一种喷嘴及气化方法.pdf

本发明提供了一种喷嘴及注入方法，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体为套管结构，包括截面为环状的中心管和外环套管，中心管和外环套管的末端采用渐缩式锥形结构，形成喷嘴顶帽，喷嘴顶帽上设有与中心管连通的注气口，所述外环套管的侧壁上设有多个喷水孔。在气化过程中，在中心管中通入含氧气化剂，在外环套管中通入水或水溶液，所述水或水溶液从外环套管侧壁的喷水孔和喷嘴顶帽的喷水孔进入气化炉。本发明使喷嘴注水与冷却一体化完成，不但有效提供水煤气反应所需要的水，同时可以有效冷却喷嘴，并且可通过注水压力变化推测喷嘴受热情况，进而调整气化工艺。

1.  一种喷嘴，包括喷嘴本体，其特征在于：所述喷嘴本体为套管结构， 包括截面为环状的中心管和外环套管，中心管和外环套管的末端采用渐缩式 锥形结构，形成喷嘴顶帽，喷嘴顶帽上设有与中心管连通的注气口，所述外 环套管的侧壁上设有多个喷水孔。

2.  如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：所述喷嘴还包括有注水管和 注气管，所述注水管和外环套管连通，所述注气管和中心管连通。

3.  如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于：所述注水管上设有水压检测 装置。

4.  如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于：所述注水管通过连接套和外 环套管相连通，所述注气管通过连接套的缝隙与中心管连通。

5.  如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：所述喷嘴还包括有至少一个 热电偶导线，所述热电偶导线的测温点设置在中心管上。

6.  如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：所述喷嘴顶帽上的注气口外 周缘上设有多个喷水孔。

7.  一种具有权利要求1-6任一结构喷嘴的注入方法，其特征在于： 在气化过程中，在中心管中通入含氧气化剂，在外环套管中通入水或水 溶液，所述水或水溶液从喷水孔进入气化炉。

8.  如权利要求7所述的注入方法，其特征在于：在气化过程中，当喷嘴 温度超过100℃，
如果地下气化炉出口的煤气组分下降小于10％，则增加注水量；
如果地下气化炉出口的煤气组分下降大于等于10％，则向后移动喷嘴位 置。

9.  如权利要求8所述的注入方法，其特征在于：增加的注水量为正常注 水量的10％-30％。

10.  如权利要求7所述的注入方法，其特征在于，包括：
在气化过程中，通过注水管向外环套管输送水或水溶液，当所述注水管 中水或水溶液实际压力值超过正常压力值的110％，则增加注水量至正常注 水量的110％-130％和/或向后移动喷嘴位置，直到实际压力值恢复到正常压 力值。

