專利名稱：氣液混合相氣化噴嘴及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及非催化氧化法氣化爐用氣液混合相氣化噴嘴的結(jié)構(gòu)及使用方法。
背景技術(shù)：
由于國際油價飆升以及作為合成氨原料的石油煉制品深加工技術(shù)發(fā)展引起的供應短缺，作為以輕油、重油、渣油為原料的大型合成氨裝置面臨著原料來源緊張、原料價格上漲、企業(yè)經(jīng)濟效益下滑、原料成分日益偏離設(shè)計成分的困境，從而帶來裝置操作的波動、能耗加大、操作費用增高，使企業(yè)生存、發(fā)展面臨嚴峻的形勢；另一方面，隨著國內(nèi)大量天然氣資源的開發(fā)，在能夠利用天然氣實施原料路線改造的國內(nèi)石化行業(yè)的大中型合成氨廠已經(jīng)完成或正在進行裝置的“油改氣”；而對一些綜合性大型企業(yè)，石油煉制副產(chǎn)品如煉廠干氣，石油瀝青等如何充分合理利用，依托現(xiàn)有資源進行原料技術(shù)線路的改造，提高裝置的經(jīng)濟效益已成為亟待解決的問題。那么關(guān)鍵的問題就是作為合成氨裝置核心設(shè)備的氣化爐及其氣化噴嘴，過去均為國外公司的專利技術(shù)且整機進口。在生產(chǎn)操作運行中，由于氣化爐工作環(huán)境較為惡劣，處于火焰中，氣化噴嘴的端部極易發(fā)生燒損現(xiàn)象，維修噴嘴需經(jīng)專利商發(fā)送到國外，耗費大量的財力和時間。由于氣化噴嘴進口價格較高，不可能多備備件，頻繁的噴嘴燒損及停爐更換嚴重影響了裝置的效益及安全運行。
殼牌(Shell)及德士古(Texaco)各自開發(fā)并投入工業(yè)化的非催化部分氧化法制合成氣的渣油和天然氣氣化爐及其氣化噴嘴被廣泛應用于以渣油、輕油、天然氣為原料生產(chǎn)合成氨的裝置中。Shell公司的天然氣氣化噴嘴的工業(yè)化應用僅在3.5Mpa的氣化壓力下。在氣化壓力為6.0Mpa下未建有工業(yè)化裝置。Texaco公司的天然氣氣化噴嘴的工業(yè)化應用在8.53Mpa的氣化壓力下，在氣化壓力為6.0Mpa下未建有工業(yè)化裝置。
申請?zhí)枮?7235458.1，名稱為“五通道負荷可控式水煤漿氣化噴嘴”的實用新型專利，公開了一種新的噴嘴結(jié)構(gòu)，為了使噴嘴部分耐燒損，加厚了噴嘴的壁厚，使流道的內(nèi)腔有凸臺，氣化物質(zhì)在噴口處受到阻礙，不利于氣化物質(zhì)的氣化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種氣液混合相氣化噴嘴及使用方法。所采取的措施是除了改善噴嘴的結(jié)構(gòu)外，采用合理的氣化介質(zhì)，氧氣物料流道設(shè)置及各流道物料不同的質(zhì)量流速與混合方式，最大程度地消除由于高溫熱區(qū)距離短導致的氣化爐拱頂熱流密度大，對拱頂輻射強的影響，從而有效地降低氣化爐拱頂外壁的溫度，使氣化噴嘴與氣化爐內(nèi)形成最佳的流場及溫度場匹配，從而保證氣化效率(有效氣產(chǎn)率)；采用水冷盤管型噴嘴冷卻方式及采用耐高溫合金材料及薄壁流道端部結(jié)構(gòu)，延長氣化噴嘴的操作壽命，滿足氣化爐長周期穩(wěn)定操作的要求。
