一种引射器喷嘴的保护装置及使用方法

本发明属于引射器喷嘴防护领域，具体涉及一种引射器喷嘴的保护装置及使用方法。

背景技术：

煤气化技术是高效清洁的洁净煤技术。当前的煤气化技术主要分为移动床气化、流化床气化、气流床气化和熔融床气化四类。恩德炉是循环流化床气化炉最具有代表性的气化炉之一，其优点在于：稳定性高、气化强度大、成本较低、清洁能力强、煤气净化工艺简单、不产生焦油及酚类及对环境污染小等优点，恩德炉常用于中小型化工企业。目前，恩德气化炉主要问题：(1)气化炉底部压力大于回料管内压力。气化炉内气体向回料管内反串，致使大部分飞灰颗粒无法从回料管顺利返回到气化炉底部，颗粒回流率降低，飞灰颗粒在炉内的停留时间变短，气化反应不完全；(2)循环物料间断进入气化炉，引起炉内压力波动，颗粒在炉内流动不稳定，甚至造成颗粒在回料管内堵塞，影响气化炉的正常运行。一旦停车，导致整个生产线全部停运，整个生产线停运一次给企业造成巨额经济损失。例如:一套造气量45000nm³/h的恩德气化炉生产线停运一次经济损失达2000万元以上。针对这些问题，哈尔滨工业大学提出了采用气固引射器作为恩德气化炉的回料控制装置，提高循环颗粒的回流率和稳定性。(专利号：201410219094.1)将更多的飞灰颗粒引入到气化炉内进行再次气化，从而降低飞灰可燃物含量。然而，引射器喷嘴长期连续工作在高温(900～1000℃)、腐蚀性(h2s,ch4)的环境中。运行一段时间后(约6个月)出现了以下问题：(1)在保证引射器提供压阻不变情况下，引射器工作蒸气流量增加；(2)炉内火焰出现了偏斜。(3)气化炉炉膛底部温度降低；(4)有效合成气成份含量降低，经过检修发现引射器喷嘴还出现了严重损坏。据此，提出了一种引射器喷嘴的保护装置及使用方法，以避免喷嘴在高温下受到损坏，同时导致气化炉气化效率降低。

技术实现要素：

本发明为了解决恩德气化炉中引射器喷嘴长期连续工作在高温、腐蚀性的环境中，容易使引射器喷嘴出现损坏，导致气化炉气化效率降低的问题，进而提供一种引射器喷嘴的保护装置及使用方法；

一种引射器喷嘴的保护装置，所述一种引射器喷嘴的保护装置包括射流蒸汽管道、射流蒸汽管道保护罩和环状管；

所述射流蒸汽管道设置在引射器上，且射流蒸汽管道的一端与位于引射器外部的工作蒸汽管道连通设置，射流蒸汽管道的另一端延伸至引射器内并与套装在拉法尔喷嘴上的环状管连通设置，拉法尔喷嘴安装在位于引射器内部的工作蒸汽管道的出汽端上，射流蒸汽管道保护罩套装在环状管上，环状管朝向拉法尔喷嘴出汽端的一侧沿周向等距加工有若干个射流雾化孔；

进一步地，所述射流蒸汽管道上串联有根阀，根阀靠近射流蒸汽管道与工作蒸汽管道的连通端设置；

进一步地，所述射流蒸汽管道上串联有流量调节阀，流量调节阀设置在根阀与环状管之间；

进一步地，所述射流蒸汽管道上串联有流量计，流量计设置在流量调节阀与环状管之间；

进一步地，所述射流蒸汽管道上串联有压力计，压力计设置在流量计与环状管之间；

进一步地，所述射流蒸汽管道上串联温度计，温度计设置在压力计与环状管之间；

进一步地，所述根阀、流量控制阀、流量计、压力计和温度计均设置在引射器的外部；

进一步地，所述环状管的中心轴线与拉法尔喷嘴的轴线共线设置；

进一步地，所述射流雾化孔的孔径为1.1mm～3.2mm，相邻两个射流雾化孔的孔间距为3mm～9mm；

进一步地，所述射流雾化孔的中心线与设置在引射器内的工作蒸汽管道的中心轴线的偏角为0～8°，

一种引射器喷嘴的保护装置的使用方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：在环状管的一侧沿周向等距加工有若干个孔径为1.1mm～3.2mm的射流雾化孔，相邻两个射流雾化孔的间距为3mm～9mm；

