喷嘴及包含其的气化炉、废水和有机废液的处理方法

1.本发明涉及一种粉煤气化用喷嘴及包含其的气化炉、废水和有机废液的处理方法。

背景技术：

2.气流床粉煤气化一般是用氧化剂(空气、富氧、氧气、蒸汽等)将煤粉通过喷嘴喷入气流床气化炉中进行气化以制造合成气(co、h2)，可作为合成氨、合成甲醇和合成液体燃料的原料，也作为冶金与窑炉用气、城市煤气等，是煤化工的重要过程之一。
3.以se东方炉粉煤加压气化技术为例，其以纯氧和煤粉为原料，目前已经达到单炉日处理2000吨煤的规模。该技术采用干煤粉加压气化加激冷流程，核心技术为单喷嘴水冷壁气化炉、气化烧嘴、工艺控制系统等。基于气流床气化炉内多相湍流反应流动过程和高灰熔点、高灰分煤灰渣特性研究，通过气化炉流场和壁面熔渣流动的调控，实现气化炉渣口高温区与液态排渣耦合、渣层厚度分布与温度分布耦合。该气化炉适合于高灰熔点、高灰分劣质煤的清洁高效气化，具有碳转化率高(98％)、有效气成分高(89％)、合成气飞灰含量低(《1mg/nm3)、灰渣比低(3:7)等优点。
4.随着我国双碳和环保等战略的推进，如何利用大型粉煤气化技术的还原性气氛和高温(1400℃)条件，将大量废水和有机废液无害化资源化高效利用既可以服务需求，也能够为企业带来收益。因此，迫切需要一种可处理废水和有机废液的粉煤气化喷嘴及其使用方法。

技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中无法将大量废水和有机废液无害化资源化高效利用的缺陷，提供一种喷嘴及包含其的气化炉、废水和有机废液的处理方法。
6.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
7.本发明提供一种粉煤气化用喷嘴，所述喷嘴包括从外而内依次同轴设置的外环喷头、中环喷头、内环喷头以及中心喷头；
8.所述外环喷头的内侧壁和所述中环喷头的外侧壁之间形成外环通道；所述中环喷头的内侧壁和所述内环喷头的外侧壁之间形成中环通道；所述内环喷头的内侧壁和所述中心喷头的外侧壁形成内环通道；所述中心喷头的内壁围合形成中心通道；
9.所述中心通道的收缩角a为0
°‑
20
°
，所述内环喷头的收缩角b为5
°‑
30
°
，所述中环喷头的收缩角c为15
°‑
45
°
，所述外环喷头的收缩角d为35
°‑
85
°
；
10.其中，各喷头的收缩角是指的各喷头在轴截面视图中，喷头侧壁所围设形成的角度。
11.较佳地，所述中心通道的收缩角a为10
°‑
20
°
；
12.和/或，所述内环喷头的收缩角b为5
°‑
10
°
；
13.和/或，所述外环喷头的收缩角d为35
°‑
65
°
。
14.较佳地，所述外环通道的内部设置有旋流器。
15.较佳地，所述旋流器的旋流数为s，其中0《s≤5；所述旋流数反映喷嘴出口处流体的切向速度与轴向速度之比。
16.较佳地，所述外环喷头的外周面设有水冷夹套。
17.本发明还提供一种气化炉，所述气化炉设有如上所述的喷嘴。
18.本发明还提供一种废水和有机废液的处理方法，所述废水和有机废液指表观粘度不大于1.2pa
·
s的工业与生活废水、含有机物液体或浆体(颗粒粒径不大于1mm)，所述处理方法使用包含如上所述的气化炉，所述处理方法包括如下步骤：
19.s1、将可燃气体通入所述中心通道和所述外环通道，将惰性气体通入所述内环通道，将氧气通入所述中环通道，打开点火装置对中心通道进行点火；
20.s2、点火完成后，将氧气通入所述中心通道和中环通道，将煤粉通入所述内环通道，将废水和有机废液通入所述外环通道，控制各通道内氧气、煤粉以及废水和有机废液的流量，生成所需物质。
