CN1318800C - 气液混合相气化喷嘴及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要涉及非催化氧化法气化炉用气液混合相气化喷嘴的结构及使用方法。一种气液混合相气化喷嘴，带有法兰盘的气化介质进口管或液化介质进口管与各进口管或液化介质进口管对应的多流道喷管相固连，喷头与喷管固连或为一体，所述喷头与喷管为等壁厚固连，其过渡为平滑过渡；喷头内、外壁为锥形，其壁厚以直线均匀减薄，呈梯形；喷头端部的喷口壁厚为1～5mm，其主要特点是所述的气液混合相气化喷嘴的喷头、在喷嘴端部的外壁上设有的水冷盘管采用耐高温合金材料。本发明气化喷嘴与气化炉拱顶及炉口结构的合理布置获得了最佳的流场及温度场匹配而达到最好的气化效果，保证有效气体成分大于95.5%，最高可达96.3%。延长了气化喷嘴的操作寿命，解决由于气化喷嘴的损坏引起气化炉炉口砖损坏而导致的炉口砖使用寿命短，频繁停车问题，提高装置的经济效益。
Description
技术领域：
本发明主要涉及非催化氧化法气化炉用气液混合相气化喷嘴的结构及使用方法。
背景技术：
由于国际油价飙升以及作为合成氨原料的石油炼制品深加工技术发展引起的供应短缺，作为以轻油、重油、渣油为原料的大型合成氨装置面临着原料来源紧张、原料价格上涨、企业经济效益下滑、原料成分日益偏离设计成分的困境，从而带来装置操作的波动、能耗加大、操作费用增高，使企业生存、发展面临严峻的形势；另一方面，随着国内大量天然气资源的开发，在能够利用天然气实施原料路线改造的国内石化行业的大中型合成氨厂已经完成或正在进行装置的“油改气”；而对一些综合性大型企业，石油炼制副产品如炼厂干气，石油沥青等如何充分合理利用，依托现有资源进行原料技术线路的改造，提高装置的经济效益已成为亟待解决的问题。那么关键的问题就是作为合成氨装置核心设备的气化炉及其气化喷嘴，过去均为国外公司的专利技术且整机进口。在生产操作运行中，由于气化炉工作环境较为恶劣，处于火焰中，气化喷嘴的端部极易发生烧损现象，维修喷嘴需经专利商发送到国外，耗费大量的财力和时间。由于气化喷嘴进口价格较高，不可能多备备件，频繁的喷嘴烧损及停炉更换严重影响了装置的效益及安全运行。
壳牌(Shell)及德士古(Texaco)各自开发并投入工业化的非催化部分氧化法制合成气的渣油和天然气气化炉及其气化喷嘴被广泛应用于以渣油、轻油、天然气为原料生产合成氨的装置中。Shell公司的天然气气化喷嘴的工业化应用仅在3.5Mpa的气化压力下。在气化压力为6.0Mpa下未建有工业化装置。Texaco公司的天然气气化喷嘴的工业化应用在8.53Mpa的气化压力下，在气化压力为6.0Mpa下未建有工业化装置。
申请号为97235458.1，名称为“五通道负荷可控式水煤浆气化喷嘴”的实用新型专利，公开了一种新的喷嘴结构，为了使喷嘴部分耐烧损，加厚了喷嘴的壁厚，使流道的内腔有凸台，气化物质在喷口处受到阻碍，不利于气化物质的气化。
发明内容：
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种气液混合相气化喷嘴及使用方法。所采取的措施是除了改善喷嘴的结构外，采用合理的气化介质，氧气物料流道设置及各流道物料不同的质量流速与混合方式，最大程度地消除由于高温热区距离短导致的气化炉拱顶热流密度大，对拱顶辐射强的影响，从而有效地降低气化炉拱顶外壁的温度，使气化喷嘴与气化炉内形成最佳的流场及温度场匹配，从而保证气化效率(有效气产率)；采用水冷盘管型喷嘴冷却方式及采用耐高温合金材料及薄壁流道端部结构，延长气化喷嘴的操作寿命，满足气化炉长周期稳定操作的要求。
本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：一种气液混合相气化喷嘴，带有法兰盘的气化介质进口管(1)或液化介质进口管(11)与各进口管(1)或液化介质进口管(11)对应的多流道喷管(2)相固连，喷头(3)与喷管(2)固连或为一体，所述喷头(3)与喷管(2)为等壁厚固连，其过渡为平滑过渡；喷头内、外壁为锥形，其壁厚以直线均匀减薄，呈梯形；喷头(3)端部的喷口壁厚为1～5mm，其主要特点是所述的气液混合相气化喷嘴的喷头(3)、在喷嘴端部的外壁上设有的水冷盘管(4)采用耐高温合金材料。
