一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴的製作方法

2023-09-16 13:35:05 1

一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴的製作方法
【專利摘要】一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，包括中心氣化劑通道，與其同軸並依次套裝在其外的燃料通道和外氣化劑通道，布置在中心氣化劑通道和燃料通道之間、燃料通道和外氣化劑通道之間以及外氣化劑通道外側的冷卻水通道；冷卻水通道的進水通道由若干微通道構成；高壓冷卻水在微通道內流速增加，以熱傳導和強制對流換熱的方式對中心氣化劑通道、燃料通道和外氣化劑通道以及冷卻水通道自身的金屬壁面進行高效冷卻；冷卻水從微通道出口以高速射流噴出，以強制衝擊射流對流換熱的形式對冷卻水通道的底部金屬壁面進行高效冷卻，然後從回水通道流回到冷卻水通道的出水口；本發明克服現有技術的氣化燒嘴技術的燒嘴冷卻效果差、壽命較短的缺陷。
【專利說明】一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴
【技術領域】
[0001]本發明涉及煤氣化領域，具體涉及一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴。
技術背景
[0002]煤炭是一種重要的能源，但是長期以來，煤炭在使用過程中伴隨著嚴重的環境汙染。近年來，以減少汙染排放和提高利用效率為目的的潔淨煤技術日益為人們所重視；煤氣化技術作為其中的一種煤炭加工和轉化技術，被認為是最為高效清潔的潔淨煤技術之一。
[0003]煤氣化爐是把化石燃料(粉煤、石油、天然氣等)製成煤氣的裝置，廣泛用於化工、氮肥、燃氣、聯合發電等領域。鑑於我國貧油、少氣、多煤的資源狀況，我國的氣化燃料主要是煤炭(粉煤或水煤漿)。燃燒噴嘴(簡稱燒嘴)是氣化爐的關鍵部件，也是最容易高溫損壞的部件。目前比較先進的煤氣化方式是從國外引進的大型粉煤加壓氣化工藝。利用氮氣或二氧化碳氣體將粉煤等粉狀炭質材料通過燒嘴送入氣化爐，同時富氧氣體和水蒸汽也通過燒嘴送入氣化爐。粉狀炭質材料和氧氣、水蒸汽反應燃燒，生成一氧化碳和氫氣，燃燒溫度達1400°C以上。
[0004]由於燃燒火焰溫度很高，氣化燒嘴常因高熱通量和潛在的富氧腐蝕性環境引起損壞。由於燒嘴損壞引起大型氣化爐頻繁的停爐檢修，造成生產企業巨大的經濟損失，引起了國外技術提供商和國內有關研究機構的高度重視，但到目前為止仍未有效地解決氣化爐燒嘴易損壞、壽命短的問題。
[0005]加壓氣流床氣化爐從啟動到運行、停爐的整個過程中:點火預熱時600~1000°C的高溫階段、氣化反應時1700°C的高溫階段和停車時從1700°C高溫開始的高溫下降階段，這三個階段均會對燒嘴造成高溫損壞，尤其是燒嘴頭部(燒嘴最接近爐內火焰的部分)，由於其工作環境最為惡劣，往往最先損壞。對於氣化燒嘴的損壞，由於無法觀察到燒嘴噴頭被損壞的過程，因此，人們在很長時間內無法了解高溫燒損和磨損中哪一種為燒嘴噴頭損壞的主要原因。但通過近年來引進的一部分內冷式燒嘴已創造一年以上使用壽命的情況分析，由於內冷式燒嘴的特點是散熱比較快和均勻，燒嘴不易燒壞，壽命變長，證明了燒嘴的損壞是燒壞先於磨壞。因此，解決燒嘴噴頭部的高溫損壞問題，也就成了延長燒嘴壽命的一個主要方面。
[0006]當前，對於如何解決燒嘴頭部溫度過高的問題，一般有兩種方法，一是研製出新型的高溫材料，同時，在高溫部件的表面塗上防熱塗層來提高材料的性能；二是採用合理的冷卻方法對熱端部件進行冷卻，可以研究出新型的冷卻方法或者對現有的冷卻技術進行改造以提聞其冷卻潛力。
