一种长寿命煤气化工艺烧嘴的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种长寿命煤气化工艺烧嘴。包括煤粉喷枪、助燃气体喷枪和蒸汽喷枪3个组件，其中煤粉喷枪还设置有燃气喷嘴和等离子双保险点火装置。煤粉、助燃气体和蒸汽3个喷枪依次组合，即构成具有煤粉通道、燃气通道、助燃气体通道和蒸汽通道等4个通道的工艺烧嘴。所述煤粉通道、助燃气体与蒸汽通道的烧嘴套和烧嘴前脸均采用高级陶瓷材料制成。整个烧嘴用轻质耐火材料模块与炉内高温辐射隔开，取消了传统烧嘴的冷却系统，有效地解决了工艺烧嘴的高温腐蚀、疲劳开裂和冲刷磨损问题，可以满足工业应用一年以上满负荷、长周期运行的要求。本发明适用于粉煤气化或水煤浆气化等部分燃烧气化工艺。
【专利说明】一种长寿命煤气化工艺烧嘴
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤化工高温耐磨烧嘴。更为特别的是，本发明的各种实施例涉及用于煤气化反应炉的高温燃烧器工艺烧嘴。
【背景技术】
[0002]在粉煤气化、水煤浆气化等部分燃烧气化工艺中，工艺烧嘴都是不可或缺的热工部件。由于烧嘴喷头处于1500°C以及4?SMPa的高温高压工艺气体中，工况条件下受到的辐射、应变、腐蚀、冲刷作用使其极易损坏，是煤粉烧嘴设备的易耗件。如果一个烧嘴的运转寿命在一年以上，在两次系统维修停车之间不更换或维修烧嘴，就可以实现稳定、长周期和满负荷运行。但事实上，现行工艺烧嘴很难达到这个目标，大部分烧嘴的寿命在2个月左右，个别较好的能够达到4个月左右，严重地影响了生产和能耗指标。为此，相关领域研发人员不断探索，尝试在现有喷嘴结构的基础上进行修改，但都难以解决喷嘴的烧损问题。
[0003]已公开的煤气化技术中，所采用的工艺烧嘴(或称燃烧器)均以Texaco、Shell和GSP的结构型式为设计蓝本，物料导入方式为内混或外混，物流通道设置3?6个，或竖起置顶下喷，或多个烧嘴水平对置，结构型式各异，但有一共通点，就是都设置有强制冷却系统，让冷却液以特定方式高效、快速循环，对燃烧器的面火端进行冷却，以缓和喷嘴的热疲劳破坏，达到保护的目的。例如，授权给国际壳牌公司的专利US 4865542、US 4887962、CN1039646A、CN 101363622 A、CN 201228965 Y、授权给德士古公司的专利 US 6276611 B1、US 6805773 BUCN 1101113 A和CN 1261910 A、授权给西门子公司的专利WO 2009/027361A2、US 8196531 B2、CN 101403496 A、CN 101788146 A，授权给康菲公司的专利 US8083519、授权给伊斯曼化学公司的专利CN 1426446A、授权给北京航天动力研究所的专利CN 1710333 A、授权给中国船舶重工集团第七一一研究所的专利CN 1916493 A、授权给东方电气集团专利CN 102166549 A、CN 103045306 A、授权给神华集团的专利CN 202137071U、CN 102260534 A、CN 102260534 A、CN 103497785 A、CN 102031152 A、授权给西安拓沃能动科技有限公司的专利CN 102278753 A和授权给杭州浙南压缩机有限公司的专利CN103305284 A等等，这些专利要么使用带有内部冷却通路的金属中空壁元件，盘绕所谓的窗式冷却水槽，要么在燃烧器外部缠绕金属冷却盘管，并在烧嘴前端提供一个圆盘形或帽罩形的金属薄壁冷却装置补充冷却。尽管如此，现有工艺烧嘴的使用寿命及可靠性仍不能满足实际生产中所需的长周期运行的要求。烧嘴内管磨损、冷却罩与水冷盘管龟裂、前脸金属结构产生热应力断裂、喷嘴出口热疲劳开裂等问题依然严重，成为影响气化炉连续运行周期的瓶颈。
