专利名称：分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷嘴装置，尤其涉及一种能够实现高灰、高灰熔点煤种干排渣的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，属于煤气煤炭技术领域。
背景技术：
大规模加压气流床煤气化技术是未来洁净煤技术的核心，是发展煤基化工产品 (合成氨、制甲醇、二甲醚等)、煤基多联产、IGCC发电、大规模制氢、燃料电池等工业的基础，是实现污染物近零排放的煤基高效能源系统的核心技术和龙头技术，代表了当今煤气化技术的发展方向。目前TexaC0、E-gas、Shell、Prenfl0和GSP等大型加压气流床煤气化工艺已实现了 2000t/d规模的工业示范，并达到商业化水平。但上述加压气流床气化技术均采用液态排渣方式，对入炉煤的灰熔融温度有严格的要求，一般要求煤灰熔融温度FT低于1400°C以下，否则必须添加助熔剂或提高气化温度来满足液态排渣工艺的需要，而采用上述两种措施则相应增加了排渣量、排渣热损失、氧耗量，同时降低了气化炉的使用寿命。
我国动力用煤具有高灰(平均灰含量达25 27%)、高灰熔点(FT> 1400°C)的 “双高”特点，高灰熔点煤占我国煤炭产量和保有储量的和57%左右。大量“双高”煤种无法满足现有的液态排渣型加压气流床气化技术的排渣工艺要求。针对现有液态排渣型加压气流床气化技术无法适用我国大量“双高”煤种的难题，开发适合我国“双高”煤种干排渣的新型分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，可弥补现有液态排渣型加压气流床气化装置不适用“双高”煤种的不足，扩大加压气流床气化技术对煤种的适应范围，对推广大规模加压气流床气化技术在我国的大面积应用，实现煤炭清洁、高效利用具有十分重要的现实意义和广阔的发展前景。发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，通过喷嘴的综合作用确保炉内燃烧区域温度低于煤灰熔融温度至少100°c，保证气化室出口的灰渣为非熔融的固态渣，从而达到可控火焰干排渣的目的。
为实现以上目的，本发明通过如下技术方案解决其技术问题
一种分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，安装于气化炉上，其包括一主燃料喷嘴、两水蒸气喷嘴和两二段供氧喷嘴，所述主燃料喷嘴位于所述气化炉顶部，并开口通向该气化炉炉膛内，该主燃料喷嘴同时连接水煤浆源、氧气源和水蒸气源，所述两水蒸气喷嘴左右对称地设置在所述燃料喷嘴下方气化炉炉拱的两侧，并同时连接氧气源和水蒸气源且开口通向气化炉炉膛内，所述两二段供氧喷嘴前后各一地位于该水蒸气喷嘴下方，并且同轴水平地开口相对设置，该两二段供氧喷嘴同时连接氧气源和水蒸气源且开口通向气化炉炉膛内。
本发明所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，其主燃料喷嘴的轴线与所述气化炉炉膛的轴线重合，所述两水蒸气喷嘴的轴线与所述气化炉炉膛的轴线所成夹角α为35° 65°，所述两二段供氧喷嘴的轴线与该两水蒸气喷嘴的轴线所成空间夹角为90°且垂直于所述气化炉炉膛的轴线；所述主燃料喷嘴由中心喷管、外一环喷管、外二环喷管以及外三环喷管组成同轴四通道的层层相套结构，该中心喷管内的空间形成通入氧气的中心通道，该中心喷管外壁与外一环喷管内壁之间的环隙空间形成通入水煤浆的外一环通道，该外一环喷管外壁与外二环喷管内壁之间的环隙空间形成通入水蒸气的外二环通道，该外二环喷管外壁与外三环喷管内壁之间的环隙空间形成通入氧气的外三环通道，所述中心喷管、外一环喷管、外二环喷管和外三环喷管的头部的管壁呈渐缩状且分别形成开口的中心喷头、外一-环喷头、外二环喷头和外—三环喷头；所述中心喷头内彳壁的内收封言角A为15° ‘ 60°，其外達的外侧倾角B为30° 60°；所述外一环喷头内塵的内收缩角Al为30°广 60°，其外I圭的外侧倾角Bl为20° ‘80°；所述外二环喷头内_■的内收缩角Α2为30° ‘ 60°，其外■I的外侧倾角Β2为20° -80°；所述外三环喷头内壁■的内收缩角A3为30° ‘ 60°，其外 _的外侧倾角Β3为20° --80°；所述两水蒸气喷嘴和两二段供氧喷嘴头部的管壁呈渐缩状；所述氧气与水蒸气在所述两水蒸气喷嘴及两二段供氧喷嘴内混合后喷入所述气化炉的炉膛；所述两二段供氧喷嘴的供氧量占全部供氧量的15% 25%。