本發(fā)明的目的可以通過采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種氣液混合相氣化噴嘴，包括帶有法蘭盤的氣化介質(zhì)進口管(1)或液化介質(zhì)進口管(11)與其對應的多流道噴管(2)相固連，噴頭(3)與噴管(2)固連或為一體，其主要特點是還包括有所述噴頭(3)與噴管(2)為等壁厚固連，其過渡為平滑過渡；噴頭內(nèi)、外壁為錐形，其壁厚以直線均勻減薄，呈梯形；噴頭(3)端部的噴口壁厚為1～5mm。
所述的氣液混合相氣化噴嘴的噴頭(3)、水冷盤管(4)采用耐高溫合金材料。采用的耐高溫合金材料較佳的為INCONEL600、HAYNES合金、UMCo-50、HASTELLOY、C-276或Stellite6材料。
三流道氣液混合相氣化噴嘴噴頭(3)端部的內(nèi)腔與中心線的夾角αx第1流道(21)夾角α1為0°～5°，第2流道(22)夾角α2為10°～18°，第3流道(23)夾角α3為15°～25°。五流道氣液混合相氣化噴嘴噴頭(3)端部的內(nèi)腔與中心線的夾角第1流道(21)夾角α1為0°～2°，第2流道(22)夾角α2為1°～5°，第3流道(23)夾角α3為5°～8°第4流道(24)夾角α4為15°～18°，第5流道(25)夾角α5為20°～25°。三流道氣液混合相氣化噴嘴噴頭端部外腔與水平線的夾角βx第1流道(21)夾角β1為90°～85°，第2流道(22)夾角β2為85°～70°，第3流道(23)夾角β3為80°～65°。五流道氣液混合相氣化噴嘴噴頭(3)端部外腔與水平線的夾角βx第1流道(21)夾角β1為90°～85°，第2流道(22)夾角β3為85°～80°，第3流道(23)夾角β3為80°～75°第4流道(24)為夾角β475°～70°，第5流道(25)夾角β5為60°～40°。
所述的氣液混合相氣化噴嘴各噴管內(nèi)腔的橫截面與噴頭端部的環(huán)形面積比為第1流道(21)為10.6～9.2∶1，第2流道(22)為6.7～4.3∶1，第3流道(23)為4.9～2.5∶1或第1流道(21)為3.9～1.5∶1，第2流道(22)為8.2～5.8∶1，第3流道(23)為13～10.6∶1第4流道(24)為9.8～7.4∶1，第5流道(25)為13.2～10.8∶1。
本發(fā)明噴嘴的第一流道(21)的噴管由支撐環(huán)(5)與相鄰噴管壁固連或為盲孔與相鄰噴管壁固連的氣流導向塊(6)固連；氣流導向塊(6)上設(shè)有的通氣孔(7)可連通不相鄰的流道。
所述的氣液混合相氣化噴嘴在噴嘴端部的外壁上設(shè)有冷卻盤管(4)，冷卻盤管(4)可為2-5層，每層可設(shè)為2～10圈，可設(shè)有2-5個進水和出水口。本發(fā)明通過采用水冷盤管型噴嘴冷卻方式及采用耐高溫合金材料及薄壁流道端部結(jié)構(gòu)，保證了氣化噴嘴的高溫強度，且有效降低了流道端部的局部回流過氧燒蝕，大大延長了氣化噴嘴的操作壽命，氣化爐滿足了長周期穩(wěn)定操作的要求。
本發(fā)明多流道噴管為二流道—六流道噴管。
本發(fā)明所述的氣液混合相氣化噴嘴的使用方法是三流道氣液混合相氣化噴嘴第1流道(21)為氣相氣化介質(zhì)，第2流道(22)為氧氣，第3流道(23)為液相氣化介質(zhì)。四流道氣液混合相氣化噴嘴第1流道(21)為氣相氣化介質(zhì)，第2流道(22)為氧氣，第3流道(23)為液相氣化介質(zhì)，第4流道(24)為氧氣(少量)。在三流道或四流道氣液混合相氣化噴嘴最外流道加保護蒸汽，成為四流道或五流道氣液混合相氣化噴嘴。
