CN202938295U - 一种变压、变工况油烧嘴 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种适应高压环境的煤气化炉用变压、变工况油烧嘴，具备0-2.0MPaG压力范围内任意定压、变压、连续变工况的工作过程的着火和燃烧能力，用于点燃气化炉的工艺烧嘴。该烧嘴包括身部套管及预混射流头部两部分。其中，身部套管同轴布置，自内而外依次为液体燃料外套管、雾化剂外套管、氧化剂外套管。套管与套管之间的环形空间形成各路介质通道。预混射流头部包括内外两层收缩型音速或高亚音速喷嘴和两级雾化混合室，可实现燃料与氧化剂的高效雾化混合以及稳定的着火燃烧。该烧嘴身部和头部的最外层布置双层封闭式环形通道冷却结构，通过安装法兰与气化炉炉体密封连接，可保证0-8MPaG炉压，1200-1700℃炉温下烧嘴的密封和不烧蚀。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种油烧嘴，尤其是涉及一种用于气化炉的并能够适应高压环境下的变压、变工况工作的新型开工烧嘴。
背景技术
高效洁净的煤气化技术是当今我国煤气化技术发展的主流，已工业化的煤气化技术主要为粉煤加压和水煤浆气化两种气化技术方式。
气化炉是水煤浆气化和粉煤加压气化技术的关键设备，气化炉的开工过程通常均由开工烧嘴完成。
水煤浆气化炉在开工时，开工烧嘴处于微负压和常压工况，待炉内温度达到投料温度，将开工烧嘴拆除，同时安装耐火砖和开工烧嘴盲法兰后，气化炉才能进行投料开车，点火方式为人工点火，因此，整个开工、点火过程操作繁琐，自动化程度低，易于熄火且不易察觉，工人劳动强度大，现场操作人员安全性差。
粉煤加压气化炉在开工时，开工烧嘴可实现一定压力范围内的变压、变工况负荷调节，但压力范围通常不高于1.0MPa，相应工业化的粉煤加压气化炉的炉压通常也不高于4.0MPa，这严重制约了更加节能、更加环保的大型化、高压化煤气化技术的发展。
此外， 粉煤加压气化炉的开工烧嘴在变压、变工况工作过程中，由于意外情况造成停车后，炉压需要重新降至常压，才能重新启动开工烧嘴的点火和变压、变工况操作，造成整个熄火事故处理时间较长。
实用新型内容
为了克服现有煤气化技术中开工烧嘴的不足, 本实用新型提供一种新型的适应高压环境下的变压、变工况油开工烧嘴，该烧嘴不仅可实现从常压0MPaG到高压2.0MPaG压力范围内的任意定压、变压、连续变工况下的液体燃料和氧化剂的稳定点火和燃烧，而且可保证0-8MPaG炉压、1200-1700℃炉温下烧嘴的密封和不烧蚀。
本实用新型上述目的是通过如下技术方案实现的：
本实用新型提供的一种能够适应高压环境下变压、变工况工作的油烧嘴，包括身部套管及预混射流头部2部分，其中：
身部套管采用同轴式布置结构，自内到外分别为液体燃料外套管、雾化剂外套管和氧化剂外套管；套管与套管之间的环形空间形成各路介质通道，其最内层为燃料介质通道，中间层为雾化剂通道，最外层为氧化剂通道；各介质通道进口端依次设有液体燃料入口、雾化剂入口和氧化剂入口，并通过雾化剂盖板和氧化剂盖板分别密封。这种结构的好处在于结构简单，便于拆解维修，同时实现了液体燃料、雾化剂和氧化剂的同轴输送；
预混射流头部包括液体燃料喷孔、雾化剂喷孔、一级雾化混合室、二级雾化混合室、雾化燃料喷嘴、主喷嘴、氧化剂旋流装置；该头部的主要作用是实现液体燃料的高效雾化以及雾化燃料与氧化剂的充分均匀混合；
