CN87102965A - 使液体雾化混合能保持不变的方法和喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调节的、提供一个基本不变混合能的双流体喷嘴。双流体喷嘴的调节是根据输送到喷嘴的液体和气体的压力和质量流量来进行的。微处理机从这些值来计算混合能，如果该混合能与预先选定的混合能不一样，就向喷嘴发出一个输出信号来调节喷嘴。

Description

本发明涉及一种可调节的、提供基本不变混合能的双流体喷嘴。本发明还涉及对含碳浆液进行部分氧化来生产含H₂和CO产品气体的工艺方法的改进。

双流体喷嘴（也称作气体雾化喷嘴或气动喷嘴）通过将液体流与高速气流（通常为空气或蒸汽）接触而使液体流散开。已经发现液体破碎程度（也就是液体雾化程度）直接与喷嘴提供的混合能有关。混合能定义为单位质量雾化液体的等温气体膨胀能或者绝热气体膨胀能，它的大小主要取决于通过喷嘴的压力降。在应用中，若给定气体本身成分、气体的质量流量和温度以及液体的质量流量，则可确定喷嘴的尺寸和设计其结构来提供所需压力降，从而达到所要求的混合能。只要影响混合能的上述变量保持不变，喷嘴将提供所需的雾化。这种雾化稳定性对于喷嘴干燥是很重要的，因为为生产出满足要求的产品液体粒子尺寸必须符合规定，而且是均匀的。当雾化器起到一个向反应容器（如煤的气化器）供料的作用时，稳定、均匀的雾化也是很重要的。用含碳浆液的非催化部分氧化法来实现煤的气化需要均匀的雾化，以确保合适的燃烧、防止反应区出现热班以及有效地完成此工艺过程。

人们已认识到，当要雾化的液体中含有固体时（例如煤气化的情况，液体是含有水和磨碎的煤的浆液），要保持雾化器的尺寸和结构是特别困难的。这些固体会侵蚀喷嘴，使其压力降不再是设计值。由于压力降的变化，随之发生混合能的变化，从而改变了雾化粒度。重新建立满足要求的雾化标准通常需要停工替换喷嘴。这可能是十分昂贵的，尤其当替换喷嘴时必须使反应区卸压和冷却就更是这样。

本发明涉及一种排出已雾化的液-气散布体的装置。该装置包括一个与液体源相连通的第一通道和一个与气源相连通的第二通道，还有一个可调节的、为实现液体雾化提供基本不变混合能的双流体喷嘴。气体可以是氮气、空气或蒸汽，唯一的要求是该气体适于完成需要的雾化，而且该气体不会对这种装置或任何其它辅助装置所完成的工艺过程起不利的影响。

双流体喷嘴的混合能最好按下述绝热气体膨胀公式来决定：

$E_M=\frac{{\mathrm{CM}}_g}{M_l}(\frac{k}{\mathrm{K-1}}\mathrm{)［（}\frac{P_g}{P_v}{)}^{\frac{\mathrm{K-1}}{K}}\mathrm{-1］}\frac{T}{A_g}$

这里，C：常数

M_g：气体质量流量，公斤/小时（磅/小时）

M_l：液体质量流量，公斤/小时（磅/小时）

T：下游气体温度，°k    （°R）

另一种方法（然而不是最佳的）是用等温气体膨胀公式来计算混合能：

E_M＝ (（0.0733)(M_g)(R)(T)［Ln(P_g/P_v)])/(M₁)

M_g、M_l、R、T、P_g、和P_v的单位与上面描述的绝热气体膨胀公式相同。

因为双流体喷嘴在上述工艺运行过程中可以调节是本发明装置的特点，就需要对混合能进行周期性的或者连续的监测和测量。为了实现对混合能的监测和测量，必须要确定上述公式中很可能变化的变量值，即M_g、M_l、P_g和P_v。（如果预期气体温度有变化的话，则也必须要确定气体温度;但是在大多数情况下，这个值是不变的。）

为了实现质量流量和压力的监测，本发明装置设有第一和第二压力传感装置，它们分别确定容器内气体压力和双流体喷嘴气体入口处附近的气体压力。为测量通到双流体喷嘴的液体和气体的质量流量，分别设有流量传感装置。

压力传感装置和流量传感装置是最通用的型号，它能把电信号输送到一个微处理机中去，该微处理机已编制了程序：接收传感器的输出信号;根据传感器的输出值计算混合能;把计算出的混合能与预先选定的能量值作比较;如果需要的话提供一个输出信号来调节双流体喷嘴以保持不变的混合能。除微处理机外也可以采用其他的计算和比较装置来计算混合能。例如，利用测得的值和一台计算器，可以手工计算混合能。

