氣化噴嘴和氣化反應器的製作方法

2023-06-10 07:00:17

本發明主要涉及一種噴嘴結構，尤其是適用於氣化爐的氣化噴嘴。

背景技術：

在氣化爐的煤粉氣化工藝過程中，氣化爐的噴嘴/燒嘴結構至關重要，決定了煤粉的進料均勻性、煤粉與氧氣的混合均勻性等，進而對於氣化反應速率、反應時間以及碳轉化率等影響至深。

現有技術中的噴嘴常採用多級分配器以實現進料的均勻分配，增加流體動能。例如中國專利申請CN 1903998 B中公開了一種典型結構的氣化器注射器，參見圖1，該氣化器注射器採用兩級分配器22將主流煤粉分配至多個支管26。兩級分配器22包括主腔室38和多個二級腔室46，主腔室內置有錐體形狀的一級流體分離器42，二級腔室46內置有二級流體分離器50。在應用於氣化爐時，主流煤粉將撞擊錐形的一級流體分離器42並進入錐底的六個支管，從而均勻分配至六個二級腔室46內，再從六個二級腔室46的末端通過二級流體分離器50均勻分配至三十六個支管26中。

此類多級分配器的結構中，結構體型大，支管的安裝和加工十分複雜，而且流體分配的均勻程度也不高，從三十六個支管26中流出的流體流速不均地直接進入爐體內腔的頂部，還容易產生返混流，嚴重影響反應速率。

技術實現要素：

針對現有技術中的上述缺陷或不足，本發明提供了一種氣化噴嘴和氣化反應器，該氣化噴嘴的結構簡單、體型小、加工方便，能夠有效改善料流的分散性與均勻分配程度以提高氣化反應器的反應速率。

為了實現上述目的，本發明提供一種氣化噴嘴，該氣化噴嘴包括連接法蘭、料流輸送管接頭和料流分布器，所述連接法蘭的底部安裝於氣化反應器上，所述連接法蘭的頂面開設有多個用作噴嘴支管且彼此間隔分布的上下貫通孔，所述料流分布器安裝在所述連接法蘭的頂面上並包括具有內筒腔的筒體，所述內筒腔的頂面入口的面積小於底面出口的面積，使得從所述頂面入口進入的料流能夠從所述底面出口分散流出，所述頂面入口連接所述料流輸送管接頭，所述底面出口對接於多個所述噴嘴支管，從所述底面出口分散流出的料流能夠通過多個所述噴嘴支管進入所述氣化反應器內。

優選地，該氣化噴嘴還包括預混氣化劑管，所述料流分布器的所述內筒腔的底部形成有預混腔室，所述預混氣化劑管插入所述預混腔室中，使得由所述預混氣化劑管通入的氣化劑與從所述底面出口分散流出的所述料流在所述預混腔室內混合併通過多個所述噴嘴支管進入所述氣化反應器內。

優選地，所述料流分布器為包括作為所述筒體的錐筒、多孔託板和多個球體的多孔分布器，所述多孔託板設置在所述錐筒的錐筒腔內的底部且該多孔託板上布滿過孔，多個所述球體堆疊於所述多孔託板上方的所述錐筒腔中，使得從所述錐筒腔的頂錐面入口進入的料流能夠穿過所述球體之間的球體間隙和所述過孔並從所述錐筒腔的底錐面出口下落。

優選地，所述預混腔室形成在所述多孔託板與所述連接法蘭的頂面之間，所述預混氣化劑管沿所述錐筒腔的內周壁的切線方向插入所述預混腔室中，使得通入的氣化劑與所述料流能夠在所述預混腔室內混合成旋流。

