一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴的制作方法
【專利摘要】一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，包括中心氣化劑通道，與其同軸并依次套裝在其外的燃料通道和外氣化劑通道，布置在中心氣化劑通道和燃料通道之間、燃料通道和外氣化劑通道之間以及外氣化劑通道外側(cè)的冷卻水通道；冷卻水通道的進(jìn)水通道由若干微通道構(gòu)成；高壓冷卻水在微通道內(nèi)流速增加，以熱傳導(dǎo)和強(qiáng)制對(duì)流換熱的方式對(duì)中心氣化劑通道、燃料通道和外氣化劑通道以及冷卻水通道自身的金屬壁面進(jìn)行高效冷卻；冷卻水從微通道出口以高速射流噴出，以強(qiáng)制沖擊射流對(duì)流換熱的形式對(duì)冷卻水通道的底部金屬壁面進(jìn)行高效冷卻，然后從回水通道流回到冷卻水通道的出水口；本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的氣化燒嘴技術(shù)的燒嘴冷卻效果差、壽命較短的缺陷。
【專利說(shuō)明】一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤氣化領(lǐng)域，具體涉及一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴。
技術(shù)背景
[0002]煤炭是一種重要的能源，但是長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在使用過(guò)程中伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境污染。近年來(lái)，以減少污染排放和提高利用效率為目的的潔凈煤技術(shù)日益為人們所重視；煤氣化技術(shù)作為其中的一種煤炭加工和轉(zhuǎn)化技術(shù)，被認(rèn)為是最為高效清潔的潔凈煤技術(shù)之一。
[0003]煤氣化爐是把化石燃料(粉煤、石油、天然氣等)制成煤氣的裝置，廣泛用于化工、氮肥、燃?xì)狻⒙?lián)合發(fā)電等領(lǐng)域。鑒于我國(guó)貧油、少氣、多煤的資源狀況，我國(guó)的氣化燃料主要是煤炭(粉煤或水煤漿)。燃燒噴嘴(簡(jiǎn)稱燒嘴)是氣化爐的關(guān)鍵部件，也是最容易高溫?fù)p壞的部件。目前比較先進(jìn)的煤氣化方式是從國(guó)外引進(jìn)的大型粉煤加壓氣化工藝。利用氮?dú)饣蚨趸細(xì)怏w將粉煤等粉狀炭質(zhì)材料通過(guò)燒嘴送入氣化爐，同時(shí)富氧氣體和水蒸汽也通過(guò)燒嘴送入氣化爐。粉狀炭質(zhì)材料和氧氣、水蒸汽反應(yīng)燃燒，生成一氧化碳和氫氣，燃燒溫度達(dá)1400°C以上。
[0004]由于燃燒火焰溫度很高，氣化燒嘴常因高熱通量和潛在的富氧腐蝕性環(huán)境引起損壞。由于燒嘴損壞引起大型氣化爐頻繁的停爐檢修，造成生產(chǎn)企業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，引起了國(guó)外技術(shù)提供商和國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的高度重視，但到目前為止仍未有效地解決氣化爐燒嘴易損壞、壽命短的問(wèn)題。
