气化烧嘴及气化装置的制作方法

本实用新型属于气化领域，特别是气化烧嘴及气化装置。

背景技术：

现有的气化烧嘴在单个使用过程中，由于结构的限制，投煤量仅能达到700-2000吨/天，难以进一步提升；且由于使用过程是单烧嘴顶置(即一个烧嘴设置于气化炉的顶部)，使得气化炉流场湍流混合效果差。为了提高投煤量，生产过程中一般采用多烧嘴对置(即多个烧嘴环绕气化炉的炉壁一周对置设置)的方式，这种方式虽然使得气化炉内燃料和氧化剂的混合效果相对提高，但是仅能将投煤量提高到1000-3000吨/天，且需要在反应器/气化炉/燃烧室预留更多的开孔以便安装多个烧嘴，不但对安装精度要求高，容易导致气化炉轴向方向温度场的突变，影响气化炉壁面的均匀挂渣，而且多个烧嘴放置在气化炉侧面、顶部的组合方式，增加了控制的难度，工艺管线输送、控制与调节均存在一定难度；同时，多烧嘴对置也增加了烧嘴的经济投入，增加了成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种气化烧嘴，该气化烧嘴能够较大程度地提高投料量，降低成本、提高生产效率。

本实用新型的另一目的在于提供具有前述气化烧嘴的气化装置。

为实现本实用新型的第一个目的，采用以下的技术方案：

一种气化烧嘴，所述气化烧嘴的主体为圆筒状结构，所述气化烧嘴包括用于点火的点火烧嘴和用于提供燃料和氧化剂的主烧嘴单元，所述主烧嘴单元嵌套设置于所述点火烧嘴的外部；所述主烧嘴单元包括依次嵌套设置的用于分别提供燃料和氧化剂的多级主烧嘴和嵌套设置于最外级主烧嘴上的用于冷却的主烧嘴冷却装置。

优选地，所述最外级主烧嘴的外壁与所述主烧嘴冷却装置的内壁形成环隙结构的氧化剂通道。

优选地，所述主烧嘴单元至少包括一级主烧嘴和嵌套设置于所述一级主烧嘴外部的二级主烧嘴；所述一级主烧嘴由内向外依次设置有一级内筒和一级外筒，所述一级主烧嘴通过所述一级内筒嵌套设置于所述点火烧嘴的外部，且所述一级内筒与所述点火烧嘴之间形成环隙结构的一级氧化剂通道；所述一级内筒和一级外筒之间形成一级环隙通道；所述一级环隙通道的背火端沿环隙分散设置有多个与中心轴平行的一级燃料输送管，形成多个一级燃料入口通道，所述一级环隙通道的向火端形成环隙结构的一级燃料出口通道，所述一级燃料入口通道和所述一级燃料出口通道相连通；所述一级内筒、一级环隙通道、一级外筒和一级氧化剂通道同轴设置。

优选地，所述二级主烧嘴由内向外依次设置有二级内筒和二级外筒,所述二级主烧嘴通过所述二级内筒嵌套设置于所述一级主烧嘴的外部，且所述二级内筒与所述一级外筒之间形成环隙结构的二级氧化剂通道；所述二级内筒和二级外筒之间形成二级环隙通道；所述二级环隙通道的背火端沿环隙分散设置有多个与中心轴平行的二级燃料输送管，形成多个二级燃料入口通道，所述二级环隙通道的向火端形成环隙结构的二级燃料出口通道，所述二级燃料入口通道和所述二级燃料出口通道相连通；所述二级内筒、二级环隙通道、二级外筒、二级氧化剂通道与所述一级内筒同轴设置。

