CN105985808A - 一种气化烧嘴和气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气化烧嘴和气化炉，该气化烧嘴包括烧嘴座(1)以及从外侧垂直地穿入烧嘴座内的中心喷管(2)和多根斜向喷管(3)，喷管导入的中心流与斜向流能够在烧嘴座内侧的交汇点(P)处对撞并燃烧气化，烧嘴座的内侧还形成有环绕交汇点设置以抑制斜向流冲击的周向防护层。所述中心喷管还可包括套设的外喷管(21)和内喷管(22)，内喷管的内端喷头回缩以使得内缩空间形成为预混区(C)；在预混区内，一次气化剂射流和燃料流混合成中心混合流，该中心混合流与由斜向喷管(3)导入的二次气化剂射流汇集于交汇点处。此气化烧嘴的结构相对简单，具备更优的混合效果，尤其是减少了对气化炉炉壁的损伤，提高了气化炉的使用寿命。

Description

一种气化烧嘴和气化炉

技术领域

本发明属于煤气化领域，具体地，涉及一种气化炉及其气化烧嘴。

背景技术

煤的清洁高效利用是目前煤炭科学研究最重要的课题，煤气化是煤清洁高效利用的最重要途径，也是一切煤化工项目的源头。其中，气化烧嘴是整个气化炉的关键设备之一，气化烧嘴技术的发展直接决定了气化技术的运行稳定性和可靠性。

图1和图2展示了现有技术中常见的两种气化烧嘴结构。图1为CN 102583243 A中所示的同轴式射流气化喷嘴，包括内烧嘴、中烧嘴和外烧嘴，并且在烧嘴的部分壁面上设有涂层以提高使用寿命。但这种传统的同轴式射流气化喷嘴在使用时，“火焰”的喷射距离较长，使得气化炉内的耐火砖使用寿命较短。而且，这种喷嘴中的气化剂与燃料的混合效果一般，燃料与气化剂在气化炉内会形成较大的涡流返混，以增加燃料的停留时间，这使得所需的气化炉的反应器体积较大。

图2为审定号为CN1015822的专利中所示的一种气化喷嘴，其中的气化剂射流和燃料流之间存在一定的夹角，但是二者的撞击点(即燃烧区)在烧嘴的前端，也称烧嘴面。此类气化喷嘴的缺点是因气化工艺中高热通量和潜在的腐蚀性环境极易在在烧嘴面造成损坏。为克服此缺陷，烧嘴结构就需要设计的较为复杂，甚至还需要在烧嘴前端外表面增设耐火衬或设置带内冷通道的空心壁件，使冷却流体在内冷通道中高速循环。

现有研究已表明，当气化温度达到1400℃以上时，气化的总体反应速度是基本不受温度影响的，主要控制因素为气固之间的传质速率。因此，如何强化气固之间的传质是解决气化效率低的关键途径，从而也能降低停留时间，减少设备体积，降低设备投资等。对气流床气化炉而言，强化传质传热的关键是让固体颗粒均匀分散并快速混合到气相介质中，同时尽量减少返混。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种气化烧嘴及具有该气化烧嘴的气化炉，该气化烧嘴结构相对简单，具备更优的混合效果，尤其是大大减少了对气化炉炉壁的损伤，提高气化炉的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种气化烧嘴，该气化烧嘴包括烧嘴座、中心喷管和多根斜向喷管，中心喷管从烧嘴座的外侧垂直地穿入该烧嘴座内，多根斜向喷管围绕中心喷管对称布置并从外侧倾斜地穿入烧嘴座内，由中心喷管导入的中心流与由斜向喷管导入的斜向流能够在烧嘴座内侧的交汇点处对撞并燃烧气化，烧嘴座的内侧还形成有环绕交汇点设置以抑制斜向流冲击的周向防护层。

优选地，周向防护层为内设耐热材料的筒状防护罩，该防护罩的顶端连接于烧嘴座的内侧壁，防护罩的内环壁上嵌有沿该内环壁连续布置的冷却液盘管，该冷却液盘管外覆盖有冷却液管防护层。

更优选地，在防护罩内，由内环壁围绕的内腔室包括顶端呈扩口状的上部圆锥台内腔室和底端呈扩口状的下部圆锥台内腔室，中心喷管和多根斜向喷管均连通至上部圆锥台内腔室，交汇点位于下部圆锥台内腔室内。