[0005]加壓氣流床氣化爐從啟動(dòng)到運(yùn)行、停爐的整個(gè)過(guò)程中:點(diǎn)火預(yù)熱時(shí)600~1000°C的高溫階段、氣化反應(yīng)時(shí)1700°C的高溫階段和停車時(shí)從1700°C高溫開始的高溫下降階段，這三個(gè)階段均會(huì)對(duì)燒嘴造成高溫?fù)p壞，尤其是燒嘴頭部(燒嘴最接近爐內(nèi)火焰的部分)，由于其工作環(huán)境最為惡劣，往往最先損壞。對(duì)于氣化燒嘴的損壞，由于無(wú)法觀察到燒嘴噴頭被損壞的過(guò)程，因此，人們?cè)诤荛L(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法了解高溫?zé)龘p和磨損中哪一種為燒嘴噴頭損壞的主要原因。但通過(guò)近年來(lái)引進(jìn)的一部分內(nèi)冷式燒嘴已創(chuàng)造一年以上使用壽命的情況分析，由于內(nèi)冷式燒嘴的特點(diǎn)是散熱比較快和均勻，燒嘴不易燒壞，壽命變長(zhǎng)，證明了燒嘴的損壞是燒壞先于磨壞。因此，解決燒嘴噴頭部的高溫?fù)p壞問(wèn)題，也就成了延長(zhǎng)燒嘴壽命的一個(gè)主要方面。
[0006]當(dāng)前，對(duì)于如何解決燒嘴頭部溫度過(guò)高的問(wèn)題，一般有兩種方法，一是研制出新型的高溫材料，同時(shí)，在高溫部件的表面涂上防熱涂層來(lái)提高材料的性能；二是采用合理的冷卻方法對(duì)熱端部件進(jìn)行冷卻，可以研究出新型的冷卻方法或者對(duì)現(xiàn)有的冷卻技術(shù)進(jìn)行改造以提聞其冷卻潛力。
[0007]微通道換熱技術(shù)是利用傳熱學(xué)原理，將熱量從熱流體傳給冷流體的，冷熱流體分別在固體壁面的兩側(cè) 流過(guò)，熱流體的熱量以對(duì)流和傳導(dǎo)的方式傳給冷流體。當(dāng)換熱流道尺寸小于3mm時(shí)，氣液兩相流動(dòng)與相變傳熱規(guī)律將不同于常規(guī)較大尺寸，通道越小，這種尺寸效應(yīng)越明顯。當(dāng)管內(nèi)徑到0.5~1mm時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)可增大50%~100%。由于微通道換熱結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、換熱效果好，已廣泛應(yīng)用于紅外探測(cè)、電子設(shè)備、生物醫(yī)療等工程領(lǐng)域的冷卻中。將這種強(qiáng)化傳熱技術(shù)用于空調(diào)換熱器，適當(dāng)改變換熱器結(jié)構(gòu)、工藝及空氣側(cè)的強(qiáng)化傳熱措施，預(yù)計(jì)可有效增強(qiáng)空調(diào)換熱器的傳熱、提高其節(jié)能水平。如果將該技術(shù)應(yīng)用于氣化燒嘴的冷卻過(guò)程中，可以強(qiáng)化冷卻水對(duì)燒嘴(尤其是燒嘴的頭部)的冷卻作用，從而避免燒嘴因高溫?zé)g而損壞，有效延長(zhǎng)燒嘴的使用壽命。
[0008]另外，通過(guò)對(duì)各類氣化爐燒嘴的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，氣化效率的高低取決于兩方面因素一霧化和混合。通常情況下，兩者難以同時(shí)得到滿足，尤其是自上而下單噴嘴噴射的情況下，原料進(jìn)口與工藝氣在同一軸線上，容易導(dǎo)致物料走短路，造成原料利用效率降低。因此，改進(jìn)、優(yōu)化燒嘴結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，使得氣化過(guò)程的霧化與混合同時(shí)達(dá)到優(yōu)良，對(duì)提高氣化爐的
氣化效率至關(guān)重要。
[0009]綜上所述，解決氣化爐燒嘴頭部冷卻和燒嘴的高效霧化混合的問(wèn)題，是提高目前氣化床氣化燒嘴使用性能的關(guān)鍵所在。因此，開發(fā)先進(jìn)的霧化混合良好的、高效冷卻長(zhǎng)壽命的氣化燒嘴是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤氣化技術(shù)高效性和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，克服現(xiàn)有技術(shù)的氣化燒嘴技術(shù)的燒嘴冷卻效果差、壽命較短、霧化和混合性能不能同時(shí)達(dá)到良好效果等缺陷。