优选地，所述主烧嘴单元还包括三级主烧嘴，所述三级主烧嘴由内向外依次设置有三级内筒和三级外筒,所述三级主烧嘴通过所述三级内筒嵌套设置于所述二级主烧嘴的外部，且所述三级内筒与所述二级外筒之间形成环隙结构的三级氧化剂通道；所述三级内筒和三级外筒之间形成三级环隙通道；所述三级环隙通道的背火端沿环隙分散设置有多个与中心轴平行的三级燃料输送管，形成多个三级燃料入口通道，所述三级环隙通道的向火端形成环隙结构的三级燃料出口通道，所述三级燃料入口通道和所述三级燃料出口通道相连通；所述三级内筒、三级环隙通道、三级外筒、三级氧化剂通道与所述一级内筒同轴设置。

优选地，所述一级燃料出口通道在向火端逐渐收缩，所述一级外筒的外壁在向火端与所述一级燃料出口通道的中心轴线呈角度α，α＝10-40°，优选α＝10-20°。

优选地，所述二级燃料出口通道在向火端逐渐收缩，所述二级外筒的外壁在向火端与所述二级燃料出口通道的中心轴线呈角度β，β＞α，β＝20-60°；优选β＝25-40°。

优选地，所述三级燃料出口通道在向火端逐渐收缩，所述三级外筒的外壁在向火端与所述三级燃料出口通道的中心轴线呈角度25-70°；优选30-50°。

优选地，所述点火烧嘴由内向外依次同轴设置有中心氮气通道、燃料通道、氧化剂通道和点火烧嘴冷却装置；所述点火烧嘴冷却装置为第一冷却水夹套，包括由内向外依次设置的第一冷却水出水通道和第一冷却水入水通道；所述第一冷却水出水通道和第一冷却水入水通道在向火端连通设置，且与所述中心氮气通道同轴设置；所述中心氮气通道的向火端套设有点火器。

优选地，所述主烧嘴冷却装置为第二冷却水夹套，包括由内向外依次设置的第二冷却水出水通道和第二冷却水入水通道，所述第二冷却水出水通道和第二冷却水入水通道在向火端连通设置，且与所述中心氮气通道同轴设置。

为实现第二个目的，本实用新型还提供一种气化装置，所述气化装置包括前述的气化烧嘴。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型的气化烧嘴和气化装置，通过主烧嘴单元中多级主烧嘴的设置，不仅提高了投料量，而且不同级的主烧嘴可投加不同的燃料而实现多种燃料的组合掺烧，燃料在烧嘴出口处的均匀性与对称性较高，氧化剂与燃料的混合效果较好，从而使得各级主烧嘴所投加的原料不需要预混，结构简单易操作，能够降低生产成本、提高碳转化率及有效气产率，从而提高生产效率；

(2)本实用新型的气化烧嘴和气化装置，燃料能够简单、高效、稳定地输送；在气化炉负荷大的情况下，能够实现稳定点火、稳定升温升压，以及稳定地逐级提升负荷；燃料与氧化剂在气化炉内能够强制混合，且能够有效控制火焰以保护气化炉的内壁；

(3)本实用新型的气化烧嘴为一体化设计，结构紧凑，日投料量高；本实用新型的气化装置，在投料量较高的情况下，保留了烧嘴顶置的优势，无需在炉壁上开设安装孔，进而使得管线较少，便于安装和控制。

附图说明

图1是本实用新型的气化烧嘴在一种实施方式中的结构示意图；

图2是图1中气化烧嘴的点火烧嘴示意图；

图3是图1中气化烧嘴的A-A横剖图；

图4是具有图1所示气化烧嘴的气化装置的结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本实用新型的技术方案及其效果做进一步说明。以下实施方式仅用于说明本实用新型的内容，并不用于限制本实用新型的保护范围。应用本实用新型的构思对本实用新型进行的简单改变都在本实用新型要求保护的范围内。

如图1所示，本实用新型的气化烧嘴，所述气化烧嘴的主体为圆筒状结构，所述气化烧嘴包括用于点火的点火烧嘴4和用于提供燃料和氧化剂的主烧嘴单元，所述主烧嘴单元嵌套设置于所述点火烧嘴4的外部；所述主烧嘴单元包括依次嵌套设置的用于分别提供燃料和氧化剂的多级主烧嘴和嵌套设置于最外级主烧嘴上的用于冷却的主烧嘴冷却装置5。