烧嘴的身部和头部的最外层布置有冷却结构进行热防护，烧嘴本体通过安装法兰与气化炉炉体密封连接，可确保烧嘴接口8MPaG炉压下具备良好的密封。
优选地，所述的冷却结构的通道为双层封闭式环状通道结构，由氧化剂外套管和冷却介质外套管构成，并通过冷却夹套分隔成内、外两层环状通道和；两层环状通道分别设有冷却介质出口和冷却介质入口，并通过冷却介质盖板密封。
优选地，冷却结构的通道为内外双层的封闭式环状通道结构，冷却介质为高密度、高沸点、反应活性差、传热良好的液体充当，例如油、水。由此决定该烧嘴冷却方式为油冷或水冷。同时，烧嘴炉内部分的材质优选耐高温、耐腐蚀的镍基、钴基或/和哈氏合金材料, 例如Co50、INCONEL600、 哈氏C-22、Hastelloy C-276、Incoloy800H等。
冷却结构和炉内耐高温合金的设置，可大大延长烧嘴的使用寿命，尤其炉内烧嘴头部的抗烧蚀能力，可确保烧嘴长周期稳定工作在1200-1700高温下。
优选地，冷却结构的进口和出口可互换，冷却介质流向可根据需要灵活调整。
优选地，烧嘴的燃料介质可为轻、重柴油，生物柴油，甲醇合成型柴油等液体燃料；雾化剂可为空气，氮气以及蒸汽；氧化剂可为氧气、空气以及氧气与惰性气体的混合气体。烧嘴的介质适应性非常广泛。
优选地，液体燃料喷孔为单孔或多孔结构，居中布置，喷孔可为直孔或型面孔；型面孔指直线、曲线或拉瓦尔曲线的收缩孔、扩张孔或两者的结合；多孔可为两孔、三孔或更多孔的相互撞击结构。单孔的主要作用是节流，多孔的主要作用是节流和破碎燃料。
优选地，雾化剂喷孔为多孔结构，且以角度a沿圆周方向均匀布置于液体燃料喷孔周围；雾化剂喷孔为音速喷孔，喷孔个数为3-10个，喷孔角度a为30°-90°。雾化剂喷孔的作用是引导雾化剂对液体燃料进行初次雾化，利用雾化剂的高速碰撞动量将液体燃油破碎成细小颗粒。
优选地，内层的雾化燃料喷嘴和外层的主喷嘴均为音速或高亚音速喷口，能够保证背压的升降变化不会影响液体燃料的雾化质量，同时内、外两层喷嘴之间形成二级雾化混合室，对液体燃料、雾化剂和氧化剂进行二次雾化混合，使燃料燃烧更加稳定充分；两喷嘴的喷口为单孔或多孔结构，喷孔可为直孔或型面孔；型面孔指直线、曲线或拉瓦尔曲线的收缩孔、扩张孔或两者的结合；多孔可为两孔、三孔或更多孔的外扩散式或互相撞击式结构。
优选地，氧化剂出口采用直流或旋流方式喷出；当氧化剂旋流喷出时，旋流装置布置于收缩形氧化剂喷口附近的直管段或锥管段上，为轴向可调式旋流结构，优选的旋流角度范围为10o-75o 。旋流装置的设置可增加烧嘴火焰的稳定性，提高变工况的适应能力。
优选地，所述雾化燃料喷嘴（22）采用内缩方式，喷嘴出口可采用直流或旋流方式喷出。
优选地，液体燃料的雾化方式为多级预混射流，确保液体燃料具有良好的雾化效果。
优选地，该烧嘴在点燃工艺烧嘴后停止工作，不用抽出气化炉，大大简化了系统操作。
优选地，该烧嘴在整个工作过程中的点火和燃烧采用自动控制，节省了人力，提高了装置的安全运行能力。
本实用新型由于采用以上技术方案，使其具有以下优点：
（1）套管式身部结构简单，便于加工制造和返修拆解，大大缩短生产周期，减轻劳动强度。
（2）内、外双层喷嘴以及雾化混合室构成的音速（或高亚音速）下的三级雾化混合方式，保证定压、变压、变工况调节过程中雾化质量不变差，混合更均匀，大大缩短了着火时间，同时提高了燃料介质的燃尽率。
