專利名稱：帶有內(nèi)分布器的三噴口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)明涉及一種天然氣為原料，部分氧化制合成氣(CO+H2)的燒嘴。
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，以渣油為原料的生產(chǎn)合成氣(用于合成氨、甲醇、醋酸的生產(chǎn))成本亦隨之增加，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)的渣油原料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。為此，Texaco公司曾為國內(nèi)某廠的改造提供了一種兩噴口的天然氣燒嘴，但實踐表明，該燒嘴存在以下問題(1)氣化爐上部燃燒強度大，造成爐頂超溫，影響氣化爐的壽命；(2)甲烷(CH4)轉(zhuǎn)化率較低，氣化爐出口氣體中CH4＞1.0％，造成原料天然氣利用率下降，并對后續(xù)工段的處理帶來麻煩。
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，生產(chǎn)廠迫切希望科研工作者對現(xiàn)有的天然氣部分氧化制合成氣燒嘴做出改進，提供一種性能更為優(yōu)異的天然氣部分氧化制合成氣燒嘴。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，發(fā)明人設(shè)計了一種帶有內(nèi)分布器的三噴口的天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，它具有混合性能良好，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)廠家對天然氣燒嘴的要求。

發(fā)明內(nèi)容
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，整個氣化過程為混合控制，而混合過程完全由燒嘴的特性所決定，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氣化過程的效果。
本發(fā)明通過置于燒嘴內(nèi)部的內(nèi)分布器，自動將天然氣分為兩股，一股走燒嘴中心噴頭，另一股走燒嘴外環(huán)噴頭，而氧氣則通過分布器的圓孔走燒嘴中心噴頭與外環(huán)噴頭之間的內(nèi)環(huán)隙噴頭，以及對燒嘴噴頭收縮角改進(減小)、燒嘴頭外側(cè)冷卻蛇管的設(shè)置，燒嘴的這些改進，產(chǎn)生了顯著的技術(shù)效果(1)大大改善了天然氣與氧氣的混合效果，提高了天然氣的利用率，降低了氣化爐出口甲烷含量，提高了有效氣(CO+H2)的產(chǎn)率。(2)避免了局部過氧，降低了氣化爐上部的燃燒強度，防止?fàn)t頂超溫。(3)有利于延長燒嘴壽命。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，發(fā)明人按照上述構(gòu)思設(shè)計了一種帶內(nèi)分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，由內(nèi)分布器，中心噴頭，內(nèi)環(huán)隙噴頭和外環(huán)噴頭組成同心的三噴口燒嘴，氣化劑(氧氣)由燒嘴中心導(dǎo)管通過內(nèi)分布器上的直孔進入內(nèi)環(huán)隙噴頭，天然氣進入燒嘴外導(dǎo)管后，則分為兩股，一股直接進燒嘴外環(huán)噴頭，另一股則通過分布器的斜孔進入燒嘴中心噴頭。
所說的中心導(dǎo)管是指內(nèi)與分布器連接，外與氧氣管線連接的燒嘴內(nèi)部流動空間；外導(dǎo)管是燒嘴與天然氣管線連接、走天然氣的空間。
中心導(dǎo)管的頂端為彎頭，通過彎頭上的法蘭與氣化劑管線連接，彎頭下方設(shè)有連接法蘭，籍助它使中心導(dǎo)管與外導(dǎo)管的頂端法蘭相配合固接。
外導(dǎo)管與外環(huán)噴頭通過機械配合后再固接；外導(dǎo)管頂端設(shè)有連接法蘭，籍助它與中心導(dǎo)管上的連接法蘭相配合固接；外導(dǎo)管上部設(shè)有原料(天然氣)入口管，通過法蘭與天然氣管線相連接；外導(dǎo)管下部設(shè)有連接法蘭，籍助它與氣化爐外殼上的法蘭相固接。
