本發明涉及一種氣化爐燒嘴，具體涉及一種帶有水冷盤管保護的干煤粉氣流床氣化爐燒嘴。
背景技術：
我國是世界煤炭生產和消費大國，目前，煤炭在我國一次能源消費結構中占70％左右，其中一半以上的煤炭都是采用直接燃燒的方式加以利用，由此產生的燃煤污染物對生態環境造成了嚴重的污染。煤氣化是重要的潔凈煤技術之一，具有廣泛的應用。當前主要的煤氣化技術有移動床(固定床)氣化、流化床氣化、氣流床氣化和熔融床氣化，其中氣流床氣化技術因其氣化強度高、單爐生產能力大、煤種適應范圍廣、碳轉化率高等優點已成為煤炭氣化技術的主要發展方向。
燒嘴是氣流床氣化裝置的關鍵部件。在粉煤氣化過程中，燒嘴主要有兩個方面的作用，一是促進煤粉的彌散，提高煤粉與氣化劑的混合強度；二是與爐體匹配以形成適宜的流場結構，最終提高氣化的效率。由于氣化爐燒嘴頭部長期暴露在爐內1600℃左右的高溫熱輻射及熱氣流環境中，導致燒嘴前端極易燒損，燒嘴的使用壽命普遍較短(通常為3～6個月，最好的情況也只能接近1年)，經常需要停車檢修，嚴重影響到了氣化爐運行的經濟性。例如:一套造氣量80000nm3/h的煤氣化生產線停運一次經濟損失達4000萬元以上。為確保燒嘴的長周期穩定運行，保證氣化爐的經濟效益，燒嘴一個無維修運轉周期應該在1年以上，最好能達到5～10年。
燒嘴的結構設計與燒嘴壽命密切相關，科技工作者對燒嘴結構進行了大量的研究。公開號為cn102399593a的中國發明專利公布了一種用于氣化爐的燒嘴，該燒嘴包括由內向外同軸布置燃料通道和氣化劑通道，燒嘴前部外殼上設置冷卻水夾套或冷卻水盤管,在燒嘴頂部設置燒嘴前臉夾套，氣化劑通道內還設有冷卻管，冷卻管從外部引入冷卻劑進入氣化劑通道內并直接噴射到燒嘴頭部進行冷卻降溫，冷卻劑最后由噴氣口噴出。該燒嘴存在以下缺陷：(1)燃料通道出口端的噴料口上固定連接有燒嘴噴頭，該燒嘴噴頭為收口式結構，導致燒嘴噴頭極易被磨損；(2)冷卻劑難以均勻的噴射到燒嘴頭部，導致未噴射到的局部高溫腐蝕。公開號為cn1710333a的中國發明專利公開了一種用于氣化爐的旋流燃燒器，它徑向由內往外依次同軸線布置了三級水冷夾套，雖然提高了燒嘴使用壽命，但是制造工藝復雜，加工制造成本很高，而且拆裝維護也不方便。結構復雜，可靠性差，一旦任何一級水冷夾套出現問題，整個燒嘴都要拆下，返廠維修。
技術實現要素：
本發明的目的是解決現有氣化爐燒嘴制造成本高、在爐內高溫條件下易燒損、使用壽命短以至于經常導致氣化爐停車的問題，進而提供一種帶有水冷盤管保護的干煤粉氣流床氣化爐燒嘴。
一種帶有水冷盤管保護的干煤粉氣流床氣化爐燒嘴，它包括煤粉管道、氣化劑管道、水冷盤管，氣化劑管道收縮口，煤粉管道與氣化劑管道由內向外同軸布置，氣化劑管道背離燒嘴頭部的一端與煤粉管道的外側壁密封安裝，煤粉管道的頂端設有煤粉氣流進口，靠近氣化劑管道的頂端設有氣化劑進口，水冷盤管的兩端分別設置有冷卻水進水管和冷卻水出水管，煤粉管道為直管道，氣化劑管道出口端設有收縮口，收縮口與燒嘴軸線成夾角θ，水冷盤管設置在燒嘴頭部的收縮口外壁面上，氣化劑管道出口端面與煤粉管道出口端面之間的垂直距離為l。
