復(fù)合式粉體燃料旋風(fēng)燃燒器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種粉體燃料旋風(fēng)燃燒器，屬于燃料清潔利用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋風(fēng)燃燒技術(shù)在燃料燃燒技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用多年，主要在煤燃燒鍋爐等工業(yè)領(lǐng) 域，而在化工技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用十分罕見。
[0003] 隨著現(xiàn)代化工技術(shù)的不斷發(fā)展，固體/液體燃料氣化技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)開始逐漸成 為化工行業(yè)原料預(yù)處理的主要手段。其中最具代表性的為氣流床氣化技術(shù)，已經(jīng)工業(yè)化的 氣流床氣化技術(shù)主要由濕法氣化和干法氣化兩種，其中干法氣化的主要代表為干煤粉氣化 技術(shù)，如Shell氣化技術(shù)、西門子氣化技術(shù)和中國航天氣化技術(shù)等，由于其整體氣化效率的 高效性和穩(wěn)定性，已經(jīng)在煤化工技術(shù)領(lǐng)域占領(lǐng)主要技術(shù)市場(chǎng)地位。
[0004] 先進(jìn)的干粉氣化技術(shù)除了氣化爐本體設(shè)計(jì)之外，最關(guān)鍵的核心設(shè)備為燃燒器，或 稱燒嘴。目前，漿體燃料的燃燒器使用壽命通常為3個(gè)月，而粉體燃料燃燒器的使用壽命可 達(dá)到8000h，由于干粉氣化技術(shù)通常采用了水冷壁氣化爐內(nèi)件設(shè)計(jì)，其氣化爐本體的使用壽 命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過8000h，最長甚至可以達(dá)到10年，因此粉體燃料燃燒器的使用壽命與其氣化爐 本體的使用壽命存在較大的時(shí)間差，在燃燒器的使用壽命上有待進(jìn)一步改進(jìn)。
[0005] 氣流床氣化，尤其是干粉氣化技術(shù)，氣化爐內(nèi)氣化溫度達(dá)到1400°C以上，在燃燒區(qū) 甚至超過2000°C，由于氣化反應(yīng)屬于缺氧狀態(tài)下的瞬間高溫高壓燃燒，反應(yīng)速度極快，過程 瞬間發(fā)生，通常在6s內(nèi)完成主要燃燒反應(yīng)，因此，燃燒器的性能直接決定爐內(nèi)溫度分布的 合理性與氣化系統(tǒng)整體效率。美國等歐美國家在氣化技術(shù)的燃燒器設(shè)計(jì)方面做了大量研發(fā) 工作，且已經(jīng)在世界范圍內(nèi)進(jìn)行工業(yè)化使用，如美國專利US4510874、US4858538等。但以往 技術(shù)通常采用單一的直流式燒嘴設(shè)計(jì)，尤其是針對(duì)粉體燃料燃燒器，通常采用最簡單的雙 通道直流式燃燒方式，對(duì)粉體燃料與氣化劑的混合效果考慮較少，特別是沒有將混合過程 與燃燒過程相結(jié)合，即兩者的協(xié)同效應(yīng)，導(dǎo)致在工業(yè)化應(yīng)用中常見如下問題：氣化不完全， 導(dǎo)致氣化系統(tǒng)碳轉(zhuǎn)化率低，合成氣有效氣產(chǎn)量不達(dá)標(biāo)；燒嘴前端冷卻效果差，冷卻不均，前 端面高溫侵蝕嚴(yán)重，在熱腐蝕和熱應(yīng)力的雙重作用下設(shè)備使用壽命短；氣化火焰長度不可 控,導(dǎo)致氣化爐內(nèi)爐壁掛渣不均,氣化爐水冷壁局部燒蝕,渣釘熱腐蝕嚴(yán)重；以上問題均可 導(dǎo)致氣化系統(tǒng)停車，給安穩(wěn)長滿優(yōu)生產(chǎn)造成巨大影響，尤其是現(xiàn)有燃燒器功能單一，開停系 統(tǒng)過程復(fù)雜。
[0006] 因此，有必要開發(fā)一種操作方便，氣化效率高，維護(hù)簡單，成本低廉的適合于粉體 燃料氣化的高效燃燒器，同時(shí)兼顧可在不更換燃燒器情況下直接冷啟動(dòng)的復(fù)合式粉體燃料 燒嘴，以彌補(bǔ)現(xiàn)有粉體燃燒器的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種復(fù)合式粉體燃料旋流燃燒器，采用三通道 加旋流模塊設(shè)計(jì)，旋流模塊設(shè)置在中環(huán)通道，通過中環(huán)通道的氣化劑旋流外包中心通道粉 體燃料進(jìn)行旋流彌散，實(shí)現(xiàn)"風(fēng)包粉"式旋轉(zhuǎn)射流，通過外環(huán)通道的直流式剪切作用控制旋 流彌散張角，通過調(diào)節(jié)中環(huán)通道和外環(huán)通道的氣體體積比和射流速度可達(dá)到最佳射流彌散 效果和射流擴(kuò)張角，從而實(shí)現(xiàn)最佳氣化工況。