（3）氧化剂布置轴向可调式旋流装置时，极大提高烧嘴的着火稳定性和负荷变化适应能力，使负荷调节比可达20:1，可完全适应0-2.0MPaG 压力范围内的变压、变工况操作。
（4）双层封闭式环状冷却结构以及耐高温合金材料的设置，确保烧嘴炉内部分，尤其头部在炉膛1200-1700℃高温辐射环境下不被烧蚀，大大延长烧嘴使用寿命。
（5）法兰连接及金属环垫密封，保证8MPaG炉压下烧嘴接口零泄漏。和/或
（6）整个工作过程的点火和燃烧采用自动控制完成，大大减轻了工人的劳动强度，提高系统运行的安全性，缩短了熄火事故的处理时间。
附图说明
图1是本实用新型主体结构原理性剖视图。
图2是图1的头部视图。
图3是液体燃料喷孔结构视图。
图4是氧化剂喷口结构视图。
图5是雾化燃料喷嘴和主喷嘴结构视图。
图6是雾化燃料喷嘴的喷口旋流装置原理性结构视图。
图中：1.液体燃料入口，2.液体燃料外套管，3.雾化剂外套管，4.氧化剂盖板，5.氧化剂入口，6.冷却介质入口，7. 冷却介质外套管，8.冷却夹套，9.安装法兰，10.冷却介质出口，11.冷却介质盖板，12.氧化剂外套管，13.雾化剂入口，14.雾化剂盖板，15.雾化剂通道，16.氧化剂通道，17.氧化剂旋流装置，18.内层环状通道，19.外层环状通道，20.主喷嘴，21.二级雾化混合室，22.雾化燃料喷嘴，23.一级雾化混合室，24.雾化剂喷孔，25.液体燃料喷孔，26.液体燃料通道，27.液体燃料喷嘴旋流装置。
具体实施方式
下面将结合本实用新型附图对本实用新型加以描述。
参见图1和图2，本实用新型所述的一种变压、变工况的油烧嘴，包括烧嘴身部套管和预混射流头部两部分。烧嘴的身部和头部的最外层布置冷却结构，并通过安装法兰9与气化炉炉体（图中未示出）密封连接。
所述的身部套管同轴布置，自内而外依次为液体燃料外套管2、雾化剂外套管3、氧化剂外套管12。套管与套管之间的环形空间形成各路介质通道，其中最内层的液体燃料外套管2自身形成的通道为液体燃料通道26，液体燃料外套管2与雾化剂外套管3之间的通道为雾化剂通道15，氧化剂外套管12与雾化剂外套管3之间的通道为氧化剂通道16。各介质通道进口端依次设有液体燃料入口1、雾化剂入口13、氧化剂入口5，并通过雾化剂盖板14和氧化剂盖板4分别密封。
所述的冷却结构的通道为双层封闭式环状通道结构，由氧化剂外套管12和冷却介质外套管7构成，并通过冷却夹套8分隔成内层环状通道18和外层环状通道19。两层环状通道分别设有冷却介质出口10和冷却介质入口6，并通过冷却介质盖板11密封。
所述冷却介质的出口10和入口6可进行互换，即冷却介质的流向可以更换。冷却结构的设置，可确保烧嘴本体，尤其烧嘴炉内部分免受高温辐射的烧蚀，大大延长烧嘴的使用寿命。
所述的烧嘴炉内部分材质可采用耐高温、耐腐蚀的镍基、钴基或/和哈氏合金材料制成，例如Co50、INCONEL600、哈氏C-22、Hastelloy C-276、
Incoloy800H等。
所述的预混射流头部包括液体燃料喷孔25、雾化剂喷孔24、一级雾化混合室23、雾化燃料喷嘴22、二级雾化混合室21、主喷嘴20、氧化剂旋流装置17。液体燃料通过液体燃料喷孔25进入一级雾化混合室23，与从雾化剂喷孔24进入一级雾化混合室23的多股雾化剂相遇后剧烈撞击并充分混合，液体燃料破碎雾化并与雾化剂充分混合。完成一级雾化混合的液体燃料气液混合物由雾化燃料喷嘴22进入二级雾化混合室21，与通过旋流装置17喷出的氧化剂在此相遇碰撞并充分混合，将气液混合物被进一步雾化。最终，充分混合的液体燃料、雾化剂、氧化剂由主喷嘴20喷出，体积迅速膨胀，完成第三级的雾化混合。
