专利名称：部分燃烧烧嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及含碳燃料特别是细粒固态燃料如粉煤部分燃烧烧嘴，其中燃料与含氧气一起送入直至100巴高压下操作的反应空间以制得高压合成气，燃料气或还原气。
固态含碳燃料的部分燃烧也称气化是将燃料与氧反应完成的。燃料中可燃成分主要含碳和氢，这些成分与供入的氧反应(并可能与有可能存在的蒸汽和一氧化碳反应)以形成一氧化碳和氢。在某些温度下也可能形成甲烷。
至少有两种不同的固态燃料部分燃烧方法。第一方法是将粒状固态燃料在反应器里的固定床或流化床中于约1000℃以下与含氧气接触。该法的缺点是并不能使所有种类的固态燃料这样进行部分燃烧。例如，高溶胀煤就不适宜，因为这种煤粒很容易烧结而堵塞反应器。
更有效的方法是将细粒燃料用载气如氮气或合成气以相当高的速度送入反应器。反应器中维持火焰，火焰中燃料于1000℃以上与含氧气反应。含碳燃料以及含氧气一般经过烧嘴送入反应器。某些方法中还将调节气如蒸汽或一氧化碳与经烧嘴送入反应器的含氧气混合;这类调节气常有利于减少或阻止氧与反应气过早地进行接触，而这会使反应气不必要地完全转化。
本烧嘴很适宜于将反应物水平地送入常规并加耐火衬的部分氧化气化器也称为反应器或气化装置的反应区中并特别适宜于具有多个排列在燃烧区周边上的反应气烧嘴的固态燃料气化装置，多个烧嘴射流相互冲击以促进部分氧化装置，多个烧嘴射流相互冲击以促进部分氧化工艺并最大限度地降低耐火壁的腐蚀。
由于火焰温度可超过3000℃或以上，所以这类烧嘴的主要指标是防止烧嘴前端也称为烧嘴面因气化工艺中高热通量和潜在的腐蚀性环境引起的损坏。为防止烧嘴前端过热，一般在烧嘴前端壁外表面上加耐火衬和/或设带内冷通道的空心壁件，让冷却流体以高速在内冷通道中循环。
本发明目的是提出具有一定内部结构的改进烧嘴，其中让冷却流体以特定方式流动以防止可能出现的高腐蚀速度并均匀冷却烧嘴前端，从而最大限度地减少热应力，这所有的应力均可能使烧嘴在长时间操作中毁坏，甚至失效。
本发明另一目的是提出一种烧嘴构型，其中形成光滑曲线烧嘴面，其尺寸能使其在气化反应造成的腐蚀环境和热通量存在下经久耐用。曲线前端可使烧嘴前面结构具有相当的挠性，使其能经受相当高的局部热通量，而又不出现导致失效的局部热应力。
因此本发明提出在燃烧区内用含氧气进行细粒固态含碳燃料部分燃烧烧嘴，该烧嘴带进料端和出料端，其特点是中心通道沿烧嘴纵轴设置并在烧嘴出料端具有出口以将燃料送入燃料区;
基本上环状通道沿中心通道同轴设置并在烧嘴出料端具有直径为D的出口，而其结构适于将含氧气流送入燃烧区，其传送方向与纵轴成锐角以使供入的氧与从中心通道送入的燃料交叉;
空心壁件与基本上环状通道同轴设在烧嘴出料端并具有中心开孔，沿该开孔燃料和含氧气流到燃烧区;在出料端空心壁件具有曲线外表面，包括一拱形基本上正交烧嘴纵轴并从基本上环状通道出口伸过烧嘴横向尺寸，空心壁件在烧嘴横向周边上从烧嘴出料端伸向烧嘴进料端，距离至少为D的一半，空心壁件具有径向基本上均匀横截面流通面积的内部结构;空心壁件操作时连接到(a)与基本上环状通道相邻设置的进料管以将流体冷却剂送到空心壁件的就近第一端和(b)循环管，其位置可使流体冷却剂就近从空心壁件外端通过，从而使流体冷却剂从进料管基本上径向向外通过空心壁件;空心壁件的尺寸可使冷却剂流在整个穿流过程中保持基本恒定的动量。
