專利名稱：多通道天然氣部分氧化制合成氣燒嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天然氣部分氧化制合成氣(CO+H2)燒嘴。
背景技術(shù)：
部分氧化法制合成氣的原料一般為渣油或水煤漿，但是隨著全球原油價格的上漲和渣油深加工技術(shù)的發(fā)展，渣油供不應(yīng)求，價格隨之上漲，以渣油為原料生產(chǎn)合成氣(用于合成氨、甲醇、醋酸的生產(chǎn))的成本顯著增加，原料路線的調(diào)整勢在必行。我國西部大儲量天然氣田的發(fā)現(xiàn)和西氣東輸管網(wǎng)的建立，使輻射半徑內(nèi)的以渣油原料的合成氨廠客觀上具備了改燒天然氣的可能性。其關(guān)鍵是將原渣油燒嘴改為天然氣燒嘴。
鑒于這一背景，有關(guān)生產(chǎn)廠迫切希望科研工作者對提供一種可以在現(xiàn)有渣油氣化爐上直接用天然氣作原料，通過天然氣部分氧化法制合成氣的燒嘴。

發(fā)明內(nèi)容
為滿足現(xiàn)有工廠的上述要求，發(fā)明人設(shè)計了一種多噴口的天然氣部分氧化制合成氣的燒嘴，它具有反應(yīng)介質(zhì)混合均勻，天然氣轉(zhuǎn)化率高，氣化爐上部燃燒強度適中等優(yōu)點，可滿足有關(guān)廠家對天然氣部分氧化制合成氣燒嘴的要求。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的，發(fā)明人在長期從事氣化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，天然氣部分氧化制合成氣技術(shù)的優(yōu)劣主要取決于氣化燒嘴的結(jié)構(gòu)特性，以及燒嘴與爐體匹配形成的流場特征。
天然氣部分氧化過程通常在高溫(1200～1450℃)下進行，化學(xué)反應(yīng)速度極快，整個反應(yīng)過程為混合控制，而混合過程完全由燒嘴的結(jié)構(gòu)特性所決定，換句話說，燒嘴混合性能的優(yōu)劣及其與爐體匹配形成的流場特征決定了天然氣部分氧化制合成氣過程的效果。
為了達到上述的技術(shù)目標(biāo)，同時適應(yīng)現(xiàn)有渣油氣化爐改用天然氣原料的需要，特別是在原有配管尺寸基本不變的情況下方便使用，發(fā)明人構(gòu)思設(shè)計了一種多通道天然氣部分氧化制合成氣的燒嘴，由中心假件，氣化劑(氧氣)導(dǎo)管，天然氣導(dǎo)管和蒸汽導(dǎo)管組成的多通道天然氣燒嘴，一部分氣化劑(氧氣)由氣化劑(氧氣)導(dǎo)管通過假件上的均勻分布小空進入由假件構(gòu)成的中心通道，經(jīng)中心氣化劑(氧氣)噴口進入氣化爐，另一部分則直接通過氣化劑(氧氣)導(dǎo)管由環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口進入氣化爐，燃料天然氣由進口管進入天然氣導(dǎo)管，由天然氣噴口進入氣化爐，蒸汽由進口管進入蒸汽導(dǎo)管，由蒸汽噴口進入氣化爐。
多通道結(jié)構(gòu)保證了反應(yīng)介質(zhì)間的均勻快速混合；在氣化爐預(yù)熱階段假件可以拿出，安裝預(yù)熱燒嘴，氣化爐預(yù)熱到開工所需的溫度后，拿出預(yù)熱燒嘴，安裝假件，這樣設(shè)置的優(yōu)點是，工作燒嘴與預(yù)熱燒嘴基本作到了一體化，減少了一般工廠因另外設(shè)置的預(yù)熱燒嘴而帶來燒嘴更換的不便，有利于預(yù)熱后的氣化爐保溫；為防止?fàn)t內(nèi)回流區(qū)高溫氣體與氧氣接觸而快速燃燒，從而危害燒嘴，天然氣噴口外側(cè)設(shè)置了蒸汽通道，同時蒸汽作為反應(yīng)介質(zhì)，有利于抑制天然氣裂解產(chǎn)生碳黑；燒嘴頭外側(cè)還設(shè)置了冷卻夾套，以保護燒嘴頭部過熱引起的燒蝕，以延長燒嘴的使用壽命。
所說的中心假件通過法蘭與燒嘴主體連接，其上沿周向開有均勻分布的小孔，與氣化劑(氧氣)通道相通，假件與中心氣化劑(氧氣)噴口通過機械配合后再固接。
