一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法与流程

本发明涉及洁净能源煤气化、燃烧技术领域。

背景技术：

气流床煤气化技术具有大型化、洁净、碳转化率高、煤种适应性较强等特点，是当今煤气化技术发展的主要方向，但在劣质煤、生物质及其混合物的气化方面仍然面临煤种适应性、经济性、可靠性和合成气H2/CO比例无法调节等的挑战。利用一种双涡快速流化床低温热解耦合弱旋旋风气化炉高温碳转化研发的一种劣质煤热壁炉、水冷壁炉分段耦合气化技术能够应对这种挑战,同所有气流床一样，分段耦合气化系统的弱旋旋风气化炉必须配置性能优良、安全可靠的烧嘴。

国内外对气流床气化炉烧嘴的研发一直在进行不懈的努力：现有技术描述了一种气冷烧嘴，焊接在烧嘴管上的陶瓷环在高温下证明并不可靠；现有技术描述了一种气冷烧嘴,所述薄壁陶瓷罩管在内外压差较大时难以有效实现。

现有技术描述了一种烧嘴，所述的采用形状锁合陶瓷覆层处理烧嘴管内外表面和采用金属尘化耐久的金属合金制作烧嘴管端部只能一定程度延长烧嘴寿命，并未提供可靠的烧嘴冷却方案；现有技术还描述了一种水冷烧嘴，仍然采用煤粉燃料和1400℃操作温度，防磨、防辐射性能没有得到有效改善；中国的实际运行经验表明，所谓最有效单一水冷保护的集中火焰烧嘴并不可靠，所以，现有技术描述的一种可充分水冷烧嘴因仍然采用煤粉燃料和单一集中火焰并不可靠；现有技术还描述了一种水冷组合式多喷嘴燃烧器，由于仍为单一集中火焰设计，并且所述三层水冷夹套不仅运行费用高而且结构复杂，导致向火受热面面积增大、因热应力集中及高温腐蚀性损坏泄露的几率明显加大；现有技术还描述了一种水冷可燃粉体旋流燃烧器，气化剂集中喷入于炉体中心，用于燃烧和气化的旋转粉体位于气化剂的外环，不利于两者混合，推迟的气化进程会使先行旋转分离的粉体旋入到渣膜中，对保证高碳转化率和高气化效率均会产生不利影响。

综上，目前所有气流床气化炉烧嘴的可靠性面临三个主要问题：磨损、烧蚀、水冷系统泄露。由于烧嘴的可靠性基本等同于气流床气化炉的可靠性，解决烧嘴的磨损、烧蚀、水冷系统泄露问题意义重大。

技术实现要素：

本发明为了解决因磨损、烧蚀、水冷系统泄露造成气流床气化炉烧嘴可靠性差的问题，本发明提供了一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法。

一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法，所述的综合冷却式多重小火焰烧嘴包括固定在同一法兰盘上的一个启动烧嘴和N个运行烧嘴，且N个运行烧嘴沿启动烧嘴周向均匀分布，N个运行烧嘴的结构相同；N为大于或等于2的整数；

所述的启动烧嘴由氧化剂通道、燃料气环形通道、水蒸汽冷却环形通道和点火通道构成，并且氧化剂通道、燃料气环形通道和水蒸汽冷却环形通道由内至外依次嵌套，

点火通道位于氧化剂通道内，且贯穿氧化剂通道，

水蒸汽冷却环形通道的内环壁上盘绕有多层水冷管，并形成循环回路；

水蒸汽冷却环形通道的底部出气口处嵌入有水蒸汽旋流器；水蒸汽冷却环形通道内通入的水蒸汽用于冷却燃料气环形通道，

水蒸汽旋流器用于使水蒸汽冷却环形通道内的水蒸汽形成旋流，然后喷入到气化炉内，

氧化剂通道、燃料气环形通道、水蒸汽冷却环形通道和点火通道底部连通；

每个运行烧嘴由气化剂通道、粗煤气环形通道、气化剂冷却环形通道和燃料气喷管构成，且气化剂通道、粗煤气环形通道和气化剂冷却环形通道由内至外依次嵌套，

燃料气喷管位于气化剂通道内，且贯穿气化剂通道，用于发生值班火焰，

气化剂冷却环形通道的内环壁上盘绕有多层水冷管，并形成循环回路；

气化剂冷却环形通道的底部出气口处嵌入有气化剂旋流器；气化剂冷却环形通道内通入的气化剂冷却气用于冷却粗煤气环形通道，

气化剂旋流器用于使气化剂冷却环形通道内的气化剂冷却气形成旋流，然后喷入到气化炉内，

粗煤气环形通道的底部出气口处嵌入有环形导流板；

气化剂通道、粗煤气环形通道、气化剂冷却环形通道和燃料气喷管底部连通；

多重小火焰烧嘴的工作方法包括如下步骤：

(一)、多重小火焰烧嘴的引燃过程：

步骤一一，分别向氧化剂通道和燃料气环形通道通入氧化剂气体和燃料气，使氧化剂气体和燃料气在启动烧嘴的底部混合，同时向水蒸汽冷却环形通道的内环壁上盘绕水冷管内通入冷却水；

