CN204082121U - 一种煤炭气化喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种煤炭气化喷嘴，包括中心管、外环套管和顶帽，中心管和外环套管为同圆心套管结构，中心管末端设有注气口，顶帽连接在外环套管的管壁和中心管的注气口之间，顶帽上设有至少一个顶孔,所述外环套管的管壁上开设有至少一个侧孔。该喷嘴可以防止含氧气体向喷嘴后端扩散，避免回火。这不但提高了喷嘴的使用寿命，也增大了氧气向四周煤层的扩散比例，为煤炭地下气化提供了保障。
Description
技术领域
本实用新型涉及煤炭地下气化领域，更具体地，涉及一种煤炭气化喷嘴。
背景技术
煤炭地下气化技术是一种新兴的煤化工技术，目前我国主要采用注气点后退技术，用该技术进行煤炭气化的过程中，通过注气管向煤层的气化通道中注入含氧气体，含氧气体从注气管的喷嘴中喷出与周围煤层发生反应，生成煤气。煤气产生过程中伴随着高热量的产生，受到气化炉压力、喷嘴周围氧浓度以及喷嘴前灰渣阻碍等因素影响，注气管和喷嘴容易融化或损坏，影响气化过程的连续性和稳定性，进而造成煤气有效组分下降，气化过程受阻等负面影响。
中国专利CN1752521A中提出一种套管结构喷嘴。喷嘴的中心管和外环管均为含氧气化剂通道，中环管为水煤浆通道。喷嘴各个通道末端采用渐缩式锥形结构，并在正对中心管喷嘴的位置设置圆台型撞击件。该专利喷嘴将水煤浆与氧气在喷嘴混合室内充分混合后喷入气化炉内，但该喷嘴没有冷却装置，易造成回火的危险，同时也存在被灰渣掩埋的可能。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有冷却和防回火的功能的煤炭气化喷嘴。
为实现上述实用新型目的，本实用新型煤炭气化喷嘴，包括中心管、外环套管和顶帽，中心管和外环套管为同圆心套管结构，中心管末端设有注气口，顶帽连接在外环套管的管壁和中心管的注气口之间，顶帽上设有至少一个顶孔。
优选的，所述顶孔与喷头外圆切线夹角α呈15～75度。
优选的，所述顶孔与喷嘴同心套管轴线夹角γ呈15～75度。
优选的，所述顶孔与喷嘴同心套管轴线夹角γ呈30～60度。
优选的，所述顶孔以注气口为中心均等分布。
优选的，所述外环套管的管壁上开设有至少一个侧孔。
优选的，所述侧孔与喷嘴同心套管轴线夹角β呈5～75度。
优选的，所述侧孔的覆盖密度为15％～60％。
优选的，所述顶帽可以是平面环形、正四边形及圆台形
本实用新型的有益效果在于：在本实用新型的喷嘴中，惰性气体和水不断注入内外套管夹隙实现对喷嘴的冷却，之后惰性气体和水从顶孔和侧孔喷出形成扇形气流以防止含氧气体向喷嘴后端扩散，避免回火。这不但提高了喷嘴的使用寿命，也增大了氧气向四周煤层的扩散比例，为煤炭地下气化提供了保障。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型煤炭气化喷嘴第一实施例的主视示意图；
图2是本实用新型煤炭气化喷嘴第一实施例的左视示意图；
图3是本实用新型煤炭气化喷嘴第一实施例沿管轴线方向的剖视示意图；
图4是本实用新型煤炭气化喷嘴所形成的扇形水流和/或气流的叶片曲率示意图；
图5是本实用新型煤炭气化喷嘴第三实施例的主视示意图；
图6是本实用新型煤炭气化喷嘴第三实施例沿管轴线方向的剖视示意图；
附图标记说明
1中心管 2外环套管 3顶帽
4注气口 5管壁 6顶孔
7侧孔
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制实用新型。
