CN110577846B - 燃烧***及烧嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明属于煤气化燃烧领域，涉及一种燃烧***及烧嘴。所述燃烧***包括依次连接的控制***、烧嘴和气化炉，所述烧嘴包括冷却水夹套和外套管，所述冷却水夹套为环形腔状结构且设于所述外套管的内部；所述冷却水夹套的第一外壁构成烧嘴的中心通道，所述冷却水夹套的第二外壁和所述外套管内壁形成氮气通道。本发明通过将具有特殊结构的对置式烧嘴与气化炉壁的安装角度控制在17°‑20°，将烧嘴送风口的旋流角度控制在1°‑30°，可以有效避免气化炉的偏烧、沟流等问题。

Description

燃烧***及烧嘴
技术领域
本发明属于煤气化燃烧领域，涉及一种燃烧***及烧嘴，更涉及一种向加压高温煤层中强制送风的燃烧***及烧嘴。
背景技术
煤气化是指煤或焦炭、半焦等固体燃料在高温常压或加压条件下与气化剂反应，转化为气体产物和少量残渣的过程。传统的煤气化炉采用耐火砖作为内衬，一方面耐火砖会因为高温气体而被冲刷侵蚀，另一方面耐火砖因有其耐温极限条件而需定期更换。因此，目前煤气化炉基本采用水冷壁内胆结构，以利用水冷壁上的固渣层来以渣抗渣。理论上煤气化炉的操作温度可达1900℃，于是水冷壁式的气化炉成为目前煤气化反应炉的必然选择。但水冷壁式的气化炉在气化炉升温阶段无耐火砖蓄热，因此，要求气化炉的点火预热及正常投运连续运行。
然而，传统气化炉烧嘴采用的是耐火砖高温烧嘴，气化炉底部的燃烧温度高达1400℃-1700℃，耐火砖的使用寿命大大减低。此外，较为常见的传统烧嘴与熔渣接触部分采用耐高温的合金材料，而导热部分采用紫铜制作而成，导热部分设有内部冷却管，将与熔渣接触部分头部热量带走以避免稍微损坏。但现实情况中，冷却管不能进入高温头部，只能通过导热带走烧嘴的热量，以致于几乎每月都需要对烧嘴头部进行堆焊抢修，影响了整个气化装置的正常运行，给企业带来了巨大的经济损失。
此外，由于现有燃烧***的喷嘴分布不合理及送风口布气不均，使气化炉出现偏烧、沟流等问题，进一步导致渣层熔化、煤气质量下降(CO2含量高)、煤气温度高等缺陷。因此，必要时需要停车处理偏烧、沟流问题，给生产企业造成不必要的经济损失。
为此，本领域亟需一种可以满足气化炉苛刻操作工况的稳定的燃烧***及烧嘴。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种燃烧***及烧嘴。
具体的，本发明的燃烧***，包括依次连接的控制***、烧嘴和气化炉，所述烧嘴包括冷却水夹套和外套管，所述冷却水夹套为环形腔状结构且设于所述外套管的内部；所述冷却水夹套的第一外壁构成烧嘴的中心通道，所述冷却水夹套的第二外壁和所述外套管内壁形成氮气通道。
其中，所述中心通道设有至少一个送风口，所述送风口的送风方向与中心通道轴线的垂直方向呈1～30°倾斜。
其中，所述烧嘴与所述气化炉的炉壁夹角为17°-20°。
其中，所述外套管由水冷壁及碳化硅层组成，所述碳化硅层的厚度为10-15mm。
其中，所述冷却水夹套包括进水通道和出水通道，所述进水通道中设有旋流板。
其中，所述烧嘴在所述气化炉中呈对置式排布，所述烧嘴的数量至少为4个。
其中，所述控制***包括氧气预热控制***和水蒸气控制***；所述氧气预热控制***包括依次串联的冷氧供应装置、冷氧切断阀、冷氧调节阀、氧气预热器、第一热氧切断阀和第二热氧切断阀，其中，所述冷氧切断阀和所述冷氧调节阀之间设有冷氧放空阀，所述氧气预热器和所述第一热氧切断阀之间设有热氧放空阀；所述水蒸气控制***包括依次串联的蒸汽供应装置、蒸汽切断阀和蒸汽调节阀，所述蒸汽切断阀和所述蒸汽调节阀之间设有蒸汽放空阀。
