一种带气膜保护的一体化水/油/焦/煤浆工艺烧嘴的制作方法

本发明涉及煤浆气化炉设备，具体是一种带气膜保护的一体化水/油/焦/煤浆工艺烧嘴。

背景技术：

目前，水煤浆加压气化工艺的气化炉主要分为冷壁炉和热壁炉。对于热壁炉，在启动时一般需要先借助开工烧嘴烘炉，在炉膛耐火材料的蓄热作用下，当炉膛达到800℃以上温度时，再将开工烧嘴卸下，用工艺烧嘴替换开工烧嘴，炉膛高温使从工艺烧嘴喷出的水煤浆着火。对于冷壁炉，由于水冷壁的吸热作用，启动时不能通过烘炉形式蓄热，需要通过集点火和工艺于一体的一体化烧嘴，先加热炉膛至一定温度时直接投入设计比例的氧气与煤浆。因此，水煤浆工艺烧嘴是水煤浆气化的关键设备，主要作用是水煤浆与氧气的高度混合、雾化和化学反应，其性能直接影响气化工艺产品气的品质。工艺烧嘴的性能主要特点包括：1）具有良好的混合与雾化效果；2）具有良好的雾化角度和合理的雾化长度；3）具有较长使用寿命。

实际生产应用中，无论是热壁炉还是冷壁炉，工艺烧嘴效果不佳使用寿命短是一个普遍存在的问题。图6所示为目前使用较为广泛的三通道水煤浆工艺烧嘴示意图。煤浆从煤浆通道进入内混腔，在中心氧的冲击下与之混合并加速，一般混合后煤浆速度达到8~20m/s，高流速的煤浆直接冲刷内混腔壁面与烧嘴出口壁面，导致壁面磨蚀严重，如图6中的椭圆线标记处。内混腔壁面与烧嘴出口壁面金属结构在煤浆冲刷磨损下，通道截面积发生变化，严重影响烧嘴雾化性能，从而影响生产合成气质量。目前，工艺烧嘴使用90左右就需要更换一次。更换工艺烧嘴不仅影响生产，而且每次开车均耗费较大人力物力。因此，在工艺烧嘴的设计中，不仅要考虑烧嘴的混合雾化效果，而且需要通过合理的设计手段延长烧嘴的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种带气膜保护的一体化水/油/焦/煤浆工艺烧嘴，该工艺烧嘴可用来处理多样化的物料，包括水煤浆、水焦浆、油煤浆、油焦浆以及水、油、煤、焦组合制成的浆（以下简称水/油/焦/煤浆），其结构设计以中心氧通道中心为轴线，依次向外为煤浆通道、气膜氧通道、外环氧通道、冷却水内通道、冷却水外通道，通过不同的通道隔离，可以大幅减少水/油/焦煤浆与水/油/焦煤浆通道内壁面的直接接触摩擦，起到保护烧嘴的作用，大幅延长烧嘴使用寿命，解决了目前实际应用的工艺烧嘴寿命短的问题；同时，设计了点火杆旋流支撑，降低了内混后水/油/焦煤浆与中心氧混合介质轴向速度，增加了混合介质的轴向速度，使水/油/焦煤浆与中心氧内混更加均匀，提高了烧嘴的雾化性能。

本发明的技术方案如下：

一种带气膜保护的一体化水/油/焦/煤浆工艺烧嘴，其特征在于：整体呈套筒式结构，从最外层到最内层依次为：烧嘴冷却水外管、烧嘴冷却水内管、外环氧管、气膜氧管、煤浆管、中心氧管，中心氧管内设置点火杆，套筒式结构的最外层至最内层的长度依次递增；在烧嘴的前端，即点火端，烧嘴冷却水外管、烧嘴冷却水内管、外环氧管、气膜氧管、煤浆管、中心氧管的出口端均呈缩口状；烧嘴冷却水外管、烧嘴冷却水内管、外环氧管的出口端齐平，气膜氧管的出口端靠近烧嘴冷却水外管、烧嘴冷却水内管、外环氧管的出口端内侧，煤浆管的出口端靠近气膜氧管的出口端，中心氧管的出口端靠近煤浆管的出口端；靠近中心氧管的出口端设置有用于支撑点火杆前端的点火杆旋流支撑；靠近烧嘴的后端，烧嘴冷却水外管、烧嘴冷却水内管、外环氧管、气膜氧管、煤浆管的侧壁上依次设置有烧嘴冷却水进口、烧嘴冷却水出口、外环氧进口、气膜氧进口、煤浆进口，中心氧管的端部直接开口为中心氧进口。