[0004]如本领域中已知的，工艺烧嘴的使用寿命主要与金属的材质高度相关。上述烧嘴本体多为316不锈钢材料，烧嘴头部采用镍基合金或钴基合金，如Inconel' Nicanel718、GH188和UMCo_50等，也有个别烧嘴在出口或前脸涂敷ZrO2涂层或陶瓷涂层，如US 6228224、CN 201228965 Y，或者在喷嘴前脸设置碳化钨或碳化硅耐热耐磨保护性插件，以降低来自燃烧区域的辐射以及燃烧气体紊流再循环的加热，如CN 93118217.4、CN1205676A、 CN 1261910 A、 US 6276611 B1、 US 6805773 B1、 US 6228224、 US 6276611、 US6805773等，但可以连续工作的时间也只有3(Γ60天。
[0005]查阅《金属手册》(ASM国际，2014版，第一卷《性能和选择:铸铁，钢，高性能合金》、第二卷《特性与选择:有色合金及特种材料》、第十一卷《失效分析与预防》、第十三卷A《腐蚀:原理，测试，和保护》)可知，高温合金的性能主要取决于它的化学成分和组织结构。高温合金的强度较多地依赖于Y相的形貌、体积和尺寸，这些因素受热处理过程中的温度、冷却速度以及时效温度和时间的影响。不同的热处理即不同的加热温度、保温时间和冷却速度以及各种特殊的热处理，可以使合金的晶粒度、强化相的沉淀和溶解、析出相的数量和颗粒尺寸、甚至晶界状态等不同。在使用过程中，应力、时间、温度和环境均可能引起冶金上的不稳定，这些不稳定性包括穿晶沿晶断裂转变、再结晶、时效或过时效(碳化物、硼化物或氮化物相的沉淀或溶解)、金属间相的沉淀、向平衡相的延迟转变、有序-无序转变、一般氧化、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、熔渣引起的腐蚀以及微量元素的污染等，从而降低强度导致失效。
[0006]正是由于高温合金对温度很敏感，其高温稳定性和强度不仅取决于晶界碳化物质点的存在，而且也取决于固溶体Y相基体中的r沉淀质点的存在，所以要对合金的温度使用范围做出限制。超过这些合金正常技术规范规定的使用温度，就会引起r质点和碳化物质点二者数量的减少，使高温性能特别是蠕变性能和持久性能显著变坏，就会产生很高的热应力，造成热疲劳开裂、碳化物形成结块、晶粒严重粗化、过度氧化或磨蚀，加速热腐蚀、熔化以及尺寸的异常增大。一般地，保持温度越高，组织变化越快。时间愈长，粗化愈明显。保持温度下降，显微组织分解发生变化。在最高的保待温度下，如有外加应力，合金的热腐蚀速率更高。
[0007]如Inconel 718，熔化温度1260?1320°C，这种合金常常用在超过最后时效温度620°C的场合，虽然可能出现少量粗化的Y’相，但是，在620°C以下温度时，通常不会出现有害影响。如果过热温度超过700°C，Y'强化相就会退化，然后出现较多的σ相析出物，结果，降低了合金的强度。
[0008]再如Incoloy 825耐热铬镍铁合金，熔点1400°C，其C含量虽只有0.05%,在过热情况下，碳化物仍然容易在晶界处呈薄片状连续析出，导致碳化物析出的附近形成带状贫Cr区，由于Cr、Mo扩散速度慢，靠近晶粒边界附近的Cr、Mo含量远远低于耐腐蚀介质侵蚀所需的最低临界值。由于耐蚀元素Cr和Mo在析出相中富积，导致其含量在晶界处缺失，当温度升高，钝化膜遭到破坏，晶界处就容易首先形成局部腐蚀。
[0009]此外，镍基合金对于含硫气氛的腐蚀也是极其敏感的。在高温高压H2S/C02环境中，再循环的气流与喷嘴射出流体的汇合产生立轴旋涡，高腐蚀性的硫化合物以紊流方式围绕着喷嘴端并在汇合处磨刷烧嘴前脸，使燃烧器端头附近的金属特别易于被硫化气氛侵蚀，出现通常在燃烧器技术中没有遇到的独特问题，即局部腐蚀形成的点蚀坑。点蚀坑内局部介质酸化以及S—、HS—的富积，又会破坏钝化膜的自修复机制，加速蚀坑内金属的溶解，从而导致点蚀坑的快速扩大。这种点蚀坑的形成及发展，对于镍基合金在酸性环境中的应力腐蚀开裂往往起着重要作用，结果导致较严重的蠕变断裂。
