气化喷嘴

本申请为分案申请，母案的申请号为：202010616282.3，申请日：2020年06月30日，名称：气化喷嘴。

技术领域

本公开涉及气化技术领域，尤其涉及一种气化喷嘴。

背景技术

煤气化技术是高效洁净利用煤炭的重要技术之一。气流床气化技术是煤气化技术之一，具有碳转化率、冷煤气效率高的特点，但该技术对原煤的可磨性或成浆特性有严格要求，难以适用于水分高、可磨性差的低阶煤等燃料，同时燃料加工粒径小、制备成本高。流化熔融气化工艺通过将煤的流态化调控和气流床气化相结合，利用流态化技术特点，有效降低系统对原料煤种类和粒径的要求，可实现液态排渣高效气化。

流化熔融气化工艺中，燃料经过流态化调控变成热燃料(包括热半焦和热煤气)，热燃料需要通过喷嘴，和气化剂一起进入气化单元，利用热燃料的高温特点，使热燃料与气化剂接触的瞬间即可发生强烈的氧化反应并形成高温区，从而强化气化反应的进行。现有气流床气化喷嘴多为多通道喷嘴，输送的物料为冷燃料和气化剂。

不同于常规气流床气化，流化熔融气化工艺中，气化单元喷嘴所输送的物料为热燃料(例如温度在800-1000℃之间的高温燃料)和常温气化剂。由于流化熔融气化工艺中热燃料、气化剂的组织方式和气流床气化方式不同，若采用内冷式喷嘴，热燃料在喷嘴沿程被冷却，热燃料温度降低，严重影响气化工艺性能；若采用外冷式喷嘴，气化剂通道与热燃料通道仅隔金属壁面，气化剂被加热，严重影响系统运行安全性。即便在管道内增加隔热涂层，成本高的同时，效果不佳。

另一方面，由于热燃料中包含热半焦和热煤气两部分，而且热煤气与氧化剂的均相反应远快于热半焦与氧化剂的非均相反应，因此使用现有喷嘴时会造成热煤气与氧化剂的混合，导致热煤气被氧化并生成CO

因此，现有技术中的气化喷嘴无法应用于流化熔融气化工艺中热燃料和气化剂的输送以及组织其反应。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种气化喷嘴，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种气化喷嘴，包括：

热燃料输送单元，用于热燃料自热燃料入口通过热燃料通道向下流动，输送至气化炉内；所述热燃料通道为筒状结构；

气化剂输送单元，用于气化剂顺次通过至少两个气化剂入口通道、气化剂集箱和气化剂出口通道输送至气化炉内；所述气化剂集箱套设在所述热燃料通道外，所述气化剂入口通道的轴线与所述热燃料通道的轴线相平行；

耐火保温层，为筒状结构，所述耐火保温层与所述热燃料输送单元同轴设置，且所述热燃料通道、气化剂入口通道、气化剂集箱和气化剂出口通道嵌设在所述耐火保温层内。

在本公开的一些实施例中，所述热燃料入口的轴线不通过所述热燃料通道的轴线；或者所述热燃料入口的轴线不通过所述热燃料通道横截面的圆心。

在本公开的一些实施例中，所述热燃料输送单元还包括：

所述热燃料通道和所述热燃料入口同轴设置；所述热燃料输送单元还包括：挡块，内置在所述热燃料通道的出口处，且所述挡块通过连接梁与所述热燃料通道内壁相连。

在本公开的一些实施例中，所述热燃料输送单元还包括：挡块，内置在所述热燃料通道出口处，所述挡块中心设置有通孔；所述热燃料通道的出口为扩径结构；所述挡块的侧壁面为锥形面与所述热燃料通道的出口间呈锥状环缝；所述挡块侧壁面与所述热燃料通道的出口横截面的夹角为β，其中，20°≤β≤80°。

