氣相介質氣化噴嘴及使用方法
2023-06-30 19:58:41
專利名稱：氣相介質氣化噴嘴及使用方法
技術領域：
本發明主要涉及非催化氧化法氣化爐用氣相介質氣化噴嘴的結構及使用方法。
背景技術：
由於國際油價飆升以及作為合成氨原料的石油煉製品深加工技術發展引起的供應短缺，作為以輕油、重油、渣油為原料的大型合成氨裝置面臨著原料來源緊張、原料價格上漲、企業經濟效益下滑、原料成分日益偏離設計成分的困境，從而帶來裝置操作的波動、能耗加大、操作費用增高，使企業生存、發展面臨嚴峻的形勢；另一方面，隨著國內大量天然氣資源的開發，在能夠利用天然氣實施原料路線改造的國內石化行業的大中型合成氨廠已經完成或正在進行裝置的「油改氣」；而對一些綜合性大型企業，石油煉製副產品如煉廠幹氣，石油瀝青等如何充分合理利用，依託現有資源進行原料技術線路的改造，提高裝置的經濟效益已成為亟待解決的問題。那麼關鍵的問題就是作為合成氨裝置核心設備的氣化爐及其氣化噴嘴，過去均為國外公司的專利技術且整機進口。在生產操作運行中，由於氣化爐工作環境較為惡劣，處於火焰中，氣化噴嘴的端部極易發生燒損現象，維修噴嘴需經專利商發送到國外，耗費大量的財力和時間。由於氣化噴嘴進口價格較高，不可能多備備件，頻繁的噴嘴燒損及停爐更換嚴重影響了裝置的效益及安全運行。
殼牌(Shell)及德士古(Texaco)各自開發並投入工業化的非催化部分氧化法制合成氣的渣油和天然氣氣化爐及其氣化噴嘴被廣泛應用於以渣油、輕油、天然氣為原料生產合成氨的裝置中。Shell公司的天然氣氣化噴嘴的工業化應用僅在3.5Mpa的氣化壓力下。在氣化壓力為6.0Mpa下未建有工業化裝置。Texaco公司的天然氣氣化噴嘴的工業化應用在8.53Mpa的氣化壓力下，在氣化壓力為6.0Mpa下未建有工業化裝置。
申請號為97235458.1，名稱為「五通道負荷可控式水煤漿氣化噴嘴」的實用新型專利，公開了一種新的噴嘴結構，為了使噴嘴部分耐燒損，加厚了噴嘴的壁厚，使流道的內腔有凸臺，氣化物質在噴口處受到阻礙，不利於氣化物質的氣化。
發明內容
本發明的目的在於避免現有技術的不足之處而提供一種氣相介質氣化噴嘴及使用方法。所採取的措施是除了改善噴嘴的結構外，採用合理的氣化介質，氧氣物料流道設置及各流道物料不同的質量流速與混合方式，最大程度地消除由於高溫熱區距離短導致的氣化爐拱頂熱流密度大，對拱頂輻射強的影響，從而有效地降低氣化爐拱頂外壁的溫度，使氣化噴嘴與氣化爐內形成最佳的流場及溫度場匹配，從而保證氣化效率(有效氣產率)；採用水冷盤管型噴嘴冷卻方式及採用耐高溫合金材料及薄壁流道端部結構，延長氣化噴嘴的操作壽命，滿足氣化爐長周期穩定操作的要求。
本發明的目的可以通過採用以下技術方案來實現一種氣相介質氣化噴嘴，包括帶有法蘭盤的氣化介質進口管(1)與其對應的多流道噴管(2)相固連，噴頭(3)與噴管(2)固連或為一體，其主要特點是還包括有所述噴頭(3)與噴管(2)為等壁厚固連，其過渡為平滑過渡；噴頭內、外壁為錐形，其壁厚以直線均勻減薄，呈梯形；噴頭(3)端部的噴口壁厚為1～4mm。
所述的氣相介質氣化噴嘴的噴頭(3)、水冷盤管(4)採用耐高溫合金材料。採用的耐高溫合金材料較佳的為INCONEL600、HAYNES合金、UMCo-50、HASTELLOY、C-276或Stellite6材料。
