專利名稱：一種水煤漿氣泡霧化噴嘴的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種水煤漿氣化設備，具體講是一種水煤漿氣泡霧化噴嘴。
背景技術：
水煤漿氣化噴嘴是水煤漿氣化工藝中的關鍵設備，其霧化性能對氣化效率、碳轉化率等有很大影響，其使用壽命則直接關系到氣化爐穩定運行的周期。因此，霧化性能及使用壽命是氣化噴嘴的評價標準中最重要的兩個方面。目前最常用的水煤漿氣化噴嘴是以德士古噴嘴為代表的三通道內外混氣動霧化噴嘴，采用同軸套管結構，中心通道和外環通道流通氧氣，內環通道流通水煤漿。中心通道相比內環通道有明顯內縮，形成供中心氧和水煤漿混合的內混室，水煤漿被稀釋和加速后從內混室出口噴出，發生初步霧化；外環氧在外環通道中加速后以很高的速度從外環通道出口噴出，在噴嘴外跟沿軸向噴出的水煤漿呈一定夾角發生沖擊、碰撞，使水煤漿發生二次霧化。
借助高的氣液相對速度差，氣動霧化克服了水煤漿粘度高霧化難的問題，這種將內混和外混結合的三通道氣動霧化噴嘴對水煤漿實現了不錯的霧化效果，在煤化工行業取得了出色的應用業績。但由于低速的水煤漿跟高速的中心氧混合后，水煤漿流速有了明顯提高，水煤漿中高硬度的固體顆粒對水煤漿噴嘴內壁面的磨損加快，縮短了噴嘴的使用壽命。德士古噴嘴壽命較短，一般2-3個月就需要對噴嘴進行維修或更換，對氣化爐長周期運行造成了很大影響，其中，水煤漿噴嘴的磨損是氣化噴嘴損壞的重要原因。為解決德士古三通道噴嘴磨損快壽命短的問題，研究人員嘗試在現有噴嘴結構的基礎上進行修改，但都難以解決噴嘴的磨損問題。例如
公開日為2010年10月6日，公開號為CN101850308A的中國專利文獻公開了“一種帶有鎳-碳化鎢涂層的水煤漿噴嘴及其制備方法”，通過在水煤漿噴嘴內壁制備一層鎳-碳化鎢涂層，以提高水煤漿噴嘴的耐沖蝕性能。但在噴嘴內壁制備耐磨涂層不僅加工難度大，加工質量難保證，而且涂層及噴嘴本體材料在不同溫度下熱膨脹性存在差異，在水煤漿長時間的沖刷作用下，耐磨涂層易剝落而失去保護作用。再例如
公開日為2011年11月23日，公開號為CN102250644A的中國專利文獻公開了“一種水煤漿氣化爐工藝燒嘴”，在中噴頭上設置了與外噴頭腔室相通的用于將外噴頭腔室中的氧氣導入中噴頭腔室中的氧氣導入部，將外噴頭中的部分氧氣導入內噴頭腔室，期望在內噴頭內壁形成一層氧氣層，起到阻止流經中噴頭的水煤漿與中噴頭腔室內壁的直接接觸，進而達到降低水煤漿對中噴頭腔室內壁的磨損的作用。但在實際使用過程中，從氧氣導入部過來的氧氣大多直接與水煤漿發生了混合，難以形成可以阻擋水煤漿的氧氣層，對中噴頭腔室內壁保護效果不明顯。為解決現有水煤漿氣化噴嘴存在的問題及設計出具有自主知識產權的煤氣化噴嘴，國內研究人員設計了不同結構的氣化噴嘴，但都存在一定問題。例如
公開日為2006年3月29日，公開號為CN1752521A的中國專利文獻公開了“水煤漿氣化噴嘴”，采用了三通道結構，中心氧、水煤漿和外環氧在混合室內混合，實現氣動霧化，并通過撞擊混合室內的圓臺型撞擊件加強霧化效果，氣液混合物最終通過霧化頭上的噴孔噴出。該噴嘴通過氣動霧化及撞擊，獲得了較好的霧化效果，但由于水煤漿沖擊撞擊件的速度及氣液混合物從噴孔噴出的速度都很高，水煤漿中高硬度的固體顆粒對撞擊件及霧化頭上的噴孔的磨損強度大，噴頭部分易磨壞，噴嘴使用壽命較短。再例如授權公告日為2008年12月31日，專利號為ZL200720306001. 