氣化劑(氧氣)導(dǎo)管通過氣化劑(氧氣)進口管法蘭與氣化劑(氧氣)管線相配合固接，通過氣化劑(氧氣)導(dǎo)管上方法蘭與中心假件相配合固接，通過氣化劑(氧氣)導(dǎo)管下方法蘭與天然氣和蒸汽導(dǎo)管相配合固接，氣化劑(氧氣)導(dǎo)管與環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口通過機械配合后再固接。
天然氣導(dǎo)管通過天然氣進口管法蘭與天然氣管線相配合固接，蒸汽導(dǎo)管通過蒸汽進口管法蘭與蒸汽管線相配合固接，它們通過法蘭與燒嘴冷卻夾套相配合固接。天然氣導(dǎo)管與天然氣噴口通過機械配合后再固接；蒸汽導(dǎo)管與蒸汽噴口通過機械配合后再固接。
水冷夾套外設(shè)有連接法蘭，籍助它與氣化爐外殼上的法蘭相固接。
所說的假件上端與氣化劑(氧氣)導(dǎo)管通過法蘭相配合固接，下端與中心氣化劑(氧氣)噴口通過機械配合后固接，假件沿周向開有均勻分布的小孔，與氣化劑(氧氣)導(dǎo)管相通。中心氣化劑(氧氣)噴口的內(nèi)收縮角α為10°～80°，其外側(cè)傾角β為30°～85°；環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口的內(nèi)收縮半角γ為10°～45°，其外側(cè)傾角τ為30°～85°；天然氣噴口的內(nèi)收縮半角ε為10°～45°，與環(huán)隙噴口28的內(nèi)收縮半角γ保持一致，其外側(cè)傾角為θ為30°～85°；蒸汽噴口的內(nèi)收縮半角δ為10°～45°。
中心氣化劑(氧氣)噴口和環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口的同心度通過氣化劑(氧氣)導(dǎo)管內(nèi)按松轉(zhuǎn)合公差要求精加工的固定環(huán)保證，而它們與天然氣噴口的同心度由天然氣導(dǎo)管內(nèi)按松轉(zhuǎn)合公差要求精加工的固定環(huán)保證，它們與蒸汽噴口的同心度由蒸汽導(dǎo)管內(nèi)按松轉(zhuǎn)合公差要求精加工的固定環(huán)保證。所有固定環(huán)沿縱向至少開有兩個以上的通道，保證軸向氣流的暢通為了保護噴嘴，在噴嘴外側(cè)設(shè)置了冷卻夾套，冷卻液(一般為水)由入口管導(dǎo)入夾套，由出口管排出。
所說的中心氣化劑(氧氣)噴口、環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口、天然氣噴口、蒸汽噴口、冷卻夾套，其材料可以為不銹鋼，也可為耐高溫的Inconel 600；燒嘴內(nèi)、外導(dǎo)管一般用不銹鋼材料。
所說的氣化劑可以是空氣或氧氣含量大于21％的富氧空氣或氧氣含量大于98％的純氧，根據(jù)具體的工藝要求而定。
氣化劑在噴口的速度為10～300m/s；天然氣噴口的速度為10～300m/s；蒸汽(一般為過熱蒸汽)流速為10～100m/s；氣化劑(氧氣)與燃料中碳量之比為0.5～1.6Nm3/kg。
本發(fā)明的燒嘴也可以適用于石腦油、柴油、重油、渣油、瀝青以及其它可燃燒的物料氣化制合成氣或還原氣。
所說的燒嘴其操作壓力為0.5～12MPa。
本發(fā)明的燒嘴不僅適用于生產(chǎn)合成氣，也適用于生產(chǎn)還原氣。


下面結(jié)合附圖進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容圖1為多通道天然氣燒嘴的外形正視示意圖。
圖2為多通道天然氣燒嘴的A-A部分的局部剖視示意圖。
其中1——多通道天然氣燒嘴主要由中心氣化劑(氧氣)噴口、環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口、天然氣噴口和蒸汽噴口組合而成；2——冷卻系統(tǒng)，它主要由冷卻液入口管3、出口管4、冷卻液進口通道31a、冷卻液出口通道31b、冷卻室31和冷卻夾套26構(gòu)成；3——冷卻液入口管，它一端通過冷卻液進口通道31a和通道31a下端周向均勻分布的小孔31d與冷卻室31相通；4——冷卻液出口管，它一端與過冷卻液出口通道31b和通道31b下端周向均勻分布的小孔31e與冷卻室31相通；5——連接法蘭，它與氣化爐上的法蘭相固接；6a——連接法蘭，它與冷卻液管線上的法蘭相固接；6b——連接法蘭，它與冷卻液管線上的法蘭相固接；7——連接法蘭；8——