粉浆耦合式气化烧嘴的制作方法

本发明涉及气化炉烧嘴，特别涉及一种粉浆耦合式气化烧嘴。

背景技术：

煤的高效、清洁利用，是我国经济和社会可持续发展的战略选择，尤其以煤气化为基础的煤制甲醇、煤制乙二醇、煤制油等化工技术，是保证我国大宗基础化工产品和能源稳定可靠供应和可持续发展的重要科技基础。以煤气化为基础的转化利用不仅降低了因直接燃烧产生的污染，而且延伸的煤炭深加工产业更是提升煤炭附加值，保障我国能源发展战略，成为重要的发展方向。煤的气化是使煤与气化剂作用，在特定条件下进行各种化学反应，生成合成气的过程。

粉浆气化烧嘴主要是通过多通道组合，将粉煤、水煤浆和气化剂同时喷入到气化炉内并发生化学反应。但是现有粉浆气化烧嘴在喷口设置上均采用粉煤和雾化后水煤浆混合的方式，该方式主要存在三个问题：

1、由于粉煤输送的特殊要求，喷入气化炉的粉煤混合物中含有约80％二氧化碳气体，处于中心的水煤浆雾化后向四周散开，形成锥形雾化区，如果粉煤混合物以一定夹角喷向雾化区，由于二氧化碳气流会压制雾化的水煤浆颗粒进一步散开，进而影响水煤浆雾化。因此现有粉浆气化烧嘴，不仅会降低水煤浆雾化效果，而且使雾化颗粒进一步发生聚合，使得燃烧和气化反应仅发生在局部位置，没有有效利用炉膛空间，碳转化率较低。

2、水煤浆雾化后呈微小颗粒，且均匀弥散于炉膛上侧，如喷入的粉煤以一定切角与雾化后水煤浆颗粒混合，则粉煤颗粒与雾化后水煤浆颗粒发生碰撞，由于雾化颗粒大部分体积为水分，对固体颗粒具有吸附作用，因此粉煤颗粒与雾化水煤浆颗粒碰撞后发生聚合，成为更大的水煤浆颗粒，进一步降低反应速度。

3、现有耦合式烧嘴多路气化剂进入气化炉后快速混合，没有起到独立配比和分离的作用，各路气化剂量的独立调节意义不大。

技术实现要素：

为了克服上述现有的不足，本发明的目的在于提供一种气化炉内分区反应、粉煤、水煤浆独立控制的粉浆耦合式气化烧嘴，旨在至少解决现有粉浆气化烧嘴雾化效果差，粉浆混合致使反应物料过于集中，不能有效利用炉膛空间，降低反应速度，以及碳转化率偏低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种粉浆耦合式气化烧嘴，包括位于中心的水煤浆输送部，水煤浆输送部的下方形成水煤浆雾化反应区，水煤浆输送部的外圈还设有用于输送粉煤的粉煤通道和用于输送气化剂的外环氧通道，外环氧通道喷出的气化剂与粉煤通道喷出的粉煤混合并形成粉煤分散反应区，粉煤分散反应区位于水煤浆雾化反应区的外圈。

可选的，外环氧通道的出口处设有导流部，导流部用于调整气化剂的出口方向以使气化剂带动粉煤向远离水煤浆雾化反应区的方向运动。

可选的，导流部包括沿周向分布在外环氧通道出口处的多个导流片，导流片向外环氧通道的周向倾斜。

可选的，水煤浆输送部的外圈由内向外依次设有外环氧通道和粉煤通道，粉煤通道的出口向内侧倾斜设置，外环氧通道的出口竖直设置。

可选的，粉煤通道出口的半锥角为a1，导流片相对于竖直方向的倾斜角度为a2，a1和a2之间满足a2-a1＞0°。

可选的，粉煤通道的外圈设有冷却水通道。

可选的，水煤浆输送部的外圈由内向外依次设有粉煤通道和外环氧通道，外环氧通道的出口向内侧倾斜设置，粉煤通道的出口竖直设置。

可选的，外环氧通道出口的半锥角为a3，导流片相对于竖直方向的倾斜角度为a4，a3和a4之间满足a4-a3＞0°。

可选的，粉煤通道与水煤浆输送部之间设有冷却水通道，外环氧通道的外侧设有耐火层。

可选的，外环氧通道所在环面宽度为l1，在水平方向上，外环氧通道中导流片的安装位置高出粉煤通道出口的高度为h2，h2和l1之间满足l1≤h2≤l1/tan(a3)。