[0010]在此情况下，试图通过冷却降温来延长受热部位的寿命，收效显然不大。相反，强制冷却导致急冷急热、热应力增大，长期运行必然会造成烧嘴受损甚至提前失效。[0011 ] 因此，需要一种结构简单而运行经济的烧嘴，能够保证运转寿命在一年以上，在两次系统维修停车之间无需更换或维修烧嘴，且制造成本低廉。
【发明内容】
[0012]有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种新型的煤粉雾化燃烧喷嘴，该喷嘴适用于粉煤气化、水煤浆气化等部分燃烧的气化工艺，耐热耐磨，使用寿命及可靠性完全适应实际生产中长周期运行的需要，并能得到良好的气化效果。
[0013]如上所述，现有煤气化工艺烧嘴大多采用不锈钢、镍基合金或钴基合金制作。同不锈钢、镍基或其它合金相比，陶瓷材料具有更高的耐磨、耐高温和耐腐蚀性能，理论上作为工艺烧嘴的基础材料，其使用寿命应当更长。前述有关专利建议在烧嘴出口或面火端涂敷陶瓷涂层镀膜或设置保护性耐火陶瓷嵌入件的依据即源于此。事实上，陶瓷燃烧器在热风炉上的应用已早而有之，只是传统的陶瓷材料存在韧性低、抗热震性能差等缺陷，在高能量频繁冲击的工况条件下，很容易出现热崩并导致喷嘴失效。
[0014]随着耐火材料生产技术的进步，现代高科技陶瓷制品得以开发，如氮化硅结合碳化娃、氮氧化娃结合碳化娃、反应烧结碳化娃(RBSC、又称自结合SiC)、重结晶碳化娃(R-SiC)、渗硅碳化硅(SiSiC)和碳化钨、碳化硼、氮化硼基陶瓷、氮化硼-碳氮化钛复合陶瓷、硅铝硼钇复合陶瓷、Al2O3基复合陶瓷等等，按照不同工艺制成的多种用途耐火材料，其高温性能也因此更加优良，从而使高级陶瓷材料进入新的应用领域，取得了更好的使用效果O
[0015]因此，本发明建议引入当代陶瓷高新技术成果来制作适于粉煤、水煤浆气化工艺长周期运行需要的工艺烧嘴。
[0016]按照本发明，该烧嘴的耐磨耐热部件特别是烧嘴套全部采用高级陶瓷制作，并取消传统烧嘴的冷却系统，简化工艺烧嘴的结构型式，彻底解决急冷急热引起的应变缺陷问题。
[0017]为实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案。
[0018]一种长寿命煤气化工艺烧嘴，其特征在于，所述工艺烧嘴由煤粉喷枪、助燃气体喷枪、蒸汽喷枪和前脸组合而成。所述煤粉喷枪的煤粉通道为一高级陶瓷管，入口端套在带外接法兰和组合法兰的钢管内，出口端则安装在末端带等离子点火装置和旋流喷嘴的燃气管构成的刚性固定架上。所述燃气管沿陶瓷管外侧呈圆形排列，固定在组合法兰上，形成笼状固定架，将作为煤粉喷嘴的陶瓷管固定住。所述助燃气体喷枪套在煤粉喷枪外，与煤粉喷枪组合法兰连接，形成与煤粉通道同中心轴的环状气体通道，通道前端的陶瓷烧嘴套即构成助燃气体喷嘴。所述蒸汽喷枪套在助燃气体喷枪外，与助燃气体喷枪组合法兰连接，形成与助燃气体喷枪同中心轴的环状蒸汽通道，通道前端的陶瓷烧嘴套即构成蒸汽喷嘴。蒸汽喷嘴前端设置有热辐射屏蔽板，构成烧嘴前脸。在蒸汽喷枪的外侧，从前脸至安装法兰之间四周用轻质耐火材料模块包裹，将烧嘴与炉内高温辐射隔开。
[0019]所述煤粉喷枪、助燃气体喷枪和蒸汽喷枪的结构主体均用耐热不锈钢材料制作，优选地，使用310s或316不锈钢材料制作。
[0020]所述笼状固定架，建议用3?5根燃气管做成，其中至少2根燃气管安装有等离子点火装置，构成双保险点火烧嘴。优选地，燃气管及其旋流烧嘴使用316不锈钢材料制作。
[0021]所述高级陶瓷管、助燃气体烧嘴套、蒸汽烧嘴套和烧嘴前脸，可使用公知的氮化硅结合碳化娃、氮氧化娃结合碳化娃、反应烧结碳化娃(RBSC、又称自结合SiC)、重结晶碳化硅(R-SiC)、渗硅碳化硅(SiSiC)和碳化钨、碳化硼、氮化硼基陶瓷、氮化硼-碳氮化钛复合陶瓷、硅铝硼钇复合陶瓷、Al2O3基复合陶瓷、钛酸铝等高级陶瓷制成。优选地，使用德国进口的反应烧结碳化硅(RBSC)、重结晶碳化硅(R-SiC)或美国进口的渗硅碳化硅(SiSiC)制作。