步骤一二，将点火枪的引燃部伸入到点火通道的底部进行点火，启动烧嘴稳燃后，分别由气化剂通道和粗煤气环形通道通入气化剂气体和粗煤气，并使气化剂气体和粗煤气在运行烧嘴底部混合，同时向气化剂冷却环形通道的内环壁上盘绕的水冷管内通入冷却水，向水蒸汽冷却环形通道通入水蒸气；

步骤一三，通过启动烧嘴稳燃火焰将运行烧嘴引燃、稳燃后，停止向氧化剂通道和燃料气环形通道通入氧化剂气体和燃料气，待启动烧嘴的火焰熄灭后，分别向氧化剂通道和燃料气环形通道通入水蒸汽，向气化剂冷却环形通道内通入气化剂冷却气，从而完成对多重小火焰烧嘴的引燃、稳燃；

(二)、多重小火焰烧嘴的熄灭过程：

首先，停止向粗煤气环形通道内输送粗煤气、再停止向气化剂通道内通入气化剂气体，最后停止向气化剂冷却环形通道的内环壁上盘绕的水冷管内通入冷却水，及停止向气化剂冷却环形通道内通入气化剂冷却气，从而完成对多重小火焰烧嘴的熄灭。

启动烧嘴还包括1号锥形扩散管，1号锥形扩散管的小端固定在氧化剂通道底部，并且二者连通，点火通道贯穿于氧化剂通道和1号锥形扩散管构成的通道。

所述的1号锥形扩散管、燃料气环形通道、水蒸汽冷却环形通道和点火通道的底部平齐。

综合冷却式多重小火焰烧嘴还包括2号锥形扩散管，2号锥形扩散管的小端固定在气化剂通道底部，并且二者连通，燃料气喷管贯穿于气化剂通道和2号锥形扩散管构成的通道。

所述的2号锥形扩散管、粗煤气环形通道和气化剂冷却环形通道的底部平齐。

所述的环形导流板的环形端面上沿周向均匀分布多个通孔。

所述的多个通孔平行设置，所述通孔为直孔或斜孔。

综合冷却式多重小火焰烧嘴还包括N+1个工业摄像机，每个运行烧嘴顶部固定一个工业摄像机，启动烧嘴顶部固定一个工业摄像机。

所述的水冷管采用15CrMo耐热材料实现。

所述的一个启动烧嘴和N个运行烧嘴采用氧化铝铁合金、HAYNES 188合金或耐热钢制作而成。

烧嘴磨损源于颗粒燃料的高浓度与高流速；烧嘴烧蚀源于气流床高而集中的热负荷；水冷系统泄漏源于气流床高而集中的热负荷、低换热强度、复杂的结构、向火受热面多等原因加大了热应力集中和高温腐蚀破坏几率。

本发明带来的有益效果是，本发明将燃煤粉/水煤浆高速烧嘴转化为燃粗煤气低速烧嘴；单一集中火焰分解为多重火焰，各重火焰以小火焰方式实施，既能分散集中热负荷又便于火焰冷却和冷却系统组织；结构复杂运行费用高的水冷系统重建为结构简单、尽可能减小向火受热面、运行费用低、可靠性高的水冷、气冷综合冷却系统。

本发明还解决燃料和温度径向分布的不均匀性和改善渣膜形成厚度与均匀性问题。

附图说明

图1和图2均为本发明所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的结构示意图；

图3为启动烧嘴的结构示意图；

图4为运行烧嘴的结构示意图；

图5和图6均为环形导流板的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法，所述的综合冷却式多重小火焰烧嘴包括固定在同一法兰盘3上的一个启动烧嘴1和N个运行烧嘴2，且N个运行烧嘴2沿启动烧嘴1周向均匀分布，N个运行烧嘴2的结构相同；N为大于或等于2的整数；

所述的启动烧嘴1由氧化剂通道1-1、燃料气环形通道1-2、水蒸汽冷却环形通道1-3和点火通道1-4构成，并且氧化剂通道1-1、燃料气环形通道1-2和水蒸汽冷却环形通道1-3由内至外依次嵌套，