11.  如权利要求7所述的注入方法，其特征在于，注入气化炉的水量为气 化炉需水量的±30％范围内。

一种喷嘴及气化方法
技术领域
本发明涉及煤炭地下气化领域，更具体地，涉及一种喷嘴及气化方法。
背景技术
煤炭地下气化技术是一种新兴的煤化工技术，其中注入点后退技术由于 具有良好的可控性，并可有效减少钻孔数量，受到广泛的关注。用该技术进 行煤炭气化的过程中，通过注气管向煤层的气化通道中注入含氧气体，含氧 气体从注气管的喷嘴中喷出与周围煤层发生反应，伴随着高热量的产生，受 到气化炉压力、喷嘴周围氧浓度以及喷嘴前灰渣阻碍等因素影响，容易造成 注气管和喷嘴熔化或损坏，进而影响气化过程的连续性和稳定性。
中国专利201420299991.3公开了一种煤炭地下气化用喷嘴，所述喷嘴包 括喷嘴本体，喷嘴本体内开设有主出气孔，侧壁上还开设有与主出气孔连通 的侧向出气孔。虽然其通过从侧向出气孔喷出气化剂，但是仅可阻止煤层在 气化过程中燃烧后的灰附着在喷嘴侧面，不能解决喷嘴本身高热问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可解决喷嘴本身高热，避免喷嘴 损伤的喷嘴。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种煤炭地下气化方法。
为实现上述发明目的，本发明的喷嘴，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体为 套管结构，包括截面为环状的中心管和外环套管，中心管和外环套管的末端 采用渐缩式锥形结构，形成喷嘴顶帽，喷嘴顶帽上设有与中心管连通的注气 口，所述外环套管的侧壁上设有多个喷水孔。
优选的，所述喷嘴还包括有注水管和注气管，所述注水管和外环套管连 通，所述注气管和中心管连通。
优选的，所述注水管上设有水压检测装置。
优选的，所述注水管通过连接套和外环套管相连通，所述注气管通过连 接套的缝隙与中心管连通。
优选的，所述喷嘴还包括有至少一个热电偶导线，所述热电偶导线的测 温点设置在中心管上。
优选的，所述在喷嘴顶帽上的注气口外周缘上设有多个喷水孔。
针对本发明注入方法，包括：在气化过程中，在中心管中通入含氧气化 剂，在外环套管中通入水或水溶液，所述水或水溶液从外环套管侧壁的喷 水孔进入气化炉。
优选的，在气化过程中，检测到喷嘴温度超过100℃时，进一步检测地下 气化炉出口的煤气组分的变化。
如果煤气组分下降小于10％，增加注水量。
如果煤气组分下降大于等于10％，向后移动喷嘴位置。
优选的，增加的注水量为正常注水量的10％-30％。
优选的，该方法还包括：预设一正常压力值和一异常压力值；在气化过 程中，通过注水管向外环套管输送水或水溶液，检测所述注水管中水的实际 压力值，当实际压力值达到异常压力值时，增加10％-30％的注水量和/或向后 移动喷嘴位置，直到实际压力值恢复到正常压力值。
优选的，该方法还包括：所述异常压力值为正常压力值的110％。
优选的，该方法还包括：注入气化炉的水量可以在气化炉需水量V的± 30％范围内波动。
本发明的有益效果在于：由于本发明采用中心管和带孔的外环套管的喷 嘴结构，使注水与冷却一体化完成，不但有效提供水煤气反应所需要的水， 同时这些水可以有效带走热量，冷却喷嘴，提高了喷嘴的使用寿命。另外， 通过同时检测喷嘴处的温度变化、煤气组份变化和注水管中的水压变化来推 测喷嘴的受热情况，并根据受热情况实时调整气化工艺，能更有效的保护喷 嘴。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：
图1是本发明喷嘴第一实施例的结构示意图；
图2是本发明喷嘴第一实施例注入管和喷嘴本体连接处的结构示意图；
图3是本发明喷嘴第一实施例喷嘴顶帽的结构示意图；
图4是本发明喷嘴第二实施例和第三实施例注入管和喷嘴本体连接处的结 构示意图；
图5是本发明喷嘴第二实施例和第三实施例喷嘴顶帽的结构示意图；
图6是本发明喷嘴第四实施例的结构示意图；
图7是本发明喷嘴第四实施例注入管和喷嘴本体连接处的结构示意图；
附图标记说明
10 喷嘴本体      11 中心管      12 外环套管
13 喷嘴顶帽      14 注气口      15、16 喷水孔
17 测温点        20 注入管      21 注气管
22 注水管      23 热电偶导线      24 水压检测装置
25 连接套      26 连接管
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、 左、右”通常是指说明书附图中所示的方向。
请参考图1和图2，本发明喷嘴包括喷嘴本体10，喷嘴本体10为套管结 构，包括截面为环状的中心管11和外环套管12，中心管11和外环套管12的末 端采用渐缩式锥形结构，形成喷嘴顶帽13，喷嘴顶帽13上设有与中心管11连 通的注气口14，所述外环套管12的侧壁上设有多个喷水孔16。
其中，中心管11为含氧气化剂通道，外环套管12为冷却水通道，如图3所 示，注气口14设置在喷嘴顶帽13的正对中心管喷嘴的位置。
