气化喷嘴和气化反应器的制作方法

本发明主要涉及一种喷嘴结构，尤其是适用于气化炉的气化喷嘴。

背景技术：

在气化炉的煤粉气化工艺过程中，气化炉的喷嘴/烧嘴结构至关重要，决定了煤粉的进料均匀性、煤粉与氧气的混合均匀性等，进而对于气化反应速率、反应时间以及碳转化率等影响至深。

现有技术中的喷嘴常采用多级分配器以实现进料的均匀分配，增加流体动能。例如中国专利申请CN 1903998 B中公开了一种典型结构的气化器注射器，参见图1，该气化器注射器采用两级分配器22将主流煤粉分配至多个支管26。两级分配器22包括主腔室38和多个二级腔室46，主腔室内置有锥体形状的一级流体分离器42，二级腔室46内置有二级流体分离器50。在应用于气化炉时，主流煤粉将撞击锥形的一级流体分离器42并进入锥底的六个支管，从而均匀分配至六个二级腔室46内，再从六个二级腔室46的末端通过二级流体分离器50均匀分配至三十六个支管26中。

此类多级分配器的结构中，结构体型大，支管的安装和加工十分复杂，而且流体分配的均匀程度也不高，从三十六个支管26中流出的流体流速不均地直接进入炉体内腔的顶部，还容易产生返混流，严重影响反应速率。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种气化喷嘴和气化反应器，该气化喷嘴的结构简单、体型小、加工方便，能够有效改善料流的分散性与均匀分配程度以提高气化反应器的反应速率。

为了实现上述目的，本发明提供一种气化喷嘴，该气化喷嘴包括连接法兰、料流输送管接头和料流分布器，所述连接法兰的底部安装于气化反应器上，所述连接法兰的顶面开设有多个用作喷嘴支管且彼此间隔分布的上下贯通孔，所述料流分布器安装在所述连接法兰的顶面上并包括具有内筒腔的筒体，所述内筒腔的顶面入口的面积小于底面出口的面积，使得从所述顶面入口进入的料流能够从所述底面出口分散流出，所述顶面入口连接所述料流输送管接头，所述底面出口对接于多个所述喷嘴支管，从所述底面出口分散流出的料流能够通过多个所述喷嘴支管进入所述气化反应器内。

优选地，该气化喷嘴还包括预混气化剂管，所述料流分布器的所述内筒腔的底部形成有预混腔室，所述预混气化剂管插入所述预混腔室中，使得由所述预混气化剂管通入的气化剂与从所述底面出口分散流出的所述料流在所述预混腔室内混合并通过多个所述喷嘴支管进入所述气化反应器内。

优选地，所述料流分布器为包括作为所述筒体的锥筒、多孔托板和多个球体的多孔分布器，所述多孔托板设置在所述锥筒的锥筒腔内的底部且该多孔托板上布满过孔，多个所述球体堆叠于所述多孔托板上方的所述锥筒腔中，使得从所述锥筒腔的顶锥面入口进入的料流能够穿过所述球体之间的球体间隙和所述过孔并从所述锥筒腔的底锥面出口下落。

优选地，所述预混腔室形成在所述多孔托板与所述连接法兰的顶面之间，所述预混气化剂管沿所述锥筒腔的内周壁的切线方向插入所述预混腔室中，使得通入的气化剂与所述料流能够在所述预混腔室内混合成旋流。

优选地，所述球体为瓷球，所述瓷球分层叠置且布满于所述多孔托板上方的所述锥筒腔中。

优选地，该气化喷嘴还包括安装于所述连接法兰上的固定封头，该固定封头环绕所述筒体设置并将该筒体固定于所述连接法兰的顶面上。

优选地，所述固定封头与所述筒体的外周壁之间形成有环绕该外周壁的 充压腔室，该充压腔室连接有充压管。

优选地，所述充压管与所述气化反应器的尾气排风管相连。

优选地，该气化喷嘴还包括主气化剂管接头，所述连接法兰内形成有气化剂通道，该气化剂通道包括与所述主气化剂管接头相连的气化剂入口和形成在所述连接法兰的底面上的多个气化剂出口，所述喷嘴支管在所述连接法兰的底面上形成有料流出口，所述气化剂出口与所述料流出口间隔设置并使得所述气化剂出口流出的气化剂流与所述料流出口流出的料流能够在所述气化反应器内形成对撞混合。

