喷射组件、多喷嘴气化炉及其供料系统的制作方法

本发明涉及一种气化炉，尤其是一种顶置多喷嘴气化炉。

背景技术：

气流床煤气化技术是要求在高温高压下进行的，其动力学控制基本转化为传质控制，因此在煤气化装置的设计过程中如何提高传质混合效率是关键要素之一，喷嘴的设计至关重要。

目前的气化炉多采用多喷嘴模式，多喷嘴模式下的气化炉由于传质面积的增加、传质距离的缩短会显著提高微观混合效率，而顶置下喷的多喷嘴气化炉由于喷嘴间以及喷嘴与壁面间的相互作用，炉内很难获得如单喷嘴条件下稳定对称的自由射流场，为了克服这一难题目前多采用对置式的多喷嘴、顶置的集束型喷嘴或顶置对撞式喷嘴(喷嘴成角度汇集与中轴线)。

例如，美国专利US7547423B2中公开了一种紧凑型高效气化炉。该专利技术的特点是粉煤在粉体泵的挤压下来到喷嘴前的分料器，在分料器的作用下，由物料入口进入的单股煤粉通过多根管线分成若干股煤粉喷入气化炉炉腔内，形成顶置多喷嘴的结构。该技术的不足之处是粉体泵挤压煤粉的过程压力较大，颗粒的体积含量很高，颗粒流动缓慢，管线内及与分料器连接处易发生堵塞。而且分料器对煤粉颗粒在各根管线上的分配存在不稳定性，具有较大偏差，这样若某根管线发送堵塞等故障，则其余管线的输送压力增大，分料器容易整体失效。同时，一体的多喷嘴(即多管线)结构不易拆卸维修，任一单元喷嘴(即单一管线)损坏后的维修置换需要较高的成本。

公开号为CN1186840A的专利申请中公开了一种多喷嘴对置式水煤浆 或煤粉气化炉应用技术。位于气化炉体上端的四个喷嘴两两左右对置排列，对撞的射流长会提高湍动增强传质进而增进气化炉的转化效率，但此类技术因侧面的喷嘴沿径向喷射，为了规避对射火焰导致对侧喷嘴及炉体壁面的烧蚀损坏，炉体的直径往往较大，侧面排布的喷嘴也需要炉体具有较高的高度以使煤粉颗粒在炉内获得足够的停留时间，因此设备的投资与维护成本都比较高。

此外，CN101255362A公开了由科林技术有限责任公司开发的一种顶置三喷嘴气化炉(或称克林炉)，该气化炉的顶部包括居中设置的一个点火烧嘴和围绕该点火烧嘴设置的三个工艺烧嘴，其特点是煤种适应性较广，同时三喷嘴的方案使得气化炉的负荷调节余地比单喷嘴方案要大，更有利于气化炉大型化。但科林炉的三喷嘴距离较近，集中于炉体顶部中心，设计理念趋近于集束型喷嘴结构，即类似于单喷嘴结构，三个喷嘴喷出的流体在点火烧嘴的中心轴线处汇合，这一结构的喷嘴间距虽然较小，从而提高了气固微观混合效率，但并不能有效改善炉内颗粒的宏观混合模式，颗粒的停留时间分布类似于周轴线对称的单喷嘴体系。与此同时，过于集中的喷嘴使得射流中心温度较高，这会降低喷嘴的使用寿命。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种多喷嘴气化炉及其供料系统，该多喷嘴气化炉能够优化炉内的流场分布，有效增进传质效率，增大颗粒停留时间，供料系统能够规避分料不均、易堵塞及不易拆卸维护等缺点。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种喷射组件，该喷射组件包括喷嘴台，该喷嘴台上安装有多个喷嘴单元，所述喷嘴单元的喷嘴口呈环状分布且沿周向彼此间隔，各个所述喷嘴口的喷射方向竖直向下或倾 斜向下但并不汇集于一点。