可选的，水煤浆输送部包括从内向外依次设置的内环氧通道、水煤浆通道以及中环氧通道。

有益效果：本申请中，水煤浆雾化反应区位于气化炉烧嘴出口的正下方，而粉煤分散反应区则位于水煤浆雾化反应区的外周，从而有效的实现了水煤浆雾化反应区和粉煤分散反应区的同时存在，通过该种布置方式实现了对气化炉内部空间最大程度上的利用。且本发明通过对水煤浆雾化反应区和粉煤分散反应区进行分区，可有效避免出现粉煤混合物影响水煤浆雾化、粉煤混合物与雾化后的水煤浆颗粒之间相互吸附聚合以及各路气化剂量无法独立调节的问题，从而使得分区反应可以高效进行。

附图说明

图1是本发明其中一种布置形式的结构示意图；

图2是本发明另一种布置形式的结构示意图；

图3是本发明的粉煤分散反应区和水煤浆雾化反应区的分区示意图；

图4是本发明其中一种导流部及其导流片布置示意图；

图5是本发明另一种导流部及其导流片布置示意图。

附图标记：

1、水煤浆雾化反应区；2、粉煤通道；3、外环氧通道；4、粉煤分散反应区；5、导流部；51、导流片；6、冷却水通道；7、耐火层；8、内环氧通道；9、水煤浆通道；10、中环氧通道。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1或图2，本发明实施例提供的一种粉浆耦合式气化烧嘴，包括位于中心的水煤浆输送部，水煤浆输送部的下方形成水煤浆雾化反应区1，水煤浆输送部的外部还设有用于输送粉煤的粉煤通道2和用于输送气化剂的外环氧通道3，外环氧通道3喷出的气化剂与由粉煤通道2喷出的粉煤混合并形成粉煤分散反应区4，粉煤分散反应区4位于水煤浆雾化反应区1的外圈，现实气化中内外圈无绝对的分界，我们人为进行划区，内侧为水煤浆反应区，外侧为粉煤反应区，还会有一个交叉区，这里不进行强调解释。

现有技术中，水煤浆输送部可由从内向外依次设置的内环氧通道8、水煤浆通道9以及中环氧通道10组成，在具体实施过程中，以中环氧通道10的底端高度位置为烧嘴的头部端面，内环氧通道8头部顶端的位置距离头部端面的距离为d1，其中40≤d1≤80mm；水煤浆通道9头部顶端的位置距离头部端面的距离为d2，其中2≤d2≤8mm；且水煤浆通道9头部顶端与内环氧通道8头部顶端相连通并形成预混腔，水煤浆在预混腔内被中环氧通道输送的气化剂进行初步雾化，随后预混腔中的混合物则在中环氧通道10喷出的气化剂高速撞击和剪切的作用下二次雾化，混合物雾化后，在高温环境下快速干燥，并析出挥发成分，同时混合物中雾化颗粒与气化剂充分混合，可快速发生燃烧和气化反应，因此在其下方区域形成水煤浆雾化反应区1。

本方案则在水煤浆输送部的外部再设置用于输送粉煤和气化剂的外侧通道，即设置了粉煤通道2和外环氧通道3，在实际生产过程中，用于提供气化剂的管道一般具有较大的流速，其流速一般是粉煤通道2流速的数倍，因此外环氧通道3提供的气化剂可有效与粉煤进行混合并对粉煤进行定向分散，从而在水煤浆雾化反应区1的外圈形成粉煤分散反应区4。

