专利名称：一种热氧喷嘴及其在气化炉中的应用的制作方法
技术领域：
本发明属于煤气化领域，涉及一种新型热氧喷嘴，尤其涉及在水煤浆等含碳物料气化制备合成气(CCHH2)等领域的应用。
背景技术：
煤的洁净与高效利用是当今我国能源与环境保护领域中的重大技术课题，也是我国国民经济持续发展的关键技术之一。煤气化是将一次能源转化为洁净的二次能源的主要途径，其产品为燃料气(煤气)、合成气、还原气、氢气、一氧化碳。煤的气化技术在联合循环(IGCC)发电装置、合成氨和合成甲醇工业、羰基化法生产醋酸与醋酐工业、海绵铁的生产、纯一氧化碳的制备、纯氢的制备等领域得到了广泛的应用，而气化炉则是煤气化的关键设备。为此，众多的科技人员研究、开发了各种类型的气化炉。目前，在采用气流床进行气化的技术中，有代表性的主要有以水煤浆为原料的GE(Texaco)气化技术；以干煤粉为原料Shell气化技术；以水煤浆或干煤粉为原料的多喷嘴对置式(OMB)气化技术。对于以水煤浆为原料的耐火砖型式的气化技术，气化炉投料过程需要使用预热喷嘴烘炉使炉温达到> 1000°c并恒温，再更换工艺喷嘴并进行气化炉的投料,工序相对复杂，燃料消耗量大，且开停车时间长，不利于化工生产中装置的连续稳定运行。本发明的目的在于对现有喷嘴结构进一步优化，公开了一种热氧喷嘴及其气化炉和应用，可实现对燃料的直接点火、运行，缩短烘炉时间和开停车操作时间。特别是针对处于热备状态下的热壁式气化炉，该喷嘴不仅具备原有工艺喷嘴的稳定运行功能，亦可实现较低炉膛温度下的直接点火投料。该喷嘴结构较简单，制作与维护方便，具有较高的推广和应用价值。
发明内容
本发明涉及一种热氧喷嘴，该热氧喷嘴可将氧气的温度加热到500°C甚至更高的温度，在较高的氧气温度下，水煤浆等含碳物料可直接点燃。基于该喷嘴的特性，为了简化上述现有气化工艺的开车及运行，本发明公开了该热氧喷嘴结构及其在气化炉中的应用。本发明的构思如下现有的煤气化技术，特别是水煤浆气化技术，需根据煤种和操作条件的不同将炉温升至大约1200°C，然后更换工艺喷嘴并进行氮气置换后再进行投料。美国专利US 8105074B2公开了一种热氧发生器，所述的热氧发生器通过调节气化剂和燃气的流量及配比，可将氧气加热最高至1500°C。在此温度下，水煤浆等含碳燃料可以直接点燃，因此热氧喷嘴可大大减少因预热炉膛而消耗的燃料，进一步增加了装置的安全性。由于氧气的温度很高，其出口速度相对于常温氧气的出口速度高，高速的氧气射流可强化水煤浆等燃料的雾化作用，进一步提高燃料的碳转化率。此外，高速的氧气会迅速带走燃气燃烧时产生的热量，防止高温气体对喷嘴造成损坏。实现本发明目的的技术方案
一种热氧喷嘴，包括依次同轴设置的外环喷管、中环喷管、内环喷管和中心喷管以及冷却系统，所述外环喷管由外环导管和外环喷头构成，外环喷头的大端与外环导管相连接，所述中心喷管由中心导管和中心喷头构成，中心喷头的大端与中心导管相连接，所述中环喷管由中环导管构成，所述内环喷管由内环导管构成，所述外环喷管、中环喷管、内环喷管、中心喷管依次采用法兰连接，所述外环喷管与所述中心喷管的端部相齐平；
所述冷却系统由盘管和冷却室构成，冷却室同轴设置于外环喷头的外侧，盘管设置于靠近外环喷头的外环导管外侧，冷却室与盘管相连接，冷却液流入冷却室后再经盘管流出。所述外环喷管和所述中环喷管之间形成外环氧通道，所述内环喷管和所述中心喷管之间形成内环氧通道，所述中环喷管和所述内环喷管之间形成燃气通道，所述中心喷管内形成燃料通道。所述中环喷管和所述内环喷管沿轴向往内缩进，并且所述中环喷管和所述内环喷管的端部齐平；所述燃气通道的出孔处截面与所述外环喷管的直管段内壁以及所述中心喷管的直管段外壁构成热氧腔室，所述热氧腔室的长度t为所述燃气通道当量直径的2 5 倍。所述中心喷头的内收缩角a为45 80° ;所述中心喷头的外收缩角和所述外环喷头的内收缩角P相等，为30 80°。一种含有上述任一所述热氧喷嘴的气化炉，所述气化炉的顶部或炉体周边的一个平面或者多个平面上设置有一个或多个所述热氧喷嘴。所述热氧喷嘴与所述气化炉通过法兰连接。上述气化炉的应用，以含碳类物质为原料制备合成气，以及生产合成氨、甲醇、联合循环发电、海绵铁或垃圾的气化处理。气化剂在所述外环氧通道和所述内环氧通道的流量比例为外环氧通道占50%、内环氧通道占50% ;所述气化剂的总量与所述燃气通道中的燃气的流量比例为85 97 :3 15。