优选地，所述喷嘴口的所述喷射方向沿所排布的环形的切线方向偏离所述竖直向下方向向前或向后倾斜；和/或所述喷射方向朝向所述环形的中心轴线方向倾斜。

优选地，多个所述喷嘴单元的所述喷嘴口排布成同心圆形状。

优选地，所述喷嘴单元为包括同轴嵌套的单元喷管和套管的管壳式同轴射流结构，在每个所述喷嘴单元中，所述喷嘴口形成在所述喷嘴台的底部，所述套管的顶端封闭且底端从所述喷嘴台的上方插入并对接所述喷嘴口，所述单元喷管从所述套管的顶端插入该套管内并对接所述喷嘴口，所述单元喷管的管腔形成为第一射流通道，所述套管与所述单元喷管之间的环状间隙管腔形成为第二射流通道。

优选地，所述喷嘴单元包括顶端封闭的多个所述套管，该多个套管径向间隔地逐级嵌套于所述单元喷管外以形成多级射流通道，该多级射流通道中的至少一个射流通道为气化剂通道。

根据本发明的另一方面，提供了一种多喷嘴气化炉，包括气化炉炉体、炉体顶部封头和喷射组件，所述喷射组件包括安装于所述炉体顶部封头上的喷嘴台，该喷嘴台上安装有大于两个的喷嘴单元，所述喷嘴单元的喷嘴口呈环状分布且沿周向彼此间隔，以向炉腔内喷入气化剂与粉煤或煤浆的混合射流，其中各个所述喷嘴口的喷射方向竖直向下或倾斜向下但并不汇集于一点。

优选地，所述喷射方向沿排布的环形的切线方向偏离所述竖直向下方向向前或向后倾斜0～30°，和/或所述喷射方向朝向所述气化炉炉体的中心轴线的方向倾斜0～30°。

优选地，所述喷嘴口环绕所述气化炉炉体的中心轴线呈环形排布。

优选地，在所述喷嘴台的底部，所述喷嘴口排布成环绕所述气化炉炉体 的中心轴线的多个同心圆形状。

优选地，所述喷嘴口为偶数个且在周向上等间隔地一一对置分布。

优选地，任意两个所述喷嘴口的中心轴线之间的间距为3d～20d，所述d为所述单元喷管的管径。

更优选地，所述喷嘴单元为包括同轴嵌套的单元喷管和套管的管壳式同轴射流结构，在每个所述喷嘴单元中，所述喷嘴口形成在所述喷嘴台的底部，所述套管的顶端封闭且底端从所述喷嘴台的上方插入并对接所述喷嘴口，所述单元喷管从所述套管的顶端插入该套管内并对接所述喷嘴口，所述单元喷管的管腔形成为输送粉煤或煤浆的第一射流通道，所述套管的顶部设有气化剂接口，使得所述套管与所述单元喷管之间的环状间隙管腔形成为输送气化剂的第二射流通道。

优选地，所述喷嘴单元包括顶端封闭的多个所述套管，该多个套管径向间隔地逐级嵌套于所述单元喷管外以形成多级射流通道，该多级射流通道中的至少一个射流通道为气化剂通道。

优选地，所述喷嘴台包括由顶盖、周壁和底壁围绕形成的中空腔室，所述喷嘴口贯穿形成在所述喷嘴台的底壁，所述套管从所述喷嘴台的所述顶盖插入至所述底壁上的所述喷嘴口，所述喷嘴台的所述中空腔室连接有冷却介质接口。

根据本发明的还一个方面，提供了一种根据本发明上述的多喷嘴气化炉的供料系统，包括块煤破碎装置、磨煤制粉或制浆装置、粉煤或煤浆输送装置以及为所述喷射组件输送气化剂的气化剂输送装置，其中，所述粉煤或煤浆输送装置分别独立地为每个所述喷嘴单元输送粉煤或煤浆。

或者，其中呈环形排布的所述喷嘴单元分为多组，每组的所述喷嘴单元不少于两个且沿周向彼此等间隔设置，所述粉煤或煤浆输送装置分别独立地为每组所述喷嘴单元输送粉煤或煤浆。

