一种用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴的制作方法
【专利摘要】一种用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，包括自外而内的同轴的外侧水冷套管、内侧水冷套管、外环喷头和内环喷头，外侧水冷套管和内侧水冷套管之间构成冷却水导出通道，内侧水冷套管和外环喷头之间构成冷却水导入通道，外环喷头和内环喷头之间构成外环通道，内环喷头内构成内环通道，冷却水导出通道出口处设置有前端水冷室，所述外环通道的出口处对称设置有若干旋流器，本发明通过气化炉喷嘴设计来改变气化炉内流场从而加强煤粉与气流的混合，延长颗粒停留时间，最终提高煤粉中碳转换率。
【专利说明】一种用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴
【技术领域】
[0001]本发明属于煤气化【技术领域】，特别涉及一种用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴。
【背景技术】
[0002]煤炭满足了世界上近30%的一次性能源需求，但是大量使用煤炭对生态环境产生了很大影响。煤粉气化炉是一种通过将煤部分氧化并进一步和其他反应介质进行反应最终制备以一氧化碳和氢气为主要成分合成气的设备。通过发展煤气化技术，可以缓解使用煤炭所带来的环境污染问题，因而其在洁净煤工业【技术领域】中占有重要地位。
[0003]气流床气化炉由于燃料适用性好，运行温度、压力高，碳转换率高，产气能力强，所产生的合成气可用于发电、生产化学品和化肥、合成各种油品、或转换为天然气等原因，得到了国内外广泛的推广应用。
[0004]对于气流床气化炉，当给定煤种和颗粒度时，煤粉进入气化炉能否充分反应(由碳转换率表征)主要由两个因素决定，一个是否有足够高的反应温度，另一个是否有足够长的停留时间。反应温度通常由氧煤比决定，为确保最高的冷煤气效率，氧煤比不能太高，从而限定了反应温度。所以延长颗粒停留时间是提高碳转换率的有效途径。
[0005]延长停留时间可以通过增大反应器尺寸来实现，但这同时也增大了制造成本，更加经济可行的方法则是通过合理地设计气化喷嘴来优化颗粒的流动，使煤粉能与高温气流充分混合，充分利用反应器容积以延长颗粒的停留时间。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，通过气化炉喷嘴设计来改变气化炉内流场从而加强煤粉与气流的混合，延长颗粒停留时间，最终提高煤粉中碳转换率。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0008]一种用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，包括自外而内的同轴的外侧水冷套管1、内侧水冷套管4、外环喷头8和内环喷头10，外侧水冷套管I和内侧水冷套管4之间构成冷却水导出通道2，内侧水冷套管4和外环喷头8之间构成冷却水导入通道7，外环喷头8和内环喷头10之间构成外环通道9，内环喷头10内构成内环通道11，冷却水导出通道2出口处设置有前端水冷室5，所述外环通道9的出口处对称设置有若干旋流器12。
[0009]优选地，所述外环喷头8前端有内收敛半角α，内环喷头10前端有外收敛半角β，且内收敛半角α大于等于外收敛半角β，旋流器12设置在内收敛部位与外收敛部位之间。
[0010]优选地，所述内收敛半角α取值范围为5°~50°，外收敛半角β取值范围为
5。~50°。
[0011]更优选地，所述内收敛半角α取值范围为20°~30°，外收敛半角β取值范围为 20° ~30°。
[0012]优选地，所述旋流器12至少有两个，所述旋流器12为轴向螺旋槽式或者轴向叶片式，其外径与外环通道9内径相等。
[0013]优选地，所述旋流器12为8~12个，当旋流器12为轴向叶片式时，其导流角度为30。~60°。
[0014]优选地，所述内环通道11的直径为d，外环通道9出口端截面与内环通道11出口端截面之间距离为a且a < 2d，d的大小由气化炉容量决定。更优选地，a < d。
[0015]优选地，所述前端水冷室5包括连通冷却水导出通道2的喷嘴前端冷却外通道3和连通冷却水导入通道7的喷嘴前端冷却内通道6。