優選地，所述球體為瓷球，所述瓷球分層疊置且布滿於所述多孔託板上方的所述錐筒腔中。

優選地，該氣化噴嘴還包括安裝於所述連接法蘭上的固定封頭，該固定封頭環繞所述筒體設置並將該筒體固定於所述連接法蘭的頂面上。

優選地，所述固定封頭與所述筒體的外周壁之間形成有環繞該外周壁的 充壓腔室，該充壓腔室連接有充壓管。

優選地，所述充壓管與所述氣化反應器的尾氣排風管相連。

優選地，該氣化噴嘴還包括主氣化劑管接頭，所述連接法蘭內形成有氣化劑通道，該氣化劑通道包括與所述主氣化劑管接頭相連的氣化劑入口和形成在所述連接法蘭的底面上的多個氣化劑出口，所述噴嘴支管在所述連接法蘭的底面上形成有料流出口，所述氣化劑出口與所述料流出口間隔設置並使得所述氣化劑出口流出的氣化劑流與所述料流出口流出的料流能夠在所述氣化反應器內形成對撞混合。

優選地，在所述連接法蘭的底面上，每個所述料流出口對應於至少一對所述氣化劑出口，每對所述氣化劑出口中的兩個所述氣化劑出口對稱布置在所述料流出口的兩側，從每個所述氣化劑出口流出的所述氣化劑流均傾斜向下地朝向從所述料流出口流出的料流。

優選地，所述氣化劑通道包括依次連通的周向氣道、徑向氣道和傾斜氣道，所述周向氣道形成在所述連接法蘭的外周緣部內並與所述主氣化劑管接頭相連，所述徑向氣道從所述周向氣道徑向向內延伸，所述傾斜氣道從所述徑向氣道傾斜向下地延伸至所述氣化劑出口。

優選地，沿所述連接法蘭的由外至內的徑向上，所述徑向氣道的橫截面的面積逐漸減小。

優選地，所述噴嘴支管在所述連接法蘭的頂面上形成有料流入口，所述料流入口在所述頂面上呈同心圓陣列排布，在該同心圓陣列中，各個同心圓上均設有沿周向彼此間隔且沿徑向對齊的多個所述料流入口，以形成沿徑向的多排料流入口隊列，每排所述料流入口隊列的兩側分別對稱地設置有所述徑向氣道。

優選地，所述周向氣道包括沿周向間隔排布且彼此獨立的多段圓弧氣道，每段所述圓弧氣道均連接有所述主氣化劑管接頭，每段所述圓弧氣道均 連接有多排所述徑向氣道。

優選地，該氣化噴嘴還包括冷卻介質入口接頭和冷卻介質出口接頭，所述氣化劑通道形成在所述連接法蘭的底部，所述連接法蘭的頂部內還形成有連通所述冷卻介質出口接頭與所述冷卻介質入口接頭的冷卻介質通道，該冷卻介質通道包括多排徑向通道以及呈同心圓陣列形狀排布的多道圓弧通道，所述徑向通道徑向連通各道所述圓弧通道；

其中，多道圓弧通道排布成的同心圓陣列與所述料流入口排布成的同心圓陣列在徑向上彼此錯開，多排所述徑向通道與多排所述料流入口隊列沿周向彼此錯開。

優選地，所述圓弧通道包括最內道圓弧通道和環繞該最內道圓弧通道的外道圓弧通道，所述外道圓弧通道包括相互分隔且獨立的第一圓弧段通道和第二圓弧段通道，所述第一圓弧段通道靠近且連通所述冷卻介質入口接頭，所述第二圓弧段通道靠近且連通所述冷卻介質出口接頭，所述最內道圓弧通道為完整圓弧通道以連通所述冷卻介質入口接頭和冷卻介質出口接頭。

此外，本發明還提供了一種氣化反應器，該氣化反應器包括上述的氣化噴嘴。

其中，根據本發明的多孔分布器結構簡單，僅包括錐筒，錐筒內設置多孔託板，多孔託板上堆疊多個球體，使得從頂錐面入口進入的料流能夠穿過的球體間隙和多孔託板的過孔並最終從底錐面出口下落，由此，料流通過球體間隙得到充分分散，並能夠通過多孔託板均勻下落。在應用於氣化噴嘴時，結合內設多個噴嘴支管的連接法蘭，可取代多級分配器，使得噴嘴的體型更小，噴嘴易於加工和裝配。進一步地，還可在多孔託板與連接法蘭之間形成預混腔室，在通入氣化劑的情況下，使得料流與氣化劑預混合均勻，形成旋流，從而更均勻地從連接法蘭內的多個噴嘴支管流入氣化爐內。連接法蘭內還可設置氣化劑通道以與主氣化劑管接頭相連，使得氣化劑通道中的氣化劑 從出口流出並與噴嘴支管流出的料流在氣化爐內發生對撞混合，更徹底分散，可形成平推流，實現快速傳質傳熱並完成氣化反應，提高反應速率。