21.较佳地，在上述步骤中，当废水和有机废液处理量波动较大时，将惰性气体掺混进入废水和有机废液并通入所述外环通道。
22.较佳地，在上述步骤中，所述中心通道喷出时的出口流速为10-80m/s；
23.和/或，所述内环通道喷出时的出口流速为1-30m/s；
24.和/或，所述中环通道喷出时的出口流速为50-100m/s；
25.和/或，所述外环通道喷出时的出口流速为0.5-10m/s。
26.较佳地，在上述步骤中，在切换步骤s1和s2中各通道内的喷入物质时，需保证所述气化炉不熄火。
27.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
28.本发明的积极进步效果在于：本发明的喷嘴可灵活处理不同流量的废水和有机废液，雾化效果好、无严重烧蚀、堵塞等问题，具有碳转化率和有效气成分含量高、合成气飞灰含量小、灰渣比低等优点，且无二次污染，节约蒸汽，可兼顾粉煤高效气化与废水和有机废液资源化利用。
附图说明
29.图1为本发明较佳实施例中喷嘴的剖面结构示意图。
30.图2为本发明较佳实施例中废水和有机废液的处理方法的流程示意图。
31.附图标记说明：
32.外环喷头10
33.中环喷头20
34.内环喷头30
35.中心喷头40
36.中心通道50
37.内环通道60
38.中环通道70
39.外环通道80
40.旋流器90
具体实施方式
41.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在下述的实施例范围之中。
42.如图1所示，本发明提供了一种粉煤气化用喷嘴，喷嘴包括从外而内依次同轴设置的外环喷头10、中环喷头20、内环喷头30以及中心喷头40。外环喷头10的内侧壁和中环喷头20的外侧壁之间形成外环通道80；中环喷头20的内侧壁和内环喷头30的外侧壁之间形成中环通道70；内环喷头30的内侧壁和中心喷头40的外侧壁形成内环通道60；中心喷头40的内壁围合形成中心通道50。其中，各喷头的收缩角是指的各喷头在轴截面视图中，喷头侧壁所围设形成的角度；即，在喷嘴中心轴线所在的纵截面上，每个喷头相对的两个内侧壁延长线相交形成的角度即为该喷头的收缩角。
43.中心通道50的收缩角a为0
°‑
20
°
，内环喷头30的收缩角b为5
°‑
30
°
，中环喷头20的收缩角c为15
°‑
45
°
，外环喷头10的收缩角d为35
°‑
85
°
。较佳地，各通道的收缩角在以下范围内：中心通道50的收缩角a为10
°‑
20
°
；内环喷头30的收缩角b为5
°‑
10
°
；中环喷头20的收缩角c为20
°‑
40
°
；外环喷头10的收缩角d为35
°‑
65
°
。
44.外环通道80的内部设置有旋流器90，旋流器90的外径与外环喷头10的内径相等。其中，旋流器90的旋流数为s，其中0《s≤5；旋流数反映喷嘴出口处流体的切向速度与轴向速度之比。通过设置旋流器90，使得外环通道80出口处流体的切向速度与轴向速度之比保持在预设的范围内，优化提高喷嘴的雾化角，提高喷嘴的混合雾化效果，提高碳的利用率(或转化率)，和有效气(h2+co)的产率，同时设置旋流器90后可有效地缩短燃烧火焰的长度，从而起到保护气流床气化炉的耐火衬里的作用，延长了炉子的寿命。
45.外环喷头10的外周面还设有水冷夹套。通过在外环喷头10的外周面设有水冷夹套，可以通过在水冷夹套内通入冷却水对喷嘴进行降温，避免喷嘴外部温度过高，延长喷嘴的寿命。
46.本发明还提供了一种气化炉，该气化炉使用上述的粉煤气化用喷嘴。通过将氧化剂(空气、富氧、氧气、蒸汽等)和煤粉通过上述喷嘴不同的通道喷入气流床气化炉中进行气化以制造合成气(co、h2)，以作为合成氨、合成甲醇和合成液体燃料的原料，或者作为冶金与窑炉用气、城市煤气等。