[0022]所述陶瓷助燃气体烧嘴套、蒸汽烧嘴套，与各自金属本体的连接采用紧固件或压配合件、螺纹件、卡合件、夹具等方式连接，并采用柔性耐热材料作为密封材料以缓冲材料间的不同热膨胀。
[0023]更进一步地，所述助燃气体出口、蒸汽出口与中心轴线之间需形成α夹角，使喷出的气体或蒸汽在喷嘴出口处的文丘里喷口区产生真空，并将煤粉喷嘴喷出的煤粉射入雾化区。煤粉射流在两个环形喷嘴的高压气流冲击下，气流与粉体特别是水煤浆表面层产生的摩擦力使之与内层产生相对位移；高压风气流产生的冲击力将粉体特别是水煤浆体击碎，使粉体射速产生波动并形成所谓的压缩突变，增加了粉体的切线方向速度，让煤粉射流得到进一步加速，加快煤粉与氧化剂的混合速度。
[0024]更进一步地，所述助燃气体出口、蒸汽出口与中心轴线之间夹角α的大小可依据气化炉的直径和高度来调整，α >20?60°，优选以烧灼态煤粉射流不直接打到炉壁和炉底为宜。
[0025]更进一步地，所述助燃气体环形喷嘴、蒸汽环形喷嘴的出口分别设置半拉瓦尔型旋流导向器，使喷出的气体和蒸汽在出口处形成强烈的旋风，保证煤粉喷出时迅速形成混合旋流。
[0026]更进一步地，在蒸汽喷枪的外侧，从前脸至安装法兰之间四周采用轻质耐火材料模块包裹，将烧嘴与炉内高温辐射隔开。优选地，靠近陶瓷前脸的蒸汽烧嘴套外围采用较为致密的2#轻质耐火材料模块包裹，确保烧嘴金属本体受热温度< 200°C。
[0027]与现有技术相比，本发明的气化工艺喷嘴具有如下有益效果。
[0028]( I)烧嘴的耐磨耐热部件全部采用高级陶瓷材料做成，并很好地解决了金属本体与陶瓷烧嘴套的连接问题，有效地解决了现行工艺烧嘴的高温腐蚀、疲劳开裂和冲刷磨损问题，同时也解决了喷嘴内口耐热耐磨涂层、保护性镶嵌衬件因膨胀系数不同引起的脱落、失效问题，可以满足工业应用满负荷、长周期运行一年以上的需求。
[0029](2)烧嘴前脸设置热辐射屏蔽板，并采用轻质耐火材料模块填充，将烧嘴与炉内高温辐射以及燃烧气体紊流再循环的加热隔开。烧嘴本体的受热仅限于高压蒸汽和高速煤粉摩擦带来的热量，这些热量完全可以靠这两股射流自身和另外一个通道的助燃气体带走，没有必要设置冷却系统。
[0030](3)取消了传统烧嘴的冷却系统，简化了工艺烧嘴的结构型式和加工过程，有效地解决了急冷急热造成的应变缺陷问题，大大降低了烧嘴的制造成本和运行成本。
[0031](4)由于进气环形通道与煤粉的进料方向之间存在夹角α，使喷出的气体在喷嘴出口处的文丘里喷口区产生真空，隔开了紊流气体对烧嘴的加热与磨刷。同时，在两个环形喷嘴的高压气流冲击下，气流与粉体特别是水煤浆表面层产生的摩擦力使之与内层产生相对位移。高压风气流产生的冲击力将粉体特别是水煤浆体击碎，使粉体射速产生波动并形成所谓的压缩突变，增加了粉体的切线方向速度，让煤粉射流得到进一步加速，从而增了煤粉中煤粒与氧气的碰撞，使煤粉的雾化效果更好，并延长了煤粉在气化炉内的停留时间，提高了碳转化率和合成气产物中的有效气体含量。
[0032]( 5 )本发明的烧嘴能很好地适用于气化炉的任何安装方式，如竖直安装方式、水平安装方式或者成一定角度的安装方式，而且特别适用于燃烧区对位设置的方式。如此这般，就可以水平引入反应物，喷嘴射流相互撞击，促进部分氧化过程，并减少对炉壁的冲刷。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明提出的烧嘴结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图，对本发明的一个优选实施方案做详细描述。
