CN109868160A - 用于水煤浆气化的等离子体喷嘴、气化炉及气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于水煤浆气化的等离子体喷嘴、气化炉及气化方法。该喷嘴包括喷嘴主体和冷却系统；喷嘴主体包括从内向外依次同轴套设的阴极喷管、阳极喷管、中环喷管和外环喷管，两两之间依次形成第一气化剂通道、水煤浆通道和第二气化剂通道；第一气化剂通道的末端通过第一绝缘连接件实现密封；阴极喷管和阳极喷管的内部均设有冷却介质通道，其内壁面均设有导热绝缘涂层；阳极喷管的外壁面设有与之贴合的绝缘套筒；阳极喷头和阴极头的前端形成放电空间；冷却系统用于降低外环喷头的温度。该喷嘴无需预热即可实现水煤浆的直接点火启动，节省烘炉时间，减少能耗，提高反应速率、碳转化率和气化效率。

Description

用于水煤浆气化的等离子体喷嘴、气化炉及气化方法

技术领域

本发明涉及一种用于水煤浆气化的等离子体喷嘴、气化炉及气化方法。

背景技术

煤的洁净与高效利用是当今我国能源利用与环境保护领域中的重要课题，也是我国国民经济持续发展的关键技术之一。煤气化技术作为洁净煤技术的核心技术之一，制备的合成气是发展煤基化学品、煤基液体燃料、先进的IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础，是这些行业的龙头技术。其中，气流床气化技术因具有煤种适应性强、生产能力和气化效率高等优点，在世界范围内得到了迅速推广和广泛的应用。根据给料方式的不同，气流床气化炉可分为两类：一类为干法供料，将煤粉直接气力输送至喷嘴；另一类为湿法供料，将水煤浆输送至喷嘴。作为这两类气化炉不可或缺的关键部件之一，喷嘴技术的发展直接决定了气流床气化炉的运行稳定性、高效性与可靠性。

现有技术中，水煤浆气化炉点火过程如下：先采用预热喷嘴将炉温升至1200℃以上并恒温，再更换工艺喷嘴进行投料。上述点火过程存在如下缺陷：点火过程中需要多次更换喷嘴，因此其工序相对复杂，开车时间较长，不利于化工生产中装置的安全投料和稳定运行；此外，点火过程需要消耗大量的能量来提升炉膛温度，且水煤浆中含有大量水，而水气化为水蒸气需要吸收大量的热量，并且煤与水蒸气、CO₂的气化反应也均会消耗大量的热量，采用现有技术中的喷嘴无法将反应温度达到较高的水平，因此会大大地影响气化效率。

当前，等离子体技术已广泛应用于焊接、切割、点火、金属冶炼、垃圾焚烧及废物处理等领域，等离子体是处于高温或特定激励下的一种物质状态，是部分或完全电离的离子化的气态状物质，由大量的带电粒子(离子、电子)和中性粒子(原子、分子)组成，其温度可以高达上万度。

现有技术中已有将等离子体技术应用于煤粉气化领域，例如：中国专利文献CN104869741A公开了一种用于气化的等离子体喷枪，中国专利文献CN103200757A公开了一种电弧等离子体喷枪，但上述喷枪仅适用于固态粉体燃料(煤粉)，且工作气体仅适用于水蒸气，除了上述限制外，其结构复杂，系统庞大，无法适用于水煤浆气化；中国专利文献CN1478869A公开了一种等离子体进行煤气化的方法和装置，其同样也仅适用于粉煤的气化，且等离子体发生器与给料装置单独分开，使得系统过于复杂和庞大。

因此，寻求一种能够适用于水煤浆、无需预热即可实现水煤浆的直接点火启动的喷嘴，是目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中用于水煤浆气化的喷嘴必须先预热才能点火启动、且尚无适用于水煤浆气化的等离子体喷嘴的缺陷，而提供一种用于水煤浆气化的等离子体喷嘴、气化炉及气化方法。该等离子体喷嘴，结构简单，制作与维护方便，适用范围广，使用寿命长，雾化性能优良。该等离子体喷嘴，无需预热即可实现水煤浆的直接点火启动，且能大大节省烘炉时间，减少能量消耗，并能大大地提高反应速率、碳转化率和气化效率。

