一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法与流程

本发明属于能源化工技术领域，特别涉及一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法。

背景技术：

工艺烧嘴是水煤浆加压气化工艺的核心设备，其通常工作在高温高压的苛刻条件下，使用寿命一般较短。为了保护烧嘴，一般在工艺烧嘴头部设置冷却水系统。现有顶置ge、西北院多元料浆气化工艺烧嘴及华东理工大学多喷嘴对置气化工艺烧嘴均采用盘管式冷却方式，其结构如图1所示。这种冷却方式只对烧嘴头部前端面进行冷却，对烧嘴头部保护作用有限。同时，冷却水盘管与外喷头连接处经常因开裂而造成冷却水系统泄漏。严重制约了水煤浆气化装置的长周期运行。

其冷却水系统如图2所示，工作过程通常为：冷却水罐2里的脱盐水经冷却水泵3增压至2.5mpa并经换热器(冷却器)5降温至30℃后，送入烧嘴冷却水盘管来对烧嘴头部进行冷却，出盘管冷却水进入分离罐6，并靠重力流回冷却水罐2，完成一个循环。其中，分离罐6内通入低压氮气作为co在线分析仪的载气，载气经放空管排人大气。当冷却水盘管泄漏时，安装在放空管上的co在线分析仪会发出报警。此外，该系统还设置有一个事故水槽4，当冷却水系统出现故障时，事故水槽4中的水依靠重力及氮气压力继续对烧嘴进行冷却。由于盘管流阻较大，泵功率较高，并且冷却水带出热量也会造成能源浪费。同时由于冷却水系统运行压力低于气化炉压力，当冷却水盘管泄漏而不能及时停车时，会造成大量高温合成气外泄，并造成严重事故。此外，事故水槽中的冷却水长期不流动，容易锈蚀。

中国专利公开了一种多元料浆气化喷嘴(专利号：zl200420041980.1)，该喷嘴设置有水冷夹套，冷却水由冷却水引入管进入夹套水浴，由于夹套内截面积较大，冷却水流速较低，换热效果差，不利于喷嘴头部的保护。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法，通过强化烧嘴头部换热效果，并采用多种喷头保护措施来有效延长工艺烧嘴使用寿命；水夹套式结构使冷却水流阻减小，进而降低冷却水泵功率；通过工艺烧嘴冷却水夹套结构的合理设计，能够实现烧嘴冷却水从炉膛带出的热量全部回收，更加节能，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种水夹套工艺烧嘴装置，包括中心氧管、水煤浆管、外氧管和冷却水夹套管，其中，所述中心氧管前端为中心氧喷头，后端一侧管壁设置有中心氧入口，中心氧入口用于供入氧化剂；

所述水煤浆管的前端为水煤浆喷头，后端一侧管壁设置有水煤浆入口，顶端设有第一连接法兰，将水煤浆管顶端封闭，水煤浆管套置在中心氧管外侧，互相通过第一连接法兰连接；其中，水煤浆入口用于供入液体燃料；

所述外氧管的前端为外喷头，后端一侧管壁设置有外氧入口，顶端设有第二连接法兰，将外氧管顶端封闭，外氧管套置在水煤浆管外侧，互相通过第二连接法兰连接；其中，外氧入口用于供入氧化剂；

冷却水夹套管套置在外氧管外侧，前端通过外喷头与外氧管连为一体，形成冷却水腔体，后端管壁设置有冷却水进口及冷却水出口；冷却水夹套管与外氧管之间装设有环形冷却水隔板，将冷却水腔体隔为内外两层，使冷却水由内层供入外层引出或由外层供入内层引出；冷却水隔板的前端设置有冷却水分布环；外氧管外壁、冷却水夹套管内壁以及外喷头内壁均分布有扰流子或肋片、旋流片。

第二方面，一种水夹套工艺烧嘴冷却水系统，包括：

冷却水罐，设置在整个冷却水系统的最高处；冷却水罐内下部为冷却水，上部为氮气，通过控制氮气的压力来维持整个系统的压力；冷却水由水罐底部下降管引出，经上升管后由侧壁返回；

