CN209161972U - 耐高压烧嘴头 - Google Patents

Abstract

本实用新型是关于一种烧嘴头，为在200bar以下的压力制备合成气的长明灯烧嘴或气化烧嘴中带有内部冷却的耐压烧嘴头，由一个整体的、中空圆柱形、在烧嘴管末端呈锥体的端件构成。本实用新型提供的带内部冷却的烧嘴头，特点是高抗压强度、结构简单和更好的散热。通过安装于锥形烧嘴头内、外表面之间的冷却通道来实现，通道之内为湍流流动，一个实心支撑环安装于内外冷却通道之间，靠近表面的冷却通道的横截面轮廓与端件的壳面轮廓平行布置，内、外冷却通道以半圆周或四分之一圆周贴近通道表面布置，形成等距的、横向的几个流层，通过使用180°回转弯头，流动方向在每个流层之间沿周向进行转向，在烧嘴内、外表面之间产生了弯曲回转的流道。

Description

耐高压烧嘴头

技术领域

本实用新型是关于一种在一定的压力下(200bar以下)制备合成气的长明灯烧嘴或气化烧嘴中带有内部冷却的耐压烧嘴头，由一个整体的、中空圆柱形、烧嘴管末端呈锥体的端件构成。

背景技术

合成气是通过将固体、液体或气体有机燃料，如煤或不同煤化程度的胶体煤悬浮液、不同有机原料制成的焦炭或天然气和油，在高压(通常到80bar)、高温(最高到2000℃)条件下进行自热部分氧化反应而得到的。

气化反应可以在，例如一个含有一个或多个用于供给固体、液体或气体燃料与氧气的气化烧嘴的气流床气化反应器中进行。

在气流床气化中，将开工烧嘴(也叫作长明灯烧嘴或点火烧嘴)安置于气化反应器顶部中心处是常见的方法，这里所说的开工烧嘴用于在气化反应室内建压并点燃待氧化的燃料。在此开工烧嘴的周围通常会布置几个气化烧嘴(也叫作粉煤烧嘴、主烧嘴或烧嘴)。替代的方法是可以将开工烧嘴与气化烧嘴整合在一起。在一个顶喷嘴布置的气流床气化反应器中，流体是从烧嘴直接向下流动。

燃料是以其与输送气混合而成的密相流气动的供给到气化烧嘴处。在烧嘴火焰区内，反应介质被加热到气化反应温度。在烧嘴火焰区内形成的气流场中，燃料中的碳、氢组分与供给的氧发生反应，在部分氧化反应和其它副反应作用下生成一种粗合成气。

气化反应的流程和建造气流床气化反应器的原理在专利 CN104713081B中有所描述。

所需的燃料、氧气与蒸汽通过气化烧嘴输送到气化反应室并以一种让它们在还原条件下尽可能转化为富含氢气与一氧化碳的合成气的方式充分混合。在气流床气化中，煤粉在1400℃到1700℃的气化温度及通常40bar到80bar的气化压力下进行气化。通过增加气化压力，如增加到200bar，在反应器中可得到更高的转化率。

气流床气化中气化烧嘴的零部件直接插入到反应室中，暴露在此区域1000℃以上的高温环境中。另外气化反应会产生带有腐蚀性的气化产品，通过回流作用不可避免地会与烧嘴头部接触从而产生了额外的应力。此外煤粉烧嘴的粉煤通道与导向件还受到因煤粉产生的高磨蚀载荷，同时因氧气供给到火焰区，被介质包围的烧嘴的金属件处于一个强烈的氧化气氛下。

一种常见的保护方法是通过烧嘴冷却水对烧嘴头部充分地散热。可通过使用高热传导率的材料来进行散热。不管用何种保护方法，对于气化烧嘴至少是在烧嘴头部区域应使用耐高温耐腐蚀材料进行制造。基于此种考虑，可采用具有高热传导率的镍基合金材料。