[0007]微通道換熱技術是利用傳熱學原理，將熱量從熱流體傳給冷流體的，冷熱流體分別在固體壁面的兩側 流過，熱流體的熱量以對流和傳導的方式傳給冷流體。當換熱流道尺寸小於3mm時，氣液兩相流動與相變傳熱規律將不同於常規較大尺寸，通道越小，這種尺寸效應越明顯。當管內逕到0.5~1mm時，對流換熱係數可增大50%~100%。由於微通道換熱結構緊湊、體積小、換熱效果好，已廣泛應用於紅外探測、電子設備、生物醫療等工程領域的冷卻中。將這種強化傳熱技術用於空調換熱器，適當改變換熱器結構、工藝及空氣側的強化傳熱措施，預計可有效增強空調換熱器的傳熱、提高其節能水平。如果將該技術應用於氣化燒嘴的冷卻過程中，可以強化冷卻水對燒嘴(尤其是燒嘴的頭部)的冷卻作用，從而避免燒嘴因高溫燒蝕而損壞，有效延長燒嘴的使用壽命。
[0008]另外，通過對各類氣化爐燒嘴的對比研究發現，氣化效率的高低取決於兩方面因素一霧化和混合。通常情況下，兩者難以同時得到滿足，尤其是自上而下單噴嘴噴射的情況下，原料進口與工藝氣在同一軸線上，容易導致物料走短路，造成原料利用效率降低。因此，改進、優化燒嘴結構幾何參數，使得氣化過程的霧化與混合同時達到優良，對提高氣化爐的
氣化效率至關重要。
[0009]綜上所述，解決氣化爐燒嘴頭部冷卻和燒嘴的高效霧化混合的問題，是提高目前氣化床氣化燒嘴使用性能的關鍵所在。因此，開發先進的霧化混合良好的、高效冷卻長壽命的氣化燒嘴是實現我國煤氣化技術高效性和可靠性的關鍵技術途徑之一。

【發明內容】

[0010]為了克服現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，克服現有技術的氣化燒嘴技術的燒嘴冷卻效果差、壽命較短、霧化和混合性能不能同時達到良好效果等缺陷。
[0011]為達到以上目的，本發明採用如下技術方案:
[0012]一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，包括中心氣化劑通道1，與中心氣化劑通道I同軸並依次套裝在其外的燃料通道3和外氣化劑通道4，布置在中心氣化劑通道I和燃料通道3之間、燃料通道3和外氣化劑通道4之間以及外氣化劑通道4外側的冷卻水通道2;
[0013]所述冷卻水通道2由進水通道2-1和進水通道2-1之間的回水通道2-2組成；
[0014]所述進水通道2-1採用微通道結構，即由若干截面尺寸較小的微通道2-3構成；
[0015]所述冷卻水通道2內採用高壓冷卻水，以熱傳導和微通道強制對流換熱的方式對中心氣化劑通道1、燃料通道3和外氣化劑通道4以及冷卻水通道2自身的金屬壁面進行冷卻；
[0016]高壓冷卻水從所述微通道2-3的出口以衝擊射流的形式高速噴出，垂直噴射到冷卻水通道2的底部金屬壁面，以強制衝擊射流對流換熱的方式對其進行冷卻。
[0017]優選地，所述微通道2-3的出口採用收縮噴管結構，以提高高壓冷卻水噴出的速度，進一步強化其對冷卻水通道2的底部金屬壁面的衝擊射流冷卻作用。
[0018]所述冷卻水通道2的進、出水口均設置有流量監測裝置。
[0019]所述中心氣化劑通道1和外氣化劑通道4內分別布置有內旋流葉片6和外旋流葉片5,所述內旋流葉片6和外旋流葉片5的葉片傾斜方向相反。
[0020]所述外氣化劑通道4出口的旋流強度大於中心氣化劑通道I出口的旋流強度。
[0021]所述冷卻水通道2內的冷卻水壓力高於氣化爐內的操作壓力。
[0022]本發明和現有技術相比，具有如下優點:
[0023]1、本發明採用微通道強化換熱與衝擊射流冷卻相結合的方式對燒嘴進行高效冷卻。冷卻水流入微通道後，流速急劇增大，與壁面的對流換熱係數迅速增大，以對流換熱和熱傳導的方式對中心氣化劑通道、燃料通道和外氣化劑通道及微通道自身的金屬壁面進行有效冷卻；冷卻水流過微通道後，從微通道出口以高速衝擊射流噴出，垂直噴射到冷卻水通道的底部金屬壁面，以強制衝擊射流對流換熱的方式對其進行冷卻。綜上所述，本發明可以更好的使燒嘴(尤其是燒嘴的頭部)的溫度保持在所需的合適溫度範圍，從而解決了現有燒嘴噴頭部因受爐內高溫熱輻射和熱氣流烘烤而產生的高溫氧化和超溫燒蝕等問題，使燒嘴能穩定運行，延長燒嘴使用壽命。