所述外环氧通道和所述内环氧通道的气化剂流速均为0 50m/s，所述燃气通道的燃气气速为0 50m/s，所述燃料出孔处含碳类物质的流速为0. I I. Om/s，气化剂出孔处热态气化剂的流速为20 600m/s。所述燃气通道中的燃气选自天然气、甲烷、丙烷、合成气、焦炉气或驰放气。本发明的热氧喷嘴能够在低温下点燃水煤浆等含碳燃料，高速高温的氧气流不仅强化了燃料的雾化效果，也使得传质传热效果和化学反应速率得到提高。在实际操作中，只需在低流量下引燃燃气，调节气体比例控制出口热氧速度和流量，完成水煤浆等含碳物料的点火。本发明具有雾化性能优良、碳转化率高、适用范围广等优点，具有十分广阔的应用前景。
图I为本发明的热氧喷嘴主体结构的剖面示意 图2为本发明的热氧喷嘴头部结构的剖面示意图。符号说明
I 热氧喷嘴；2 喷嘴头部；3 盘管；10、11 法兰；12 中心导管；
13 内环导管；14 中环导管；15 外环导管；16 燃料通道；17 内环氧通道；18 燃气通道；19 外环氧通道；20 燃气出孔；
21 热氧腔室；22 气化剂出孔；23 中心喷头；24 燃料出孔；
25 外环喷头；26 冷却室。
具体实施例方式下面，用实施例来进一步说明本发明内容，但本发明的保护范围并不仅限于实施例。对本领域的技术人员在不背离本发明精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。图I为本发明热氧喷嘴主体结构的剖面示意图，图2是本发明的热氧喷嘴头部结构的剖面示意图。热氧喷嘴包括依次同轴设置的外环喷管、中环喷管、内环喷管和中心喷管以及冷却系统，夕卜环喷管由外环导管15和外环喷头25构成，夕卜环喷头25的大端与外环导管15相连接，中心喷管由中心导管12和中心喷头23构成，中心喷头23的大端与中心导管12相连接，中环喷管由中环导管14构成，内环喷管由内环导管13构成，外环喷管、中环喷管、内环喷管、中心喷管依次米用法兰10连接,夕卜环喷管与中心喷管的端部相齐平；
冷却系统由盘管3和冷却室26构成，冷却室26同轴设置于外环喷头25的外侧，盘管3设置于靠近外环喷头25的外环导管15外侧，冷却液流入冷却室26后再经盘管3流出。外环喷管和中环喷管之间形成外环氧通道19，内环喷管和中心喷管之间形成内环氧通道17，中环喷管和内环喷管之间形成燃气通道18，中心喷管内形成燃料通道16。中环喷管和内环喷管沿轴向往内缩进，并且中环喷管和内环喷管的端部齐平；燃气通道18的出孔20处截面与外环喷管的直管段内壁以及中心喷管的直管段外壁构成热氧腔室21，热氧腔室21的长度t为燃气通道18当量直径的2 5倍。中心喷头23的内收缩角a为45 80° ;中心喷头23的外收缩角和外环喷头25的内收缩角0相等，为30 80°。上述热氧喷嘴与气化炉通过法兰11连接。
具有上述热氧喷嘴的气化炉的可应用于以下场合以含碳类物质为原料制备合成气，以及生产合成氨、甲醇、联合循环发电、海绵铁或垃圾的气化处理等。应用时其参数可按如下设置
以含固量为58 80%(wt%)的含碳物料为燃料，以99. 6%的氧气为气化剂，以99%的甲烷为燃气。气化剂由外环氧通道19和内环氧通道17进入热氧喷嘴，燃料由燃料通道16进入热氧喷嘴，燃气由燃气通道18进入热氧喷嘴。总氧量相对燃气通道18内的燃气完全燃烧时所需的氧气在化学计量上过量，过量氧气在热氧腔室21中被加热且作为热态气化剂从气化剂出孔22流出。高温高速的热氧与燃料在喷嘴的出口处经雾化混合后进入气化炉中，并在喷口处发生部分燃烧与气化反应。气化剂与所述的燃气通道中燃气的流量比例为燃气气化剂=8%。气化剂在所述的外环氧通道和所述的内环氧通道内的流量比例为外环氧通道占50%,内环氧通道占50%。外环氧通道与内环氧通道的气化剂流速均为30m/s，燃气通道的燃气气速为20m/s，燃料通道的出口含碳物料流速为0. 3m/s，气化剂出口的热态气化剂流速为大约300m/s。
通过上述具体使用过程可以采用本发明达到气化炉中水煤浆等含碳物料在较低的炉膛温度下即可完成点火。高温氧气射流火焰显著提高了传热传质速率，进而提高了燃料的碳转化率。具有上述热氧喷嘴的气化炉的应用实例如下