本發明的其他特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1為根據現有技術中的一種多級分配器的結構示意圖；

圖2為根據本發明的優選實施方式的具有多孔分布器的氣化噴嘴及其安裝結構的立體示意圖；

圖3為圖2所示的氣化噴嘴及其安裝結構的俯視圖；

圖4為圖3中的C-C剖視圖；

圖5為圖2所示的氣化噴嘴及其安裝結構的主視圖；

圖6為圖5中的D-D平面視圖；

圖7為圖5中的E-E剖視圖；

圖8為圖7中的J-J剖視圖；

圖9為圖5中的F-F剖視圖；

圖10為圖9中的I-I局部剖視圖；

圖11為圖9中的K-K局部剖視圖。

本發明的附圖標記說明

1 連接法蘭 2 錐筒

3 料流輸送管接頭 4 固定封頭

5 預混氣化劑管 6 主氣化劑管接頭

7 冷卻介質入口接頭 8 冷卻介質出口接頭

11 噴嘴支管 12 周向氣道

13 徑向氣道 14 傾斜氣道

15 徑向通道 16 圓弧通道

21 多孔託板 22 球體

100 氣化反應器 110 料流入口

111 料流出口 141 氣化劑出口

A 預混腔室 B 充壓腔室

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。

在發明中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如「上、下、頂、底」通常是針對附圖所示的方向而言的或者是針對豎直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置關係描述用詞；「內、外」以及「徑向、軸向」都是相對於連接法蘭1的中心而言的。

如圖2所示，本發明首先提供了一種用於氣化反應器100上的氣化噴嘴，該噴嘴通過料流輸送管接頭3輸入料流，料流進入氣化反應器100(例如反應爐)的爐腔內並與氣化劑(例如氧氣)完成氣化反應。本發明所稱的料流指由碳質材料製成的物料流，例如褐煤製成的幹煤粉或水煤漿，碳質材料可包括：煤、煤直接液化殘渣、重質渣油、生物質、市政固體垃圾等可被氣化的含碳物質。

在本實施方式中，該氣化噴嘴內包含了作為料流分布器的一種新型多孔分布器，如圖4所示，該多孔分布器包括頂端開口的錐筒2、多孔託板21 和多個球體22，錐筒2內形成有錐筒腔，該錐筒腔具有頂錐面入口和底錐面出口，多孔託板21設置在錐筒腔內的底部且該多孔託板21上布滿過孔，多個球體22堆疊於多孔託板21上方的錐筒腔中，從頂錐面入口進入的料流能夠穿過球體22之間的球體間隙和過孔並從底錐面出口下落。

此多孔分布器有別於現有技術的同樣作為料流分布器的前述多級分配器，結構組成簡單，易於加工製造。可在錐筒2內安裝作為多孔託板21的金屬多孔板或多孔陶瓷板，並在其上堆放球體22，例如瓷球或金屬球等由耐磨材質製成的各種球體，利用球體之間的間隙使得進入的煤粉等料流能夠從中穿過，從而使得煤粉從多孔託板21下落時的分布更均勻，避免堆積在錐筒腔的底部中心，造成堵塞等。其中，煤粉可由氮氣或二氧化碳氣體作為載氣攜帶煤粉加壓傳輸。多孔託板21也可以是金屬網罩等，此外，球體22分層疊置且布滿於多孔託板21上方的錐筒腔時，各層之間也可設置金屬網罩，以固定各球體22的位置。球體22的直徑大小通常為10～30mm，例如20mm，但並不限於此，可根據錐筒腔的大小、球體間隙大小等具體因素而確定。