4的中國專利文獻公開了 “帶有擴張段的直冷式水煤漿氣化噴嘴”，采用兩通道結構，中心管帶有擴張段，用于流通水煤漿，氣化劑走內環管，通過中心管的前半部分的兩排或多排進氣孔射流進入中心管，通過氣化劑射流對中心管的水煤漿沖擊混合實現霧化。該噴嘴的設計出發點是降低水煤漿對噴嘴的磨損程度，有利于提高噴嘴壽命，但僅依靠中心管上進氣孔噴出的氣體射流對水煤漿進行沖擊混合，其霧化效果難以滿足氣化工藝的要求。氣泡霧化是除氣動霧化以外的一種比較適合高粘度液體的霧化方式，是將高壓氣體(蒸汽)在流動的液體中產生氣泡，用氣泡作為霧化的動力，利用氣泡的產生、運動、變形直到噴嘴出口爆破來產生非常細的液霧。氣泡霧化對氣體的速度要求不高，這一點跟氣動霧化存在明顯差異。氣泡霧化噴嘴在燃用重、渣油工作爐上已經有一定的應用。例如授權公告日為1993年3月10日，專利號為ZL92209232.1的中國專利文獻公開了 “兩相流氣泡霧化噴嘴”，噴嘴由內外兩層殼體形成氣液分開的通道，在通道末端，氣體通過氣泡發生器進入液體流中形成無數個氣泡，具有氣泡的兩相流在先收縮后擴張的噴管中加速膨脹進行霧化。該專利中還對氣動霧化和氣泡霧化結合進行了嘗試，其方案4中，空氣除通過噴管壁上的小孔和錐面上的孔注入燃油中外，還有一股通過兩相流噴管與外套端部的環形的音速或超音速二次氣流沖擊由噴管排出的兩相流，使之進一步霧化。由于該方案中只有一個空氣入口，無法對參與氣泡霧化和氣動霧化的空氣比例進行調節，限制了噴嘴的負荷調節范圍。上述“兩相流氣 泡霧化噴嘴”適用于重油，但并不適用于水煤漿，其原因是水煤漿中含有大量高硬度的固體顆粒，而噴嘴前端設計為先收縮后擴張的超音速噴管，兩相流的流動速度很高，水煤漿對噴管的磨損會很強。氣泡霧化噴嘴目前主要用于高粘度的燃料油，單獨采用氣泡霧化的水煤漿氣化噴嘴還沒有成功的應用業績。目前還沒有專門為水煤漿設計的結合氣動霧化與氣泡霧化的氣化噴嘴方案。
發明內容
為了克服現有的水煤漿霧化噴嘴由于低速的水煤漿跟高速的中心氧混合后，水煤漿流速有了明顯提高，水煤漿中高硬度的固體顆粒對水煤漿噴嘴內壁面的磨損加快，縮短了噴嘴的使用壽命的問題，現在特別提出一種水煤漿氣泡霧化噴嘴。為實現上述技術效果，本發明技術方案如下
一種水煤漿氣泡霧化噴嘴，其特征在于包括有從內到外同軸依次設置的氣泡發生器、水煤漿噴嘴和環氧噴嘴，氣泡發生器與水煤漿噴嘴之間為水煤漿通道，氣泡發生器內為中心氧通道，水煤漿噴嘴與環氧噴嘴之間為環氧通道，所述氣泡發生器末端設置有氧氣噴孔，所述水煤漿噴嘴和環氧噴嘴為漸縮噴嘴，末端收縮段的錐角為20-50°。
所述氣泡發生器端部縮進于水煤漿出口端，水煤漿噴嘴的出口端縮進于環氧噴嘴的出口端，在所述氣泡發生器端部與水煤漿出口端之間形成混合室，混合室出口端為混合室噴口，所述環氧噴嘴出口端為環氧噴口。所述氣泡發生器和水煤漿噴嘴的外壁上設計有定位塊。所述環氧噴口外側設置有冷卻水夾套，環氧噴嘴外側面設設置有冷卻水盤管。本發明的工作原理為氧氣經氧氣入口進入中心氧通道(氣泡發生器內)和環氧通道(水煤漿噴嘴跟環氧噴嘴之間)，水煤漿經水煤漿入口進入水煤漿通道(氣泡發生器跟水煤漿噴嘴之間)。氣泡發生器中的氧氣經氧氣噴孔噴入水煤漿通道中，在水煤漿中形成了大量的細小氣泡，氣泡隨水煤漿一起流動，并與水煤漿逐漸混合均勻，在混合室中形成了均勻的氣液兩相流。經混合室的收縮段加速后，氣液兩相流從混合室噴口中噴出，由于壓力下降，氣泡迅速膨脹、破碎，使水煤漿發生霧化，該過程為氣泡霧化。環氧通道中的氧氣經收縮段加速后，以很高的速度從環氧噴口中噴出，與氣泡霧化后的水煤漿發生沖擊、碰撞，水煤漿被進一步霧化，該過程為氣動霧化。