三流道氣相介質氣化噴嘴的噴頭(3)端部的內腔與中心線的夾角αx第1流道(21)夾角α1為0°～5°，第2流道(22)夾角α2為10°～18°，第3流道(23)夾角α3為15°～25°。四流道氣相介質氣化噴嘴的噴頭(3)端部的內腔與中心線的夾角αx第1流道(21)夾角α1為0°～5°，第2流道(22)夾角α2為1°～5°，第3流道(23)夾角α3為10°～20°第4流道(24)夾角α4為20°～30°。三流道氣相介質氣化噴嘴的噴頭端部外腔與水平線的夾角βx第1流道(21)夾角β1為90°～85°，第2流道(22)夾角β2為85°～70°，第3流道(23)夾角β3為80°～65°。四流道氣相介質氣化噴嘴的噴頭端部外腔與水平線的夾角βx第1流道(21)夾角β1為90°～85°，第2流道(22)夾角β3為85°～80°，第3流道(23)夾角β3為80°～75°第4流道(24)為夾角β470°～60°。
本發明三流道氣相介質氣化噴嘴各噴管內腔的橫截面與噴頭端部的環形面積比為第1流道(21)為10.6～9.2∶1，第2流道(22)為6.7～4.3∶1，第3流道(23)為4.9～2.5∶1。本發明四流道氣相介質氣化噴嘴各噴管內腔的橫截面與噴頭端部的環形面積比為第1流道(21)為3.9～1.5∶1，第2流道(22)為6.7～4.3∶1，第3流道(23)為6.5～4.1∶1第4流道(24)為22.4～20∶1。
所述的氣相介質氣化噴嘴的第一流道(21)的噴管由支撐環(5)與相鄰噴管壁固連或為盲孔與相鄰噴管壁固連的氣流導向塊(6)固連；氣流導向塊(6)上設有的通氣孔(7)可連通不相鄰的流道。
氣相介質氣化噴嘴在噴嘴端部的外壁上設有冷卻盤管(4)，冷卻盤管(4)可為2—5層，每層可設為2～10圈，可設有2—5個進水和出水口。本發明通過採用水冷盤管型噴嘴冷卻方式及採用耐高溫合金材料及薄壁流道端部結構，保證了氣化噴嘴的高溫強度，且有效降低了流道端部的局部回流過氧燒蝕，大大延長了氣化噴嘴的操作壽命，氣化爐滿足了長周期穩定操作的要求。
所述的多流道噴管為二流道—六流道噴管。
本發明的使用方法是第1流道為氣相氣化介質，第2流道為氧氣，第3流道為氣相氣化介質或第1流道為氧氣(少量)，第2流道為氧氣(大量)，第3流道為氣相氣化介質。在三流道或四流道氣相介質氣化噴嘴最外流道加保護蒸汽，成為四流道或五流道氣相介質氣化噴嘴。
本發明的有益效果是，氣化爐內的高溫熱區距離短且火焰變短，幾乎沒有黑區而引起氣化爐拱頂熱流密度加大，對拱頂輻射加大，氣化爐拱頂金屬外壁溫度不但沒有升高，反而下降10～15℃，保證了氣化爐的正常操作。氣化噴嘴與氣化爐拱頂及爐口結構的合理布置獲得了最佳的流場及溫度場匹配而達到最好的氣化效果，保證有效氣體成分大於95.5％，最高可達96.3％。延長了氣化噴嘴的操作壽命，解決由於氣化噴嘴的損壞引起氣化爐爐口磚損壞而導致的爐口磚使用壽命短，頻繁停車問題，滿足氣化裝置的長周期，滿負荷運行要求，提高裝置的經濟效益。
圖1為本發明實施例1三流道的主視圖；圖2為本發明實施例1三流道噴嘴端部放大圖；圖3為本發明實施例2四流道的主視圖；圖4為本發明實施例2四流道噴嘴端部放大圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示之最佳實施例作進一步詳述
下面通過實施例對本發明進一步詳細描述，但本發明並不局限於實施例見圖1，圖2，發明實施例1三流道氣相介質氣化噴嘴，帶有法蘭盤的氣化介質進口管1與其對應的多流道噴管2相固連，噴頭3與噴管2固連或為一體，噴頭3與噴管2為等壁厚固連，其過渡為平滑過渡；噴頭內、外壁為錐形，其壁厚以直線均勻減薄，呈梯形；噴頭3端部的噴口壁厚為1～4mm。噴頭3採用耐高溫合金材料為INCONEL600。水冷盤管4採用耐高溫合金材料為HASTELLOY。三流道氣相介質氣化噴嘴的噴頭3端部的內腔與中心線的夾角αx第1流道21)夾角α1為0°～5°，第2流道22夾角α2為10°～18°，第3流道23夾角α3為15°～25°。三流道氣相介質氣化噴嘴的噴頭端部外腔與水平線的夾角βx第1流道21夾角β1為90°～85°，第2流道22夾角β2為85°～70°，第3流道23夾角β3為80°～65°。三流道氣相介質氣化噴嘴各噴管內腔的橫截面與噴頭端部的環形面積比為第1流道21為10.6～9.2∶1，第2流道22為6.7～4.3∶1，第3流道23為4.9～2.5∶1。氣相介質氣化噴嘴的第一流道21的噴管為盲孔與相鄰噴管壁固連的氣流導向塊6固連；氣流導向塊6上設有的通氣孔7可連通不相鄰的流道。氣相介質氣化噴嘴在噴嘴端部的外壁上設有冷卻盤管4，冷卻盤管4可為2—5層，每層可設為10圈，設有2個進水和2個出水口。
