一种气化装置烧嘴保护装置及其方法和应用

技术领域

本发明涉及一种气化装置烧嘴保护装置及其方法和应用。

背景技术

天然气、焦炉气、页岩气等含烃气体以甲烷为主要原料的气体，是重要的能源和化工原料，其中含烃气体转化制合成气是含烃气体利用过程中的重要路线之一。

利用含烃气体生产合成气(CO+H

烧嘴对于含烃气体和氧气的混合燃烧过程影响巨大，是含烃气体转化过程中的关键设备之一。在含烃气体非催化部分氧化过程中，烧嘴存在着端面烧蚀、寿命短等问题。这主要是由于氧气和含烃气体从烧嘴射出后直接接触，在烧嘴端面附近发生燃烧反应释放出大量的能量使得烧嘴端面受到的传热能过高，从而产生了烧嘴端面烧蚀现象，缩短了烧嘴的使用寿命。这一过程在气化装置负荷变化时尤为明显，在高负荷时烧嘴内的气体流速较高，发生燃烧反应区域远离烧嘴端面，而当负荷降低时，在维持气化装置压力不变的情况下气体流速降低，烧嘴端面附近区域温度提升，从而引起烧嘴端面烧蚀。该现状亟待解决。

CN107090314A利用粉煤气化所需要的工艺蒸汽隔断氧气与回流高温合成气，延迟着火，降低了气化烧嘴的端部燃烧强度，并采用冷却水夹套对烧嘴头部进行保护。但是该系统具有局限性，当气体负荷发生较大的波动时，无法保持出烧嘴气体流速在一定范围内，使得烧嘴仍存在很大的烧蚀风险。

目前工程上当气体的负荷发生变化时，一般通过调整气化装置的压力，使喷嘴出炉的速度保持在一定范围内，但调整气化压力后使得出气化装置界区的合成气压力发生变化，导致下游装置操作困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中气化装置负荷大范围调节时烧嘴易烧蚀、安全性差等问题，提供一种气化装置烧嘴保护装置及其方法和应用。采用本发明的方法时，气化装置发生负荷调节后，烧嘴不易发生烧蚀，操作的安全性高。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供了一种气化装置烧嘴保护计算模块，其包括输入单元、计算单元和输出单元；

所述输入单元的输入值为气化装置操作温度T

所述输出单元的输出值为氧气和天然气的摩尔比n

其中，所述计算单元的计算方法如下：

所述天然气流量为基准天然气流量与H

根据所述天然气流量和P

n

S1.假定n

氧气流量的初始假定值为基准天然气流量、H

根据氧气流量的初始假定值和P

S2.根据元素守恒和平衡方程，计算得到各入炉组分的质量或摩尔量；

所述元素守恒为入炉组分和出炉组分的各元素的原子个数守恒；

所述平衡方程为

S3.判断是否满足能量守恒，若不满足能量守恒，则重新进行步骤S1和步骤S2，直至满足能量守恒，即可得到n

所述能量守恒为入炉组分的能量之和等于出炉组分的能量之和。

本发明可用于气化装置中的原料流量调整、原料加热和烧嘴流速调整。当所述气化装置的负荷发生变化时，也即原料的流量发生波动时，根据本发明的气化装置烧嘴保护计算模块进行计算，可迅速并准确地得到加热后天然气温度和加热后氧气温度，通过该温度可调整原料加热温度，以使得烧嘴通道出口处的天然气流速和氧气流速符合要求。在该流速范围内的氧气和天然气，发生燃烧反应的区域远离所述烧嘴的端面，喷嘴火焰脱火，可避免所述烧嘴的烧蚀；此外，所述氧气与所述天然气的混合状态好，有利于气化装置内的化学反应。

