一种气化剂与水混合雾化喷嘴的制作方法

本实用新型涉及煤炭地下气化技术领域，具体涉及一种气化剂与水混合雾化喷嘴。

背景技术：

煤炭地下气化就是直接将气化剂注入地下煤层中进行燃烧、气化反应生产合成气(或燃料气)的过程，其煤气品质主要受气化剂的分布方式、氧气浓度和气化剂成分的影响。从反应过程来看，煤炭地下气化类似于地面固定床气化，如鲁奇炉。但不同于地面鲁奇炉，其一般采用纯氧-水蒸汽气化工艺，通过控制水蒸汽含量调节炉内温度，控制灰分熔融状态，以保证固态排渣。煤炭地下气化过程一般难以直接向地下输送水蒸汽，因蒸汽易于凝结和相态转换导致的较大热损失等，使得输送蒸汽不具备技术经济性。虽然可以用水替代水蒸汽，但是如果直接将水注入地下煤层中，往往不如蒸汽与煤炭直接反应的传质、传热效果好，这是因为水参与到气化反应过程中需要先吸热蒸发成蒸汽，蒸发过程的好坏，决定整个气化过程的热效率；另外，气化反应耗掉的水量仅占实际送入水量的一小部分，绝大多数水是过量的，如何将水能直接作用到反应(燃烧、气化)工作面上，是决定煤气的品质(调整h2、co含量)重要因素。因而精确控制反应工作面上的水量和供水方式，将直接决定气化效果的好坏。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述问题，而提出的将水与气化剂进行混合雾化的喷嘴，通过喷嘴及设置在喷嘴上的旋流装置分别将水、气化剂加速至强湍流状态，其中水流在强剪切力的作用下，在喷头处撕裂、破碎成细液滴，之后并将高速湍流状态的水滴，直接喷入亦被加速至高速湍流状态的气化剂中，液滴与气化剂撞击进一步雾化为细水雾，悬浮在气化剂中，从而在喷嘴内完成水与气化剂的均匀混合与雾化，通过强化水雾化效果，增大液滴比表面积，提高了与煤炭传热、传质的相界面面积，提高燃烧、气化反应效率；由于气化剂与雾化水同时喷入煤层燃烧、气化反应工作面，实现了与气化工作面的直接接触反应，减少了注水量，提高了热效率。设有防回火引导套筒，能够阻止高速湍流的气化剂回流，导致喷嘴过早烧蚀破坏。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种气化剂与水混合雾化喷嘴，其包括：

喷嘴本体，其具有中心通孔且该中心通孔的末端为喷嘴出口；

中心喷管，其设置在所述喷嘴本体的中心通孔内并与该喷嘴本体同轴；中心喷管末端收缩成圆锥形且朝向所述喷嘴出口的喷口，在喷口处中心喷管内外管壁厚度接近，形成较尖锐的边缘；

环隙通道，其设置在所述喷嘴本体和中心喷管之间并环绕在该中心喷管外；环隙通道的末端向喷嘴轴线方向倾斜，且环隙通道的外壁相对中心喷管的喷口前移一段距离；环隙通道外壁向流动方向轴线倾斜；

导套，其与环隙通道的末端连接；该导套的外壁与喷嘴轴线平行；

混合室，其与导套末端连接；混合室由导套外壁末端向远离喷嘴轴线方向倾斜延伸后构成，混合室内径沿流动方向逐渐扩大至喷嘴出口。

作为优选，分别在中心喷管和环隙通道内设有旋流部件，两个旋流部件均设置在中心喷管上喷口的后侧，所述旋流部件具有若干开口通道分布在其周围，并且开口通道向流体流动方向的切向倾斜。

作为优选，所述中心喷管内的旋流部件具有中心孔。

作为优选，所述旋流部件与中心喷管上喷口处的距离为0.1～10倍的中心喷管的外径。

作为优选，环隙通道外壁与中心喷管之喷口处的距离为0.1～10倍的中心喷管的内径；

或者

环隙通道外壁与中心喷管之喷口处的距离为1.5～2.5倍中心喷管内旋流部件的外径。

作为优选，所述旋流部件对各自流体的所产生的旋流的旋转方向可以一致或相反。

作为优选，环隙通道和中心喷管内的两股流体以固定的角度混合，两股流体的流速差一般不小于10％。

作为优选，在环隙通道内设有导流叶片，导流叶片设置在中心喷管的喷口后端。

作为优选，所述中心喷管的一端设有与气化剂或水连接的入口管；所述环隙通道的一端设有与水或气化剂连接的入口管。

上述任一项所述的气化剂与水混合雾化喷嘴，其雾化方法如下：

将气化剂送入中心喷管内，形成一股高速气体旋流，由喷口高速喷出；将水送入环隙通道内，之后高速湍流状态的水滴，在喷口处直接喷入亦被加速至高速湍流状态的气化剂中，液滴与气化剂撞击进一步雾化为细水雾，悬浮在气化剂中，经由导套在混合室内完成水与气化剂的均匀混合与雾化，之后从喷嘴出口喷出。