使用方法是第1流道為氣相氣化介質，第2流道為氧氣，第3流道為氣相氣化介質。
見圖3圖4，介質(以天然氣為例)氣化噴嘴為四流道水冷盤管型，最外層有蒸汽保護流道，無火盆遮蔽，與氣化爐拱頂爐口的改造相匹配，具有效氣體成分高及操作壽命較長的共同優點。除以下不同外，其餘結構與上述圖1相同。四流道氣相介質氣化噴嘴的噴頭3端部的內腔與中心線的夾角αx第1流道21夾角α1為0°～5°，第2流道22夾角α2為1°～5°，第3流道23夾角α3為10°～20°第4流道24夾角α4為20°～30°。四流道氣相介質氣化噴嘴的噴頭端部外腔與水平線的夾角βx第1流道21夾角β1為90°～85°，第2流道22夾角β3為85°～80°，第3流道23夾角β3為80°～75°第4流道24為夾角β470°～60°。四流道氣相介質氣化噴嘴各噴管內腔的橫截面與噴頭端部的環形面積比為第1流道21為3.9～1.5∶1，第2流道22為6.7～4.3∶1，第3流道23為6.5～4.1∶1第4流道24為22.4～20∶1。氣相介質氣化噴嘴的第一流道21的噴管由支撐環5與相鄰噴管壁固連。
使用方法是第1流道為氧氣(少量)，第2流道為氧氣(大量)，第3流道為氣相氣化介質，第4流道保護蒸汽。
各流道物料不同的混合方式，氧氣與天然氣的混合方式為平(斜)剪撞擊式，即中心少量天然氣及氧氣垂直(90°)平剪進入，大量天然氣以78.5°角度(以噴嘴噴口平面為0°)斜剪撞擊切入。保護蒸汽以16.6°/21.2°角度進入；採取了各流道物料不同且相匹配的質量流速，即中心少量天然氣的質量流速為25.6m/s；氧氣與大量天然氣的質量流速差為31.5m/s；保護蒸汽流速為21.8m/s。這樣，有效解決氣化爐拱頂超溫問題，保證了獲得較高的有效氣體成分，同時也使氣化噴嘴與氣化爐合理匹配且在氣化爐內形成最佳的流場及溫度場。通過氣化噴嘴頂部法蘭口，可以方便地安裝及拆卸開工噴嘴，保證氣化噴嘴安裝開工噴嘴的正常升溫及拆卸開工噴嘴的正常操作；通過中間法蘭，可以方便地打開噴嘴進行檢修或更換噴嘴噴口端部；較低的冷卻水壓力保證了即使發生冷卻水腔或盤管損壞而不至於使水洩漏到氣化爐內(爐內操作壓力6.0Mpa)而損壞剛玉磚耐火襯裡，延長了耐火襯裡的使用壽命。
對比例為水冷盤管型天然氣氣化噴嘴。該噴嘴與實施例的最大不同點是該氣化噴嘴總體結構為兩流道設置，無保護蒸汽流道設置。其在技術上存在一些不足第一是該噴嘴的有效氣體成分較低，為91％～93％之間，氣化爐的原料消耗較高；第二是為了降低氣化爐拱頂溫度，採取了加厚氣化爐拱頂隔熱襯裡厚度的方法，但加厚拱頂隔熱襯裡厚度後，為了保持拱頂的穩定性，直筒處切線下移，使拱頂重量增大，且投資增加；第三是該類噴嘴的水冷腔截面結構形狀為方形，儘管加工製造方便，但受力不佳，熱應力較高，容易發生其焊縫損壞開裂，影響噴嘴的操作壽命短，從而影響了氣化爐的長周期滿負荷運行。
對比例與實施例的主要技術比較如下
權利要求
1.一種氣相介質氣化噴嘴，包括帶有法蘭盤的氣化介質進口管(1)與其對應的多流道噴管(2)相固連，噴頭(3)與噴管(2)固連或為一體，其特徵是還包括有所述噴頭(3)與噴管(2)為等壁厚固連，其過渡為平滑過渡；噴頭內、外壁為錐形，其壁厚以直線均勻減薄，呈梯形；噴頭(3)端部的噴口壁厚為1～4mm。
