专利名称：燃烧器喷嘴组件的端部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用气体雾化液体的双流体喷嘴，该喷嘴的端部配有一保护装置。
在许多场合，诸如锅炉、加热炉及煤气化反应器，恶劣的燃烧环境大大缩短了喷嘴的使用寿命。其中燃烧器喷嘴的端部所受到的热应力最大。热应力是由于其中的物件升温膨胀而产生的机械力造成的。热应力特别在高的热梯度区域可以非常大，例如在排出口，那里雾化后的流体从喷嘴喷出而进入加热炉或燃烧区，且在从接触内部温度至接触燃烧区温度这一很短的距离内喷嘴的几何形状要作改变，这就造成了很大的热应力。在燃烧区的化学反应物，即例如碳黑、渣子层也对端部产生很大的影响。机械冲蚀，例如各种浆状混合物的冲蚀，也对喷嘴的颈部和端部产生影响。一些行业接受上述现象作为喷嘴寿命并经常更换喷嘴的依据。在另一些行业中，为了延长喷嘴的寿命，制造时在受到最大应力的部件中嵌衬更能抗应力的材料，例如在授予Schlinger的美国专利4，443，228中，加进耐火的嵌衬材料，诸如用钨碳化物或金刚砂以减少喷嘴端部受各混合物机械冲蚀的影响。不幸的是，上述的材料成本昂贵且很难做成复杂的形状，效果不佳。
本发明的目的是想提供一种喷嘴，它可以较高的效率雾化气液混合物，在不大幅度改变燃烧器的形状或不增加由于采用国外陶瓷或耐火材料而使加工变得困难的情况下，可更稳定更持久地抵抗由于恶劣条件而造成的各种应力。
本发明提出了一种燃烧器喷嘴组件的端部，该端部与燃烧器下游端相接，其中燃烧器喷嘴组件至少有二个导管，使从一组液状碳素物和碳素物的浆状混合物选择出来的液体用氧化性气体雾化，所说的两导管包括至少有一个中央导管和环状导管，分别含有所说的液体和气体。该两管在内部混合区汇合使液体燃料和氧化性气体充分混合，通过排出口射进燃烧区，在较高温度下燃烧。所说的端部件包括一中央出口，该出口位于其上游端有一台肩及一在挡环上的耐热金属合金热护罩，挡环位于台肩的上游。所说的热护罩包括一具有上游和下游端的圆柱形衬套，上游端的直径小于所说的出口，该衬套相对燃烧器喷嘴组件的纵向中央轴线向外扩张，使得其下游端的直径大于所说的出口，出口由衬套部分地盖住，以保护出口不受燃烧产生的热的损害。燃烧器喷嘴组件的端部最好由诸如镍铬钢合金的耐热金属合金制成，例如，最好用Inconel合金系列，象Incoloy800H，Incoloy800HT，310不锈钢或IncoloyMA956(这里Incoloy是INCOAlloysInternational公司的商标)。此外，在喷嘴和喷嘴的衬套之间的空间装填有可压缩的隔热材料，如石墨，金属丝网或带状填料。本发明的一个优选喷嘴端部包括两单件的热护罩，其中衬套和挡环用螺纹的形式接在一起，最好再用锁紧销钉，以防止各部件拧松脱开。
下面将根据附图，对本发明的一个非限定性实施例作详细描述。在每张图中，相同的部件用相同的参考号表示。
图1是本发明的具有热护罩的双流体燃烧器喷嘴组件的端部件安装就位的剖视图，并部分示出了燃烧器喷嘴组件的下游端剖面;
图2为部分侧面剖视图，示出了组装后的衬套和挡环相互间的工作位置;
图3为图2所示的组装后的衬套和挡环的后视图;
图4是衬套的侧面剖视图;
图5是衬套的后视图;
图6是挡环的侧面剖视图;
图7是挡环的后视图;
图8是另一种双流体燃烧喷嘴组件的端部件的实施例的剖面图，其中的热护罩另有气体来冷却。
本发明的燃烧器喷嘴在任何受热、机械和化学产生的应力影响的恶劣条件下很有用，例如用于加热炉或煤气化反应器中喷嘴对双流体的雾化，流体可以是氧气，空气或含氧气体及液状碳氢化合物或含有固体碳素物的悬浊状燃料。虽然已经知道本发明的燃烧器喷嘴可用于很多其它地方，但其应用看起来最恶劣的条件还数夹带排渣式煤气化反应器。这些反应器常常为上流系统。为了说明起见，下面将会对用于这种环境下的一个典型的热护罩结构作特别的描述。
