本发明涉及一种气化炉烧嘴，具体涉及一种带有水冷盘管保护的干煤粉气流床气化炉烧嘴。
背景技术：
我国是世界煤炭生产和消费大国，目前，煤炭在我国一次能源消费结构中占70％左右，其中一半以上的煤炭都是采用直接燃烧的方式加以利用，由此产生的燃煤污染物对生态环境造成了严重的污染。煤气化是重要的洁净煤技术之一，具有广泛的应用。当前主要的煤气化技术有移动床(固定床)气化、流化床气化、气流床气化和熔融床气化，其中气流床气化技术因其气化强度高、单炉生产能力大、煤种适应范围广、碳转化率高等优点已成为煤炭气化技术的主要发展方向。
烧嘴是气流床气化装置的关键部件。在粉煤气化过程中，烧嘴主要有两个方面的作用，一是促进煤粉的弥散，提高煤粉与气化剂的混合强度；二是与炉体匹配以形成适宜的流场结构，最终提高气化的效率。由于气化炉烧嘴头部长期暴露在炉内1600℃左右的高温热辐射及热气流环境中，导致烧嘴前端极易烧损，烧嘴的使用寿命普遍较短(通常为3～6个月，最好的情况也只能接近1年)，经常需要停车检修，严重影响到了气化炉运行的经济性。例如:一套造气量80000nm3/h的煤气化生产线停运一次经济损失达4000万元以上。为确保烧嘴的长周期稳定运行，保证气化炉的经济效益，烧嘴一个无维修运转周期应该在1年以上，最好能达到5～10年。
烧嘴的结构设计与烧嘴寿命密切相关，科技工作者对烧嘴结构进行了大量的研究。公开号为cn102399593a的中国发明专利公布了一种用于气化炉的烧嘴，该烧嘴包括由内向外同轴布置燃料通道和气化剂通道，烧嘴前部外壳上设置冷却水夹套或冷却水盘管,在烧嘴顶部设置烧嘴前脸夹套，气化剂通道内还设有冷却管，冷却管从外部引入冷却剂进入气化剂通道内并直接喷射到烧嘴头部进行冷却降温，冷却剂最后由喷气口喷出。该烧嘴存在以下缺陷：(1)燃料通道出口端的喷料口上固定连接有烧嘴喷头，该烧嘴喷头为收口式结构，导致烧嘴喷头极易被磨损；(2)冷却剂难以均匀的喷射到烧嘴头部，导致未喷射到的局部高温腐蚀。公开号为cn1710333a的中国发明专利公开了一种用于气化炉的旋流燃烧器，它径向由内往外依次同轴线布置了三级水冷夹套，虽然提高了烧嘴使用寿命，但是制造工艺复杂，加工制造成本很高，而且拆装维护也不方便。结构复杂，可靠性差，一旦任何一级水冷夹套出现问题，整个烧嘴都要拆下，返厂维修。
技术实现要素：
本发明的目的是解决现有气化炉烧嘴制造成本高、在炉内高温条件下易烧损、使用寿命短以至于经常导致气化炉停车的问题，进而提供一种带有水冷盘管保护的干煤粉气流床气化炉烧嘴。
一种带有水冷盘管保护的干煤粉气流床气化炉烧嘴，它包括煤粉管道、气化剂管道、水冷盘管，气化剂管道收缩口，煤粉管道与气化剂管道由内向外同轴布置，气化剂管道背离烧嘴头部的一端与煤粉管道的外侧壁密封安装，煤粉管道的顶端设有煤粉气流进口，靠近气化剂管道的顶端设有气化剂进口，水冷盘管的两端分别设置有冷却水进水管和冷却水出水管，煤粉管道为直管道，气化剂管道出口端设有收缩口，收缩口与烧嘴轴线成夹角θ，水冷盘管设置在烧嘴头部的收缩口外壁面上，气化剂管道出口端面与煤粉管道出口端面之间的垂直距离为l。
所述收缩角θ为0°＜θ≤45°，以此设置便于增强气化剂与煤粉的混合，加快煤气化反应进行。
所述l为0≤l≤50mm，以此设置增加了气化剂与煤粉的预混段，强化气化剂与煤粉的混合，同时又防止预混段过长，使得煤粉提前燃烧，烧蚀烧嘴。
所述水冷盘管为1根管道。
所述水冷盘管为多根管道，且相邻的两根管道间设有盘管隔板(7)。
所述冷却水进水管设置在水冷盘管靠近炉膛的一端，所述冷却水出水管(3)设置在水冷盘管远离炉膛的一端。
所述煤粉管道中走煤粉，气化剂管道中走氧气或者氧气与水蒸气的混合气体。
所述水冷盘管为1根管道或者多根管道，且相邻的两根管道间设有盘管隔板。
所述收缩角θ为0°≤θ≤45°。
所述l为0≤l≤50mm。
所述冷却水进水管设置在水冷盘管靠近炉膛的一端，所述冷却水出水管设置在水冷盘管远离炉膛的一端。
所述煤粉管道中走煤粉，气化剂管道中走氧气或者氧气与水蒸气的混合气体。