[0016]本发明同时提供了一种使用所述喷嘴的气化炉。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0018](I)在外环通道出口段装有旋流器，气化剂气流在由外环通道喷出前流经旋流器获得高速旋转能量，旋转喷出的气化剂在喷嘴出口处具有很大的切向速度，使得其在同样体积气化炉内旋转次数增加、通过的路径增长、气相紊动剧烈，从而不仅提高其与煤粉的混合效果，并且同时延长了其携带煤粉在气化炉内停留的时间，在时间和空间上与煤粉得到充分接触和反应，提高了碳转换率和合成气产物中的有效气体含量。 [0019](2)通过适当设置外环喷头内收敛半角和内环喷头外收敛半角，使外环通道出口收缩并向中心区域倾斜，可以控制气化剂的喷射角度(用以加大与煤粉喷射区域的重合度)和喷射形状(用以扩大气化剂的喷射范围)，加强气化剂和煤粉的混合与碰撞。
[0020](3)外环通道的末端截面与内环通道的末端截面之间设置一定的距离，使得煤粉喷头与气化剂喷头之间形成小型预混腔室。由于在预混腔室中煤粉和气化剂能够提前混合，相当于延长了煤粉和气化剂的混合接触时间，增大了煤粉和气化剂的混合接触面积，从而提高了煤粉中碳的转换率。
[0021](4)本发明属于气化喷嘴装置，通过设置旋流器、延长外环喷头和合理设置外环喷头内收敛半角和内环喷头外收敛半角实现煤粉与气化剂的充分混合和反应，达到提升碳转换率和有效气体成分的目的。
[0022](5)本发明结构简单，无任何操作和控制上的困难，延续性强，可方便地在原有气化喷嘴的基础上进行改造，有效节省投资成本，提升电站或化工厂经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0025]如图1所示，本发明一种用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，包括自外而内的同轴的外侧水冷套管1、内侧水冷套管4、外环喷头8和内环喷头10，外侧水冷套管I和内侧水冷套管4之间构成冷却水导出通道2，内侧水冷套管4和外环喷头8之间构成冷却水导入通道7，外环喷头8和内环喷头10之间构成外环通道9，内环喷头10内构成内环通道11，冷却水导出通道2出口处设置有前端水冷室5，外环喷头8、内环喷头10和外环通道9构成了喷嘴的主体。外环通道9出口端截面与内环通道11出口端截面之间间距为50 μ m，外环喷头8前端有内收敛半角α=30°，内环喷头10前端有外收敛半角β=25°。
[0026] 在外环通道9的出口处对称设置有8个旋流器12，旋流器12设置在内收敛部位与外收敛部位之间，其外径与外环通道9内径相等，两端分别抵接于外环喷头8内侧和内环喷头10外侧。旋流器12为导流角度为45°的轴向叶片式结构，也可以为螺旋槽式结构。外侧水冷套管1、内侧水冷套管4、前端水冷室5与旋流器12间形成的空隙构成了喷嘴的循环水冷却系统，前端水冷室5位于喷嘴前端，前端水冷室5包括连通冷却水导出通道2的喷嘴前端冷却外通道3和连通冷却水导入通道7的喷嘴前端冷却内通道6。
[0027]将上述喷嘴结构用于气化炉上，相应的气化方法过程如下:
[0028]燃料束(含碳固体颗粒和载气，或者含碳气体)从内环通道11进入后通过内环喷头10喷入气化炉；
[0029]气化剂从外环通道9进入，在出口处通过旋流器12获得高速旋转能量，并在外环喷头8内收敛半角和内环喷头10外收敛半角共同控制下按一定角度喷出。由于外环通道9的出口端截面与内环通道11的出口端截面之间有一定距离，故其构成了一个小型预混腔室。燃料与旋转的气化剂会在腔室内进行预混合，以提升燃料与气化剂在气化炉中的混合气化效果。充分混合后的燃料与气化剂发生气化反应，生成有效气体含量高的合成气产物。喷嘴循环冷却水由冷却水导入通道7进入喷嘴前端冷却内通道6，流经喷嘴前端冷却外通道3后从冷却水导出通道2流出。喷嘴前端水冷室5用于冷却保护气化喷嘴在高温中不被烧毁，以延长喷嘴使用寿命。
[0030]本发明的方法，采用所述装置可以生成有效气体含量高的合成气。所述含碳固体可以是煤、石油焦、生物质等，含碳气体可以是天然气或非常规气体，载气可以是氮气、水蒸汽、C02、合成气或它们的混合气，气化剂可以是氧气、水蒸汽、C02或是它们的混合气。
[0031]本发明喷嘴通过在外环通道9的出口段安装了均匀分布的旋流器12，从而延长了外环喷头8及其前端冷却室5的长度，同时合理设置了外环喷头8内收敛半角和内环喷头10外收敛半角。旋流器12可以使喷出的气化剂气流获得旋转的能量，从而在时间上和空间上加强气化剂与煤粉间的混合碰撞效果；延长外环喷头8长度使得外环通道9出口端截面与内环通道11出口端截面之间形成小型预混腔室，从而增强煤粉与气化剂的预混效果；合理设置外环喷头8内收敛半角和内环喷头10外收敛半角以控制气化剂的喷射角度和喷射形状，达到与煤粉充分接触的目的。
