部分燃燒燒嘴的製作方法

2023-05-10 23:07:41

專利名稱：部分燃燒燒嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及含碳燃料特別是細粒固態燃料如粉煤部分燃燒燒嘴，其中燃料與含氧氣一起送入直至100巴高壓下操作的反應空間以製得高壓合成氣，燃料氣或還原氣。
固態含碳燃料的部分燃燒也稱氣化是將燃料與氧反應完成的。燃料中可燃成分主要含碳和氫，這些成分與供入的氧反應(並可能與有可能存在的蒸汽和一氧化碳反應)以形成一氧化碳和氫。在某些溫度下也可能形成甲烷。
至少有兩種不同的固態燃料部分燃燒方法。第一方法是將粒狀固態燃料在反應器裡的固定床或流化床中於約1000℃以下與含氧氣接觸。該法的缺點是並不能使所有種類的固態燃料這樣進行部分燃燒。例如，高溶脹煤就不適宜，因為這種煤粒很容易燒結而堵塞反應器。
更有效的方法是將細粒燃料用載氣如氮氣或合成氣以相當高的速度送入反應器。反應器中維持火焰，火焰中燃料於1000℃以上與含氧氣反應。含碳燃料以及含氧氣一般經過燒嘴送入反應器。某些方法中還將調節氣如蒸汽或一氧化碳與經燒嘴送入反應器的含氧氣混合;這類調節氣常有利於減少或阻止氧與反應氣過早地進行接觸，而這會使反應氣不必要地完全轉化。
本燒嘴很適宜於將反應物水平地送入常規並加耐火襯的部分氧化氣化器也稱為反應器或氣化裝置的反應區中並特別適宜於具有多個排列在燃燒區周邊上的反應氣燒嘴的固態燃料氣化裝置，多個燒嘴射流相互衝擊以促進部分氧化裝置，多個燒嘴射流相互衝擊以促進部分氧化工藝並最大限度地降低耐火壁的腐蝕。
由於火焰溫度可超過3000℃或以上，所以這類燒嘴的主要指標是防止燒嘴前端也稱為燒嘴面因氣化工藝中高熱通量和潛在的腐蝕性環境引起的損壞。為防止燒嘴前端過熱，一般在燒嘴前端壁外表面上加耐火襯和/或設帶內冷通道的空心壁件，讓冷卻流體以高速在內冷通道中循環。
本發明目的是提出具有一定內部結構的改進燒嘴，其中讓冷卻流體以特定方式流動以防止可能出現的高腐蝕速度並均勻冷卻燒嘴前端，從而最大限度地減少熱應力，這所有的應力均可能使燒嘴在長時間操作中毀壞，甚至失效。
本發明另一目的是提出一種燒嘴構型，其中形成光滑曲線燒嘴面，其尺寸能使其在氣化反應造成的腐蝕環境和熱通量存在下經久耐用。曲線前端可使燒嘴前面結構具有相當的撓性，使其能經受相當高的局部熱通量，而又不出現導致失效的局部熱應力。
因此本發明提出在燃燒區內用含氧氣進行細粒固態含碳燃料部分燃燒燒嘴，該燒嘴帶進料端和出料端，其特點是中心通道沿燒嘴縱軸設置並在燒嘴出料端具有出口以將燃料送入燃料區;
基本上環狀通道沿中心通道同軸設置並在燒嘴出料端具有直徑為D的出口，而其結構適於將含氧氣流送入燃燒區，其傳送方向與縱軸成銳角以使供入的氧與從中心通道送入的燃料交叉;
空心壁件與基本上環狀通道同軸設在燒嘴出料端並具有中心開孔，沿該開孔燃料和含氧氣流到燃燒區;在出料端空心壁件具有曲線外表面，包括一拱形基本上正交燒嘴縱軸並從基本上環狀通道出口伸過燒嘴橫向尺寸，空心壁件在燒嘴橫向周邊上從燒嘴出料端伸向燒嘴進料端，距離至少為D的一半，空心壁件具有徑向基本上均勻橫截面流通面積的內部結構;空心壁件操作時連接到(a)與基本上環狀通道相鄰設置的進料管以將流體冷卻劑送到空心壁件的就近第一端和(b)循環管，其位置可使流體冷卻劑就近從空心壁件外端通過，從而使流體冷卻劑從進料管基本上徑向向外通過空心壁件;空心壁件的尺寸可使冷卻劑流在整個穿流過程中保持基本恆定的動量。