此外，當(dāng)燃燒器作為燃燒和烘爐使用時(shí)，可將 中環(huán)通道通和外環(huán)通道承擔(dān)燃燒介質(zhì)通入組織燃燒任務(wù)。同時(shí)，為了對(duì)燃燒器進(jìn)行冷卻降 溫處理，燃燒器外圍采用高效繞流式水冷夾套對(duì)燃燒器整體進(jìn)行冷卻降溫。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了 一種復(fù)合式粉體燃料旋流燃 燒器，主要包括粉體燃料通道、氣化劑通道、冷卻夾套三個(gè)部分組成。
[0009] 所述的粉體燃料通道主要為一個(gè)直通式的金屬圓管，在金屬圓管的前端采用外圍 錐形設(shè)計(jì)，以達(dá)到與中環(huán)通道的錐形通道結(jié)構(gòu)匹配，錐形斜面與水平面形成一夾角〃 角度范圍30° ~75°，優(yōu)選為45° ~65°。
[0010] 所述的中心粉體燃料通道主要用于輸送粉體燃料，其中，輸送介質(zhì)可為氮?dú)狻⒍?化碳、氬氣等氣體的一種或其多種氣體混合物。
[0011] 所述的氣化劑通道分為各個(gè)通道，包括中環(huán)通道和外環(huán)通道，所述的中環(huán)通道與 中心通道同軸相鄰設(shè)置，并在中環(huán)通道內(nèi)設(shè)有一旋流模塊，中環(huán)通道前端采用錐形設(shè)計(jì)，與 中心通道形成一內(nèi)縮式夾角L7角度范圍15° ~60°，優(yōu)選為30° ~45°。
[0012] 所述的燃燒器前端面冷卻夾套采用迷宮式繞流設(shè)計(jì)，可采用雙通孔繞環(huán)式冷卻通 道設(shè)計(jì)，也可采用迷宮式四通孔半環(huán)式冷卻通道設(shè)計(jì)示，冷卻劑流動(dòng)方向可由內(nèi)到外也可 由外到內(nèi)。
[0013] 所述的外環(huán)通道的前端采用錐形設(shè)計(jì)，與中環(huán)通道間形成一錐形環(huán)隙通道， 外環(huán)通道前端側(cè)環(huán)面與水平面形成一內(nèi)縮式夾角，，，角度范圍15° ~60°，優(yōu)選為 30。~45。。
[0014] 所述的中環(huán)通道主要輸送氣化劑為含氧氣體、水蒸汽、二氧化碳等氣體的一種或 其多種氣體的混合物。
[0015] 所述的中環(huán)通道內(nèi)置式旋流模塊為一環(huán)形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并與燃燒器的中心通道、環(huán) 形通道等同軸設(shè)置，所述旋流模塊的軸向旋流角度^為1° ~60°，a優(yōu)選為10° ~45°。
[0016] 所述的旋流模塊旋流通道可以旋流器圓筒中心以同心圓沿圓周布置(見圖3)，或 采用與中空環(huán)隙圓弧形成一定切角設(shè)置(見圖4)，可采用順時(shí)針或逆時(shí)針式旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，旋流 通道數(shù)量為2~40,優(yōu)選為6~16。
[0017] 所述的燃燒器的各通道采用內(nèi)縮式設(shè)計(jì)，其中所述的中心粉體燃料通道前端面與 中環(huán)通道前端面之間形成一間距4, 4范圍為l~30mm，優(yōu)選范圍所述的中環(huán)通道 前端面與外環(huán)通道前端面之間形成一間距4, 4范圍為l~30mm，優(yōu)選范圍3~15mm;所述的 外環(huán)通道前端面與燃燒器冷卻通道前端面之間形成一間距么，么范圍為l~30mm，優(yōu)選范圍 3~15mm〇
[0018] 所述的燃燒器中心通道前端面氣固兩相流射流的表觀流速為l~50m/s，優(yōu)選為 5-20m/s〇
[0019] 所述的燃燒器中環(huán)通道前端面氣相流射流的表觀流速為20~120m/s，優(yōu)選為 60-100m/s〇
[0020] 所述的燃燒器外環(huán)通道前端面氣相流射流的表觀流速為40~140m/s，優(yōu)選為 80-120m/s〇
[0021] 所述的燃燒器中環(huán)通道噴入的氣化劑占總氣化劑量5%~50%，優(yōu)選為10%~30%。
[0022] 所述的燃燒器外環(huán)通道噴入的氣化劑占總氣化劑量50%~95%，優(yōu)選為70%~90%。
