專利名稱：一種熱氧噴嘴及其在氣化爐中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤氣化領(lǐng)域，涉及一種新型熱氧噴嘴，尤其涉及在水煤漿等含碳物料氣化制備合成氣(CCHH2)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
煤的潔凈與高效利用是當(dāng)今我國(guó)能源與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的重大技術(shù)課題，也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。煤氣化是將一次能源轉(zhuǎn)化為潔凈的二次能源的主要途徑，其產(chǎn)品為燃料氣(煤氣)、合成氣、還原氣、氫氣、一氧化碳。煤的氣化技術(shù)在聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電裝置、合成氨和合成甲醇工業(yè)、羰基化法生產(chǎn)醋酸與醋酐工業(yè)、海綿鐵的生產(chǎn)、純一氧化碳的制備、純氫的制備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而氣化爐則是煤氣化的關(guān)鍵設(shè)備。為此，眾多的科技人員研究、開發(fā)了各種類型的氣化爐。目前，在采用氣流床進(jìn)行氣化的技術(shù)中，有代表性的主要有以水煤漿為原料的GE(Texaco)氣化技術(shù)；以干煤粉為原料Shell氣化技術(shù)；以水煤漿或干煤粉為原料的多噴嘴對(duì)置式(OMB)氣化技術(shù)。對(duì)于以水煤漿為原料的耐火磚型式的氣化技術(shù)，氣化爐投料過(guò)程需要使用預(yù)熱噴嘴烘爐使?fàn)t溫達(dá)到> 1000°c并恒溫，再更換工藝噴嘴并進(jìn)行氣化爐的投料,工序相對(duì)復(fù)雜，燃料消耗量大，且開停車時(shí)間長(zhǎng)，不利于化工生產(chǎn)中裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明的目的在于對(duì)現(xiàn)有噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，公開了一種熱氧噴嘴及其氣化爐和應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料的直接點(diǎn)火、運(yùn)行，縮短烘爐時(shí)間和開停車操作時(shí)間。特別是針對(duì)處于熱備狀態(tài)下的熱壁式氣化爐，該噴嘴不僅具備原有工藝噴嘴的穩(wěn)定運(yùn)行功能，亦可實(shí)現(xiàn)較低爐膛溫度下的直接點(diǎn)火投料。該噴嘴結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制作與維護(hù)方便，具有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種熱氧噴嘴，該熱氧噴嘴可將氧氣的溫度加熱到500°C甚至更高的溫度，在較高的氧氣溫度下，水煤漿等含碳物料可直接點(diǎn)燃?；谠搰娮斓奶匦?，為了簡(jiǎn)化上述現(xiàn)有氣化工藝的開車及運(yùn)行，本發(fā)明公開了該熱氧噴嘴結(jié)構(gòu)及其在氣化爐中的應(yīng)用。本發(fā)明的構(gòu)思如下現(xiàn)有的煤氣化技術(shù)，特別是水煤漿氣化技術(shù)，需根據(jù)煤種和操作條件的不同將爐溫升至大約1200°C，然后更換工藝噴嘴并進(jìn)行氮?dú)庵脫Q后再進(jìn)行投料。美國(guó)專利US 8105074B2公開了一種熱氧發(fā)生器，所述的熱氧發(fā)生器通過(guò)調(diào)節(jié)氣化劑和燃?xì)獾牧髁考芭浔?，可將氧氣加熱最高?500°C。在此溫度下，水煤漿等含碳燃料可以直接點(diǎn)燃，因此熱氧噴嘴可大大減少因預(yù)熱爐膛而消耗的燃料，進(jìn)一步增加了裝置的安全性。由于氧氣的溫度很高，其出口速度相對(duì)于常溫氧氣的出口速度高，高速的氧氣射流可強(qiáng)化水煤漿等燃料的霧化作用，進(jìn)一步提高燃料的碳轉(zhuǎn)化率。此外，高速的氧氣會(huì)迅速帶走燃?xì)馊紵龝r(shí)產(chǎn)生的熱量，防止高溫氣體對(duì)噴嘴造成損壞。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案