另一方面，本发明提供了一种烧嘴，包括冷却水夹套和外套管，所述冷却水夹套为环形腔状结构且设于所述外套管的内部；所述冷却水夹套的第一外壁构成烧嘴的中心通道，所述冷却水夹套的第二外壁和所述外套管内壁形成氮气通道。
其中，所述外套管由水冷壁及碳化硅层组成，所述碳化硅层的厚度为10-15mm。
其中，所述冷却水夹套包括进水通道和出水通道，所述进水通道中设有旋流板。
其中，所述中心通道设有至少一个送风口，所述送风口的送风方向与中心通道轴线的垂直方向呈1～30°倾斜。
本发明的技术方案具有如下的有益效果：
1.本发明的烧嘴通过在中心通道外依次同轴设置冷却水夹套、氮气通道和外套管，构成双层冷却+耐火涂层的夹套式烧嘴，降低了烧嘴温度，避免了烧嘴在高温下软化变形，有效克服了传统烧嘴因导热效果不好而产生的烧嘴头部烧损问题，因此，本发明的烧嘴可在4.0-8.0MPa、1400-1700℃的块煤气化的气化炉中连续稳定运行；
2.本发明通过将对置式烧嘴与气化炉壁的安装角度控制在17°-20°，将烧嘴送风口的旋流角度控制在1°-30°，可以使所述中心通道输出的气体射距最远，空气/富氧/氧气和水蒸汽能最大程度地与所述炉体下部的煤料形成由气液固三相组成的高温射流区，进而避免了气化炉的偏烧、沟流等问题；
3.本发明通过在水冷壁外侧设置碳化硅层，可以使烧嘴免于煤层的膨胀挤压和掉落外力造成的损伤，延长烧嘴的使用寿命；
4.本发明的冷却水夹套直接深入到烧嘴头部，有效且快速地导热使所述烧嘴头部的温度不至于过高，进一步延长了烧嘴的使用寿命；
5.本发明通过在冷却水夹套外侧设置氮气通道，一方面可以使氮气在出口处与所述中心通道的喷出的空气/富氧/纯氧及蒸汽进行预混，使进入煤层的气流更加均匀，另一方面可以借助温度较低的氮气实现对所述烧嘴的二次冷却。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明一个实施例中烧嘴轴向剖面结构示意图；
图2为本发明一个实施例中烧嘴中心通道送风口分布示意图；
图3为送风口气流角度示意图；
图4为本发明燃烧***的结构示意图；
图5为烧嘴在气化炉中形成的高速射流区示意图；
图6为烧嘴***气化炉壁角度示意图；
图7为本发明燃烧***的控制***结构示意图。
附图标记：10为烧嘴、11为冷却水夹套、111为冷却水夹套的第一外壁、112为冷却水夹套的第二外壁、12为外套管、121为水冷壁、122为碳化硅层、13为中心通道、131为预留中心点火通道、132为送风口、14为氮气通道、20为燃烧***、30为控制***、31为氧气预热控制***、311为冷氧供应装置、312为冷氧切断阀、313为冷氧调节阀、314为氧气预热器、315为第一热氧切断阀、316为第二热氧切断阀、317为冷氧放空阀、318为热氧放空阀、32为水蒸气控制***、321为蒸汽供应装置、322为蒸汽切断阀、323为蒸汽调节阀、324为蒸汽放空阀、40为气化炉、401为料层、402为高温射流区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在煤气化生产过程中需要将烧嘴伸入到气化炉底部，由于气化炉底部温度高，压力大，很难找到可以保证烧嘴长时间在此环境中工作的材质，传统的金属导热式设计在此苛刻的环境中极易损坏，给企业造成了巨大的经济损失。为此，本发明公开了一种燃烧***及烧嘴，以实现烧嘴送风的长期连续稳定。
具体的，图4为本发明燃烧***的结构示意图，所述燃烧***20包括依次连接的控制***30、烧嘴10和气化炉40。如图1所示，所述烧嘴10包括冷却水夹套11和外套管12，所述冷却水夹套11为环形腔状结构且设于所述外套管12的内部；所述冷却水夹套11的第一外壁111构成烧嘴的中心通道13，所述冷却水夹套11的第二外壁112和所述外套管12内壁形成氮气通道14。