所述收縮角θ為0°＜θ≤45°，以此設置便于增強氣化劑與煤粉的混合，加快煤氣化反應進行。
所述l為0≤l≤50mm，以此設置增加了氣化劑與煤粉的預混段，強化氣化劑與煤粉的混合，同時又防止預混段過長，使得煤粉提前燃燒，燒蝕燒嘴。
所述水冷盤管為1根管道。
所述水冷盤管為多根管道，且相鄰的兩根管道間設有盤管隔板(7)。
所述冷卻水進水管設置在水冷盤管靠近爐膛的一端，所述冷卻水出水管(3)設置在水冷盤管遠離爐膛的一端。
所述煤粉管道中走煤粉，氣化劑管道中走氧氣或者氧氣與水蒸氣的混合氣體。
所述水冷盤管為1根管道或者多根管道，且相鄰的兩根管道間設有盤管隔板。
所述收縮角θ為0°≤θ≤45°。
所述l為0≤l≤50mm。
所述冷卻水進水管設置在水冷盤管靠近爐膛的一端，所述冷卻水出水管設置在水冷盤管遠離爐膛的一端。
所述煤粉管道中走煤粉，氣化劑管道中走氧氣或者氧氣與水蒸氣的混合氣體。
一只采用現有發明的燒嘴制造成本為150-200萬元，燒嘴使用6個月后燒嘴頭部即發現有明顯的燒蝕，燒嘴水冷套開裂漏水。企業被迫關閉整條生產線，以停爐更換燒嘴，據統計造成總體經濟損失約5000萬元。
一只采用本發明制備的燒嘴制造成本為50-100萬元，約為相同規格的現有燒嘴制造成本的30％-50％；經過試燒，采用本發明的燒嘴未見燒蝕現象，燒嘴壽命可達2-3年以上，為現有燒嘴壽命的4-6倍，為企業節省燒嘴更換及維護費用800-1200余萬元。
本發明有以下有益效果：
本發明煤粉管道為直管式結構，氣化劑管道出口為收縮口式結構，在氣化劑管道收縮口外壁面上設置水冷盤管，用于對燒嘴噴頭進行冷卻降溫。具有以下優點：
一、本發明結構簡單，制造成本低，穩定可靠，維護方便。
現有技術如cn1710333a所述，常采用多級水冷夾套來保護燒嘴，其制造成本高，結構復雜，可靠性差，一旦任何一級水冷夾套出現問題，整個燒嘴都要拆下，返廠維修。本發明在燒嘴頭部氣化劑管道外壁面上設置水冷盤管，利用水冷盤管對燒嘴頭部進行冷卻降溫。安裝在燒嘴頭部的水冷盤管不僅能有效的保護燒嘴免受爐膛高溫熱輻射及熱氣流的燒蝕，而且結構簡單，制造成本低，穩定可靠。即便由于氣化爐操作參數異常波動等原因導致水冷盤管燒損，只需將水冷盤管單獨拆下，在生產現場更換即可，燒嘴整體不必返廠維修，節省了大量時間及人力、物力，可見本發明維護方便。
二、本發明煤粉與氣化劑混合效果好
如專利cn1710333a所述，現有技術中煤粉通道與氣化劑通道之間普遍設置有水冷夾套，水冷夾套依次由外壁、進水通道、中間夾層、出水通道、外壁組成，因此水冷夾套較厚，厚度約為75mm。煤粉環腔通道與氣化劑環腔通道間隙小，約為10mm。燒嘴出口處煤粉氣流與氣化劑氣流之間的距離是煤粉氣流厚度的7.5倍，不利于煤粉與氣化劑的迅速混合發生氣化反應。本發明中煤粉通道區域與氣化劑通道區域之間只有一層約為15mm的管壁，燒嘴出口處煤粉氣流與氣化劑氣流之間的距離是現有技術的五分之一，并且由于氣化劑通道出口端收縮口的存在，加速氣化劑氣流與煤粉氣流的混合，促進氣化反應進行。
三、本發明燒嘴與爐內高溫煙氣的接觸面積小，有利于保護燒嘴