如前所述，双流体喷嘴通过将液体流和高速气流接触来雾化液体流。在第一个实施例中，本发明的装置有一个双流体喷嘴的结构，该喷嘴让气体和液体通过一个圆柱形空腔或通道（其中有一个同轴的、且轴向可移动的节流杆）来实现这样的接触。气体和液体发生接触的环形空间的流动横截面小于连接到该环形空间的气体和液体通路的流动横截面之和。对圆柱形空腔和节流杆的位置尺寸进行选择，使得横过此空腔有一个足够的压力降，即P_g-P_v，从而把气体加速到足够的速度，将液体打散到所要求的雾化粒度。液体速度也会增加，然而它要小于气体速度，从而允许气体剪切液体，产生所必需的液体破碎。借助轴向移动节流杆来调节其在圆柱形空腔内的位置可以改变通过圆柱形空腔的压力降，于是改变了气体速度。当节流杆位于靠近圆柱形空腔排出端的位置时，P_g将增加，于是压力降也增加，气体得到更大的速度。当节流杆拉回到离圆柱形空腔排出端较远的位置时，P_g、压力降及气体速度减小。由于气体速度直接与混合能定义中气体膨胀能的分子有关，可以利用对气体速度的调节（即增加或减小气体速度）来维持不变的混合能。

在最普通情况下，输送到喷嘴的气体或液体质量的改变或者容器压力的变化将会影响混合能的变化。若气体质量较小，则必须要增加气体速度（即增加通过圆柱形空腔的压力降）来产生一个保持混合能不变的气体膨胀能。反之，气体质量的增加将要求减小气体速度和压力降以得到符合要求的气体膨胀能。如果输送到喷嘴的液体质量变化，将造成混合能方程中分母的变化。这将要求气体膨胀能的分子也发生变化来产生一个基本不变的混合能。对于本发明的第一个实施例来说，由于气体或液体质量的变化而必需进行的喷嘴调节是这样来实现的：如果气体或液体质量减小，可轴向移动节流杆使其位于比初始位置更加远离圆柱形空腔排出端的位置，反之如果气体或液体质量增加，则将节流杆移到比初始位置更接近排出端的位置。移动节流杆，则气体速度相应于由P_g改变所引起的压力降变化而发生改变。如果容器压力改变，那末气体速度以相反的方式发生变化。

在另一种情况，因为喷嘴受到侵蚀造成气体速度下降，从而使混合能下降。特别是在刚才描述的实施例中，侵蚀可使圆柱形空腔的直径加大而减少压力降，于是减小气体速度。为了让压力降回到与保持混合能不变所要求的气体速度相应的值，把节流杆移到更靠近圆柱形空腔排出端的位置来增加P_g，这样使压力降增加到所需值。

应该这样来理解，在某些情况下气体和液体质量、气体压力以及容器压力可以一起变化。在这些情况下，也移动节流杆来产生所需要的气体压力，即产生所需要的压力降来达到实现基本不变混合能所需要的气体速度。

根据测得的P_g值来移动节流杆是借助上面描述的监测和测量装置以及微处理机来自动完成的。微处理机向操作机构（如电动机）输出信号，从而使节流杆向着圆柱形空腔排出端或者反过来沿着离开此排出端的方向移动。

本发明的第二个实施例是一种类似地利用上述P_g、压力降、气体速度和混合能关系的装置。该装置有一个提供截头圆锥形气体通路的双流体喷嘴，该气体通路的流动横截面小于把气体输送到这里的气体通道的流动横截面。当气体通过该截头圆锥形通路时，气体产生压力降。喷嘴还有一个供液体流过的中心通道，该通道被截头圆锥形通路排出端包围，且与它同轴，从而由这里射出的气体在此圆锥口处与排出的液体发生撞击。这种撞击引起液体剪切，使液体雾化。给定质量气体的速度越大，每单位质量液体可得到的气体膨胀能越大，从而混合能就越大。为了改变压力降及气体速度，第二个实施例中设置了两个截头圆锥形表面（一个不动的表面和一个可移动表面）来改变截头圆锥形通路的流动横截面。在一种最佳结构中，有一个安装在液体管道上、且可相对滑动的环形节流器。在节流器靠近不动的截头圆锥形表面的一端是另一个截头圆锥形表面。不动的表面是由在排出端有一个截头圆锥形表面的气体通道来提供的。不动的截头圆锥形表面的底对着可移动截头圆锥形表面的顶部，而它自己的顶部形成气体通道的排出端。两个表面同轴安放，从而该可移动表面向排出端运动时，进入不动表面所形成的空间内部。这种向着排出端的移动减小了截头圆锥形气体通路的横截面，使气体流过该通道时压力降增加。反之移动到远离排出端的位置就会使流动横截面增加，从而压力降减小。P_g、压力降和气体速度之间的关系与上面讨论的第一个实施例情况一样，可以以同样的方式用于第二个实施例来保持混合能不变。