[0032]为进一步验证本发明的效果，在国内首座25万千瓦级整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电机组一华能天津IGCC采用的两段式干煤粉加压气化炉上进行了内部实验。设计二段投煤量占总投煤量的15%，二段投料量为11.87t/h。在此投煤量工况时，二段的碳转化率约为50%，未反应的碳随飞灰在干法除尘单元被收集后，经过飞灰再循环管线进入磨煤机，和原煤混合后重新进入气化炉一段反应区进行反应。如按照设计方法运行气化炉，气化效率更高，碳转化率更高，但是干法除尘单元负荷更重，系统运行操作更复杂。因此，厂内正常运行时采用另外一种运行方式，即控制二段碳转化率在80%以上，以此为基准尽量多投入二段煤粉。根据实际运行数据，在气化压力为3.0MPag，温度为1500°C时，为保证碳转化率，二段投煤一般控制在3~4t/h，低于设计的二段投煤量。如果采用本专利气化喷嘴，在保证二段碳转化率高于80%的条件下，二段投入煤粉量会增加，进而提高整体气化效率，减小下游单元的负荷，对运行经济性和可靠性均有很大益处。
[0033]实验结果显示，在相同的气化条件下并保证二段碳转化率在80%以上，二段投入的煤粉量可增加2~3t/h，明显好于 未改造前的气化效果。
【权利要求】
1.一种用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，包括自外而内的同轴的外侧水冷套管(1)、内侧水冷套管(4)、外环喷头(8 )和内环喷头(10 )，外侧水冷套管(1)和内侧水冷套管(4)之间构成冷却水导出通道(2 )，内侧水冷套管(4)和外环喷头(8 )之间构成冷却水导入通道(7)，外环喷头(8)和内环喷头(10)之间构成外环通道(9)，内环喷头(10)内构成内环通道(11)，冷却水导出通道(2)出口处设置有前端水冷室(5)，其特征在于，所述外环通道(9 )的出口处对称设置有若干旋流器(12 )。
2.根据权利要求1所述的用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，其特征在于，所述外环喷头(8)前端有内收敛半角α，内环喷头(10)前端有外收敛半角β，且内收敛半角α大于等于外收敛半角β，旋流器(12)设置在内收敛部位与外收敛部位之间。
3.根据权利要求2所述的用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，其特征在于，所述内收敛半角α取值范围为5°~50°，外收敛半角β取值范围为5°~50°。
4.根据权利要求2所述的用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，其特征在于，所述内收敛半角α取值范围为20°~30°，外收敛半角β取值范围为20°~30°。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，其特征在于，所述旋流器(12)至少有两个，所述旋流器(12)为轴向螺旋槽式或者轴向叶片式，其外径与外环通道(9)内径相等。
6.根据权利要求5所述的用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，其特征在于，所述旋流器(12)为8~12个，当旋流器(12)为轴向叶片式时，其导流角度为30°~60°。
7.根据权利要求1所述的用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，其特征在于，所述内环通道(11)的直径为d，外环通道(9)出口端截面与内环通道(11)出口端截面之间距离为a且a < 2d，d的大小由气化炉容量决定。
8.根据权利要求7所述的用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，其特征在于，a<d0
9.根据权利要求1所述的用于增加煤粉气流床气化炉碳转换率的喷嘴，其特征在于，所述前端水冷室(5)包括连通冷却水导出通道(2)的喷嘴前端冷却外通道(3)和连通冷却水导入通道(7)的喷嘴前端冷却内通道(6)。
10.一种使用权利要求1所述喷嘴的气化炉。
【文档编号】C10J3/50GK103937554SQ201410132061
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】史绍平, 闫姝, 任永强, 李广宇, 刘刚, 李小宇, 陈智, 徐越, 许世森, 穆延非 申请人:中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司