在本公开的一些实施例中，所述气化剂集箱为环形通道，且与所述气化剂入口通道相连通；所述气化剂出口通道与所述气化剂集箱相连；所述气化剂输送单元还包括：

冷却通道，设置在所述气化剂入口通道和所述气化剂集箱外；所述冷却通道成对设置，两个所述冷却通道分别作为冷却介质入口管和冷却介质出口管。

在本公开的一些实施例中，气化剂出口与热燃料通道出口端面呈α角，其中，20°≤α≤80°。

在本公开的一些实施例中，所述气化剂出口通道的个数为大于等于2的整数；所述气化剂出口通道沿热燃料通道的周向均匀分布；气化剂出口通道的个数大于等于气化剂入口通道个数。

在本公开的一些实施例中，热燃料通道入口的截面为矩形、圆形和椭圆形中任一个；所述热燃料通道为旋转体空间。

在本公开的一些实施例中，所述热燃料包括热半焦颗粒和高温可燃气体；所述高温可燃气体选自CH

在本公开的一些实施例中，气化剂入口通道外的冷却通道与热燃料通道之间的耐火保温层的最小厚度H大于等于气化剂集箱外的冷却通道与热燃料通道之间的耐火保温层的最小厚度h。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开气化喷嘴至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开中热燃料入口与热燃料通道切向布置方式或者热燃料出口处设置挡块，将热半焦颗粒在通道出口壁面处浓缩，提高热燃料与气化剂初始接触阶段半焦颗粒的浓度及流量，强化热半焦气化反应，同时降低热燃料与气化剂初始接触阶段热煤气的浓度及流量，减少热煤气被气化剂氧化消耗，避免现有气化喷嘴仅强化燃料与气化剂的混合，导致热煤气被消耗与热煤气对半焦颗粒造成稀释。

(2)本公开中气化剂出口与热燃料通道出口的设置，可在确保热燃料和气化剂合理组织进入气化炉的同时，使热燃料的温度损失最小化。

(3)本公开中冷却通道的设置，保证气化剂入口通道及气化剂集箱壁面温度处于安全温度范围内。

(4)本公开耐火保温层的设置，减少热燃料的散热，同时减少热燃料与气化剂之间的传热量。

(5)气化剂出口通道的角度、气化剂出口速度与热燃料出口速度相互配合，可有效控制气化炉内热燃料与气化剂的掺混和高温区位置，在保护气化炉内壁耐火保温材料的同时，保证炉内的气化强度。

附图说明

图1为本公开第一实施例气化喷嘴的主视图。

图2为图1中A-A向剖视图。

图3为图1中B-B向剖视图。

图4为本公开第一实施例气化喷嘴的俯视图。

图5为本公开第二实施例气化喷嘴的主视图。

图6为图5中A-A向剖视图。

图7为本公开第三实施例气化喷嘴的主视图。

图8为图7中A-A向剖视图。

图9为本公开第三实施例气化喷嘴的俯视图。

图10为本公开第四实施例气化喷嘴的主视图。

图11为图10中A-A向剖视图.

图12为图10中B-B向剖视图。

图13为本公开第四实施例气化喷嘴的俯视图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-热燃料输送单元；

11-热燃料通道； 12-热燃料入口；

13-挡块； 14-连接梁；

20-气化剂输送单元；

21-气化剂入口通道； 22-气化剂集箱；

23-气化剂出口通道； 24-冷却通道；

30-耐火保温层；

α-夹角。

具体实施方式

本公开提供了一种气化喷嘴，包括热燃料输送单元、气化剂输送单元和耐火保温层；热燃料输送单元用于热燃料自热燃料入口通过热燃料通道呈螺旋状向下流动，输送至气化炉内；气化剂输送单元用于气化剂顺次通过气化剂入口通道、气化剂集箱和气化剂出口通道输送至气化炉内；气化剂集箱套设在热燃料通道外，气化剂入口通道的轴线与热燃料通道的轴线相平行；耐火保温层为筒状结构，耐火保温层与热燃料输送单元同轴设置，且热燃料通道、气化剂入口通道、气化剂集箱和气化剂出口通道嵌设在耐火保温层内。本公开可用于输送和反应800-1100℃的热燃料和气化剂，实现热燃料中热半焦颗粒的浓缩以及热半焦与气化剂反应的强化，减少气化剂对热煤气的氧化。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种气化喷嘴。图1为本公开第一实施例气化喷嘴的主视图。图2为图1中A-A向剖视图。图3为图1中B-B向剖视图。图4为本公开第一实施例气化喷嘴的俯视图。如图1至图4所示，本公开提供了一种气化喷嘴，包括热燃料输送单元10、气化剂输送单元20和耐火保温层30。热燃料输送单元10，包括热燃料入口12和热燃料通道11。气化剂输送单元20，包括气化剂入口通道21、气化剂集箱22、气化剂出口通道23和冷却通道24。