[0024]2、所述冷卻水通道內的冷卻水流量，可根據爐內工況的變化而改變流量，從而，增強或減弱其對燒嘴的冷卻作用，保持噴嘴(尤其是燒嘴的頭部)溫度在合適範圍，避免燒嘴因爐內工況不穩定而燒蝕損壞。
[0025]3、冷卻通道的進水通道為微通道結構，具有冷卻水均勻分布作用，確保冷卻水在水套結構內均勻分布流動，使其對燒嘴的冷卻作用均勻，減小熱偏差，避免因冷卻不均、局部過熱而導致燒嘴損壞。
[0026]4、燒嘴的中心氣化劑通道和外氣化劑通道內，均布置有旋流葉片，使內、外氣化劑通道的出口氣流皆為強烈旋流，但是，內、外通道的氣流旋轉方向相反，這樣有利於氣化劑的霧化，並強化了氣化劑與燃料的混合作用，使氣化劑與燃料能充分、均勻混合。
[0027]5、所述冷卻水通道的進、出水口皆設置流量監測裝置，一旦燒嘴冷卻水洩露，出口總流量就會變小，與進口總流量相差很大，預警系統隨即進行報警，以便及時組織停車處理，壁面發生嚴重事故。
[0028]6、外氣化劑通道出口的旋流強度大於內氣化劑通道出口的旋流強度，使氣化劑和燃料混合後的總體氣流成旋流狀態，延長了燃料在氣化爐內的停留時間，使氣化反應更充分，提高了氣化爐的整體效率。
[0029]7、冷卻水通道內的冷卻水壓力高於氣化爐內的操作壓力，從而避免在燒嘴損壞的時候，爐內高溫高壓氣體從燒嘴向外洩露，提高了系統的安全性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發明新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴的總體結構示意圖。
[0031]圖2為本發明新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴的冷卻水通道結構示意圖。
[0032]圖3為圖2A處的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0033]以下結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。
[0034]如圖1所示，一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，包括中心氣化劑通道1，與中心氣化劑通道I同軸並依次套裝在其外的燃料通道3和外氣化劑通道4，布置在中心氣化劑通道I和燃料通道3之間、燃料通道3和外氣化劑通道4之間以及外氣化劑通道4外側的冷卻水通道2。
[0035]所述燃料通道3內的燃料為水煤漿或幹煤粉； [0036]所述中心氣化劑通道1和外氣化劑通道4內的氣化劑為水蒸氣、二氧化碳或兩者的混合物。
[0037]優選地，為了使通道的進水更加均勻，每個所述冷卻水通道2採用兩個及以上進水口。
[0038]優選地，為了使通道的出水更加均勻，每個所述冷卻水通道2採用兩個及以上出水口。
[0039]所述冷卻水通道2內採用高壓冷卻水。
[0040]所述冷卻水通道2內的冷卻水壓力高於氣化爐內的操作壓力。
[0041]所述冷卻水通道2由進水通道2-1和進水通道2-1之間的回水通道2-2組成。
[0042]所述進水通道2-1採用微通道結構，即由若干截面尺寸較小的微通道2-3構成。高壓冷卻水在微通道2-3內流速增加，對流換熱係數迅速增大，以熱傳導和強制對流換熱的方式對中心氣化劑通道1、燃料通道3和外氣化劑通道4以及冷卻水通道2自身的金屬壁面的冷卻作用加強，使燒嘴得到更有效的冷卻。