冷却水泵，入口与下降管连通，出口设置有止回阀；

事故切断阀xv-1，设置在下降管与冷却水泵止回阀出口之间；

两流量计f1/f2、两温度计t1/t2、两压力表p1/p2、两手动调节阀，分别设置在工艺烧嘴冷却水进出口前后；

循环阀xv-2，设置在工艺烧嘴冷却水出口的上升管上，通过循环阀xv-2后，冷却水将循环回冷却水罐；

排水阀xv-3，设置在工艺烧嘴冷却水出口与循环阀xv-2之间，通过排水阀xv-3后，冷却水将被排放。

第三方面，一种水夹套工艺烧嘴冷却水系统的运行方法，包括：

冷却水泵正常时，关闭事故切断阀xv-1、排水阀xv-3，打开循环阀xv-；由冷却水罐底部下降管引出的冷却水经冷却水泵升压后，送入工艺烧嘴进行换热，随后经上升管循环回冷却水罐，完成一个循环；

在工艺烧嘴内部，冷却水通过外喷头及冷却水夹套管从炉膛吸热，并通过外氧管壁面向外氧管内的氧化剂放热，通过氧化剂将热量带回炉膛；

冷却水泵故障时，事故切断阀xv-1、排水阀xv-3打开，循环阀xv-2关闭；由冷却水罐底部下降管引出的冷却水依靠重力及氮气压力继续流动并对烧嘴进行冷却，出水经排水阀xv-3排放。

根据本发明提供的一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法，通过在工艺烧嘴装置的冷却水腔体内设置扰流子或肋片、旋流片结构，强化了烧嘴头部换热效果，利于更好地保护烧嘴；

(2)本发明提供的一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法，工艺烧嘴外头外壁设置有渣钉，通过运行过程中自行发生的挂渣现象实现了对烧嘴外喷头的保护；

(3)本发明提供的一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法，对烧嘴中心氧喷头外壁，水煤浆喷头内壁实施耐磨处理，减缓了固体颗粒对喷头的磨损；

(4)本发明提供的一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法，通过对工艺烧嘴冷却水夹套结构合理设计，能够实现烧嘴冷却水从炉膛带出的热量的全部回收，更加节能；

(5)本发明提供的一种水夹套工艺烧嘴装置、冷却水系统及运行方法，运行时的冷却水系统运行压力高于气化炉压力，可避免因高温合成气外泄而引发事故。

附图说明

图1为公知的盘管式冷却水煤浆工艺烧嘴的结构示意图；

图2为公知的水煤浆工艺烧嘴冷却水系统流程图；

图3为本发明提供的一种长寿命节能型水夹套工艺烧嘴装置示意图；

图4为与本发明提供的工艺烧嘴装置配套的冷却水系统流程图。

附图标号说明

1-工艺烧嘴；2-冷却水罐；3-冷却水泵；4-事故水槽；5-冷却器；6-分离罐；7-手阀；8-止回阀；9-液位计；10-下降管；11-上升管；101-中心氧喷头；102-水煤浆喷头；103-外喷头；104-冷却水分布环；105-扰流子或肋片、旋流片；106-渣钉；107-冷却水隔板；108-中心氧管；109-中心氧入口；110-第一连接法兰；111-水煤浆管；112-水煤浆入口；113-第二连接法兰；114-外氧管；115-外氧入口；116-冷却水夹套管；117-冷却水进口；118-冷却水出口；119-安装法兰。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

根据本发明的第一方面，提供了一种水夹套工艺烧嘴装置，如图3所示，包括中心氧管108、水煤浆管111、外氧管114和冷却水夹套管116，其中，所述中心氧管108前端为中心氧喷头101，后端一侧管壁设置有中心氧入口109，中心氧入口109用于供入氧气等氧化剂；

所述水煤浆管111的前端为水煤浆喷头102，后端一侧管壁设置有水煤浆入口112，顶端设有第一连接法兰110，将水煤浆管111顶端封闭，水煤浆管111套置在中心氧管108外侧，互相通过第一连接法兰110连接；其中，水煤浆入口112可以供入水煤(焦)浆、多元料浆、渣油、有机废水、化工废液、掺入废固的水煤(焦)浆或其他液体燃料，或上述液体燃料的组合物；

