帶有內分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴的製作方法
2023-05-25 18:46:06 1
專利名稱：帶有內分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種天然氣為原料，部分氧化制合成氣(CO+H2)的燒嘴。
背景技術：
部分氧化法制合成氣的原料一般為渣油或水煤漿，但是隨著全球原油價格的上漲和渣油深加工技術的發展，渣油供不應求，價格隨之上漲，以渣油為原料的生產合成氣(用於合成氨、甲醇、醋酸的生產)成本亦隨之增加，原料路線的調整勢在必行。我國西部大儲量天然氣田的發現和西氣東輸管網的建立，使輻射半徑內的渣油原料合成氨廠客觀上具備了改燒天然氣的可能性。其關鍵是將原渣油燒嘴改為天然氣燒嘴。為此，Texaco公司曾為國內某廠的改造提供了一種兩噴口的天然氣燒嘴，但實踐表明，該燒嘴存在以下問題(1)氣化爐上部燃燒強度大，造成爐頂超溫，影響氣化爐的壽命；(2)甲烷(CH4)轉化率較低，氣化爐出口氣體中CH4＞1.0％，造成原料天然氣利用率下降，並對後續工段的處理帶來麻煩。
鑑於現有技術的上述缺點，生產廠迫切希望科研工作者對現有的天然氣部分氧化制合成氣燒嘴做出改進，提供一種性能更為優異的天然氣部分氧化制合成氣燒嘴。
本發明的目的在於克服現有技術的缺點，發明人設計了一種帶有內分布器的三噴口的天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，它具有混合性能良好，天然氣轉化率高，氣化爐上部燃燒強度適中等優點，可滿足有關廠家對天然氣燒嘴的要求。
發明內容
本發明的構思是這樣的，發明人在長期從事氣化技術研究的基礎上發現，天然氣部分氧化制合成氣技術的優劣主要取決於燒嘴的結構特性，以及燒嘴與爐體匹配形成的流場特徵。
天然氣部分氧化過程通常在高溫(1200～1450℃)下進行，化學反應速度極快，整個氣化過程為混合控制，而混合過程完全由燒嘴的特性所決定，換句話說，燒嘴混合性能的優劣及其與爐體匹配形成的流場特徵決定了天然氣氣化過程的效果。
本發明通過置於燒嘴內部的內分布器，自動將天然氣分為兩股，一股走燒嘴中心噴頭，另一股走燒嘴外環噴頭，而氧氣則通過分布器的圓孔走燒嘴中心噴頭與外環噴頭之間的內環隙噴頭，以及對燒嘴噴頭收縮角改進(減小)、燒嘴頭外側冷卻蛇管的設置，燒嘴的這些改進，產生了顯著的技術效果(1)大大改善了天然氣與氧氣的混合效果，提高了天然氣的利用率，降低了氣化爐出口甲烷含量，提高了有效氣(CO+H2)的產率。(2)避免了局部過氧，降低了氣化爐上部的燃燒強度，防止爐頂超溫。(3)有利於延長燒嘴壽命。
本發明是這樣實現的，發明人按照上述構思設計了一種帶內分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，由內分布器，中心噴頭，內環隙噴頭和外環噴頭組成同心的三噴口燒嘴，氣化劑(氧氣)由燒嘴中心導管通過內分布器上的直孔進入內環隙噴頭，天然氣進入燒嘴外導管後，則分為兩股，一股直接進燒嘴外環噴頭，另一股則通過分布器的斜孔進入燒嘴中心噴頭。
所說的中心導管是指內與分布器連接，外與氧氣管線連接的燒嘴內部流動空間；外導管是燒嘴與天然氣管線連接、走天然氣的空間。
中心導管的頂端為彎頭，通過彎頭上的法蘭與氣化劑管線連接，彎頭下方設有連接法蘭，籍助它使中心導管與外導管的頂端法蘭相配合固接。