本发明中，所述气化装置可为气化炉。一般情况下，可向气化炉中通入天然气和氧气，以得到合成气。

本发明中，所述气化装置操作温度T

本发明中，所述天然气负荷H

本发明中，所述气化装置操作压力P

本发明中，所述基准天然气流量可为本领域常规的基准天然气流量，即为天然气负荷为100％时气化装置的天然气流量，例如为12500Nm

本发明中，较佳地，所述烧嘴出口天然气流速和所述加热后天然气温度的计算公式如下：

P

其中，第一烧嘴截面积为烧嘴出口中用于输送天然气的截面的面积；R为8.314J·mol

计算得到的烧嘴出口天然气流速和加热后天然气温度需满足：所述烧嘴出口天然气流速限速在50～150m/s范围内；所述加热后天然气温度限温在100℃～350℃范围内。

本发明中，较佳地，所述烧嘴出口氧气流速初始假定值和所述加热后氧气温度初始假定值的计算公式如下：

P

其中，第二烧嘴截面积为烧嘴出口中用于输送氧气的截面的面积；R为8.314J·mol

计算得到的烧嘴出口氧气流速初始假定值和加热后氧气温度初始假定值需满足：所述烧嘴出口氧气流速初始假定值限速在60～150m/s范围内；所述加热后氧气温度初始假定值限温在25℃～250℃范围内。

本发明中，较佳地，所述烧嘴出口氧气流速和所述加热后氧气温度的计算公式如下：

P

其中，第二烧嘴截面积为烧嘴出口中用于输送氧气的截面的面积；R为8.314J·mol

计算得到的烧嘴出口氧气流速和加热后氧气温度需满足：所述烧嘴出口氧气流速限速在60～150m/s范围内；所述加热后氧气温度限温在25℃～250℃范围内。

本发明中，入炉是指进入所述气化装置，出炉是指从所述气化装置排出。

本发明中，所述元素守恒中，入炉组分包括天然气和氧气，出炉组分包括氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽。

其中，入炉天然气和入炉氧气的纯度通常不为100％。例如，入炉天然气中含有1％的氮气杂质；再例如，入炉氧气中含有0.4％的氮气杂质。另外，入炉天然气通常无法完全反应，例如，入炉天然气中有1％的甲烷未被反应，从所述气化装置的出口排出。由此，入炉组分包括甲烷、氧气和氮气，出炉组分包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、氮气和甲烷。

由此，所述元素守恒是指：入炉的甲烷、氧气和氮气的各元素的原子个数，与出炉的氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、氮气和甲烷的各元素的原子个数相等。

较佳地，为了优化气化装置烧嘴保护计算模块，所述n

S1.1.假定n

其中，a

氧气流量的初始假定值为基准天然气流量、H

根据氧气流量的初始假定值和P

S1.2.根据元素守恒计算得到各组分的质量，判断是否满足平衡方程，若不满足所述平衡方程，则重新设定a

其中，得到各组分的质量计算公式如下：

m

m

m

m

m

m

上述各组分的质量单位为kg/h；

S1.3.判断是否满足能量守恒，若不满足所述能量守恒，则重新进行步骤S1.1和步骤S1.2，直至满足所述能量守恒。

其中，较佳地，所述能量守恒为：Q

其中，所述Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

其中，A1为14.187，B1为0.0752，C1为-0.00002，D1为4×10

A2为27.3506，B2为0.004284，C2为0.000001797，D2为-8.82×10

A3为31，B3为0，C3为0，D3为0；

A4为29.5341，B4为-0.00293，C4为0.000004695，D4为-1.019×10

A5为26.7338，B5为0.006822，C5为-3.921×10

A6为24.1347，B6为0.05308，C6为-0.00002801，D6为5.241×10

A7为31.0116，B7为0.006165，C7为0.000006091，D7为-2.052×10

q

q

q

本发明提供了一种气化装置烧嘴保护装置，其包括气化装置监测模块、天然气负荷监测模块、如前所述的气化装置烧嘴保护计算模块和气化装置控制模块；

其中，所述气化装置监测模块包括操作温度监测装置和操作压力监测装置；

所述气化装置控制模块包括原料加热模块和原料流量调整模块；

所述气化装置监测模块用于将监测得到的气化装置操作温度T

所述天然气负荷监测模块用于将监测得到的天然气负荷H

所述气化装置烧嘴保护计算模块用于得到所述加热后天然气温度、所述加热后氧气温度、所述天然气流量和所述氧气流量，并将所述加热后天然气温度和所述加热后氧气温度反馈给所述原料加热模块，将所述天然气流量和所述氧气流量反馈给所述原料流量调整模块；

