分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴的製作方法

2023-05-20 11:31:46

專利名稱：分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種噴嘴裝置，尤其涉及一種能夠實現高灰、高灰熔點煤種幹排渣的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，屬於煤氣煤炭技術領域。
背景技術：
大規模加壓氣流床煤氣化技術是未來潔淨煤技術的核心，是發展煤基化工產品 (合成氨、制甲醇、二甲醚等)、煤基多聯產、IGCC發電、大規模製氫、燃料電池等工業的基礎，是實現汙染物近零排放的煤基高效能源系統的核心技術和龍頭技術，代表了當今煤氣化技術的發展方向。目前TexaC0、E-gas、Shell、Prenfl0和GSP等大型加壓氣流床煤氣化工藝已實現了 2000t/d規模的工業示範，並達到商業化水平。但上述加壓氣流床氣化技術均採用液態排渣方式，對入爐煤的灰熔融溫度有嚴格的要求，一般要求煤灰熔融溫度FT低於1400°C以下，否則必須添加助熔劑或提高氣化溫度來滿足液態排渣工藝的需要，而採用上述兩種措施則相應增加了排渣量、排渣熱損失、氧耗量，同時降低了氣化爐的使用壽命。
我國動力用煤具有高灰(平均灰含量達25 27%)、高灰熔點(FT> 1400°C)的 「雙高」特點，高灰熔點煤佔我國煤炭產量和保有儲量的和57%左右。大量「雙高」煤種無法滿足現有的液態排渣型加壓氣流床氣化技術的排渣工藝要求。針對現有液態排渣型加壓氣流床氣化技術無法適用我國大量「雙高」煤種的難題，開發適合我國「雙高」煤種幹排渣的新型分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，可彌補現有液態排渣型加壓氣流床氣化裝置不適用「雙高」煤種的不足，擴大加壓氣流床氣化技術對煤種的適應範圍，對推廣大規模加壓氣流床氣化技術在我國的大面積應用，實現煤炭清潔、高效利用具有十分重要的現實意義和廣闊的發展前景。發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，通過噴嘴的綜合作用確保爐內燃燒區域溫度低於煤灰熔融溫度至少100°c，保證氣化室出口的灰渣為非熔融的固態渣，從而達到可控火焰幹排渣的目的。
為實現以上目的，本發明通過如下技術方案解決其技術問題
一種分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，安裝於氣化爐上，其包括一主燃料噴嘴、兩水蒸氣噴嘴和兩二段供氧噴嘴，所述主燃料噴嘴位於所述氣化爐頂部，並開口通向該氣化爐爐膛內，該主燃料噴嘴同時連接水煤漿源、氧氣源和水蒸氣源，所述兩水蒸氣噴嘴左右對稱地設置在所述燃料噴嘴下方氣化爐爐拱的兩側，並同時連接氧氣源和水蒸氣源且開口通向氣化爐爐膛內，所述兩二段供氧噴嘴前後各一地位於該水蒸氣噴嘴下方，並且同軸水平地開口相對設置，該兩二段供氧噴嘴同時連接氧氣源和水蒸氣源且開口通向氣化爐爐膛內。
