[发明专利]一种热氧喷嘴及其在气化炉中的应用

说明书

技术领域

本发明属于煤气化领域，涉及一种新型热氧喷嘴，尤其涉及在水煤浆等含碳物料气化制备合成气（CO+H₂）等领域的应用。

背景技术

煤的洁净与高效利用是当今我国能源与环境保护领域中的重大技术课题，也是我国国民经济持续发展的关键技术之一。煤气化是将一次能源转化为洁净的二次能源的主要途径，其产品为燃料气(煤气)、合成气、还原气、氢气、一氧化碳。煤的气化技术在联合循环(IGCC)发电装置、合成氨和合成甲醇工业、羰基化法生产醋酸与醋酐工业、海绵铁的生产、纯一氧化碳的制备、纯氢的制备等领域得到了广泛的应用，而气化炉则是煤气化的关键设备。为此，众多的科技人员研究、开发了各种类型的气化炉。目前，在采用气流床进行气化的技术中，有代表性的主要有：以水煤浆为原料的GE(Texaco)气化技术；以干煤粉为原料Shell气化技术；以水煤浆或干煤粉为原料的多喷嘴对置式(OMB)气化技术。

对于以水煤浆为原料的耐火砖型式的气化技术，气化炉投料过程需要使用预热喷嘴烘炉使炉温达到＞1000℃并恒温，再更换工艺喷嘴并进行气化炉的投料，工序相对复杂，燃料消耗量大，且开停车时间长，不利于化工生产中装置的连续稳定运行。

本发明的目的在于对现有喷嘴结构进一步优化，公开了一种热氧喷嘴及其气化炉和应用，可实现对燃料的直接点火、运行，缩短烘炉时间和开停车操作时间。特别是针对处于热备状态下的热壁式气化炉，该喷嘴不仅具备原有工艺喷嘴的稳定运行功能，亦可实现较低炉膛温度下的直接点火投料。该喷嘴结构较简单，制作与维护方便，具有较高的推广和应用价值。

发明内容

本发明涉及一种热氧喷嘴，该热氧喷嘴可将氧气的温度加热到500℃甚至更高的温度，在较高的氧气温度下，水煤浆等含碳物料可直接点燃。基于该喷嘴的特性，为了简化上述现有气化工艺的开车及运行，本发明公开了该热氧喷嘴结构及其在气化炉中的应用。

本发明的构思如下：现有的煤气化技术，特别是水煤浆气化技术，需根据煤种和操作条件的不同将炉温升至大约1200℃，然后更换工艺喷嘴并进行氮气置换后再进行投料。美国专利US 8105074B2公开了一种热氧发生器，所述的热氧发生器通过调节气化剂和燃气的流量及配比，可将氧气加热最高至1500℃。在此温度下，水煤浆等含碳燃料可以直接点燃，因此热氧喷嘴可大大减少因预热炉膛而消耗的燃料，进一步增加了装置的安全性。由于氧气的温度很高，其出口速度相对于常温氧气的出口速度高，高速的氧气射流可强化水煤浆等燃料的雾化作用，进一步提高燃料的碳转化率。此外，高速的氧气会迅速带走燃气燃烧时产生的热量，防止高温气体对喷嘴造成损坏。

实现本发明目的的技术方案：

一种热氧喷嘴，包括依次同轴设置的外环喷管、中环喷管、内环喷管和中心喷管以及冷却系统，所述外环喷管由外环导管和外环喷头构成，外环喷头的大端与外环导管相连接，所述中心喷管由中心导管和中心喷头构成，中心喷头的大端与中心导管相连接，所述中环喷管由中环导管构成，所述内环喷管由内环导管构成，所述外环喷管、中环喷管、内环喷管、中心喷管依次采用法兰连接，所述外环喷管与所述中心喷管的端部相齐平；

所述冷却系统由盘管和冷却室构成，冷却室同轴设置于外环喷头的外侧，盘管设置于靠近外环喷头的外环导管外侧，冷却室与盘管相连接，冷却液流入冷却室后再经盘管流出。

所述外环喷管和所述中环喷管之间形成外环氧通道，所述内环喷管和所述中心喷管之间形成内环氧通道，所述中环喷管和所述内环喷管之间形成燃气通道，所述中心喷管内形成燃料通道。

所述中环喷管和所述内环喷管沿轴向往内缩进，并且所述中环喷管和所述内环喷管的端部齐平；所述燃气通道的出孔处截面与所述外环喷管的直管段内壁以及所述中心喷管的直管段外壁构成热氧腔室，所述热氧腔室的长度t为所述燃气通道当量直径的2～5倍。

所述中心喷头的内收缩角α为45～80°；所述中心喷头的外收缩角和所述外环喷头的内收缩角β相等，为30～80°。

一种含有上述任一所述热氧喷嘴的气化炉，所述气化炉的顶部或炉体周边的一个平面或者多个平面上设置有一个或多个所述热氧喷嘴。

所述热氧喷嘴与所述气化炉通过法兰连接。

上述气化炉的应用，以含碳类物质为原料制备合成气，以及生产合成氨、甲醇、联合循环发电、海绵铁或垃圾的气化处理。

气化剂在所述外环氧通道和所述内环氧通道的流量比例为：外环氧通道占50%、内环氧通道占50%；所述气化剂的总量与所述燃气通道中的燃气的流量比例为85～97：3～15。