或者，其中呈环形排布的所述喷嘴单元为偶数个且在周向上呈一一对置分布，所述粉煤或煤浆输送装置连接有相互独立的多个Y型分料器，每个所述Y型分料器为对置的两个所述喷嘴单元输送粉煤或煤浆。

根据上述技术方案，在本发明的多喷嘴气化炉中，多个喷嘴在炉体顶部沿周向间隔地呈环形排布，射流方向为竖直向下或成一定角度旋流向下，在多喷嘴提高传质效率的同时，可获得稳定、对称的流场分布，所形成的环状的射流单元能够在炉腔中心轴线部分产生负压，形成中心卷吸作用，增大颗粒在炉腔内的停留时间，强化颗粒与气化剂的混合效果。在其供料系统中，各喷嘴的独立或分组独立的粉煤供应规避了分料器分料不均匀、易堵塞以及不易拆卸维修的诸多缺点，使得即使在部分喷嘴发生堵塞时也能保证气化炉的正常使用而无需停机维护。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的优选实施方式的多喷嘴气化炉的结构示意图；

图2为图1中的顶部方框部分(即喷射组件及炉体顶部封头部分)的剖视放大示图；

图3为图1中的A向视图；

图4为图2中的B向视图；

图5为根据本发明的优选实施方式的多喷嘴气化炉的供料系统的系统结构与原理图；

图6为不同喷嘴体系下气化炉内的颗粒轨迹及流场分布图；

图7至图9分别为单喷嘴、七喷嘴和本发明六喷嘴的气化炉下的颗粒停留时间概率密度分布图；

图10～图11分别为炉体内的颗粒质量沿轴向和径向的分布图。

本发明的附图标记说明

1 气化炉炉体 2 炉体顶部封头

3 喷射组件 4 粉煤或煤浆输送装置

5 磨煤制粉或制浆装置 6 块煤破碎装置

11 排渣口 31，31a～31f 喷嘴口

32 喷嘴台 33 套管

34，34a～34f 单元喷管 d 单元喷管的管径

35 气化剂接口 36 中空腔室

H 炉体高度 D 炉体直径

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词；“竖直方向”指的是图示的纸面上下方向，“横向”指的是图示的大致水平的纸面左右方向；“内、外”通常指的是相对于腔室而言的腔室内外或相对于圆心而言的径向内外。

如图1至图4所示，本发明提供了一种喷射组件3及采用该喷射组件3的多喷嘴气化炉，该多喷嘴气化炉包括气化炉炉体1和炉体顶部封头2，其 中，炉体顶部封头2上设有喷射组件3，该喷射组件3包括安装于炉体顶部封头2上的喷嘴台32，喷嘴台32上安装有大于两个的喷嘴单元，喷嘴单元的喷嘴口31向炉腔内喷入气化剂与粉煤或煤浆的混合物料，喷嘴单元或喷嘴口31沿周向相互间隔地呈环形排布，各个喷嘴口31的喷射方向基本竖直向下或倾斜向下但并不汇集于一点。

可见，相较于现有技术的单喷嘴、对置多喷嘴或克林炉的顶置三喷嘴结构，本发明的多喷嘴气化炉中采用非汇聚型喷射组件3，其多个喷嘴单元的喷嘴口31呈环形布置在炉体顶部且喷射方向基本竖直向下或倾斜向下但不汇集于炉腔内的一点。通过试验可得知，这将优化喷射流在炉腔内的流场分布，增加煤粉颗粒的停留时间，强化颗粒与气化剂的混合效果。更具体的说，从环形分布的多个喷嘴口31喷射出呈环状的射流单元看，这会在(环形内的)炉腔中心区域形成负压，造成卷吸作用以彼此吸引，使得射流场会向环形的中心轴线靠拢，这一过程将有利于控制由于炉体壁面的影响而导致的射流偏斜，各个喷嘴口31也无需集中在炉顶中心附近，进而改善了气化炉内的颗粒停留时间分布与混合效率。因此，在本发明顶置环形分布的喷嘴体系下，炉内流场得到了优化，颗粒的停留时间分布更加接近平推流，混合效率提高的同时，流场内的短路与死区现象减少，因此炉体结构尺寸可以大幅度降低，炉体的内径与高径比的可调空间更大，以下将具体述及。