[0011]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0012]一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，包括中心氣化劑通道1，與中心氣化劑通道I同軸并依次套裝在其外的燃料通道3和外氣化劑通道4，布置在中心氣化劑通道I和燃料通道3之間、燃料通道3和外氣化劑通道4之間以及外氣化劑通道4外側(cè)的冷卻水通道2;
[0013]所述冷卻水通道2由進(jìn)水通道2-1和進(jìn)水通道2-1之間的回水通道2-2組成；
[0014]所述進(jìn)水通道2-1采用微通道結(jié)構(gòu)，即由若干截面尺寸較小的微通道2-3構(gòu)成；
[0015]所述冷卻水通道2內(nèi)采用高壓冷卻水，以熱傳導(dǎo)和微通道強(qiáng)制對(duì)流換熱的方式對(duì)中心氣化劑通道1、燃料通道3和外氣化劑通道4以及冷卻水通道2自身的金屬壁面進(jìn)行冷卻；
[0016]高壓冷卻水從所述微通道2-3的出口以沖擊射流的形式高速噴出，垂直噴射到冷卻水通道2的底部金屬壁面，以強(qiáng)制沖擊射流對(duì)流換熱的方式對(duì)其進(jìn)行冷卻。
[0017]優(yōu)選地，所述微通道2-3的出口采用收縮噴管結(jié)構(gòu)，以提高高壓冷卻水噴出的速度，進(jìn)一步強(qiáng)化其對(duì)冷卻水通道2的底部金屬壁面的沖擊射流冷卻作用。
[0018]所述冷卻水通道2的進(jìn)、出水口均設(shè)置有流量監(jiān)測(cè)裝置。
[0019]所述中心氣化劑通道1和外氣化劑通道4內(nèi)分別布置有內(nèi)旋流葉片6和外旋流葉片5,所述內(nèi)旋流葉片6和外旋流葉片5的葉片傾斜方向相反。
[0020]所述外氣化劑通道4出口的旋流強(qiáng)度大于中心氣化劑通道I出口的旋流強(qiáng)度。
[0021]所述冷卻水通道2內(nèi)的冷卻水壓力高于氣化爐內(nèi)的操作壓力。
[0022]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0023]1、本發(fā)明采用微通道強(qiáng)化換熱與沖擊射流冷卻相結(jié)合的方式對(duì)燒嘴進(jìn)行高效冷卻。冷卻水流入微通道后，流速急劇增大，與壁面的對(duì)流換熱系數(shù)迅速增大，以對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)的方式對(duì)中心氣化劑通道、燃料通道和外氣化劑通道及微通道自身的金屬壁面進(jìn)行有效冷卻；冷卻水流過(guò)微通道后，從微通道出口以高速?zèng)_擊射流噴出，垂直噴射到冷卻水通道的底部金屬壁面，以強(qiáng)制沖擊射流對(duì)流換熱的方式對(duì)其進(jìn)行冷卻。綜上所述，本發(fā)明可以更好的使燒嘴(尤其是燒嘴的頭部)的溫度保持在所需的合適溫度范圍，從而解決了現(xiàn)有燒嘴噴頭部因受爐內(nèi)高溫?zé)彷椛浜蜔釟饬骱婵径a(chǎn)生的高溫氧化和超溫?zé)g等問(wèn)題，使燒嘴能穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)燒嘴使用壽命。
[0024]2、所述冷卻水通道內(nèi)的冷卻水流量，可根據(jù)爐內(nèi)工況的變化而改變流量，從而，增強(qiáng)或減弱其對(duì)燒嘴的冷卻作用，保持噴嘴(尤其是燒嘴的頭部)溫度在合適范圍，避免燒嘴因爐內(nèi)工況不穩(wěn)定而燒蝕損壞。
[0025]3、冷卻通道的進(jìn)水通道為微通道結(jié)構(gòu)，具有冷卻水均勻分布作用，確保冷卻水在水套結(jié)構(gòu)內(nèi)均勻分布流動(dòng)，使其對(duì)燒嘴的冷卻作用均勻，減小熱偏差，避免因冷卻不均、局部過(guò)熱而導(dǎo)致燒嘴損壞。