本領域技術人員能夠理解的是，圖4所示的多孔分布器為料流分布器的優選結構形式，其中的筒體並不限於錐筒2，也可以是稜形筒體或稜形筒腔等。多孔分布器的筒腔內也可設置多層的類似多孔託板21以替代球體22對煤粉的分散作用。

此多孔分布器應用於圖示的氣化噴嘴時，可起到對煤粉的均勻分配的作用，利於後續的多支管設置，從而提高單爐氣化能力。具體地，參見圖2至圖4，多孔分布器的下方設置連接法蘭1，連接法蘭1的底部安裝於氣化反應器100上，連接法蘭1的頂面開設有多個用作噴嘴支管11且彼此間隔分布的上下貫通孔，多孔分布器安裝在連接法蘭1的頂面上，頂錐面入口連接料流輸送管接頭3，底錐面出口對接於多個噴嘴支管11，使得從底錐面出口向下流出的料流能夠更分散更均勻地分布到各個噴嘴支管11上並通過噴嘴 支管11的料流出口111進入氣化反應器100內。

其中，噴嘴支管11的料流出口111可如圖4所示地直接開口，也可安裝噴嘴。此處通過設置多個噴嘴支管11，可增加料流與氣化劑的分散，減少單個支管的負荷，減少噴嘴磨損，延長噴嘴壽命，擴大生產負荷的調節靈活性。內設諸多噴嘴支管11的連接法蘭1，有效解決了圖1中多級分配器的支管眾多、體型大、結構複雜且難以製造的問題。總之，本發明的氣化噴嘴僅包括結構簡單的多孔分布器、連接法蘭1和料流輸送管接頭3，相較於現有技術的噴嘴結構，不僅結構複雜度降低，更減小了噴嘴的尺寸，經濟實用。

優選地，多孔託板21設置在錐筒腔的底錐面的上方，該多孔託板21的周緣部固定安裝在錐筒腔的內周壁上。這樣，在多孔託板21與錐筒腔的底錐面之間形成有間隔空間(即預混腔室A)，便於後續通入氣化劑進行預混合。相應地，氣化噴嘴連接有預混氣化劑管5，多孔託板21與連接法蘭1的頂面之間形成有預混腔室A，預混氣化劑管5沿錐筒腔的內周壁的切向方向插入預混腔室A中，在該預混腔室A內，由預混氣化劑管5通入的氣化劑與從多孔託板21向下流出的料流混合成旋流，旋流的形成有助於氣化劑與料流的均勻混合與均勻分配，該旋流通過多個噴嘴支管11進入氣化反應器100內。通過設置預混腔室A並通入預混氣化劑，能夠實現煤粉和氧氣的預混合，有效預熱、縮短反應時間，加快煤粉和氣流的流速，提高煤粉與氣流之間的分散度，以加快反應速率。如圖3所示，對稱設置了兩根預混氣化劑管5，以增強沿同一旋轉方向的旋流的形成。在本發明的一個實施例中，預混氣化劑管5中通入的氣體不限於用作氣化劑的氣體，例如氮氣等惰性氣體也可以使用。本發明所稱的氣化劑包括但不限於氧氣、水蒸氣、空氣、二氧化碳等含氧氣體和/或他們的混合氣體。

此外，氣化噴嘴還包括安裝於連接法蘭1上的固定封頭4，該固定封頭4環繞錐筒2設置並將該錐筒2固定於連接法蘭1的頂面上。其中，固定封 頭4起到對錐筒2的固定作用。在本實施方式中，圖示的固定封頭4為圓形形狀，內置錐筒2，頂部外接料流輸送管接頭3，底部固定到連接法蘭1的頂面上。優選地，固定封頭4與錐筒2的外周壁之間形成有環繞該外周壁的充壓腔室B，該充壓腔室B連接有充壓管。充壓管可與氣化反應器100的尾氣排風管相連，以充入熱煤氣，或者充壓腔室B內也可充入惰性氣體等，充壓腔室B內的氣壓優選為與氣化反應器100的爐內氣壓大致相當，即形成均壓，以減少多孔分布器的材料應力損壞，而且在充壓腔室B內充入熱煤氣時，其熱量還可對料流(即煤粉流)進行間接預熱，料流流進一步地在穿過連接法蘭1時也能夠得到預熱。作為一種可選的實施方式，也可不設置錐筒2，將多孔託板21直接與固定封頭4的內壁固定連接，多孔託板21至料流輸送管接頭3之間的空腔內壘疊球體22以形成供料流通過的通道，實現均勻分散料流的目的。