本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种用于水煤浆气化的等离子体喷嘴，其包括喷嘴主体；所述喷嘴主体包括阴极喷管、阳极喷管、中环喷管和外环喷管；所述阴极喷管、所述阳极喷管、所述中环喷管和所述外环喷管的轴线在同一直线上；

所述阴极喷管具有第一前端和第一末端，所述第一前端为阴极头，所述阴极头具有沿所述第一末端至所述第一前端方向直径渐缩的圆台结构；所述阴极喷管的内部设有供冷却介质流入和流出的第一冷却介质通道，且所述第一冷却介质通道的内壁面设有第一导热绝缘涂层；所述阳极喷管套设在所述阴极喷管外，所述阳极喷管与所述阴极喷管之间形成第一气化剂通道，所述第一气化剂通道的末端通过第一绝缘连接件实现密封；所述阳极喷管的前端为阳极喷头，所述阳极喷头沿所述第一末端至所述第一前端方向直径渐缩；所述阳极喷头的前端面开设第一喷口，所述第一喷口与所述第一气化剂通道相连通，用于将气化剂喷入炉内；所述阳极喷管的外壁面设有与之贴合的绝缘套筒；所述阳极喷管的内部设有供冷却介质流入和流出的第二冷却介质通道，且所述第二冷却介质通道的内壁面设有第二导热绝缘涂层；

所述中环喷管套设在所述阳极喷管外，所述中环喷管与所述阳极喷管之间形成水煤浆通道；所述中环喷管的前端为中环喷头，所述中环喷头沿所述第一末端至所述第一前端方向直径渐缩；所述中环喷头的前端面开设第二喷口，所述第二喷口与所述水煤浆通道相连通，用于将水煤浆喷向炉内；

所述外环喷管套设在所述中环喷管外，所述外环喷管与所述中环喷管之间形成第二气化剂通道；所述外环喷管的前端为外环喷头，所述外环喷头沿所述第一末端至所述第一前端方向直径渐缩；所述外环喷头的前端面开设第三喷口，所述第三喷口与所述第二气化剂通道相连通，用于将气化剂喷入炉内；

所述第一喷口具有电弧着床侧壁，所述电弧着床侧壁的高度为50-100mm；所述阳极喷头的前端面与所述中环喷头的前端面之间的距离为10-40mm。

较佳地，所述阴极喷管的材料为锆或铜。采用该材料的喷嘴，可实现周期稳定工作，且能延长使用寿命。

较佳地，所述阴极喷管的末端设有第一冷却介质进口与第一冷却介质出口；所述第一冷却介质进口用于向所述第一冷却介质通道提供冷却介质；所述第一冷却介质出口用于将所述第一冷却介质通道中的冷却介质排出。

更佳地，所述阴极喷管内部还设有第一加固件和第一防水短路筒，所述第一加固件从所述阴极喷管的末端延伸至所述阴极喷管的前端，所述第一防水短路筒套设于所述第一加固件外侧，并从所述阴极喷管的末端伸向所述阴极喷管的前端，并与所述阴极喷管的前端不接触。

较佳地，所述等离子体喷嘴还设有旋流器和第二绝缘连接件，所述旋流器用于将气化剂沿切向通入所述第一气化剂通道内，所述第二绝缘连接件用于实现所述旋流器与所述阳极喷管之间的绝缘。

更佳地，所述旋流器的个数为4个，且均布设于所述第一气化剂通道的末端侧壁。此时，气化剂经旋流器沿四个切向进入第一气化剂通道，环绕阴极形成旋流，到达第一气化剂通道出口时，被阴极头与阳极喷头之间形成的电弧电离为高温的等离子体。

进一步更佳地，所述旋流器的内径与所述第一气化剂通道的外径相等。

较佳地，所述阳极喷管的末端设有第二冷却介质进口与第二冷却介质出口；所述第二冷却介质进口用于向所述第二冷却介质通道提供冷却介质；所述第二冷却介质出口用于将所述第二冷却介质通道中的冷却介质排出。