本發明的優點在于1、本發明將氣泡霧化與氣動霧化結構相結合，首先利用小部分氧氣通過氣泡霧化使連續的水煤漿流體被撕裂、破碎，達到初步霧化的效果；然后利用大部分氧氣通過氣動霧化對水煤漿進行二次霧化，使水煤漿實現完全霧化，霧化效果更加徹底。由于氣泡霧化在較小的氣液比下能達到不錯的霧化效果，同時對氣體流動速度要求不高，可以利用部分氧氣參與氣泡霧化，通過增大氣液兩相流的噴口面積，降低氣液兩相流的出口速度，以減小水煤漿對噴嘴的磨損程度，提高噴嘴的壽命；剩余氧氣采用氣動霧化方式，對經過氣泡霧化后的水煤漿進行進一步霧化，使噴嘴達到更好的霧化效果；將參與氣泡霧化和氣動霧化的氧氣分開進行控制，有助于對參與這兩個過程的氧氣比例進行調節，使噴嘴在不同負荷條件下都能實現好的霧化效果。2、本發明的噴嘴將氣泡霧化與氣動霧化這兩種適用于高粘度液體的霧化方式結合起來，通過氣泡霧化解決了水煤漿噴嘴易磨損的問題，明顯提高了水煤漿噴嘴的壽命。
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3、氣泡霧化對液體粘度適應性好，可用于水煤漿，同時流動速度對氣泡霧化的效果影響不大，將混合室噴口增大至現有德士古三通道噴嘴混合室噴口面積的2-6倍，使由氧氣和水煤漿組成的氣液兩相流從混合室噴口噴出的速度明顯低于德士古噴嘴內混室的出口速度，降低了混合室出口處內壁的磨損程度，明顯提高了水煤漿噴嘴的壽命。在經歷了氣泡霧化和氣動霧化兩個階段后，水煤漿實現了完全霧化，本發明設計的霧化噴嘴取得了出色的霧化效果。4、本發明將參與氣泡霧化與氣動霧化的氧氣分開控制，在使用過程中便于對參與氣泡霧化和氣動霧化的氧氣比例進行調節，使噴嘴在不同負荷條件下都能實現好的霧化效果O5、本發明的定位塊可對氣泡發生器、水煤漿噴嘴及環氧噴嘴進行定位。6、本發明的冷卻水夾套和冷卻水盤管，二者共同組成該霧化噴嘴的冷卻結構。通過冷卻水對噴嘴進行冷卻，避免噴嘴在氣化爐中1300-1500°C的高溫環境下燒壞。
圖1為本發明結構示意圖。附圖中1、氣泡發生器 2、定位塊 3、水煤漿噴嘴 4、環氧噴嘴 5、氧氣噴孔
6、冷卻水盤管7、混合室8、冷卻水夾套 9、環氧噴口 10、混合室噴口。
具體實施例方式解決水煤漿噴嘴3的磨損問題，有兩個途徑材料技術進步及結構設計；霧化性能則主要通過噴嘴結構設計來保證。現有的噴嘴設計方案都沒能同時解決好這兩個問題，在目前的材料技術條件下，本發明設計出一種既能滿足水煤漿的霧化性能要求，又能減輕水煤漿對噴嘴的磨損的水煤漿氣化噴嘴。一種水煤漿氣泡霧化噴嘴，其特征在于包括有從內到外同軸依次設置的氣泡發生器1、水煤漿噴嘴3和環氧噴嘴4，氣泡發生器I與水煤漿噴嘴3之間為水煤漿通道，氣泡發生器I內為中心氧通道，水煤漿噴嘴3與環氧噴嘴4之間為環氧通道，所述氣泡發生器I末端設置有氧氣噴孔5，所述水煤漿噴嘴3和環氧噴嘴4為漸縮噴嘴，末端收縮段的錐角為20-50°。所述末端收縮段的錐角的最佳為45-48°。即水煤漿噴嘴3的出口端面跟環氧噴嘴4的出口端面相比略有縮進，氣泡發生器I的端部跟水煤漿噴嘴3的出口端面相比有明顯的縮進，氣泡發生器I端部跟水煤漿噴嘴3的出口端面之間形成了混合室7，水煤漿和氧氣氣泡在混合室7中形成氣液兩相流，氣泡發生器I端部縮進于水煤漿出口端，水煤漿噴嘴3的出口端縮進于環氧噴嘴4的出口端，在所述氣泡發生器I端部與水煤漿出口端之間形成混合室7，混合室7出口端為混合室噴口 10，所述環氧噴嘴4出口端為環氧噴口 9。氣泡發生器I和水煤漿噴嘴3的外壁上設計有定位塊2。環氧噴口 9外側設置有冷卻水夾套8，環氧噴嘴4外側面設設置有冷卻水盤管6。