采用的耐高温合金材料为INCONEL 600、HAYNES合金、UMCo-50、HASTELLOY、C-276或Stellite 6材料。
三流道气液混合相气化喷嘴所述的喷头(3)端部的流道内壁与中心线的夹角为αx，第1流道(21)夹角α0为0°～5°，第2流道(22)夹角α1为10°～18°，第3流道(23)夹角α2为15°～25°。五流道气液混合相气化喷嘴所述的喷头(3)端部的流道内壁与中心线的夹角为αx，还包括有第1流道(21)夹角α0为0°～2°，第2流道(22)夹角α1为1°～5°，第3流道(23)夹角α2为5°～8°，第4流道(24)夹角α3为15°～18°，第5流道(25)夹角α4为20°～25°。
三流道气液混合相气化喷嘴喷头端部流道外壁与喷头(3)端面的夹角为βx，第1流道(21)夹角β0为90°～85°，第2流道(22)夹角β1为85°～70°，第3流道(23)夹角β2为80°～65°。五流道气液混合相气化喷嘴喷头端部流道外壁与喷头(3)端面的夹角为βx，第1流道(21)夹角β0为90°～85°，第2流道(22)夹角β1为85°～80°，第3流道(23)夹角β2为80°～75°，第4流道(24)夹角β3为75°～70°，第5流道(25)夹角β4为60°～40°。
所述的气液混合相气化喷嘴三流道各喷管介质进口环形面积与介质喷出口的环形面积比为第1流道(21)为10.6～9.2∶1，第2流道(22)为6.7～4.3∶1，第3流道(23)为4.9～2.5∶1。
所述的气液混合相气化喷嘴五流道各喷管介质进口环形面积与介质喷出口的环形面积比还包括有第1流道(21)为3.9～1.5∶1，第2流道(22)为8.2～5.8∶1，第3流道(23)为13～10.6∶1，第4流道(24)为9.8～7.4∶1，第5流道(25)为13.2～10.8∶1。
本发明喷嘴的第一流道(21)的喷管由支撑环(5)与相邻喷管壁固连或为盲孔与相邻喷管壁固连的气流导向块(6)固连；气流导向块(6)上设有的通气孔(7)可连通不相邻的流道。
所述的气液混合相气化喷嘴在喷嘴端部的外壁上设有水冷盘管(4)，水冷盘管(4)为2～5层，每层设为2～10圈，设有2～5个进水和出水口。本发明通过采用水冷盘管型喷嘴冷却方式及采用耐高温合金材料及薄壁流道端部结构，保证了气化喷嘴的高温强度，且有效降低了流道端部的局部回流过氧烧蚀，大大延长了气化喷嘴的操作寿命，气化炉满足了长周期稳定操作的要求。
本发明多流道喷管为二流道～六流道喷管。
本发明所述的气液混合相气化喷嘴的使用方法是三流道第1流道(21)的介质为气相气化介质，第2流道(22)的介质为氧气，第3流道(23)的介质为液相气化介质。四流道气液混合相气化喷嘴第1流道(21)的介质为气相气化介质，第2流道(22)的介质为氧气，第3流道(23)的介质为液相气化介质，第4流道(24)的介质为氧气(少量)。在三流道或四流道气液混合相气化喷嘴最外流道的介质为保护蒸汽，成为四流道或五流道气液混合相气化喷嘴。
本发明的有益效果是，气化炉内的高温热区距离短且火焰变短，几乎没有黑区而引起气化炉拱顶热流密度加大，对拱顶辐射加大，气化炉拱顶金属外壁温度不但没有升高，反而下降10～15℃，保证了气化炉的正常操作。气化喷嘴与气化炉拱顶及炉口结构的合理布置获得了最佳的流场及温度场匹配而达到最好的气化效果，保证有效气体成分大于95.5％，最高可达96.3％。延长了气化喷嘴的操作寿命，解决由于气化喷嘴的损坏引起气化炉炉口砖损坏而导致的炉口砖使用寿命短，频繁停车问题，满足气化装置的长周期，满负荷运行要求，提高装置的经济效益。
附图说明：
图1为本发明实施例1三流道的主视图；
图2为本发明实施例1三流道喷嘴端部放大图；
图3为本发明实施例2五流道的主视图；
图4为本发明实施例2五流道喷嘴端部放大图。
具体实施方式：
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：
下面通过实施例对本发明进一步详细描述，但本发明并不局限于实施例：