[0043]如圖2所示，高壓冷卻水從所述微通道2-3的出口以高速衝擊射流的形式噴出，垂直噴射到冷卻水通道2的底部金屬壁面，以強制衝擊射流對流換熱的方式對其進行冷卻。
[0044]優選地，所述微通道2-3的出口採用收縮噴管結構，以提高高壓冷卻水噴出的速度，進一步強化其對冷卻水通道2的底部金屬壁面的衝擊射流冷卻作用。
[0045]優選地，每個所述進水通道2由兩個及以上的微通道構成，微通道的個數根據燒嘴的設計負荷和具體工作環境的冷卻需求來確定；
[0046]優選地,所述微通道的最小截面寬度不大於3_ ；
[0047]所述中心氣化劑通道I和外氣化劑通道4內分別布置有內旋流葉片6和外旋流葉片5,所述內旋流葉片6和外旋流葉片5的葉片傾斜方 向相反。
[0048]所述外氣化劑通道4出口的旋流強度大於中心氣化劑通道I出口的旋流強度。
[0049]冷卻水系統工作原理:高壓冷卻水從冷卻水通道2的進水口流入，然後進入微通道結構的進水通道2。高壓冷卻水流入微通道後，流速急劇增大，與壁面的對流換熱係數迅速增大，以對流換熱和導熱的方式對中心氣化劑通道1、燃料通道3和外氣化劑通道4及微通道2-2自身的金屬壁面進行有效冷卻。高壓冷卻水從微通道出口以高速衝擊射流噴出，垂直噴射到冷卻水通道的底部金屬壁面，以強制衝擊射流對流換熱的方式對其進行冷卻。
【權利要求】
1.一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，其特徵在於:包括中心氣化劑通道(I)，與中心氣化劑通道(I)同軸並依次套裝在其外的燃料通道(3 )和外氣化劑通道(4 )，布置在中心氣化劑通道(I)和燃料通道(3)之間、燃料通道(3)和外氣化劑通道(4)之間以及外氣化劑通道(4)外側的冷卻水通道(2)； 所述冷卻水通道(2)由進水通道(2-1)和設置在進水通道(2-1)之間的回水通道(2-2)組成； 所述進水通道(2-1)採用微通道結構，即由若干截面尺寸較小的微通道(2-3)構成； 所述冷卻水通道(2)內採用高壓冷卻水，以熱傳導和微通道強制對流換熱的方式對中心氣化劑通道(I)、燃料通道(3)和外氣化劑通道(4)以及冷卻水通道(2)自身的金屬壁面進行冷卻； 高壓冷卻水從所述微通道(2-3)的出口以衝擊射流的形式高速噴出，垂直噴射冷卻水通道(2)的底部金屬壁面，以強制衝擊射流對流換熱的方式對其進行冷卻。
2.根據權利要求1所述的一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，其特徵在於:所述微通道(2-3)的出口採用收縮噴管結構。
3.根據權利要求1所述的一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，其特徵在於:所述中心氣化劑通道(I)和外氣化劑通道(4)內分別布置有內旋流葉片(6)和外旋流葉片(5)，所述內旋流葉片(6)和外旋流葉片(5)的葉片傾斜方向相反。
4.根據權利要求1所述的一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，其特徵在於:所述外氣化劑通道(4)出口的旋流強度大於中心氣化劑通道(I)出口的旋流強度。
5.根據權利要求1所述的一種新型射流衝擊冷卻的氣化工藝燒嘴，其特徵在於:所述冷卻水通道(2)的進、出水口均設置有流量`監測裝置。
6.根據權利要求1所述的一種新型微通道循環冷卻的氣化工藝燒嘴，其特徵在於:所述冷卻水通道(2)內的冷卻水壓力高於氣化爐內的操作壓力。
【文檔編號】C10J3/50GK103881760SQ201410038217
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】王雲剛, 陳衡, 趙欽新, 馬海東, 李鈺鑫, 周屈蘭, 惠世恩 申請人:西安交通大學