优选地，在所述连接法兰的底面上，每个所述料流出口对应于至少一对所述气化剂出口，每对所述气化剂出口中的两个所述气化剂出口对称布置在所述料流出口的两侧，从每个所述气化剂出口流出的所述气化剂流均倾斜向下地朝向从所述料流出口流出的料流。

优选地，所述气化剂通道包括依次连通的周向气道、径向气道和倾斜气道，所述周向气道形成在所述连接法兰的外周缘部内并与所述主气化剂管接头相连，所述径向气道从所述周向气道径向向内延伸，所述倾斜气道从所述径向气道倾斜向下地延伸至所述气化剂出口。

优选地，沿所述连接法兰的由外至内的径向上，所述径向气道的横截面的面积逐渐减小。

优选地，所述喷嘴支管在所述连接法兰的顶面上形成有料流入口，所述料流入口在所述顶面上呈同心圆阵列排布，在该同心圆阵列中，各个同心圆上均设有沿周向彼此间隔且沿径向对齐的多个所述料流入口，以形成沿径向的多排料流入口队列，每排所述料流入口队列的两侧分别对称地设置有所述径向气道。

优选地，所述周向气道包括沿周向间隔排布且彼此独立的多段圆弧气道，每段所述圆弧气道均连接有所述主气化剂管接头，每段所述圆弧气道均 连接有多排所述径向气道。

优选地，该气化喷嘴还包括冷却介质入口接头和冷却介质出口接头，所述气化剂通道形成在所述连接法兰的底部，所述连接法兰的顶部内还形成有连通所述冷却介质出口接头与所述冷却介质入口接头的冷却介质通道，该冷却介质通道包括多排径向通道以及呈同心圆阵列形状排布的多道圆弧通道，所述径向通道径向连通各道所述圆弧通道；

其中，多道圆弧通道排布成的同心圆阵列与所述料流入口排布成的同心圆阵列在径向上彼此错开，多排所述径向通道与多排所述料流入口队列沿周向彼此错开。

优选地，所述圆弧通道包括最内道圆弧通道和环绕该最内道圆弧通道的外道圆弧通道，所述外道圆弧通道包括相互分隔且独立的第一圆弧段通道和第二圆弧段通道，所述第一圆弧段通道靠近且连通所述冷却介质入口接头，所述第二圆弧段通道靠近且连通所述冷却介质出口接头，所述最内道圆弧通道为完整圆弧通道以连通所述冷却介质入口接头和冷却介质出口接头。

此外，本发明还提供了一种气化反应器，该气化反应器包括上述的气化喷嘴。

其中，根据本发明的多孔分布器结构简单，仅包括锥筒，锥筒内设置多孔托板，多孔托板上堆叠多个球体，使得从顶锥面入口进入的料流能够穿过的球体间隙和多孔托板的过孔并最终从底锥面出口下落，由此，料流通过球体间隙得到充分分散，并能够通过多孔托板均匀下落。在应用于气化喷嘴时，结合内设多个喷嘴支管的连接法兰，可取代多级分配器，使得喷嘴的体型更小，喷嘴易于加工和装配。进一步地，还可在多孔托板与连接法兰之间形成预混腔室，在通入气化剂的情况下，使得料流与气化剂预混合均匀，形成旋流，从而更均匀地从连接法兰内的多个喷嘴支管流入气化炉内。连接法兰内还可设置气化剂通道以与主气化剂管接头相连，使得气化剂通道中的气化剂 从出口流出并与喷嘴支管流出的料流在气化炉内发生对撞混合，更彻底分散，可形成平推流，实现快速传质传热并完成气化反应，提高反应速率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据现有技术中的一种多级分配器的结构示意图；

图2为根据本发明的优选实施方式的具有多孔分布器的气化喷嘴及其安装结构的立体示意图；

图3为图2所示的气化喷嘴及其安装结构的俯视图；

图4为图3中的C-C剖视图；

图5为图2所示的气化喷嘴及其安装结构的主视图；

图6为图5中的D-D平面视图；

图7为图5中的E-E剖视图；

图8为图7中的J-J剖视图；

图9为图5中的F-F剖视图；

图10为图9中的I-I局部剖视图；

图11为图9中的K-K局部剖视图。

本发明的附图标记说明

1 连接法兰 2 锥筒

3 料流输送管接头 4 固定封头

5 预混气化剂管 6 主气化剂管接头

7 冷却介质入口接头 8 冷却介质出口接头

11 喷嘴支管 12 周向气道

13 径向气道 14 倾斜气道

15 径向通道 16 圆弧通道

21 多孔托板 22 球体

100 气化反应器 110 料流入口

111 料流出口 141 气化剂出口

A 预混腔室 B 充压腔室

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词；“内、外”以及“径向、轴向”都是相对于连接法兰1的中心而言的。