所述烧嘴冷却水外管、烧嘴冷却水内管、外环氧管、气膜氧管、煤浆管、中心氧管的管内依次为冷却水外通道、冷却水内通道、外环氧通道、气膜氧通道、煤浆通道、中心氧通道，以中心氧通道中心为轴线，点火杆位于中心氧通道轴线上。

所述点火杆前端距中心氧管的出口端距离0~5mm。

进一步的，所述煤浆通道内，根据长度设计有若干个点火杆支撑，点火杆支撑和点火杆旋流支撑均与中心氧管接触配合，起到固定支撑点火杆的作用。

进一步的，所述点火杆旋流支撑的结构为轴向旋流通道，旋流叶片角度为0~70度，其作用是给中心氧一个周向速度分量，促进内混效果。

所述中心氧通道为中心氧与燃料共用通道，中心氧通道（燃料通道）中的介质为燃料，燃料可以为气体燃料，也可以为液体燃料。其操作方法是，在气化炉启动时，外环氧通道中先通入氧气和氮气的混合气体，气膜氧通道和煤浆通道均通入少量氮气，然后气动点火杆点火，并同时向中心氧通道（燃料通道）中通入燃料，点火成功后在外环氧通道中逐渐增加氧气比例，调节燃料量与外环氧比例烘炉，待炉膛温度大于800℃时，将煤浆通道中的氮气切换为设计煤浆投料量的10%~30%的煤浆，并且将气膜氧通道中的氮气切换为设计值的氧气，调整环氧和燃料量比例，待煤浆完全着火，炉膛温度上升后，逐渐减小燃料量，并通入氮气吹扫，然后将燃料切换为氧气，调节中心氧通道（燃料通道）中的中心氧比例，此时点火起炉完成。

在烧嘴的点火端，气膜氧管的出口端到与煤浆管的出口端之间的空间区域为内混腔。气膜氧通过气膜氧通道进入内混腔，煤浆与中心氧混合后形成的混合多项介质，混合多项介质与烧嘴内混腔壁面之间形成一层贴内混腔壁面的气膜，并延续到内混腔下游（以介质流动方向为顺流方向）。该过程中，气膜将内混腔的混合多项流介质与内混腔壁面隔开，避免煤颗粒直接冲刷壁面而引起烧嘴磨蚀。

进一步的，内混腔可以设计成不同结构。

第一，内混腔设计成内混腔气膜环隙结构，指气膜氧管出口端的管壁厚度增加，使得气膜氧管出口处与煤浆管出口端的外管壁之间形成气膜氧环隙；内混腔呈缩口状，气膜氧沿煤浆管外壁流动至内混腔形成的气膜氧环隙出口截面为s1，直径d1；内混腔的最小截面缩口处的截面为s2，直径d2；气膜氧环隙出口截面s1位于内混腔最小截面缩口s2上游，且直径满足d1=（1~4）d2；气膜氧环隙的气膜氧气流与中心氧管轴线之间形成的气流角γ的范围为0＜γ＜90度，煤浆通道收缩方向与中心氧管轴线之间形成的收缩角β范围为0＜β＜90度，外环氧气流与中心氧管轴线之间形成的气流角α范围为0＜α＜90度，同时，γ、β、α满足γ≤β≤α；当取等号是表示从气膜出口气流与外环氧气流流动方向平行。

第二，内混腔设计成烧嘴出口气膜环隙结构，是指气膜氧管出口端的管壁厚度增加，使得气膜氧管出口处与煤浆管出口端的外管壁之间形成气膜氧环隙，内混腔呈直筒状，气膜氧环隙出口截面距烧嘴出口截面的距离应为气膜氧环隙出口截面直径的0~2倍。气膜氧主要形成在烧嘴出口处附近，保护烧嘴最易磨损的部位。环隙气膜氧气流角σ范围为0＜σ＜90度，混合介质从内混腔喷出的收缩角δ范围为0＜δ＜90度，外环氧气流角θ范围为0＜θ＜90度；同时，σ、δ、θ满足δ≤σ≤θ；当取等号是表示从气膜出口气流与外环氧气流流动方向平行。

第三，内混腔设计成内混腔气膜孔结构。气膜氧从气膜氧通道经过多排气膜孔喷入内混腔；气膜孔的排数一般为1~6排，相邻排的气膜孔上下游方向上采用顺排或叉排布置；气膜孔的个数与气膜孔的直径相关，应根据烧嘴的尺寸进行精确计算设计，使气膜能全覆盖下游区域，一般设计中气膜孔的个数取1~99个。

气膜氧可以通过设计单独的气膜氧管道供应，也可以通过外环氧通道分流供应。通过外环氧通道分流供应时，氧气通过外环氧进口进入外环氧通道中，经过分流，分别进入外环氧通道和气膜氧通道。通过这种方式供应气膜氧，不能单独调节气膜氧量，气膜氧量与外环氧量比例通过外环氧通道最小面积和气膜氧通道最小面积分配。