更佳地，所述阳极喷管内部还设有第二防水短路筒，所述第二防水短路筒从所述阴极喷管的末端伸向所述阳极喷管的前端，并与所述阳极喷管的前端不接触。

较佳地，所述水煤浆通道的末端与所述阳极喷管通过法兰连接，所述法兰之间设有绝缘密封垫片。

较佳地，所述外环喷管的末端与所述中环喷管通过法兰连接。

较佳地，所述中环喷管的侧壁设有水煤浆入口，所述水煤浆入口用于将水煤浆通入所述水煤浆通道。

较佳地，所述外环喷管的侧壁设有气化剂入口，所述气化剂入口用于将气化剂通入所述第二气化剂通道。

较佳地，所述第一导热绝缘涂层和所述第二导热绝缘涂层的导热系数为8W/(m·K)以上。

较佳地，所述第一导热绝缘涂层和所述第二导热绝缘涂层的厚度为1-10mm，例如可为2mm。

较佳地，所述绝缘套筒的材质为陶瓷。

本发明中，所述电弧着床侧壁的高度例如可为75mm，所述阴极头与所述电弧着床侧壁之间形成所述放电空间，用于将气化剂电离而产生等离子体。工作时，所述阴极头与所述阳极喷头之间形成电弧，将气化剂电离而产生等离子体。

较佳地，所述第一喷口呈圆柱状，也即所述电弧着床侧壁为该圆柱的周面。

较佳地，所述阴极头的外侧壁与所述阳极喷头的内侧壁相平行；所述阳极喷头的外侧壁与所述中环喷头的内侧壁相平行；所述中环喷头的外侧壁与所述外环喷头的内侧壁相平行；所述阴极头的前端面与所述第一喷口的顶部之间的距离等于在所述阴极头的外侧壁与所述阳极喷头的内侧壁之间的所述第一气化剂通道的宽度。

更佳地，所述阴极头的外收缩角和所述阳极喷头的内收缩角相等，且为50-80°，例如可为65°；所述阳极喷头的外收缩角与所述中环喷头的内收缩角相等，且为45-80°，例如可为55°；所述中环喷头的外收缩角与所述外环喷头的内收缩角相等，且为45-80°，例如可为55°。

其中，所述阴极头的外收缩角为所述阴极头的外侧壁与水平面的夹角；所述阳极喷头的内收缩角为所述阳极喷头的内侧壁与水平面的夹角；所述阳极喷头的外收缩角为所述阳极喷头的外侧壁与水平面的夹角；所述中环喷头的内收缩角为所述中环喷头的内侧壁与水平面的夹角；所述中环喷头的外收缩角为所述中环喷头的外侧壁与水平面的夹角；所述外环喷头的内收缩角为所述外环喷头的内侧壁与水平面的夹角。

本发明中，所述阳极喷头的前端面与所述中环喷头的前端面之间的距离例如可为30mm。

较佳地，所述中环喷头的前端面与所述外环喷头的前端面相齐平。

较佳地，所述阳极喷头、所述中环喷头及所述外环喷头的材质为UMCo-50合金材料。采用该材料的喷嘴，可实现长周期稳定工作，且能延长使用寿命。

较佳地，所述等离子体喷嘴还包括冷却系统，所述冷却系统用于降低所述外环喷头的温度；所述冷却系统包括冷却室和冷却盘管，所述冷却室设置于所述外环喷头的外侧，所述冷却室设有第三冷却介质入口和第三冷却介质出口，所述第三冷却介质出口与冷却盘管相连通，所述冷却盘管螺旋式盘绕在所述外环喷管的外壁上。

更佳地，所述冷却室同轴设置于所述外环喷头的外侧。

本发明中，所述阳极喷管与所述阴极喷管的位置可以互换。

本发明还提供一种气化炉，所述气化炉包括前述的等离子体喷嘴。

本发明中，所述等离子体喷嘴较佳地通过法兰与所述气化炉相连接。

本发明中，所述气化炉的炉体顶部或侧壁某个平面或者多个平面上可设置一个或多个所述等离子体喷嘴。

本发明中，所述气化炉较佳地为气流床气化炉。

本发明还提供一种水煤浆的气化方法，所述气化方法采用设有前述等离子体喷嘴的气化炉，所述气化方法包括如下步骤：

(1)从所述第一气化剂通道流出的气化剂被所述阴极头和所述阳极头之间的电弧电离，得气化剂等离子体；

(2)所述气化剂等离子体和所述第三喷口流出的气化剂将所述第二喷口流出的水煤浆剪切雾化，随后在所述气化炉内发生气化反应即可。

本发明中，所述气化剂的种类及用量可为本领域常规的种类和用量。

较佳地，所述气化剂为纯氧，其纯度一般为99.8％。更佳地，进入所述第一气化剂通道的气化剂的流量占“进入所述第一气化剂通道的气化剂的流量和进入所述第二气化剂通道中的气化剂的流量的总和”的50％-80％，例如可为70％。