一只采用现有发明的烧嘴制造成本为150-200万元，烧嘴使用6个月后烧嘴头部即发现有明显的烧蚀，烧嘴水冷套开裂漏水。企业被迫关闭整条生产线，以停炉更换烧嘴，据统计造成总体经济损失约5000万元。
一只采用本发明制备的烧嘴制造成本为50-100万元，约为相同规格的现有烧嘴制造成本的30％-50％；经过试烧，采用本发明的烧嘴未见烧蚀现象，烧嘴寿命可达2-3年以上，为现有烧嘴寿命的4-6倍，为企业节省烧嘴更换及维护费用800-1200余万元。
本发明有以下有益效果：
本发明煤粉管道为直管式结构，气化剂管道出口为收缩口式结构，在气化剂管道收缩口外壁面上设置水冷盘管，用于对烧嘴喷头进行冷却降温。具有以下优点：
一、本发明结构简单，制造成本低，稳定可靠，维护方便。
现有技术如cn1710333a所述，常采用多级水冷夹套来保护烧嘴，其制造成本高，结构复杂，可靠性差，一旦任何一级水冷夹套出现问题，整个烧嘴都要拆下，返厂维修。本发明在烧嘴头部气化剂管道外壁面上设置水冷盘管，利用水冷盘管对烧嘴头部进行冷却降温。安装在烧嘴头部的水冷盘管不仅能有效的保护烧嘴免受炉膛高温热辐射及热气流的烧蚀，而且结构简单，制造成本低，稳定可靠。即便由于气化炉操作参数异常波动等原因导致水冷盘管烧损，只需将水冷盘管单独拆下，在生产现场更换即可，烧嘴整体不必返厂维修，节省了大量时间及人力、物力，可见本发明维护方便。
二、本发明煤粉与气化剂混合效果好
如专利cn1710333a所述，现有技术中煤粉通道与气化剂通道之间普遍设置有水冷夹套，水冷夹套依次由外壁、进水通道、中间夹层、出水通道、外壁组成，因此水冷夹套较厚，厚度约为75mm。煤粉环腔通道与气化剂环腔通道间隙小，约为10mm。烧嘴出口处煤粉气流与气化剂气流之间的距离是煤粉气流厚度的7.5倍，不利于煤粉与气化剂的迅速混合发生气化反应。本发明中煤粉通道区域与气化剂通道区域之间只有一层约为15mm的管壁，烧嘴出口处煤粉气流与气化剂气流之间的距离是现有技术的五分之一，并且由于气化剂通道出口端收缩口的存在，加速气化剂气流与煤粉气流的混合，促进气化反应进行。
三、本发明烧嘴与炉内高温烟气的接触面积小，有利于保护烧嘴
如专利cn1710333a所述，现有技术中采用水冷夹套保护烧嘴，每级水冷夹套依次由外壁、进水通道、中间夹层、出水通道、外壁组成，因此水冷夹套较厚，每级水冷夹套厚度约为75mm，每级水冷夹套头部与烟气接触的面积即为厚度约75mm的环形面积。目前常用的烧嘴一般采用多级水冷夹套保护烧嘴，燃烧器头部裸露于烟气中的面积大，容易发生高温氧化与烧损。本发明中设置煤粉管道在气化剂管道内具有一定的缩进距离，因此煤粉管道处于低温的气化剂气流(外侧)与煤粉气流(内侧)的包裹中，煤粉管道与高温烟气不接触，因此本发明中烧嘴头部与烟气接触的总面积即为壁厚约为15mm的气化剂通道的管壁横截面积。当本发明与现有技术的气化剂通道内径相同时，本发明的烧嘴头部与烟气接触的面积不足现有技术的五分之一。因此，本发明烧嘴头部与烟气接触的面积小，有利于保护烧嘴。
四、本发明使用寿命长
本发明采用冷却盘管对烧嘴头部气化剂管道进行降温，与现有技术中采用水冷夹套降温相比，水冷盘管内的水流阻力远小于后者。当烧嘴用冷却水系统采用的水泵(或提供的水压)一致时，水冷盘管内的水流速度远远高于水冷夹套内水流速度，对烧嘴气化剂管道的换热降温效果要远优于水冷夹套。在气化炉正常运转过程中，本发明中的中心煤粉管道不断地向气化炉内输送低温的煤粉气流，气化剂管道向炉内输送低温的气化剂气流，因此煤粉管道处于低温的气化剂气流(外侧)与煤粉气流(内侧)的包裹中，气化剂管道处于低温的气化剂气流(内侧)与水冷盘管(外侧)的包裹中，这对于烧嘴起到了冷却降温的作用。此外，烧嘴向炉内喷射的煤粉密度高达350～400kg/m3，可以在烧嘴出口处形成一个煤粉射流层，从而阻挡炉膛的高温热辐射和热气流对烧嘴的烧蚀，也能起到保护烧嘴的作用。可见本发明能有效实现烧嘴的冷却降温，从而延长烧嘴的使用寿命。
附图说明
图1为本发明采用单根水冷盘管时的整体结构剖视图；
图2为图1的a向局部示意图；
图3为图1的b向局部示意图；
图4为本发明采用单根异型螺旋型水冷盘管时的整体结构剖视图；
图5为图4的a向局部示意图；