在本方案中，内环氧通道8、中环氧通道10以及外环氧通道3用于向气化炉中通入气化剂，气化剂的种类不限于氧气，还包括能够助燃水煤浆、煤粉燃烧的其他气体。

通过上述描述，最终可在气化炉中同时存在水煤浆雾化反应区1和粉煤分散反应区4，根据对不同形状烧嘴的选取，会产生不同形状的水煤浆雾化反应区1和粉煤分散反应区4，例如，若烧嘴为圆形结构，相应的，水煤浆雾化反应区1则呈圆形结构，粉煤分散反应区4则为环状结构，可参阅图3。

沿水平方向截取水煤浆雾化反应区1和粉煤分散反应区4，请参阅图3，水煤浆雾化反应区1位于气化炉的中部，而粉煤分散反应区4则位于水煤浆雾化反应区1的外周，从而有效的实现了水煤浆雾化反应区1和粉煤分散反应区4的同时存在，且该种布置方式可最大程度上利用气化炉的内部空间，避免产生气化炉内部空间的浪费。

通过对水煤浆雾化反应区1和粉煤分散反应区4进行分区，也可有效避免出现如背景技术中提到的如粉煤混合物影响水煤浆雾化、粉煤混合物与雾化后的水煤浆颗粒之间相互吸附聚合以及各路气化剂量无法独立调节的问题，最终起到使得水煤浆雾化反应区1和粉煤分散反应区4都能取得高效反应的效果。

对于水煤浆雾化反应区1所在区域尺寸和粉煤分散反应区4所在区域的尺寸以及二者之间的间距的确定，则可通过本领域技术人员对各个部件进行调试来实现，以能实现上述分区效果为准。

例如，本领域技术人员可对外环氧通道3和粉煤通道2的出口方向进行调整，使得二者内部物料的出口方向相交，从而实现混合，当物料混合后，混合物料的主方向与流速较大的外环氧通道3喷出的气化剂方向较为一致，因此，本领域技术人员可根据水煤浆雾化反应区1的范围对外环氧通道3的出口方向进行调整，从而改变使得最终由混合物料组成的粉煤分散反应区4位于水煤浆雾化反应区1的外圈。

本领域技术人员也可以给外环氧通道3和粉煤通道2的出口设置一个共同的环状出料嘴，用于将气化剂和粉煤进行预混合并共同喷出，并调整该出料嘴的喷射角度，从而使得粉煤分散反应区4和水煤浆雾化反应区1之间不发生重合。

由于当物料混合后，混合物料的主方向与流速较大的外环氧通道3喷出的气化剂方向一致，因此本领域技术人员还可单独为外环氧通道3设置单独的可以用于导向的出料嘴，从而对由外环氧通道3喷出的气化剂进行导向，使气化剂与粉煤混合后其混合物向水煤浆雾化反应区1外圈运动并形成粉煤分散反应区4。

本方案主要是对在气化炉内水煤浆雾化反应区1和粉煤分散反应区4的分区这一概念进行保护，本领域技术人员根据该概念而对烧嘴作出的具体改进结构均在本申请的保护范围内，以上对粉煤分散反应区4的叙述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。

请参阅图1或图2，外环氧通道3的出口处设有导流部5，导流部5用于调整气化剂的出口方向以使气化剂带动粉煤向远离水煤浆雾化反应区1的方向运动。

本方案则是外环氧通道3结构的进一步公开，由于气化剂具有较大的流速，其与粉煤混合后，气化剂的运动方向是决定混合物运动方向的决定性因素，因此在本方案中，设置了可以对气化剂运动方向进行导向的导向部，通过导向部对气化剂的运动方向进行改变，从而对由气化剂与粉煤混合后的混合物的方向进行导向，使其向远离水煤浆雾化反应区1的方向运动，并在水煤浆雾化反应区1的外圈形成粉煤分散反应区4。

对气体的导向结构较为常规，由于外环氧通道3为环状，因此导向部可以为依次设置在外环氧通道3内且与其同轴的多个环状导向片，该环状导向片类似于圆台的侧面，为倾斜状，从而可有效将气化剂向远离水煤浆雾化反应区1的位置进行导向。