步骤二：将步骤一中加工好若干个射流雾化孔的环状管套装在拉法尔喷嘴上，且环状管在拉法尔喷嘴上的位置为l2/l1＝1/3～2/3处，l1为拉法尔喷嘴起始收缩截面至喷嘴出口截面的距离，l2为多个射流雾化孔所在平面距喷嘴出口截面的距离；

步骤三：在步骤二中设置在拉法尔喷嘴上环状管的外侧安装有射流蒸汽管道保护罩；

步骤四：在射流蒸汽管道上由进汽端至出汽端依次串联安装根阀、流量控制阀、流量计、压力计和温度计；

步骤五：将步骤四中安装有根阀、流量控制阀、流量计、压力计和温度计的射流蒸汽管道的一端与设置在引射器外部的工作蒸汽管道连通设置，射流蒸汽管道的另一端与设置在引射器内的环状管的另一侧连通设置；

步骤六：使蒸汽工作管道提供蒸汽，蒸汽沿工作蒸汽管道进入到引射器中，保证设置在引射器外部的工作蒸汽管道中蒸汽压力为0.25mpa～0.6mpa，蒸汽温度为285℃～420℃；通过根阀控制射流蒸汽管道的通断，通过流量控制阀调节射流蒸汽管道中的蒸汽流量，保证射流蒸汽管道中射流蒸汽的流量小于等于气化炉气化剂中水蒸汽量的5％；

进一步地，步骤四中的流量计采用孔板流量计，温度计采用k型热电偶。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种引射器喷嘴的保护装置及使用方法，解决了长期连续工作在高温、腐蚀性的环境中，容易使引射器喷嘴出现损坏的问题；

(1)本发明改变了喷嘴附近的压力场和速度场

工作蒸汽在拉法尔喷嘴的加速作用下，喷嘴出口处的蒸汽可达到较高速度(1276m/s)，而引射器喷嘴附近区域的合成气气流速度在之间。根据伯努利原理，喷嘴附近的流场压强要小于外围合成气流场的压强，产生的压差使得合成气气流和固体颗粒的流向发生改变，工作蒸汽与合成气气流之间产生动量交换，这种作用使得一部分合成气气流及固体颗粒随工作蒸汽运动，改变了合成气气流原有流场，产生卷吸现象。合成气气流及固体颗粒在工作蒸汽的卷吸作用下向喷嘴附近区域流动，合成气携带固体颗粒不断冲刷喷嘴外壁面，在未加保护措施的情况下，导致喷嘴外壁面因严重磨损而失效。合成气中的h2s气体在工作蒸汽(水蒸气)的条件下对喷嘴外壁面产生电化学腐蚀，由于未加保护措施，即使喷嘴材质耐腐蚀，但长期受到h2s气体的腐蚀作用，使喷嘴外壁面光洁度下降，引起腐蚀磨损而使喷嘴失效。

采用本发明的方法及装置后，工作蒸汽管道引出一路蒸汽至射流蒸汽管道，通过喷嘴外壁面的圆周上的一圈孔径为1.1～3.2mm，孔间距为3～9mm的射流雾化孔，在喷嘴外侧形成环形蒸汽射流。射流蒸汽的速度远小于工作蒸汽的流速，因此喷嘴外壁面流场的压强有所提高，与喷嘴外围合成气的压差大幅减小，改变了喷嘴附近的压力场，削弱了由于压差而引起的合成气及固体颗粒向喷嘴外表面的流动。同时，由于喷嘴外表面的流场中进入新的质量流，喷射蒸汽处于喷嘴外壁面与合成气气流和固体颗粒之间，从而避免了合成气气流及固体颗粒对喷嘴外壁面的冲刷，同时也阻碍了合成气气流中h2s气体与喷嘴外壁面的直接接触，防止了h2s气体对喷嘴外壁面产生电化学腐蚀。另外由于射流蒸汽具有一定的动量，可以削弱喷嘴外围一部分因卷吸作用而冲刷喷嘴的合成气气流的动量，射流蒸汽的动量方向向喷嘴外围偏离，射流蒸汽阻碍了合成气及固体颗粒向喷嘴的流动，改变了喷嘴附近流体的速度场，阻止了合成气携带固体颗粒对喷嘴的冲刷。根据数值模拟结果(如图4及图5)，当射流蒸汽压力大于等于35kpa时，可使喷嘴附近区域的压力提高至大于与外围合成气流场的压强，合成气气流及固体颗粒无法被卷吸到喷嘴附近区域。喷嘴外侧形成的该环形蒸汽射流防止了合成气气流及固体颗粒对喷嘴外壁面的冲刷，以及合成气中的h2s气体对喷嘴外壁面的腐蚀；