本發(fā)明的有益效果是，氣化爐內(nèi)的高溫熱區(qū)距離短且火焰變短，幾乎沒有黑區(qū)而引起氣化爐拱頂熱流密度加大，對拱頂輻射加大，氣化爐拱頂金屬外壁溫度不但沒有升高，反而下降10～15℃，保證了氣化爐的正常操作。氣化噴嘴與氣化爐拱頂及爐口結(jié)構(gòu)的合理布置獲得了最佳的流場及溫度場匹配而達到最好的氣化效果，保證有效氣體成分大于95.5％，最高可達96.3％。延長了氣化噴嘴的操作壽命，解決由于氣化噴嘴的損壞引起氣化爐爐口磚損壞而導致的爐口磚使用壽命短，頻繁停車問題，滿足氣化裝置的長周期，滿負荷運行要求，提高裝置的經(jīng)濟效益。


圖1為本發(fā)明實施例1三流道的主視圖；圖2為本發(fā)明實施例1三流道噴嘴端部放大圖；圖3為本發(fā)明實施例2五流道的主視圖；
圖4為本發(fā)明實施例2五流道噴嘴端部放大圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖所示之最佳實施例作進一步詳述下面通過實施例對本發(fā)明進一步詳細描述，但本發(fā)明并不局限于實施例見圖1、圖2，本發(fā)明實施例1氣液混合相三流道氣化噴嘴，帶有法蘭盤的氣化介質(zhì)進口管1或液化介質(zhì)進口管11與其對應的多流道噴管2相固連，噴頭3與噴管2為一體，噴頭3與噴管2為等壁厚固連，其過渡為平滑過渡；噴頭內(nèi)、外壁為錐形，其壁厚以直線均勻減薄，呈梯形；噴頭3端部的噴口壁厚為1～5mm。噴頭3采用耐高溫合金材料為INCONEL 600。水冷盤管4采用耐高溫合金材料為HASTELLOY。三流道氣液混合相氣化噴嘴噴頭3端部的內(nèi)腔與中心線的夾角αx第1流道21夾角α1為0°～5°，第2流道22夾角α2為10°～18°，第3流道23夾角α3為15°～25°。其噴頭端部外腔與水平線的夾角βx第1流道21夾角β1為90°～85°，第2流道22夾角β2為85°～70°，第3流道23夾角β3為80°～65°。各噴管內(nèi)腔的橫截面與噴頭端部的環(huán)形面積比為第1流道21為10.6～9.2∶1，第2流道22為6.7～4.3∶1，第3流道23為4.9～2.5∶1。噴嘴的第一流道21的噴管為盲孔與相鄰噴管壁固連的氣流導向塊6固連；氣流導向塊6上設(shè)有的通氣孔7可連通不相鄰的流道。
所述的氣液混合相氣化噴嘴在噴嘴端部的外壁上設(shè)有冷卻盤管4，冷卻盤管4可為2-5層，每層可設(shè)為10圈，設(shè)有2個進水和2個出水口。
氣液混合相氣化噴嘴的使用方法，是第1流道為氣相氣化介質(zhì)，第2流道為氧氣，第3流道為液相氣化介質(zhì)。
見圖3、圖4，氣液混合相氣化噴嘴為五流道水冷盤管型，最外層有蒸汽保護流道，無火盆遮蔽，與氣化爐拱頂爐口的改造相匹配，具有效氣體成分高及操作壽命較長的共同優(yōu)點。除以下不同外，其余結(jié)構(gòu)與上述圖1、2相同。五流道氣液混合相氣化噴嘴噴頭3端部的內(nèi)腔與中心線的夾角第1流道21夾角α1為0°～2°，第2流道22夾角α2為1°～5°，第3流道23夾角α3為5°～8°，第4流道24夾角α4為15°～18°，第5流道25夾角α5為20°～25°。噴頭3端部外腔與水平線的夾角βx第1流道21夾角β1為90°～85°，第2流道22夾角β3為85°～80°，第3流道23夾角β3為80°～75°第4流道24為夾角β475°～70°，第5流道25夾角β5為60°～40°。各噴管內(nèi)腔的橫截面與噴頭端部的環(huán)形面積比為第1流道21為3.9～1.5∶1，第2流道22為8.2～5.8∶1，第3流道23為13～10.6∶1第4流道24為9.8～7.4∶1，第5流道25為13.2～10.8∶1。噴嘴的第一流道21的噴管由支撐環(huán)5與相鄰噴管壁固連，噴嘴的端部有與相鄰噴管壁固連的氣流導向塊6；氣流導向塊6上設(shè)有的通氣孔7可連通不相鄰的二、四流道。