如專利cn1710333a所述，現有技術中采用水冷夾套保護燒嘴，每級水冷夾套依次由外壁、進水通道、中間夾層、出水通道、外壁組成，因此水冷夾套較厚，每級水冷夾套厚度約為75mm，每級水冷夾套頭部與煙氣接觸的面積即為厚度約75mm的環形面積。目前常用的燒嘴一般采用多級水冷夾套保護燒嘴，燃燒器頭部裸露于煙氣中的面積大，容易發生高溫氧化與燒損。本發明中設置煤粉管道在氣化劑管道內具有一定的縮進距離，因此煤粉管道處于低溫的氣化劑氣流(外側)與煤粉氣流(內側)的包裹中，煤粉管道與高溫煙氣不接觸，因此本發明中燒嘴頭部與煙氣接觸的總面積即為壁厚約為15mm的氣化劑通道的管壁橫截面積。當本發明與現有技術的氣化劑通道內徑相同時，本發明的燒嘴頭部與煙氣接觸的面積不足現有技術的五分之一。因此，本發明燒嘴頭部與煙氣接觸的面積小，有利于保護燒嘴。
四、本發明使用壽命長
本發明采用冷卻盤管對燒嘴頭部氣化劑管道進行降溫，與現有技術中采用水冷夾套降溫相比，水冷盤管內的水流阻力遠小于后者。當燒嘴用冷卻水系統采用的水泵(或提供的水壓)一致時，水冷盤管內的水流速度遠遠高于水冷夾套內水流速度，對燒嘴氣化劑管道的換熱降溫效果要遠優于水冷夾套。在氣化爐正常運轉過程中，本發明中的中心煤粉管道不斷地向氣化爐內輸送低溫的煤粉氣流，氣化劑管道向爐內輸送低溫的氣化劑氣流，因此煤粉管道處于低溫的氣化劑氣流(外側)與煤粉氣流(內側)的包裹中，氣化劑管道處于低溫的氣化劑氣流(內側)與水冷盤管(外側)的包裹中，這對于燒嘴起到了冷卻降溫的作用。此外，燒嘴向爐內噴射的煤粉密度高達350～400kg/m3，可以在燒嘴出口處形成一個煤粉射流層，從而阻擋爐膛的高溫熱輻射和熱氣流對燒嘴的燒蝕，也能起到保護燒嘴的作用。可見本發明能有效實現燒嘴的冷卻降溫，從而延長燒嘴的使用壽命。
附圖說明
圖1為本發明采用單根水冷盤管時的整體結構剖視圖；
圖2為圖1的a向局部示意圖；
圖3為圖1的b向局部示意圖；
圖4為本發明采用單根異型螺旋型水冷盤管時的整體結構剖視圖；
圖5為圖4的a向局部示意圖；
圖6為圖4的b向局部示意圖；
圖7為本發明采用單根雙股螺旋型水冷盤管時的整體結構剖視圖；
圖8為圖7的a向局部示意圖；
圖9為圖7的b向局部示意圖；
圖10為本發明采用多根水冷盤管時的整體結構剖視圖；
圖11為圖10的a向局部示意圖；
圖12為圖10的b向局部示意圖。
具體實施方式
本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。
具體實施方式一：本實施方式一種帶有水冷盤管保護的干煤粉氣流床氣化爐燒嘴，它包括煤粉管道1、氣化劑管道2、水冷盤管5，氣化劑管道收縮口6，煤粉管道1與氣化劑管道2由內向外同軸布置，氣化劑管道2背離燒嘴頭部的一端與煤粉管道1的外側壁密封安裝，煤粉管道1的頂端設有煤粉氣流進口1-1，靠近氣化劑管道2的頂端設有氣化劑進口2-1，水冷盤管5的兩端分別設置有冷卻水進水管4和冷卻水出水管3，煤粉管道1為直管道，氣化劑管道2出口端設有收縮口6，收縮口6與燒嘴軸線成夾角θ，水冷盤管5設置在燒嘴頭部的收縮口6外壁面上，氣化劑管道2出口端面與煤粉管道1出口端面之間的垂直距離為l。