連接法蘭；9——天然氣入口，在此入口管上還連有法蘭10，天然氣由9進入天然氣導(dǎo)管20；10——連接法蘭；11——蒸汽入口，在此入口管上還連有法蘭12，蒸汽由11進入蒸汽導(dǎo)管21；12——連接法蘭；13——連接法蘭；14——氣化劑(氧氣)入口，氣化劑由此進入燒嘴的氣化劑(氧氣)導(dǎo)管19；15——連接法蘭；16a——連接法蘭；16b——連接法蘭；17——起吊構(gòu)件，它固接在法蘭16a上；18——假件導(dǎo)管，其上端固接在法蘭16a上；19——氣化劑(氧氣)導(dǎo)管；20——天然氣導(dǎo)管；21——蒸汽導(dǎo)管；22——由假件導(dǎo)管形成的氣化劑(氧氣)中心通道；23——由假件導(dǎo)管和氣化劑(氧氣)導(dǎo)管形成的氣化劑(氧氣)環(huán)隙通道；24——由天然氣導(dǎo)管20和氣化劑(氧氣)導(dǎo)管19形成的天然氣通道；25——由天然氣導(dǎo)管20和蒸汽導(dǎo)管21形成的蒸汽通道；26——冷卻液夾套，由冷卻液進口通道31a和冷卻液出口通道31b以及薄壁管31c組成；27——中心氣化劑(氧氣)噴口；28——環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口；29——天然氣噴口；30——蒸汽噴口；31——冷卻室，它設(shè)置于燒嘴外側(cè)，通過與周向均勻分布的小孔31d和31e分別于夾套的冷卻液進口通道31a和出口通道31b相通；冷卻液通過夾套中的冷卻液進口通道31a并由冷卻液進口通道31a下端周向均勻分布的小孔31d射流進入冷卻室；31a——冷卻液進口通道，上端與冷卻液入口管3相通，下端通過周向均勻分布的小孔31d與冷卻室31相通；31b——冷卻液出口通道，上端與冷卻液出口管4相通，下端通過周向均勻分布的小孔31e與冷卻室31相通；31c——薄壁管，將冷卻液進口通道31a與冷卻液出口通道31b分隔開來；31d——周向均勻分布的小孔，上與冷卻液進口通道31a相通，下與冷卻室31相通；31e——周向均勻分布的小孔，上與冷卻液出口通道31b相通，下與冷卻室31相通；32——假件上均勻分布的小孔，通過它使氣化劑(氧氣)中心通道22與氣化劑(氧氣)環(huán)隙通道23相通；33——固定環(huán)，它設(shè)置在天然氣導(dǎo)管20外側(cè)，通過它保證蒸汽噴口30與天然氣噴口29之間的同心度，其縱向至少開有2個以上的通道，固定環(huán)按松轉(zhuǎn)合公差配合要求加工；34——固定環(huán)，它設(shè)置在氣化劑(氧氣)導(dǎo)管外側(cè)，通過它保證天然氣噴口29與環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口28之間的同心度，其縱向至少開有2個以上的通道，固定環(huán)按松轉(zhuǎn)合公差配合要求加工；35——固定環(huán)，它設(shè)置在假件導(dǎo)管18外側(cè)，通過它保證中心氣化劑(氧氣)噴口27與環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口28之間的同心度，其縱向至少開有2個以上的通道，固定環(huán)按松轉(zhuǎn)合公差配合要求加工；36——空氣隔熱夾層，設(shè)置36的目的在于減少夾套26內(nèi)冷卻水對蒸汽冷凝的影響；α——中心氣化劑(氧氣)噴口的內(nèi)收縮角；β——中心氣化劑(氧氣)噴口外側(cè)的傾角；γ——環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口的內(nèi)收縮半角；τ——環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口外側(cè)的傾角；ε——天然氣噴口的內(nèi)收縮半角；θ——天然氣噴口外側(cè)的傾角；δ——蒸汽噴口的內(nèi)收縮半角；氣化劑(氧氣)由入口管14進入氣化劑(氧氣)導(dǎo)管19內(nèi)，一部分氣化劑(氧氣)通過設(shè)置在固定環(huán)35上的縱向通道直接進入氣化劑(氧氣)環(huán)隙噴口28，通過環(huán)隙噴口進入氣化爐，另一部分則通過假件上均勻分布的小孔32進入假件導(dǎo)管18內(nèi)，然后由氣化劑(氧氣)中心噴口27進入氣化爐；天然氣由入口管9進入天然氣導(dǎo)管20，增速后由天然氣噴口29進入氣化爐；蒸汽由入口管11進入蒸汽導(dǎo)管21，增速后由蒸汽噴口30進入氣化爐。氣化劑與天然氣、蒸汽在噴口處進行劇烈混合，同時在高溫下進行部分氧化反應(yīng)，即氣化反應(yīng)。