这样提供的烧嘴可长时间操作而又不会使出料端和其它烧嘴元件经受过高的金属温度和/或应力。
现参考附图用实施例详述本发明，图中
图1为本发明烧嘴前端包括出料端的纵剖面图。
图2为图1中沿Ⅱ-Ⅱ线的横截面图。
应注意到图中相同元件已标为同一参考号。
参照图1和2，含碳燃料如粉煤部分燃烧烧嘴一般记为10，其中包括中心通道12沿纵轴14设置并具有将细粒固态燃料借助载气如氮气或合成气送入下游燃烧区(未示出)的出口16。中心通道直径一般为约10至约50mm。同心设置在中心通道12周围的是基本上环状含氧气通道18，其中具有直径为D的游离端，用以形成送入燃烧区的含氧气流出口。有效的是出口20的位置与纵轴14成约20至约60°角以使含氧气流与出口16流出的固态燃料交混。直径为D的出口20形成烧嘴的喉管或最窄部分。含氧气必要时可含调节气如蒸汽或二氧化碳。可采用常见隔离件径向将通道相互分开如用校正钉，肋片，对心叶片，隔片和其它常见元件对称设置而将通道相互隔开并且成稳定直线保持不动而对反应物流的自由流动阻碍最小。
烧嘴还包括空心壁件26，其中具有曲线如环形外表面以形成前面28并一般与烧嘴纵轴14正交，而且环柱部分与纵轴平行延伸直至烧嘴进料端。空心壁件从烧嘴前面即出料端直至烧嘴进料端的横截流通面积均匀并且一般与纵轴平行，其长度距离至少约0.5倍D，有利的至少约D，并特别为约2至约10倍D。空心壁件操作时离中心最远端连接到进料管30以将液态冷却剂如调节水送入空心壁件，而另一端为空心壁件通道口，设置在烧嘴周围，操作时连接到循环管34以使液态冷却剂从空心壁件通道口通过。用水作冷却剂时将其通入空心壁件的流速足够高以便在烧嘴出现最大发热量时，进入循环管的水升温不超过约5℃，特别是少于约3℃。已发现用温度约100至约230℃的调节水作冷却剂很有利。
烧嘴曲面端有利的是伸到喉管下游，但距离短，该距离一般例如小于约2D，特别是约0.2至约1D，从基本上环状通道端算起，这样可阻止或减少用某些反应性高的进料时可能出现的过早燃烧。
本发明的优点是可允许从烧嘴面下游反应物燃烧进行对流热传递，同时可完全或基本上避免空心壁件内冷却剂液体沸腾。空心壁件采用基本上恒定横截面积可保证冷却剂液体具有恒定动量，从而可使烧嘴面和出料端达到均匀低金属温度。
另一优点是整个机械结构可允许非对称热通量，这在某些采用多个烧嘴的气化器结构中可能出现。
在上述烧嘴10用含氧气进行含碳燃料如粉煤气化操作时，悬浮在载带流体如氮气或合成气中的煤经中心通道12送到出口16以将煤引入烧嘴出料端下游的反应器燃烧区。同时，含氧气经环状通道18送到出口20以便让煤和含氧气反应物在反应空间密切接触。必要时反应物的混和可借助适当通道内折流板的涡旋体(未示出)给一种或两种物流造成的旋流而得以加强。为了促使煤稳定地向外流，煤流的横截面积应在烧嘴中至少是接近出口的一段保持恒定。