在授予Lipp的美国专利4，705，535(1987年11月10颁发)中公开了一种双流体喷嘴，该喷嘴是可调的，以提供基本恒定的混合能量。为此，该发明对喷嘴作了较特别的设置，包括一台微处理机，通过一些测量装置，测出供给喷嘴的气体和液体的压力和流量，以计算出混合能量。
本发明所解决的问题是防止由于在加热炉或气化反应器内产生的热量而造成的热应力使燃烧器表面开裂破坏，这可以采用一保护性的端部件或热护罩结构及用于该结构上的材料等措施来实现。本发明提供了用于所述的美国专利4，705，535中燃烧器上的端部件及一护罩或保护性端部件，护罩(或保护性的端部件)是防止燃烧器组件与双流体混合物及其燃烧产物的直接接触及热传导。
根据本发明，所说的保护性端部件与燃烧器组件的纵向中央轴线共轴并提供一个从燃烧器组件的排出口到反应器或加热炉的燃烧区的无阻碍的中央通道。该端部件通常包括一盖帽部分和一热护罩部分。由于喷嘴盖帽和热护罩可附接在燃烧器组件的下游端，可采用合适的结构，使该盖帽部分附接在一组燃烧器上。特别是，盖帽部分必须适配燃烧器喷嘴的冷却套，如图1和8所示，提供一用于预热和维持热供给的燃气通道。包括U.S.4，705，535在内的已知燃烧器应用时其喷嘴组件的匹配较差。因此本发明不受已描述过的燃烧器和美国专利4，705，535中所述的燃烧器所存在的问题的限制。
由具有上游和下游端的圆柱形管或衬套限定并包围的同轴的护罩管道。所说的上游端靠近燃烧器排出口，而下游端朝反应器或加热炉的燃烧区开口。所说的衬套或管最好在上游端呈圆柱形，而在下游端则相对纵向中央轴线向外扩张。最好是热护罩衬套在末端急剧拐弯而不是继续以一平滑的曲面呈喇叭形开口，这样可以防止热回流反应器气体与高度雾化的气体和液体混合物的混合，以防止在喷嘴端部附近发生燃烧。
所说的圆柱形管或衬套的长度由盖帽部分的高度决定，衬套的尺寸是由流经其中的物料量确定。其向外扩张的喇叭形度数应足以盖住盖帽和燃烧器喷嘴之间的急剧的过渡段，即从与燃烧器组件的纵向轴线相对准的中央通道至燃烧器盖帽表面的平面或凸圆形面变化了一个90°角或更多。就在这些过渡段热应力和机械应力较大，由于局部应力加剧而使燃烧器或盖帽损坏。所以衬套应由耐热金属合金制成，已知有一系列这样的合金。这种耐热合金比较典型的为镍-铬-钢合金，如Inconel合金系列，诸如Incoloy800HT，IncoloyMA956，Incoloy800H及310不锈钢(镍-铬-钢)，这里只写出了几种主要类型的合金，产地为美国西弗吉尼亚。
衬套和挡环按任何常规的方式(如螺纹连接)连接起来，这样用挡环把衬套固定就位。当用螺纹连接方式时，衬套和挡环一起拧紧，从挡环的后面钻一个孔，该孔与螺纹相交，插入一锁紧销钉，以防止衬套和挡环之间的松动，这种做法在固定器制造业是众所周知的。挡环的外径大于衬套，且挡环安置在衬套上游的台肩上，在该处衬套与挡环联结。因此该大直径的挡环能阻止护罩被双流体混合物吹进加热炉或气化器中。
盖帽的圆形或椭圆形的光滑面接附在燃烧器的面上，从而可提供一水管套，并使燃烧器内部件容易加工、组装，然后封住，这样使燃烧器不再暴露在燃烧区中。对应于每一燃烧器的排出口，盖帽都有其相配的导管。可采用任何方法把盖帽附接在燃烧器表面上，但最好采用焊接的办法把它装接在燃烧器组件上。