一種熱氧噴嘴，包括依次同軸設(shè)置的外環(huán)噴管、中環(huán)噴管、內(nèi)環(huán)噴管和中心噴管以及冷卻系統(tǒng)，所述外環(huán)噴管由外環(huán)導(dǎo)管和外環(huán)噴頭構(gòu)成，外環(huán)噴頭的大端與外環(huán)導(dǎo)管相連接，所述中心噴管由中心導(dǎo)管和中心噴頭構(gòu)成，中心噴頭的大端與中心導(dǎo)管相連接，所述中環(huán)噴管由中環(huán)導(dǎo)管構(gòu)成，所述內(nèi)環(huán)噴管由內(nèi)環(huán)導(dǎo)管構(gòu)成，所述外環(huán)噴管、中環(huán)噴管、內(nèi)環(huán)噴管、中心噴管依次采用法蘭連接，所述外環(huán)噴管與所述中心噴管的端部相齊平；
所述冷卻系統(tǒng)由盤管和冷卻室構(gòu)成，冷卻室同軸設(shè)置于外環(huán)噴頭的外側(cè)，盤管設(shè)置于靠近外環(huán)噴頭的外環(huán)導(dǎo)管外側(cè)，冷卻室與盤管相連接，冷卻液流入冷卻室后再經(jīng)盤管流出。所述外環(huán)噴管和所述中環(huán)噴管之間形成外環(huán)氧通道，所述內(nèi)環(huán)噴管和所述中心噴管之間形成內(nèi)環(huán)氧通道，所述中環(huán)噴管和所述內(nèi)環(huán)噴管之間形成燃?xì)馔ǖ?，所述中心噴管?nèi)形成燃料通道。所述中環(huán)噴管和所述內(nèi)環(huán)噴管沿軸向往內(nèi)縮進(jìn)，并且所述中環(huán)噴管和所述內(nèi)環(huán)噴管的端部齊平；所述燃?xì)馔ǖ赖某隹滋幗孛媾c所述外環(huán)噴管的直管段內(nèi)壁以及所述中心噴管的直管段外壁構(gòu)成熱氧腔室，所述熱氧腔室的長(zhǎng)度t為所述燃?xì)馔ǖ喇?dāng)量直徑的2 5 倍。所述中心噴頭的內(nèi)收縮角a為45 80° ;所述中心噴頭的外收縮角和所述外環(huán)噴頭的內(nèi)收縮角P相等，為30 80°。一種含有上述任一所述熱氧噴嘴的氣化爐，所述氣化爐的頂部或爐體周邊的一個(gè)平面或者多個(gè)平面上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)所述熱氧噴嘴。所述熱氧噴嘴與所述氣化爐通過(guò)法蘭連接。上述氣化爐的應(yīng)用，以含碳類物質(zhì)為原料制備合成氣，以及生產(chǎn)合成氨、甲醇、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、海綿鐵或垃圾的氣化處理。氣化劑在所述外環(huán)氧通道和所述內(nèi)環(huán)氧通道的流量比例為外環(huán)氧通道占50%、內(nèi)環(huán)氧通道占50% ;所述氣化劑的總量與所述燃?xì)馔ǖ乐械娜細(xì)獾牧髁勘壤秊?5 97 :3 15。所述外環(huán)氧通道和所述內(nèi)環(huán)氧通道的氣化劑流速均為0 50m/s，所述燃?xì)馔ǖ赖娜細(xì)鈿馑贋? 50m/s，所述燃料出孔處含碳類物質(zhì)的流速為0. I I. Om/s，氣化劑出孔處熱態(tài)氣化劑的流速為20 600m/s。所述燃?xì)馔ǖ乐械娜細(xì)膺x自天然氣、甲烷、丙烷、合成氣、焦?fàn)t氣或馳放氣。本發(fā)明的熱氧噴嘴能夠在低溫下點(diǎn)燃水煤漿等含碳燃料，高速高溫的氧氣流不僅強(qiáng)化了燃料的霧化效果，也使得傳質(zhì)傳熱效果和化學(xué)反應(yīng)速率得到提高。在實(shí)際操作中，只需在低流量下引燃燃?xì)?，調(diào)節(jié)氣體比例控制出口熱氧速度和流量，完成水煤漿等含碳物料的點(diǎn)火。本發(fā)明具有霧化性能優(yōu)良、碳轉(zhuǎn)化率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明的熱氧噴嘴主體結(jié)構(gòu)的剖面示意 圖2為本發(fā)明的熱氧噴嘴頭部結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。符號(hào)說(shuō)明