对粉煤随载气的流速加以控制。烧嘴燃烧速度即烧嘴升到一定速度或降到一定速度是通过改变含碳燃料和含氧气进料流之一的流速实现的，而同时保持固态进料中原子氧/碳之比基本恒定。一般来说对硬质煤而言相当典型的是需氧量应达到0.9-1吨/吨湿量和无灰煤;而对低品位煤更具代表性的是0.7吨氧/吨。有利的是含氧气以约35至约100米/秒的平均速度供入而进行操作。
烧嘴一般用耐高温材料制成，特别是用耐高温金属和合金如Inconel和/或陶瓷。对于高负荷操作，含氧气通道和出口一般用金属制成，内部涂有氧化涂层如ZrO2或陶瓷，从而可采用高含氧气速度，而同时又不致于使金属在有氧存在下进行燃烧。
固态含碳燃料一词意指各种材料及其混合物如煤，煤焦炭，煤液化渣，石油焦炭，烟碳，和由油页岩，焦油砂和沥青而得的粒状固体。煤可为任何种类，包括褐煤，次烟煤，铟煤和无烟煤。固态含碳燃料有利的是粉碎至一定粒径以使90%材料小于90μm并且湿含量少于约5%(重)。
含氧气一词意指空气，富氧空气即含氧量大于21%(mol)和基本上纯氧即大于约95%(mol)为氧，而其它的包括空气中一般含有的气体如氮气和稀有气体。
本发明各种改进对本术艺领域的普通技术人员来说从上述中即可显而易见。这些改进意欲包括在下述权利要求所述范围内。
权利要求
1.在燃烧区内用含氧气进行细粒固态含碳燃料部分燃烧烧嘴，该烧嘴带进料端和出料端，其特点是中心通道沿烧嘴纵轴设置并在烧嘴出料端具有出口以将燃料送入燃料区；基本上环状通道沿中心通道同轴设置并在烧嘴出料端具有直径为D的出口，而其结构适于将含氧气流送入燃烧区，其传送方向与纵轴成锐角以使供入的氧与从中心通道送入的燃料交叉；空心壁件与基本上环状通道同轴设在烧嘴出料端并具有中心开孔，沿该开孔燃料和含氧气流到燃烧区；在出料端空心壁件具有曲线外表面，包括一拱形基本上正交烧嘴纵轴并从基本上环状通道出口伸过烧嘴横向尺寸，空心壁件在烧嘴横向周边上从烧嘴出料端伸向烧嘴进料端，距离至少为D的一半，空心壁件具有径向基本上均匀横截面流通面积的内部结构；空心壁件操件时连接到(a)与基本上环状通道相邻设置的进料管以将流体冷却剂送到空心壁件的就近第一端和(b)循环管，其位置可使流体冷却剂就近从空心壁件外端通过，从而使流体冷却剂从进料管基本上径向向外通过空心壁件；空心壁件的尺寸可使冷却剂流在整个穿流过程中保持基本上恒定的动量。
2.权利要求1的烧嘴，其特点是基本上环状通道结构进料时可使含氧气流与烧嘴纵轴成20-60℃锐角。
3.权利要求1的烧嘴，其特点是中心通道直径10-50mm。
4.权利要求1的烧嘴，其特点是空心壁件从烧嘴出料端到进料端的横截面积均匀并且一般与纵轴平行，距离至少约为D。
5.权利要求4的烧嘴，其特点是所说壁件离烧嘴出料端的距离为约2至约10D。
全文摘要
固态含碳燃料烧嘴适宜于多烧嘴反应器，其中将细煤经沿烧嘴纵轴设置的中心通道供入反应空间，含氧气经围绕中心通道的环状通道供入，环状通道结构可让气体以锐角与煤交混，燃烧热用前端空腔内以恒定动量径向流动的冷却剂从烧嘴前端一定尺寸曲面空腔中带走。
文档编号F23D1/00GK1039646SQ8910426
公开日1990年2月14日 申请日期1989年6月14日 优先权日1988年6月16日
发明者威廉·弗雷德里克·凯珀斯, 亨德里克斯·约翰尼斯·安东尼厄斯·哈斯那克 申请人:国际壳牌研究有限公司