更优选地，烧嘴座内设有环绕中心喷管的第一冷却腔室和环绕多根斜向喷管的第二冷却腔室，该第二冷却腔室与冷却液盘管连通。

优选地，烧嘴座的内侧壁设置惰性气体喷管，以喷射出作为周向防护层的惰性气体防护层。

更优选地，所述惰性气体喷管周向设置在靠近气化炉炉壁与烧嘴座的所述内侧的交汇处，以便更好地防止高速的斜向流对气化炉炉壁的冲击与腐蚀。

同样更优选地，惰性气体防护层为CO₂气体防护层。

可选择地，由中心喷管导入的中心流为燃料流，由斜向喷管导入的斜向流为气化剂射流。

优选地，中心喷管包括套设的外喷管和内喷管，外喷管的外端和内喷管的外端中的一者通入燃料，另一者通入气化剂形成一次气化剂射流，外喷管和内喷管的穿入烧嘴座的内端均设有喷头；内喷管的内端喷头相对于烧嘴座的内侧壁回缩至该烧嘴座内，使得内端喷头与内侧壁之间的内缩空间形成为预混区；

其中，由斜向喷管导入的斜向流为二次气化剂射流，在预混区内，由外喷管或内喷管导入的一次气化剂射流和燃料流混合成中心混合流，该中心混合流与二次气化剂射流汇集于交汇点处。

可选择地，外喷管的外端设有切向入口，通过该切向入口进入的流体能够在外喷管与内喷管之间形成旋流。

可选择地，内喷管的外壁面上设有沿轴向呈螺旋状延伸的导向叶片，以引导由外喷管进入的流体能够在外喷管与内喷管之间形成旋流。

可选择地，内喷管的内端的外壁面上设有沿周向布置的多个螺旋桨叶，由外喷管进入的流体经由相邻的任意两个螺旋桨叶之间的间隙通道以旋流形式进入预混区。

在上述基础上，本发明还提供了一种气化炉，该气化炉的炉壁上和/或顶部设有根据本发明上述的气化烧嘴。

优选地，气化炉的顶部可间隔布置有多个上述气化烧嘴。

根据上述技术方案，在本发明的气化烧嘴中，不同于传统的同轴式射流气化喷嘴，采用了围绕中心喷管设置的多根斜向喷管，两类喷管中喷出的中心流与斜向流在烧嘴座的内侧发生对撞并燃烧气化，从而避免了对烧嘴面或烧嘴本身造成损坏，对撞燃烧还能有效增强燃料颗粒的均匀分散效果以及与气化剂的快速混合，对撞后速率降低，也减小了返混以及燃烧火焰的长度，从而减小所需的气化炉体积，此外还特别设置了周向防护层以防止高速的斜向流对气化炉炉壁的冲击与腐蚀。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1和图2为现有技术中的两种气化烧嘴的结构示意图；

图3为根据本发明的优选实施方式的气化烧嘴及其在气化炉上的安装结构的示意图；

图4与图3类似，局部具体地显示了气化烧嘴的内部结构，尤其是展示了作为周向防护层的一种优选实施方式的筒状防护罩的具体结构以及冷却结构；

图5为具有切向入口的外喷管的俯视图；

图6为具有导向叶片的内喷管的立体视图；

图7为喷嘴端设有沿周向布置的螺旋桨叶的内喷管的截面图；

图8为根据本发明的气化烧嘴在气化炉炉壁上的安装结构示意图，立体地展示了四个斜向喷管围绕中心喷管均匀布置；

图9为根据本发明的七个气化烧嘴在气化炉炉壁上的安装结构示意图，其中还展示了形成惰性气体的周向防护层的气管布置。

附图标记说明

1 烧嘴座 2 中心喷管

3 斜向喷管 4 防护罩

5 气化炉 6 连接法兰

11 第一冷却腔室 12 第二冷却腔室

13 内侧壁 21 外喷管

22 内喷管 23 切向入口

24 导向叶片 25 螺旋桨叶

41 耐热材料 42 冷却液盘管

43 冷却液管防护层 P 交汇点

A 上部圆锥台内腔室 B 下部圆锥台内腔室

C 预混区 D 间隙通道

α 上部锥角 β 下部锥角

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的，或者是相关结构设备在正常使用状态下的各部件相互位置关系描述用词；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

如图3和图4所示，本发明公开了一种气化烧嘴，该气化烧嘴包括烧嘴座1、中心喷管2和多根斜向喷管3，中心喷管2从烧嘴座1的外侧垂直地穿入该烧嘴座1内，多根斜向喷管3围绕中心喷管2对称布置并从外侧倾斜地穿入烧嘴座1内。由中心喷管2导入的中心流与由斜向喷管3导入的斜向流能够在烧嘴座1内侧的交汇点P处对撞并燃烧气化，烧嘴座1的内侧还形成有环绕交汇点P设置的周向防护层，以主要抑制斜向流，包括燃烧后气体对气化炉5的炉壁的冲击。