如图中更明确地表示的那样，图1示出的保护性端部件40与盖帽28附接在燃烧器喷嘴组件上(如U.S.4，705，535所公开的燃烧器)，图中只示出了燃烧器的部分剖面。燃烧器组件10有一输送含氧气气体的中央通道12及输送液体的环形通道(图中未示)，所说的液体可以是碳质细颗粒混于液体载体(如水)而成的浆状混合物。燃烧器组件10还有一平截圆锥形(frustoconical)的通道(未示)，它终于平截圆锥形的表面，该通道携带辅助的含氧气体。这些通道分别与中央导管，环形导管和平截圆锥形导管相接，这些均在U.S.4，705，535中可见到。所说的这些导管都装在圆柱形燃烧器外壳26内。采用合适的隔片，叶片，周缘翅片和支架(图中未示)保持各种导管的同心性，并使它们对流体流动的影响尽可能地小。而且，燃烧器外壳26能通入冷却液(如水)，以冷却燃烧器组件。但是为简单起见，上述已知的构件的连接状况不一一指出了。燃烧器外壳26还设有辅助的蒸气导管27，它用于开始时的预热及当浆状混合物没有供应给反应器时维持温度之用。同样该导管因与本发明不相关而没有示出，但可参考上面提到的美国专利，它是燃烧器组件10上游端的结构。
盖帽28是起保护性和冷却作用的端部件40的一部分。端部件40可防止燃烧器组件10受热和机械损坏，其上游端为圆柱部分30，用来附接在外壳26上(如用焊接的办法)，圆柱部分30以平滑的曲面延伸下来与在下游端的圆形或椭圆形表面32汇合。盖帽28有一中央环形排出口34，其轴线与燃烧器喷嘴组件10的纵向中央轴线相一致，该排出口被出口管36界定，而出口管36则以抗泄漏的方式装在燃烧器喷嘴组件10的平截圆锥形导管上。这一点特别重要，因为一般这种双流体类型的燃烧器喷嘴的气-液系统所受的压力从大气压强至每平方英寸3500磅(24，000千帕(pa))。如果这一连接不抗泄漏，则浆状混合物泄漏至外壳26，随冷却水流出而造成浪费，既不经济又带来操作上的问题。出口管36有一个支撑热护罩或保护性的端部件(用号数40来表示)的台肩38。辅助气体导管42用来与辅助燃气导管2相接。
热护罩40有一其上游端为圆柱形的衬套44，在朝下游端方向上，相对燃烧器喷嘴组件10的纵向中央轴线向外扩张或成喇叭形。衬套44有一急弯拐角45，使排出的喷雾状物继续呈扩散状，在燃烧区形成圆锥状喷雾。这样可以减少回到燃烧器的涡流，免除火焰对盖帽的损害。衬套44有一般相对纵轴呈5至10度角的喇叭形开口，最好为8度角，考虑到衬套44内侧的整个圆周，采用16°角喇叭形发散。然而，业已发现，热护罩最好不要呈曲形也不要做得很薄，要保持直线状发散，这样火焰前部可导入燃烧区而不会太多地窜到喷嘴端部件40上。不然的话涡流很大，燃料混合物周围的氧气转向与气体状混合物(如合成气体)反应，在紧挨着燃烧器端部件处燃烧，结果造成局部过热和热应力。
在图2至7中更容易看出，衬套44由具有环状结构的挡环46固定就位，该挡环类似于一个螺旋管形的圆环，有一个内螺纹和面对台肩48的斜面。挡环46的后表面上钻有两个板手孔50，该两孔间隔180°角，且不穿透挡环46，它们用来容纳板手对应的凸出部，从而把挡环安装在衬套44上。当挡环装在盖帽28上时，在挡环46的后面平行于燃烧器组件10的纵向轴线方向上钻有一孔52，该孔穿过衬套44和挡环46的螺纹连接处，这样放置在孔52内的锁紧销钉(未示)可防止衬套44和挡环46拧松和脱开。
在衬套44的外面周围放置可压缩的并导热的填充材料，用来移去衬套44上的热量。虽然所说的填充材料要求能导热，但它不能传导热量太快，即不在衬套44的内外侧产生很大的温度差，以免工作时产生大的热应力。填充材料应该能被压缩，以适应衬套的热膨胀。一般来说，填充材料54可由石墨，金属丝网，带状填料及其它类似物。所用石墨的一个最好形式为带状石墨填料，以波纹形的、柔性石墨带材为佳。
衬套44和挡环46最好由耐热的合金材料制成。典型的能在高温下保持强度不变的金属合金要数镍-铬-钢合金。这类合金在温度接近其熔点，即2400至2500°F(1300到1370℃)的条件保持较高的机械强度。选择Inconel合金系列为佳，例如Incoloy800H，Incoloy800HT，310不锈钢，或IncoloyMA。另外，钨金属及钨跟上述的材料的合金也行。其它具有类似特性的合金也有用。