在采用本发明的喷射组件3时，各个喷嘴单元优选地环绕气化炉炉体1的中心轴线呈环形排布，使得对称性更好，环形分布的各喷嘴口31与炉体壁面之间的径向间距相同，在保证各喷嘴口31的喷射角度一致的情况下，更有利于避免产生任何偏斜射流及其对炉体壁面的影响，可优化喷射流在炉腔内的流场分布。在喷射组件3的底部，多个喷嘴口31还可排布成环绕气化炉炉体1的中心轴线的多个同心圆形状，而不限于单一环形。在同心圆形状的分布下，将强化各喷射流的环状中心的卷吸作用，增强颗粒的停留时间。

上述的喷射方向的倾斜向下的程度应优选为尽量避免与炉体壁面产生相互影响，例如在倾斜过大的情况下产生偏斜射流撞击于炉体壁面上，避免因此形成散射的混流。因此，在本发明中，喷嘴口31的喷射方向可沿所排布的环形的切线方向偏离竖直向下方向向前或向后倾斜0～30°，这样可使得射流单元成一定角度地旋流向下，但并不汇集于一点，也不与炉体壁面碰撞。而且，喷嘴口31的喷射方向也可朝向气化炉炉体1的中心轴线的方向倾斜0～30°，形成具有一定偏心的切向结构，从而使得射流场在不交汇于一点的基础上略向环状中心靠拢，有利于进一步增强颗粒的停留时间。

其中，喷嘴口31优选为偶数个且在周向上等间隔地呈一一对置分布，这不仅大大增强对称效果，还有利于为对置的两个喷嘴独立供料，从而有利于喷嘴维护，以下还将述及。对于现有的常规气化炉而言，喷嘴口31优选为6～12个，如图4所示即等间隔地一一对置的6个喷嘴口31a～31f。

为实现喷嘴的环状分布，特别设计了喷射组件3的结构。如图1所示，喷射组件3包括喷嘴台32、套管33和用于输送粉煤或煤浆的单元喷管34，喷嘴口31形成在喷嘴台32的底部，喷嘴口31、套管33和单元喷管34的数量均相同且一一对应，套管33的顶端封闭且底端从喷嘴台32的上方插入并对接相应的喷嘴口31，单元喷管34从套管33的顶端插入该套管33内，套管33的顶部设有气化剂接口35，以通过单元喷管34与套管33之间的环形间隙向喷嘴口31输送气化剂。当然，单元喷管34和套管33输送的物质也可互换。

这样，通过单元喷管34可向对应的喷嘴口31输送粉煤或一定浓度的水煤浆，通过气化剂接口35可利用单元喷管34与套管33之间的环状间隙管腔向相应的喷嘴口31输送气化剂氧气与工艺水蒸气，气化剂与粉煤或煤浆在喷嘴口31处或喷嘴口31之前混合，而后通过喷嘴口31的截面渐小的前端喷口加速喷出，形成基本竖直向下的射流。其中，由于喷出的射流单元不 必且不能汇集于一点，使得各个喷嘴口31之间的间距可更大，可远离炉顶中心布置。喷嘴口31之间的距离不应过大以导致喷流之间的干扰效应太弱不足以产生卷吸，也不应过小使得喷流之间相互干扰过大而出现偏流等问题。例如任意两个喷嘴口31的中心轴线之间的间距优选为3d～20d，d为单元喷管34的管内径。