在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指说明书附图中所示的方向。
本实用新型煤炭气化喷嘴包括中心管1、外环套管2和顶帽3，中心管1和外环套管2为同圆心套管结构，中心管1末端设有注气口4，顶帽3连接在外环套管2的管壁5和中心管1的注气口4之间，顶帽3上设有至少一个顶孔6。
请参考图1至图3，本实用新型煤炭气化喷嘴包括中心管1、外环套管2和顶帽3，中心管1和外环套管2为同圆心套管结构，其垂直于管轴线方向的截面为环形，中心管1是含氧气化剂通道，末端开设有向气化炉中注入含氧气化剂的注气口4，外环套管2是冷却通道，用于注入水或惰性气体。顶帽3连接在外环套管2的管壁5和中心管1的注气口4之间，所述顶帽3和外环套管2可以是分体结构也可以是一体成型的。顶帽可以是平面环形、正四边形及圆台形等，优选是圆台形。
顶帽3上设有至少一个顶孔6，顶孔6与喷头外圆切线夹角α呈15～75度，与喷嘴同心套管轴线夹角γ呈15～75度。优选地，顶孔6以注气口4为中心均等分布。所述外环套管2的管壁5上开设有至少一个侧孔7，与喷嘴同心套管轴线夹角β呈5～75度，覆盖密度为15％～60％。
所述顶孔6的作用是为了使水和/或惰性气体在注气口4周围形成有角度的扇叶形喷射；所述侧孔7的作用是使水和/或惰性气体向四周斜向喷出。两者作用都是防止含氧气体和高温热源向喷头后方扩散，防止回火并降低喷嘴被灰渣掩埋几率。但这两种孔作用又各有侧重：顶孔6设在喷头顶部，喷出的气流/水流形式为扇叶形组成的圆环，阻隔对火源和含氧气体后移起主要作用；侧孔7对阻隔火源和含氧气体的后移起辅助作用，其对防止灰渣掩埋和促进煤层裂隙发育作用更为显著。
为使水流和/或气流在喷头端形成有角度的扇形喷射，所述顶孔6和侧孔7的α、γ、β角度选择是关键。
1)考虑扇形水流和/或气流的叶片曲率，在一定范围内，叶片曲率越大，相同转速下，动能也就越大。如图4所示，当弧高/弦长的比值超过0.1时，升力系数(即物体飞行时因为其本身的形状而受到气流所作用的向上的力与物体相应的动压和参考面积之积的比率)便不再呈线性增加，因而扇形水流和/或气流的曲率在弧高/弦长的比值0.1左右。结合上述原理，在实际喷头制备过程中，是将喷头前形成扇形。因此将开孔角度略调节，形成具有间距交错扇叶。带入曲面计算可知，如图4若孔长为h,孔端点到切线距离为L，L/h(即为sinα)约等于0.1，则α为7度时，弧高/弦长的比值接近0.1。所以α大于7度。
但为了适应地下气化通道的实际情况(压力普遍>2个大气压，压力与流速有正比关系，所以通道内自然流速减小)将α最小角度扩大到15度。
2)孔长等于两端距离差可以达到推进式搅拌桨的性能，螺距L与扇叶宽h比在1～2之间。但是过分的搅动不适合地下气化喷头中使用，如果达到推进式搅拌效果，会使喷头前含氧气体向喷头后流动，易发生回火。因此，为了使喷头顶孔6起到推动气流作用，又不会出现含氧气体后流的现象，应使L/h<1，α小于75度。
所以α角度范围是15～75度。
3)考虑扇形水流和/或气流的叶片倾角：γ角度决定顶孔6所喷出水和/或惰性气体形成“扇叶的倾角”，在一般情况下扇叶大小一定时，扇叶的倾斜度大，动能就大。经多次实验和理论研究，γ角度在15～75度都可以实现本实用新型的目的，但γ角度优选为30～60度效果更好。
4)β角为侧孔7的角度，角度过小气流易对自身外环套管2产生冲击，也不能使水和/或惰性气体喷到喷头外部，同时侧孔7用于辅助顶孔6防止火源和含氧气体后移动，因此其优选最大角度与γ角度的最大倾角一致。所以取值范围为5～75度。