见图1、图2，本发明实施例1气液混合相三流道气化喷嘴，带有法兰盘的气化介质进口管1或液化介质进口管11与进口管1或液化介质进口管11对应的多流道喷管2相固连，喷头3与喷管2为一体，喷头3与喷管2为等壁厚固连，其过渡为平滑过渡；喷头内、外壁为锥形，其壁厚以直线均匀减薄，呈梯形；喷头3端部的喷口壁厚为1～5mm。喷头3采用耐高温合金材料为INCONEL 600。在喷嘴端部的外壁上设有的水冷盘管4采用耐高温合金材料为HASTELLOY。三流道气液混合相气化喷嘴喷头3端部的流道内壁与中心线的夹角为αx，第1流道21夹角α0为0°～5°，第2流道22夹角α1为10°～18°，第3流道23夹角α2为15°～25°。其喷头端部流道外壁与喷头3端面的夹角为βx，第1流道21夹角β0为90°～85°，第2流道22夹角β1为85°～70°，第3流道23夹角β2为80°～65°。各喷管介质进口环形面积与介质喷出口的环形面积比为第1流道21为10.6～9.2∶1，第2流道22为6.7～4.3∶1，第3流道23为4.9～2.5∶1。喷嘴的第一流道21的喷管为盲孔与相邻喷管壁固连的气流导向块6固连；气流导向块6上设有的通气孔7可连通不相邻的流道。
所述的气液混合相气化喷嘴在喷嘴端部的外壁上设有水冷盘管4，水冷盘管4为2～5层，每层设为10圈，设有2个进水和2个出水口。
气液混合相气化喷嘴的使用方法，是第1流道的介质为气相气化介质，第2流道的介质为氧气，第3流道的介质为液相气化介质。
见图3、图4，气液混合相气化喷嘴为五流道水冷盘管型，最外层有蒸汽保护流道，无火盆遮蔽，与气化炉拱顶炉口的改造相匹配，具有效气体成分高及操作寿命较长的共同优点。除以下不同外，其余结构与上述图1、2相同。五流道气液混合相气化喷嘴喷头3端部的流道内壁与中心线的夹角为αx，第1流道21夹角α0为0°～2°，第2流道22夹角α1为1°～5°，第3流道23夹角α2为5°～8°，第4流道24夹角α3为15°～18°，第5流道25夹角α4为20°～25°。喷头3端部流道外壁与喷头3端面的夹角为βx，第1流道21夹角β0为90°～85°，第2流道22夹角β1为85°～80°，第3流道23夹角β2为80°～75°，第4流道24夹角β3为75°～70°，第5流道25夹角β4为60°～40°。各喷管介质进口环形面积与介质喷出口的环形面积比为第1流道21为3.9～1.5∶1，第2流道22为8.2～5.8∶1，第3流道23为13～10.6∶1，第4流道24为9.8～7.4∶1，第5流道25为13.2～10.8∶1。喷嘴的第一流道21的喷管由支撑环5与相邻喷管壁固连，喷嘴的端部有与相邻喷管壁固连的气流导向块6；气流导向块6上设有的通气孔7可连通不相邻的二、四流道。
各流道物料不同的混合方式，氧气与天然气的混合方式为平(斜)剪撞击式，即中心少量天然气及氧气垂直(90°)平剪进入，大量天然气以78.5°角度(以喷嘴喷口平面为0°)斜剪撞击切入。保护蒸汽以16.6°/21.2°角度进入；采取了各流道物料不同且相匹配的质量流速，即中心少量天然气的质量流速为25.6m/s；氧气与大量天然气的质量流速差为31.5m/s；保护蒸汽流速为21.8m/s。这样，有效解决气化炉拱顶超温问题，保证了获得较高的有效气体成分，同时也使气化喷嘴与气化炉合理匹配且在气化炉内形成最佳的流场及温度场。通过气化喷嘴顶部法兰口，可以方便地安装及拆卸开工喷嘴，保证气化喷嘴安装开工喷嘴的正常升温及拆卸开工喷嘴的正常操作；通过中间法兰，可以方便地打开喷嘴进行检修或更换喷嘴喷口端部；较低的冷却水压力保证了即使发生冷却水腔或盘管损坏而不至于使水泄漏到气化炉内(炉内操作压力6.0Mpa)而损坏刚玉砖耐火衬里，延长了耐火衬里的使用寿命。
对比例为水冷盘管型气化喷嘴。该喷嘴与实施例的最大不同点是该气化喷嘴总体结构为两流道设置，无保护蒸汽流道设置。其在技术上存在一些不足：第一是该喷嘴的有效气体成分较低，为91％～93％之间，气化炉的原料消耗较高；第二是为了降低气化炉拱顶温度，采取了加厚气化炉拱顶隔热衬里厚度的方法，但加厚拱顶隔热衬里厚度后，为了保持拱顶的稳定性，直筒处切线下移，使拱顶重量增大，且投资增加；第三是该类喷嘴的水冷腔截面结构形状为方形，尽管加工制造方便，但受力不佳，热应力较高，容易发生其焊缝损坏开裂，影响喷嘴的操作寿命短，从而影响了气化炉的长周期满负荷运行。
对比例与实施例的主要技术比较如下：
| 技术比较项目 | 对比例 | 实施例 |
| 物料流道数量 | 2流道 | 4流道 |