所說的內(nèi)分布器置于燒嘴內(nèi)部，起天然氣分配作用，它由鍛件加工而成，上與燒嘴中心導(dǎo)管通過機械配合后固接，下分別與中心噴頭和內(nèi)環(huán)隙噴頭通過機械配合后固接。分布器上開有垂直孔，氣化劑(氧氣)經(jīng)燒嘴中心導(dǎo)管由垂直孔進入內(nèi)環(huán)隙噴頭；分布器上還開有斜孔，一股天然氣經(jīng)燒嘴外導(dǎo)管由斜孔進入中心噴頭。
中心噴頭的內(nèi)收縮半角α為10°～45°，其外側(cè)傾角β為30°～80°；內(nèi)環(huán)隙噴頭的內(nèi)收縮半角γ為30°～80°；中心噴頭的外側(cè)傾角τ為30°～80°；外環(huán)噴頭的內(nèi)收縮半角ε為10°～45°。
中心噴頭和內(nèi)環(huán)隙噴頭的同心度通過內(nèi)分布器保證，而它們與外環(huán)噴頭的同心度則由設(shè)于分布器外側(cè)的精加工的凸緣來保證，即籍助凸緣的外側(cè)弧線與外環(huán)噴頭內(nèi)側(cè)的柱面相配合，保持同心度。
為了保護燒嘴，在燒嘴頭外側(cè)設(shè)置了冷卻室，在外環(huán)噴頭的外側(cè)設(shè)置了冷卻蛇管，冷卻液(一般為水)由入口管導(dǎo)入冷卻室，經(jīng)蛇管后，由出口管排出。
所說的中心噴頭、內(nèi)環(huán)隙噴頭、外環(huán)噴頭、冷卻室、冷卻蛇管、內(nèi)分布器，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)管一般宜用不銹鋼材料。
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。
本發(fā)明的燒嘴不僅可以用天然氣為原料制合成氣，也可以用石腦油、柴油、重油、渣油、瀝青以及其它碳氫化合物或可燃燒的物料來制合成氣。
氣化劑在噴口的速度為10～300m/s，對氣體，其在噴口的速度為10～300m/s，對液體原料，其其在噴口的速度為0.1～20m/s；氧氣與原料(包括天然氣與其它液體原料)中碳量之比為0.5～1.6Nm3/kg。
所說的燒嘴其操作壓力為0.5～12MPa。


下面結(jié)合附圖進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容圖1為帶有內(nèi)分布器的三噴口天然氣燒嘴的外形正視圖。
圖2為帶有內(nèi)分布器的三噴口天然氣燒嘴的A-A部分的剖視圖。
其中1——三噴口天然氣燒嘴主要由中心噴頭、內(nèi)環(huán)隙噴頭、外環(huán)噴頭和內(nèi)分布器組合而成；2——冷卻系統(tǒng)，它主要由冷卻室23、冷卻液入口管3、冷卻液出口管5和蛇管4構(gòu)成；3——冷卻液入口管，它一端與冷卻室23相通；4——蛇管，它繞于燒嘴的外側(cè)，一端與冷卻室23相通，另一端與冷卻液出口管5相連；5——冷卻液出口管，它與蛇管4相連；6——連接法蘭，它與氣化爐上的法蘭相固接；
7——原料入口，原料由此進入燒嘴外導(dǎo)管12；8——氣化劑入口，氣化劑由此進入燒嘴中心導(dǎo)管11；9——連接法蘭；10——連接法蘭；11——燒嘴中心導(dǎo)管；12——燒嘴外導(dǎo)管；13——連接法蘭；14——連接法蘭；15——中心通道，由燒嘴中心導(dǎo)管11形成的氣化劑通道；16——外通道，由燒嘴外導(dǎo)管12和中心導(dǎo)管11形成的天然氣通道；17——內(nèi)分布器，上端與中心導(dǎo)管11相配合固接，下端與中心噴頭22和內(nèi)環(huán)隙噴頭21相固接，同時保證中心噴頭和內(nèi)環(huán)隙噴頭之間的同心度；18——內(nèi)分布器直孔，與中心通道15與內(nèi)環(huán)隙噴口21a相通；19——內(nèi)分布器斜孔，與外通道16和中心噴口20a相通；20——中心噴頭，上端與內(nèi)分布器相配合固接；20a——中心噴口；21——內(nèi)環(huán)隙噴頭，上端與內(nèi)分布器相配合固接；21a——內(nèi)環(huán)隙噴口；22——外環(huán)噴頭，上端與外導(dǎo)管12相配合固接；22a——外環(huán)噴口；23——冷卻室，它位于外環(huán)噴頭外側(cè)端部，是由外環(huán)噴頭的外側(cè)面24，過度凸緣