本实用新型的气化烧嘴，嵌套设置的多级主烧嘴的设置，有利于提高气化烧嘴的投料量，而且不同级的主烧嘴可投加不同的燃料，燃料在烧嘴出口处的均匀性与对称性较高，氧化剂与燃料的混合效果较好，从而使得各级主烧嘴所投加的原料不需要预混，从气化烧嘴喷出后即可混合均匀，能够满足均匀燃烧，结构简单易操作，能够降低生产成本，提高生产效率。

燃料可以为本领域适用的燃料，比如煤粉、石油焦、干粉焦等。一把燃料是用惰性气体(二氧化碳或氮气)来输送的。

在一种实施方式中，所述最外级主烧嘴的外壁与所述主烧嘴冷却装置5的内壁形成环隙结构的氧化剂通道6。氧化剂通道6内所通入的氧化剂可以为氧气，也可以为本领域适用的其他氧化剂，比如空气、蒸汽等。

氧化剂通道6的设置，可以防止因为多级燃料的输入而导致氧化剂不足，保证最外级主烧嘴中的燃料充分燃烧，保证生产效率。

在一种实施方式中，所述主烧嘴单元至少包括一级主烧嘴和嵌套设置于所述一级主烧嘴外部的二级主烧嘴；所述一级主烧嘴由内向外依次设置有一级内筒1和一级外筒11，所述一级主烧嘴通过所述一级内筒1嵌套设置于所述点火烧嘴的外部，且所述一级内筒1与所述点火烧嘴之间形成环隙结构的一级氧化剂通道3；所述一级内筒1和一级外筒11之间形成一级环隙通道2；所述一级环隙通道2的背火端沿环隙分散设置有多个与中心轴平行的一级燃料输送管，形成多个一级燃料入口通道21，所述一级环隙通道2的向火端形成环隙结构的一级燃料出口通道22，所述一级燃料入口通道21和所述一级燃料出口通道22相连通；所述一级内筒1、一级环隙通道2、一级外筒11和一级氧化剂通道3同轴设置。

优选多个所述一级燃料入口通道21沿环隙均匀分散设置；优选所述一级燃料入口通道21至少有3个，进一步优选3-8个，例如4个，以保证从各个一级燃料入口通道21输入一级燃料出口通道22中的燃料较均衡，燃料输出气化烧嘴端部时，向外扩散的方向较均匀，各方向扩散的燃料的密度较均匀，以保证燃烧的均匀性。

在一种实施方式中，所述二级主烧嘴由内向外依次设置有二级内筒1’和二级外筒11’,所述二级主烧嘴通过所述二级内筒1’嵌套设置于所述一级主烧嘴的外部，且所述二级内筒1’与所述一级外筒11之间形成环隙结构的二级氧化剂通道3’；所述二级内筒1’和二级外筒11’之间形成二级环隙通道2’；所述二级环隙通道2’的背火端沿环隙分散设置有多个与中心轴平行的二级燃料输送管，形成多个二级燃料入口通道21’，所述二级环隙通道2’的向火端形成环隙结构的二级燃料出口通道22’，所述二级燃料入口通道21’和所述二级燃料出口通道22’相连通；所述二级内筒1’、二级环隙通道2’、二级外筒11’、二级氧化剂通道3’与所述一级内筒1同轴设置。

优选多个所述二级燃料入口通道21’沿环隙均匀分散设置；优选所述二级燃料入口通道21’至少有3个，进一步优选5-12个，例如8个，以保证从各个二级燃料入口通道21’输入二级燃料出口通道22’中的燃料较均衡，燃料输出气化烧嘴端部时，向外扩散的方向较均匀，各方向扩散的燃料的密度较均匀，以保证燃烧的均匀性。