I 熱氧噴嘴；2 噴嘴頭部；3 盤管；10、11 法蘭；12 中心導(dǎo)管；
13 內(nèi)環(huán)導(dǎo)管；14 中環(huán)導(dǎo)管；15 外環(huán)導(dǎo)管；16 燃料通道；17 內(nèi)環(huán)氧通道；18 燃?xì)馔ǖ溃?9 外環(huán)氧通道；20 燃?xì)獬隹祝?br> 21 熱氧腔室；22 氣化劑出孔；23 中心噴頭；24 燃料出孔；
25 外環(huán)噴頭；26 冷卻室。
具體實(shí)施例方式下面，用實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于實(shí)施例。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神和保護(hù)范圍的情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。圖I為本發(fā)明熱氧噴嘴主體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖，圖2是本發(fā)明的熱氧噴嘴頭部結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。熱氧噴嘴包括依次同軸設(shè)置的外環(huán)噴管、中環(huán)噴管、內(nèi)環(huán)噴管和中心噴管以及冷卻系統(tǒng)，夕卜環(huán)噴管由外環(huán)導(dǎo)管15和外環(huán)噴頭25構(gòu)成，夕卜環(huán)噴頭25的大端與外環(huán)導(dǎo)管15相連接，中心噴管由中心導(dǎo)管12和中心噴頭23構(gòu)成，中心噴頭23的大端與中心導(dǎo)管12相連接，中環(huán)噴管由中環(huán)導(dǎo)管14構(gòu)成，內(nèi)環(huán)噴管由內(nèi)環(huán)導(dǎo)管13構(gòu)成，外環(huán)噴管、中環(huán)噴管、內(nèi)環(huán)噴管、中心噴管依次米用法蘭10連接,夕卜環(huán)噴管與中心噴管的端部相齊平；
冷卻系統(tǒng)由盤管3和冷卻室26構(gòu)成，冷卻室26同軸設(shè)置于外環(huán)噴頭25的外側(cè)，盤管3設(shè)置于靠近外環(huán)噴頭25的外環(huán)導(dǎo)管15外側(cè)，冷卻液流入冷卻室26后再經(jīng)盤管3流出。外環(huán)噴管和中環(huán)噴管之間形成外環(huán)氧通道19，內(nèi)環(huán)噴管和中心噴管之間形成內(nèi)環(huán)氧通道17，中環(huán)噴管和內(nèi)環(huán)噴管之間形成燃?xì)馔ǖ?8，中心噴管內(nèi)形成燃料通道16。中環(huán)噴管和內(nèi)環(huán)噴管沿軸向往內(nèi)縮進(jìn)，并且中環(huán)噴管和內(nèi)環(huán)噴管的端部齊平；燃?xì)馔ǖ?8的出孔20處截面與外環(huán)噴管的直管段內(nèi)壁以及中心噴管的直管段外壁構(gòu)成熱氧腔室21，熱氧腔室21的長(zhǎng)度t為燃?xì)馔ǖ?8當(dāng)量直徑的2 5倍。中心噴頭23的內(nèi)收縮角a為45 80° ;中心噴頭23的外收縮角和外環(huán)噴頭25的內(nèi)收縮角0相等，為30 80°。上述熱氧噴嘴與氣化爐通過(guò)法蘭11連接。
具有上述熱氧噴嘴的氣化爐的可應(yīng)用于以下場(chǎng)合以含碳類物質(zhì)為原料制備合成氣，以及生產(chǎn)合成氨、甲醇、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、海綿鐵或垃圾的氣化處理等。應(yīng)用時(shí)其參數(shù)可按如下設(shè)置