优选的，所述烧嘴10在所述气化炉40中呈对置式排布，所述烧嘴10的数量至少为4个。
图5为烧嘴10在气化炉40中形成的高速射流区示意图，如图5所示，喷嘴10喷出的高温气流搅动煤料形成高温射流区402，形成良好的物料混合以发生燃烧和气化反应。
其中，烧嘴10的设置数量根据燃烧***烧嘴送风形成高速射流区402的均匀程度确定，其中，烧嘴10数量多，对称设置都有利于送风的混合。其中所述烧嘴10的数量优选为8个，8个烧嘴在炉膛内形成的高速射流区混合程度可以很好的满足生产需求，如果烧嘴的数量超过8个，会增大设备开口难度及工艺成本，造成浪费。
图6为烧嘴10***气化炉壁角度示意图，本发明通过采用对置式的烧嘴10送风，并将对置式烧嘴10的安装角度控制在17°-20°，可以使所述中心通道14输出的气体射距最远，进而使空气/富氧/氧气和水蒸汽能最大程度的与所述炉体40下部的煤料形成高温射流区402。
其中，所述中心通道13的空气/富氧/氧气及水蒸汽流速与所述喷嘴10进入气化炉40内部的角度以及烧嘴10的口径有关。具体的，在相同气速下烧嘴10口径越大，射流的喷射深度越深，射流深度与烧嘴10口径成二次方关系。试验发现，在0～19°随着喷嘴倾角增大，在水平方向上的喷射距离明显增大，在19°时喷射距离最远，继续增大喷射倾角，气流向下喷射的距离增大，但水平方向的距离减小，故优选17°到20°。
在生产进行时，所述气化炉的操作压力为4.0-8.0MPa，所述气化炉的燃烧温度为1400-1700℃。
在煤气化反应中，氧气与物料中的碳发生剧烈反应且放出大量热量，将核心区加热到1400℃-1700℃，这个温度下的气化强度和气化效率都很高，并且这个温度下水蒸汽分解量可达到90％。随着高温气流向上继续与煤中的碳反应，温度有所降低，在产生水煤气的主反应区温度在1100℃左右。
其中，所述燃烧***20送风流速影响高温气流的速率及稳定性。为了使气流在气化炉40截面中间形成射流，将所述中心通道气体的流速设定为40-320m/s，优选为60-100m/s。
图7为本发明燃烧***的控制***30结构示意图，所述控制***30包括氧气预热控制***31和水蒸气控制***32；所述氧气预热控制***31包括依次串联的冷氧供应装置311、冷氧切断阀312、冷氧调节阀313、氧气预热器314、第一热氧切断阀315和第二热氧切断阀316，其中，所述冷氧切断阀312和所述冷氧调节阀313之间设有冷氧放空阀317，所述氧气预热器314和所述第一热氧切断阀315之间设有热氧放空阀318；所述水蒸气控制***32包括依次串联的蒸汽供应装置321、蒸汽切断阀322和蒸汽调节阀323，所述蒸汽切断阀322和所述蒸汽调节阀323之间设有蒸汽放空阀324。
其中，燃烧所需的空气/富氧/氧气通过氧气预热控制***31输送，水蒸汽通过水蒸气控制***32输送，优选的，两股气体在进入烧嘴10前在管道内进行预混。
本发明通过燃烧***20能够向水冷壁式气化炉40连续稳定送风，通过对燃烧***20的各技术参数进行控制，避免了在气化炉40中出现偏烧、沟流等问题。
另一方面，如图1所示，本发明提供了一种带外套管保护的夹套式双层冷却烧嘴，其中，所述外保护套为表面涂覆碳化硅的水冷壁，所述双层冷却分别为：冷却水冷却及氮气冷却。
具体的，图1为本发明一个实施例中烧嘴轴向剖面结构示意图，所述烧嘴10，包括冷却水夹套11和外套管12，所述冷却水夹套11为环形腔状结构且设于所述外套管12的内部；所述冷却水夹套11的第一外壁111构成烧嘴的中心通道13，所述冷却水夹套11的第二外壁112和所述外套管12内壁形成氮气通道14。