烧嘴外部设计有夹套水冷结构，包括烧嘴冷却水外管与烧嘴冷却水外管。烧嘴冷却水外通道和烧嘴冷却水内通道可以为普通夹套，也可以在冷却水通道中加装螺旋导流肋片，依次提高烧嘴冷却换热效率和冷却可靠度，减少冷却水用量。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明在外环氧与水煤浆通道之间，通过精确的气动计算，设计了气膜氧通道。在入射角度和流量合理的情况下，在水/油/焦煤浆与壁面之间形成有效度高的气膜，气膜将中心氧与水/油/焦煤浆混合后速度较高的混合介质与壁面分隔开，大幅减少水/油/焦煤浆与水/油/焦煤浆通道内壁面的直接接触摩擦，起到保护烧嘴的作用，大幅延长烧嘴使用寿命；解决了目前实际应用的工艺烧嘴寿命短的问题。

（2）本发明设计了多种形式的气膜保护的一体化水/油/焦煤浆工艺烧嘴，通过大量数值模拟仿真以及试验，验证了气膜保护设计的有效性。采用此设计可以延长烧嘴使用寿命，大大降低工程应用中更换烧嘴的费用。

（3）本发明的烧嘴通过工艺调试手段，设计中心氧与燃料共用一个通道，简化了烧嘴结构，易加工；并简化了工艺烧嘴的启动工艺流程。设计了点火杆旋流支撑，降低了内混后水/油/焦煤浆与中心氧混合介质轴向速度，增加了混合介质的轴向速度，使水/油/焦煤浆与中心氧内混更加均匀，提高了烧嘴的雾化性能。

（4）本发明设计的烧嘴冷却水夹套套管夹层中点焊螺旋导流肋片，使冷却水在螺旋通道中流动换热，增大强化换热效果，增大了冷却换热系数，增加了冷却换热效率，提高冷却可靠度，减少冷却水使用量，降低冷却水泵功率。

附图说明

图1为本发明的主体结构示意图。

图2为本发明的气膜氧气膜环隙结构示意图。

图3为本发明的烧嘴出口气膜环隙结构示意图。

图4为本发明的内混腔气膜孔结构示意图。

图5为本发明的外环氧分流气膜氧结构示意图。

图6为现有常用的三通道水煤浆工艺烧嘴头部结构示意图。

其中：1烧嘴冷却水外管、2烧嘴冷却水内管、3外环氧管、4气膜氧管、5煤浆管、6中心氧管、7点火杆、8点火杆旋流支撑、9点火杆支撑、10烧嘴冷却水进口、11烧嘴冷却水出口、12外环氧进口、13煤浆进口、14气膜氧进口、15中心氧进口、16内混腔、21烧嘴冷却水外通道、22烧嘴冷却水内通道、23外环氧通道、24气膜氧通道、25煤浆通道、26中心氧通道、30气膜孔、32气膜氧环隙。

具体实施方式

本发明设计一种带气膜保护的一体化水/油/焦煤浆工艺烧嘴，该一体化烧嘴包含了点火开工烧嘴和工艺烧嘴并集成了电火花点火装置，点火开工烧嘴与工艺烧嘴分开运行。

该工艺烧嘴其主体为套筒式结构，如图1中所示，包括：烧嘴冷却水外管1、烧嘴冷却水内管2、外环氧管3、气膜氧管4、煤浆管5、中心氧管6、点火杆7、点火杆旋流支撑8、点火杆支撑9、内混腔16、烧嘴冷却水进口10、烧嘴冷却水出口11、外环氧进口12、煤浆进口13、气膜氧进口14、中心氧进口15。其中，中心氧管6也作为燃料管。

所述烧嘴冷却水外管1、烧嘴冷却水内管2、外环氧管3、气膜氧管4、煤浆管5、中心氧管6的管内依次为烧嘴冷却水外通道21、烧嘴冷却水内通道22、外环氧通道23、气膜氧通道24、煤浆通道25、中心氧通道26，以中心氧通道26中心为轴线，点火杆7位于中心氧通道26轴线上。其中，中心氧通道26也作为燃料通道。