该导向部也可为开设有导向孔的圆环，该圆环同轴卡入外环氧通道3的出口处，其上均布有斜向的导向孔，从而也可起到将气化剂向远离水煤浆雾化反应区1的位置进行导向的功能。

导向部还可为沿周向均布在外环氧通道3出口处且倾斜设置的导流片51等。

请参阅图4或图5，导流部5包括沿周向分布在外环氧通道3出口处的多个导流片51，导流片51向外环氧通道3的周向倾斜。

本方案则是对导向部结构的进一步公开，即导流部5包括沿周向均布在外环氧通道3出口处且倾斜设置的导流片51，该导流片51之间可形成类似于旋流片的结构，在对气化剂进行有效的导流的同时还具备使导流效果更优的效果，由于设置了该导流片51，可对气化剂形成旋流效果，当气化剂经导流片51从外环氧通道3喷出后，并不是将气化剂以外环氧通道3的圆心向圆周方向进行导向，即并不是以半径方向进行导向，如果按照半径方向进行导向，会使气化剂的流向与粉煤的流向直接进行交叉，气化剂的运动轨迹与粉煤所形成的区域之间的距离的变化趋势较大，虽然可快速的起到对粉煤混合以及导向作用，但是该交叉过程中，气化剂和粉煤的实际接触范围还是较小的，从而在一定程度上导致混合效果无法达到最优效果。且如果按照半径方向进行导向，由于气体速度较快，气化炉顶部空间有限，粉煤和气化剂会直接接触气化炉炉壁，造成气化炉局部超温，从而影响反应效果。

而通过设置导流片51，气化剂大致是以外环氧通道3的切向向外喷出，因此气化剂与粉煤的接触并不是直接交叉，而是以切向的方式与粉煤接触，因此气化剂的运动轨迹与粉煤所形成的区域之间的距离的变化趋势较小，有利于气化剂与粉煤的充分接触，且气化剂与粉煤的接触存在一定的缓冲过程，从而使得气化剂对粉煤的导向效果更优。

请参阅图1，水煤浆输送部的外圈由内向外依设有外环氧通道3和粉煤通道2，粉煤通道2的出口向内侧倾斜设置，外环氧通道3的出口竖直设置。

本方案则是对粉煤通道2和外环氧通道3具体布置结构的进一步公开，为第一种布置方式。此时外环氧通道3与水煤浆输送部之间距离较近，如果外环氧通道3的出口向内侧倾斜则会在很大程度上出现气化剂与水煤浆雾化反应区1重合的的问题，因此外环氧通道3的出口尽量不要朝向内侧，外环氧通道3的出口至少需要竖直或者朝向外侧，由于在导流片51的导流效果下，气化剂已经能够向外旋出，并向着远离水煤浆雾化反应区1的方向运动，因此，外环氧通道3的出口竖向设置。

相对应的，为了使得粉煤与气化剂进行有效的混合，粉煤通道2的出口向内侧倾斜设置。可以最大程度上缩小气化剂运动轨迹与水煤浆雾化反应区1的距离，同时二者之间又不会重合，即可对粉煤分散反应区4和水煤浆雾化反应区1的分区进行最大程度上的优化，从而最大程度上的利用了气化炉的内部空间。

在本方案中外环氧通道3的出口是竖向设置的，因此其出口为常规的环状结构，可参阅图4，导流片51可以选择直接焊接在外环氧通道3出口内，也可选择整体加工的模式，该整体构件包括一个外筒和一个内筒，导流片51则按照设计尺寸焊接在外筒和内筒之间，再将由外筒、内筒以及导流片51组成的环状结构安装至外环氧通道3出口内即可。导流片51的叶片高度为h，导流片51的底端与头部端面之间的距离为h1，h和h1之间满足h1≤2h；导流片51倾斜设置，其倾斜方向采用顺时针或逆时针均可。为了避免外环氧通道3与水煤浆输送部距离较近而出现的粉煤分散反应区4与水煤浆雾化反应区1重合的问题，本领域技术人员应根据实际生产需求设置外环氧通道3与水煤浆输送部出口之间的距离。