热燃料通道11为圆筒状，用于将热燃料输送至气化炉内。热燃料包括热半焦颗粒和高温可燃气体。关于高温可燃气体为碳基燃料热解及气化产生燃气，包括H

热燃料入口12的轴向与热燃料通道11相切布置，用于将热燃料输送至热燃料通道11中。关于相切布置具体应为所述热燃料入口12的轴线不通过所述热燃料通道11的轴线；或者所述热燃料入口12的轴线不通过所述热燃料通道11横截面的圆心。热燃料由切向入口进入热燃料通道11后，热半焦颗粒会由于惯性作用在热燃料通道11的壁面附近浓缩，并呈旋风状向下流动，在热燃料通道11的出口处形成中心处热半焦颗粒浓度低壁面附近颗粒浓度高的分布，即半焦颗粒向靠近热燃料通道壁面处富集，在热燃料通道11的出口壁面附近实现热半焦颗粒的浓缩。

气化剂入口通道21的轴向与热燃料通道11的轴向平行，且与气化剂集箱22相连通。在可选的实施例中，至少两个气化剂入口通道21均布于热燃料通道11周围。

气化剂集箱22为环形通道，与气化剂入口通道21相连通。

气化剂出口通道23与气化剂集箱22相连通，用于将气化剂输送至气化炉内。气化剂入口通道23至少为2个，在可选的实施例中，气化剂出口通道23的数量为大于等于2个，沿圆周方向均匀布置，其中n为大于1的整数。更优选的是，n为大于2的整数。

冷却通道24设置在气化剂入口通道21及气化剂集箱22外侧。气化剂入口通道21的数量为2m个，其中m为大于等于1的整数。气化剂入口通道21为两个时，气化剂入口通道21外的两部分冷却通道一个作为冷却介质入口管，另一个作为冷却介质出口管。当气化剂入口通道21为2m个时，其中的m个作为冷却介质入口管，另外的m个作为冷却介质出口管。

气化剂出口通道23中心线与热燃料通道11的出口横截面的夹角α为20°～80°，α为20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°中任一个时均可适用于本实施例，这里不再一一例举。该夹角α根据对气化炉内高温区位置的需求确定，通过设置不同的夹角大小，保证气化剂与热燃料的快速、充分混合。气化剂出口通道23与热燃料通道11的出口壁面接近，气化剂与浓相的热半焦颗粒直接接触，强化了热半焦颗粒气化反应的进行。

耐火保温层30外壁面为与热燃料通道11同轴的筒体，热燃料通道、气化剂入口通道21、气化剂集箱22、气化剂出口通道23、冷却通道24均镶嵌于耐火保温层30内，使热燃料输送单元10、气化剂输送单元20共同形成一个整体。

在本实施例中，热燃料入口12和热燃料通道11由高温合金材料(如310s、Inconel600、Inconel625、Inconel825等)或者耐火保温材料(如刚玉、莫来石、铬砖等)形成，热燃料入口12和热燃料通道11外部与热燃料相接触的壁面敷设耐磨材料(如耐磨浇注料、可塑料、捣打料、耐磨砖、刚玉、陶瓷等)。气化剂入口通道21、气化剂集箱22和冷却通道24壁面为高温合金材质；气化剂出口通道23为高温合金材质，外壁敷设保温材料(如铝酸盐、高铝细料、陶粒、刚玉、莫来石、硅酸盐、硅酸钙等)。