一级主烧嘴和二级主烧嘴的设置，能够在不改变气化炉结构的基础上，增大投料量，且一级主烧嘴和二级主烧嘴了分别根据需要通入相应的燃料，二者通入的燃料可相同、也可不同，提高了气化烧嘴的适用范围和生产效率。

在一种实施方式中，所述主烧嘴单元还包括三级主烧嘴，所述三级主烧嘴由内向外依次设置有三级内筒和三级外筒,所述三级主烧嘴通过所述三级内筒嵌套设置于所述二级主烧嘴的外部，且所述三级内筒与所述二级外筒11’之间形成环隙结构的三级氧化剂通道；所述三级内筒和三级外筒之间形成三级环隙通道；所述三级环隙通道的背火端沿环隙分散设置有多个与中心轴平行的三级燃料输送管，形成多个三级燃料入口通道，所述三级环隙通道的向火端形成环隙结构的三级燃料出口通道，所述三级燃料入口通道和所述三级燃料出口通道相连通；所述三级内筒、三级环隙通道、三级外筒、三级氧化剂通道与所述一级内筒1同轴设置。三级主烧嘴的设置，可以在需要进一步提高产量时，不需要改变气化炉结构，即可进一步增加投料量而实现产量的提高。

优选多个所述三级燃料入口通道沿环隙均匀分散设置；优选所述三级燃料入口通道至少有3个，进一步优选8-16个，例如12个，以保证从各个三级燃料入口通道输入三级燃料出口通道中的燃料较均衡且燃料投料量大，燃料输出气化烧嘴端部时，向外扩散的方向较均匀，各方向扩散的燃料的密度较均匀，以保证燃烧的均匀性。

本实用新型的气化烧嘴，还可以根据需要，继续设置四级主烧嘴、五级主烧嘴等。根据需要，主烧嘴单元中，主烧嘴的级数可以为2-6。各级主烧嘴的结构与一级主烧嘴的结构类似。投料量可根据各级主烧嘴投料量的叠加而提升，可适用于2000-8000吨/天的投料负荷。燃料可自由组合，实现不同燃料的非预混燃烧。

在一种实施方式中，所述一级燃料出口通道22在向火端逐渐收缩，所述一级外筒11的外壁在向火端与所述一级燃料出口通道22的中心轴线呈角度α，α＝10-40°，优选α＝10-20°，以使得一级主烧嘴中的燃料从一级燃料出口通道22出来后迅速与氧化剂接触并混合，不仅使该燃料从氧化剂中获得动能而发生湍流，而且可使燃烧产生的一级火焰在一个合适的范围内，且不会烧到气化炉的内壁。

在一种实施方式中，所述二级燃料出口通道22’在向火端逐渐收缩，所述二级外筒11’的外壁在向火端与所述二级燃料出口通道22’的中心轴线呈角度β，β＞α，β＝20-60°；优选β＝25-40°，以使得二主烧嘴中的燃料从二级燃料出口通道22’出来后迅速与氧化剂接触并混合，不仅使该燃料从氧化剂中获得动能而发生湍流，而且可使燃烧产生的二级火焰在一个合适的范围内，既不会与一级火焰重叠，又不会烧到气化炉的内壁。

在一种实施方式中，所述三级燃料出口通道在向火端逐渐收缩，所述三级外筒的外壁在向火端与所述三级燃料出口通道的中心轴线呈角度25-70°；优选30-50°，以使得三级主烧嘴中的燃料从三级燃料出口通道出来后迅速与氧化剂接触并混合，不仅使该燃料从氧化剂中获得动能而发生湍流，而且可使燃烧产生的三级火焰在一个合适的范围内，既不会与一、二级火焰重叠，又不会烧到气化炉的内壁。

本实用新型的气化烧嘴，通过各级主烧嘴的设置，使得各级燃料通道和各级氧化剂通道间隔设置，进而满足氧化剂与燃料的充分混合、提高燃料在气化炉内的有效燃烧，进而提高其转化率。