较佳地，所述水煤浆的固含量为50wt％-70wt％，例如可为61wt％。

较佳地，所述第一气化剂通道和所述第二气化剂通道中气化剂的流速均为0-50m/s，且不为0，例如可为30m/s；所述水煤浆通道出口处水煤浆的流速为0.1-1.0m/s，例如可为0.5m/s；所述阳极喷头的喷口处氧气等离子体的出口流速为100-340m/s，例如可为340m/s。上述特殊选择的等离子体的出口流速，可强化水煤浆的雾化效果，进一步提高碳转化率。

较佳地，所述气化方法的气化操作压力为0.1-10.0MPa，例如可为4.0Mpa。

在本发明一较佳实施例中，所述等离子体喷嘴还包括冷却系统，所述冷却系统用于降低所述外环喷头的温度；所述冷却系统包括冷却室和冷却盘管，所述冷却室设置于所述外环喷头的外侧，所述冷却室设有第三冷却介质入口和第三冷却介质出口，所述第三冷却介质出口与冷却盘管相连通，所述冷却盘管螺旋式盘绕在所述外环喷管的外壁上；

其中，经所述第三冷却介质入口进入的冷却介质为250℃的饱和水蒸气，且所述冷却介质的流量为3.5kg/s。

本发明中，较佳地，所述气化炉为气流床气化炉。更佳地，所述气化炉为竖式气流床气化炉。

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。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供一种用于水煤浆气化的等离子体喷嘴、气化炉和气化方法。该等离子体喷嘴，结构简单，制作与维护方便，适用范围广，使用寿命长，雾化性能优良，具有较高的推广和应用价值，且能够提高碳转化率。采用该等离子体喷嘴，水煤浆可在较低的炉膛温度下被高温氧气等离子体直接点燃，完成气化炉的点火开车，节省气化炉烘炉时间和能量消耗。设有等离子体喷嘴的气化炉，可以灵活调整喷嘴的布置，进而较为方便的与炉体匹配形成适宜的流场。该等离子体喷嘴，可将氧气电离为温度高达5000℃以上的等离子体，能够将水煤浆中的水直接分解为氢气、氧气、氢原子、氧原子和氢氧原子团等活性物质，这些活性物质再直接与煤进行气化反应，大大地提高反应速率、碳转化率和气化效率。