本领域技术人员能够理解的是，图示的喷射组件3及其喷嘴单元等仅做列举，本发明的多喷嘴气化炉中也可采用其它结构形式的喷嘴单元或喷射组件。本发明的喷射组件3也可用于其它装置中。此时，喷嘴单元可以是图示的包括同轴嵌套的单元喷管34和套管33在内的管壳式同轴射流结构，其包括两级射流通道，但也可以是多级射流通道，即喷嘴单元包括顶端封闭的多个套管33，该多个套管33径向间隔地逐级嵌套于单元喷管34外。以三通道喷嘴单元为例，可选择中心通道输送煤粉和氮气，中间通道输送氧气，最外侧通道输送水蒸汽。

其中，喷嘴台32的直径优选为10d～40d，喷嘴台32包括由顶盖、周壁和底壁围绕形成的中空腔室36，喷嘴口31贯穿形成在喷嘴台32的底壁，套管33从喷嘴台32的顶盖插入至底壁上的喷嘴口31，喷嘴台32的中空腔室36连接有冷却介质接口。在通入冷却介质(冷却液或冷却气体)的情况下，可对套管33和单元喷管34进行冷却。中空腔室36内还可设定与炉体、单元喷管34或喷嘴口31相同的平衡压力。

在上述喷射组件3及多喷嘴气化炉的基础上，本发明还提供了一种供料系统，如图5所示，包括块煤破碎装置6、磨煤制粉或制浆装置5、粉煤或煤浆输送装置4以及为喷嘴口31输送气化剂的气化剂输送装置，其中：粉煤或煤浆输送装置4分别独立地为每个喷嘴口31输送粉煤或煤浆，以实现喷嘴口31的一对一独立供料。即每个喷嘴口31具有独立的粉煤供应系统，粉煤经流化风、冲压风与补充风的共同作用由发料罐直接输送至气化炉内， 独立的供料管路保证可调节、可切断的灵活控制每个单元喷嘴的负荷，单个喷嘴的堵塞不影响整体气化炉的运行。

或者，呈环形排布的喷嘴口31可分为多组，每组喷嘴口31不小于两个且沿周向彼此等间隔设置，粉煤或煤浆输送装置4分别独立地为每组喷嘴口31输送粉煤或煤浆。例如，图4所示的6个喷嘴可包括两组，彼此间隔120°三个喷嘴口31a、31c和31e为一组，喷嘴口31b、31d和31f为另一组。这样，图5所示的粉煤或煤浆输送装置4中引出相互独立的两条供料管路，一条供料管路均匀分流至图3所示的单元喷管34b、34d和34f，从而分别为对接的喷嘴口31b、31d和31f供料，另一条供料管路均匀分流至单元喷管34a、34c和34e，从而分别为对接的喷嘴口31a、31c和31e供料。这样，单组喷嘴的堵塞不足以使整体气化炉停工，未罢工的其余组喷嘴可维持气化炉运行，且余下喷嘴仍然呈环状对称分布，从而可实现不停工状况下的系统维护。

此外，也可使呈环形排布的喷嘴口31为偶数个且在周向上呈一一对置分布，粉煤或煤浆输送装置4连接有相互独立的多个Y型分料器，每个Y型分料器为对置的两个喷嘴口31输送粉煤或煤浆。这样，可通过Y型分料器给对置的两个喷嘴独立供料，当通过一个Y型分料器供料的两个对置喷嘴堵塞或罢工时，不影响通过其他Y型分料器供料的喷嘴的工作。

以下结合附图具体说明本发明的多喷嘴气化炉的试验工作过程及其试验结果。

如图3至图5所示，本实施方式中的系统平台包括六个当量直径为d的单元喷管34a～34f以及喷嘴口31a～31f，每个单元喷嘴独立供应粉煤或煤浆，以载气(氮气或二氧化碳)喷吹煤粉或喷射一定浓度的水煤浆，可进行独立的调节控制及拆卸。工艺蒸汽与氧气作为气化剂由6个气化剂接口35分别进入各个喷嘴口31a～31f与粉煤或煤浆进行混合，而后通过喷嘴喷入，喷入 的射流在气化炉内混合并进行气化反应，反应炉渣从排渣口11排出。