其中，所述冷却水夹套11、外套管12通过法兰固定连接。
其中，所述外套管12由水冷壁121及碳化硅层122组成，所述碳化硅层122可以以涂覆或浇筑的方式附着在水冷壁121的外侧。所述碳化硅涂层122具有耐高温、耐磨的优点。在煤块高温高压气化的气化炉中，所述碳化硅涂层122可进一步保护烧嘴不受高温烧损，同时还避免了煤层冲击对烧嘴造成的磨损，因此，本发明的烧嘴10可在4.0-8.0MPa、1400-1700℃的块煤气化的气化炉中连续稳定运行。
其中，所述碳化硅的厚度为10-15mm，优选为13mm。
如图1所示，所述冷却水夹套11包括第一外壁111、第二外壁112及处于第一外壁111和第二外壁112之间的隔板(未编码)，所述第一外壁111和第二外壁112连接或一体成型，二者共同构成环形腔结构的两侧，所述隔板将第一外壁111和第二外壁112之间的空间分为连接的两部分(即环形腔)，形成将冷却水夹套的进水通道和出水通道。
其中，环形腔中流通冷却水，出水通道在环形腔内与进水通道相通。
本发明的环形腔状冷却水夹套12可直接深入到烧嘴10的头部，通过有效且快速地导热使所述烧嘴10头部的温度不至于过高，延长了烧嘴10的使用寿命。
优选的，所述冷却水夹套12头部设有至少一个旋流板(未示出)。所述旋流板使冷却水在冷却水夹套12中形成涡流，增强冷却水的湍流程度，使水的导热系数不小于0.685W/m·K，在烧嘴头部进行均匀降温的同时，避免了冷却水在高温环境下快速蒸发而造成的压力升高。
可选的，所述旋流板可以为球形结构、也可以为直板结构。优选的，所述旋流板采用球形结构，所述球形结构的旋流板可以使所述冷却水夹套中的水流均匀流动，避免因烧嘴头部高温造成的局部损伤。
其中，所述烧嘴的中心通道13用于通入水蒸气和下述一种或多种气体的组合：空气、富氧或氧气。如图6所示，在生产过程中，所述中心通道13喷出的高速气流扰动气化炉40下部的料层401形成由气液固三相组成的高速射流区402。
优选的，如图2-3所示，所述中心通道13至少设有一个(优选为8个)送风口132，所述送风口132的送风方向与中心通道13轴线的垂直方向呈1～30°倾斜。
所述送风口132输出的风穿破煤层，在旋流到达中心形成旋流，旋流面积大于整体面积的30％。此外，本发明可根据送风口132的角度实现主流量的调节，也可根据主流量的不同，设置不同的送风旋流角度。
其中，氮气通过所述氮气通道14通入气化炉40内部。本发明通过在冷却水夹套11外侧设置氮气通道14，一方面可以使氮气在出口处与所述中心通道13的喷出的空气/富氧/纯氧及蒸汽进行预混，使进入煤层的气流更加均匀，另一方面可以借助温度较低的氮气实现对所述烧嘴10的二次冷却。
优选的，如图1所示，所述烧嘴10还包括用于冷却水夹套11的冷却水进口(未编码)、冷却水出口(未编码)，水冷壁121的冷却水盘管(未编码)及氮气进口(未编码)、空气/富氧/纯氧及蒸汽混合气进口(未编码)等结构。所述冷却水进口、冷却水出口、氮气进口、混合气进口的位置及所述冷却水盘管的大小及分布密度等参数可根据实际工况进行确定，本发明在此不做具体限定。
下面，通过实施例的方式对本发明的燃烧***及烧嘴的结构和生产工艺参数进行详细说明。
一种向加压高温煤层中强制送风的烧嘴10及燃烧***20，所述燃烧***20向气化炉40通入块煤燃烧所需要的空气/富氧/纯氧和蒸汽。其中，空气/富氧/纯氧及蒸汽通过对置式设计的烧嘴10送入到气化炉40中，该对置式烧嘴10与气化炉炉壁的安装角度为17°-20°，水蒸汽的气(或转)化率为92％。空气/富氧/纯氧和蒸汽沿烧嘴轴向设计的中心通道13进入到料层401中，中心通道13设置8个送风口132，送风口132的旋流角度为1°-30°，风出烧嘴10，到达料层401。可根据送风流量的不同设计最优的旋流角度。中心通道13送入的空气/富氧/纯氧及蒸汽与煤层发生反应且产生高温气流，此时反应中心温度达到1560℃，该中心温度1560℃和气化炉的压力6.0MPa是烧嘴10的工作环境。