47.具体使用时，先将可燃气(液化石油气、天然气等)通入中心通道50，惰性气体(氮气、co2等)通入内环通道60，氧气通入中环通道70，可燃气(液化石油气、天然气等)通入外环通道80；然后通过点火器点燃中心通道50内的可燃气；然后再改变流入喷嘴内不同通道的物质，即将氧气通入中心通道50，煤粉通入内环通道60，氧气通入中环通道70，蒸汽通入外环通道80。通过上述方法可使得混合物在气流床气化炉中进行气化以制造合成气。
48.如图2所示，本发明还提供一种废水和有机废液的处理方法，其中，废水和有机废液指表观粘度不大于1.2pa
·
s的工业与生活废水、含有机物液体或浆体(有机物的颗粒粒径不大于1mm)。废水和有机废液可通过上述的气化炉进行处理。
49.废水和有机废液的处理方法包括如下步骤：
50.s1、将可燃气体通入中心通道50和外环通道80，将惰性气体通入内环通道60，将氧气通入中环通道70，打开点火装置对中心通道50进行点火；
51.s2、点火完成后，将氧气通入中心通道50和中环通道70，将煤粉通入内环通道60，将废水和有机废液通入外环通道80，控制各通道内氧气、煤粉以及废水和有机废液的流量，生成所需物质。
52.其中，在上述步骤中，当废水和有机废液处理量波动较大时，将惰性气体(指不与废液发生化学反应引发危险的气体，包括氮气、co2或合成气等)掺混进入废水和有机废液并通入外环通道80。这是由于气化炉的上述喷嘴在设计的时候是按照一定的废液量来定型的，当实际废液量小于设计值时，将惰性气体掺混进入外环通道80具有以下优点：
53.1、提高废水和有机废液处理的弹性，使喷嘴的废液处理量范围达到0-100％设计值；
54.2、保护喷嘴，避免外环通道80内液量过低带来的烧蚀和安全风险；
55.3、增加惰性气体有助于喷嘴喷出的各物料强化混合。
56.在处理废水和有机废液时，可以根据废水和有机废液的处理量以及想要得到的合成气中各组分的含量设置喷嘴的各通道的出口流速。一般来说，喷嘴的各通道的出口流速可以选择在以下数值范围内：中心通道50喷出时的出口流速为10-80m/s；内环通道60喷出时的出口流速为1-30m/s；中环通道70喷出时的出口流速为50-100m/s；外环通道80喷出时的出口流速为0.5-10m/s。具体设置可根据实际情况进行设定，在此不做举例和限制。
57.在处理废水和有机废液时，在完成点火后使得点火装置伴烧一定时间(需根据原料特性、反应器尺寸及工艺条件等确定时间，在此不做限制)，等待气化炉工作稳定之后再关闭点火装置。并且，在切换步骤s1和s2中各通道内的喷入物质时，需保证气化炉不熄火。
58.需要注意，上述喷嘴在处理废水和有机废液时，喷嘴的适用压力范围不大于20mpa。
59.下面通过多组实施例来进一步说明本发明的上述粉煤气化用喷嘴相处理废水和有机废液的效果。
60.如下表1所示，分别为实施例1-4中粉煤气化用喷嘴的结构参数：
61.表1粉煤气化用喷嘴的结构参数
[0062][0063]
如下表2所示，分别为实施例1-4中粉煤气化用喷嘴的工艺参数：
[0064]
表2粉煤气化用喷嘴的工艺参数
[0065][0066]
将上述各实施例的粉煤气化用喷嘴安装于se东方炉后，将废水和有机废液以及其他气体和煤粉按照上述表中对应实施例数据通入对应通道后，气化结果为碳转化率在99％左右、有效气成分含量在90％左右、合成气飞灰含量小于0.5mg/nm3、灰渣比大约为2：8，具有碳转化率和有效气成分含量高、合成气飞灰含量小、灰渣比低等优点；且该粉煤气化用喷嘴连续使用寿命理论可达2年，且不需额外补充水蒸气，完全满足煤气化长周期稳定安全运行的要求。
[0067]