参见图2，所述的雾化剂喷孔24为多孔结构，并以角度a沿圆周方向均匀布置于液体燃料喷孔25周围。雾化剂喷孔24采用音速喷孔，喷孔个数优选为3-10个，喷孔角度a优选为30°-90°。
参见图3，所述的液体燃料喷口25可为单孔或多孔结构，居中布置，喷孔可为直孔或型面孔，型面孔指直线、曲线或拉瓦尔曲线的收缩孔、扩张孔或两者的结合。多孔可为两孔、三孔或更多孔的相互撞击结构。
参见图4，所述的氧化剂喷口为收缩形环状喷口，采用直流或旋流喷出。当氧化剂采用旋流喷出时，旋流装置可布置于喷口附近的直段或锥段上，旋流装置为轴向角度可调式结构，旋流角度优选为10°-75°。依据不同的炉膛形状和结构，旋流角度的增加或减小可调节火焰的长度及宽度。
参见图5，所述的雾化燃料喷嘴22和主喷嘴20可为单孔或多孔结构，喷孔可为直孔或型面孔，型面孔指直线、曲线或拉瓦尔曲线的收缩孔、扩张孔或两者的结合(图中未示出，孔型参见图3)。多孔可为两孔、三孔或更多孔的外扩散式或互相撞击式结构。
参见图6，雾化燃料喷嘴22单孔布置时，还可通过喷口布置旋流装置的方式使雾化燃料旋流喷出。
本实用新型的主要工作过程有如下两种：
第一种工作过程：常压或高压下的定压点火和燃烧。按照预设的顺控程序，气化炉炉压升压至0-2.0Mpa范围内的任一压力状态，例如0.5MpaG。工艺系统中的液体燃料以该压力下设计流量通过液体燃料入口1进入液体燃料通道26，后经液体燃料喷孔25进入一级雾化混合室23。雾化剂以该压力下设计流量通过雾化剂入口13进入雾化剂通道15，后经雾化剂喷孔24以音速状态高速喷入一级雾化混合室23。两股介质在一级雾化混合室23内相遇并剧烈撞击，液体燃料被破碎雾化。雾化后的气、液混合介质以多股细小液体燃料液滴（或雾滴）的状态经雾化燃料喷嘴22高速射流喷出进入二级雾化混合室21。与此同时，系统氧化剂以该压力下的设计流量由氧化剂入口5进入氧化剂通道6，后经氧化剂出口附近的氧化剂旋流装置17高速旋流喷入二级雾化混合室21，形成一股具有切向动量能的涡流，对进入二级雾化混合室21的液体燃料气液混合物二次冲刷，使小油滴二次雾化的同时，液体燃料液滴与氧化剂得以充分均匀混合。完成二次雾化混合的三介质气液混合物通过主喷嘴20高速喷入气化炉炉膛内，空间增大，介质体积瞬间膨胀，使得液体燃料三介质气液混合物的雾化混合更加充分。至此，经过三次雾化混合的高密度液体燃料三介质气液混合物在气化炉内遇到点火源（高能电嘴、点火烧嘴等），即刻被点燃，实现油烧嘴定压下的点火和燃烧。
第二种工作过程：烧嘴的变压、变工况下的点火和燃烧。首先，按照第一种工作过程完成该烧嘴的定压点火，待烧嘴点燃并维持火焰稳定燃烧3-5分钟后，开始该烧嘴的变压、变工况操作。此过程中，炉压由初始点火压力(通常0-1MpaG)缓慢上升至投煤压力(通常1-2MpaG)，伴随着炉压的升高，烧嘴的液体燃料、雾化剂、氧化剂等三路介质的流量和压力由初始点火时的工况亦等比例增大至投煤时的高压满负荷工况。此时，油烧嘴释放的热量达到或超过点燃工艺烧嘴粉煤的能量值，气化炉启动投料，工艺烧嘴的粉煤被点燃，油烧嘴结束工作，依次切断液体燃料路、氧化剂路、雾化剂路的进料。