此外，还可以在喷嘴顶帽13的注气口14的外周缘上设置有多个喷水孔 15，虽然在外环套管12的侧壁上设置有多个喷水孔16，已经可以实现本发明 的目的，但在喷嘴顶帽13上再设置多个喷水孔15，可以进一步提高本发明的 冷却效果。
该喷嘴还包括注入管20，通过焊接或者丝扣的方式连接到喷嘴本体10， 该注入管20内设置有注气管21、注水管22和至少一个热电偶导线23。该注水 管22通过连接套25与外环管套12连接，用于将气化和冷却所需要的水或水溶 液(水溶液指含水液体，下文中统称为“水”)输送到外环管套12中，所述 水通过外环管套12侧壁上的喷水孔16和喷嘴顶帽13上的喷水孔15喷出。该注 气管21通过连接套25的缝隙与中心管11连接，用于输送含氧的气化剂。
所述该注水管22上设置有水压检测装置24，水压检测装置24将注水管22 中的水压力值传送到地面水压控制系统和/压力显示装置中。注入管20中的热 电偶导线23的一端连接到喷嘴本体13上的中心管11，形成测温点17，另一端 连接到地面的温度控制系统和/或温度显示装置中。
需要指出的是，设置在喷嘴顶帽13上的喷水孔数量是可以变化，优选喷 水孔的数量是6～12个，设置在外环套管12侧壁上的喷水孔数量是可以变化， 优选喷水孔的数量是4～6列，喷嘴顶帽13上和其外环套管12侧壁上的喷水孔 分布方式可以是均匀分布也可以是不均匀分布，优选为均匀分布方式。
在气化煤层时，通过注气管21将含氧气体注入气化炉中，通过注水管22 注水到外环套管12中，这些水一方面起到冷却喷嘴的目的，另一方面这些水 通过外环套管12和喷嘴顶帽13的喷水孔15、16进入气化炉，完成水煤气反 应。
注入气化炉的水可以根据气化炉需水量进行控制，气化炉需水量V计算公 式如下：
V＝MC×α-9(H出-H煤)
MC——燃煤量中碳元素量
H出——出口煤气中氢含量
H煤——燃煤量中氢含量
α——预先设定水碳比注入气化炉的水量可以在气化炉需水量的±30％范 围内波动。
在注水管向气化炉注水的过程中，水压检测装置24检测注水管22内的压 力，正常情况下，在气化炉内条件不发生较大变化时，注水管22内的压力不 会突然变化，但如果喷嘴外温度大幅度升高时，从喷水孔喷出的水很快会变 成蒸汽，体积发生膨胀，导致注水管22内的压力升高，水压检测装置24将注 水管内的压力信号传递给地面控制装置和/或显示装置。
在气化过程中，如果热电偶23检测到喷嘴处的温度超过100℃，就进一步 检测地下气化炉出口的煤气组分的变化情况，如果煤气组分下降小于10％，则 增加注水,增加的注水量为正常注水量的10％-30％；如果煤气组分下降大于等 于10％，向后移动喷嘴位置。
在气化过程中，通过注水管向外环套管输送水或水溶液，当所述注水管 中水或水溶液实际压力值超过正常压力值的110％，则增加注水量至正常注水 量的110％-130％和/或向后移动喷嘴位置，直到实际压力值恢复到正常压力 值。具体实施例一
如图2和图3所示，在本实施例中，外环套管12与注水管22通过连接套25 连接，连接套25为夹角为120°的三根连接管26组成，通过该连接管26与外环 套管12连接。喷嘴顶帽13外周缘上设置有6个喷水孔，外环套管12侧壁上设置 4列喷水孔6，每列以90°间距布置。
具体实施例二
如图4和图5所示，在本实施例中，外环套管12与注水管22通过连接套25 连接，连接套25为夹角为90°的四根连接管26组成，通过该连接管26与外环 套管12连接。喷嘴顶帽13外周缘上设置有12个喷水孔，外环套管12侧壁上设 置6列喷水孔6，每列以60°间距布置。
具体实施例三
如图4和图5所示，在本实施例中，外环套管12与注水管22通过连接套25 连接，连接套25为夹角为90°的四根连接管26组成，通过该连接管26与外环 套管12连接。喷嘴顶帽13外周缘上设置有12个喷水孔，外环套管12侧壁上设 置6列喷水孔6，每列以60°间距布置。
在该气化过程中，注水压力为0.5MPa，正常波动为5％，即压力在0.5± 0.025MPa内，如果注水的压力波动超过0.05MPa，则认为前段喷嘴处受到高温 的影响，需要增加10％-30％的注水的流量或者向后移动喷嘴位置直到压力恢复 正常。
具体实施例四
如图6和图7所示，在本实施例中，外环套管12与注水管22通过连接套25 连接，连接套25为一个锥形的钢套，与喷嘴横截面呈夹角60°，连接套25中 间有6个注水孔与喷嘴的外环套管12连通，连接套25的缝隙中可以通过注入的 气化剂。喷嘴顶帽13外周缘上设置有6个喷水孔，外环套管12侧壁上设置4列 喷水孔6，每列以90°间距布置。
在该气化过程中，注水压力为1.5MPa，正常波动为8％，即压力在1.5± 0.12MPa内，如果注水的压力波动超过0.15MPa，则认为前段喷嘴处受到高温 的影响，需要增加10％-30％的注水的流量或者向后移动喷嘴位置直到压力恢复 正常。以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不 限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发 明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。