(2)本发明降低了喷嘴外壁面附近区域的温度而防止喷嘴硬度下降

即使喷嘴中含有耐高温材料，但由于拉法尔喷嘴在未加保护措施的情况下长期工作在约900～1000℃高温环境中，其表面硬度下降，耐磨性变差，进而导致喷嘴外壁面严重磨损而失效。

采用本发明的方法及装置后，从工作蒸汽管道引出至射流蒸汽管道的蒸汽，通过射流雾化孔后形成的较低温度的蒸汽射流(258-420℃)，在喷嘴外壁面形成较低的温度带，使喷嘴外壁面附近区域的温度降低了243～253℃，有效的解决了喷嘴表面硬度下降，耐磨性变差的问题，从而防止了喷嘴因磨损而失效。

(3)本发明解决了喷嘴材质中的α-cr相的析出

拉法尔喷嘴材质中含有较高的cr含量(约20％)，在高温环境下(900～1000℃)长期工作时，喷嘴材质中的α-cr相析出，cr含量降低至远低于标准材质的含量，喷嘴材料中镍基结构遭到破坏，使喷嘴材质硬度性能大幅降低，进而导致喷嘴外壁面受到合成气气流携带固体颗粒的严重磨损而失效。

采用本发明的方法及装置后，从工作蒸汽管道引出至射流蒸汽管道的蒸汽，通过射流雾化孔后形成的较低温度的蒸汽射流(420～285℃)，在喷嘴外壁面形成较低的温度带。根据数值模拟结果，图5为射流蒸汽压力35kpa时引射器内部的温度分布图，射流蒸汽在喷嘴外壁面形成较低的温度带，其温度大约在657～747℃之间。在该温度下，有效的解决了喷嘴材质中α-cr相的析出，从而防止喷嘴失效。

2、本发明提高了气化炉的有效气成分

由于喷嘴损坏后喷嘴出口直径变为34mm(相比于现有出口直径变大)，在工作蒸汽压力不变的情况下，蒸汽质量流量大大增加(由929kg/h增加到3300kg/h)，导致进入气化炉内的水蒸汽量增加，由于工作蒸汽的温度(420～285℃)低于气化炉炉膛下部温度，大量的工作蒸汽进入到炉膛内部后吸热升温，导致下部炉膛温度降低。使用本发明的装置和方法后，气化炉下部温度增加了20℃，上部温度增加了12℃。相对于喷嘴损坏的情况，使用蒸汽射流保护装置后气化炉有效气成分中的co的含量由31.4％增加到32.57％，h2的含量由40％增加到40.92％，有效气成分由71.4％增加到73.49％。此外，与喷嘴损坏后相比，使用本发明的装置和方法后，工作蒸汽量大大降低，射流蒸汽的量仅占气化剂水蒸汽量的0.79％，对气化炉影响较小。

3、本发明适应性范围广，通过蒸汽管道上的流量调节阀来调节射流蒸汽的压力和流量，可以满足不同气化炉工作负荷下的拉法尔喷嘴保护需求。

4、本发明安全可靠，所使用的射流蒸汽为引射器工作蒸汽管道中引出的蒸汽，不需要额外的蒸汽来源，不会对原有引射器工作造成影响。射流蒸汽可以作为气化剂，不影响气化炉正常运行。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1在a处的局部放大图。