本实用新型所提供的气化剂与水混合雾化喷嘴，通过喷嘴及设置在喷嘴上的旋流装置分别将水、气化剂加速至强湍流状态，其中水流在强剪切力的作用下，在喷头处撕裂、破碎成细液滴，之后并将高速湍流状态的水滴，直接喷入亦被加速至高速湍流状态的气化剂中，液滴与气化剂撞击进一步雾化为细水雾，悬浮在气化剂中，从而在喷嘴内完成水与气化剂的均匀混合与雾化，通过强化水雾化效果，增大液滴比表面积，提高了与煤炭传热、传质的相界面面积，提高燃烧、气化反应效率；由于气化剂与雾化水同时喷入煤层燃烧、气化反应工作面，实现了与气化工作面的直接接触反应，减少了注水量，提高了热效率。设有防回火引导套筒，能够阻止高速湍流的气化剂回流，导致喷嘴过早烧蚀破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的化剂与水混合雾化喷嘴的结构图。

附图标记说明：

1、喷嘴本体；2、中心喷管；3、环隙通道；4、中心喷管喷口；5、喷嘴出口；6、环隙通道外壁与中心喷管喷口之间的距离；7、喷口扩散角；8、导套；9、混合室；10、旋流部件；11、旋流部件；12、旋流部件开口通道；13、旋流部件中心孔；14、导流叶片。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

如图1所示，一种气化剂与水混合雾化喷嘴，其特征在于，包括：

喷嘴本体1，其具有中心通孔且该中心通孔的末端为喷嘴出口5；

中心喷管2，其设置在所述喷嘴本体1的中心通孔内并与该喷嘴本体1同轴；中心喷管2末端收缩成圆锥形且朝向所述喷嘴出口5的喷口4，在喷口4处中心喷管2内外管壁厚度接近，形成较尖锐的边缘；

环隙通道3，其设置在所述喷嘴本体1和中心喷管2之间并环绕在该中心喷管2外；环隙通道3的末端向喷嘴轴线方向倾斜，且环隙通道3的外壁相对中心喷管2的喷口4前移一段距离6；环隙通道3外壁向流动方向轴线倾斜；

导套8，其与环隙通道3的末端连接；该导套8的外壁与喷嘴轴线平行；

混合室9，其与导套8末端连接；混合室9由导套8外壁末端向远离喷嘴轴线方向倾斜延伸后构成，混合室9内径沿流动方向逐渐扩大至喷嘴出口5。

具体的，所述气化剂与水混合雾化喷嘴，其喷嘴本体1具有中心通孔且该中心通孔的末端为喷嘴出口5。中心喷管2设置在喷嘴本体1的中心通孔内。中心喷管2与喷嘴本体1同轴，中心喷管2末端收缩成圆锥形的喷口4，且在喷口4处中心喷管2内外管壁厚度接近，形成较尖锐的边缘。由于喷嘴的损坏主要是由反应后炽热气体的回流所引起。这一回流主要存在于中心喷管2的喷口4处。将喷口4处理成较尖锐的边缘，可以使流体混合后以固有的方式脱离喷口，从而不会引起旋涡、湍流，进而导致混合流体回流。

环隙通道3设置在所述喷嘴本体1和中心喷管2之间并环绕在中心喷管2外。环隙通道3的末端向喷嘴轴线方向倾斜，且环隙通道3的外壁(即喷嘴本体内壁)相对中心喷管2的喷口4前移一段距离6，以减轻对中心喷管喷口4处的辐射热效应。环隙通道3外壁向流动方向轴线倾斜，可以使环隙通道3中的流体以固定的角度与来自中心喷管2的流体混合，从而提高混合雾化的强度。由于环隙通道3外壁远离中心喷管喷口4，使得中心喷管2的扩散角7减小，即暴露在高温的区域减小，从而可以减少热辐射对中心喷管2的影响。

导套8与环隙通道3的末端连接，该导套8的外壁与喷嘴轴线平行。环隙通道3和中心喷管2内的两股流体以固定的角度混合，混合后环隙通道内的流体被中心喷管2内的流体所扩散。由于环隙通道内的流体先流经喷嘴轴线方向，再离开喷嘴轴线方向，流动方向变化太快，会产生导致回流的旋涡。故通过设置导套8，可以使环隙通道内流体流向缓慢改变，即流体流动方向从原始方向到喷嘴轴向，再到平行喷嘴轴向，变为仅平行喷嘴轴向离开，以防止中心喷管2的喷口4处产生旋涡、湍流而引起热气流的回流。

混合室9与导套8的末端连接。混合室9由导套8外壁末端向远离喷嘴轴线方向倾斜延伸后构成，混合室9内径沿流动方向逐渐扩大至喷嘴出口5。在环隙通道3内流体被中心喷管2的流体所扩散，由于环隙通道3内的流体受环隙通道外形约束，先沿喷嘴轴线流动，之后从喷口4处的环隙通道3喷出，并从喷嘴轴线离开后，进入混合室9实现两股流体的混合。