所述原料加热模块包括加热装置，其用于对原料进行加热，使原料的温度与所述气化装置烧嘴保护计算模块得到的温度值相近或相同；

所述原料流量调整模块包括流量控制装置，其用于调整原料的流量，使原料的流量与所述气化装置烧嘴保护计算模块得到的流量值相近或相同。

本发明还提供了一种气化装置烧嘴保护方法，其采用如前所述的气化装置烧嘴保护装置进行，其包括如下步骤：

将监测得到的气化装置操作温度T

将所述气化装置烧嘴保护计算模块计算得到的所述加热后天然气温度、所述加热后氧气温度、所述天然气流量和所述氧气流量反馈给所述气化装置控制模块，所述气化装置控制模块控制所述原料的温度和所述原料的流量，使之分别与所述气化装置烧嘴保护计算模块得到的温度值和流量值相近或相同。

本发明还提供了一种如前所述的气化装置烧嘴保护计算模块或如前所述的气化装置烧嘴保护装置在气化装置中的应用。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

当气化装置的负荷变化时，原料的体积流量将发生变动，本发明的气化装置烧嘴保护方法通过调节原料温度的方式维持烧嘴通道内气体流速在一定范围内，以此保证烧嘴的安全、高效运行。

附图说明

图1为一种气化装置烧嘴保护装置示意图。

图2为气化装置烧嘴保护计算模块计算过程流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

实施例1提供了一种气化装置烧嘴保护装置，如图1所示，其包括气化装置监测模块、天然气负荷监测模块、气化装置烧嘴保护计算模块和气化装置控制模块；

其中，气化装置监测模块包括操作温度监测装置和操作压力监测装置；

气化装置控制模块包括原料加热模块和原料流量调整模块；

气化装置监测模块用于将监测得到的气化装置操作温度T

天然气负荷监测模块用于将监测得到的天然气负荷H

气化装置烧嘴保护计算模块用于得到加热后天然气温度、加热后氧气温度、天然气流量和氧气流量，并将加热后天然气温度和加热后氧气温度反馈给原料加热模块，将天然气流量和氧气流量反馈给原料流量调整模块；

原料加热模块包括加热装置，其用于对原料进行加热，使原料的温度与气化装置烧嘴保护计算模块得到的温度值相近或相同；

原料流量调整模块包括流量控制装置，其用于调整原料的流量，使原料的流量与气化装置烧嘴保护计算模块得到的流量值相近或相同。

气化装置烧嘴保护计算模块计算流程示意图如图2所示。

本实施例中，气化装置负荷的调节范围为30～120％，在装置运行压力不变的情况下，表1给出了不同负荷下的加热后的氧气和天然气的温度以及烧嘴出口氧气和天然气的速度。

气化装置采用天然气为原料，天然气组成为CH

该气化装置烧嘴保护计算模块包括输入单元、计算单元和输出单元；输入单元的输入值为气化装置操作温度T

天然气流量为基准天然气流量与H

根据天然气流量和P

n

S1.假定n

其中，n

氧气流量的初始假定值为基准天然气流量、H

根据氧气流量的初始假定值和P

S2.根据元素守恒计算得到各组分的质量，判断是否满足平衡方程，若不满足所述平衡方程，则重新设定a

其中，得到各组分的质量计算公式如下：

m

m

m

m

m

m

上述各组分的质量单位为kg/h；

S3.判断是否满足能量守恒，若不满足所述能量守恒，则重新进行步骤S1和步骤S2，直至满足所述能量守恒，即可得到n

能量守恒为：Q

其中，所述Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

其中，A1为14.187，B1为0.0752，C1为-0.00002，D1为4×10

A2为27.3506，B2为0.004284，C2为0.000001797，D2为-8.82×10

A3为31，B3为0，C3为0，D3为0；

A4为29.5341，B4为-0.00293，C4为0.000004695，D4为-1.019×10

A5为26.7338，B5为0.006822，C5为-3.921×10

A6为24.1347，B6为0.05308，C6为-0.00002801，D6为5.241×10

A7为31.0116，B7为0.006165，C7为0.000006091，D7为-2.052×10

q

q

q

烧嘴出口天然气流速和加热后天然气温度的计算公式如下：P

烧嘴出口氧气流速初始假定值和加热后氧气温度初始假定值的计算公式如下：P

烧嘴出口氧气流速和加热后氧气温度的计算公式如下：P

表1不同负荷下的氧气和天然气的流量、温度及其烧嘴出口的速度

由表1的数据可以看出，当气化装置的负荷在30～120％中变化时，通过本发明的烧嘴保护装置，可以使氧气的流速维持在60～150m/s，天然气的流速维持在50～150m/s，当气体的流速在上述范围内时，氧气和天然气的反应区域远离烧嘴，可有效避免烧嘴端面的烧蚀。