复合式粉体燃料旋风燃烧器制造技术

本发明专利技术公开了复合式粉体燃料旋风燃烧器，包括中心通道、中环通道、旋流模块、外环通道多及夹套式冷却通道组成，中心通道用于输送粉体燃料，采用中环通道设置旋流模块的方法实施风包粉设计，并在外环进行主要气化剂和保护气体的交叉剪切实施旋流扩角的控制，实现双层风包粉粉体燃料的旋流式弥散射流，大大提高了气化效率，并在燃烧器的外侧设计了具有迷宫结构的双侧冷却夹套，有效保护燃烧器的冷却降温。该燃烧器的结构设计还考虑燃烧与气化两者公用的功能，实现了功能一体化，大大提高气化系统操作性，具有大规模推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】
复合式粉体燃料旋风燃烧器
本专利技术涉及一种粉体燃料旋风燃烧器，属于燃料清洁利用

技术介绍
旋风燃烧技术在燃料燃烧
已经应用多年，主要在煤燃烧锅炉等工业领域，而在化工
的应用十分罕见。随着现代化工技术的不断发展，固体/液体燃料气化技术在上个世纪开始逐渐成为化工行业原料预处理的主要手段。其中最具代表性的为气流床气化技术，已经工业化的气流床气化技术主要由湿法气化和干法气化两种，其中干法气化的主要代表为干煤粉气化技术，如Shell气化技术、西门子气化技术和中国航天气化技术等，由于其整体气化效率的高效性和稳定性，已经在煤化工
占领主要技术市场地位。先进的干粉气化技术除了气化炉本体设计之外，最关键的核心设备为燃烧器，或称烧嘴。目前，浆体燃料的燃烧器使用寿命通常为3个月，而粉体燃料燃烧器的使用寿命可达到8000h，由于干粉气化技术通常采用了水冷壁气化炉内件设计，其气化炉本体的使用寿命远远超过8000h，最长甚至可以达到10年，因此粉体燃料燃烧器的使用寿命与其气化炉本体的使用寿命存在较大的时间差，在燃烧器的使用寿命上有待进一步改进。气流床气化，尤其是干粉气化技术，气化炉内气化温度达到1400℃以上，在燃烧区甚至超过2000℃，由于气化反应属于缺氧状态下的瞬间高温高压燃烧，反应速度极快，过程瞬间发生，通常在6s内完成主要燃烧反应，因此，燃烧器的性能直接决定炉内温度分布的合理性与气化系统整体效率。美国等欧美国家在气化技术的燃烧器设计方面做了大量研发工作，且已经在世界范围内进行工业化使用，如美国专利US4510874、US4858538等。但以往技术通常采用单一的直流式烧嘴设计，尤其是针对粉体燃料燃烧器，通常采用最简单的双通道直流式燃烧方式，对粉体燃料与气化剂的混合效果考虑较少，特别是没有将混合过程与燃烧过程相结合，即两者的协同效应，导致在工业化应用中常见如下问题：气化不完全，导致气化系统碳转化率低，合成气有效气产量不达标；烧嘴前端冷却效果差，冷却不均，前端面高温侵蚀严重，在热腐蚀和热应力的双重作用下设备使用寿命短；气化火焰长度不可控，导致气化炉内炉壁挂渣不均，气化炉水冷壁局部烧蚀，渣钉热腐蚀严重；以上问题均可导致气化系统停车，给安稳长满优生产造成巨大影响，尤其是现有燃烧器功能单一，开停系统过程复杂。因此，有必要开发一种操作方便，气化效率高，维护简单，成本低廉的适合于粉体燃料气化的高效燃烧器，同时兼顾可在不更换燃烧器情况下直接冷启动的复合式粉体燃料烧嘴，以弥补现有粉体燃烧器的不足。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种复合式粉体燃料旋流燃烧器，采用三通道加旋流模块设计，旋流模块设置在中环通道，通过中环通道的气化剂旋流外包中心通道粉体燃料进行旋流弥散，实现“风包粉”式旋转射流，通过外环通道的直流式剪切作用控制旋流弥散张角，通过调节中环通道和外环通道的气体体积比和射流速度可达到最佳射流弥散效果和射流扩张角，从而实现最佳气化工况。此外，当燃烧器作为燃烧和烘炉使用时，可将中环通道通和外环通道承担燃烧介质通入组织燃烧任务。同时，为了对燃烧器进行冷却降温处理，燃烧器外围采用高效绕流式水冷夹套对燃烧器整体进行冷却降温。