本發明所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，其主燃料噴嘴的軸線與所述氣化爐爐膛的軸線重合，所述兩水蒸氣噴嘴的軸線與所述氣化爐爐膛的軸線所成夾角α為35° 65°，所述兩二段供氧噴嘴的軸線與該兩水蒸氣噴嘴的軸線所成空間夾角為90°且垂直於所述氣化爐爐膛的軸線；所述主燃料噴嘴由中心噴管、外一環噴管、外二環噴管以及外三環噴管組成同軸四通道的層層相套結構，該中心噴管內的空間形成通入氧氣的中心通道，該中心噴管外壁與外一環噴管內壁之間的環隙空間形成通入水煤漿的外一環通道，該外一環噴管外壁與外二環噴管內壁之間的環隙空間形成通入水蒸氣的外二環通道，該外二環噴管外壁與外三環噴管內壁之間的環隙空間形成通入氧氣的外三環通道，所述中心噴管、外一環噴管、外二環噴管和外三環噴管的頭部的管壁呈漸縮狀且分別形成開口的中心噴頭、外一-環噴頭、外二環噴頭和外—三環噴頭；所述中心噴頭內彳壁的內收封言角A為15° 『 60°，其外達的外側傾角B為30° 60°；所述外一環噴頭內塵的內收縮角Al為30°廣 60°，其外I圭的外側傾角Bl為20° 『80°；所述外二環噴頭內_■的內收縮角Α2為30° 『 60°，其外■I的外側傾角Β2為20° -80°；所述外三環噴頭內壁■的內收縮角A3為30° 『 60°，其外 _的外側傾角Β3為20° --80°；所述兩水蒸氣噴嘴和兩二段供氧噴嘴頭部的管壁呈漸縮狀；所述氧氣與水蒸氣在所述兩水蒸氣噴嘴及兩二段供氧噴嘴內混合後噴入所述氣化爐的爐膛；所述兩二段供氧噴嘴的供氧量佔全部供氧量的15% 25%。
本發明的工作原理為，採用分級供氧控溫與水蒸氣控溫相結合的技術措施，並結合必要的先進自控手段(可基於爐內合成氣組成及時調節氧/煤比、一段/ 二段供氧比例、 噴入水蒸氣量以防止爐內瞬間高溫的發生)，達到削平爐內燃燒區域的尖鋒溫度分布、延長爐內燃燒區域、降低燃燒強度及火焰溫度的目的，確保爐內燃燒區域溫度低於煤灰熔融溫度以下100°C，從而保證氣化室出口的灰渣為非熔融的固態渣，防止氣化室出口發生結渣、 堵塞現象；同時通過爐拱兩側的兩隻水蒸氣噴嘴與其下方水平布置的兩隻二段供氧噴嘴的射流撞擊作用，還可進一步增強爐內煤焦顆粒與氣化劑的混合強度及煤焦表面灰殼的破碎機率，極大地延長了煤焦顆粒在燃燒區域內的平均停留時間，在相當大程度上提高了氣化反應速率和碳轉化率。
本發明所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴綜合採用兩段供氧控溫技術、水蒸氣控溫技術和基於爐內合成氣組成變化及時調節供氧-水蒸氣流量的調溫技術，有效地降低了爐內的燃燒強度及火焰溫度，始終控制了爐內燃燒區域溫度低於煤灰熔融溫度至少100°c，從而達到了氣化室出口的灰渣為非熔融固態渣的目的；同時加大了煤焦顆粒與氣化劑的混合強度及煤焦表面灰殼的破碎機率，從而提高了氣化反應速率和碳轉化率。
本發明解決了現有液態排渣型加壓氣流床氣化爐燃用我國「雙高」煤種所面臨的排渣困難等一系列難題，擴大了加壓氣流床氣化技術對我國「雙高」煤種的適應範圍，實現了我國「雙高」煤種在大規模加壓氣流床氣化裝置上的工業應用。本發明能夠滿足我國大量 「雙高」煤種大規模氣化的需要，具有較高的碳轉化率和冷煤氣效率，日處理量可達2000t/d 左右，具有十分重要的現實和工業應用意義。


圖1是本發明的系統結構示意圖。
圖2是本發明主燃料噴嘴的剖面圖。
圖3是圖2的局部放大圖。
圖4是本發明二段水蒸氣噴嘴的安裝位置示意圖。
圖中，
1主燃料噴嘴，2水蒸氣噴嘴，3 二段供氧噴嘴，4外三環通道，5外二環通道，6外一環通道，7中心通道，8中心噴管，9外一環噴管，10外二環噴管，