連接法蘭1內不僅形成有上下貫通的多個噴嘴支管11，其內也形成有氣化劑通道並且外接主氣化劑管接頭6，氣化劑通道包括與主氣化劑管接頭6相連的氣化劑入口和形成在連接法蘭1的底面上的多個氣化劑出口141，參見圖10，噴嘴支管11在連接法蘭1的底面上形成有料流出口111，氣化劑出口141與料流出口111間隔設置並使得氣化劑出口141流出的氣化劑流與料流出口111流出的料流能夠在氣化反應器100內形成對撞混合。這種流體對撞有助於介質的快速混合、振動擴散，能夠加速傳熱傳質，提升反應效率，縮短氣化反應時間，提高碳轉化率和氣化強度。

如圖9和圖10所示，在連接法蘭1的底面上，每個料流出口111對應於至少一對氣化劑出口141，每對氣化劑出口中的兩個氣化劑出口141對稱布置在料流出口111的兩側，從每個氣化劑出口141流出的氧氣流均傾斜向下地朝向料流。這樣，在距離連接法蘭1的底面的匯集點上，氧氣流與料流對撞分散。在進一步設定並調整好氧氣流與料流之間的夾角及各自流速後， 氧氣流與一對或多對料流的對撞混合還能夠在氣化反應器100的爐腔頂部形成平推流，消除前述的返混流對氣化反應的影響。

作為一種優選實施方式，連接法蘭1內的氣化劑通道的設置參見圖9至圖11。其中，該氣化劑通道包括依次連通的周向氣道12、徑向氣道13和傾斜氣道14，周向氣道12形成在連接法蘭1的外周緣部內並與主氣化劑管接頭6相連，徑向氣道13從周向氣道12徑向向內延伸，傾斜氣道14從徑向氣道13傾斜向下地延伸至氣化劑出口141。

其中，周向氣道12可連通多個徑向氣道13，每個徑向氣道13可連接多對傾斜氣道14。周向氣道12可分隔成彼此獨立的多個弧段，如圖所示，分隔為四個弧段形狀的周向氣道12，分別與對稱布置的四個主氣化劑管接頭6相連，從而形成獨立的進氣單元，以增強進氣效率並平衡各個氣化劑出口141的氣化劑流流速。優選地，如圖11所示，沿連接法蘭1的由外至內的徑向上，徑向氣道13的橫截面的面積逐漸減小，使得氣化劑流在徑向向內流動時的速率增大，提高射流動能，有利於撞擊擴散。而且，連接法蘭1內的氣化劑通道可對氣化劑流進行預熱，使得氣化劑體積膨脹，進一步增大氣化劑流的流速和動能。

對應於氣化劑通道的上述布置特點，在本實施方式中，如圖6所示，噴嘴支管11在連接法蘭1的頂面上形成有料流入口110，料流入口110在頂面上優選為呈圖示的同心圓陣列排布，在該同心圓陣列中，各個同心圓上均設有沿周向彼此間隔且沿徑向對齊的多個料流入口，以形成沿徑向的多排料流入口隊列，每排料流入口隊列的兩側分別對稱地設置有徑向氣道13。參見圖6，其中每個同心圓上等間距地設置有六個料流入口110，三個同心圓上的料流入口110均相應地徑向對齊，共形成有六排料流入口隊列。六排料流入口隊列(即六排噴嘴支管11)與圖9所示的六對徑向氣道13沿周向交叉布置，使得徑向對齊的每排噴嘴支管11均形成在相應的一對徑向氣道13之間，以 便於從徑向氣道13中延伸出對稱的傾斜氣道14。噴嘴支管11的這種整齊排列，不僅使得進料均勻，還便於以下的冷卻介質通道的布置。