25，以及端面27所構(gòu)成的環(huán)形空間，其上分別設(shè)有冷卻液進口26和相應(yīng)的出口(與26對稱，圖中未標出)，并通過設(shè)置其上的冷卻液入口管3和環(huán)形蛇管4分別引導(dǎo)冷卻液的進出；24——外環(huán)噴頭外側(cè)面；25——過度凸緣，它固接在外環(huán)噴頭外側(cè)面上；26——冷卻液進出口，設(shè)置在過度凸緣25上，其中進水口的另一端與冷卻液入口管3相連接，出水口的另一端與蛇管4相連接；27——端面，固接在外環(huán)噴頭22上；28——凸緣，它設(shè)置在內(nèi)分布器外側(cè)，通過它保證外環(huán)噴頭22與內(nèi)環(huán)隙噴頭21之間的同心度；α——中心噴頭的內(nèi)收縮角；β——中心噴頭外側(cè)的傾角；γ——內(nèi)環(huán)隙噴頭的內(nèi)收縮半角；τ——內(nèi)環(huán)隙噴頭外側(cè)的傾角；ε——外環(huán)噴頭的內(nèi)收縮半角。
氣化劑由入口管8進入中心通道15，通過內(nèi)分布器17上的垂直孔18進入內(nèi)環(huán)隙噴頭21與中心噴頭20形成的通道，增速后由內(nèi)環(huán)隙噴口21a噴出；天然氣由入口管7進入外通道16，一股通過內(nèi)分布器17上的斜孔19進入中心噴頭20內(nèi)，增速后由中心噴口20a噴出；另一股直接進入內(nèi)環(huán)隙噴頭21與外環(huán)噴頭22形成的通道，增速后由外環(huán)噴口22a噴出。氣化劑與天然氣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)。
內(nèi)分布器17的主要功能是將燒嘴外通道中的一部分天然氣導(dǎo)入燒嘴中心噴頭，形成兩股天然氣中間夾氣化劑的局面，從而強化混合，提高天然氣轉(zhuǎn)化率。
中心噴頭的內(nèi)收縮半角α為10°～45°，其外側(cè)傾角β為30°～80°；內(nèi)環(huán)隙噴頭的內(nèi)收縮半角γ為10°～45°；中心噴頭的外側(cè)傾角τ為30°～80°；外環(huán)噴頭的內(nèi)收縮半角ε為10°～45°。
外來的冷卻液經(jīng)入口管3進入冷卻室23中，然后再經(jīng)蛇管4由出口管5排出。通過冷卻室、蛇管中冷卻液的冷卻可有效地保護燒嘴，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，制成的帶有內(nèi)分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，經(jīng)試用有如下的技術(shù)效果當(dāng)天然氣成分為CH495.15(vol％)、C2H60.91(vol％)、C3H80.14(vol％)、CO23.80(vol％)、S 20ppm時，以98％的純氧為氣化劑，氣化結(jié)果合成氣中主要組分為CO+H2(vol％)92.85％，比現(xiàn)有燒嘴至少提高1個百分點，合成氣中殘余的CH4比現(xiàn)有技術(shù)有明顯下降。
總之，本發(fā)明的燒嘴設(shè)計時保持了現(xiàn)有燒嘴外型尺寸不變，這樣有利于現(xiàn)有工廠更換使用(毋須改變配管結(jié)構(gòu))，又克服了其存在的缺點，即提高了天然氣轉(zhuǎn)化率和有效氣(CO+H2)產(chǎn)率，降低了氣化爐上部的燃燒強度，增加了氣化爐的安全度和使用壽命，從而顯著推進了現(xiàn)有工業(yè)裝置的技術(shù)進步。
權(quán)利要求
1.一種帶有內(nèi)分布器的三噴口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噴頭、內(nèi)環(huán)隙噴頭、外環(huán)噴頭，以及內(nèi)分布器、冷卻系統(tǒng)諸零部件組合而成的同心的三噴口燒嘴，其中，所說的中心噴頭20，它與內(nèi)分布器17通過機械配合后相固接，它通過內(nèi)分布器上均勻分布的斜孔19與燒嘴外導(dǎo)管12相通；中心噴頭20的內(nèi)收縮半角α為10°～45°，其外側(cè)傾角β為30°～80°；中心噴頭借助內(nèi)分布器17保持與內(nèi)環(huán)隙噴頭21的同心度；所說的內(nèi)環(huán)隙噴頭21，它與內(nèi)分布器17通過機械配合后相固接，它通過內(nèi)分布器上均勻分布的垂直孔18與燒嘴中心導(dǎo)管相通；在中心導(dǎo)管11的頂端設(shè)有連接法蘭10，借助它與外導(dǎo)管上的聯(lián)接法蘭9相配合固接，在中心導(dǎo)管的上部設(shè)有氣化劑入口管8，在入口管8的上方還設(shè)有連接法蘭14，借助它與氣化劑管線相連接；內(nèi)環(huán)隙噴頭29的內(nèi)收縮半角γ為10°～45°；中心噴頭28的外側(cè)傾角τ為τ為30°～80°；內(nèi)環(huán)隙噴頭21借助內(nèi)分布器17保持與中心噴頭20的同心度；所說的外環(huán)噴頭，它與外導(dǎo)管12通過機械配合后相固接；在外環(huán)導(dǎo)管12的頂端設(shè)有聯(lián)接法蘭9，借助它與中心導(dǎo)管上的聯(lián)接法蘭10相配合固接，在外環(huán)導(dǎo)管12的上部設(shè)有燃料入口管7，在入口管7的下方還設(shè)有連接法蘭6，借助它與氣化爐外殼上的法蘭相固接；外環(huán)噴頭的內(nèi)收縮半角ε為10°～45°；所說的內(nèi)分布器17置于燒嘴內(nèi)部，起天然氣分配作用，它由鍛件加工而成，上與燒嘴中心導(dǎo)管11通過機械配合后固接，下分別與中心噴頭20和內(nèi)環(huán)隙噴頭21通過機械配合后固接；分布器上開有垂直孔18，氣化劑經(jīng)中心通道15由垂直孔18進入內(nèi)環(huán)隙噴頭21內(nèi)；分布器上還開有斜孔19，一股天然氣經(jīng)外通道16由斜孔19進入中心噴頭20內(nèi)；分布器外側(cè)設(shè)有凸緣28，借助它保持外環(huán)噴頭22與內(nèi)環(huán)隙噴頭21之間的同心度；所說的冷卻系統(tǒng)2，主要由冷卻室23與蛇管4構(gòu)成，冷卻液由入口管3進入冷卻室23，再經(jīng)蛇管4后由出口管5排出；冷卻室23設(shè)置于燒嘴噴口端的外側(cè)，分別由外環(huán)噴頭的外側(cè)面24、過渡凸緣25、短環(huán)管26，以及端面27所形成的空間組成；蛇管4設(shè)置在燒嘴下半部的外側(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或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。
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可燃燒的物料為原料制取合成氣，當(dāng)用液體原料時，原料流速為0.1～20m/s。
7.一種帶有內(nèi)分布器的天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，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)明公開了一種帶有內(nèi)分布器的三噴口天然氣部分氧化制合成氣燒嘴，它主要由中心噴頭、內(nèi)環(huán)隙噴頭、外環(huán)噴頭、內(nèi)分布器和冷卻系統(tǒng)諸零部件組合安裝而成。氣化劑由入口管進入中心導(dǎo)管，通過內(nèi)分布器上的垂直孔進入內(nèi)環(huán)隙噴頭與中心噴頭形成的通道，增速后由內(nèi)環(huán)隙噴口噴出；天然氣由入口管進入外導(dǎo)管，一股通過內(nèi)分布器上的斜孔進入中心噴頭，增速后由中心噴口噴出；另一股直接進入內(nèi)環(huán)隙噴頭與外環(huán)噴頭形成的通道，增速后由外環(huán)噴口噴出。由于本發(fā)明的燒嘴在其噴口處形成了兩股天然氣夾氣化劑的流動形態(tài)，促進了氣化劑與天然氣的快速均勻混合，從而提高天然氣的轉(zhuǎn)化率和氣化爐出口的有效氣含量。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C01B3/00GK1417106SQ0215114
公開日2003年5月14日 申請日期2002年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月6日
發(fā)明者王輔臣, 龔欣, 劉海峰, 于廣鎖, 王亦飛, 周志杰, 代正華, 于遵宏 申請人:華東理工大學(xué)