所述外氧管114的前端为外喷头103，后端一侧管壁设置有外氧入口115，顶端设有第二连接法兰113，将外氧管114顶端封闭，外氧管114套置在水煤浆管111外侧，互相通过第二连接法兰113连接；其中，外氧入口115可以供入氧气等氧化剂；该外氧入口115为主氧供应口，其氧化剂流量占总氧化剂流量的70％～90％；

冷却水夹套管116套置在外氧管114外侧，前端通过外喷头103与外氧管114连为一体，形成冷却水腔体，后端管壁设置有冷却水进口117及冷却水出口118，外壁设有安装法兰119；冷却水夹套管116与外氧管114之间装设有环形冷却水隔板107，将冷却水腔体隔为内外两层，冷却水进口117与冷却水腔体内层连通，冷却水出口118与冷却水腔体外层连通，或者冷却水进口117与冷却水腔体外层连通，冷却水出口118与冷却水腔体内层连通，冷却水由内层供入外层引出或由外层供入内层引出；冷却水隔板的设置，能够强制冷却水流经整个冷却水腔体，提升烧嘴装置冷却效果；

冷却水隔板107的前端为冷却水分布环104，通过优化冷却水分布环104的结构可以提高外喷头内冷却水局部速度，进而解决由于冷却水夹套管内冷却水流通面积远大于盘管截面积、冷却水流速大大降低导致的换热效果差的问题；

外氧管114外壁、冷却水夹套管116内壁以及外喷头103内壁均分布有扰流子或肋片、旋流片105，目的是为了增强冷却水的紊流度，与冷却水分布环104共同强化烧嘴外喷头换热效果，更好地保护烧嘴。这样冷却水在冷却水腔体内的流动阻力主要集中在烧嘴外喷头头部，通过冷却水流量配合外喷头结构，使冷却水流阻小于1mpa，比盘管式冷却方式明显降低，冷却水泵功率也可以相应降低，更加节能。

进一步地，所述外喷头103前端面分布有渣钉106。正常情况下，在炉膛内烧嘴四周会形成一个回流区，合成气夹带熔渣返流回烧嘴外喷头端面。在烧嘴冷却水的冷却下，熔渣固化，随后脱落。设置渣钉更有利于烧嘴外喷头端面挂渣，并且会增加渣层强度，挂渣不易脱落。这样在外喷头端面会形成一个稳定良好的挂渣层，渣层起到很好的隔热作用，有效降低了烧嘴外喷头端面的温度，更有利于保护烧嘴外喷头，延长烧嘴使用寿命。

进一步地，所述中心氧管108、水煤浆管111、外氧管114、冷却水夹套管116、冷却水隔板107、中心氧喷头101、水煤浆喷头102、外喷头103、冷却水分布环104同轴。

进一步地，中心氧喷头101外壁与水煤浆喷头102内壁实施耐磨处理，如喷涂碳化钨、堆焊司太立合金或镶嵌耐磨陶瓷等处理。在较高流速和相当硬度的水煤浆固体颗粒的冲刷下，中心氧喷头外壁与水煤浆喷头内壁容易产生冲蚀磨损，必须进行耐磨处理来减缓磨损速率，有效延长烧嘴使用寿命。

根据本发明的第二方面，提供了一种水夹套工艺烧嘴冷却水系统，用于实施第一方面所述的水夹套工艺烧嘴装置的冷却，如图4所示，包括：

冷却水罐2，设置在整个冷却水系统的最高处；冷却水罐2内下部为冷却水，上部为氮气，通过控制氮气的压力来维持整个系统的压力；冷却水罐2的顶部设置有压力控制系统，包含压力表p3、补气阀pv-1、排气阀pv-2及安全阀psv，其中补气阀pv-1连通氮气源，排气阀pv-2和安全阀psv出口放空；冷却水罐2的侧壁设置有液位控制系统，包含液位计li9以及补水控制阀fv-1；冷却水由水罐底部下降管10引出，经上升管11后由侧壁返回；