为了延长烧嘴10在该工作环境下的使用寿命，发明人在烧嘴10中心通道13轴向外侧设置了冷却水夹套11，夹套内部环形腔走冷却水，出水通道在环形腔内与进水通道相通。实现对烧嘴头及烧嘴主体的大幅降温，冷却水通道里设置旋流板，以加强冷却水湍流，增高冷却水的传热系数，一方面形成均布的冷却水流，避免局部高温，另一方面旋流在高温区形成高温均速流场，对烧嘴10进行均匀降温，同时避免冷却水的快速蒸发而造成的压力升高。
在冷却水夹套11外侧设置了氮气通道14，氮气通道14通入气化炉40内部，一方面在出口处就与中心通道13的空气/富氧/纯氧及蒸汽进行预混，使进入料层401的气流更加的均匀，另一方面氮气通道14在冷却水外侧实现了烧嘴10的二次冷却。
在氮气通道14外侧，也就是烧嘴10的最外层还有一层13mm的碳化硅层122，该碳化硅层122一方面耐高温，一方面耐磨，在煤块高温高压气化的气化炉40中可保护进一步保护烧嘴10不受高温烧损，同时碳化硅层122在遇到煤层冲击避免了磨损，保证了燃烧***20和烧嘴10在高强度高温连续稳定运行。
本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种燃烧***，包括依次连接的控制***、烧嘴和气化炉，其特征在于，所述烧嘴包括冷却水夹套和外套管，所述冷却水夹套为环形腔状结构且设于所述外套管的内部；所述冷却水夹套的第一外壁构成烧嘴的中心通道，所述冷却水夹套的第二外壁和所述外套管内壁形成氮气通道;
其中，所述中心通道设有至少一个送风口，所述送风口的送风方向与中心通道轴线的垂直方向呈1~30°倾斜。
2.根据权利要求1所述的燃烧***，其特征在于，所述烧嘴与所述气化炉的炉壁夹角为17°-20°。
3.根据权利要求1所述的燃烧***，其特征在于，所述外套管由水冷壁及碳化硅层组成，所述碳化硅层的厚度为10-15mm。
4.根据权利要求1所述的燃烧***，其特征在于，所述冷却水夹套包括进水通道和出水通道，所述进水通道中设有旋流板。
5.根据权利要求1所述的燃烧***，其特征在于，所述烧嘴在所述气化炉中呈对置式排布，所述烧嘴的数量至少为4个。
6.根据权利要求1所述的燃烧***，其特征在于，所述控制***包括氧气预热控制***和水蒸气控制***；
所述氧气预热控制***包括依次串联的冷氧供应装置、冷氧切断阀、冷氧调节阀、氧气预热器、第一热氧切断阀和第二热氧切断阀，其中，所述冷氧切断阀和所述冷氧调节阀之间设有冷氧放空阀，所述氧气预热器和所述第一热氧切断阀之间设有热氧放空阀；
所述水蒸气控制***包括依次串联的蒸汽供应装置、蒸汽切断阀和蒸汽调节阀，所述蒸汽切断阀和所述蒸汽调节阀之间设有蒸汽放空阀。
7.一种烧嘴，其特征在于，包括冷却水夹套和外套管，所述冷却水夹套为环形腔状结构且设于所述外套管的内部；所述冷却水夹套的第一外壁构成烧嘴的中心通道，所述冷却水夹套的第二外壁和所述外套管内壁形成氮气通道，其中，所述中心通道设有至少一个送风口，所述送风口的送风方向与中心通道轴线的垂直方向呈1~30°倾斜。
8.根据权利要求7所述的烧嘴，其特征在于，所述外套管由水冷壁及碳化硅层组成，所述碳化硅层的厚度为10-15mm。
9.根据权利要求7所述的烧嘴，其特征在于，所述冷却水夹套包括进水通道和出水通道，所述进水通道中设有旋流板。
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