以含固量為58 80%(wt%)的含碳物料為燃料，以99. 6%的氧氣為氣化劑，以99%的甲烷為燃?xì)狻饣瘎┯赏猸h(huán)氧通道19和內(nèi)環(huán)氧通道17進(jìn)入熱氧噴嘴，燃料由燃料通道16進(jìn)入熱氧噴嘴，燃?xì)庥扇細(xì)馔ǖ?8進(jìn)入熱氧噴嘴?？傃趿肯鄬?duì)燃?xì)馔ǖ?8內(nèi)的燃?xì)馔耆紵龝r(shí)所需的氧氣在化學(xué)計(jì)量上過(guò)量，過(guò)量氧氣在熱氧腔室21中被加熱且作為熱態(tài)氣化劑從氣化劑出孔22流出。高溫高速的熱氧與燃料在噴嘴的出口處經(jīng)霧化混合后進(jìn)入氣化爐中，并在噴口處發(fā)生部分燃燒與氣化反應(yīng)。氣化劑與所述的燃?xì)馔ǖ乐腥細(xì)獾牧髁勘壤秊槿細(xì)鈿饣瘎?8%。氣化劑在所述的外環(huán)氧通道和所述的內(nèi)環(huán)氧通道內(nèi)的流量比例為外環(huán)氧通道占50%,內(nèi)環(huán)氧通道占50%。外環(huán)氧通道與內(nèi)環(huán)氧通道的氣化劑流速均為30m/s，燃?xì)馔ǖ赖娜細(xì)鈿馑贋?0m/s，燃料通道的出口含碳物料流速為0. 3m/s，氣化劑出口的熱態(tài)氣化劑流速為大約300m/s。
通過(guò)上述具體使用過(guò)程可以采用本發(fā)明達(dá)到氣化爐中水煤漿等含碳物料在較低的爐膛溫度下即可完成點(diǎn)火。高溫氧氣射流火焰顯著提高了傳熱傳質(zhì)速率，進(jìn)而提高了燃料的碳轉(zhuǎn)化率。具有上述熱氧噴嘴的氣化爐的應(yīng)用實(shí)例如下
在豎式氣化爐頂部安裝所述的熱氧噴嘴，以固含量為61%的水煤漿為燃料，以99. 8%的氧氣為氣化劑，以99%的甲烷為燃?xì)猓簼{流量為10kg/h，燃?xì)鈿饣瘎?8%，氧氣耗量為5. 6Nm3/h，氣化壓力為常壓，耐火襯里采用耐火磚，氣化溫度為大約1300°C，氣化室高度為2. 2m，氣化室內(nèi)徑為0. 3m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該噴嘴形成的熱氧可直接點(diǎn)燃水煤漿，形成的火焰形態(tài)均勻、穩(wěn)定，同一溫度下碳轉(zhuǎn)化率較常溫氧氣噴嘴平均高約2個(gè)百分點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.ー種熱氧噴嘴，包括依次同軸設(shè)置的外環(huán)噴管、中環(huán)噴管、內(nèi)環(huán)噴管和中心 噴管以及冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述外環(huán)噴管由外環(huán)導(dǎo)管和外環(huán)噴頭構(gòu)成，所述外環(huán)噴頭的大端與所述外環(huán)導(dǎo)管相連接； 所述中心噴管由中心導(dǎo)管和中心噴頭構(gòu)成，所述中心噴頭的大端與所述中心導(dǎo)管相連接；所述中環(huán)噴管由中環(huán)導(dǎo)管構(gòu)成，所述內(nèi)環(huán)噴管由內(nèi)環(huán)導(dǎo)管構(gòu)成，所述外環(huán)噴管、中環(huán)噴管、內(nèi)環(huán)噴管、中心噴管依次采用法蘭連接，所述外環(huán)噴管與所述中心噴管的端部相齊平；所述冷卻系統(tǒng)由盤管和冷卻室構(gòu)成，所述冷卻室同軸設(shè)置于所述外環(huán)噴頭的外側(cè)，所述盤管設(shè)置于靠近所述外環(huán)噴頭的所述外環(huán)導(dǎo)管外側(cè)，所述冷卻室與所述盤管相連接，冷卻液流入所述冷卻室后再經(jīng)所述盤管流出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱氧噴嘴，其特征在于，所述外環(huán)噴管和所述中環(huán)噴管之間形成外環(huán)氧通道，所述內(nèi)環(huán)噴管和所述中心噴管之間形成內(nèi)環(huán)氧通道，所述中環(huán)噴管和所述內(nèi)環(huán)噴管之間形成燃?xì)馔ǖ?