外導管與外環噴頭通過機械配合後再固接；外導管頂端設有連接法蘭，籍助它與中心導管上的連接法蘭相配合固接；外導管上部設有原料(天然氣)入口管，通過法蘭與天然氣管線相連接；外導管下部設有連接法蘭，籍助它與氣化爐外殼上的法蘭相固接。
所說的內分布器置於燒嘴內部，起天然氣分配作用，它由鍛件加工而成，上與燒嘴中心導管通過機械配合後固接，下分別與中心噴頭和內環隙噴頭通過機械配合後固接。分布器上開有垂直孔，氣化劑(氧氣)經燒嘴中心導管由垂直孔進入內環隙噴頭；分布器上還開有斜孔，一股天然氣經燒嘴外導管由斜孔進入中心噴頭。
中心噴頭的內收縮半角α為10°～45°，其外側傾角β為30°～80°；內環隙噴頭的內收縮半角γ為30°～80°；中心噴頭的外側傾角τ為30°～80°；外環噴頭的內收縮半角ε為10°～45°。
中心噴頭和內環隙噴頭的同心度通過內分布器保證，而它們與外環噴頭的同心度則由設於分布器外側的精加工的凸緣來保證，即籍助凸緣的外側弧線與外環噴頭內側的柱面相配合，保持同心度。
為了保護燒嘴，在燒嘴頭外側設置了冷卻室，在外環噴頭的外側設置了冷卻蛇管，冷卻液(一般為水)由入口管導入冷卻室，經蛇管後，由出口管排出。
所說的中心噴頭、內環隙噴頭、外環噴頭、冷卻室、冷卻蛇管、內分布器，其材料可以為不鏽鋼，也可為耐高溫的Inconel 600；燒嘴內、外導管一般宜用不鏽鋼材料。
所說的氣化劑可以是空氣或氧氣含量大於21％的富氧空氣或氧氣含量大於98％的純氧，根據具體的工藝要求而定。
本發明的燒嘴不僅可以用天然氣為原料制合成氣，也可以用石腦油、柴油、重油、渣油、瀝青以及其它碳氫化合物或可燃燒的物料來制合成氣。
氣化劑在噴口的速度為10～300m/s，對氣體，其在噴口的速度為10～300m/s，對液體原料，其其在噴口的速度為0.1～20m/s；氧氣與原料(包括天然氣與其它液體原料)中碳量之比為0.5～1.6Nm3/kg。
所說的燒嘴其操作壓力為0.5～12MPa。
下面結合附圖進一步闡明本發明的內容圖1為帶有內分布器的三噴口天然氣燒嘴的外形正視圖。
圖2為帶有內分布器的三噴口天然氣燒嘴的A-A部分的剖視圖。
其中1——三噴口天然氣燒嘴主要由中心噴頭、內環隙噴頭、外環噴頭和內分布器組合而成；2——冷卻系統，它主要由冷卻室23、冷卻液入口管3、冷卻液出口管5和蛇管4構成；3——冷卻液入口管，它一端與冷卻室23相通；4——蛇管，它繞於燒嘴的外側，一端與冷卻室23相通，另一端與冷卻液出口管5相連；5——冷卻液出口管，它與蛇管4相連；6——連接法蘭，它與氣化爐上的法蘭相固接；
7——原料入口，原料由此進入燒嘴外導管12；8——氣化劑入口，氣化劑由此進入燒嘴中心導管11；9——連接法蘭；10——連接法蘭；11——燒嘴中心導管；12——燒嘴外導管；13——連接法蘭；14——連接法蘭；15——中心通道，由燒嘴中心導管11形成的氣化劑通道；16——外通道，由燒嘴外導管12和中心導管11形成的天然氣通道；17——內分布器，上端與中心導管11相配合固接，下端與中心噴頭22和內環隙噴頭21相固接，同時保證中心噴頭和內環隙噴頭之間的同心度；18——內分布器直孔，與中心通道15與內環隙噴口21a相通；19——內分布器斜孔，與外通道16和中心噴口20a相通；20——中心噴頭，上端與內分布器相配合固接；20a——中心噴口；21——內環隙噴頭，上端與內分布器相配合固接；21a——內環隙噴口；22——外環噴頭，上端與外導管12相配合固接；22a——外環噴口；23——冷卻室，它位於外環噴頭外側端部，是由外環噴頭的外側面24，過度凸