在一种实施方式中，所述点火烧嘴4由内向外依次同轴设置有中心氮气通道41、燃料通道42、氧化剂通道43和点火烧嘴冷却装置44；所述点火烧嘴冷却装置44为第一冷却水夹套，包括由内向外依次设置的第一冷却水出水通道441和第一冷却水入水通道442；所述第一冷却水出水通道441和第一冷却水入水通道442在向火端连通设置，且与所述中心氮气通道41同轴设置；所述中心氮气通道41的向火端套设有点火器7。点火烧嘴开工时所用的燃料可以为天然气或液化石油气，待主烧嘴运行且系统正常生产时可以将燃料转换为反应合成的合成气(合成气中含有CO和H₂)。优选所述氧化剂通道43在向火端还设置有旋流叶片8，用于在氧化剂通过氧化剂通道43进入气化炉之前，对氧化剂进行提速和旋流，以使其分布均匀，能够使燃料充分燃烧。

在一种实施方式中，所述主烧嘴冷却装置5为第二冷却水夹套，包括由内向外依次设置的第二冷却水出水通道51和第二冷却水入水通道52，所述第二冷却水出水通道51和第二冷却水入水通道52在向火端连通设置，且与所述中心氮气通道41同轴设置。

本实用新型还提供一种气化装置，包括上述的气化烧嘴。

在一种具体的实施方式中，如图1-3所示，气化烧嘴01的主烧嘴单元包括一级主烧嘴和二级主烧嘴，一级燃料入口通道21有4个，二级燃料入口通道21’有8个。

如图4所示的气化装置，包括如图1-3的气化烧嘴01和气化炉02，气化烧嘴01通过向火端固定于所述气化炉02的顶部。

如图1-4所示的气化烧嘴运行过程中，正常生产时，为了防止各级主烧嘴的火焰熄灭，点火烧嘴需连续运行，当气化炉达到一定的压力后，通过一级主烧嘴和二级主烧嘴投入相应的燃料，将燃料和氧化剂分别输入气化炉中进行气化反应，生产以CO和H₂为主的原料气。气化炉运行过程中的正常温度为1450-1650℃。

如图1-4所示的气化烧嘴，其使用过程如下：

点火烧嘴01中，通过燃料通道42通入燃料(天然气、液化石油气或者合成气)，通过氧化剂通道43输送氧化剂(如氧气)，由点火器7引燃对气化炉02进行升温升压。待气化炉温度及压力达到投料条件后，通过所述一级燃料入口通道21和所述一级燃料出口通道22输送一级燃料(比如煤粉)，一级氧化剂通道3通入氧气，由点火烧嘴01引燃形成一级火焰B1，在气化炉02中燃烧(投煤负荷2000t左右)。运行稳定后，通过所述二级燃料入口通道21’和所述二级燃料出口通道22’输送二级燃料(比如煤粉或干粉焦)，二级氧化剂通道3’和氧化剂通道6输送氧化剂(比如氧气)，形成二级火焰B2，在气化炉02中燃烧(投煤负荷达到4000t左右，以此类推，此种嵌套式组合烧嘴投煤负荷最高可达8000t/h)。

由一级火焰B1的直径D1、二级火焰B2的直径D2以及气化炉02的内径D3的比较可知，本实用新型的气化烧嘴，能够有效控制火焰形状，保证不发生火焰贴壁燃烧的情况，保护气化炉内水冷壁不发生烧损的情况，使其能够稳定挂渣，有效控制气化炉热损。

本实用新型的气化烧嘴，结构紧凑，安装简便，各级主烧嘴中燃料的输送和控制流程简单，可根据生产需要利用各级主烧嘴提高或降低投料量和生产负荷，保持反应场所(比如反应器、气化炉或燃烧室)中的火焰及温度场的整体性、对称性和均匀性。