如图2所示，本发明首先提供了一种用于气化反应器100上的气化喷嘴，该喷嘴通过料流输送管接头3输入料流，料流进入气化反应器100(例如反应炉)的炉腔内并与气化剂(例如氧气)完成气化反应。本发明所称的料流指由碳质材料制成的物料流，例如褐煤制成的干煤粉或水煤浆，碳质材料可包括：煤、煤直接液化残渣、重质渣油、生物质、市政固体垃圾等可被气化的含碳物质。

在本实施方式中，该气化喷嘴内包含了作为料流分布器的一种新型多孔分布器，如图4所示，该多孔分布器包括顶端开口的锥筒2、多孔托板21 和多个球体22，锥筒2内形成有锥筒腔，该锥筒腔具有顶锥面入口和底锥面出口，多孔托板21设置在锥筒腔内的底部且该多孔托板21上布满过孔，多个球体22堆叠于多孔托板21上方的锥筒腔中，从顶锥面入口进入的料流能够穿过球体22之间的球体间隙和过孔并从底锥面出口下落。

此多孔分布器有别于现有技术的同样作为料流分布器的前述多级分配器，结构组成简单，易于加工制造。可在锥筒2内安装作为多孔托板21的金属多孔板或多孔陶瓷板，并在其上堆放球体22，例如瓷球或金属球等由耐磨材质制成的各种球体，利用球体之间的间隙使得进入的煤粉等料流能够从中穿过，从而使得煤粉从多孔托板21下落时的分布更均匀，避免堆积在锥筒腔的底部中心，造成堵塞等。其中，煤粉可由氮气或二氧化碳气体作为载气携带煤粉加压传输。多孔托板21也可以是金属网罩等，此外，球体22分层叠置且布满于多孔托板21上方的锥筒腔时，各层之间也可设置金属网罩，以固定各球体22的位置。球体22的直径大小通常为10～30mm，例如20mm，但并不限于此，可根据锥筒腔的大小、球体间隙大小等具体因素而确定。

本领域技术人员能够理解的是，图4所示的多孔分布器为料流分布器的优选结构形式，其中的筒体并不限于锥筒2，也可以是棱形筒体或棱形筒腔等。多孔分布器的筒腔内也可设置多层的类似多孔托板21以替代球体22对煤粉的分散作用。

此多孔分布器应用于图示的气化喷嘴时，可起到对煤粉的均匀分配的作用，利于后续的多支管设置，从而提高单炉气化能力。具体地，参见图2至图4，多孔分布器的下方设置连接法兰1，连接法兰1的底部安装于气化反应器100上，连接法兰1的顶面开设有多个用作喷嘴支管11且彼此间隔分布的上下贯通孔，多孔分布器安装在连接法兰1的顶面上，顶锥面入口连接料流输送管接头3，底锥面出口对接于多个喷嘴支管11，使得从底锥面出口向下流出的料流能够更分散更均匀地分布到各个喷嘴支管11上并通过喷嘴 支管11的料流出口111进入气化反应器100内。

其中，喷嘴支管11的料流出口111可如图4所示地直接开口，也可安装喷嘴。此处通过设置多个喷嘴支管11，可增加料流与气化剂的分散，减少单个支管的负荷，减少喷嘴磨损，延长喷嘴寿命，扩大生产负荷的调节灵活性。内设诸多喷嘴支管11的连接法兰1，有效解决了图1中多级分配器的支管众多、体型大、结构复杂且难以制造的问题。总之，本发明的气化喷嘴仅包括结构简单的多孔分布器、连接法兰1和料流输送管接头3，相较于现有技术的喷嘴结构，不仅结构复杂度降低，更减小了喷嘴的尺寸，经济实用。