本发明的工作原理为，采用分级供氧控温与水蒸气控温相结合的技术措施，并结合必要的先进自控手段(可基于炉内合成气组成及时调节氧/煤比、一段/ 二段供氧比例、 喷入水蒸气量以防止炉内瞬间高温的发生)，达到削平炉内燃烧区域的尖锋温度分布、延长炉内燃烧区域、降低燃烧强度及火焰温度的目的，确保炉内燃烧区域温度低于煤灰熔融温度以下100°C，从而保证气化室出口的灰渣为非熔融的固态渣，防止气化室出口发生结渣、 堵塞现象；同时通过炉拱两侧的两只水蒸气喷嘴与其下方水平布置的两只二段供氧喷嘴的射流撞击作用，还可进一步增强炉内煤焦颗粒与气化剂的混合强度及煤焦表面灰壳的破碎机率，极大地延长了煤焦颗粒在燃烧区域内的平均停留时间，在相当大程度上提高了气化反应速率和碳转化率。
本发明所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴综合采用两段供氧控温技术、水蒸气控温技术和基于炉内合成气组成变化及时调节供氧-水蒸气流量的调温技术，有效地降低了炉内的燃烧强度及火焰温度，始终控制了炉内燃烧区域温度低于煤灰熔融温度至少100°c，从而达到了气化室出口的灰渣为非熔融固态渣的目的；同时加大了煤焦颗粒与气化剂的混合强度及煤焦表面灰壳的破碎机率，从而提高了气化反应速率和碳转化率。
本发明解决了现有液态排渣型加压气流床气化炉燃用我国“双高”煤种所面临的排渣困难等一系列难题，扩大了加压气流床气化技术对我国“双高”煤种的适应范围，实现了我国“双高”煤种在大规模加压气流床气化装置上的工业应用。本发明能够满足我国大量 “双高”煤种大规模气化的需要，具有较高的碳转化率和冷煤气效率，日处理量可达2000t/d 左右，具有十分重要的现实和工业应用意义。
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明主燃料喷嘴的剖面图。
图3是图2的局部放大图。
图4是本发明二段水蒸气喷嘴的安装位置示意图。
图中，
1主燃料喷嘴，2水蒸气喷嘴，3 二段供氧喷嘴，4外三环通道，5外二环通道，6外一环通道，7中心通道，8中心喷管，9外一环喷管，10外二环喷管，
11外三环喷管，12外三环喷头，13外一环喷头，14中心喷头，15外二环喷头；
A中心喷头内收缩角，B中心喷头外侧倾角，Al外一环喷头内收缩角，
Bl外一环喷头外侧倾角，A2外二环喷头内收缩角，B2外二环喷头外侧倾角，
A3外三环喷头内收缩角，B3外三环喷头外侧倾角，
α水蒸气喷嘴与气化炉的轴线夹角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提下给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
如图1所示，本发明所述分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴安装于气化炉上，其包括单只主燃料喷嘴1，两只水蒸气喷嘴2和两只二段供氧喷嘴3，通过五个喷嘴的综合作用达到可控火焰干排渣的目的。
所述的主燃料喷嘴1位于气化炉的顶部，并且其开口通向该气化炉炉膛内，该主燃料喷嘴1的轴线与气化炉炉膛的垂直轴线重合。所述主燃料喷嘴1同时连接水煤浆源、 氧气源和水蒸气源，以向气化炉炉膛内喷射水煤浆、一段氧气和水蒸气。请参阅图2，所述主燃料喷嘴1由中心喷管8、外一环喷管9、外二环喷管10以及外三环喷管11组成，该四喷管 8、9、10和11同心层层相套，形成同轴四通道的结构。该中心喷管8内的空间形成中心通道 7，该中心通道7用以通入氧气；该中心喷管8的外壁与外一环喷管9的内壁之间的环隙空间形成外一环通道6，该外一环通道6用以通入水煤浆；同样，该外一环喷管9的外壁与外二环喷管10的内壁之间的环隙空间形成通入水蒸气的外二环通道5，该外二环喷管10的外壁与外三环喷管11的内壁之间的环隙空间形成通入氧气的外三环通道4。