一烧嘴外环喷头的喷口端面与该第二烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₂为1~20mm。

4.如权利要求1所述的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，该第二烧嘴外环喷头的喷口端面与该第三烧嘴外环喷头的喷口端面之间的距离h₃为1~20mm。

5.如权利要求1所述的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，气化剂从该烧嘴的中心通道和该第二外环通道或该第三外环通道进入气化炉，液态燃料通过该烧嘴的第一外环通道进入气化炉，保护气通过该第三外环通道进入气化炉。

6.如权利要求1所述的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，该烧嘴中心喷头内收缩半角α为5°~30°，该烧嘴中心喷头外侧倾角δ为30°~85°；该第一烧嘴外环喷头内收缩半角β为5°~45°，该第一烧嘴外环喷头外侧倾角ε为30°~85°；该第二烧嘴外环喷头内收缩半角μ为5°~45°；该第三烧嘴外环喷头外侧倾角τ为30°~85°。

7.如权利要求1所述的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，该旋流器的中心枢轴的内径与外径之比为0.2~0.8，该旋流器的高度为5~100mm，该旋流器的旋流叶片数为2~20，所述旋流叶片的厚度为1~25mm；所述旋流叶片与该中心枢轴之间的夹角为15°~75°。

8.如权利要求1所述的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，该烧嘴冷却系统包括设置在该第三烧嘴外环喷头外侧的一内冷却室、一与该内冷却室连通且环绕在该内冷却室外的外冷却室、一冷却室端面；一与该内冷却室连通的冷却剂进口、一与该外冷却室连通的冷却剂出口、一冷却室金属分隔板、一冷却室内圈顶板、一冷却室外圈顶板、一冷却液入口通道、一冷却液出口通道、一冷却室外壁通道管和一冷却室上部通道中间分隔板；该冷却剂进口和冷却剂出口分别通过管道连接、设在该烧嘴与该气化炉连接的法兰处；冷却剂由该冷却剂进口通道进入该内冷却室后以一定的流速旋转流动至该外冷却室后向上进入该冷却室出口通道。

9.如权利要求1所述的负荷可控式多通道液态燃料气化烧嘴，其特征在于，该烧嘴的适用压力为0.1~15.0MPa。