优选地，多孔托板21设置在锥筒腔的底锥面的上方，该多孔托板21的周缘部固定安装在锥筒腔的内周壁上。这样，在多孔托板21与锥筒腔的底锥面之间形成有间隔空间(即预混腔室A)，便于后续通入气化剂进行预混合。相应地，气化喷嘴连接有预混气化剂管5，多孔托板21与连接法兰1的顶面之间形成有预混腔室A，预混气化剂管5沿锥筒腔的内周壁的切向方向插入预混腔室A中，在该预混腔室A内，由预混气化剂管5通入的气化剂与从多孔托板21向下流出的料流混合成旋流，旋流的形成有助于气化剂与料流的均匀混合与均匀分配，该旋流通过多个喷嘴支管11进入气化反应器100内。通过设置预混腔室A并通入预混气化剂，能够实现煤粉和氧气的预混合，有效预热、缩短反应时间，加快煤粉和气流的流速，提高煤粉与气流之间的分散度，以加快反应速率。如图3所示，对称设置了两根预混气化剂管5，以增强沿同一旋转方向的旋流的形成。在本发明的一个实施例中，预混气化剂管5中通入的气体不限于用作气化剂的气体，例如氮气等惰性气体也可以使用。本发明所称的气化剂包括但不限于氧气、水蒸气、空气、二氧化碳等含氧气体和/或他们的混合气体。

此外，气化喷嘴还包括安装于连接法兰1上的固定封头4，该固定封头4环绕锥筒2设置并将该锥筒2固定于连接法兰1的顶面上。其中，固定封 头4起到对锥筒2的固定作用。在本实施方式中，图示的固定封头4为圆形形状，内置锥筒2，顶部外接料流输送管接头3，底部固定到连接法兰1的顶面上。优选地，固定封头4与锥筒2的外周壁之间形成有环绕该外周壁的充压腔室B，该充压腔室B连接有充压管。充压管可与气化反应器100的尾气排风管相连，以充入热煤气，或者充压腔室B内也可充入惰性气体等，充压腔室B内的气压优选为与气化反应器100的炉内气压大致相当，即形成均压，以减少多孔分布器的材料应力损坏，而且在充压腔室B内充入热煤气时，其热量还可对料流(即煤粉流)进行间接预热，料流流进一步地在穿过连接法兰1时也能够得到预热。作为一种可选的实施方式，也可不设置锥筒2，将多孔托板21直接与固定封头4的内壁固定连接，多孔托板21至料流输送管接头3之间的空腔内垒叠球体22以形成供料流通过的通道，实现均匀分散料流的目的。

连接法兰1内不仅形成有上下贯通的多个喷嘴支管11，其内也形成有气化剂通道并且外接主气化剂管接头6，气化剂通道包括与主气化剂管接头6相连的气化剂入口和形成在连接法兰1的底面上的多个气化剂出口141，参见图10，喷嘴支管11在连接法兰1的底面上形成有料流出口111，气化剂出口141与料流出口111间隔设置并使得气化剂出口141流出的气化剂流与料流出口111流出的料流能够在气化反应器100内形成对撞混合。这种流体对撞有助于介质的快速混合、振动扩散，能够加速传热传质，提升反应效率，缩短气化反应时间，提高碳转化率和气化强度。

如图9和图10所示，在连接法兰1的底面上，每个料流出口111对应于至少一对气化剂出口141，每对气化剂出口中的两个气化剂出口141对称布置在料流出口111的两侧，从每个气化剂出口141流出的氧气流均倾斜向下地朝向料流。这样，在距离连接法兰1的底面的汇集点上，氧气流与料流对撞分散。在进一步设定并调整好氧气流与料流之间的夹角及各自流速后， 氧气流与一对或多对料流的对撞混合还能够在气化反应器100的炉腔顶部形成平推流，消除前述的返混流对气化反应的影响。

作为一种优选实施方式，连接法兰1内的气化剂通道的设置参见图9至图11。其中，该气化剂通道包括依次连通的周向气道12、径向气道13和倾斜气道14，周向气道12形成在连接法兰1的外周缘部内并与主气化剂管接头6相连，径向气道13从周向气道12径向向内延伸，倾斜气道14从径向气道13倾斜向下地延伸至气化剂出口141。

其中，周向气道12可连通多个径向气道13，每个径向气道13可连接多对倾斜气道14。周向气道12可分隔成彼此独立的多个弧段，如图所示，分隔为四个弧段形状的周向气道12，分别与对称布置的四个主气化剂管接头6相连，从而形成独立的进气单元，以增强进气效率并平衡各个气化剂出口141的气化剂流流速。优选地，如图11所示，沿连接法兰1的由外至内的径向上，径向气道13的横截面的面积逐渐减小，使得气化剂流在径向向内流动时的速率增大，提高射流动能，有利于撞击扩散。而且，连接法兰1内的气化剂通道可对气化剂流进行预热，使得气化剂体积膨胀，进一步增大气化剂流的流速和动能。