[0026]4、燒嘴的中心氣化劑通道和外氣化劑通道內(nèi)，均布置有旋流葉片，使內(nèi)、外氣化劑通道的出口氣流皆為強(qiáng)烈旋流，但是，內(nèi)、外通道的氣流旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣有利于氣化劑的霧化，并強(qiáng)化了氣化劑與燃料的混合作用，使氣化劑與燃料能充分、均勻混合。
[0027]5、所述冷卻水通道的進(jìn)、出水口皆設(shè)置流量監(jiān)測(cè)裝置，一旦燒嘴冷卻水泄露，出口總流量就會(huì)變小，與進(jìn)口總流量相差很大，預(yù)警系統(tǒng)隨即進(jìn)行報(bào)警，以便及時(shí)組織停車處理，壁面發(fā)生嚴(yán)重事故。
[0028]6、外氣化劑通道出口的旋流強(qiáng)度大于內(nèi)氣化劑通道出口的旋流強(qiáng)度，使氣化劑和燃料混合后的總體氣流成旋流狀態(tài)，延長(zhǎng)了燃料在氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間，使氣化反應(yīng)更充分，提高了氣化爐的整體效率。
[0029]7、冷卻水通道內(nèi)的冷卻水壓力高于氣化爐內(nèi)的操作壓力，從而避免在燒嘴損壞的時(shí)候，爐內(nèi)高溫高壓氣體從燒嘴向外泄露，提高了系統(tǒng)的安全性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴的冷卻水通道結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3為圖2A處的局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0034]如圖1所示，一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，包括中心氣化劑通道1，與中心氣化劑通道I同軸并依次套裝在其外的燃料通道3和外氣化劑通道4，布置在中心氣化劑通道I和燃料通道3之間、燃料通道3和外氣化劑通道4之間以及外氣化劑通道4外側(cè)的冷卻水通道2。
[0035]所述燃料通道3內(nèi)的燃料為水煤漿或干煤粉； [0036]所述中心氣化劑通道1和外氣化劑通道4內(nèi)的氣化劑為水蒸氣、二氧化碳或兩者的混合物。
[0037]優(yōu)選地，為了使通道的進(jìn)水更加均勻，每個(gè)所述冷卻水通道2采用兩個(gè)及以上進(jìn)水口。
[0038]優(yōu)選地，為了使通道的出水更加均勻，每個(gè)所述冷卻水通道2采用兩個(gè)及以上出水口。
[0039]所述冷卻水通道2內(nèi)采用高壓冷卻水。
[0040]所述冷卻水通道2內(nèi)的冷卻水壓力高于氣化爐內(nèi)的操作壓力。
[0041]所述冷卻水通道2由進(jìn)水通道2-1和進(jìn)水通道2-1之間的回水通道2-2組成。
[0042]所述進(jìn)水通道2-1采用微通道結(jié)構(gòu)，即由若干截面尺寸較小的微通道2-3構(gòu)成。高壓冷卻水在微通道2-3內(nèi)流速增加，對(duì)流換熱系數(shù)迅速增大，以熱傳導(dǎo)和強(qiáng)制對(duì)流換熱的方式對(duì)中心氣化劑通道1、燃料通道3和外氣化劑通道4以及冷卻水通道2自身的金屬壁面的冷卻作用加強(qiáng)，使燒嘴得到更有效的冷卻。
[0043]如圖2所示，高壓冷卻水從所述微通道2-3的出口以高速?zèng)_擊射流的形式噴出，垂直噴射到冷卻水通道2的底部金屬壁面，以強(qiáng)制沖擊射流對(duì)流換熱的方式對(duì)其進(jìn)行冷卻。
[0044]優(yōu)選地，所述微通道2-3的出口采用收縮噴管結(jié)構(gòu)，以提高高壓冷卻水噴出的速度，進(jìn)一步強(qiáng)化其對(duì)冷卻水通道2的底部金屬壁面的沖擊射流冷卻作用。
[0045]優(yōu)選地，每個(gè)所述進(jìn)水通道2由兩個(gè)及以上的微通道構(gòu)成，微通道的個(gè)數(shù)根據(jù)燒嘴的設(shè)計(jì)負(fù)荷和具體工作環(huán)境的冷卻需求來(lái)確定；