附图说明

图1为实施例1的等离子体喷嘴沿中心轴线的剖视图；

图2为图1中等离子体喷嘴A-A向剖视图；

图3为实施例1的等离子体喷嘴头部的局部放大示意图；

附图标记说明：

外环喷头 1

中环喷头 2

阳极喷头 3

冷却室 4

阴极头 5

冷却盘管 6

绝缘套筒 7

外环喷管 8

中环喷管 9

第一法兰 10

第三冷却介质入口 11

第三冷却介质出口 12

第二气化剂通道 13

水煤浆通道 14

第一气化剂通道 15

外环气化剂入口 16

第二法兰 17

阳极喷管 18

阴极喷管 19

水煤浆入口 20

第三法兰 21

第二冷却介质通道 22

第二冷却介质入口 23

第二冷却介质出口 24

第二绝缘连接件 25

旋流器 26

第一绝缘连接件 27

第一冷却介质通道 28

第一冷却介质入口 29

第一冷却介质出口 30

切向旋流进气口 31

阳极喷头的前端面 32

中环喷头的前端面 33

外环喷头的前端面 34

电弧着床侧壁 35

第一喷口的顶部 36

具体实施方式

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的实施例范围之中。

实施例1

(1)用于水煤浆气化的等离子体喷嘴

如图1所示的用于水煤浆气化的等离子体喷嘴，其包括喷嘴主体和冷却系统；喷嘴主体包括同轴设置的阴极喷管19、阳极喷管18、中环喷管9和外环喷管8；阴极喷管19的材料为锆，阳极喷头3、中环喷头2及外环喷头1的材质为UMCo-50合金材料；阴极喷管19具有第一前端和第一末端，第一前端为阴极头5，阴极头5具有沿第一末端至第一前端方向直径渐缩的圆台结构；阴极喷管19的内部设有第一冷却介质通道28，且第一冷却介质通道28的内壁面设有第一导热绝缘涂层；阳极喷管18套设在阴极喷管19外，阳极喷管18与阴极喷管19之间形成第一气化剂通道15，第一气化剂通道15的末端通过第一绝缘连接件27实现密封；阳极喷管18的前端为阳极喷头3，阳极喷头3沿第一末端至第一前端方向直径渐缩；阳极喷头3的前端面开设第一喷口，第一喷口与第一气化剂通道15相连通，用于将气化剂喷入炉内；阳极喷管18的外壁面设有与之贴合的绝缘套筒7，绝缘套筒7的材质为陶瓷；阳极喷管18的内部设有第二冷却介质通道22，且第二冷却介质通道22的内壁面设有第二导热绝缘涂层；阴极头5的前端面与阳极喷头3的前端面之间形成放电空间，用于将第一通道中的气化剂电离而产生等离子体；中环喷管9套设在阳极喷管18外，中环喷管9与阳极喷管18之间形成水煤浆通道14；中环喷管9的前端为中环喷头2，中环喷头2沿第一末端至第一前端方向直径渐缩；中环喷头2的前端面开设第二喷口，第二喷口与水煤浆通道14相连通，用于将水煤浆喷向炉内；外环喷管8套设在中环喷管9外，外环喷管8与中环喷管9之间形成第二气化剂通道13；外环喷管8的前端为外环喷头1，外环喷头1沿第一末端至第一前端方向直径渐缩；外环喷头1的前端面开设第三喷口，第三喷口与第二气化剂通道13相连通，用于将气化剂喷入炉内；冷却系统用于降低外环喷头1的温度。其中：

阴极喷管19的末端还设有第一冷却介质进口与第一冷却介质出口30；第一冷却介质进口用于向第一冷却介质通道28提供冷却介质；第一冷却介质出口30用于将第一冷却介质通道28中的冷却介质排出。

阴极喷管19内部还设有第一加固件和第一防水短路筒，第一加固件从阴极喷管19的末端延伸至阴极喷管19的前端，第一防水短路筒套设于第一加固件外侧，并从阴极喷管19的末端伸向阴极喷管19的前端，并与阴极喷管19的前端不接触。

等离子体喷嘴还设有旋流器26和第二绝缘连接件25，旋流器26用于将气化剂沿切向通入第一气化剂通道15内，第二绝缘连接件25用于实现所旋流器26与阳极喷管18之间的绝缘。

如图2所示，旋流器26的个数为4个，旋流器26的内径与第一气化剂通道15的外径相等，且均布设于第一气化剂通道15的末端侧壁。此时，气化剂经旋流器26沿四个切向进入第一气化剂通道15，环绕阴极形成旋流，到达第一气化剂通道15出口时，被阴极头5与阳极喷头3之间形成的电弧电离为高温的等离子体。

阳极喷管18的末端还设有第二冷却介质进口与第二冷却介质出口24；第二冷却介质进口用于向第二冷却介质通道22提供冷却介质；第二冷却介质出口24用于将第二冷却介质通道22中的冷却介质排出。阳极喷管18内部还设有第二防水短路筒，第二防水短路筒从阴极喷管19的末端伸向阳极喷管18的前端，并与阳极喷管18的前端不接触。

水煤浆通道14的末端还与阳极喷管18通过第三法兰21连接，第三法兰21之间设有绝缘密封垫片。外环喷管8的末端还与中环喷管9通过第二法兰17连接。中环喷管9的侧壁设有水煤浆入口20，水煤浆入口20用于将水煤浆通入水煤浆通道14。外环喷管8的侧壁设有气化剂入口，气化剂入口用于将气化剂通入第二气化剂通道13。第一导热绝缘涂层和第二导热绝缘涂层的导热系数为8W/(m·K)。第一导热绝缘涂层和第二导热绝缘涂层的厚度为2mm。