其中，气化剂入口通道21外的冷却通道24与热燃料通道11之间的耐火保温层30的最小厚度H大于等于气化剂集箱22外的冷却通道24与热燃料通道11之间的耐火保温层的最小厚度h，在尽量减少冷却通道内的冷却介质对热燃料温度的影响的同时，减少热燃料对气化剂出口通道内气化剂温度的影响。

其中，气化剂入口通道21和冷却通道24可以有多种组合形式，如，多个气化剂入口通道21和多个冷却通道24组成一个气化剂-冷却通道群，每个气化剂入口通道21与一个冷却通道24同轴布置。其中，气化剂出口通道23的个数大于等于气化剂入口通道21个数。

冷却通道24可以为冷却夹套或冷却盘管。冷却通道24为冷却盘管时，金属盘管螺旋式盘绕在所需冷却的气化剂入口通道21和气化剂集箱22外壁。

本实施例通过热燃料通道11将热燃料送入气化炉，通过气化剂入口通道21、气化剂集箱22和气化剂出口通道23将气化剂送入气化炉；利用热燃料入口12与热燃料通道11切向布置方式，将热半焦颗粒在通道出口壁面附近浓缩，强化热半焦气化反应，并减少热煤气被气化剂氧化消耗；利用冷却通道保证气化剂入口通道及气化剂集箱壁面温度处于安全温度范围内；利用耐火保温层30减少热燃料的散热，同时减少热燃料与气化剂之间的传热量。

耐火保温层30将热燃料通道11与冷却通道24隔离，有效减少了冷却通道24中的冷却介质对热燃料温度的影响，保证了热燃料进入气化炉的温度；同时，气化剂入口通道21和气化剂集箱22与热燃料通道11之间相隔耐火保温层30和冷却通道24，有效减少了热燃料对气化剂温度的影响，保证气化剂温度在安全范围内。气化剂出口通道23的角度、气化剂出口速度与热燃料出口速度相互配合，可有效控制气化炉内热燃料与气化剂的掺混和高温区位置，在保护气化炉内壁耐火保温材料的同时，保证炉内的气化强度。由于热燃料通道11与气化剂输送单元20之间需要利用耐火保温层30进行隔离，使得气化剂出口与热燃料出口之间存在一定的径向距离，从而推迟了热燃料与气化剂的掺混，但由于热燃料的温度高于着火点，热燃料与气化剂掺混的推迟不影响气化过程的组织和整体的气化性能。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种气化喷嘴。图5为本公开第二实施例气化喷嘴的主视图。图6为图5中A-A向剖视图。如图5、图6所示，与第一实施例的气化喷嘴相比，本实施例气化喷嘴的主要区别在于：

热燃料入口12为蜗壳式结构，热燃料通道12大致相切布置。如图5至图6所示，气化喷嘴包括热燃料输送单元10、气化剂输送单元20和耐火保温层30。热燃料输送单元10，包括热燃料入口12和热燃料通道11。气化剂输送单元20，包括气化剂入口通道21、气化剂集箱22、气化剂出口通道23和冷却通道24。

其中，热燃料由蜗壳式热燃料入口12切向进入热燃料通道11，热半焦颗粒会由于惯性作用在热燃料通道11的壁面附近浓缩，并呈旋风状向下流动，在热燃料通道11的出口处形成中心处热半焦颗粒浓度稀壁面附近颗粒浓度浓的分布，从而在热燃料通道11的出口壁面附近实现热半焦颗粒的浓缩，实现气化剂与浓相的热半焦颗粒直接接触，强化了热半焦颗粒气化反应的进行。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种气化喷嘴。图7为本公开第三实施例气化喷嘴的主视图。图8为图7中A-A向剖视图。图9为本公开第三实施例气化喷嘴的俯视图。如图7至图9所示，与第一实施例的气化喷嘴相比，本实施例气化喷嘴的主要区别在于：