中心氣化劑(氧氣)噴口的內(nèi)收縮角α為10°～80°，其外側(cè)傾角β為30°～85°；環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口的內(nèi)收縮半角γ為10°～45°，其外側(cè)傾角τ為30°～85°；天然氣噴口的內(nèi)收縮半角ε為10°～45°，其外側(cè)為傾角θ為30°～85°；蒸汽噴口的內(nèi)收縮半角δ為10°～45°。
外來的冷卻液經(jīng)入口管3進入冷卻夾套26中的冷卻液進口通道31a，然后通過周向均勻分布的小孔31d射流進入冷卻室31，再經(jīng)周向均勻分布的小孔31e由冷卻液出口通道31b通過出口管4排出。通過冷卻室31、冷卻夾套26可有效地保護燒嘴，提高燒嘴的使用壽命。
按照本發(fā)明的構(gòu)思和附圖展示的內(nèi)容，制成的多通道天然氣氣化燒嘴，經(jīng)試用有如下的技術(shù)效果。
當(dāng)天然氣成分為CH498.38(vol％)、C2H60.07(vol％)、C3H80.03(vol％)、CO20.19(vol％)、N21.31(vol％)時，以98％的純氧為氣化劑，氣化結(jié)果為CO+H2(vol％)96.00％，CH40.70％(vol％)，可完全滿足合成氣的質(zhì)量要求。
總之，本發(fā)明的燒嘴可以在保持現(xiàn)有渣油氣化爐外部管線基本不變的情況下使用，有利于工廠的技術(shù)改造(毋須改變配管結(jié)構(gòu))，并具有較高的天然氣轉(zhuǎn)化率和合成氣有效組分(CO+H2)產(chǎn)率的提高，降低了氣化爐上部的燃燒強度，從而顯著推進了現(xiàn)有裝置的技術(shù)進步。
權(quán)利要求
1.一種多通道天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，其特征在于所說的燒嘴系由中心假件、環(huán)隙氣化劑導(dǎo)管、天然氣導(dǎo)管、蒸汽導(dǎo)管和各導(dǎo)管相固接的相應(yīng)噴口，以及冷卻系統(tǒng)諸零部件組合而成的同心的四通道燒嘴，其中所說的中心假件17，它與中心氣化劑(氧氣)噴口27通過機械配合后相固接，它通過周向均勻分布的小孔32與環(huán)隙氣化劑(氧氣)通道23相通，假件17頂端設(shè)有連接法蘭16a，與燒嘴氣化劑(氧氣)導(dǎo)管19相固接配合，在氣化爐預(yù)熱階段假件17拿出，安裝預(yù)熱燒嘴，氣化爐預(yù)熱到開工所需的溫度后，拿出預(yù)熱燒嘴，安裝假件17；中心噴口27的內(nèi)收縮角α為10°～80°，其外側(cè)傾角β為30°～85°；中心噴口27借助縱向至少開有兩個以上的通道并按松轉(zhuǎn)合公差加工的固定環(huán)35保持與環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口28的同心度；所說的氣化劑(氧氣)導(dǎo)管19，它與環(huán)隙氣化劑(氧氣)噴口28通過機械配合后相固接；在氣化劑(氧氣)導(dǎo)管19的頂端設(shè)有連接法蘭16b，借助它與假件上的聯(lián)接法蘭16a相配合固接；在連接法蘭16b下部側(cè)面設(shè)有氣化劑(氧氣)入口管14，在入口管14上還設(shè)有連接法蘭15，借助它與氣化劑(氧氣)管線相連接；環(huán)隙噴口28的內(nèi)收縮半角γ為10°～45°，其外側(cè)傾角τ為30°～85°；環(huán)隙噴口28借助縱向至少開有兩個以上的通道并按松轉(zhuǎn)合公差加工的固定環(huán)34保持與天然氣噴口29的同心度；所說的天然氣導(dǎo)管20，它與天然氣噴口29通過機械配合后相固接，它通過法蘭13分別與氣化劑(氧氣)導(dǎo)管19和蒸汽導(dǎo)管21配合