氧氣經氧氣入口進入中心氧通道氣泡發生器I內和環氧通道水煤漿噴嘴3跟環氧噴嘴4之間，水煤漿經水煤 漿入口進入水煤漿通道氣泡發生器I跟水煤漿噴嘴3之間。氣泡發生器I中的氧氣經氧氣噴孔5噴入水煤漿通道中，在水煤漿中形成了大量的細小氣泡，氣泡隨水煤漿一起流動，并與水煤漿逐漸混合均勻，在混合室7中形成了均勻的氣液兩相流。經混合室7的收縮段加速后，氣液兩相流從混合室噴口 10中噴出，由于壓力下降，氣泡迅速膨脹、破碎，使水煤漿發生霧化，該過程為氣泡霧化。環氧通道中的氧氣經收縮段加速后，以很高的速度從環氧噴口 9中噴出，與氣泡霧化后的水煤漿發生沖擊、碰撞，水煤漿被進一步霧化，該過程為氣動霧化。本發明的創新是通過噴嘴的結構將氣泡霧化與氣動霧化相結合，首先利用小部分氧氣通過氣泡霧化使連續的水煤漿流體被撕裂、破碎，達到初步霧化的效果；然后利用大部分氧氣通過氣動霧化對水煤漿進行二次霧化，使水煤漿實現完全霧化。氣泡霧化對液體粘度適應性好，可用于水煤漿，同時流動速度對氣泡霧化的效果影響不大，通過增大混合室噴口 10，使由氧氣和水煤漿組成的氣液兩相流從混合室噴口 10噴出的速度明顯低于德士古噴嘴內混室的出口速度，降低了混合室7出口處內壁的磨損程度，明顯提高了水煤漿噴嘴3的壽命。在經歷了氣泡霧化和氣動霧化兩個階段后，水煤漿實現了完全霧化，本發明設計的霧化噴嘴取得了出色的霧化效果。
權利要求
1.一種水煤漿氣泡霧化噴嘴，其特征在于包括有從內到外同軸依次設置的氣泡發生器(1)、水煤漿噴嘴(3 )和環氧噴嘴(4)，氣泡發生器(1)與水煤漿噴嘴(3 )之間為水煤漿通道，氣泡發生器1)內為中心氧通道，水煤漿噴嘴(3)與環氧噴嘴(4)之間為環氧通道，所述氣泡發生器(I)末端設置有氧氣噴孔(5)，所述水煤漿噴嘴(3)和環氧噴嘴(4)為漸縮噴嘴， 末端收縮段的錐角為20-50°。
2.根據權利要求1所述的一種水煤漿氣泡霧化噴嘴，其特征在于所述末端收縮段的錐角為45-48°。
3.根據權利要求2所述的一種水煤漿氣泡霧化噴嘴，其特征在于所述氣泡發生器(1) 端部縮進于水煤漿出口端，水煤漿噴嘴(3)的出口端縮進于環氧噴嘴(4)的出口端，在所述氣泡發生器(I)端部與水煤漿出口端之間形成混合室(7)，混合室(7)出口端為混合室噴口 (10)，所述環氧噴嘴(4)出口端為環氧噴口(9)。
4.根據權利要求3所述的一種水煤漿氣泡霧化噴嘴，其特征在于所述氣泡發生器(1) 和水煤漿噴嘴(3)的外壁上設計有定位塊(2)。
5.根據權利要求4所述的一種水煤漿氣泡霧化噴嘴，其特征在于所述環氧噴口(9)外側設置有冷卻水夾套(8 )，環氧噴嘴(4)外側面設設置有冷卻水盤管(6 )。
全文摘要
本發明屬于一種水煤漿氣化設備，具體講是一種水煤漿氣泡霧化噴嘴，包括有從內到外同軸依次設置的氣泡發生器、水煤漿噴嘴和環氧噴嘴，氣泡發生器與水煤漿噴嘴之間為水煤漿通道，氣泡發生器內為中心氧通道，水煤漿噴嘴與環氧噴嘴之間為環氧通道，所述氣泡發生器末端設置有氧氣噴孔，所述水煤漿噴嘴和環氧噴嘴為漸縮噴嘴，末端收縮段的錐角為20-50°。本發明的優點在于將氣泡霧化與氣動霧化結構相結合，首先利用小部分氧氣通過氣泡霧化使連續的水煤漿流體被撕裂、破碎，達到初步霧化的效果；然后利用大部分氧氣通過氣動霧化對水煤漿進行二次霧化，使水煤漿實現完全霧化，霧化效果更加徹底。
文檔編號C10J3/48GK103045306SQ201210573798
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月26日 優先權日2012年12月26日
發明者李少華, 王曉亮, 張慶, 萬志偉 申請人:中國東方電氣集團有限公司