緣25，以及端面27所構成的環形空間，其上分別設有冷卻液進口26和相應的出口(與26對稱，圖中未標出)，並通過設置其上的冷卻液入口管3和環形蛇管4分別引導冷卻液的進出；24——外環噴頭外側面；25——過度凸緣，它固接在外環噴頭外側面上；26——冷卻液進出口，設置在過度凸緣25上，其中進水口的另一端與冷卻液入口管3相連接，出水口的另一端與蛇管4相連接；27——端面，固接在外環噴頭22上；28——凸緣，它設置在內分布器外側，通過它保證外環噴頭22與內環隙噴頭21之間的同心度；α——中心噴頭的內收縮角；β——中心噴頭外側的傾角；γ——內環隙噴頭的內收縮半角；τ——內環隙噴頭外側的傾角；ε——外環噴頭的內收縮半角。
氣化劑由入口管8進入中心通道15，通過內分布器17上的垂直孔18進入內環隙噴頭21與中心噴頭20形成的通道，增速後由內環隙噴口21a噴出；天然氣由入口管7進入外通道16，一股通過內分布器17上的斜孔19進入中心噴頭20內，增速後由中心噴口20a噴出；另一股直接進入內環隙噴頭21與外環噴頭22形成的通道，增速後由外環噴口22a噴出。氣化劑與天然氣在噴口處進行劇烈混合，同時在高溫下進行部分氧化反應，即氣化反應。
內分布器17的主要功能是將燒嘴外通道中的一部分天然氣導入燒嘴中心噴頭，形成兩股天然氣中間夾氣化劑的局面，從而強化混合，提高天然氣轉化率。
中心噴頭的內收縮半角α為10°～45°，其外側傾角β為30°～80°；內環隙噴頭的內收縮半角γ為10°～45°；中心噴頭的外側傾角τ為30°～80°；外環噴頭的內收縮半角ε為10°～45°。
外來的冷卻液經入口管3進入冷卻室23中，然後再經蛇管4由出口管5排出。通過冷卻室、蛇管中冷卻液的冷卻可有效地保護燒嘴，提高燒嘴的使用壽命。
按照本發明的構思和附圖展示的內容，製成的帶有內分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，經試用有如下的技術效果當天然氣成分為CH495.15(vol％)、C2H60.91(vol％)、C3H80.14(vol％)、CO23.80(vol％)、S 20ppm時，以98％的純氧為氣化劑，氣化結果合成氣中主要組分為CO+H2(vol％)92.85％，比現有燒嘴至少提高1個百分點，合成氣中殘餘的CH4比現有技術有明顯下降。
總之，本發明的燒嘴設計時保持了現有燒嘴外型尺寸不變，這樣有利於現有工廠更換使用(毋須改變配管結構)，又克服了其存在的缺點，即提高了天然氣轉化率和有效氣(CO+H2)產率，降低了氣化爐上部的燃燒強度，增加了氣化爐的安全度和使用壽命，從而顯著推進了現有工業裝置的技術進步。
權利要求
1.一種帶有內分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，其特徵在於所說的燒嘴系由中心噴頭、內環隙噴頭、外環噴頭，以及內分布器、冷卻系統諸零部件組合而成的同心的三噴口燒嘴，其中，所說的中心噴頭20，它與內分布器17通過機械配合後相固接，它通過內分布器上均勻分布的斜孔19與燒嘴外導管12相通；中心噴頭20的內收縮半角α為10°～45°，其外側傾角β為30°～80°；中心噴頭藉助內分布器17保持與內環隙噴頭21的同心度；所說的內環隙噴頭21，它與內分布器17通過機械配合後相固接，它通過內分布器上均勻分布的垂直孔18與燒嘴中心導管相通；在中心導管11的頂端設有連接法蘭10，藉助它與外導管上的聯接法蘭9相配合固接，在中心導管的上部設有氣化劑入口管8