后相固接；在天然氣導(dǎo)管20的上側(cè)部設(shè)有天然氣入口9，在入口9上還設(shè)有連接法蘭10，借助它與天然氣管線相連接；天然氣噴口29的內(nèi)收縮半角ε為10°～45°，與環(huán)隙噴口28的內(nèi)收縮半角γ保持一致，其外側(cè)傾角θ為30°～85°；天然氣噴口29分別借助縱向至少開有兩個通道并按松轉(zhuǎn)合公差加工的固定環(huán)33和34保持與環(huán)隙噴口28和蒸汽噴口30的同心度；所說的蒸汽導(dǎo)管21，它與蒸汽噴口30通過機械配合后相固接，它通過法蘭13和法蘭7分別與天然氣導(dǎo)管20和冷卻液夾套26配合后相固接；在蒸汽導(dǎo)管21的上側(cè)部設(shè)有蒸汽入口管11，在入口管11上還設(shè)有連接法蘭12，借助它與蒸汽管線相連接；蒸汽噴口30的內(nèi)收縮半角δ為10°～45°；蒸汽噴口30借助縱向至少開有兩個以上的通道并按松轉(zhuǎn)合公差加工固定環(huán)33保持與天然氣噴口29的同心度；所說的冷卻系統(tǒng)2，主要由冷卻室31、夾套26以及入口管3和出口管4構(gòu)成，冷卻液由入口管3進入夾套26的冷卻液進口通道31a，再經(jīng)通道31a下端周向均勻分布的小孔31d射流進入冷卻室31，然后通過通道31b下端周向均勻分布的小孔31e，經(jīng)夾套26的冷卻液出口通道31b由出口管4排出，冷卻液進口通道31a和冷卻液出口通道31b由薄壁管31c分隔開來；冷卻室31設(shè)置于燒嘴噴口端的外側(cè)；所說的冷卻液一般為水，也可為其它安全的液體。
2.如權(quán)利要求1所述的燒嘴，其特征在于所說的氣化劑是空氣、氧含量大于21％的富氧空氣或氧含量大于98％的純氧。
3.如權(quán)利要求1～2之一所述的燒嘴，其特征在于氣化劑的流速為10～300m/s，天然氣流速為10～300m/s，蒸汽流速為10～100m/s。
4.如權(quán)利要求1～3之一所述的燒嘴，其特征在于氣化劑中的氧與燃料中的碳之比為0.50～1.60Nm3/kg。
5.如權(quán)利要求1～4之一所述的燒嘴，其特征在于氣化燒嘴的適用壓力為0.5～12.0MPa。
6.如權(quán)利要求1所述的燒嘴，其特征在于該燒嘴也適用于以石腦油、柴油、重油、渣油、瀝青以及其它碳氫化合物或其它可燃燒的物料氣化制合成氣。
7.如權(quán)利要求1所述的燒嘴，其特征在于該燒嘴也適用于還原氣的生產(chǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多通道天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，由中心假件、環(huán)隙氣化劑導(dǎo)管、天然氣導(dǎo)管、蒸汽導(dǎo)管和各導(dǎo)管相固接的相應(yīng)噴口，以及冷卻系統(tǒng)諸零部件組合而成。氣化劑由入口管進入氧氣導(dǎo)管，為防止假件端部產(chǎn)生內(nèi)回流引起回火，一部分氣化劑通過假件上的均勻分布的小孔進入由假件形成的中心氧氣噴口，假件在氣化爐開車時，由預(yù)熱燒嘴替換；另一部分氣化劑進入環(huán)隙氣化劑通道，增速后由環(huán)隙噴口噴出；天然氣由入口管進入天然氣導(dǎo)管，增速后由天然氣噴口噴出；蒸汽由入口管進入蒸汽導(dǎo)管，增速后由蒸汽噴口噴出。由于本發(fā)明燒嘴的多通道結(jié)構(gòu)，形成多股流體的強烈湍動，促進了氧氣、天然氣和蒸汽三者之間的快速均勻混合，從而提高天然氣的轉(zhuǎn)化率和氣化爐出口合成氣的有效組分含量。通過提高氣體流速和縮小噴口收縮角，降低了氣化爐上部的燃燒強度。此外通過設(shè)置冷卻系統(tǒng)，良好地保護了燒嘴，延長了燒嘴的使用壽命。
文檔編號C01B3/34GK1431143SQ02151238
公開日2003年7月23日 申請日期2002年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月12日
發(fā)明者王輔臣, 郭文元, 龔欣, 蔣自平, 郭海峰, 亢萬忠, 于廣鎖, 林亞森, 于遵宏 申請人:華東理工大學(xué), 中國石化集團蘭州設(shè)計院