本发明喷嘴的原理对于设计工作燃烧喷嘴以及那些特别适于通过对含碳浆液部分氧化来制造合成气体、可燃气体或还原气体的工艺过程是很有用的。这样的部分氧化可以发生在具有反应区的容器内，该反应区的压力通常保持在100千帕斯卡表压到24000千帕斯卡表压范围（15到3500磅/英吋²表压），温度范围为930℃到1900℃（1700°F到3500°F）。典型的部分氧化气体发生容器在美国专利NO 2，809，104中作了描述。工作燃烧喷嘴固定在容器上，在那里含碳浆液、含氧气体以及不是非有不可的气体温度调节剂通过燃烧喷嘴的双流体喷嘴输送到反应区。为简化起见，气流（不论是否含有温度调节剂）是指含氧气流。工作燃烧喷嘴由于前面所描述的结构不仅能在长期运行过程提供基本上稳定的含碳浆液的雾化粒度，而且还能使已雾化的浆液颗粒均匀地散布在含氧气体中。由于能提供稳定的雾化粒度和均匀的散布，在反应区能实现改善善的、长期均匀的燃烧。

已有技术的工作燃烧喷嘴不能调节雾化粒度或达到均匀的散布，它会形成不均匀的燃烧、热斑以及产生不想要的付产品，如碳、CO₂等。此外，这样的工作燃烧喷嘴由于侵蚀必须周期性地进行更新，因而造成有损失的停工。更进一步，已有技术的工作烧燃喷嘴在调节运行时不经复杂的调试是不能保持所需要的雾化和散布的。

此外，本发明工作烧燃喷嘴的一个重要特点是均匀散布和雾化发生在燃烧喷嘴内部，这允许比较精确地控制反应区燃烧之前的含碳浆液液滴尺寸。已有技术的喷嘴试图在反应区完成大部分的雾化（即使不是全部的话），这难以控制液滴的尺寸，因为进一步的雾化被迫发生在反应区，按照雾化标准来看，这是不能满足要求的。此外，如果雾化过程在反应区发生，它必须要占据含碳浆液和含氧气体的燃烧时间。

从结构上看，工作烧燃喷嘴提供了一个中心圆柱形含氧气流、一个环形含碳浆液流，以及一个截头圆锥形含氧气流。这些气流彼此同心，並且如同上面所称呼的名称那样径向地排列着，中心气流在环形含碳浆液流的内部，环形含碳浆液流与截头圆锥形含氧气流相交，交角范围为15°到75°。含氧气流的速度范围从23米/秒（75英呎/秒）到音速，大于含碳浆液流的速度，含碳浆液流的最低速度为0.3米/秒（1英呎/秒）。含碳浆液基本上均匀地散布在含氧气体中是通过气流的布置和它们的速度差异而实现的。截头圆锥形和中心圆柱形含氧气流两者都使环形浆液流发生剪切，从而使浆液流散布开来，初步雾化。

环形浆液液流的径向宽度相对来说比较薄，这有助于气流产生所要求的良好的散布和初始雾化。紧接着在散布和初始雾化后，浆液和气体的散布体通过一圆柱形通道，该通道有一个与其同轴、且轴向可移动的节流杆。通道和节流杆组件位于截头圆锥形气流顶部的附近。圆柱形通道和节流杆形成的流动横截面小于环形含碳浆液流以及中心圆柱形和截头圆锥形含氧气流横截面之和。节流杆与圆柱形通道一起以前面对本发明第一实施例所描述的方式和原理起作用。此外，第一实施例那样的工作燃烧喷嘴必需有传感装置，向按前面所描述方程中的二者之一编制程序的微处理机输送信号，所有这些已在第一实施例中描述过了。微处理机把输出信号传送给操作机构来移动圆柱形通道内的节流杆，产生为维持混合能基本不变所需的压力降。对第一实施例所描述的情况-P_g、P_v、M_g、M_l和T发生变化时调节P_g来保持不变混合能-同样可应用于本发明的工作燃烧喷嘴。

工作燃烧喷嘴可以是临时性地或者是永久性地安装在容器的燃烧喷嘴连接口上。当容器上还另外装有永久性的预热燃烧喷嘴时，该工作燃烧喷嘴可以采用永久性的安装。在这种情况下，点燃预热燃烧喷嘴来达到初始的反应区温度，然后再关掉。在预热燃烧喷嘴关掉后，本发明的工作燃烧喷嘴投入运行。在初始加热后折掉预热燃烧喷嘴用工作燃烧喷嘴来替换的情况下，工作燃烧喷嘴采用临时性安装方式。

生产的合成气体、可燃气和还原气体中包含的大部分成分为氢气和一氧化碳，还可以包含下列气体中的一种或几种：CO₂，H₂O，N₂，A_r，CH₄，H₂S和COS。取决于所用燃料和运行条件，非精制产品气体流还可以含有象颗粒状碳黑、飞灰或渣这样的杂质。由部分氧化产生的、且未被产品气流夹带走的渣直接引到容器底部，並不断从那里排走。