，在入口管8的上方還設有連接法蘭14，藉助它與氣化劑管線相連接；內環隙噴頭29的內收縮半角γ為10°～45°；中心噴頭28的外側傾角τ為τ為30°～80°；內環隙噴頭21藉助內分布器17保持與中心噴頭20的同心度；所說的外環噴頭，它與外導管12通過機械配合後相固接；在外環導管12的頂端設有聯接法蘭9，藉助它與中心導管上的聯接法蘭10相配合固接，在外環導管12的上部設有燃料入口管7，在入口管7的下方還設有連接法蘭6，藉助它與氣化爐外殼上的法蘭相固接；外環噴頭的內收縮半角ε為10°～45°；所說的內分布器17置於燒嘴內部，起天然氣分配作用，它由鍛件加工而成，上與燒嘴中心導管11通過機械配合後固接，下分別與中心噴頭20和內環隙噴頭21通過機械配合後固接；分布器上開有垂直孔18，氣化劑經中心通道15由垂直孔18進入內環隙噴頭21內；分布器上還開有斜孔19，一股天然氣經外通道16由斜孔19進入中心噴頭20內；分布器外側設有凸緣28，藉助它保持外環噴頭22與內環隙噴頭21之間的同心度；所說的冷卻系統2，主要由冷卻室23與蛇管4構成，冷卻液由入口管3進入冷卻室23，再經蛇管4後由出口管5排出；冷卻室23設置於燒嘴噴口端的外側，分別由外環噴頭的外側面24、過渡凸緣25、短環管26，以及端面27所形成的空間組成；蛇管4設置在燒嘴下半部的外側；所說的冷卻液一般為水，也可為其它安全的液體。
2.如權利要求1所述的燒嘴，其特徵在於所說的氣化劑是空氣、氧含量大於21％的富氧空氣或氧含量大於98％的純氧。
3.如權利要求1或2之一所述的燒嘴，其特徵在於氣化劑的流速為10～300m/s，天然氣流速為10～300m/s。
4.如權利要求1～3之一所述的燒嘴，其特徵在於氣化劑中的氧與燃料中的碳之比為0.50～1.60Nm3/kg。
5.如權利要求1～4之一所述的燒嘴，其特徵在於氣化燒嘴的適用壓力為0.5～12.0MPa。
6.如權利要求1所述的燒嘴，其特徵在於該燒嘴也適用於以石腦油、柴油、重油、渣油、瀝青以及其它碳氫化合物或可燃燒的物料為原料製取合成氣，當用液體原料時，原料流速為0.1～20m/s。
7.一種帶有內分布器的天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，其特徵在於該燒嘴也適用於還原氣的生產。
全文摘要
本發明公開了一種帶有內分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，它主要由中心噴頭、內環隙噴頭、外環噴頭、內分布器和冷卻系統諸零部件組合安裝而成。氣化劑由入口管進入中心導管，通過內分布器上的垂直孔進入內環隙噴頭與中心噴頭形成的通道，增速後由內環隙噴口噴出；天然氣由入口管進入外導管，一股通過內分布器上的斜孔進入中心噴頭，增速後由中心噴口噴出；另一股直接進入內環隙噴頭與外環噴頭形成的通道，增速後由外環噴口噴出。由於本發明的燒嘴在其噴口處形成了兩股天然氣夾氣化劑的流動形態，促進了氣化劑與天然氣的快速均勻混合，從而提高天然氣的轉化率和氣化爐出口的有效氣含量。通過提高氣體流速和縮小噴口收縮角，降低了氣化爐上部的燃燒強度。此外通過設置冷卻系統，良好地保護了燒嘴，延長了燒嘴的使用壽命。
文檔編號C01B3/00GK1417106SQ0215114
公開日2003年5月14日 申請日期2002年12月6日 優先權日2002年12月6日
發明者王輔臣, 龔欣, 劉海峰, 於廣鎖, 王亦飛, 周志傑, 代正華, 於遵宏 申請人:華東理工大學