图6为图4的b向局部示意图；
图7为本发明采用单根双股螺旋型水冷盘管时的整体结构剖视图；
图8为图7的a向局部示意图；
图9为图7的b向局部示意图；
图10为本发明采用多根水冷盘管时的整体结构剖视图；
图11为图10的a向局部示意图；
图12为图10的b向局部示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种带有水冷盘管保护的干煤粉气流床气化炉烧嘴，它包括煤粉管道1、气化剂管道2、水冷盘管5，气化剂管道收缩口6，煤粉管道1与气化剂管道2由内向外同轴布置，气化剂管道2背离烧嘴头部的一端与煤粉管道1的外侧壁密封安装，煤粉管道1的顶端设有煤粉气流进口1-1，靠近气化剂管道2的顶端设有气化剂进口2-1，水冷盘管5的两端分别设置有冷却水进水管4和冷却水出水管3，煤粉管道1为直管道，气化剂管道2出口端设有收缩口6，收缩口6与烧嘴轴线成夹角θ，水冷盘管5设置在烧嘴头部的收缩口6外壁面上，气化剂管道2出口端面与煤粉管道1出口端面之间的垂直距离为l。
经过试烧，采用本实施方式的烧嘴未见烧蚀现象，烧嘴出口100mm位置温度保持在1000℃左右，烧嘴寿命可达2-3年以上，为现有烧嘴寿命的4-6倍，为企业节省烧嘴更换及维护费用800-1200余万元。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述收缩角θ为0°＜θ≤45°，以此设置便于增强气化剂与煤粉的混合，加快煤气化反应进行。。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是所述l为0≤l≤50mm，以此设置增加了气化剂与煤粉的预混段，强化气化剂与煤粉的混合，同时又防止预混段过长，使得煤粉提前燃烧，烧蚀烧嘴。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述水冷盘管5为1根管道。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述水冷盘管5为多根管道，且相邻的两根管道间设有盘管隔板7。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述冷却水进水管4设置在水冷盘管5靠近炉膛的一端，所述冷却水出水管3设置在水冷盘管5远离炉膛的一端。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是所述煤粉管道1中走煤粉，气化剂管道2中走氧气或者氧气与水蒸气的混合气体。其它与具体实施方式一至六之一相同。
本发明的工作原理：
煤粉在氮气或二氧化碳的输送下经煤粉管道1喷入气化炉膛，氧气与水蒸汽的混合气体经气化剂管道2出口端的收缩口6后，与烧嘴轴线成夹角θ高速喷入气化炉膛，两股气流在喷入气化炉膛较短距离后即相互混合发生气化反应，具有压头的冷却水由冷却水进水管4进入水冷盘管5，由冷却水出水管3流出，在水冷盘管5中，低温冷却水吸收来自水冷盘管5壁面的热量，从而对收缩口6进行冷却，煤粉管道1不断地向气化炉内输送低温的煤粉气流，气化剂管道2向气化炉内输送低温的气化剂气流，因此煤粉管道1处于低温的气化剂气流(外侧)与煤粉气流(内侧)的包裹中，气化剂管道收缩口6处于低温的气化剂气流(内侧)与水冷盘管5(外侧)的包裹中，这对于烧嘴起到了进行冷却降温的作用。
另外，烧嘴向炉内喷射的煤粉密度高达350～400kg/m3，可以在烧嘴头部出口处形成一个煤粉射流层，从而阻挡炉膛的高温热辐射和热气流对烧嘴的烧蚀，也能起到保护烧嘴的作用。
一只采用现有发明的烧嘴制造成本为150-200万元，烧嘴使用6个月后烧嘴头部即发现有明显的烧蚀，烧嘴水冷套开裂漏水。企业被迫关闭整条生产线，以停炉更换烧嘴，据统计造成总体经济损失约5000万元。
一只采用本发明的烧嘴制造成本为50-100万元，约为相同规格的现有烧嘴制造成本的30％-50％；经过试烧，采用本发明的烧嘴未见烧蚀现象烧嘴寿命可达2-3年以上，为现有烧嘴寿命的4-6倍，为企业节省烧嘴更换及维护费用800-1200余万元。