所述中心喷管8、 外一环喷管9、外二环喷管10和外三环喷管11的头部的管壁呈渐缩状且设有开口，该四喷管8、9、10和11的头部分别形成喷嘴结构的中心喷头14、外一环喷头13、外二环喷头15和外三环喷头12。再请参阅图3，所述中心喷头14内壁的内收缩角A为15° 60°，其外壁的外侧倾角B为30° 60° ；所述外一环喷头13内壁的内收缩角Al为30° 60°，其外壁的外侧倾角Bl为20° 80° ；所述外二环喷头15内壁的内收缩角Α2为30° 60°， 其外壁的外侧倾角Β2为20° 80° ；所述外三环喷头12内壁的内收缩角A3为30° 60°，其外壁的外侧倾角Β3为20° 80°。
再请参阅图4，所述的两只水蒸气喷嘴2左右对称地设置于所述燃料喷嘴1的下方，分布在气化炉炉拱的两侧，该两水蒸气喷嘴2同时连接氧气源和水蒸气源，并且开口通向气化炉炉膛内，二段氧气与水蒸气在该两水蒸气喷嘴2内混合后喷入所述气化炉的炉膛。所述两水蒸气喷嘴2的轴线与所述气化炉炉膛的轴线所成夹角α为35° 65°，具体的角度根据炉型等因素在上述范围内调整。所述两水蒸气喷嘴2头部的管壁呈渐缩状且设有开口，在该喷头末端开口处均勻布置有节流孔。
所述的两只二段供氧喷嘴3前后各一地位于水蒸气喷嘴2的下方，并且该两二段供氧喷嘴3开口相对、同水平轴线地设置，其轴线与该两水蒸气喷嘴2的轴线所成空间夹角为90°且垂直于所述气化炉炉膛的轴线。该两二段供氧喷嘴3同时连接氧气源和水蒸气源，并且开口通向气化炉炉膛内，二段氧气与水蒸气在该两二段供氧喷嘴3内混合后喷入所述气化炉的炉膛，所述两二段供氧喷嘴3的供氧量占全部供氧量的15% 25%。。两二段供氧喷嘴3头部的管壁呈渐缩状且设有开口，在该喷头末端开口处均勻布置有节流孔。
本发明所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴工作时，水煤浆输送的流程为采用浓度为40% 70%的水煤浆与一段氧气(约占供氧总量的80% )、水蒸气一起通过位于气化炉顶部的主燃料喷嘴1进入气化炉，煤粉气流被高温回流气体迅速加热， 发生脱挥发分、热解产物燃烧以及煤焦的部分燃烧与气化反应等过程；二段氧气与水蒸气以一定比例混合后经炉拱两侧的水蒸气喷嘴2及下方的二段供氧喷嘴3及时补入，喷入的水蒸气可有效地控制炉内温度，避免局部瞬时高温的形成，喷入的氧气与热解产物、合成气等发生气相反应，形成二次高温区以提供煤焦-CO2/H2O等主要气化反应所需的热量；经过充分气化反应后粗煤气与灰渣一同离开气化室进入后续环节。
本发明通过分级供氧与水蒸气控温相结合将火焰温度控制在不超过煤灰熔融温度以下100°C，满足了我国大量“双高”煤种(高灰(灰含量25 27%)，高灰熔点(FT> 1400°O)大规模气化的需要。
本发明采取了如下三项措施，达到了预期的技术效果
第一，分级供氧控温主燃料喷嘴1与二段供氧喷嘴3分级供氧，主燃料喷嘴1的供氧比例约80%，从而使主燃料喷嘴1处的氧气量摆脱炉内反应的碳氧化学当量比约束， 煤粉燃烧反应初期氧量不足，燃烧区域温度较低(控制在煤灰熔融温度以下100°C )，剩余氧量由二段供氧喷嘴3及时补入，氧气与热解产物、合成气等发生气相反应，形成二次高温区以提供煤焦-CO2/H2O等气化反应所需的热量；通过调节一段供氧与二段供氧之间的比例，可在氧/煤比保持不变的情况下进一步实现炉内燃烧区域温度在150°C温度范围内的调节。
第二，水蒸气控温进入气化炉的水蒸气一部分通过主燃料喷嘴1的外二环通道5 进入气化炉，降低了主燃料喷嘴1端部的温度，有效延长喷嘴寿命；其余水蒸气在与二段氧气混合后分别从水蒸气喷嘴2和二段供氧喷嘴3进入气化炉，拉长了燃烧火焰，提高了气化炉下部温度，气化炉内温度分布更加均勻，从而实现对水煤浆燃烧火焰的控制。通过及时调节水蒸气流量，可防止炉内瞬间高温的产生，确保炉内灰渣为非熔融的固态渣。
第三，基于炉内合成气成分调节供氧/水蒸气为防止运行过程中因瞬间0/C摩尔比过大而导致的炉内燃烧区域温度过高(高于煤灰熔融温度)及部分煤灰发生熔融现象， 采用先进的自控手段，根据气化炉出口处合成气组成的变化及时调节氧/煤比、一段供氧与二段供氧(必要时还可适当增加水蒸气喷入量)，及时调整炉内气化温度，使气化温度长期稳定在低于入炉煤灰熔融温度以下100°c，确保干排渣长期、安全、稳定的进行。