[0035]如图1所示，本发明的工艺烧嘴包括煤粉喷枪1、助燃气体喷枪2和蒸汽喷枪3。所述煤粉喷枪I由陶瓷煤粉喷管15和燃气管16组成的笼状固定架17组成，陶瓷煤粉喷管入口端11套在带外接法兰12和组合法兰13的钢管内，出口端则安装在末端带等离子点火装置19和旋流喷嘴18的燃气管16构成的刚性固定架17上。所述燃气管16可设置3飞根，沿陶瓷煤粉喷管15外侧呈圆形排列，固定在组合法兰13上，形成笼状固定架17，将陶瓷煤粉喷管15固定住，并在其中2根燃气管16上安装等离子点火装置，构成双保险点火系统。所述助燃气体喷枪2套在煤粉喷枪I外，与煤粉喷枪I组合法兰13连接，形成与陶瓷煤粉喷管15同中心轴的环形气体通道22，枪管前端通过紧固件(或压配合件、螺纹件、卡合件、夹具[图上未标示])与助燃气体烧嘴套24连接，与半拉瓦尔型旋流导向器一起构成助燃气体旋风出口 25。其中连接件内填充柔性耐热涂料以缓冲材料间的不同热膨胀。所述蒸汽喷枪3套在助燃气体喷枪2外，与助燃气体喷枪组合法兰23连接，形成与助燃气体喷枪2同中心轴的环形蒸汽通道33，枪管前端通过紧固件(或压配合件、螺纹件、卡合件、夹具[图上未标示])与蒸汽烧嘴套34连接，与半拉瓦尔型旋流导向器一起构成蒸汽旋风出口 35。其中连接件内填充柔性耐热涂料以缓冲材料间的不同热膨胀。助燃气体、蒸汽环形出口与中心轴线成α夹角，确保在喷嘴出口处形成文丘里喷口区。所述α夹角大小可根据气化炉的直径和高度来调整，以烧灼态煤粉射流不直接打到炉壁和炉底为宜。蒸汽喷枪3上有安装法兰32，用于烧嘴与气化炉的安装就位。同时，在蒸汽烧嘴套34前端设置热辐射屏蔽板，构成烧嘴前脸43，并在蒸汽喷枪的外侧，从前脸43到安装法兰32之间的周围空间，分别用1#耐火材料模块41和2#耐火材料模块42包裹，将烧嘴与炉内高温辐射隔开。
[0036]以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而并非是对本发明的限制。应当指出，对于本【技术领域】的专业技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，也可对本发明进行若干改进和修改，这些改进和修改也落入本发明权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种长寿命煤气化工艺烧嘴，其特征在于，所述工艺烧嘴由煤粉喷枪、助燃气体喷枪、蒸汽喷枪和前脸组合而成。
2.如权利要求1所述的长寿命煤气化工艺烧嘴，其特征在于，所述煤粉喷枪包括煤粉通道和由燃气管构成的内嵌式笼状固定架。
3.如权利要求1所述的长寿命煤气化工艺烧嘴，其特征在于，所述煤粉喷枪的煤粉通道、所述助燃气体喷枪和蒸汽喷枪的烧嘴套与所述烧嘴前脸均采用高级陶瓷材料做成。
4.如权利要求1所述的长寿命煤气化工艺烧嘴，其特征在于，所述助燃气体喷枪和蒸汽喷枪的金属本体与陶瓷烧嘴套采用紧固件或压配合件、螺纹件、卡合件、夹具等方式连接。
5.如权利要求1所述的长寿命煤气化工艺烧嘴，其特征在于，所述助燃气体喷枪和蒸汽喷枪的金属本体与陶瓷烧嘴套的接口采用柔性耐热材料作为密封件，以缓冲材料间的不同热膨胀。
6.如权利要求1所述的长寿命煤气化工艺烧嘴，其特征在于，所述工艺烧嘴不设冷却系统，在安装法兰到烧嘴前脸的外围空间，采用轻质耐火材料模块填充，将烧嘴与炉内高温福射隔开。
7.如权利要求2所述的内嵌式笼状固定架，其特征在于，所述笼状固定架由3飞根燃气管环状排列构成，嵌在助燃气体通道内，用于固定作为煤粉通道的陶瓷管。
8.如权利要求7所述的3飞根燃气管，其特征在于，所述燃气管环状排列，安装在助燃气体通道内，其中至少2根燃气管安装有等离子点火装置，构成双保险点火烧嘴。
【文档编号】C10J3/50GK104342211SQ201410596522
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】莫银斌 申请人:莫银斌