冷却水泵3，入口与下降管10连通，出口设置有止回阀8，优选冷却水泵3为两台并联，一开一备；

事故切断阀xv-1，设置在下降管10与冷却水泵止回阀8出口之间；

两流量计f1/f2、两温度计t1/t2、两压力表p1/p2、两手动调节阀7，分别设置在工艺烧嘴1冷却水进出口前后；

循环阀xv-2，设置在工艺烧嘴1冷却水出口的上升管11上，通过循环阀xv-2后，冷却水将循环回冷却水罐2；

排水阀xv-3，设置在工艺烧嘴1冷却水出口与循环阀xv-2之间，通过排水阀xv-3后，冷却水将被排放。

进一步的，工艺烧嘴1的冷却水进口压力高于气化炉压力0.1～1.0mpa，通过工艺烧嘴冷却水进出口流量差(f1-f2)来判断冷却水是否泄漏。冷却水系统运行压力高于气化炉压力，可确保工艺烧嘴的泄露造成冷却水进入气化炉而不是合成气进入水系统，避免因高温合成气外泄而引发事故。

更进一步的，冷却水系统所使用的冷却水为欠饱和脱盐水。

根据本发明的第三方面，提供了一种水夹套工艺烧嘴冷却水系统的运行方法，包括：

冷却水泵3正常时，关闭事故切断阀xv-1、排水阀xv-3，打开循环阀xv-2；由冷却水罐2底部下降管10引出的冷却水经冷却水泵3升压后，送入工艺烧嘴1进行换热，随后经上升管11循环回冷却水罐2，完成一个循环；

在工艺烧嘴1内部，冷却水通过外喷头103及冷却水夹套管116从炉膛吸热，并通过外氧管114壁面向外氧管114内的氧化剂放热，通过合理设计水流量实施冷却水吸热与放热平衡，从而将冷却水由炉膛吸收的热量全部传热给氧化剂，而氧化剂又将热量带回炉膛。此过程实现了烧嘴冷却水从炉膛带出热量全部回收，节约能源。冷却水夹套内部设置的扰流子或肋片、旋流片105有利于强化冷却水与炉膛及氧化剂的换热。

冷却水泵3故障时，事故切断阀xv-1、排水阀xv-3打开，循环阀xv-2关闭；由冷却水罐2底部下降管10引出的冷却水依靠重力及氮气压力继续流动并对烧嘴1进行冷却，出水经排水阀xv-3排放。

本发明通过提高冷却水夹套管头部水流速及设置扰流子或肋片、旋流片来强化烧嘴外喷头头部换热效果，通过在外喷头外壁面设置渣钉来实现利用运行过程中的挂渣层保护烧嘴外喷头，通过对中心氧喷头外壁、煤浆喷头内壁进行耐磨处理来减缓固体颗粒对喷头的磨损，并彻底避免了因传统盘管故障引起的一切问题，可将工艺烧嘴的使用寿命延长一倍以上。

本发明冷却水系统冷却水流动阻力明显减小，通过冷却水流量配合外喷头结构，使流阻小于1mpa，所以冷却水泵功率也可以相应降低，较传统盘管型冷却水系统冷却水泵功率可降低60％以上；同时，通过工艺烧嘴冷却水夹套结构的合理设计，实现烧嘴冷却水从炉膛带出的热量全部回收，更加节能。

以某项目7台(5开2备)投煤量2000t/d气化炉为例，其单台烧嘴冷却水流量60t/h，冷却水出口比进口温升5℃，年运行8000h，泵效率为75％，重力加速度为9.8m/s²。当冷却水泵扬程由250m降低到100m后，因冷却水泵功率降低而每年节约的电能为：当冷却水从炉膛带出的热量全部回收后，可实现能量回收折合标准煤：其中，水的比热容为4.2kj/(kg·℃)，标准煤热值为29307kj/kg，按1kw·h电能＝0.4kg标准煤换算，相当于430万kw·h电能。

本发明冷却水系统运行压力高于气化炉压力，可确保工艺烧嘴的泄露造成冷却水进入气化炉而不是合成气进入水系统，避免高温合成气外泄引发事故。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。