实施例一
请参考图1至图3，本实用新型煤炭气化喷嘴选用耐腐蚀耐高温材料，优选不锈钢材料。其包括中心管1、外环套管2和顶帽3，中心管1和外环套管2的同圆心套管结构，其垂直于管轴线方向的截面为环状，中心管1为含氧气化剂通道，末端开设有向气化炉中注入含氧气化剂的注气口3，外环套管2为冷却通道，冷却通道用于注入水或惰性气体。顶帽3连接在外环套管2的管壁5和中心管1的注气口4之间，所述顶帽3和外环套管2可以是分体结构也可以是一体成型。顶帽呈圆台形。
以注气口4为中心，在所述顶帽3上均匀开设有至少一个顶孔6，所述外环套管2的管壁5上开设有至少一个侧孔7。该顶孔6与喷头外圆切线夹角α呈74度，与喷嘴同心套管轴线夹角γ呈75度。侧孔7与喷嘴同心套管轴线夹角β呈75度，覆盖密度为15％(覆盖密度是开孔面积占总面积的百分比)。
本实施例中，顶孔6喷出的气体对前部的气体径向上有一定的搅动作用，轴向上向前推进，使含氧气体不能向喷嘴后扩散。侧孔7与顶孔6轴向角度相同，既可以冷却整个喷头，对四周煤层的冲击面积较大，又可以辅助顶孔6，防止含氧气体的向后移动。
实施例二
本实施例的整体结构和实施例一相同，区别在于顶孔6和侧孔7的角度设置不同，在本实施例中，顶孔6与喷头外圆切线夹角α呈15度，与喷嘴同心套管轴线夹角γ呈15度。侧孔7与喷嘴同心套管轴线夹角β呈5度，覆盖密度为15％。
本实施例中，顶孔6喷出的惰性气体对喷头前部的气体轴向上向前推进阻隔，使含氧气体不能向喷嘴后扩散。侧孔7与顶孔6轴向角度相同，既可以冷却整个喷头，对四周煤层的有一定冲击作用，可以辅助顶孔6，补充惰性气体形成的屏障，防止含氧气体的向后移动。
实施例三
请参考图5和图6，本实施例的整体结构和实施例一相同，区别在于顶帽呈平面环形，即：顶帽中部的注气孔边缘与同心套管内管壁边缘成封闭式固定连接，顶帽的边缘与同心套管外管壁边缘成封闭式固定连接。
在本实施例中，顶孔6与与喷头外圆切线夹角α呈45度，与喷嘴同心套管轴线夹角γ呈40度。侧孔7与喷嘴同心套管轴线夹角β呈60度，覆盖率为35％。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
Claims (9)
1.一种煤炭气化喷嘴，包括中心管、外环套管和顶帽，其特征在于：中心管和外环套管为同圆心套管结构，中心管末端设有注气口，顶帽连接在外环套管的管壁和中心管的注气口之间，顶帽上设有至少一个顶孔。
2.如权利要求1所述的煤炭气化喷嘴，其特征在于：所述顶孔与喷头外圆切线夹角α呈15～75度。
3.如权利要求2所述的煤炭气化喷嘴，其特征在于：所述顶孔与喷嘴同心套管轴线夹角γ呈15～75度。
4.如权利要求3所述的煤炭气化喷嘴，其特征在于：所述顶孔与喷嘴同心套管轴线夹角γ呈30～60度。
5.如权利要求1～4任一项所述的煤炭气化喷嘴，其特征在于：所述顶孔以注气口为中心均等分布。
6.如权利要求1所述的煤炭气化喷嘴，其特征在于：所述外环套管的管壁上开设有至少一个侧孔。
7.如权利要求6所述的煤炭气化喷嘴，其特征在于：所述侧孔与喷嘴同心套管轴线夹角β呈5～75度。
8.如权利要求6所述的煤炭气化喷嘴，其特征在于：所述侧孔的覆盖密度为15％～60％。
9.如权利要求1所述的煤炭气化喷嘴，其特征在于：所述顶帽可以是平面环形、正四边形及圆台形。
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