本发明喷嘴可灵活处理不同流量的废水和有机废液，雾化效果好、无严重烧蚀、堵塞等问题，转化率高，无二次污染，节约蒸汽，可兼顾粉煤高效气化与废水和有机废液资源化利用。
[0068]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种粉煤气化用喷嘴，其特征在于，所述喷嘴包括从外而内依次同轴设置的外环喷头、中环喷头、内环喷头以及中心喷头；所述外环喷头的内侧壁和所述中环喷头的外侧壁之间形成外环通道；所述中环喷头的内侧壁和所述内环喷头的外侧壁之间形成中环通道；所述内环喷头的内侧壁和所述中心喷头的外侧壁形成内环通道；所述中心喷头的内壁围合形成中心通道；所述中心通道的收缩角a为0
°‑
20
°
，所述内环喷头的收缩角b为5
°‑
30
°
，所述中环喷头的收缩角c为15
°‑
45
°
，所述外环喷头的收缩角d为35
°‑
85
°
；其中，各喷头的收缩角是指的各喷头在轴截面视图中，喷头侧壁所围设形成的角度。2.如权利要求1所述的粉煤气化用喷嘴，其特征在于，所述中心通道的收缩角a为10
°‑
20
°
；和/或，所述内环喷头的收缩角b为5
°‑
10
°
；和/或，所述外环喷头的收缩角d为35
°‑
65
°
。3.如权利要求1所述的粉煤气化用喷嘴，其特征在于，所述外环通道的内部设置有旋流器。4.如权利要求3所述的粉煤气化用喷嘴，其特征在于，所述旋流器的旋流数为s，其中0<s≤5；所述旋流数反映喷嘴出口处流体的切向速度与轴向速度之比。5.如权利要求1所述的粉煤气化用喷嘴，其特征在于，所述外环喷头的外周面设有水冷夹套。6.一种气化炉，其特征在于，所述气化炉设有如权利要求1-5任一项所述的喷嘴。7.一种废水和有机废液的处理方法，所述废水和有机废液指表观粘度不大于1.2pa
·
s的工业与生活废水、含有机物液体或浆体(颗粒粒径不大于1mm)，其特征在于，所述处理方法使用如权利要求6所述的气化炉，所述处理方法包括如下步骤：s1、将可燃气体通入所述中心通道和所述外环通道，将惰性气体通入所述内环通道，将氧气通入所述中环通道，打开点火装置对中心通道进行点火；s2、点火完成后，将氧气通入所述中心通道和中环通道，将煤粉通入所述内环通道，将废水和有机废液通入所述外环通道，控制各通道内氧气、煤粉以及废水和有机废液的流量，生成所需物质。8.如权利要求7所述的废水和有机废液的处理方法，其特征在于，当废水和有机废液处理量波动较大时，将惰性气体掺混进入废水和有机废液并通入所述外环通道。9.如权利要求7所述的废水和有机废液的处理方法，其特征在于，所述中心通道喷出时的出口流速为10-80m/s；和/或，所述内环通道喷出时的出口流速为1-30m/s；和/或，所述中环通道喷出时的出口流速为50-100m/s；和/或，所述外环通道喷出时的出口流速为0.5-10m/s。10.如权利要求7所述的废水和有机废液的处理方法，其特征在于，在切换步骤s1和s2中各通道内的喷入物质时，需保证所述气化炉不熄火。

技术总结

本发明公开了一种喷嘴及包含其的气化炉、废水和有机废液的处理方法，喷嘴包括从外而内依次同轴设置的外环喷头、中环喷头、内环喷头以及中心喷头；所述外环喷头的内侧壁和所述中环喷头的外侧壁之间形成外环通道；所述中环喷头的内侧壁和所述内环喷头的外侧壁之间形成中环通道；所述内环喷头的内侧壁和所述中心喷头的外侧壁形成内环通道；所述中心喷头的内壁围合形成中心通道。本发明的喷嘴可灵活处理不同流量的废水和有机废液，雾化效果好、无严重烧蚀、堵塞等问题，具有碳转化率和有效气成分含量高、合成气飞灰含量小、灰渣比低等优点，且无二次污染，节约蒸汽，可兼顾粉煤高效气化与废水和有机废液资源化利用。废水和有机废液资源化利用。废水和有机废液资源化利用。