专利DE 10 2008 006 572 A1中展示了一种用于气化反应器传统设计的水冷烧嘴，这种烧嘴头部根据压力设备准则的常规方法制造，带有使用镍基合金的管壁，在离烧嘴头部近的环形水冷管外还衬有一层陶瓷保护层，以防止反应器中的高温。

在专利EP 1 102 627 B1中展示了一种烧嘴，只在烧嘴头部区域有一个覆盖着保护层的环形冷却水通道，其中有螺旋形的冷却水管用于冷却水的供给和排出，这些水管布置在烧嘴外部。

然而，通过传统方法由半成品管制造的烧嘴与烧嘴头，有以下的基本缺点：

烧嘴的冷却仅依靠环形间隙中的一股冷却水，导致需要大量的循环冷却水。

由于制造的原因，用于支撑结构的比例较低；而且因为需要有效的换热而使用薄壁，上述烧嘴只适用于在冷却系统和反应器之间、或冷却介质与相邻供给的气化介质之间的压差较低的情况。

传统的烧嘴头部制造方法非常复杂且在烧嘴头部不可避免地存在焊缝，在高热载荷的作用下，降低了耐磨性。

在专利DE 10 2015 202 579 A1中展示了一种新的烧嘴保护方法，使用一个整体的、增材方法制造的最小壁厚的烧嘴头。通过冷却剂浸没最大化的烧嘴头部内表面达到散热的提升。因此不再需要额外的保护衬层。这种烧嘴的支撑结构可以通过激光熔融法或三维打印技术制造。这种烧嘴的缺点是多冷却通道带来的复杂内部结构及其网状的支撑壁，同时在冷却剂平等流动的通道结构没有达到热量的优化流动布置。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种有内部冷却的烧嘴头，可以通过增材制造方法来制造，抗压强度高，结构简单，散热性进一步提高。

本实用新型为实现其目的，提供一种烧嘴头，所述烧嘴头为在200bar 以下的压力下制备合成气的长明灯烧嘴或气化烧嘴中，带有内部冷却的耐压烧嘴头，其中烧嘴头是由一个整体的、中空圆柱形、在烧嘴管(1) 末端呈锥体的端件(2)构成，

冷却通道(4、5)安装在锥形端件(2)的内、外壁表面下，其内冷却剂以湍流方式流动，其中无冷却通道的支撑环(6)安装于内冷却通道 (4)和外冷却通道(5)之间；

冷却通道(4、5)横截面的轮廓与端件(2)外壳轮廓接近、并与其表面轮廓走向平行，其中端件(2)内部冷却通道(4、5)的横截面沿流动方向是恒定的；

内、外冷却通道(4、5)以半圆周或四分之一圆周贴近端件内外表面布置，并形成等距的、横向的几个流层，通过使用180°回转弯头(7)，流动方向在每个流层之间沿周向进行转向，从而产生了弯曲回转的流道。

优选的，内冷却通道(4)中回转弯头(7)与外冷却通道(5)中的回转弯头(7)偏移布置。

优选的，内冷却通道(4)中回转弯头(7)与外冷却通道(5)中的回转弯头(7)偏移布置，并以90°在周向上偏移。

优选的，在端件(2)轴向突出的部位，布置了冷却通道(4、5)的连接管(8)，与一个冷却盘管的管口在烧嘴头部上方一个区域连接在一起。

优选的，至少有一个用于温度探测器的通道(9)轴向的安装于支撑环(6)内，末端结束于接近烧嘴头部轮廓(3)的表面或冷却通道(4、 5)的位置。

优选的，支撑环(6)核心部位至少部分为空心结构。

优选的，端件(2)是通过金属增材制造工艺加工出来的。

优选的，端件(2)是用激光熔融法对高温金属合金进行加工制得的。

所建议的，用于长明灯烧嘴或气化烧嘴，有内部冷却的耐压烧嘴头按如下一种方式设计：在适宜的锥形末端件中，冷却通道以中心圆柱的形式，嵌入在其内、外壁面下，冷却剂在通道中呈湍流流动。在冷却通道的内、外壁中安装有一个无冷却通道的支撑环。冷却剂通道的截面轮廓在靠近烧嘴外壳末端轮廓平行，且冷却通道的截面在末端内部沿流体流动方向是连续的。