对应于气化剂通道的上述布置特点，在本实施方式中，如图6所示，喷嘴支管11在连接法兰1的顶面上形成有料流入口110，料流入口110在顶面上优选为呈图示的同心圆阵列排布，在该同心圆阵列中，各个同心圆上均设有沿周向彼此间隔且沿径向对齐的多个料流入口，以形成沿径向的多排料流入口队列，每排料流入口队列的两侧分别对称地设置有径向气道13。参见图6，其中每个同心圆上等间距地设置有六个料流入口110，三个同心圆上的料流入口110均相应地径向对齐，共形成有六排料流入口队列。六排料流入口队列(即六排喷嘴支管11)与图9所示的六对径向气道13沿周向交叉布置，使得径向对齐的每排喷嘴支管11均形成在相应的一对径向气道13之间，以 便于从径向气道13中延伸出对称的倾斜气道14。喷嘴支管11的这种整齐排列，不仅使得进料均匀，还便于以下的冷却介质通道的布置。

由于连接法兰1直接安装在炉体上，受热大，为避免高温受损或影响工艺反应，需要对连接法兰1进行温度控制，即降温处理。其中，可通过预混气化剂管5和主气化剂管接头6通入常温或低温的氧气，对连接法兰1进行气态降温。还可在连接法兰1的除气化剂出口141和料流出口111以外的底面区域上均布耐火材料。在本实施方式中，还采用了液态降温措施。如图7和图8所示，气化喷嘴还包括冷却介质入口接头7和冷却介质出口接头8，气化剂通道形成在连接法兰1的底部，连接法兰1的顶部内还形成有连通冷却介质出口接头8与冷却介质入口接头7的冷却介质通道。参见图2和图8所示，即圆形连接法兰1包括顶部和底部，顶部内形成有冷却介质通道，底部内形成有气化剂通道。

冷却介质通道包括多排径向通道15以及呈同心圆阵列形状排布的多道圆弧通道16，径向通道15径向连通各道圆弧通道16。同样地，冷却介质通道应围绕各个喷嘴支管11设置以有效降温。因此，参见图7，多道圆弧通道16排布成的同心圆阵列与料流入口110排布成的同心圆阵列在径向上彼此错开，多排径向通道15与多排料流入口队列沿周向彼此错开，从而使各个喷嘴支管11的周围壁上均设有冷却介质通道。

优选地，图7所示的圆弧通道16包括最内道圆弧通道和环绕该最内道圆弧通道的外道圆弧通道，外道圆弧通道包括相互分隔且独立的第一圆弧段通道和第二圆弧段通道，第一圆弧段通道(右侧的外道圆弧通道)靠近且连通冷却介质入口接头7，第二圆弧段通道(左侧的外道圆弧通道)靠近且连通冷却介质出口接头8，最内道圆弧通道为完整圆弧通道以连通冷却介质入口接头7和冷却介质出口接头8。这样，从冷却介质入口接头7进入的冷却介质可从图中的右侧逐步充满至左侧的各个冷却介质通道中，并实现冷却介 质在各处的有效流动，最终从冷却介质出口接头8流出，达到对连接法兰1的有效降温效果。

本发明的气化喷嘴应用于一台日处理量为60吨的煤粉试验炉中，进行了效果验证。其中采用的料流(即气化原料)为煤粉(但不限于此，也可以是水煤浆等)，即由煤粉制备系统磨制的粒径为10～90μm占比达90％以上的煤粉。气化反应器100的气化压力为4MPa，温度为1400～1600℃。燃烧室采用高铬耐火材料衬里，煤气采用水激冷，灰渣由排渣系统排出，煤气由激冷室上部排出，进入煤气净化系统，煤气处理后导入火炬燃烧后排放。试验结果反映，煤粉的煤气化碳转化率可达99％，合成气中有效成分(H2+CO)可达90％，冷煤气效率高达80％。相较于现有技术，采用本发明的气化喷嘴后，可有效提高反应效率，从而在同样生产能力的情况下，气化反应器100的体积也可大大缩小，从而减少设备成本。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，例如图10所示的倾斜气道14也可变形为竖直气道，在竖直气道的出口处形成或增设倾斜引导气道，可达到同样的倾斜气流的效果；另外每个料流出口111周围也可对称布置不止一对的气化剂出口141，例如可沿料流出口111的周向间隔布置四个或六个气化剂出口141，这些简单变型均未超出本发明的构思，因而均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。