| 物料流道设置(从中心向外) | 氧气-天然气 | 天然气-氧气-天然气-保护蒸汽 |
| 物料混合方式 | 撞击式 | 平(斜)剪撞击式 |
| 喷口端部冷却水腔截面形状 | 矩形(方形) | 半圆型 |
| 喷口保护蒸汽 | 无 | 有 |
| 有效气体成分(CO+H2) | 较低91％～93％ | 较高≥95.5％ |
| 天然气管与氧气管之间的密封结构 | 焊接 | 滑动式密封结构 |
| 匹配气化炉拱顶耐火隔热衬里厚度 | 较厚 | 较薄 |
| 操作寿命 | 可达3个月 | 较长 |
| 长期经济效益 | 较差 | 较好 |
Claims (11)
1.一种气液混合相气化喷嘴，带有法兰盘的气化介质进口管(1)或液化介质进口管(11)与各进口管(1)或液化介质进口管(11)对应的多流道喷管(2)相固连，喷头(3)与喷管(2)固连或为一体，所述喷头(3)与喷管(2)为等壁厚固连，其过渡为平滑过渡；喷头内、外壁为锥形，其壁厚以直线均匀减薄，呈梯形；喷头(3)端部的喷口壁厚为1～5mm，其特征是所述的喷头(3)、在喷嘴端部的外壁上设有的水冷盘管(4)采用耐高温合金材料。
2.如权利要求1所述的气液混合相气化喷嘴，其特征是所述的喷头(3)、水冷盘管(4)采用的耐高温合金材料为INCONEL 600、HAYNES合金、UMCo-50、HASTELLOY、C-276或Stellite 6材料。
3.如权利要求1或2所述的气液混合相气化喷嘴，其特征是所述的喷头(3)端部的流道内壁与中心线的夹角为αx，第1流道(21)夹角α0为0°～5°，第2流道(22)夹角α1为10°～18°，第3流道(23)夹角α2为15°～25°；喷头端部流道外壁与喷头(3)端面的夹角为βx，第1流道(21)夹角β0为90°～85°，第2流道(22)夹角β1为85°～70°，第3流道(23)夹角β2为80°～65°。
4.如权利要求1或2所述的气液混合相气化喷嘴，其特征是所述的喷头(3)端部的流道内壁与中心线的夹角为αx，还包括有第1流道(21)夹角α0为0°～2°，第2流道(22)夹角α1为1°～5°，第3流道(23)夹角α2为5°～8°，第4流道(24)夹角α3为15°～18°，第5流道(25)夹角α4为20°～25°；喷头端部流道外壁与喷头(3)端面的夹角为βx，第1流道(21)夹角β0为90°～85°，第2流道(22)夹角β1为85°～80°，第3流道(23)夹角β2为80°～75°，第4流道(24)夹角β3为75°～70°，第5流道(25)夹角β4为60°～40°。
5.如权利要求3所述的气液混合相气化喷嘴，其特征是各喷管介质进口环形面积与介质喷出口的环形面积比为第1流道(21)为10.6～9.2∶1，第2流道(22)为6.7～4.3∶1，第3流道(23)为4.9～2.5∶1。
6.如权利要求4所述的气液混合相气化喷嘴，其特征是各喷管介质进口环形面积与介质喷出口的环形面积比还包括有第1流道(21)为3.9～1.5∶1，第2流道(22)为8.2～5.8∶1，第3流道(23)为13～10.6∶1第4流道(24)为9.8～7.4∶1，第5流道(25)为13.2～10.8∶1。
7.如权利要求5所述的气液混合相气化喷嘴，其特征是在喷嘴端部的外壁上设有水冷盘管(4)，水冷盘管(4)为2～5层，每层设为2～10圈，设有2～5个进水和出水口。
8.如权利要求6所述的气液混合相气化喷嘴，其特征是在喷嘴端部的外壁上设有水冷盘管(4)，水冷盘管(4)为2～5层，每层设为2～10圈，设有2～5个进水和出水口。
9.如权利要求1所述的气液混合相气化喷嘴，其特征是所述的多流道喷管为二流道～六流道喷管。
10.如权利要求1所述的气液混合相气化喷嘴的使用方法，其特征是第1流道(21)的介质为气相气化介质，第2流道(22)的介质为氧气，第3流道(23)的介质为液相气化介质或第1流道(21)的介质为气相气化介质，第2流道(22)的介质为氧气，第3流道(23)的介质为液相气化介质，第4流道(24)的介质为氧气。
11.如权利要求10所述的气液混合相气化喷嘴的使用方法，其特征是在最外流道的介质为蒸汽。
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