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 （CO+H ₂ ) 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 GEO xaco)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 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°。 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 0.1〜 1.0m/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、 甲垸、 丙垸、 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。

附图说明

图 1为本发明的热氧喷嘴主体结构的剖面示意图� �

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

1 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 1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， 外环喷管由外环导管 15和外环喷头 25构 成， 外环喷头 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 心喷管依次采用法兰 10连接， 外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� ��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 α为 45〜80°； 中心喷头 23的外收缩角和外环喷头 25的内收缩角 β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， 进而提髙了燃料的碳转化率。

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%的甲垸为燃气， 水煤浆流量为 10kg/h， 燃气: 气化剂 =8%， 氧气耗量为 5.6Nm ³ /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。