图3是图1在a处的a-a方向的向视图

图4是不同射流蒸汽压力下喷嘴附近区域射流蒸汽的速度分布云图。

图5分别是引射器内部的气流速度迹线图。

图6是射流蒸汽压力为35kpa时引射器内温度分布图；

图中：1根阀、2流量控制阀、3流量计、4压力计、5温度计、6射流蒸汽管道、7射流蒸汽管道保护罩、8拉法尔喷嘴、9射流雾化孔、10工作蒸汽管道、11引射器和12环状管。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式提供了一种引射器喷嘴的保护装置，所述一种引射器喷嘴的保护装置包括射流蒸汽管道6、射流蒸汽管道保护罩7和环状管12；

所述射流蒸汽管道6设置在引射器11上，且射流蒸汽管道6的一端与位于引射器11外部的工作蒸汽管道10连通设置，射流蒸汽管道6的另一端延伸至引射器11内并与套装在拉法尔喷嘴8上的环状管12连通设置，拉法尔喷嘴8安装在位于引射器11内部的工作蒸汽管道10的出汽端上，射流蒸汽管道保护罩7套装在环状管12上，环状管12朝向拉法尔喷嘴8出汽端的一侧沿周向等距加工有若干个射流雾化孔9。

具体实施方式二：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的射流蒸汽管道6作进一步限定，本实施方式中，所述射流蒸汽管道6上串联有根阀1，根阀1靠近射流蒸汽管道6与工作蒸汽管道10的连通端设置。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

如此设置，通过根阀1开控制射流蒸汽管道6的通断。

具体实施方式三：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的射流蒸汽管道6作进一步限定，本实施方式中，所述射流蒸汽管道6上串联有流量调节阀2，流量调节阀2设置在根阀1与环状管12之间。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。

如此设置，通过流量调节阀2调节射流蒸汽管道6内蒸汽的流量和压力。

具体实施方式四：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的射流蒸汽管道6作进一步限定，本实施方式中，所述射流蒸汽管道6上串联有流量计3，流量计3设置在流量调节阀2与环状管12之间。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。

如此设置，便于通过流量计3准确知道射流蒸汽管道6内蒸汽的流量，根据实际流量和预设流量值的偏差，调节流量调节阀2的工作状态。

具体实施方式五：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的射流蒸汽管道6作进一步限定，本实施方式中，所述射流蒸汽管道6上串联有压力计4，压力计4设置在流量计3与环状管12之间。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。

如此设置，便于通过压力计4准确知道射流蒸汽管道6内蒸汽的压力值，根据实际压力值和装置的临界压力值的偏差，调节流量调节阀2的工作状态。

具体实施方式六：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的射流蒸汽管道6作进一步限定，本实施方式中，所述射流蒸汽管道6上串联温度计5，温度计5设置在压力计4与环状管12之间。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

如此设置，便于观察射流蒸汽管道6中通过的蒸汽温度。

具体实施方式七：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的根阀1、流量控制阀2、流量计3、压力计4和温度计5作进一步限定，本实施方式中，所述根阀1、流量控制阀2、流量计3、压力计4和温度计5均设置在引射器11的外部。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的射流雾化孔9作进一步限定，本实施方式中，所述环状管12的中心轴线与拉法尔喷嘴8的轴线共线设置。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

本实施方式中，环状管12外面设有射流蒸汽管道保护罩7，用以保护射流蒸汽管道及环状管12。

具体实施方式九：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八所述的射流雾化孔9作进一步限定，本实施方式中，所述射流雾化孔9的孔径为1.1mm～3.2mm，相邻两个射流雾化孔9的孔间距为3mm～9mm。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式十：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式九所述的射流雾化孔9作进一步限定，本实施方式中，所述射流雾化孔9的中心线与设置在引射器11内的工作蒸汽管道10的中心轴线的偏角为0～8°。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

如此设置，防止通过射流雾化孔的射流蒸汽因存在15°的扩散角而打到喷嘴外壁面上。

具体实施方式十一：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式提供了一种引射器喷嘴的保护装置的使用方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：在环状管12的一侧沿周向等距加工有若干个孔径为1.1mm～3.2mm的射流雾化孔9，相邻两个射流雾化孔9的间距为3mm～9mm；

步骤二：将步骤一中加工好若干个射流雾化孔9的环状管12套装在拉法尔喷嘴8上，且环状管12在拉法尔喷嘴8上的位置为l2/l1＝1/3～2/3处，l1为拉法尔喷嘴8起始收缩截面至喷嘴出口截面的距离，l2为多个射流雾化孔9所在平面距喷嘴出口截面的距离；