其中，为提高气化效率，强化传质传热，在现有的燃料与气化剂(例如氧气)同轴式输送的基础上，改进为分别以中心流和斜向流的形式通过中心喷管2和斜向喷管3中喷出，进而在烧嘴座1的内侧的交汇点P处发生对撞并燃烧气化，两股射流的对撞可使得固体颗粒燃料更均匀地分散并快速混合到气相介质中，燃料与气化剂之间相较于同轴射流结构具有更好的混合效果。而且交汇点P在烧嘴座1的内侧一定距离上，可减少返混，还避免了对烧嘴本身造成高温损坏。对撞后速率相对降低，也减小了燃烧火焰的长度，从而减小所需的气化炉体积。

但是，由于斜向喷管3喷出的斜向流一般具有较高速度，即使在对撞燃烧后有一定减速，但仍然具有相当速度，可对气化炉5的炉壁造成一定的冲击损坏，尤其是长期作用下，维护成本也较高，或者需要增大气化炉的炉膛体积以避开冲击。在本发明中，为此还特别设置了围绕交汇点P的周向防护层，以防止高速的斜向流冲击气化炉炉壁。

如图3和图4所示，作为周向防护层的一种优选实施方式，设计为内置耐热材料41的筒状防护罩4，该防护罩4的顶端连接于烧嘴座1的内侧壁13，防护罩4的内环壁上嵌有沿该内环壁连续布置的冷却液盘管42，该冷却液盘管42可通过销钉等固定连接于外部覆盖的冷却液管防护层43(如SiC浇注料等)上。其中，筒状防护罩4与烧嘴座1连为一体，防护罩4内形成高温燃料燃烧气化通道，高温燃烧气体作用在防护罩4的内环壁上，也就是冷却液管防护层43上，通过冷却液盘管42对冷却液管防护层43持续降温。高温燃烧气体作用于内环壁后，速度和温度大大减小，从而有效地避免斜向流和高温燃烧气体对气化炉炉壁的冲蚀。

具体地，在防护罩4内，由内环壁围绕的内腔室(即高温燃料燃烧气化通道)包括顶端呈扩口状的上部圆锥台内腔室A和底端呈扩口状的下部圆锥台内腔室B，中心喷管2和多根斜向喷管3均连通至上部圆锥台内腔室A，交汇点P则优选地位于下部圆锥台内腔室B内。这样，斜向流和中心流穿过上部圆锥台内腔室A汇集到交汇点P处。上部圆锥台内腔室A的顶端扩口便于容纳中心流和两股斜向流，上部圆锥台内腔室A的底端渐缩口有利于中心流与斜向流的混合。在交汇点P处，碰撞燃烧后的高温气体经由下部圆锥台内腔室B的底端扩口向外扩散，下部圆锥台内腔室B的内壁面对扩散的高温气体以及部分斜向流具有阻挡冲击作用。其中，斜向喷管3相对于中心喷管2的倾斜角度、上部圆锥台内腔室A的上部锥角α和下部圆锥台内腔室B的下部锥角β均可根据工艺需要进行设计或现场调试，可以为90°～160°。当然，此处的防护罩4的结构仅作列举，例如若有具体需要，交汇点P也可设置在上部圆锥台内腔室A内。

在交汇点P处的碰撞燃烧势必产生很大的热量，对防护罩4的内环壁形成炙烤，也同样对附近的烧嘴座1、中心喷管2和斜向喷管3带来高温影响，因而有必要进行快速和有效地冷却，并保持烧嘴座1的操作温度。为此，图3和图4所示的烧嘴座1内设有环绕中心喷管2的第一冷却腔室11和环绕多根斜向喷管3的第二冷却腔室12，该第二冷却腔室12优选地与相邻的冷却液盘管42连通。第一冷却腔室11和第二冷却腔室12上分别连有独立的进水口和出水口。当然，第一冷却腔室11和第二冷却腔室12既可相互分隔，可作为独立的冷却腔室，也可相互连通，根据具体需要设计。