各流道物料不同的混合方式，氧氣與天然氣的混合方式為平(斜)剪撞擊式，即中心少量天然氣及氧氣垂直(90°)平剪進入，大量天然氣以78.5°角度(以噴嘴噴口平面為0°)斜剪撞擊切入。保護蒸汽以16.6°/21.2°角度進入；采取了各流道物料不同且相匹配的質(zhì)量流速，即中心少量天然氣的質(zhì)量流速為25.6m/s；氧氣與大量天然氣的質(zhì)量流速差為31.5m/s；保護蒸汽流速為21.8m/s。這樣，有效解決氣化爐拱頂超溫問題，保證了獲得較高的有效氣體成分，同時也使氣化噴嘴與氣化爐合理匹配且在氣化爐內(nèi)形成最佳的流場及溫度場。通過氣化噴嘴頂部法蘭口，可以方便地安裝及拆卸開工噴嘴，保證氣化噴嘴安裝開工噴嘴的正常升溫及拆卸開工噴嘴的正常操作；通過中間法蘭，可以方便地打開噴嘴進行檢修或更換噴嘴噴口端部；較低的冷卻水壓力保證了即使發(fā)生冷卻水腔或盤管損壞而不至于使水泄漏到氣化爐內(nèi)(爐內(nèi)操作壓力6.0Mpa)而損壞剛玉磚耐火襯里，延長了耐火襯里的使用壽命。
對比例為水冷盤管型氣化噴嘴。該噴嘴與實施例的最大不同點是該氣化噴嘴總體結(jié)構(gòu)為兩流道設(shè)置，無保護蒸汽流道設(shè)置。其在技術(shù)上存在一些不足第一是該噴嘴的有效氣體成分較低，為91％～93％之間，氣化爐的原料消耗較高；第二是為了降低氣化爐拱頂溫度，采取了加厚氣化爐拱頂隔熱襯里厚度的方法，但加厚拱頂隔熱襯里厚度后，為了保持拱頂?shù)姆€(wěn)定性，直筒處切線下移，使拱頂重量增大，且投資增加；第三是該類噴嘴的水冷腔截面結(jié)構(gòu)形狀為方形，盡管加工制造方便，但受力不佳，熱應力較高，容易發(fā)生其焊縫損壞開裂，影響噴嘴的操作壽命短，從而影響了氣化爐的長周期滿負荷運行。
對比例與實施例的主要技術(shù)比較如下


權(quán)利要求
1.一種氣液混合相氣化噴嘴，包括帶有法蘭盤的氣化介質(zhì)進口管(1)或液化介質(zhì)進口管(11)與其對應的多流道噴管(2)相固連，噴頭(3)與噴管(2)固連或為一體，其特征是還包括有所述噴頭(3)與噴管(2)為等壁厚固連，其過渡為平滑過渡；噴頭內(nèi)、外壁為錐形，其壁厚以直線均勻減薄，呈梯形；噴頭(3)端部的噴口壁厚為1～5mm。
2.如權(quán)利要求1所述的氣液混合相氣化噴嘴，其特征是包括有所述的噴頭(3)、水冷盤管(4)采用耐高溫合金材料。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氣液混合相氣化噴嘴，其特征是所述的噴頭(3)、水冷盤管(4)采用的耐高溫合金材料較佳的為INCONEL 600、HAYNES合金、UMCo-50、HASTELLOY、C-276或Stellite 6材料。
4.如權(quán)利要求3所述的氣液混合相氣化噴嘴，其特征是所述的噴頭(3)端部的內(nèi)腔與中心線的夾角αx第1流道(21)夾角α1為0°～5°，第2流道(22)夾角α2為10°～18°，第3流道(23)夾角α3為15°～25°或第1流道(21)夾角α1為0°～2°，第2流道(22)夾角α2為1°～5°，第3流道(23)夾角α3為5°～8°第4流道(24)夾角α4為15°～18°，第5流道(25)夾角α5為20°～25°；噴頭端部外腔與水平線的夾角βx第1流道(21)夾角β1為90°～85°，第2流道(22)夾角β2為85°～70°，第3流道(23)夾角β3為80°～65°或第1流道(21)夾角β1為90°～85°，第2流道(22)夾角β3為85°～80°，第3流道(23)夾角β3為80°～75°第4流道(24)為夾角β475°～70°，第5流道(25)夾角β5為60°～40°。