這樣提供的燒嘴可長時間操作而又不會使出料端和其它燒嘴元件經受過高的金屬溫度和/或應力。
現參考附圖用實施例詳述本發明，圖中

圖1為本發明燒嘴前端包括出料端的縱剖面圖。
圖2為圖1中沿Ⅱ-Ⅱ線的橫截面圖。
應注意到圖中相同元件已標為同一參考號。
參照圖1和2，含碳燃料如粉煤部分燃燒燒嘴一般記為10，其中包括中心通道12沿縱軸14設置並具有將細粒固態燃料藉助載氣如氮氣或合成氣送入下遊燃燒區(未示出)的出口16。中心通道直徑一般為約10至約50mm。同心設置在中心通道12周圍的是基本上環狀含氧氣通道18，其中具有直徑為D的游離端，用以形成送入燃燒區的含氧氣流出口。有效的是出口20的位置與縱軸14成約20至約60°角以使含氧氣流與出口16流出的固態燃料交混。直徑為D的出口20形成燒嘴的喉管或最窄部分。含氧氣必要時可含調節氣如蒸汽或二氧化碳。可採用常見隔離件徑向將通道相互分開如用校正釘，肋片，對心葉片，隔片和其它常見元件對稱設置而將通道相互隔開並且成穩定直線保持不動而對反應物流的自由流動阻礙最小。
燒嘴還包括空心壁件26，其中具有曲線如環形外表面以形成前面28並一般與燒嘴縱軸14正交，而且環柱部分與縱軸平行延伸直至燒嘴進料端。空心壁件從燒嘴前面即出料端直至燒嘴進料端的橫截流通面積均勻並且一般與縱軸平行，其長度距離至少約0.5倍D，有利的至少約D，並特別為約2至約10倍D。空心壁件操作時離中心最遠端連接到進料管30以將液態冷卻劑如調節水送入空心壁件，而另一端為空心壁件通道口，設置在燒嘴周圍，操作時連接到循環管34以使液態冷卻劑從空心壁件通道口通過。用水作冷卻劑時將其通入空心壁件的流速足夠高以便在燒嘴出現最大發熱量時，進入循環管的水升溫不超過約5℃，特別是少於約3℃。已發現用溫度約100至約230℃的調節水作冷卻劑很有利。
燒嘴曲面端有利的是伸到喉管下遊，但距離短，該距離一般例如小於約2D，特別是約0.2至約1D，從基本上環狀通道端算起，這樣可阻止或減少用某些反應性高的進料時可能出現的過早燃燒。
本發明的優點是可允許從燒嘴面下遊反應物燃燒進行對流熱傳遞，同時可完全或基本上避免空心壁件內冷卻劑液體沸騰。空心壁件採用基本上恆定橫截面積可保證冷卻劑液體具有恆定動量，從而可使燒嘴面和出料端達到均勻低金屬溫度。
另一優點是整個機械結構可允許非對稱熱通量，這在某些採用多個燒嘴的氣化器結構中可能出現。
在上述燒嘴10用含氧氣進行含碳燃料如粉煤氣化操作時，懸浮在載帶流體如氮氣或合成氣中的煤經中心通道12送到出口16以將煤引入燒嘴出料端下遊的反應器燃燒區。同時，含氧氣經環狀通道18送到出口20以便讓煤和含氧氣反應物在反應空間密切接觸。必要時反應物的混和可藉助適當通道內折流板的渦旋體(未示出)給一種或兩種物流造成的旋流而得以加強。為了促使煤穩定地向外流，煤流的橫截面積應在燒嘴中至少是接近出口的一段保持恆定。