11外三環噴管，12外三環噴頭，13外一環噴頭，14中心噴頭，15外二環噴頭；
A中心噴頭內收縮角，B中心噴頭外側傾角，Al外一環噴頭內收縮角，
Bl外一環噴頭外側傾角，A2外二環噴頭內收縮角，B2外二環噴頭外側傾角，
A3外三環噴頭內收縮角，B3外三環噴頭外側傾角，
α水蒸氣噴嘴與氣化爐的軸線夾角。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提下給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不僅限於下述的實施例。
如圖1所示，本發明所述分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴安裝於氣化爐上，其包括單只主燃料噴嘴1，兩隻水蒸氣噴嘴2和兩隻二段供氧噴嘴3，通過五個噴嘴的綜合作用達到可控火焰幹排渣的目的。
所述的主燃料噴嘴1位於氣化爐的頂部，並且其開口通向該氣化爐爐膛內，該主燃料噴嘴1的軸線與氣化爐爐膛的垂直軸線重合。所述主燃料噴嘴1同時連接水煤漿源、 氧氣源和水蒸氣源，以向氣化爐爐膛內噴射水煤漿、一段氧氣和水蒸氣。請參閱圖2，所述主燃料噴嘴1由中心噴管8、外一環噴管9、外二環噴管10以及外三環噴管11組成，該四噴管 8、9、10和11同心層層相套，形成同軸四通道的結構。該中心噴管8內的空間形成中心通道 7，該中心通道7用以通入氧氣；該中心噴管8的外壁與外一環噴管9的內壁之間的環隙空間形成外一環通道6，該外一環通道6用以通入水煤漿；同樣，該外一環噴管9的外壁與外二環噴管10的內壁之間的環隙空間形成通入水蒸氣的外二環通道5，該外二環噴管10的外壁與外三環噴管11的內壁之間的環隙空間形成通入氧氣的外三環通道4。所述中心噴管8、 外一環噴管9、外二環噴管10和外三環噴管11的頭部的管壁呈漸縮狀且設有開口，該四噴管8、9、10和11的頭部分別形成噴嘴結構的中心噴頭14、外一環噴頭13、外二環噴頭15和外三環噴頭12。再請參閱圖3，所述中心噴頭14內壁的內收縮角A為15° 60°，其外壁的外側傾角B為30° 60° ；所述外一環噴頭13內壁的內收縮角Al為30° 60°，其外壁的外側傾角Bl為20° 80° ；所述外二環噴頭15內壁的內收縮角Α2為30° 60°， 其外壁的外側傾角Β2為20° 80° ；所述外三環噴頭12內壁的內收縮角A3為30° 60°，其外壁的外側傾角Β3為20° 80°。
再請參閱圖4，所述的兩隻水蒸氣噴嘴2左右對稱地設置於所述燃料噴嘴1的下方，分布在氣化爐爐拱的兩側，該兩水蒸氣噴嘴2同時連接氧氣源和水蒸氣源，並且開口通向氣化爐爐膛內，二段氧氣與水蒸氣在該兩水蒸氣噴嘴2內混合後噴入所述氣化爐的爐膛。所述兩水蒸氣噴嘴2的軸線與所述氣化爐爐膛的軸線所成夾角α為35° 65°，具體的角度根據爐型等因素在上述範圍內調整。所述兩水蒸氣噴嘴2頭部的管壁呈漸縮狀且設有開口，在該噴頭末端開口處均勻布置有節流孔。
所述的兩隻二段供氧噴嘴3前後各一地位於水蒸氣噴嘴2的下方，並且該兩二段供氧噴嘴3開口相對、同水平軸線地設置，其軸線與該兩水蒸氣噴嘴2的軸線所成空間夾角為90°且垂直於所述氣化爐爐膛的軸線。該兩二段供氧噴嘴3同時連接氧氣源和水蒸氣源，並且開口通向氣化爐爐膛內，二段氧氣與水蒸氣在該兩二段供氧噴嘴3內混合後噴入所述氣化爐的爐膛，所述兩二段供氧噴嘴3的供氧量佔全部供氧量的15% 25%。。兩二段供氧噴嘴3頭部的管壁呈漸縮狀且設有開口，在該噴頭末端開口處均勻布置有節流孔。