为了实现上述技术构思，本专利技术的技术方案是提供了一种复合式粉体燃料旋流燃烧器，主要包括粉体燃料通道、气化剂通道、冷却夹套三个部分组成。所述的粉体燃料通道主要为一个直通式的金属圆管，在金属圆管的前端采用外围锥形设计，以达到与中环通道的锥形通道结构匹配，锥形斜面与水平面形成一夹角θ，θ角度范围30°~75°，优选为45°~65°。所述的中心粉体燃料通道主要用于输送粉体燃料，其中，输送介质可为氮气、二氧化碳、氩气等气体的一种或其多种气体混合物。所述的气化剂通道分为各个通道，包括中环通道和外环通道，所述的中环通道与中心通道同轴相邻设置，并在中环通道内设有一旋流模块，中环通道前端采用锥形设计，与中心通道形成一内缩式夹角η，η角度范围15°~60°，优选为30°~45°。所述的燃烧器前端面冷却夹套采用迷宫式绕流设计，可采用双通孔绕环式冷却通道设计，也可采用迷宫式四通孔半环式冷却通道设计示，冷却剂流动方向可由内到外也可由外到内。所述的外环通道的前端采用锥形设计，与中环通道间形成一锥形环隙通道，外环通道前端侧环面与水平面形成一内缩式夹角β，β角度范围15°~60°，优选为30°~45°。所述的中环通道主要输送气化剂为含氧气体、水蒸汽、二氧化碳等气体的一种或其多种气体的混合物。所述的中环通道内置式旋流模块为一环形设计结构，并与燃烧器的中心通道、环形通道等同轴设置，所述旋流模块的轴向旋流角度α为1°~60°，α优选为10°~45°。所述的旋流模块旋流通道可以旋流器圆筒中心以同心圆沿圆周布置（见图3），或采用与中空环隙圆弧形成一定切角设置（见图4），可采用顺时针或逆时针式旋转设计，旋流通道数量为2~40，优选为6~16。所述的燃烧器的各通道采用内缩式设计，其中所述的中心粉体燃料通道前端面与中环通道前端面之间形成一间距h1，h1范围为1~30mm，优选范围3~15mm；所述的中环通道前端面与外环通道前端面之间形成一间距h2，h2范围为1~30mm，优选范围3~15mm；所述的外环通道前端面与燃烧器冷却通道前端面之间形成一间距h3，h3范围为1~30mm，优选范围3~15mm。所述的燃烧器中心通道前端面气固两相流射流的表观流速为1~50m/s，优选为5~20m/s。所述的燃烧器中环通道前端面气相流射流的表观流速为20~120m/s，优选为60~100m/s。所述的燃烧器外环通道前端面气相流射流的表观流速为40~140m/s，优选为80~120m/s。所述的燃烧器中环通道喷入的气化剂占总气化剂量5%~50%，优选为10%~30%。所述的燃烧器外环通道喷入的气化剂占总气化剂量50%~95%，优选为70%~90%。所述的外环通道主要输送气化剂和保护气体为含氧气体、水蒸汽、二氧化碳等气体的一种或其多种与氮气、氩气等惰性气体的一种或几种的混合物。所述的燃烧器外围冷却夹套采用双通道旋转回流式设计，在夹套外侧前端设置多层高低档筋状分隔板，在分隔板上设有进出孔，使冷却剂在夹套外侧通道内形成迷宫式绕流，其中所述的高低档筋状分隔板可设为1~10层，优选为3~5层。所述的燃烧器外围冷却夹套内采用的冷却剂为液态流动介质，可从夹套外侧或内侧进入冷却夹套，进口温度为20~300℃，当采用常压冷却时优选为20℃~40℃，当采用加压冷却时优选为150℃~250℃，冷却剂在夹套内的流速为3~25m/s，优选为5~15m/s。所述的燃烧器作为烘炉和燃烧使用时，关闭中心通道，中环通道通入天然气或柴油等燃料，外环通道通入空气或氧气等含氧气体组织燃烧，燃烧结束时可直接切换通道介质完成燃烧开启气化模式组织气化。本专利技术运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能，相比现有技术，本专利技术还具有如下有益效果：（1）采用内置旋流器的三通道结构设计，使粉体燃料在中环通道旋转射流的夹带下形成“风包粉”式射流，弥散效果远超直流交切式射流弥散，促进了气固相混合，提高了气固相间的滑移速度，气化反应速率和反应效果大大提高；（2）采用内置旋流器的三通道结构设计，三个通道采用内本文档来自技高网...