2.如權利要求1所述的氣相介質氣化噴嘴，其特徵是包括有所述的噴頭(3)、水冷盤管(4)採用耐高溫合金材料。
3.如權利要求1或2所述的氣相介質氣化噴嘴，其特徵是所述的噴頭(3)、水冷盤管(4)採用的耐高溫合金材料較佳的為INCONEL 600、HAYNES合金、UMCo-50、HASTELLOY、C-276或Stellite 6材料。
4.如權利要求3所述的氣相介質氣化噴嘴，其特徵是所述的噴頭(3)端部的內腔與中心線的夾角αx第1流道(21)夾角α1為0°～5°，第2流道(22)夾角α2為10°～18°，第3流道(23)夾角α3為15°～25°或第1流道(21)夾角α1為0°～5°，第2流道(22)夾角α2為1°～5°，第3流道(23)夾角α3為10°～20°第4流道(24)夾角α4為20°～30°；噴頭端部外腔與水平線的夾角βx第1流道(21)夾角β1為90°～85°，第2流道(22)夾角β2為85°～70°，第3流道(23)夾角β3為80°～65°或第1流道(21)夾角β1為90°～85°，第2流道(22)夾角β3為85°～80°，第3流道(23)夾角β3為80°～75°第4流道(24)為夾角β470°～60°。
5.如權利要求4所述的氣相介質氣化噴嘴，其特徵是包括有各噴管內腔的橫截面與噴頭端部的環形面積比為第1流道(21)為10.6～9.2∶1，第2流道(22)為6.7～4.3∶1，第3流道(23)為4.9～2.5∶1或第1流道(21)為3.9～1.5∶1，第2流道(22)為6.7～4.3∶1，第3流道(23)為6.5～4.1∶1第4流道(24)為22.4～20∶1。
6.如權利要求5所述的氣相介質氣化噴嘴，其特徵是包括有噴嘴的第一流道(21)的噴管由支撐環(5)與相鄰噴管壁固連或為盲孔與相鄰噴管壁固連的氣流導向塊(6)固連；氣流導向塊(6)上設有的通氣孔(7)可連通不相鄰的流道。
7.如權利要求6所述的氣相介質氣化噴嘴，其特徵是包括有在噴嘴端部的外壁上設有冷卻盤管(4)，冷卻盤管(4)可為2-5層，每層可設為2～10圈，可設有2-5個進水和出水口。
8.如權利要求1所述的氣相介質氣化噴嘴，其特徵是包括有所述的多流道噴管為二流道—六流道噴管。
9.如權利要求1所述的氣相介質氣化噴嘴的使用方法，其特徵是第1流道為氣相氣化介質，第2流道為氧氣，第3流道為氣相氣化介質或第1流道為氧氣(少量)，第2流道為氧氣(大量)，第3流道為氣相氣化介質。
10.如權利要求9所述的氣相介質氣化噴嘴的使用方法，其特徵是還包括有在最外流道為保護蒸汽。
全文摘要
本發明主要涉及非催化氧化法氣化爐用氣相介質氣化噴嘴的結構及使用方法。一種氣相介質氣化噴嘴，包括帶有法蘭盤的氣化介質進口管與其對應的多流道噴管相固連，噴頭與噴管固連或為一體，其主要特點是還包括有所述噴頭與噴管為等壁厚固連，其過渡為平滑過渡；噴頭內、外壁為錐形，其壁厚以直線均勻減薄，呈梯形；噴頭端部的噴口壁厚為1～4mm。氣化噴嘴與氣化爐拱頂及爐口結構的合理布置獲得了最佳的流場及溫度場匹配而達到最好的氣化效果，保證有效氣體成分大於95.5％，最高可達96.3％。延長了氣化噴嘴的操作壽命，解決由於氣化噴嘴的損壞引起氣化爐爐口磚損壞而導致的爐口磚使用壽命短，頻繁停車問題，滿足氣化裝置的長周期，滿負荷運行要求，提高裝置的經濟效益。
文檔編號B01J12/00GK1648525SQ20041002586
公開日2005年8月3日 申請日期2004年1月21日 優先權日2004年1月21日
發明者郭文元, 王輔臣, 亢萬忠, 蔣自平, 龔欣, 高先波, 徐積源, 鄭泉傑, 李曉黎, 於遵宏, 李磊, 高步新, 鄒傑, 章晨輝, 王明鋒, 周永康 申請人:中國石油化工集團公司, 中國石化集團蘭州設計院, 華東理工大學