第一喷口呈圆柱状，也即电弧着床侧壁35为该圆柱的周面，电弧着床侧壁35用于电弧着床，电弧着床侧壁35的高度h为75mm；阴极头5与电弧着床侧壁35之间形成放电空间，用于将气化剂电离而产生等离子体。工作时，阴极头5与阳极喷头3之间形成电弧，将气化剂电离而产生等离子体。

阴极头5的外侧壁与阳极喷头3的内侧壁相平行；阳极喷头3的外侧壁与中环喷头2的内侧壁相平行；中环喷头2的外侧壁与外环喷头1的内侧壁相平行；阴极头5的前端面与第一喷口的顶部36之间的距离等于在阴极头5的外侧壁与阳极喷头3的内侧壁之间的第一气化剂通道15的宽度。

如图3所示，阴极头5的外收缩角α和阳极喷头3的内收缩角α相等，且为65°；阳极喷头3的外收缩角β与中环喷头2的内收缩角β相等，且为55°；中环喷头2的外收缩角δ与外环喷头1的内收缩角δ相等，且为55°。

其中，阴极头5的外收缩角为阴极头5的外侧壁与水平面的夹角；阳极喷头3的内收缩角为阳极喷头3的内侧壁与水平面的夹角；阳极喷头3的外收缩角为阳极喷头3的外侧壁与水平面的夹角；中环喷头2的内收缩角为中环喷头2的内侧壁与水平面的夹角；中环喷头2的外收缩角为中环喷头2的外侧壁与水平面的夹角；外环喷头1的内收缩角为外环喷头1的内侧壁与水平面的夹角。

阳极喷头的前端面32与中环喷头的前端面33之间的距离为30mm，中环喷头的前端面33与外环喷头的前端面34相齐平。

冷却系统包括冷却室4和冷却盘管6，冷却室4同轴设置于外环喷头1的外侧，冷却室4设有第三冷却介质入口11和第三冷却介质出口12，且第三冷却介质入口11和第三冷却介质出口12经第一法兰10固定于外环喷管8的侧壁上；第三冷却介质出口12与冷却盘管6相连通，冷却盘管6螺旋式盘绕在外环喷管8的外壁上。

(2)气化炉

将上述等离子体喷嘴通过第一法兰10固定在竖式气流床气化炉上。

(3)水煤浆的气化方法

采用上述气流床气化炉进行水煤浆气化，具体步骤如下：

以固含量为61％(wt％)的水煤浆为燃料，以99.8％的氧气为气化剂。一部分氧气由旋流器26的四个切向旋流进气口31进入第一气化剂通道15，环绕阴极形成旋流，到达第一气化剂通道15出口时，被阴极头5与阳极喷头3之间形成的电弧电离为氧气等离子体，氧气等离子体的温度高达5000℃以上，出口速度也迅速提高。水煤浆由水煤浆入口20进入喷嘴，在中环喷头2处被高温高速的氧气等离子射流剪切雾化，水煤浆中的水分迅速分解为氢气、氧气、氢原子、氧原子和氢氧原子团等活性物质，水煤浆中的煤与高温氧气等离子体及这些活性物质充分混合后进入气化炉中，并在喷嘴出口处直接点燃，形成稳定的气化火焰并发生部分燃烧与气化反应。另一部分氧气由外环气化剂入口16进入第二气化剂通道13，以使雾化效果更佳，气化更充分。此时，气化炉在低温状态直接完成点火开车。当等离子体喷嘴持续运行一段时间后，炉膛温度上升至约1450℃，气化操作压力为4.0MPa。

其中：控制氧气在第一气化剂通道15和第二气化剂通道13的流量比例为：70％和30％；第一气化剂通道15和第二气化剂通道13的氧气流速均为30m/s，水煤浆的出口流速为0.5m/s，氧气等离子体的出口流速为大约340m/s。

该等离子体喷嘴的冷却系统，采用250℃的饱和水蒸汽作为冷却介质经第三冷却介质入口11进入冷却室4，再进入冷却盘管6，流量为3.5kg/s，冷却水出口温度约为252.5℃。