这里所采用的术语“合碳浆液”指的是固体含碳燃料的浆液，这种浆液可以用泵来输送，通常其固体含量在40～80%范围内，並能流过后面所描述的本发明实施例工作燃烧喷嘴的通道。这些浆液通常是由液态输送载体和含碳固体燃料组成。液态载体可以是水、液态碳氢化合物或者它们的混合物。水是最佳液态载体。用作液态载体的液态碳氢化合物可以是下列材料：液化石油气、石油馏出物和残渣、汽油、石脑油、煤油、原油、沥青、粗柴油、渣油、焦油、砂质油、页岩油、由煤制得的油、煤焦油、取自流体催化裂化运行中的循环油、焦碳或粗柴油的呋喃亚甲基提取物、甲醇、乙醇酒精、其它酒精、羰基和羟基合成的付产品液态含氧碳氢化合物和它们的混合物，以及象苯、甲苯和二甲苯之类的芳香烃。当使用碳氢化合物作为输送载体时，最好在浆液中加入一些水或蒸汽。另一种液态载体是液态二氧化碳。为保证二氧化碳是液态，应该将二氧化碳在-55℃到40℃（-67°F-100°F）温度范围下（取决于压力）引入到工作燃烧喷嘴。据报道，当采用液态CO₂时，液浆中固体重量含量在40-70%是最有利的。

含碳固体燃料通常从下列材料中选取：煤、由煤制得的焦炭，由煤制得的木炭、煤液化的残渣、石油焦炭、油页岩中直接得到的圆体颗粒碳黑、焦油砂和硬沥青。所采用的煤的种类通常是不严格的，如可以采用无烟煤、烟煤、劣质烟煤和褐煤。其它适用的含碳固体燃料有垃圾、晒干的生活污物以及半固体有机材料，如沥青、橡胶和橡胶汽车轮胎那样的橡胶材料。正如上面描述的，本发明工作燃烧喷嘴使用的含碳浆液是可以用泵输送的，並能流过指定的工作燃烧喷嘴通道。浆液中含碳固体燃料部份最好碾成细粒，从而基本上所有材料能通过ASTM    E    11-700筛分规定标准1.40毫米（美国系列号14），而且至少80%材料能通过ASTM    E    11-700筛分规定标准425微米（美国系列号40）。适用于含碳固体燃料的筛分通道的含湿量范围为0-40%重量百分比。

本发明工作燃烧喷嘴所采用的含氧气体可以是空气、富氧空气（即空气中含氧量大于20%）或者基本上是纯氧的气体。

如前所述，在本发明的工作燃烧喷嘴中可以采用温度调节剂。这些温度调节剂通常掺和在含碳浆液和/或含氧气流中。合适的温度调节剂可以是水蒸汽、CO₂、N₂以及由已提到过的部分氧化工艺过程产生的再循环气体。

本发明工作燃烧喷嘴的另一个特点是将气体燃料从工作燃烧喷嘴外部引入到反应区。从外部引入气体燃料的优点之一是气体燃料火焰与燃烧喷嘴表面保持一段距离。如果气体燃料火焰位于燃烧喷嘴表面附近，就会烧坏燃烧喷嘴。当含氧气体O₂量很高时，比如说50%，从工作燃烧喷嘴内部引入气体燃料是十分不合乎要求的，因为大部分气体燃料在高氧气氛中的火焰传播是很快的。因而，总存在着火焰向上传播进入燃烧喷嘴使之严重损坏的危险。在这种情况下，气体燃料可以从开在燃烧喷嘴表面上的气体燃料孔（至少一个）引入，从而气体燃料流与已雾化的、从圆柱形空腔排出端喷出的散布体射流相交。

从本发明工作燃烧喷嘴外部排出的气体燃料可以是下述气体：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、合成气、氢气以及天然气。

下面将结合附图和本发明的最佳实施例对本发明的上述特征和其他特征作进一步更详细更全面的描述。在附图中同一附图标记表示同一部件。

图1表示本发明第一种装置的局部剖视图。

图2表示本发明第二种装置的局部剖视图。

现在参阅图1，可看到本发明的工作燃烧喷嘴，在图中用附图标记〔10〕表示。工作燃烧喷嘴是这样安装的：使其下端穿过部分氧化合成气体反应器（在图上未画出）的容器壁〔12〕。工作燃烧喷嘴的位置在反应器的顶部还是侧面，取决于反应器的结构。工作燃烧喷嘴〔10〕可以安装成永久性的或临时性的，这正如前面所描述的那样，取决于该燃烧喷嘴〔10〕是作为永久性安装的预热燃烧喷嘴还是作为预热燃烧喷嘴的替换件。工作燃烧喷嘴〔10〕的安装是靠环形法兰〔11〕来完成的。

工作燃烧喷嘴〔10〕有空心圆柱形的燃烧喷嘴外壳〔13〕，外壳〔13〕在其顶端用板〔17〕封口，形成圆柱形内部空腔〔21〕。外壳〔13〕底端内壁形成一个收缩的截头圆柱形壁〔19〕。在截头圆柱形壁〔19〕的末端是与流体圆柱形通道〔20〕相连的开口〔18〕。圆柱形通道〔20〕以其末端终止在排出孔〔22〕处。对于图1所示实施例，圆柱形通道〔20〕是可调节双流体喷嘴必要的组成部分。