所述点火杆7由中心氧（燃料）通道插入烧嘴，点火杆7的前端距中心氧管6的出口端距离0~5mm。

所述煤浆通道25内，根据长度设计有若干个点火杆支撑9，点火杆旋流支撑8与中心氧管6接触配合，起到固定支撑点火杆7的作用。

所述点火杆旋流支撑8的结构为轴向旋流通道，旋流叶片角度为0~70度，其作用是给中心氧一个周向速度分量，促进内混效果。

所述内混腔16可以设计成不同结构，具体可以设计成下面三种方式。

第一，如图2所示，内混腔16设计成内混腔气膜环隙结构，指气膜氧管4出口端的管壁厚度增加，使得气膜氧管4的出口处与煤浆管5的出口端的外管壁之间形成气膜氧环隙32；内混腔16呈缩口状，气膜氧沿煤浆管5外壁流动至内混腔16形成的气膜氧环隙32出口截面为s1，直径d1；内混腔16的最小截面缩口处的截面为s2，直径d2；气膜氧环隙32出口截面s1位于内混腔16最小截面缩口s2上游，且直径满足d1=（1~4）d2；气膜氧环隙32的气膜氧气流与中心氧管6轴线之间形成的气流角γ的范围0＜γ＜90度，煤浆通道25收缩方向与中心氧管6轴线之间形成的收缩角β范围为0＜β＜90度，外环氧气流与中心氧管6轴线之间形成的气流角α范围为0＜α＜90度，同时，γ、β、α满足γ≤β≤α；当取等号是表示从气膜出口气流与外环氧气流流动方向平行。一般情况下，γ、β角度小于α度数0°~12°（包含0°），γ度数小于β0°~8°（包含0°），在此范围内，气膜有效度较好，气膜保护性能较优秀。

第二，如图3所示，内混腔16设计成烧嘴出口气膜环隙结构，是指气膜氧管4出口端的管壁厚度增加，使得气膜氧管4的出口处与煤浆管5的出口端的外管壁之间形成气膜氧环隙32，内混腔16呈直筒状，气膜氧环隙32出口截面距烧嘴出口截面的距离应为气膜氧环隙32出口截面直径的0~2倍。气膜氧主要形成在烧嘴出口处附近，保护烧嘴最易磨损的部位。环隙气膜氧气流角σ范围为0＜σ＜90度，混合介质从内混腔16喷出的收缩角δ范围为0＜δ＜90度，外环氧气流角θ范围为0＜θ＜90度；同时，σ、δ、θ满足δ≤σ≤θ；当取等号是表示从气膜出口气流与外环氧气流流动方向平行。一般情况下，σ、δ角度小于θ度数0°~12°（包含0°），且δ度数小于σ0°~5°（包含0°），在此范围内，气膜有效度较好，气膜保护性能较优秀。

第三，如图4所示，内混腔16设计成内混腔气膜孔结构。气膜氧从气膜氧通道24经过多排气膜孔30喷入内混腔16；气膜孔30的排数一般为1~6排，相邻排的气膜孔32上下游方向上采用顺排或叉排布置；气膜孔30的个数与气膜孔的直径相关，应根据烧嘴的尺寸机型精确计算设计，使气膜能全覆盖下游区域，一般设计中气膜孔30的个数取1~99个。

气膜氧可以通过设计单独的气膜氧管4供应，如图1中所示结构；也可以通过外环氧通道分流供应，如图5中所示结构。通过外环氧通道23分流供应时，氧气通过外环氧进口12进入外环氧通道23中，经过分流，分别进入外环氧通道23和气膜氧通道24，氧气流动方向如图5中虚线箭头所示。通过这种方式供应气膜氧，不能单独调节气膜氧量，气膜氧量与外环氧量比例通过外环氧通道23最小面积和气膜氧通道24最小面积分配。

烧嘴外部设计有夹套水冷结构，包括烧嘴冷却水外管1与烧嘴冷却水内管2。烧嘴冷却水外通道21和烧嘴冷却水内通道22可以为普通夹套，也可以在冷却水通道中加装螺旋导流肋片，依次提高烧嘴冷却换热效率和冷却可靠度，减少冷却水用量。

所述中心氧通道（燃料通道）26为中心氧与燃料共用通道，中心氧通道（燃料通道）26中介质为燃料，燃料可以为气体燃料，也可以为液体燃料。其操作方法是，在气化炉启动时，外环氧通道23中先通入氧气和氮气的混合气体，气膜氧通道24和煤浆通道25通入少量氮气，然后气动点火杆7点火，并同时向中心氧通道（燃料通道）26中通入燃料，点火成功后在外环氧通道23中逐渐增加氧气比例，调节燃料量与外环氧比例烘炉，待炉膛温度大于800℃时，将煤浆通道25中的氮气切换为设计煤浆投料量的10%~30%的煤浆，并且将气膜氧通道24中的氮气切换为设计值的氧气，调整环氧和燃料量比例，待煤浆完全着火，炉膛温度上升后，逐渐减小燃料量，并通入氮气吹扫，然后将燃料切换为氧气，调节中心氧通道（燃料通道）26中中心氧比例，此时点火起炉完成。