作为对比，以顶置的单喷嘴和七喷嘴(即图2所示的6个环形喷嘴的基础上增设一个中心喷嘴)的气化炉做相同试验。图6显示了气化炉内的颗粒轨迹及流场分布，其中轨迹的颜色深度以颗粒的停留时间标注。在图6中，从左至右依次显示了单喷嘴体系下的颗粒轨迹、七喷嘴体系下的颗粒轨迹、本发明的环形六喷嘴体系下的颗粒轨迹、单喷嘴体系下的流场分布、七喷嘴体系下的流场分布以及本发明的环形六喷嘴体系下的流场分布。图7至图9则分别为单喷嘴、七喷嘴和本发明六喷嘴的气化炉下的颗粒停留时间改了密度分布图。

可见，单喷嘴颗粒的喷射距离较长，返混的尺度较大，部分颗粒存在短路的现象，这会增加颗粒的混合距离，降低炉内的传质效率。而七喷嘴气化炉内，由于中心喷嘴的存在，使得存在朝向炉体壁面的偏流，射流场非中心对称，同时炉体顶部存在滞留区。本发明的顶置环形六喷嘴气化炉内颗粒的射流距离明显缩短，同时单元喷嘴环形排布使得中心区域卷吸较强，造成各喷嘴的射流场向中轴线靠拢，这一方面稳定了流场又同时克服了七喷嘴的偏心问题，使得射流场远离炉体壁面呈中心对称分布。

根据图7至图9所示的颗粒停留时间的概率密度函数进行处理可获得关键参数如下表1所示。

表1颗粒停留时间关键参数对比

其中，t_min：最小停留时间；

t_max：最大停留时间；

t_m：平均停留时间(数学期望)，

σ_θ²：无量纲方差，

F(t_m)：小于平均停留时间颗粒占比，

由表1可见，单喷嘴气化炉拥有最短的平均停留时间t_m＝4.41s，同时72.54％的颗粒在平均停留时间之前离开了气化炉，这代表了严重的短路以及较低的气固混合效率。七喷嘴气化炉拥有最大的无量纲方差σ_θ²＝0.77，这代表了滞留区与短路现象共同存在于气化炉内，顶置环形排布的六喷嘴气化炉拥有最大的平均停留时间t_m＝16.09s(单喷嘴条件下的4倍)与最小的无量纲方差σ_θ²＝0.2，同时只有58.57％的颗粒在平均停留时间前离开，这说明本发明的气化炉系统具有更均匀的颗粒停留时间分布，更高的混合效率。

对颗粒在气炉内的质量分布沿轴向与径向分别积分，对结果无量纲化后如图10～图11所示。其中参照图1，H为炉体高度，D为炉体直径。图10的横轴代表距离喷嘴的轴向位置与炉体高度的比值，该值越接近数值1代表位置越接近炉体底部，纵轴则为距离喷嘴该段距离体积内颗粒质量占总体颗粒保有质量百分比。图11的横轴代表炉体中心轴线切圆直径与炉体直径比，该值越接近数值1，代表切圆越接近炉体直径，纵轴为该直径切圆体积内颗粒质量与炉体内总体颗粒保有质量百分比。

如图10可见，单喷嘴气化炉的颗粒主要集中在炉体下半段，这是由于较长的射流距离造成的，七喷嘴气化炉的颗粒质量主要集中在靠近喷嘴的上部，这是由于剧烈的返混和滞留区造成的，顶置环形六喷嘴气化炉的上部颗粒质量累计最低，这说明较低的返混同时无滞留区存在。图11的径向累计结果则发现七喷嘴炉体内的颗粒集中在炉体壁面，而六喷嘴气化炉沿径向分布最均匀(接近线性分布)，轴向分布与径向分布更证明了顶置环形六喷嘴 气化炉内较高的气固混合效率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行各种简单变型，并且上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。