内、外冷却通道以半圆周或四分之一圆周贴近通道表面布置，并形成等距的、横向的几个流层。通过使用180°回转弯头，流动方向在每个流层之间沿周向进行转向，从而在烧嘴内、外表面之间产生了弯曲回转的流道。

通过此种方式优化的烧嘴头，优点是以简单的通道结构，通过热传导和对流从烧嘴头获得更强的、更均匀的热交换，比已知其它产品效果更好。烧嘴头部内以常规方法，在轴向与切向通道部分，保持恒定的距离并有一个恒定的截面地安装冷却通道，从而在轴向一次流中增加了一个二次环向流。这种双向流冷却流保证了对末端件整个表面均匀和充分的冷却，从而防止了会造成磨蚀增加的局部高温的产生。

与其它已有的传统烧嘴头相比，本实用新型烧嘴头冷却通道的截面非常小并设计成管湍流流动。

这为本实用新型烧嘴头部的冷却提供了水动力优化。多个回转弯头，使得水管流道中不连续流动后，比如发生偏流后，在速度场还没有完全建立起来的整个流道中产生了高比例的热输入流区。这些输入流区的热力学上的优点在于更薄的边界层、更高的温度梯度和更高的向冷却剂传热量。相比于管层流或管湍流，在热输入流特征的流道截面上热交换更好。

本实用新型中烧嘴头的设计中采用了输入流的优点，用于在更小通道横截面的条件下增加到冷却剂的热交换。

在烧嘴头中优化的冷却流方式提高了烧嘴头的使用寿命。

同时，因为冷却通道横截面变小，所以冷却剂的用量也变小了。

因为本烧嘴头采用了小横截面通道和本实用新型中的内部结构，烧嘴具有更高的可达200bar的抗压强度。所说的烧嘴头，其特征在于，在靠近烧嘴头表面的平行通道部分和在通道中间恒定的壁厚，通过所说的平行通道实现。其特征还在于，一个支撑环，位于一个形状渐变到外部轮廓的通道上，从而实现了外部管壁的恒定壁厚。此外，在结构中形成不连续性的回转弯头，沿着烧嘴头的周向与高度方向均匀分布。

一个耐压烧嘴头，可以使冷却剂的压力降低，可以减少循环冷却剂的用量，还能使冷却相关设备的造价降低。

此种结构的烧嘴头可以通过使用增材制造方法来制造。比如激光熔融法、激光烧结法和加热烧结法或电子束熔融法。与传统的制造方法相比，通过增材法来加工塑形非典型的冷却通道结构，能显著的减少制造成本。

此外，通过增材方法，还可以在烧嘴头部中整合额外的用于测温的通道，用以控制温度。烧嘴头中温度监控的作用还在于不仅能检查磨蚀的程度，还能在运行期间检测气化烧嘴的燃烧状态。

附图说明

下面，为了更好的理解本发明，将通过一个用于制备合成气的气化烧嘴的烧嘴头例子来更进一步的说明。相关的图例如下：

图1：烧嘴头剖视图；

图2：冷却通道的三维示意图。

符号参考列表

1 烧嘴管

2 端件

3 头部轮廓

4 冷却通道(内)

5 冷却通道(外)

6 支撑环

7 回转弯头

8 盘管连接管

9 通道

10 连接环

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合实施例进一步阐述本实用新型的内容，但本实用新型的内容并不仅仅局限于以下实施例。

在一定的压力下(200bar以下)和一定的反应工况(1900 ℃以下) 制备合成气的长明灯烧嘴或气化烧嘴中带有内部冷却的耐压烧嘴头。本烧嘴头由一个中空圆柱形、在烧嘴管1末端呈锥体的端件2构成。端件2 介质出口处头部3的轮廓优选的加工为半圆形。在端件2的内、外壁表面下，横截面很小的冷却通道4、5被整合的安装用于提高通道的湍流。不带有冷却通道的支撑环6，安装于内冷却通道4和外冷却通道5之间。安装在端件2壳体中间区的支撑环6是基本的支撑结构。