含碳浆液输送管〔24〕穿过板〔17〕上的孔，並与其形成密封不漏气的状态。含碳浆液输送管〔24〕伸入到圆柱形内部空腔〔21〕内，其末端与封死分配器〔28〕上端的环形板〔26〕上的通孔相连。分配器〔28〕由内管〔14〕、外壁〔25〕、截头圆锥形壁〔32〕和外壁〔27〕组成。内管〔14〕与所有这些壁同轴。外壁〔25〕的直径大于外壁〔27〕的直径。因而第一环形通道〔30〕的流动横截面大于第二环形通道〔34〕的流动横截面。正如图1所示，截头圆锥形壁〔32〕在其底端与外壁〔25〕下端部相连，而其顶端与外壁〔27〕的上端部相连。已经发现，采用分配器〔28〕后，来自分配器〔28〕排出端环形开口〔23〕的含碳浆液在其整个环形范围内基本上是均匀的。对外壁〔25〕的内径和外壁〔27〕的内径作选择，使得含碳浆液流过第二环形通道〔34〕的压力降比第一环形通道〔30〕内横过任何环形水平横截面的最大压力降大得多，比如说10倍。如果不保持这个关系，就会发现来自第二环形通道〔34〕的环形流变得不均匀，当浆液接触下面所描述的截头圆锥形含氧气流时，使散布效率降低。

内管〔14〕内径与外壁〔25〕的外径之差至少部分地取决于浆液中含碳材料的细度。该直径差应足够大，使浆液中的含碳材料不会出现堵塞。在许多应用中，该直径差为2.5到25毫米（0.1到1.0英吋）。

管子〔14〕内部同轴地装有轴向可移动的节流杆〔40〕，它是工作燃烧喷嘴中双流体喷嘴的另一不可缺少的组成部分。管〔14〕的内表面和节流杆〔40〕的外表面形成了环形通道，供含氧气体通过。此环形通道的上下两端都是开口的，下端开口与圆柱形通道〔20〕的上端相邻。节流杆足够长，从而它能伸入到圆柱形通道〔20〕内，其下端能移动到与排出孔〔22〕相邻的位置。

节流杆〔40〕可以借助于操作机构〔42〕作轴向移动，操作机构〔42〕移动穿过板〔17〕上压力密封件的节流杆。也可以采用其他的使节流杆〔40〕所轴向移动的装置，这些对该领域的普通技术人员来说是众所周知的，唯一的要求是：轴向移动是根据微处理机〔44〕的输出信号来进行的。正如在附图中所看到的，微处理机〔44〕和操作机构用导线连接起来。

好几种电信号被输送到微处理机中。质量流量传感装置〔50〕和〔52〕分别将测得的气体质量流量和液体质量流量值输入微处理机〔44〕。容器中的气体压力以及被输送到工作燃烧喷嘴〔10〕的气体压力也输入到微处理机〔44〕，前者由压力传感装置〔46〕、后者由压力传感装置〔48〕来进行测量的。气体温度由装置〔51〕测量。注意到压力传感装置〔48〕测量的是输送到燃烧喷嘴的气体的压力，而不是圆柱形通道〔20〕进口处含氧气体的压力。为了精确、真实地测量由圆柱形通道〔20〕和节流杆〔40〕组成的双流体喷嘴所提供的混合能，P_g的测量应在圆柱形通道入口。但是这样放置压力测量装置来完成这种测量将需要昂贵的燃烧喷嘴设计标准。此外，测量装置能经受住高温条件的要求使得该设计也十分昂贵。经计算，在圆柱形通道〔20〕入口处测量P_g所得到的实际混合能与在含氧气体输送处测得P_g所得到的混合能之差对于使用本工作燃烧喷嘴〔10〕的目的来说是无关紧要的。因而设计成本经济性决定了要将测量装置〔48〕安放在含氧气体的输入处或者在此附近。流量测量装置〔50〕和〔52〕分别把气体质量流量和液体质量流量的值输入微处理机〔44〕。装置〔46〕、〔48〕、〔50〕、〔51〕和〔52〕是通用的设计，且能买到。微处理机〔44〕也同样能从市场上买到。例如装置〔46〕和〔48〕可以是型号为Resemount型（以下简称RM型）1151GP的压力传感器。装置〔50〕可以用孔板型流量计作为一次测量元件，並带有一个压差传感器，例如RM型1151DP。装置〔51〕可以是一个热电偶，如RM型444。磁流量计，如Fisher-Porter型（以下简称FP型）10D1418适于用作装置〔52〕。微处理机可以是Digital Equipment型PDP-11一类的计算机。RM型装置可以从明尼苏达州明尼阿波利斯市Rosemount有限责任公司买到。典型的磁流量计可以从宾夕法尼亚州瓦尔明斯特市的Fisher-Porter公司买到。型号为PDP-11的计算机可以从马萨诸塞州迈纳尔德市的Digital Equipment公司买到。根据本发明对微处理机〔44〕编制程序可以用普通的编制程序技术来实现。