本發明所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴工作時，水煤漿輸送的流程為採用濃度為40% 70%的水煤漿與一段氧氣(約佔供氧總量的80% )、水蒸氣一起通過位於氣化爐頂部的主燃料噴嘴1進入氣化爐，煤粉氣流被高溫回流氣體迅速加熱， 發生脫揮發分、熱解產物燃燒以及煤焦的部分燃燒與氣化反應等過程；二段氧氣與水蒸氣以一定比例混合後經爐拱兩側的水蒸氣噴嘴2及下方的二段供氧噴嘴3及時補入，噴入的水蒸氣可有效地控制爐內溫度，避免局部瞬時高溫的形成，噴入的氧氣與熱解產物、合成氣等發生氣相反應，形成二次高溫區以提供煤焦-CO2/H2O等主要氣化反應所需的熱量；經過充分氣化反應後粗煤氣與灰渣一同離開氣化室進入後續環節。
本發明通過分級供氧與水蒸氣控溫相結合將火焰溫度控制在不超過煤灰熔融溫度以下100°C，滿足了我國大量「雙高」煤種(高灰(灰含量25 27%)，高灰熔點(FT> 1400°O)大規模氣化的需要。
本發明採取了如下三項措施，達到了預期的技術效果
第一，分級供氧控溫主燃料噴嘴1與二段供氧噴嘴3分級供氧，主燃料噴嘴1的供氧比例約80%，從而使主燃料噴嘴1處的氧氣量擺脫爐內反應的碳氧化學當量比約束， 煤粉燃燒反應初期氧量不足，燃燒區域溫度較低(控制在煤灰熔融溫度以下100°C )，剩餘氧量由二段供氧噴嘴3及時補入，氧氣與熱解產物、合成氣等發生氣相反應，形成二次高溫區以提供煤焦-CO2/H2O等氣化反應所需的熱量；通過調節一段供氧與二段供氧之間的比例，可在氧/煤比保持不變的情況下進一步實現爐內燃燒區域溫度在150°C溫度範圍內的調節。
第二，水蒸氣控溫進入氣化爐的水蒸氣一部分通過主燃料噴嘴1的外二環通道5 進入氣化爐，降低了主燃料噴嘴1端部的溫度，有效延長噴嘴壽命；其餘水蒸氣在與二段氧氣混合後分別從水蒸氣噴嘴2和二段供氧噴嘴3進入氣化爐，拉長了燃燒火焰，提高了氣化爐下部溫度，氣化爐內溫度分布更加均勻，從而實現對水煤漿燃燒火焰的控制。通過及時調節水蒸氣流量，可防止爐內瞬間高溫的產生，確保爐內灰渣為非熔融的固態渣。
第三，基於爐內合成氣成分調節供氧/水蒸氣為防止運行過程中因瞬間0/C摩爾比過大而導致的爐內燃燒區域溫度過高(高於煤灰熔融溫度)及部分煤灰發生熔融現象， 採用先進的自控手段，根據氣化爐出口處合成氣組成的變化及時調節氧/煤比、一段供氧與二段供氧(必要時還可適當增加水蒸氣噴入量)，及時調整爐內氣化溫度，使氣化溫度長期穩定在低於入爐煤灰熔融溫度以下100°c，確保幹排渣長期、安全、穩定的進行。
權利要求
1.一種分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，安裝於氣化爐上，其特徵在於所述組合噴嘴包括一主燃料噴嘴、兩水蒸氣噴嘴和兩二段供氧噴嘴，所述主燃料噴嘴位於所述氣化爐頂部，並開口通向該氣化爐爐膛內，該主燃料噴嘴同時連接水煤漿源、氧氣源和水蒸氣源，所述兩水蒸氣噴嘴左右對稱地設置在所述燃料噴嘴下方氣化爐爐拱的兩側，並同時連接氧氣源和水蒸氣源且開口通向氣化爐爐膛內，所述兩二段供氧噴嘴前後各一地位於該水蒸氣噴嘴下方，並且同軸水平地開口相對設置，該兩二段供氧噴嘴同時連接氧氣源和水蒸氣源且開口通向氣化爐爐膛內。