请参阅图1和图4，粉煤通道2出口的半锥角为a1，导流片51相对于竖直方向的倾斜角度为a2，a1和a2之间满足a2-a1＞0°。

当a2-a1＝0°时，气化剂的流动方向与粉煤的流动方向趋于一致，二者混合后整体的流动趋势趋于直线型，当a2-a1＞0°时，气化剂的流动趋势相对于粉煤更大，操作人员可根据实验加大粉煤的流通速率，以加强粉煤对气化剂的冲击，在粉煤本身的重力作用下、粉煤颗粒表面对气化剂的阻力作用下以及粉煤通道2内气体的冲击作用下，会使得粉煤与气化剂混合后，其运动轨迹趋于曲线，且该曲线的导数数值为自下而上、由内向外逐渐减小，如图1，混合物呈曲线轨迹的好处是可以缩小粉煤分散反应区4与水煤浆雾化反应区1的距离，从而更为有效的利用气化炉内部空间，使得气化反应更为高效。

优选地，a1满足10°≤a1≤45°，a1和a2之间满5°≤a2-a1≤25°。该设置的结构科学合理且高效，可以在保证粉煤和气化剂不接触炉壁的前提下更好的利用炉内上部空间，否则粉煤反应区将相对靠下，不利于与水煤浆反应区的分区。

粉煤通道2的外圈设有冷却水通道6。

在本方案中，设置冷却水通道6主要起冷却效果，在实际生产过程中，粉煤内含水量较少，因此火焰燃烧距离头部端面较近，粉煤通道2内侧可通过外环氧通道3内高速流通的气化剂进行降温，为了保护粉煤通道2出口部不受火焰燃烧破坏，因此在其外侧还需设置冷却水通道6，从而可对粉煤通道2及其出口部进行全面降温。

请参阅图2，水煤浆输送部的外圈由内向外依设有粉煤通道2和外环氧通道3，外环氧通道3的出口向内侧倾斜设置，粉煤通道2的出口竖直设置。

本方案则是对粉煤通道2和外环氧通道3具体布置结构的进一步公开，为第二种布置方式，此时外环氧通道3与水煤浆输送部距离相对较远，在喷出的气化剂不与水煤浆雾化反应区1的重合的情况下，将外环氧通道3的出口向内侧倾斜设置则可有效减少气化剂与水煤浆雾化反应区1之间的距离，从而高效的利用气化炉内部空间，考虑到气化剂与粉煤的混合以及减少由混合物形成的粉煤分散反应区4与水煤浆雾化反应区1的距离，粉煤通道2的出口方向则竖直设置。

在本方案中外环氧通道3的出口是倾斜设置的，因此其出口形状相对特殊，为由两个同轴的圆台侧面组成的类环状结构，导流片51可以选择直接焊接在外环氧通道3出口内，可参阅图5，也可选择整体加工的模式，该整体构件包括一个外筒和一个内筒，该外筒和内筒为同轴的圆台侧面结构，导流片51则按照设计尺寸焊接在外筒和内筒之间，再将由外筒、内筒以及导流片51组成的环状结构安装至外环氧通道3出口内即可。导流片51倾斜设置，其倾斜方向采用顺时针或逆时针均可。

优选地，粉煤通道2的出口内侧竖直，其外侧与外环氧通道3相应微向内收缩设置。外环氧通道3出口向内倾斜设置则是利用倾斜角与粉煤物料进行更有效的接触，与粉煤进行预混合同时携带粉煤远离烧嘴出口。粉煤通道2出口外侧有一个收缩，可加快粉煤的出口速度，与气化剂的接触后动量更大，从而有效提高反应效率。

请参阅图2和图5，外环氧通道3出口的半锥角为a3，导流片51相对于竖直方向的倾斜角度为a4，a3和a4之间满足a4-a3＞0°。

同理，对外环氧通道3出口方向的角度与导流片51角度之间的关系同样是使粉煤与气化剂混合后的运动轨迹趋于曲线，该曲线结构类似第一种布置方式中形成的曲线，从而可以缩小与粉煤分散反应区4与水煤浆雾化反应区1的距离，从而更为有效的利用气化炉内部空间，使得气化反应更为高效。