[0046]優(yōu)選地,所述微通道的最小截面寬度不大于3_ ；
[0047]所述中心氣化劑通道I和外氣化劑通道4內(nèi)分別布置有內(nèi)旋流葉片6和外旋流葉片5,所述內(nèi)旋流葉片6和外旋流葉片5的葉片傾斜方 向相反。
[0048]所述外氣化劑通道4出口的旋流強(qiáng)度大于中心氣化劑通道I出口的旋流強(qiáng)度。
[0049]冷卻水系統(tǒng)工作原理:高壓冷卻水從冷卻水通道2的進(jìn)水口流入，然后進(jìn)入微通道結(jié)構(gòu)的進(jìn)水通道2。高壓冷卻水流入微通道后，流速急劇增大，與壁面的對(duì)流換熱系數(shù)迅速增大，以對(duì)流換熱和導(dǎo)熱的方式對(duì)中心氣化劑通道1、燃料通道3和外氣化劑通道4及微通道2-2自身的金屬壁面進(jìn)行有效冷卻。高壓冷卻水從微通道出口以高速?zèng)_擊射流噴出，垂直噴射到冷卻水通道的底部金屬壁面，以強(qiáng)制沖擊射流對(duì)流換熱的方式對(duì)其進(jìn)行冷卻。
【權(quán)利要求】
1.一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，其特征在于:包括中心氣化劑通道(I)，與中心氣化劑通道(I)同軸并依次套裝在其外的燃料通道(3 )和外氣化劑通道(4 )，布置在中心氣化劑通道(I)和燃料通道(3)之間、燃料通道(3)和外氣化劑通道(4)之間以及外氣化劑通道(4)外側(cè)的冷卻水通道(2)； 所述冷卻水通道(2)由進(jìn)水通道(2-1)和設(shè)置在進(jìn)水通道(2-1)之間的回水通道(2-2)組成； 所述進(jìn)水通道(2-1)采用微通道結(jié)構(gòu)，即由若干截面尺寸較小的微通道(2-3)構(gòu)成； 所述冷卻水通道(2)內(nèi)采用高壓冷卻水，以熱傳導(dǎo)和微通道強(qiáng)制對(duì)流換熱的方式對(duì)中心氣化劑通道(I)、燃料通道(3)和外氣化劑通道(4)以及冷卻水通道(2)自身的金屬壁面進(jìn)行冷卻； 高壓冷卻水從所述微通道(2-3)的出口以沖擊射流的形式高速噴出，垂直噴射冷卻水通道(2)的底部金屬壁面，以強(qiáng)制沖擊射流對(duì)流換熱的方式對(duì)其進(jìn)行冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，其特征在于:所述微通道(2-3)的出口采用收縮噴管結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，其特征在于:所述中心氣化劑通道(I)和外氣化劑通道(4)內(nèi)分別布置有內(nèi)旋流葉片(6)和外旋流葉片(5)，所述內(nèi)旋流葉片(6)和外旋流葉片(5)的葉片傾斜方向相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，其特征在于:所述外氣化劑通道(4)出口的旋流強(qiáng)度大于中心氣化劑通道(I)出口的旋流強(qiáng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型射流沖擊冷卻的氣化工藝燒嘴，其特征在于:所述冷卻水通道(2)的進(jìn)、出水口均設(shè)置有流量`監(jiān)測(cè)裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型微通道循環(huán)冷卻的氣化工藝燒嘴，其特征在于:所述冷卻水通道(2)內(nèi)的冷卻水壓力高于氣化爐內(nèi)的操作壓力。
【文檔編號(hào)】C10J3/50GK103881760SQ201410038217
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】王云剛, 陳衡, 趙欽新, 馬海東, 李鈺鑫, 周屈蘭, 惠世恩 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)