經過試燒，采用本實施方式的燒嘴未見燒蝕現象，燒嘴出口100mm位置溫度保持在1000℃左右，燒嘴壽命可達2-3年以上，為現有燒嘴壽命的4-6倍，為企業節省燒嘴更換及維護費用800-1200余萬元。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是所述收縮角θ為0°＜θ≤45°，以此設置便于增強氣化劑與煤粉的混合，加快煤氣化反應進行。。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同的是所述l為0≤l≤50mm，以此設置增加了氣化劑與煤粉的預混段，強化氣化劑與煤粉的混合，同時又防止預混段過長，使得煤粉提前燃燒，燒蝕燒嘴。其它與具體實施方式一或二之一相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是所述水冷盤管5為1根管道。其它與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是所述水冷盤管5為多根管道，且相鄰的兩根管道間設有盤管隔板7。其它與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是所述冷卻水進水管4設置在水冷盤管5靠近爐膛的一端，所述冷卻水出水管3設置在水冷盤管5遠離爐膛的一端。其它與具體實施方式一至五之一相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是所述煤粉管道1中走煤粉，氣化劑管道2中走氧氣或者氧氣與水蒸氣的混合氣體。其它與具體實施方式一至六之一相同。
本發明的工作原理：
煤粉在氮氣或二氧化碳的輸送下經煤粉管道1噴入氣化爐膛，氧氣與水蒸汽的混合氣體經氣化劑管道2出口端的收縮口6后，與燒嘴軸線成夾角θ高速噴入氣化爐膛，兩股氣流在噴入氣化爐膛較短距離后即相互混合發生氣化反應，具有壓頭的冷卻水由冷卻水進水管4進入水冷盤管5，由冷卻水出水管3流出，在水冷盤管5中，低溫冷卻水吸收來自水冷盤管5壁面的熱量，從而對收縮口6進行冷卻，煤粉管道1不斷地向氣化爐內輸送低溫的煤粉氣流，氣化劑管道2向氣化爐內輸送低溫的氣化劑氣流，因此煤粉管道1處于低溫的氣化劑氣流(外側)與煤粉氣流(內側)的包裹中，氣化劑管道收縮口6處于低溫的氣化劑氣流(內側)與水冷盤管5(外側)的包裹中，這對于燒嘴起到了進行冷卻降溫的作用。
另外，燒嘴向爐內噴射的煤粉密度高達350～400kg/m3，可以在燒嘴頭部出口處形成一個煤粉射流層，從而阻擋爐膛的高溫熱輻射和熱氣流對燒嘴的燒蝕，也能起到保護燒嘴的作用。
一只采用現有發明的燒嘴制造成本為150-200萬元，燒嘴使用6個月后燒嘴頭部即發現有明顯的燒蝕，燒嘴水冷套開裂漏水。企業被迫關閉整條生產線，以停爐更換燒嘴，據統計造成總體經濟損失約5000萬元。
一只采用本發明的燒嘴制造成本為50-100萬元，約為相同規格的現有燒嘴制造成本的30％-50％；經過試燒，采用本發明的燒嘴未見燒蝕現象燒嘴壽命可達2-3年以上，為現有燒嘴壽命的4-6倍，為企業節省燒嘴更換及維護費用800-1200余萬元。