作为周向防护层的另一种实施方式，周向防护层也不必要求必须是实物罩体，其可以是气体防护层。例如，烧嘴座1的内侧壁13可连接有惰性气体喷管，以喷射出作为周向防护层的惰性气体防护层。如图9所示，当气化烧嘴设置在气化炉的炉顶时，形成气体防护罩4的惰性气体喷管可沿气化炉的周向布置，形成周向的环向气流，以保护气化炉的周向内炉壁。优选地，惰性气体防护层为CO₂气体防护层。所述惰性气体喷管周向设置在靠近气化炉炉壁与烧嘴座的所述内侧的交汇处，以便更好地防止高速的斜向流对气化炉炉壁的冲击与腐蚀。即惰性气体喷管喷出CO₂，CO₂能够与炉壁附着的未燃尽碳颗粒反应生成CO，同时吸收热量，对气化炉的炉壁降温，进一步保护炉壁。

可选择的，由中心喷管2导入的中心流可以是气化剂射流，则由斜向喷管3导入的斜向流为燃料流。但在图3和图4所示的实施方式中，由斜向喷管3导入的斜向流为气化剂射流。

在此基础上，在中心喷管2喷入的燃料流首先与一次气化剂射流初步混合，再与二次气化剂射流对撞混合，以达到更好的均匀混合效果。具体地，中心喷管2可包括同轴套设的外喷管21和内喷管22，外喷管21的外端和内喷管22的外端中的一者通入燃料，另一者通入一次气化剂射流，外喷管21和内喷管22的外端通过连接法兰6固接并对外封闭外喷管21与内喷管22之间的环形空间，外喷管21和内喷管22的穿入烧嘴座1的内端均设有喷头。喷头可单独存在，并与导管相连以组成外喷管21或内喷管22。也可如图3和图4所示，导管的内端部分设计为横截面渐缩的收口形状，以形成喷头，图中的喷头的收口锥角为50°左右。收口锥角视具体情况而定，可以为10°～60°。此外，内喷管22的内端喷头相对于烧嘴座1的内侧壁13向该烧嘴座1内回缩一定距离，使得内端喷头与内侧壁13之间的内缩空间形成为预混区C。

这样，由外喷管21和内喷管22导入的一次气化剂射流和燃料流均可在喷头处加速喷出，进而在预混区C内预混后成为中心混合流后排出烧嘴。此时由斜向喷管3导入的斜向流为二次气化剂射流，该中心混合流与二次气化剂射流汇集于交汇点P处再次混合。这样，通过预混合可使得混合更均匀，燃烧更充分，通过两级混合方式达到最优的混合效果。

特别的，如图5所示，外喷管21的外端可设有偏离中心的切向入口23，通过该切向入口23进入的流体(例如氧气流)能够在外喷管21与内喷管22之间的环形空间内形成旋流。同样地，也可在内喷管22的外端设置类似的切向入口，通过该切向入口进入的流体(例如燃料流)形成为旋流。以旋流形式从喷口喷出的流体能够在预混区C内进一步增加混合效果。

同理，如图6所示，在内喷管22的外壁面上也可设有沿轴向呈螺旋状延伸的导向叶片24，以引导由外喷管21进入的流体能够在外喷管21与内喷管22之间形成旋流。参见图7，内喷管22的内端喷头的外壁面上也可设置沿周向布置的多个螺旋桨叶25，由外喷管21进入的流体通过相邻的两个螺旋桨叶25之间的间隙通道D以旋流形式进入预混区C。通过以上三种形式的旋流器的设计，可增加流体的切向速度，增强射流的混合效果，缩短火焰的长度。

参见图8和图9，斜向喷管3可在烧嘴座1上环绕中心喷管2对称布置，数量可以是4个、6个等偶数个，斜向喷管3相对于中心喷管2的倾斜角度视具体安装情况而定，通常为10°～60°左右。斜向喷管3优选为环向一周。此时，各个斜向喷管3的外端可相互连通并由一个或多个进口通入气化剂流体。中心喷管2、斜向喷管3的大小可根据工艺需要和气化炉5的大小和处理能力确定。以1500吨/天的处理量的气化炉为例，其中的中心喷管2或斜向喷管3的管径大小一般介于100mm～200mm之间即可满足要求。

在上述的气化烧嘴的基础上，本发明还提供了相应的气化炉，该气化炉的炉壁上和/或顶部设有根据本发明的气化烧嘴。本实施方式中，气化烧嘴设置在气化炉5的顶部，防止气化炉5的周向内壁收到冲蚀。