[0023]所述的外環(huán)通道主要輸送氣化劑和保護(hù)氣體為含氧氣體、水蒸汽、二氧化碳等氣 體的一種或其多種與氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w的一種或幾種的混合物。
[0024]所述的燃燒器外圍冷卻夾套采用雙通道旋轉(zhuǎn)回流式設(shè)計(jì)，在夾套外側(cè)前端設(shè)置多 層高低檔筋狀分隔板，在分隔板上設(shè)有進(jìn)出孔，使冷卻劑在夾套外側(cè)通道內(nèi)形成迷宮式繞 流，其中所述的高低檔筋狀分隔板可設(shè)為1~1〇層，優(yōu)選為3~5層。
[0025]所述的燃燒器外圍冷卻夾套內(nèi)采用的冷卻劑為液態(tài)流動(dòng)介質(zhì)，可從夾套外側(cè)或內(nèi) 側(cè)進(jìn)入冷卻夾套，進(jìn)口溫度為20~300°C，當(dāng)采用常壓冷卻時(shí)優(yōu)選為20°C~40°C，當(dāng)采用加壓 冷卻時(shí)優(yōu)選為150°C~250°C，冷卻劑在夾套內(nèi)的流速為3~25m/s，優(yōu)選為5~15m/s。
[0026]所述的燃燒器作為烘爐和燃燒使用時(shí)，關(guān)閉中心通道，中環(huán)通道通入天然氣或柴 油等燃料，外環(huán)通道通入空氣或氧氣等含氧氣體組織燃燒，燃燒結(jié)束時(shí)可直接切換通道介 質(zhì)完成燃燒開啟氣化模式組織氣化。
[0027]本發(fā)明運(yùn)行穩(wěn)定可靠、易于大型化放大、環(huán)保節(jié)能，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明還具有 如下有益效果： (1) 采用內(nèi)置旋流器的三通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使粉體燃料在中環(huán)通道旋轉(zhuǎn)射流的夾帶下形 成"風(fēng)包粉"式射流，彌散效果遠(yuǎn)超直流交切式射流彌散，促進(jìn)了氣固相混合，提高了氣固相 間的滑移速度，氣化反應(yīng)速率和反應(yīng)效果大大提高； (2) 采用內(nèi)置旋流器的三通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三個(gè)通道采用內(nèi)縮式設(shè)計(jì)，外環(huán)通道為主氣化 劑噴入口，可有效控制射流長度和混合效果，實(shí)現(xiàn)雙層"風(fēng)包粉"式設(shè)計(jì)，在外環(huán)通道氣化劑 二次射流彌散和二次氣化反應(yīng)等作用下，燃燒器前端燃燒火焰結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，燃燒器噴頭 磨損等作用大大減輕，提高使用壽命； (3) 采用雙層夾套式冷卻通道結(jié)構(gòu)，并在外側(cè)接觸高溫環(huán)境的冷卻通道前端采用迷宮 式高低檔筋狀分隔板設(shè)計(jì)，冷卻器繞流促進(jìn)傳熱，冷卻效果加強(qiáng)，并可采用加壓冷卻，提高 冷卻劑溫度縮小燒嘴端面與爐內(nèi)高溫間的溫差，大大降低了熱應(yīng)力損傷概率。
[0028](4)采用雙通道氣化介質(zhì)設(shè)計(jì)，可在氣化系統(tǒng)啟停階段進(jìn)行燃燒使用，大大縮減了 更換燃燒器等操作，實(shí)現(xiàn)燃燒器的多功能化，減少設(shè)備投資，現(xiàn)場(chǎng)操作可通過遠(yuǎn)程控制一體 化切換投料，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0029] 圖1為一種復(fù)合式粉體燃料旋風(fēng)燃燒器示意圖； 圖2為一種復(fù)合式粉體燃料旋風(fēng)燃燒器頭部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為一種旋流器端面示意圖； 圖4為一種旋流器端面示意圖； 圖5為一種旋流器軸向剖面示意圖； 圖6為一種冷卻夾套結(jié)構(gòu)與冷卻劑流向示意圖； 圖7為一種冷卻夾套結(jié)構(gòu)與冷卻劑流向示意圖； 圖8為一種燃燒器前端面迷宮式雙通孔繞環(huán)式冷卻通道設(shè)計(jì)示意圖； 圖9為一種燃燒器前端面迷宮式四通孔半環(huán)式冷卻通道設(shè)計(jì)示意圖。
[0030] 附圖標(biāo)記說明：1 一外側(cè)冷卻通道；2 -內(nèi)側(cè)冷卻通道；3 -外環(huán)通道；4 一中心通 道；5 -中環(huán)通道；6 -燃燒器前端噴口；7 -冷卻通道內(nèi)側(cè)前端筋狀分隔板；8 -冷卻通道 內(nèi)側(cè)孔道；9 一冷卻夾套前端面；10 -冷卻通