由於連接法蘭1直接安裝在爐體上，受熱大，為避免高溫受損或影響工藝反應，需要對連接法蘭1進行溫度控制，即降溫處理。其中，可通過預混氣化劑管5和主氣化劑管接頭6通入常溫或低溫的氧氣，對連接法蘭1進行氣態降溫。還可在連接法蘭1的除氣化劑出口141和料流出口111以外的底面區域上均布耐火材料。在本實施方式中，還採用了液態降溫措施。如圖7和圖8所示，氣化噴嘴還包括冷卻介質入口接頭7和冷卻介質出口接頭8，氣化劑通道形成在連接法蘭1的底部，連接法蘭1的頂部內還形成有連通冷卻介質出口接頭8與冷卻介質入口接頭7的冷卻介質通道。參見圖2和圖8所示，即圓形連接法蘭1包括頂部和底部，頂部內形成有冷卻介質通道，底部內形成有氣化劑通道。

冷卻介質通道包括多排徑向通道15以及呈同心圓陣列形狀排布的多道圓弧通道16，徑向通道15徑向連通各道圓弧通道16。同樣地，冷卻介質通道應圍繞各個噴嘴支管11設置以有效降溫。因此，參見圖7，多道圓弧通道16排布成的同心圓陣列與料流入口110排布成的同心圓陣列在徑向上彼此錯開，多排徑向通道15與多排料流入口隊列沿周向彼此錯開，從而使各個噴嘴支管11的周圍壁上均設有冷卻介質通道。

優選地，圖7所示的圓弧通道16包括最內道圓弧通道和環繞該最內道圓弧通道的外道圓弧通道，外道圓弧通道包括相互分隔且獨立的第一圓弧段通道和第二圓弧段通道，第一圓弧段通道(右側的外道圓弧通道)靠近且連通冷卻介質入口接頭7，第二圓弧段通道(左側的外道圓弧通道)靠近且連通冷卻介質出口接頭8，最內道圓弧通道為完整圓弧通道以連通冷卻介質入口接頭7和冷卻介質出口接頭8。這樣，從冷卻介質入口接頭7進入的冷卻介質可從圖中的右側逐步充滿至左側的各個冷卻介質通道中，並實現冷卻介 質在各處的有效流動，最終從冷卻介質出口接頭8流出，達到對連接法蘭1的有效降溫效果。

本發明的氣化噴嘴應用於一臺日處理量為60噸的煤粉試驗爐中，進行了效果驗證。其中採用的料流(即氣化原料)為煤粉(但不限於此，也可以是水煤漿等)，即由煤粉製備系統磨製的粒徑為10～90μm佔比達90％以上的煤粉。氣化反應器100的氣化壓力為4MPa，溫度為1400～1600℃。燃燒室採用高鉻耐火材料襯裡，煤氣採用水激冷，灰渣由排渣系統排出，煤氣由激冷室上部排出，進入煤氣淨化系統，煤氣處理後導入火炬燃燒後排放。試驗結果反映，煤粉的煤氣化碳轉化率可達99％，合成氣中有效成分(H2+CO)可達90％，冷煤氣效率高達80％。相較於現有技術，採用本發明的氣化噴嘴後，可有效提高反應效率，從而在同樣生產能力的情況下，氣化反應器100的體積也可大大縮小，從而減少設備成本。

以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，例如圖10所示的傾斜氣道14也可變形為豎直氣道，在豎直氣道的出口處形成或增設傾斜引導氣道，可達到同樣的傾斜氣流的效果；另外每個料流出口111周圍也可對稱布置不止一對的氣化劑出口141，例如可沿料流出口111的周向間隔布置四個或六個氣化劑出口141，這些簡單變型均未超出本發明的構思，因而均屬於本發明的保護範圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。