权利要求
1.一种分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，安装于气化炉上，其特征在于所述组合喷嘴包括一主燃料喷嘴、两水蒸气喷嘴和两二段供氧喷嘴，所述主燃料喷嘴位于所述气化炉顶部，并开口通向该气化炉炉膛内，该主燃料喷嘴同时连接水煤浆源、氧气源和水蒸气源，所述两水蒸气喷嘴左右对称地设置在所述燃料喷嘴下方气化炉炉拱的两侧，并同时连接氧气源和水蒸气源且开口通向气化炉炉膛内，所述两二段供氧喷嘴前后各一地位于该水蒸气喷嘴下方，并且同轴水平地开口相对设置，该两二段供氧喷嘴同时连接氧气源和水蒸气源且开口通向气化炉炉膛内。
2.根据权利要求1所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，其特征在于所述主燃料喷嘴的轴线与所述气化炉炉膛的轴线重合，所述两水蒸气喷嘴的轴线与所述气化炉炉膛的轴线所成夹角α为35° 65°，所述两二段供氧喷嘴的轴线与该两水蒸气喷嘴的轴线所成空间夹角为90°且垂直于所述气化炉炉膛的轴线。
3.根据权利要求1或2所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，其特征在于所述主燃料喷嘴由中心喷管、外一环喷管、外二环喷管以及外三环喷管组成同轴四通道的层层相套结构，该中心喷管内的空间形成通入氧气的中心通道，该中心喷管外壁与外一环喷管内壁之间的环隙空间形成通入水煤浆的外一环通道，该外一环喷管外壁与外二环喷管内壁之间的环隙空间形成通入水蒸气的外二环通道，该外二环喷管外壁与外三环喷管内壁之间的环隙空间形成通入氧气的外三环通道，所述中心喷管、外一环喷管、外二环喷管和外三环喷管的头部的管壁呈渐缩状且分别形成开口的中心喷头、外一环喷头、外二环喷头和外三环喷头。
4.根据权利要求3所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，其特征在于所述中心喷头内壁的内收缩角A为15° 60°，其外壁的外侧倾角B为30° 60° ；所述外一环喷头内壁的内收缩角Al为30° 60°，其外壁的外侧倾角Bl为20° 80° ；所述外二环喷头内壁的内收缩角Α2为30° 60°，其外壁的外侧倾角Β2为20° 80° ；所述外三环喷头内壁的内收缩角A3为30° 60°，其外壁的外侧倾角Β3为20° 80°。
5.根据权利要求1所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，其特征在于所述两水蒸气喷嘴和两二段供氧喷嘴头部的管壁呈渐缩状。
6.根据权利要求1所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，其特征在于所述氧气与水蒸气在所述两水蒸气喷嘴及两二段供氧喷嘴内混合后喷入所述气化炉的炉膛。
7.根据权利要求1所述的分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，其特征在于所述两二段供氧喷嘴的供氧量占全部供氧量的15% 25%。
全文摘要
一种分级供氧、可控火焰水煤浆气流床组合喷嘴，安装于气化炉上，其由位于炉顶的主燃料喷嘴、位于炉拱两侧的两水蒸气喷嘴和水平对冲布置的两二段供氧喷嘴组合而成，所述各喷嘴分别连接水煤浆源、氧气源和水蒸气源且开口通向气化炉炉膛内。本发明通过采用由分级供氧控温技术与水蒸气控温技术相结合的先进控温技术，有效地降低了炉内的燃烧强度及火焰温度，达到了气化室出口的灰渣为非熔融固态渣的目的，同时提高了气化反应速率和碳转化率，从而实现了我国“双高”煤种大规模加压气流床气化的固态排渣，因而特别适合我国高灰(25～27％)、高灰熔点(FT＞1400℃)煤种大规模气化装置上的工业应用。
文档编号B05B7/06GK102492477SQ20111035791
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者张健, 张忠孝, 胡世磊 申请人:上海交通大学