含氧气体通过输送管〔36〕输送到工作燃烧喷嘴〔10〕。含氧气体的一部分将流入管〔14〕的开口端，通过前面描述过的由杆〔40〕和管〔14〕形成的环形通道，余下的含氧气体流过由燃烧喷嘴外壳〔13〕内壁和分配器〔28〕侧壁的外侧形成的环形通道。当通过后一个环形通道的气体被迫通过由环状截头圆锥形表面〔16〕、〔16a〕和〔19〕形成的截头圆锥形通道时将被加速。在环状截头圆锥形表面〔16〕、〔16a〕和截头圆锥形表面〔19〕之间的距离是这样确定的，使含氧气体达到能有效地打碎由分配器〔28〕排出的含碳浆液所需的速度。例如已发现，当含氧气体以60米/秒（200英呎/秒）的计算速度通过管〔14〕，含碳浆液以2.5米/秒（8英呎/秒）的速度通过分配器下部〔34〕的排出口，内外直径差为7.5毫米（0.3英吋）时，则含氧气体应以60米/秒（200英呎/秒）的计算速度通过截头圆锥形通道。

一般说来，对于刚才和下面要讨论的流动，两环状截头圆锥形表面〔16〕、〔16a〕和截头圆锥形表面〔19〕之间的距离在1.3毫米到24毫米（0.05英吋到0.95英吋）的范围之中。同样也已得出，对于这样的流动和相对速度，圆柱形通道〔20〕的高度和直径应分别是180毫米（7英吋）和35毫米（1.4英吋）。

截头圆锥形表面〔19〕以15°-75°的角度向着管〔14〕纵轴收缩。如果角度太小，比如说10°，那么含氧气体在撞击截头圆锥形表面〔19〕时要消耗掉许多能量。然而如果角度太陡，那么减小了对含碳浆液的剪切作用。

在图1实施例中还可以具有气体燃料通道〔54〕和〔56〕。这些通道弯向圆柱形通道〔20〕纵向轴的延长部分，与其成一定角度。这些通道等角、径向等距地分布在该轴的周围。这样的角度和间隔是有益的，因为它把气体燃料均匀地引入到流出排出口〔22〕的含碳浆液/含氧气体的散布体中。气体燃料通道的角度应该作选择，使得气体燃料引射到离燃烧喷嘴表面足够远的地方，但又不能太远，否则会妨碍气体燃料快速地混合和散布到含碳浆液/含氧气体的散布体中去。通常说来，图1所示的角度a₁和a₂应该在30°到70°的范围之内。

在运行中，在反应区完成预热阶段，其温度达到815℃到1370℃范围（1500°F到2500°F）时把工作燃烧喷嘴连接到反应区。通过工作燃烧喷嘴〔10〕引入反应区的供气量和附加的温度调节剂的相对比例要进行选择，使得含碳浆液和气体燃料中的大部分碳转换成产品气体中的CO成分，並能保持合适的反应区温度。保持合适的反应区温度直接与含碳浆液雾化粒度有关。因此在选择上述相对比例时必须考虑供给气体的质量流量和含碳浆液的质量流量。

已雾化的含碳浆液-含氧气体散布体在反应区的停留时间为1到10秒。

根据所使用的含碳材料、含氧气体的成分以及为生产符合要求的产品所需要的生产条件，选择不同的输送参数和工作参数。下面给出典型的范围。含氧气体以一个与其含氧量有关的温度输送到工作燃烧喷嘴〔10〕中。对于空气，温度是从室温到645℃（1200°F），而对于纯氧，温度范围是室温到430℃（800°F）。输送的含氧气体压力是2到250大气压（200到25000千帕斯卡）。输送的含碳浆液的温度范围是室温到液态载体的饱和温度，压力为2到250大气压（200到25000千帕斯卡）。对于在预热到反应区温度后用来提高反应区温度、並维持反应区在所要求温度范围的气体燃料最好是甲烷，在温度为室温到650℃（1200°F）、压力为2到250大气压（200到25000千帕斯卡）条件下进行输送。从数量上看，含碳浆液、气体燃料和含氧气体供给量要满足游离氧对碳的重量比在0.9到2.27范围内。

含碳浆液经输送管〔24〕输送到分配器〔24〕内，最佳流动速度为0.03到1.5米/秒（0.1到5英呎/秒）。由于分配器下部〔34〕的直径较小，含碳浆液的速度将增加到0.3到15米/秒（1到50英呎/秒）。

当燃烧喷嘴〔10〕开始投入运行时，通过燃料通道〔54〕和〔56〕输送的气体燃料供给量大大超过含碳浆液供给量。但随着含碳浆液供给量增加，减少气体燃料供给量。这种同时供给两种流体而慢慢地从气体燃料供给转变成含碳浆液的供给一直继续到完全停止气体燃料的供给。