点火通道1-4位于氧化剂通道1-1内，且贯穿氧化剂通道1-1，

水蒸汽冷却环形通道1-3的内环壁上盘绕有多层水冷管5，并形成循环回路；

水蒸汽冷却环形通道1-3的底部出气口处嵌入有水蒸汽旋流器1-6；水蒸汽冷却环形通道1-3内通入的水蒸汽用于冷却燃料气环形通道，

水蒸汽旋流器1-6用于使水蒸汽冷却环形通道1-3内的水蒸汽形成旋流，然后喷入到气化炉内，

氧化剂通道1-1、燃料气环形通道1-2、水蒸汽冷却环形通道1-3和点火通道1-4底部连通；

每个运行烧嘴2由气化剂通道2-1、粗煤气环形通道2-2、气化剂冷却环形通道2-3和燃料气喷管2-4构成，且气化剂通道2-1、粗煤气环形通道2-2和气化剂冷却环形通道2-3由内至外依次嵌套，

燃料气喷管2-4位于气化剂通道2-1内，且贯穿气化剂通道2-1，用于发生值班火焰，气化剂冷却环形通道2-3的内环壁上盘绕有多层水冷管5，并形成循环回路；

气化剂冷却环形通道2-3的底部出气口处嵌入有气化剂旋流器2-6；气化剂冷却环形通道2-3内通入的气化剂冷却气用于冷却粗煤气环形通道2-2，

气化剂旋流器2-6用于使气化剂冷却环形通道2-3内的气化剂冷却气形成旋流，然后喷入到气化炉内，

粗煤气环形通道2-2的底部出气口处嵌入有环形导流板2-7；

气化剂通道2-1、粗煤气环形通道2-2、气化剂冷却环形通道2-3和燃料气喷管2-4底部连通；

多重小火焰烧嘴的工作方法包括如下步骤：

(一)、多重小火焰烧嘴的引燃过程：

步骤一一，分别向氧化剂通道1-1和燃料气环形通道1-2通入氧化剂气体和燃料气，使氧化剂气体和燃料气在启动烧嘴1的底部混合，同时向水蒸汽冷却环形通道1-3的内环壁上盘绕水冷管5内通入冷却水；

步骤一二，将点火枪的引燃部伸入到点火通道1-4的底部进行点火，启动烧嘴1稳燃后，分别由气化剂通道2-1和粗煤气环形通道2-2通入气化剂气体和粗煤气，并使气化剂气体和粗煤气在运行烧嘴2底部混合，同时向气化剂冷却环形通道2-3的内环壁上盘绕的水冷管5内通入冷却水，向水蒸汽冷却环形通道1-3通入水蒸气；

步骤一三，通过启动烧嘴1稳燃火焰将运行烧嘴2引燃、稳燃后，停止向氧化剂通道1-1和燃料气环形通道1-2通入氧化剂气体和燃料气，待启动烧嘴1的火焰熄灭后，分别向氧化剂通道1-1和燃料气环形通道1-2通入水蒸汽，向气化剂冷却环形通道2-3内通入气化剂冷却气，从而完成对多重小火焰烧嘴的引燃、稳燃；

(二)、多重小火焰烧嘴的熄灭过程：

首先，停止向粗煤气环形通道2-2内输送粗煤气、再停止向气化剂通道2-1内通入气化剂气体，最后停止向气化剂冷却环形通道2-3的内环壁上盘绕的水冷管5内通入冷却水，及停止向气化剂冷却环形通道2-3内通入气化剂冷却气，从而完成对多重小火焰烧嘴的熄灭。

本实施方式，便于制作和维护多重小火焰烧嘴，使一个启动烧嘴1和N个运行烧嘴2分立安装在同一法兰盘3上，同一法兰盘3为气化炉炉顶密封固定法兰。

氧化剂通道1-1可为圆形通道，燃料气环形通道1-2为圆环形通道，水蒸汽冷却环形通道1-3为圆环形通道，水蒸汽旋流器1-6用于发生水蒸汽旋流，冷却保护炉顶区域；

多层水冷管5内置于水蒸汽冷却环形通道1-3内，与其内环壁形状锁合，多层水冷管5与水蒸汽冷却环形通道1-3实施整体设计与制作；

多层水冷管5运行压力略高于炉内压力以防意外泄漏导致冷却水系统污染；

多层水冷管5由水蒸汽冷却、清灰，进行四周冷却保护。

气化剂通道2-1用于输入气化剂，所述的气化剂为空气、富氧气体、氧气、水蒸汽、惰性气体保护气的一种或多种。粗煤气环形通道2-2为圆环形通道。

其中，气化剂旋流器2-6用于发生气化剂旋流，冷却保护炉顶非水冷壁区域并促进烧嘴区域水冷壁壁面渣膜的形成与均匀化；

其中，气化剂冷却环形通道2-3的内环壁上盘绕的多层水冷管5内置于气化剂冷却环形通道2-3内，与其内环壁形状锁合，多层水冷管5与气化剂冷却环形通道2-3实施整体设计与制作；