，所述中心噴管?nèi)形成燃料通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱氧噴嘴，其特征在于，所述中環(huán)噴管和所述內(nèi)環(huán)噴管沿軸向往內(nèi)縮迸，并且所述中環(huán)噴管和所述內(nèi)環(huán)噴管的端部齊平；所述燃?xì)馔ǖ赖某隹滋幗孛媾c所述外環(huán)噴管的直管段內(nèi)壁以及所述中心噴管的直管段外壁構(gòu)成熱氧腔室，所述熱氧腔室的長(zhǎng)度t為所述燃?xì)馔ǖ喇?dāng)量直徑的2 5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一所述的熱氧噴嘴，其特征在于，所述中心噴頭的內(nèi)收縮角α為45 80° ;所述中心噴頭的外收縮角和所述外環(huán)噴頭的內(nèi)收縮角β相等，為30 80。。
5.ー種含有權(quán)利要求I至4任一所述熱氧噴嘴的氣化爐，其特征在于，所述氣化爐的頂部或爐體周邊的ー個(gè)平面或者多個(gè)平面上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)所述熱氧噴嘴。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣化爐，其特征在于，所述熱氧噴嘴與所述氣化爐通過(guò)法蘭連接。
7.權(quán)利要求5或6的氣化爐的應(yīng)用，其特征在于，所述氣化爐以含碳類物質(zhì)為原料制備合成氣，以及生產(chǎn)合成氨、甲醇、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、海綿鐵或垃圾的氣化處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在干，氣化劑在所述外環(huán)氧通道和所述內(nèi)環(huán)氧通道的流量比例為外環(huán)氧通道占50%、內(nèi)環(huán)氧通道占50% ;所述氣化劑的總量與所述燃?xì)馔ǖ乐械娜細(xì)獾牧髁勘壤秊?5 97 :3 15。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，所述外環(huán)氧通道和所述內(nèi)環(huán)氧通道的氣化劑流速均為O 50m/s，所述燃?xì)馔ǖ赖娜細(xì)鈿馑贋镺 50m/s，所述燃料通道的出孔處所述含碳類物質(zhì)的流速為O. I I. Om/s，氣化劑出孔處熱態(tài)氣化劑的流速為20 600m/s。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，所述燃?xì)馔ǖ乐械娜細(xì)膺x自天然氣、甲燒、丙燒、合成氣、焦?fàn)t氣或馳放氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱氧噴嘴及其在氣化爐中的應(yīng)用，所述的熱氧噴嘴的組成部件包括外環(huán)噴管、中環(huán)噴管、內(nèi)環(huán)噴管、中心噴管和冷卻系統(tǒng)，所述的氣化爐是氣流床氣化爐，在爐體頂部或者爐體周邊某個(gè)平面或者多個(gè)平面上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)該噴嘴。本發(fā)明的噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作與維護(hù)方便，噴嘴內(nèi)部設(shè)置了燃?xì)夤艿?，燃?xì)獾娜紵蓪⒀鯕饧訜幔邷馗咚俚难鯕饪芍苯狱c(diǎn)燃水煤漿、焦?fàn)t氣等含碳物料，應(yīng)用于氣化爐后最終用于制備合成氣工藝。
文檔編號(hào)C10J3/48GK102977926SQ20121049314
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者郭慶華, 王濤, 代正華, 于廣鎖, 龔欣, 王輔臣, 劉海峰, 王亦飛, W·J·馬弘尼, S·哈代爾, 馬奕, 張 杰, 周志杰, R·J·徹佩塔, C·赫爾貝, J·威爾遜, 顏?zhàn)坑?申請(qǐng)人:華東理工大學(xué), 普萊克斯技術(shù)有限公司