由于喷嘴的损坏主要是由反应后炽热气体的回流所引起。这一回流区主要存在于中心喷管2的喷口4处。本实施例中的喷嘴可大大减少气流在喷口处发生流体分离的危险，流线不会在喷口处脱离，从而不会引起导致热量向喷口转移的涡流。但流经中心喷管和环隙通道的气体流速高速变化，涡流仍然会出现分离。特别是当其中一种气体的流速改变后，会产生有害的影响，同时为了改进气化剂与水的混合、雾化效果，分别在中心喷管2和环隙通道3内设有旋流部件10、11。旋流部件10、11设置在中心喷管喷口4的后侧。中心喷管2内的旋流部件10具有若干开口通道12分布在其周围，开口通道12向流体流动方向的切向倾斜，如具有轴向和切向组件。环隙通道3内的旋流部件11亦具有类似结构。

开口通道12可以使流体产生旋流，从而改进两种流体在混合室9内的混合、雾化效果。旋流部件10、11可以为折流板、导流叶片、叶轮等多种形式，可根据流体压降要求选择。旋流强度和方向可以通过改变开口通道12的角度或/和旋流部件的形式调整。优选的，中心喷管内旋流部件10具有中心孔13，可以使中心流体的流线在经过旋流部件10后，不因受阻碍而改变，因而不会导致喷口产生回流。

由于流体旋流会强化径向传质，从而引起两种流体的快速混合。两股旋流之间强烈作用，引起剧烈并迅速的混合雾化。总射流区域不会出现回流，反应气体总体远离中心喷管2。只有相对冷的，未反应的气体直接同中心喷管接触，从而可以避免对流对中心喷管2的破坏。

进一步优选的，旋流部件10、11与中心喷管喷口4处的距离为0.1～10倍的中心喷管2的外径。

环隙通道3和中心喷管2内的两股流体以固定的角度混合，为了提高两股流体的混合雾化效果，优选的，两股流体的流速差一般不小于10％。

由于两股流体存在较大的速度差时，仍然会产生旋涡。因而，设置导流叶片14以稳定流动。导流叶片14设置在中心喷管喷口4后端。至少设置在其中一股流体上。

优选的，在环隙通道3内设有导流叶片14，起到稳定流体流动的作用。导流叶片14设置在远离中心喷管2的喷口4处。导流叶片14可以使流经叶片下游的环隙通道3内的流体流速加快，防止产生旋涡，且由于流体能够冷却叶片，可阻止热破坏。

进一步优选的，环隙通道3外壁(即喷嘴本体内壁)与中心喷管喷口4处的距离6一般为0.1～10倍的中心喷管2的内径。或者，环隙通道3外壁(即喷嘴本体内壁)与中心喷管喷口4处的距离6为1.5～2.5倍中心喷管内旋流部件10的外径。

旋流部件10、11对各自流体的所产生的旋流的旋转方向可以一致或相反。当旋流方向一致时，两股流体的混合剧烈，射流区域变宽；当旋流方向相反时，两股流体的旋流强度减弱，射流区域宽度变窄。优选的，两股流体采用相同的旋流方向，以强化混合雾化效果。

再改进的，中心喷管2的一端设有与气化剂或水的连接的入口管；环隙通道3一端设有与水或气化剂的连接的入口管。气化剂可以为空气或氧含量大于21％的富氧气或氧含量大于99％的纯氧，可视造气工艺要求而定。水可以为循环水或污水或含盐水。

上述气化剂与水混合雾化喷嘴具体，其雾化方法为：气化剂由入口管进入中心喷管2内，经过旋流部件10加速后，形成一股高速气体旋流，由喷口4高速喷出；水由入口管进入环隙通道3内，经旋流部件11加速后，被撕裂、破碎成细液滴，之后高速湍流状态的水滴，在喷口4处直接喷入亦被加速至高速湍流状态的气化剂中，液滴与气化剂撞击进一步雾化为细水雾，悬浮在气化剂中，经由导套8在混合室9内完成水与气化剂的均匀混合与雾化，之后从喷嘴出口5喷出。混有细水雾的气化剂，同时喷入煤层燃烧、气化反应工作面，由于增大了水的相界面，实现了与气化工作面的直接接触反应，可起到类似蒸汽的作用。

上述气化剂与水混合雾化喷嘴及其雾化方法，通过喷嘴及设置在喷嘴上的旋流装置分别将水、气化剂加速至强湍流状态，其中水流在强剪切力的作用下，在喷头处撕裂、破碎成细液滴，之后并将高速湍流状态的水滴，直接喷入亦被加速至高速湍流状态的气化剂中，液滴与气化剂撞击进一步雾化为细水雾，悬浮在气化剂中，从而在喷嘴内完成水与气化剂的均匀混合与雾化，通过强化水雾化效果，增大液滴比表面积，提高了与煤炭传热、传质的相界面面积，提高燃烧、气化反应效率；由于气化剂与雾化水同时喷入煤层燃烧、气化反应工作面，实现了与气化工作面的直接接触反应，减少了注水量，提高了热效率。设有防回火引导套筒，能够阻止高速湍流的气化剂回流，导致喷嘴过早烧蚀破坏。

以上只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本实用新型权利要求保护范围的限制。