根据本发明的气化烧嘴的结构特性，气化炉上可布置不止一个气化烧嘴。如图9所示，气化炉5的顶部根据工艺需要可间隔布置多个气化烧嘴，例如图中所示的7个，同时在靠近气化炉炉壁与烧嘴座的所述内侧的交汇处周向布置惰性气体喷管，从而形成气体防护罩4作为周向防护层。多个气化烧嘴的集成布置，有利于减低单个喷嘴负荷，增加设备可靠性和在线率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型和改进，例如防护罩4可以简单地由耐火砖等组成，但是这些简单变型和改进均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种气化烧嘴，其特征在于，该气化烧嘴包括烧嘴座(1)、中心喷管(2)和多根斜向喷管(3)，所述中心喷管(2)从所述烧嘴座(1)的外侧垂直地穿入该烧嘴座(1)内，多根所述斜向喷管(3)围绕所述中心喷管(2)对称布置并从所述外侧倾斜地穿入所述烧嘴座(1)内，由所述中心喷管(2)导入的中心流与由所述斜向喷管(3)导入的斜向流能够在所述烧嘴座(1)内侧的交汇点(P)处对撞并燃烧气化，所述烧嘴座(1)的所述内侧还形成有环绕所述交汇点(P)设置以抑制所述斜向流冲击的周向防护层。

2.根据权利要求1所述的气化烧嘴，其特征在于，所述周向防护层为内设耐热材料(41)的筒状防护罩(4)，该防护罩(4)的顶端连接于所述烧嘴座(1)的内侧壁(13)，所述防护罩(4)的内环壁上嵌有沿该内环壁连续布置的冷却液盘管(42)，该冷却液盘管(42)外覆盖有冷却液管防护层(43)。

3.根据权利要求2所述的气化烧嘴，其特征在于，在所述防护罩(4)内，由所述内环壁围绕的内腔室包括顶端呈扩口状的上部圆锥台内腔室(A)和底端呈扩口状的下部圆锥台内腔室(B)，所述中心喷管(2)和多根斜向喷管(3)均连通至所述上部圆锥台内腔室(A)，所述交汇点(P)位于所述下部圆锥台内腔室(B)内。

4.根据权利要求2所述的气化烧嘴，其特征在于，所述烧嘴座(1)内设有环绕所述中心喷管(2)的第一冷却腔室(11)和环绕多根所述斜向喷管(3)的第二冷却腔室(12)，该第二冷却腔室(12)与所述冷却液盘管(42)连通。

5.根据权利要求1所述的气化烧嘴，其特征在于，所述烧嘴座(1)的内侧壁(13)设置惰性气体喷管，以喷射出作为所述周向防护层的惰性气体防护层。

6.根据权利要求5所述的气化烧嘴，其特征在于，所述惰性气体防护层为CO₂气体防护层。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的气化烧嘴，其特征在于，由所述中心喷管(2)导入的所述中心流为燃料流，由所述斜向喷管(3)导入的所述斜向流为气化剂射流。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的气化烧嘴，其特征在于，所述中心喷管(2)包括套设的外喷管(21)和内喷管(22)，所述外喷管(21)的外端和内喷管(22)的外端中的一者通入燃料，另一者通入气化剂形成一次气化剂射流，所述外喷管(21)和内喷管(22)的穿入所述烧嘴座(1)的内端均设有喷头；所述内喷管(22)的内端喷头相对于所述烧嘴座(1)的内侧壁(13)回缩至该烧嘴座(1)内，使得所述内端喷头与所述内侧壁(13)之间的内缩空间形成为预混区(C)；

其中，由所述斜向喷管(3)导入的所述斜向流为二次气化剂射流，在所述预混区(C)内，由所述外喷管(21)或内喷管(22)导入的一次气化剂射流和燃料流混合成中心混合流，该中心混合流与所述二次气化剂射流汇集于所述交汇点(P)处。

9.根据权利要求8所述的气化烧嘴，其特征在于，所述外喷管(21)的外端设有切向入口(23)，通过该切向入口(23)进入的流体能够在所述外喷管(21)与内喷管(22)之间形成旋流。

10.根据权利要求8所述的气化烧嘴，其特征在于，所述内喷管(22)的外壁面上设有沿轴向呈螺旋状延伸的导向叶片(24)，以引导由所述外喷管(21)进入的流体能够在所述外喷管(21)与内喷管(22)之间形成旋流。

11.根据权利要求8所述的气化烧嘴，其特征在于，所述内喷管(22)的内端的外壁面上设有沿周向布置的多个螺旋桨叶(25)，由所述外喷管(21)进入的流体经由相邻的任意两个所述螺旋桨叶(25)之间的间隙通道(D)以旋流形式进入所述预混区(C)。

12.一种气化炉，其特征在于，该气化炉的炉壁上和/或顶部设有根据权利要求1-11中任意一项所述的气化烧嘴。

13.根据权利要求12所述的气化炉，其特征在于，所述气化炉的顶部间隔布置有多个所述气化烧嘴。