在选择了容器压力、气体质量流量和浆液质量流量后，调节气体供给压力来产生所要求的雾化粒度。一般说来，对于大多数煤的气化过程，最好使含碳浆液经雾化后而具有100到600微米范围的平均液滴尺寸。在达到所选择的雾化后就确定了混合能值，並将这个值作为微处理机运行的设定值。一旦确定了混合能的设定值，就要用装置〔46〕、〔48〕、〔50〕和〔52〕进行连续的监测和测量。把测量值输入微处理机〔44〕，微处理机〔44〕把测得的混合能值和混合能设定值进行比较。如果这两个混合能值间有差别，那么微处理机〔44〕就输出信号给操作机构〔42〕，使它调节圆柱形通道〔20〕内的节流杆〔40〕的位置，形成所需要的气体压力值，使混合能回到满意的范围。

如果运行过程失常到所需要的混合能值调节已超过节流杆〔40〕的可调节范围，那么可以减小或停止浆液和气体的供给，並经通道〔54〕和〔56〕供给气体燃料来保持反应器内的温度，直到重新建立合适的工作条件。

现在参阅图2，可以看到本发明的另一种装置，在图上用附图标记〔110〕表示。装置〔110〕用法兰〔117〕连接到容器壁上。装置〔110〕有一圆柱形管〔112〕，其末端被板〔113〕封住，形成了圆柱形空腔。在其靠近容器壁的一端，圆柱形管〔112〕有底壁〔116〕，其上开有一个由截头圆柱形壁面〔120〕形成的排出孔〔118〕。作为中心圆柱形通道〔121〕的管〔122〕与圆柱形管〔112〕的纵轴同轴，且位于圆柱形空腔〔114〕之中。管〔122〕的末端与液体源相连，近端位于排出孔〔118〕的附近。

节流器〔124〕以可相对滑动的方式安装到管〔122〕上。节流器〔124〕可以向着截头圆锥形壁面〔120〕作来回移动。操纵杆〔128〕与操作机构〔130〕相连，从而实现节流器〔124〕的轴向移动。在节流器〔124〕的近端有截头圆锥形表面〔126〕。截头圆锥形表面〔126〕和〔120〕形成了位于其间的截头圆锥形通道〔125〕，其流动横截面小于由圆柱形管〔112〕的内壁和节流器〔124〕外壁〔123〕所形成的环形空腔的流动横截面。截头圆锥形通道〔125〕的流动横截面可通过节流器〔124〕的轴向移动来调节。节流器〔124〕移动到远离截头圆锥形表面〔120〕的某一位置，则流动横截面增加;而移动到靠近截头圆锥形表面〔120〕时，则流动横截面减小。当流动横截面减小时，气体流过截头圆锥形通道〔125〕的压力降增加，而流动横截面增加导致压力降减小。气体通过供气管〔132〕输送到圆柱形壁〔112〕的内部。输送到装置〔110〕的液体从板〔113〕上游、管〔122〕的远端进入管〔122〕。

为监测和测量与装置〔110〕相连的容器内的压力，设置了压力传感装置〔134〕。装置〔134〕向微处理机〔142〕提供一个输出信号。供气压力和气体质量流量分别由压力传感装置〔136〕和质量流量传感装置〔138〕测量。这两个装置把输出信号传送给微处理机〔142〕。流过管〔122〕内的液体的质量流量由液体质量流量传感装置〔140〕来测量和监测。装置〔140〕也向微处理机传送一个输出信号。装置〔139〕测量气体温度。

装置〔134〕、〔136〕、〔138〕、〔139〕和〔140〕以及微处理机〔142〕可以是在市场买到的任何合适的型号。图1实施例描述中提到的装置和微处理机也同样适用于装置〔110〕。适用的唯一要求是：这些装置能够测量预期的压力和流量，以及它们的结构不会受到所加工材料的有害影响。对微处理机〔142〕编制程序，从而根据一个前面所提到的混合能计算公式及来自装置〔134〕、〔136〕、〔138〕、〔139〕及〔140〕的输入信号计算本装置双流体喷嘴状况（即截头圆锥形通道〔125〕和中心圆柱形通道〔121〕）所产生的混合能。装置〔136〕的位置並不是位于截头圆锥形通道〔125〕上游入口附近，但将其安置在输送管〔132〕上不会对本装置保持不变混合能的功能产生有本质影响的误差。微处理机〔142〕将发出输出信号来带动操作机构〔130〕，从而节流器〔124〕按要求作出轴向移动。

在运行中，液体输送到通道〔121〕，气体通过输送管〔132〕输送到圆柱形空腔〔114〕。将节流器〔124〕的位置、容器内气体压力、供气压力、气体质量流量和液体质量流量一一加以调整，从而喷嘴〔121〕产生所需要的雾化粒度。微处理机〔142〕计算初始设定的混合能。

在装置〔110〕连续运行期间，由装置〔134〕、〔136〕、〔138〕和〔140〕作连续监测。微处理机〔142〕利用它们的输出信号来确定当时的混合能，並与初始设定的混合能加以比较。如果存在着明显的差别，微处理机〔142〕向操作机构〔130〕发出一个输出信号移动节流器〔124〕，改变P_g，直到当时的混合能落在初始设定混合能的可接受范围内。