5.如權(quán)利要求4所述的氣液混合相氣化噴嘴，其特征是包括有各噴管內(nèi)腔的橫截面與噴頭端部的環(huán)形面積比為第1流道(21)為10.6～9.2∶1，第2流道(22)為6.7～4.3∶1，第3流道(23)為4.9～2.5∶1或第1流道(21)為3.9～1.5∶1，第2流道(22)為8.2～5.8∶1，第3流道(23)為13～10.6∶1第4流道(24)為9.8～7.4∶1，第5流道(25)為13.2～10.8∶1。
6.如權(quán)利要求5所述的氣液混合相氣化噴嘴，其特征是包括有噴嘴的第一流道(21)的噴管由支撐環(huán)(5)與相鄰噴管壁固連或為盲孔與相鄰噴管壁固連的氣流導向塊(6)固連；氣流導向塊(6)上設(shè)有的通氣孔(7)可連通不相鄰的流道。
7.如權(quán)利要求6所述的氣液混合相氣化噴嘴，其特征是包括有在噴嘴端部的外壁上設(shè)有冷卻盤管(4)，冷卻盤管(4)可為2-5層，每層可設(shè)為2～10圈，可設(shè)有2-5個進水和出水口。
8.如權(quán)利要求1所述的氣液混合相氣化噴嘴，其特征是包括有所述的多流道噴管為二流道一六流道噴管。
9.如權(quán)利要求1所述的氣液混合相氣化噴嘴的使用方法，其特征是第1流道(21)為氣相氣化介質(zhì)，第2流道(22)為氧氣，第3流道(23)為液相氣化介質(zhì)或第1流道(21)為氣相氣化介質(zhì)，第2流道(22)為氧氣，第3流道(23)為液相氣化介質(zhì)，第4流道(24)為氧氣(少量)。
10.如權(quán)利要求9所述的氣液混合相氣化噴嘴的使用方法，其特征是還包括有在最外流道為保護蒸汽。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及非催化氧化法氣化爐用氣液混合相氣化噴嘴的結(jié)構(gòu)及使用方法。一種氣液混合相氣化噴嘴，包括帶有法蘭盤的氣化介質(zhì)進口管或液化介質(zhì)進口管與其對應的多流道噴管相固連，噴頭與噴管固連或為一體，其主要特點是還包括有所述噴頭與噴管為等壁厚固連，其過渡為平滑過渡；噴頭內(nèi)、外壁為錐形，其壁厚以直線均勻減薄，呈梯形；噴頭端部的噴口壁厚為1～5mm。本發(fā)明氣化噴嘴與氣化爐拱頂及爐口結(jié)構(gòu)的合理布置獲得了最佳的流場及溫度場匹配而達到最好的氣化效果，保證有效氣體成分大于95.5％，最高可達96.3％。延長了氣化噴嘴的操作壽命，解決由于氣化噴嘴的損壞引起氣化爐爐口磚損壞而導致的爐口磚使用壽命短，頻繁停車問題，滿足氣化裝置的長周期，滿負荷運行要求，提高裝置的經(jīng)濟效益。
文檔編號B01J19/26GK1648526SQ20041002586
公開日2005年8月3日 申請日期2004年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月21日
發(fā)明者郭文元, 王輔臣, 亢萬忠, 劉海峰, 蔣自平, 高先波, 徐積源, 鄭泉杰, 李曉黎, 龔欣, 李磊, 于遵宏, 高步新, 鄒杰, 章晨輝, 王明鋒, 周永康 申請人:中國石化集團蘭州設(shè)計院, 華東理工大學