在竖式气化炉顶部安装所述的热氧喷嘴，以固含量为61%的水煤浆为燃料，以99. 8%的氧气为气化剂，以99%的甲烷为燃气，水煤浆流量为10kg/h，燃气气化剂=8%，氧气耗量为5. 6Nm3/h，气化压力为常压，耐火衬里采用耐火砖，气化温度为大约1300°C，气化室高度为2. 2m，气化室内径为0. 3m。实验结果表明，该喷嘴形成的热氧可直接点燃水煤浆，形成的火焰形态均匀、稳定，同一温度下碳转化率较常温氧气喷嘴平均高约2个百分点。
权利要求
1.ー种热氧喷嘴，包括依次同轴设置的外环喷管、中环喷管、内环喷管和中心 喷管以及冷却系统，其特征在于，所述外环喷管由外环导管和外环喷头构成，所述外环喷头的大端与所述外环导管相连接； 所述中心喷管由中心导管和中心喷头构成，所述中心喷头的大端与所述中心导管相连接；所述中环喷管由中环导管构成，所述内环喷管由内环导管构成，所述外环喷管、中环喷管、内环喷管、中心喷管依次采用法兰连接，所述外环喷管与所述中心喷管的端部相齐平；所述冷却系统由盘管和冷却室构成，所述冷却室同轴设置于所述外环喷头的外侧，所述盘管设置于靠近所述外环喷头的所述外环导管外侧，所述冷却室与所述盘管相连接，冷却液流入所述冷却室后再经所述盘管流出。
2.根据权利要求I所述的热氧喷嘴，其特征在于，所述外环喷管和所述中环喷管之间形成外环氧通道，所述内环喷管和所述中心喷管之间形成内环氧通道，所述中环喷管和所述内环喷管之间形成燃气通道，所述中心喷管内形成燃料通道。
3.根据权利要求2所述的热氧喷嘴，其特征在于，所述中环喷管和所述内环喷管沿轴向往内缩迸，并且所述中环喷管和所述内环喷管的端部齐平；所述燃气通道的出孔处截面与所述外环喷管的直管段内壁以及所述中心喷管的直管段外壁构成热氧腔室，所述热氧腔室的长度t为所述燃气通道当量直径的2 5倍。
4.根据权利要求I至3任一所述的热氧喷嘴，其特征在于，所述中心喷头的内收缩角α为45 80° ;所述中心喷头的外收缩角和所述外环喷头的内收缩角β相等，为30 80。。
5.ー种含有权利要求I至4任一所述热氧喷嘴的气化炉，其特征在于，所述气化炉的顶部或炉体周边的ー个平面或者多个平面上设置有一个或多个所述热氧喷嘴。
6.根据权利要求5所述的气化炉，其特征在于，所述热氧喷嘴与所述气化炉通过法兰连接。
7.权利要求5或6的气化炉的应用，其特征在于，所述气化炉以含碳类物质为原料制备合成气，以及生产合成氨、甲醇、联合循环发电、海绵铁或垃圾的气化处理。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在干，气化剂在所述外环氧通道和所述内环氧通道的流量比例为外环氧通道占50%、内环氧通道占50% ;所述气化剂的总量与所述燃气通道中的燃气的流量比例为85 97 :3 15。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述外环氧通道和所述内环氧通道的气化剂流速均为O 50m/s，所述燃气通道的燃气气速为O 50m/s，所述燃料通道的出孔处所述含碳类物质的流速为O. I I. Om/s，气化剂出孔处热态气化剂的流速为20 600m/s。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述燃气通道中的燃气选自天然气、甲烧、丙烧、合成气、焦炉气或驰放气。
全文摘要
本发明公开了一种热氧喷嘴及其在气化炉中的应用，所述的热氧喷嘴的组成部件包括外环喷管、中环喷管、内环喷管、中心喷管和冷却系统，所述的气化炉是气流床气化炉，在炉体顶部或者炉体周边某个平面或者多个平面上设置一个或多个该喷嘴。本发明的喷嘴结构简单，制作与维护方便，喷嘴内部设置了燃气管道，燃气的燃烧可将氧气加热，高温高速的氧气可直接点燃水煤浆、焦炉气等含碳物料，应用于气化炉后最终用于制备合成气工艺。
文档编号C10J3/48GK102977926SQ20121049314
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者郭庆华, 王涛, 代正华, 于广锁, 龚欣, 王辅臣, 刘海峰, 王亦飞, W·J·马弘尼, S·哈代尔, 马奕, 张 杰, 周志杰, R·J·彻佩塔, C·赫尔贝, J·威尔逊, 颜卓勇 申请人:华东理工大学, 普莱克斯技术有限公司