Claims (10)

1、一种把已雾化的液体气体散布体排入容器的装置，该装置由下列几部分组成：

(a)与液体源相连的第一通道以及与气源相连的第二通道，

(b)双流体喷嘴，它是可调节的，从而使影响所述液体雾化的混合能基本保持不变，该喷嘴分别与上述输送液体的第一通道和输送气体的第二通道相连，

(c)测量上述容器内气体压力、並提供一个表示这种测量的输出信号的第一压力传感装置，

(d)测量进入上述双流体喷嘴的气体压力、並提供一个表示这种测量的输出信号的第二压力传感装置，

(e)测量输送到上述双流体喷嘴的液体质量流量、並提供一个表示这种测量的输出信号的第一质量流量传感装置，以及

(f)测量输送到上述双流体喷嘴的气体质量流量、並提供一个表示这种测量的输出信号的第二质量流量传感装置。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：上述第一通道与第二通道同轴，且位于第二通道之中。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：上述双流体喷嘴有一个流动横截面小于第一和第二通道流动横截面之和的圆柱形通道。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：双流体喷嘴还包括一个节流杆，它位于上述圆柱形通道之中，与其同轴，且可移动，从而可改变进入上述圆柱形通道的气体压力。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：上述双流体喷嘴包括一个与上述输送液体第一通道相连的中心通道和一个不动的截头圆锥形表面，该表面的底端朝着与其同轴、且可移动的第二截头圆锥形表面的顶端，上述不动的和可移动的截头圆锥形表面之间形成一个截头圆锥形通道，其流动横截面小于上述第二通道的流动横截面，而且同轴地位于中心通道的排出端。

6、根据权利要求1-5中任何一个权利要求所述的装置，其特征在于：该装置还包括一个计算和比较装置，它用来

（ⅰ）接收在（c）、（d）、（e）和（f）中所述传感装置的输出信号，

（ⅱ）计算在接收上述输出信号时刻双流体喷嘴提供的混合能，

（ⅲ）把计算得到的混合能值与预先选定的混合能值加以比较，

（ⅳ）如果需要的话，向上述双流体喷嘴输出信号，进行调节，从而双流体喷嘴提供的混合能基本上等于预先选定的混合能值。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于：上述计算和比较装置是一台微处理机，该微处理机在需要时向有动力驱动的操作机构发出一个输出信号，使它来移动上述节流杆或上述可移动的截头圆锥形表面，从而使双流体喷嘴提供的混合能基本上等于预先选定的混合能值。

8、根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于：混合能按下式计算，

$E_M=\frac{\mathrm{CMg}}{M_l}(\frac{k}{\mathrm{K-1}}\mathrm{)［（}\frac{P_g}{P_v}{)}^{\frac{\mathrm{K-1}}{K}}\mathrm{-1］}\frac{T}{A_g}$

其中C：常数，

M_g：气体质量流量，公斤/小时（磅/小时），

M_l：液体质量流量，公斤/小时（磅/小时）

T;下游气体温度，°k  （°R）。

9、通过对容器内含碳浆液的部分氧化来生产含有H₂和CO的气体的工艺过程，该容器作为反应区，通常其压力保持在100千帕斯卡表压到24000千帕斯卡表压（15到3500磅/英吋²表压）范围，温度在930℃到1900℃（1700°F到3500°F）范围，其改进过程包括：

（a）把含碳浆液和含氧气体作为反应剂引入到上述反应区，此含碳浆液被雾化並基本上均匀地散布在含氧气体内，该雾化是通过将反应剂输送到双流体喷嘴而产生的，该双流体喷嘴是可调的，从而在运行过程中提供一个基本上不变的混合能，

（b）监测和测量上述反应区的压力以及含氧气体输送到上述双流体喷嘴之前的压力，

（c）监测和测量输送到上述双流体喷嘴的含氧气体的质量流量和含碳浆液的质量流量，

（d）利用在（b）和（c）中所作的监测和测量而得到的值来确定混合能，

（e）将由（d）中所确定的混合能与预先选定的混合能进行比较，调节上述双流体喷嘴，使它基本上提供上述预先选定的混合能，

（f）用部分氧化法使上述反应区中已雾化和散布的反应剂发生反应来产生含有H₂和CO的气体。

10、根据权利要求9所述的过程，其特征在于：按下式来确定混合能，

$E_M=\frac{{\mathrm{CM}}_g}{M_l}(\frac{k}{\mathrm{K-1}}\mathrm{)［（}\frac{P_g}{P_v}{)}^{\frac{\mathrm{K-1}}{K}}\mathrm{-1］}\frac{T}{A_g}$

其中C：常数，

M_g;气体质量流量，公斤/小时（磅/小时），

M_l：液体质量流量，公斤/小时（磅/小时）

T：下游气体温度，°k  （°R）。

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