以上两种工作过程，全部自动控制完成。整个工作过程中，油烧嘴可实现0-2.0MPaG压力范围内的任意定压、变压、连续变工况负荷调节过程的点火燃烧以及0-8MPaG炉膛气化压力下烧嘴接口的密封。与此同时，整个工作过程中，冷却介质路始终有冷却介质通过，保护烧嘴1200-1700℃高温下不烧蚀。
以上已经结合本实用新型的最优选实施例对本实用新型的油烧嘴作出了详细的描述，然而本领域的技术人员可以认识到，在不背离本实用新型的实质和范围的情况下，可以对本实用新型进行各种修改和变化。应当认为本实用新型的最优选实施例是描述性的，而非限定性的，本实用新型的范围应当根据所附的独立权利要求加以确定。
Claims (10)
1.一种变压、变工况油烧嘴，包括烧嘴的身部套管和预混射流头部两部分，其特征在于：
所述的身部套管为同轴布置，自内到外分别为液体燃料外套管（2）、雾化剂外套管（3）和氧化剂外套管（12）；套管与套管之间的环形空间形成各路介质通道，其最内层为燃料介质通道（26），中间层为雾化剂通道（15），最外层为氧化剂通道（16）；各介质通道进口端依次设有液体燃料入口（1）、雾化剂入口（13）和氧化剂入口（5），并通过雾化剂盖板（14）和氧化剂盖板（4）分别密封；
所述的预混射流头部包括液体燃料喷孔（25）、雾化剂喷孔（24）、一级雾化混合室（23）、二级雾化混合室（21）、雾化燃料喷嘴（22）、主喷嘴（20）、氧化剂旋流装置（17）；
所述的烧嘴的身部和头部的最外层布置有冷却结构，烧嘴本体通过安装法兰（9）与气化炉炉体密封连接。
2.根据权利要求1所述的油烧嘴，其中，
所述的冷却结构的通道为双层封闭式环状通道结构，由氧化剂外套管（12）和冷却介质外套管（7）构成，并通过冷却夹套（8）分隔成内、外两层环状通道（18）和（19）；两层环状通道分别设有冷却介质出口（10）和冷却介质入口（6），并通过冷却介质盖板（11）密封。
3.根据权利要求1所述的油烧嘴，其中，
所述的液体燃料喷孔（25）为单孔或多孔结构，居中布置，喷孔可为直孔或型面孔，型面孔指直线、曲线或拉瓦尔曲线的收缩孔、扩张孔或两者的结合；多孔可为两孔、三孔或更多孔的相互撞击结构。
4.根据权利要求1所述的油烧嘴，其中，
所述的雾化剂喷孔（24）为多孔结构，且以角度a沿圆周方向均匀布置于液体燃料喷孔（25）周围；雾化剂喷孔（24）为音速喷孔，喷孔个数为3-10个，喷孔角度a为30°-90°。
5.根据权利要求1所述的油烧嘴，其中，
所述的内层的雾化燃料喷嘴（22）和外层的主喷嘴（20）均为音速或高亚音速喷口；喷口为单孔或多孔结构，喷孔可为直孔或型面孔，型面孔指直线、曲线或拉瓦尔曲线的收缩孔、扩张孔或两者的结合；多孔可为两孔、三孔或更多孔的外扩散式或互相撞击式结构。
6.根据权利要求1所述的油烧嘴，其中，
所述的氧化剂出口采用直流或旋流方式喷出；当氧化剂旋流喷出时，旋流装置（17）布置于收缩形氧化剂喷口附近的直管段或锥管段上，为轴向可调式旋流结构，旋流角度范围为10o-75o 。
7.根据权利要求1所述的油烧嘴，其中，
所述雾化燃料喷嘴（22）采用内缩方式，喷嘴出口可采用直流或旋流方式喷出。
8.根据权利要求1所述的油烧嘴，其中，
所述液体燃料的雾化方式为多级预混射流。
9.根据权利要求1所述的油烧嘴，其中，
所述液体燃料、雾化剂和氧化剂采用同轴输送结构。
10.根据权利要求2所述的油烧嘴，其中，
所述的冷却结构的介质为高密度、高沸点、反应活性差、传热良好的液体充当。
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