位于盖帽28内的导管36可附加地衬有耐腐蚀的衬套56，它特别在采用含细颗粒碳质材料的浆状混合物时显得很有用。由于燃烧器喷嘴组件10加有特定的压力，衬套56的任何腐蚀将影响排出口的形状，改变气-液混合物的压力、雾化及扩散状况。已知可使用耐火或陶瓷衬套，但在本发明中不被采用。本发明用钨硬质合金、硅碳化物、氮化铝及硼碳化物，以减少上述的腐蚀现象。衬套56支撑在垫圈58上。
附加地，本发明的另外一个冷却特征是用冷却过的气体通入衬套44和盖帽28间的空间。如图8所示，穿过台肩38到挡环46下游端处的导管36钻一孔60，直接从衬套后面进行冷却。可用任何适当的方式把冷却介质供应导管附接在有点加厚的区域62上，该冷却介质可以另外输入或采用该系统反应过程所产生的气体，如氮气，二氧化碳，或在气化反应器中产生的合成气体。
权利要求
1.一种燃烧器喷嘴组件的端部件，其中燃烧器喷嘴组件至少有二个导管，使从一组液状碳素物和碳素物的浆状混合物选择出来的液体用氧化性气体雾化，所说的两导管包括至少一个中央导管和环形导管，分别含有所说的液体和气体，该两导管在内部混合区汇合使液体燃料和氧化性气体充分混合，通过排出口射入燃烧区，在较高温度下燃烧，所说的端部件包括一中央出口，该出口有一位于其上游端的台肩和一装在挡环上的耐热金属合金热护罩，所说的挡环位于台肩的上游，所说的热护罩包括一具有上游端和下游端的圆柱形衬套，上游端的直径小于所说的出口，该衬套相对燃烧器喷嘴组件的纵向中央轴线向外扩张，使得其下游端的直径大于所说的出口，出口由衬套部分地盖住，以保护出口不受燃烧产生的热的损害。
2.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴组件的端部件，其特征在于出口和衬套之间有隔热材料。
3.根据权利要求2所述的燃烧器喷嘴组件的端部件，其中所说的隔热材料从石墨、金属丝网和带状填料中选出。
4.根据权利要求3所述的燃烧器喷嘴组件的端部件，其中所述的石墨为带状石墨。
5.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴组件端部件，其中衬套和挡环之间用螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴组件的端部件，其中衬套和挡环在螺纹连接处钻有一孔，在孔内插入一锁紧销钉，把衬套和挡环约束在一起，防止它们之间的相对转动和拧松。
7.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴组件的端部件，其中挡环和衬套由耐热合金制成。
8.根据权利要求7所述的燃烧器喷嘴组件的端部件，其中所说的挡环和衬套用一锁紧销钉来阻止相对转动，在出口与衬套之间装有隔热材料。
9.根据权利要求7或8所述的燃烧器喷嘴组件的端部件，所说的耐热合金是Incoloy800HT。
10.根据权利要求1所述的燃烧器喷嘴组件的端部件，其进一步特征在于所说的燃烧器喷嘴组件由一盖帽盖住，所说的盖帽有一圆柱形部分，包括一上游端和下游端，所说的上游端能附接在燃烧器喷嘴组件的下游端，并以光滑的曲面收敛到终于出口的凸圆表面。
全文摘要
一种用气体雾化液体的双流体喷嘴包括至少二导管，即中央导管和环形导管，该两导管在内部混合区会合，使液体和气体混合。该喷嘴有一其上游端设有台肩的中央排出口，及用于该排出口上的两单件耐火合金护罩，该护罩包括一挡环和用于中央出口的并与挡环装在一起的喇叭形衬套，挡环紧靠在台肩上。最好在衬套与排出口之间装有柔性填料。中央排出口从盖帽中穿过。盖帽上端为圆柱形，其下面为椭圆形端表面。
文档编号F23D11/38GK1040861SQ8910666
公开日1990年3月28日 申请日期1989年8月26日 优先权日1988年8月26日
发明者查里斯·W·厉仆, 克里夫顿·T·克耐特, 莱瑞·L·莱菲特, 玛渗·H·杭特 申请人:陶氏化学公司