为连接到烧嘴管1，在端件2上有一个比组成冷却通道4、5的端件部分的半径小一些的连接环10。烧嘴管1可通过常见的方法，牢固地焊接在或用可拆卸的螺纹连接到连接环10之上。

冷却通道4、5的横截面的轮廓与端件2的外部轮廓连续藕合，意味着与烧嘴外壳轮廓相近的通道横截面轮廓与端件2的壳面轮廓平行排布，从而在冷却通道与端件表面之间的每个点上的材料厚度都几乎保持一致。例如在0.5到2.5毫米之间的材料厚度可以承受因反应室与冷却剂之间不同压力引起的50bar到250bar的压差。

冷却通道4、5的流体横截面沿着流动方向保持不变，从而保证在端件2的冷却系统中不会产生局部压力梯度或速度梯度。由于可预见的湍流，在烧嘴头部的压力降将比常规烧嘴要高。冷却剂进口的压力范围是5 到10bar。

内、外冷却通道4、5以半圆周或四分之一圆周贴近通道表面布置，并形成等距的、横向的几个流层。通过使用180°回转弯头7，流动方向在每个流层之间沿周向进行转向，从而在烧嘴内、外表面之间产生了平行且弯曲回转的流道。

冷却通道4、5中，在回转弯头7之间的部分，呈水平的半圆通道或四分之一圆通道互相之间保持恒定的间距。

当在制造过程中加工时，需将冷却通道4、5与回转弯头取出以便留出空间。

为避免在端件2中出现结构弱点，内冷却通道4中回转弯头7与外冷却通道5中的回转弯头偏移布置，如在实施方式中以90°在周向上偏移。对于回转弯头7的偏移布置可能有多种包括其它偏移角度在内的参数，但它们并不代表本发明的替代。

通过所描述的通道设计，在端件2中形成了一个均匀的结构，能够提高烧嘴头的抗压强度和保证给烧嘴头表面均匀的冷却。

为了将烧嘴头连接到冷却系统，在端件2轴向突出的部位，布置了冷却通道4、5的连接管8，与一个冷却盘管的管口(未在图中显示)，按常规已知的方式连接在一起。所说的冷却盘管安置于烧嘴管1的外部或内部，在盘绕的盘管中间存在间隙用于热膨胀的补偿。通过盘管，冷却剂从烧嘴的介质接管处沿着烧嘴管1被送入烧嘴头，并被送回一个外部的冷却剂设备(此设备不在本发明范围内)。连接管8与盘管的连接可以做成固定的方式，也可以做成可拆卸的方式以简化维修。

在具体实施中展示了一个端件2的通道结构，包括用于2个冷却剂进口和2个冷却剂出口的连接管8，其中在此实施中，每个通道是给进出口之间端件2一半的壳体部分进行冷却。因此，盘管是由4个平行的管路组成。

冷却通道4、5的布置允许至少有一个通道9，能够让一个测温器从轴向插入到端件中，其末端可贴近头部表面或头部中冷却通道4、5的表面。

用于测温器的直通道9可以定位在回转弯头之间的材料搭接上。在烧嘴头的制造过程中，这些通道9可以作为单独的空间与冷却通道同时成形。烧嘴预组装后，将一个或多个测温器插入到通道9中，然后进行密封防止腐蚀性气体或颗粒的进入。

如果回转弯头是如图2按每个横平面偏移互相的方式布置，不存在材料搭接，则不能用于通道9。在这种情况下，所说的通道可以安装在位于冷却通道4、5之间的支撑环6上，以避免冷却通道的交叉及密封相关问题。

烧嘴头部靠近火焰区部分的温度在工艺操作中是要特殊关注的。因此如果一个或多个通道9能够接近头部3的外轮廓是有利的。如果多个测温器安装在端件2的周向，就有可能监测到烧嘴头部火焰形状的变化或基于温度分布造成的磨蚀程度。