【技术保护点】
复合式粉体燃料旋风燃烧器，其特征在于，包括中心通道（4）、中环通道（5）、旋流模块（14）、外环通道（3）及夹套式冷却通道；所述的中心通道（4）、中环通道（5）、旋流模块（14）、外环通道（3）及夹套式冷却通道同轴设置，旋流模块（14）设置在中环通道（5）内；所述的中心通道（4）用于输送粉体燃料，采用氮气、二氧化碳、氩气等气体的一种或几种混合气体输送；所述的中环通道（5）在用于气化工况时送入小部分气化剂，气化剂为含氧气体、水蒸汽、二氧化碳等气体的一种或几种的混合气体；所述的外环通道（3）在用于气化工况时送入大部分气化剂及保护气体为含氧气体、水蒸汽、二氧化碳等气体的一种或其多种与氮气、氩气等惰性气体的一种或几种的混合物；所述的夹套冷却通道采用双通道设计，所述双通道包括外侧冷却通道（1）内侧冷却通道（2），外侧前端采用高低档筋状分隔板分隔成迷宫式绕路，高低档筋状分隔板设有1~10层，优选为3~5层，冷却剂可从内侧冷却通道或外侧冷却通道进入。

【技术特征摘要】
1.复合式粉体燃料旋风燃烧器，其特征在于，包括中心通道(4)、中环通道(5)、旋流模块(14)、外环通道(3)及夹套式冷却通道；所述的中心通道(4)、中环通道(5)、旋流模块(14)、外环通道(3)及夹套式冷却通道同轴设置，旋流模块(14)设置在中环通道(5)内；所述的中心通道(4)用于输送粉体燃料，采用氮气、二氧化碳、氩气气体的一种或几种混合气体输送；所述的中环通道(5)在用于气化工况时送入小部分气化剂，气化剂为含氧气体、水蒸汽、二氧化碳气体的一种或几种的混合气体；所述的外环通道(3)在用于气化工况时送入大部分气化剂及保护气体为含氧气体、水蒸汽、二氧化碳气体的一种或其多种与氮气、氩气惰性气体的一种或几种的混合物；所述的夹套冷却通道采用双通道设计，所述双通道包括外侧冷却通道(1)内侧冷却通道(2)，外侧前端采用高低档筋状分隔板分隔成迷宫式绕路，高低档筋状分隔板设有1～10层，冷却剂可从内侧冷却通道或外侧冷却通道进入。2.根据权利要求1中所述的复合式粉体燃料旋风燃烧器，其特征在于，所述的中环通道(5)内置式旋流模块(14)为一环形设计结构，所述旋流模块的轴向旋流角度α为1°～60°。3.根据权利要求2中所述的复合式粉体燃料旋风燃烧器，其特征在于，与中环通道(5)的内圆弧形成一定切角设置，采用顺时针或逆时针式旋转设计，旋流通道数量为2～40。4.根据权利要求1中所述的复合式粉体燃料旋风燃烧器，其特征在于，所述的燃烧器前端面冷却夹套采用迷宫式绕流设计是指采用双通孔绕环式冷却通道设计，或者采用迷宫式四通孔半环式冷却通道设计。5.根据权利要求1中所述的复合式粉体燃料旋风燃烧器，其特征在于，中心通道前端锥体与中环通道、外环通道的前端锥体锥形斜面与水平面分别形成夹角θ、η和β，所述θ角度范围30°～75°，所述η角度范围15°～60°，所述β角度范围15°～60°。6.根据权利要求1中所述的复合式粉体燃料旋风燃烧器，其特征在于，所述的燃烧器的各通道采用内缩式设计，其中所述的中心粉体燃料通道前端面与中环通道前端面之间形成一间距h1，h1范围为1～30mm；所述的中环通道前端面与外环通道前端面之间形成一间距h2，h2范围为1～30mm；所述的外环通道前端面与燃烧器冷却通道前端面之间形成一间距h3，h3范围为1～30mm。7.根据权利要求1中所述的复合式粉体燃料旋风燃烧器，其特征在于，所述的燃烧器中心通道前端面气固两相流射流的表观流速为1～50m/s；所述的燃烧器中环通道前端面气相流射流的表观流速为20～120m/s；所述的燃烧器外环通道前端面气相流射流的表观流速为40～140m/...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪建军，张翔，池国镇，
申请(专利权)人：上海锅炉厂有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31