优选地，a3满足5°≤a3≤15°，a3和a4之间满足5°≤a4-a3≤30°。该外环氧通道3出口角度为常规选择，结构科学合理且高效。

粉煤通道2与水煤浆输送部之间设有冷却水通道6，外环氧通道3的外侧设有耐火层7。

与第一种布置结构同理，第二种布置方式中设置冷却水通道6与耐火层7，在此不做赘述。其次，为了避免外环氧通道3与水煤浆输送部距离较近而出现的粉煤分散反应区4与水煤浆雾化反应区1重合的问题，本领域技术人员应根据实际生产需求设置外环氧通道3与水煤浆输送部出口之间的距离，而该距离可由冷却水通道6的宽度来实现。的外环氧通道3所在环面宽度为l1，在水平方向上，外环氧通道3中导流片51的安装位置高出粉煤通道2出口的高度为h2，h2和l1之间满足l1≤h2≤l1/tan(a3)。

在本方案中，外环氧通道3的出口为向内侧倾斜设置，因此其喷出的氧化剂首先会向内侧即水煤浆雾化反应区1移动，形成第一行程，然后在导流片51的旋流效果下，继续再往外侧移动，形成第二行程，第一行程和第二行程构成了总行程，第一行程与第二行程的连接点处则为拐点，该拐点具体意思为总行程在该点处出现了“拐弯”的现象，可参阅图2。

本方案通过对上述参数进行设置，可以使得拐点位置大致位于头部端面处，这样可使得第一行程主要位于粉煤通道2和外环氧通道3的出口部，这样可以避免第一行程的末端与水煤浆雾化反应区1距离较近而导致出现二者重合的问题，而第二行程由头部端面开始，又可在上述基础上，尽量缩小第二行程与水煤浆雾化反应区1的距离，即缩小粉煤分散反应区4与水煤浆雾化反应区1之间的距离，从而更加有效的利用气化炉内部空间，使得气化反应更加高效。

优选地，a3和a4之间满足a3+a4≤45°，上述设置可与冷却水通道6的出口外壁进行配合，气化剂经a3和a4两个角度调整运动方向，使其行程至合适的方向，然后与粉煤混合，在冷却水通道6的出口外壁的遮挡下，起到改变混合物的运动方向的效果，使其向水煤浆雾化反应区1外侧运动。

水煤浆输送部包括从内向外依次设置的内环氧通道8、水煤浆通道9以及中环氧通道10。

本方案则是对水煤浆输送部的具体结构进行了公开。

烧嘴运行时内环氧通道8与中环氧通道10满足水煤浆雾化及反应需要，内环氧量占水煤浆所需总氧量的12～18％，具体数值需根据喷口尺寸计算；外环氧量满足粉煤反应需要。内环氧量和中环氧量根据水煤浆流量自动调节，外环氧量根据粉煤流量自动调节，且水煤浆通路的氧煤比与粉煤通路氧煤比需采用不同氧煤比，该数值需根据煤种、反应条件等综合计算所得，以满足水煤浆和粉煤完全气化反应的要求为标准。

烧嘴运行时内环氧通道8和中环氧通道10是喷出的气化剂首先将水煤浆雾化，雾化颗粒及气化剂混合物分布于中心位置，在高温环境下快速干燥，并析出挥发分，由于与气化剂混合充分，快速发生燃烧和气化反应，在头部端面下方形成了水煤浆雾化反应区1。外环氧通道3首先经导流片51导流，以一定旋流角度向四周散开，在喷口处与粉煤混合，由于气化剂流速大，相对于粉煤动量较大，外环气化剂带动粉煤向四周扩散运动，进入炉膛后瞬间干燥并析出挥发分，由于粉煤与气化剂完全混合，快速发生燃烧和气化反应，则可在水煤浆雾化反应区1的外圈形成环状的粉煤分散反应区4。两个主反应区相互独立，并具有独立调节的能力，在投煤负荷变化范围内两个反应区均不会出现重叠，水煤浆雾化及反应不受粉煤影响，雾化效果较好，双反应区最大限度利用炉膛反应空间，提升气化炉碳转化率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。