热燃料入口12即热燃料通道入口端面，并在热燃料通道11出口增加挡块13，挡块13通过耐火材料连接梁与热燃料通道内壁相连。关于挡块13的形状可以为锥形或梭形等。

如图7至图9所示，气化喷嘴包括：热燃料输送单元10、气化剂输送单元20和耐火保温层30。热燃料输送单元10，包括热燃料入口12、热燃料通道11、挡块13和连接梁14。气化剂输送单元20，包括气化剂入口通道21、气化剂集箱22、气化剂出口通道23和冷却通道24。

其中，热燃料由热燃料入口12端面进入热燃料通道11后，在热燃料通道11的出口处挡块13的作用下，热半焦颗粒会由于惯性作用在通道壁面附近浓缩，并继续沿热燃料通道11轴向方向运动，保持至热燃料通道11出口。在此作用下，在热燃料通道11的出口处形成内侧热半焦颗粒浓度稀壁面附近颗粒浓度浓的分布，从而在热燃料通道出口壁面附近实现热半焦颗粒的浓缩，实现气化剂与浓相的热半焦颗粒直接接触，强化了热半焦颗粒气化反应的进行。

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种气化喷嘴。图10为本公开第四实施例气化喷嘴的主视图。图11为图10中A-A向剖视图。图12为图10中B-B向剖视图。图13为本公开第四实施例气化喷嘴的俯视图。如图10至图13所示，与第一实施例的气化喷嘴相比，本实施例气化喷嘴的主要区别在于：

热燃料通道11出口为扩径结构，并且在热燃料通道11出口增加挡块13，挡块13中间设置有通孔，挡块13通过耐火材料连接梁与热燃料通道内壁相连。关于挡块13的形状可以为锥形或梭形等。

如图10至图13所示，气化喷嘴包括：热燃料输送单元10、气化剂输送单元20和耐火保温层30。热燃料输送单元10，包括热燃料入口12、热燃料通道11、挡块13和连接梁14。气化剂输送单元20，包括气化剂入口通道21、气化剂集箱22、气化剂出口通道23和冷却通道24。其中，气化剂入口通道21与热燃料通道11之间相切布置，使得燃料在流入热燃料通道11后在其内部形成旋转流动。关于相切布置具体应为所述热燃料入口12的轴线不通过所述热燃料通道11的轴线；或者所述热燃料入口12的轴线不通过所述热燃料通道11横截面的圆心。热燃料通道靠近出口处的壁面设置为锥形扩口状结构，挡块13的侧壁面同样为锥形面，与锥形扩口壁面之间形成一个锥状环缝。连接梁14的侧面为曲面，其弯曲方向与热燃料流的旋转方向相一致，优选的，该曲面为渐开线结构。在挡块13的中间设置有通孔。

其中，连接梁14至少为2个，沿圆周均匀布置。

其中，挡块13侧壁锥形面母线与热燃料通道11的出口横截面的夹角β为20°～80°，β为20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°中任一个时均可适用于本实施例。

在本实施例中，d角的设置为20°～(170°-β)。

本实施例中，热燃料旋转进入后，半焦颗粒在靠近壁面处富集，并沿着壁面向下流动。在挡块13与锥形扩口壁面之间的锥状环缝处，大部分半焦在惯性作用下进入环缝，而大部分还原性气体则从挡块13的中间通孔继续向下。通过设置热燃料切向进入和中间设有通孔的锥形挡块，使得热燃料中的半焦和还原性气体分别从环缝底端和中间通孔流出喷口，半焦和还原性气体的距离更远，半焦和气化剂的接触更紧密，因此可以强化气化剂和半焦的反应，减弱气化剂对还原性气体的消耗。从而可以提高气化效率。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开气化喷嘴有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种可用于输送和反应800-1100°C的热燃料和气化剂的气化喷嘴，实现热燃料中热半焦颗粒的浓缩以及热半焦与气化剂反应的强化，并减少气化剂对热煤气的氧化，可应用于流化熔融气化工艺中热燃料和气化剂的输送以及组织其反应，在气化技术领域具有广泛的应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。