气化剂冷却环形通道2-3的内环壁上盘绕的多层水冷管5的运行压力需略高于炉内压力以防意外泄漏导致冷却水系统污染；气化剂冷却环形通道2-3的内环壁上盘绕的多层水冷管5由气化剂冷却、清灰，进行四周冷却保护。

具体实施方式二：参见图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，启动烧嘴1还包括1号锥形扩散管1-7，1号锥形扩散管1-7的小端固定在氧化剂通道1-1底部，并且二者连通，点火通道1-4贯穿于氧化剂通道1-1和1号锥形扩散管1-7构成的通道。

本实施方式，1号锥形扩散管1-7配置于氧化剂通道1-1出口端，用于加强氧化剂和燃料气混合、便于更换，

所述的氧化剂通道1-1用于输入氧化剂，所述的氧化剂为空气、富氧气体、氧气的一种或多种。

具体实施方式三：参见图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，所述的1号锥形扩散管1-7、燃料气环形通道1-2、水蒸汽冷却环形通道1-3和点火通道1-4的底部平齐。

具体实施方式四：参见图1、2和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，综合冷却式多重小火焰烧嘴还包括2号锥形扩散管2-8，2号锥形扩散管2-8的小端固定在气化剂通道2-1底部，并且二者连通，燃料气喷管2-4贯穿于气化剂通道2-1和2号锥形扩散管2-8构成的通道。

本实施方式，2号锥形扩散管2-8配置于气化剂通道2-1出口端，用于加强气化剂与粗煤气燃料混合、便于更换。

具体实施方式五：参见图1、2和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，所述的2号锥形扩散管2-8、粗煤气环形通道2-2和气化剂冷却环形通道2-3的底部平齐。

具体实施方式六：参见图1、2和图4说明本实施方式，，本实施方式与具体实施方式一所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于所述的环形导流板2-7的环形端面上沿周向均匀分布多个通孔。

具体实施方式七：参见图1至图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，所述的多个通孔平行设置，所述通孔为直孔或斜孔。

本实施方式中，所述的环形导流板2-7分直孔环形多孔板、斜孔环形多孔板两种；

所述的直孔环形多孔板用于直流烧嘴小火焰发生、所述的斜孔环形多孔板用于旋流烧嘴小火焰发生；所述的斜孔环形多孔板的斜孔存在径向外倾和周向倾斜的角度，优选地，径向外倾和周向倾斜的角度范围均为4.5°至30°；旋流烧嘴和直流烧嘴的区别仅在于环形导流板2-7的不同，能方便地进行必要的切换；

优选地，粗煤气的流速为2m/s至15m/s，有利于改善烧嘴耐磨损性能；

优选地，所述的粗煤气环形通道2-2输入来自分段耦合气化系统双涡快速流化床输出的粗煤气；但不限于此，也可以输入干粉送料的煤粉、生物质粉料及其混合物的各种固态颗粒燃料，还可以输入高炉煤气、焦炭厂废气等及其混合物的各种气态燃料。

具体实施方式八：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，综合冷却式多重小火焰烧嘴还包括N+1个工业摄像机4，每个运行烧嘴2顶部固定一个工业摄像机4，启动烧嘴1顶部固定一个工业摄像机4。

本实施方式中，所述的工业摄像机4位于氧化剂通道1-1和气化剂通道2-1的最顶端，以便监视气化炉内燃烧状况。

具体实施方式九：参见图1至图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，所述的水冷管5采用15CrMo耐热材料实现。

具体实施方式十：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，所述的一个启动烧嘴1和N个运行烧嘴2采用氧化铝铁合金、HAYNES 188合金或耐热钢等制作而成。

具体实施方式十一：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种综合冷却式多重小火焰烧嘴的工作方法的区别在于，所述的运行烧嘴2顶部工业摄像机4设在氧化剂通道1-1的顶端，启动烧嘴1顶部的工业摄像机4设置在气化剂通道2-1的顶端。