對粉煤隨載氣的流速加以控制。燒嘴燃燒速度即燒嘴升到一定速度或降到一定速度是通過改變含碳燃料和含氧氣進料流之一的流速實現的，而同時保持固態進料中原子氧/碳之比基本恆定。一般來說對硬質煤而言相當典型的是需氧量應達到0.9-1噸/噸溼量和無灰煤;而對低品位煤更具代表性的是0.7噸氧/噸。有利的是含氧氣以約35至約100米/秒的平均速度供入而進行操作。
燒嘴一般用耐高溫材料製成，特別是用耐高溫金屬和合金如Inconel和/或陶瓷。對於高負荷操作，含氧氣通道和出口一般用金屬製成，內部塗有氧化塗層如ZrO2或陶瓷，從而可採用高含氧氣速度，而同時又不致於使金屬在有氧存在下進行燃燒。
固態含碳燃料一詞意指各種材料及其混合物如煤，煤焦炭，煤液化渣，石油焦炭，煙碳，和由油頁巖，焦油砂和瀝青而得的粒狀固體。煤可為任何種類，包括褐煤，次煙煤，銦煤和無煙煤。固態含碳燃料有利的是粉碎至一定粒徑以使90%材料小於90μm並且溼含量少於約5%(重)。
含氧氣一詞意指空氣，富氧空氣即含氧量大於21%(mol)和基本上純氧即大於約95%(mol)為氧，而其它的包括空氣中一般含有的氣體如氮氣和稀有氣體。
本發明各種改進對本術藝領域的普通技術人員來說從上述中即可顯而易見。這些改進意欲包括在下述權利要求所述範圍內。
權利要求
1.在燃燒區內用含氧氣進行細粒固態含碳燃料部分燃燒燒嘴，該燒嘴帶進料端和出料端，其特點是中心通道沿燒嘴縱軸設置並在燒嘴出料端具有出口以將燃料送入燃料區；基本上環狀通道沿中心通道同軸設置並在燒嘴出料端具有直徑為D的出口，而其結構適於將含氧氣流送入燃燒區，其傳送方向與縱軸成銳角以使供入的氧與從中心通道送入的燃料交叉；空心壁件與基本上環狀通道同軸設在燒嘴出料端並具有中心開孔，沿該開孔燃料和含氧氣流到燃燒區；在出料端空心壁件具有曲線外表面，包括一拱形基本上正交燒嘴縱軸並從基本上環狀通道出口伸過燒嘴橫向尺寸，空心壁件在燒嘴橫向周邊上從燒嘴出料端伸向燒嘴進料端，距離至少為D的一半，空心壁件具有徑向基本上均勻橫截面流通面積的內部結構；空心壁件操件時連接到(a)與基本上環狀通道相鄰設置的進料管以將流體冷卻劑送到空心壁件的就近第一端和(b)循環管，其位置可使流體冷卻劑就近從空心壁件外端通過，從而使流體冷卻劑從進料管基本上徑向向外通過空心壁件；空心壁件的尺寸可使冷卻劑流在整個穿流過程中保持基本上恆定的動量。
2.權利要求1的燒嘴，其特點是基本上環狀通道結構進料時可使含氧氣流與燒嘴縱軸成20-60℃銳角。
3.權利要求1的燒嘴，其特點是中心通道直徑10-50mm。
4.權利要求1的燒嘴，其特點是空心壁件從燒嘴出料端到進料端的橫截面積均勻並且一般與縱軸平行，距離至少約為D。
5.權利要求4的燒嘴，其特點是所說壁件離燒嘴出料端的距離為約2至約10D。
全文摘要
固態含碳燃料燒嘴適宜於多燒嘴反應器，其中將細煤經沿燒嘴縱軸設置的中心通道供入反應空間，含氧氣經圍繞中心通道的環狀通道供入，環狀通道結構可讓氣體以銳角與煤交混，燃燒熱用前端空腔內以恆定動量徑向流動的冷卻劑從燒嘴前端一定尺寸曲面空腔中帶走。
文檔編號F23D1/00GK1039646SQ8910426
公開日1990年2月14日 申請日期1989年6月14日 優先權日1988年6月16日
發明者威廉·弗雷德裡克·凱珀斯, 亨德裡克斯·約翰尼斯·安東尼厄斯·哈斯那克 申請人:國際殼牌研究有限公司