为了测量温度，一个可能的实施方式是将通道9的末端安装在冷却剂入口的通道，并将第二个通道9的末端安装在冷却剂出口通道。在这种情况下，测温点直接安装于通道中或是浸入到冷却剂流中，测出来的冷却剂温度不会出现时间延迟。

支撑环6的基本形式是实心的，而在其位于内、外冷却通道4、5之间的核心部分可以有独立的结构用来调整端件2的特性。例如，端件2 在加工时可加入部分空心的结构用于减少端件2内部的热载荷。甚至还可以加入可用于输送介质或工艺监测器的额外通道结构。在图1中，这样的结构实施方式通过点划线表示出来。另外也可以提供最小壁厚材料如2.5毫米围绕着需要保证抗压强度的内、外冷却通道，和将位于冷却通道4、5之间的支撑环6的内部设计为主体为空心的形式。

一种这样设计的端件2可用增材制造法通过一种节约成本的方式制造出来，如激光熔融法来加工一种高温合金金属。鉴于这种制造方法众所周知，不在此处详细解释。

烧嘴在气化操作运行中，一种冷却剂，通常为处理过的水，经过盘管和连接管8的进水路径进入到端件2，然后流过在端件2内侧弯曲的内冷却通道4，进入烧嘴头部的外冷却通道5，再通过盘管的返回路径回到冷却剂处理设备。

冷却通道4、5的回转弯头7中，流动方向会变化多次，从而在每个随后的横各流道中产生了一股新的热输入流路，其特征是最小的热边界层和从外表面到冷却剂充分的热交换，比目前已知的方法效果更好。

本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种烧嘴头，所述烧嘴头为在200bar以下的压力下制备合成气的长明灯烧嘴或气化烧嘴中，带有内部冷却的耐压烧嘴头，其中烧嘴头是由一个整体的、中空圆柱形、在烧嘴管(1)末端呈锥体的端件(2)构成，其特征是：

冷却通道(4、5)安装在锥形端件(2)的内、外壁表面下，其内冷却剂以湍流方式流动，其中无冷却通道的支撑环(6)安装于内冷却通道(4)和外冷却通道(5)之间；

冷却通道(4、5)横截面的轮廓与端件(2)外壳轮廓接近、并与其表面轮廓走向平行，其中端件(2)内部冷却通道(4、5)的横截面沿流动方向是恒定的；

内、外冷却通道(4、5)以半圆周或四分之一圆周贴近端件内外表面布置，并形成等距的、横向的几个流层，通过使用180°回转弯头(7)，流动方向在每个流层之间沿周向进行转向，从而产生了弯曲回转的流道。

2.根据权利要求1的烧嘴头，其特征在于，内冷却通道(4)中回转弯头(7)与外冷却通道(5)中的回转弯头(7)偏移布置。

3.根据权利要求2所述的烧嘴头，其特征在于，内冷却通道(4)中回转弯头(7)与外冷却通道(5)中的回转弯头(7)偏移布置，并以90°在周向上偏移。

4.根据权利要求1所述的烧嘴头，其特征在于，在端件(2)轴向突出的部位，布置了冷却通道(4、5)的连接管(8)，与一个冷却盘管的管口在烧嘴头部上方一个区域连接在一起。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的烧嘴头，其特征在于，至少有一个用于安装温度探测器的通道(9)轴向的安装于支撑环(6)内，末端结束于接近烧嘴头部轮廓(3)的表面或冷却通道(4、5)的位置。

6.根据权利要求1所述的烧嘴头，其特征在于，支撑环(6)核心部位至少部分为空心结构。

7.根据权利要求1到权利要求6任一项所述的烧嘴头，其特征在于，端件(2)是通过金属增材制造工艺加工出来的。

8.根据权利要求7所述的烧嘴头，其特征在于，端件(2)是用激光熔融法对高温金属合金进行加工制得的。