步骤三：在步骤二中设置在拉法尔喷嘴8上环状管12的外侧安装有射流蒸汽管道保护罩7；

步骤四：在射流蒸汽管道6上由进汽端至出汽端依次串联安装根阀1、流量控制阀2、流量计3、压力计4和温度计5；

步骤五：将步骤四中安装有根阀1、流量控制阀2、流量计3、压力计4和温度计5的射流蒸汽管道6的一端与设置在引射器11外部的工作蒸汽管道10连通设置，射流蒸汽管道6的另一端与设置在引射器11内的环状管12的另一侧连通设置；

步骤六：使蒸汽工作管道10提供蒸汽，蒸汽沿工作蒸汽管道10进入到引射器11中，保证设置在引射器11外部的工作蒸汽管道10中蒸汽压力为0.25mpa～0.6mpa，蒸汽温度为285℃～420℃；通过根阀1控制射流蒸汽管道6的通断，通过流量控制阀2调节射流蒸汽管道6中的蒸汽流量，保证射流蒸汽管道6中射流蒸汽的流量小于等于气化炉气化剂中水蒸汽量的5％。

具体实施方式十二：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式十一所述的步骤四作进一步限定，本实施方式中，步骤四中的流量计3采用孔板流量计，温度计5采用k型热电偶。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

工作原理

本发明中射流蒸汽管道6两端分别连接工作蒸汽管道10及引射器11，射流蒸汽管道6由工作蒸汽管道10引入，依次设有根阀1、流量控制阀2、流量计3、压力计4和温度计5，另一端进入到引射器内部，并与引射器喷嘴外侧的环形盘管连接，环形管道上开有多个射流雾化孔9，小孔直径为1.1～3.2mm，环形盘管外面有保护罩。从工作蒸汽管道10中引出较低温度的蒸汽(285℃～420℃)至射流蒸汽管道6，并依次通过根阀1、流量调节阀2、流量计3、压力计4和温度计5后进入拉法尔喷嘴8外侧的环形管道中，通过多个射流雾化孔9在喷嘴外壁面形成蒸汽射流。通过流量控制阀2可以调节射流蒸汽的流量和压力，在蒸汽射流的保护下，可避免合成气气流和固体颗粒在工作蒸汽气流的卷吸作用下不断冲刷喷嘴。本发明通过射流雾化孔所形成的较低温度的蒸汽射流(285℃～420℃)，同时射流蒸汽可在喷嘴外壁面形成较低的温度带，有效降低了喷嘴外壁面的温度，可以有效的防止高温下喷嘴材质中α-cr相的析出。

实施例：

本发明已在某台45000nm³/h恩德气化炉上应用。

采用本发明前，引射器喷嘴运行一段时间后(约6个月)出现了以下问题：(1)在保证引射器提供压阻不变情况下，引射器工作蒸气流量增加；(2)炉内火焰出现了偏斜；(3)气化炉炉膛底部温度降低了20℃左右；(4)有效气成分由73.49％降至71.4％，经过检修发现引射器喷嘴出现了严重损坏，出口直径扩大到了34mm。

将本发明中所述装置安装在了现有气化炉中引射器喷嘴上，其中射流蒸汽管道6的进汽端至出汽端依次设有根阀1、流量控制阀2、流量计3、压力计4和温度计5，环状管12在拉法尔喷嘴8上的位置为l2/l1＝1/3处，环状管12中的射流雾化孔9的孔径为2mm，相邻两个射流雾化孔9的间距为6.7mm，射流蒸汽管道6中的蒸汽温度为375℃，蒸汽压力为0.5mpa，射流蒸汽管道6中射流蒸汽的流量为气化炉气化剂中水蒸汽量的3.6％；

采用本发明后，形成的射流蒸汽对喷嘴进行了有效保护，工作蒸汽量大大降低，同时射流蒸汽的量仅占气化剂水蒸汽量的0.79％，对气化炉内温度影响较小。相比于喷嘴损坏时，炉膛底部温度增加了20℃，炉膛上部温度增加了12℃。炉膛温度的增加，使有效合成气成分中的co含量由31.4％增加到32.57％；h2的含量由40％增加40.92％，有效气成分由71.4％增加到73.49％。