2.根據權利要求1所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，其特徵在於所述主燃料噴嘴的軸線與所述氣化爐爐膛的軸線重合，所述兩水蒸氣噴嘴的軸線與所述氣化爐爐膛的軸線所成夾角α為35° 65°，所述兩二段供氧噴嘴的軸線與該兩水蒸氣噴嘴的軸線所成空間夾角為90°且垂直於所述氣化爐爐膛的軸線。
3.根據權利要求1或2所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，其特徵在於所述主燃料噴嘴由中心噴管、外一環噴管、外二環噴管以及外三環噴管組成同軸四通道的層層相套結構，該中心噴管內的空間形成通入氧氣的中心通道，該中心噴管外壁與外一環噴管內壁之間的環隙空間形成通入水煤漿的外一環通道，該外一環噴管外壁與外二環噴管內壁之間的環隙空間形成通入水蒸氣的外二環通道，該外二環噴管外壁與外三環噴管內壁之間的環隙空間形成通入氧氣的外三環通道，所述中心噴管、外一環噴管、外二環噴管和外三環噴管的頭部的管壁呈漸縮狀且分別形成開口的中心噴頭、外一環噴頭、外二環噴頭和外三環噴頭。
4.根據權利要求3所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，其特徵在於所述中心噴頭內壁的內收縮角A為15° 60°，其外壁的外側傾角B為30° 60° ；所述外一環噴頭內壁的內收縮角Al為30° 60°，其外壁的外側傾角Bl為20° 80° ；所述外二環噴頭內壁的內收縮角Α2為30° 60°，其外壁的外側傾角Β2為20° 80° ；所述外三環噴頭內壁的內收縮角A3為30° 60°，其外壁的外側傾角Β3為20° 80°。
5.根據權利要求1所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，其特徵在於所述兩水蒸氣噴嘴和兩二段供氧噴嘴頭部的管壁呈漸縮狀。
6.根據權利要求1所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，其特徵在於所述氧氣與水蒸氣在所述兩水蒸氣噴嘴及兩二段供氧噴嘴內混合後噴入所述氣化爐的爐膛。
7.根據權利要求1所述的分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，其特徵在於所述兩二段供氧噴嘴的供氧量佔全部供氧量的15% 25%。
全文摘要
一種分級供氧、可控火焰水煤漿氣流床組合噴嘴，安裝於氣化爐上，其由位於爐頂的主燃料噴嘴、位於爐拱兩側的兩水蒸氣噴嘴和水平對衝布置的兩二段供氧噴嘴組合而成，所述各噴嘴分別連接水煤漿源、氧氣源和水蒸氣源且開口通向氣化爐爐膛內。本發明通過採用由分級供氧控溫技術與水蒸氣控溫技術相結合的先進控溫技術，有效地降低了爐內的燃燒強度及火焰溫度，達到了氣化室出口的灰渣為非熔融固態渣的目的，同時提高了氣化反應速率和碳轉化率，從而實現了我國「雙高」煤種大規模加壓氣流床氣化的固態排渣，因而特別適合我國高灰(25～27％)、高灰熔點(FT＞1400℃)煤種大規模氣化裝置上的工業應用。
文檔編號B05B7/06GK102492477SQ20111035791
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者張健, 張忠孝, 胡世磊 申請人:上海交通大學