效果数据：该等离子体喷嘴，结构简单，制作与维护方便，适用范围广，使用寿命长，雾化性能优良，具有较高的推广和应用价值，且能够提高碳转化率。

设有该等离子体喷嘴的气化炉，可以灵活调整喷嘴的布置，进而较为方便的与炉体匹配形成适宜的流场。

采用该等离子体喷嘴，水煤浆可在较低的炉膛温度下被高温氧气等离子体直接点燃，完成气化炉的点火开车，节省气化炉烘炉时间和能量消耗。

采用该等离子体喷嘴的气化方法，可将氧气电离为温度高达5000℃以上的等离子体，气化炉产出的合成气中有效气(CO+H₂)成分约为89％，碳转化率达到99％以上，相比普通水煤浆气化喷嘴明显提高。

现有技术的效果：

1、采用中国专利文献CN1478869A、CN104869741A、CN103200757A、CN202281222U、CN103589459A和CN102534458A中公开的喷嘴都无法点燃水煤浆；

2、中国专利文献CN1478869A公开的等离子煤气化方法和装置，其最终得到的合成气中有效气(CO+H₂)成分低于45％(不同实施例含量略有差别，但均低于45％)。

对比本发明与现有技术的技术效果可知，本发明的喷嘴能够使得最终的合成气中有效气(CO+H₂)成分约为89％，远远高于中国专利文献CN1478869A，故本发明的转化效率更高。

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。

Claims (10)

1.一种用于水煤浆气化的等离子体喷嘴，其特征在于，其包括喷嘴主体；所述喷嘴主体包括阴极喷管、阳极喷管、中环喷管和外环喷管；所述阴极喷管、所述阳极喷管、所述中环喷管和所述外环喷管的轴线处于同一直线上；

所述阴极喷管具有第一前端和第一末端，所述第一前端为阴极头，所述阴极头具有沿所述第一末端至所述第一前端方向直径渐缩的圆台结构；所述阴极喷管的内部设有第一冷却介质通道，且所述第一冷却介质通道的内壁面设有第一导热绝缘涂层；

所述阳极喷管套设在所述阴极喷管外，所述阳极喷管与所述阴极喷管之间形成第一气化剂通道，所述第一气化剂通道的末端通过第一绝缘连接件实现密封；所述阳极喷管的前端为阳极喷头，所述阳极喷头沿所述第一末端至所述第一前端方向直径渐缩；所述阳极喷头的前端面开设第一喷口，所述第一喷口与所述第一气化剂通道相连通，用于将气化剂喷入炉内；所述阳极喷管的外壁面设有与之贴合的绝缘套筒；所述阳极喷管的内部设有第二冷却介质通道，且所述第二冷却介质通道的内壁面设有第二导热绝缘涂层；

所述中环喷管套设在所述阳极喷管外，所述中环喷管与所述阳极喷管之间形成水煤浆通道；所述中环喷管的前端为中环喷头，所述中环喷头沿所述第一末端至所述第一前端方向直径渐缩；所述中环喷头的前端面开设第二喷口，所述第二喷口与所述水煤浆通道相连通，用于将水煤浆喷向炉内；

所述外环喷管套设在所述中环喷管外，所述外环喷管与所述中环喷管之间形成第二气化剂通道；所述外环喷管的前端为外环喷头，所述外环喷头沿所述第一末端至所述第一前端方向直径渐缩；所述外环喷头的前端面开设第三喷口，所述第三喷口与所述第二气化剂通道相连通，用于将气化剂喷入炉内；

所述第一喷口具有电弧着床侧壁，所述电弧着床侧壁的高度为50-100mm；所述阳极喷头的前端面与所述中环喷头的前端面之间的距离为10-40mm。

2.如权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述阴极喷管的材质为锆或铜；

和/或，所述阳极喷头、所述中环喷头及所述外环喷头的材质为UMCo-50合金材料。

3.如权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述等离子体喷嘴还设有旋流器和第二绝缘连接件，所述旋流器用于将气化剂沿切向通入所述第一气化剂通道内，所述第二绝缘连接件用于实现所旋流器与所述阳极喷管之间的绝缘；较佳地，所述旋流器的个数为4个，且均布设于所述第一气化剂通道的末端侧壁；更佳地，所述旋流器的内径与所述第一气化剂通道的外径相等。

4.如权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述水煤浆通道的末端与所述阳极喷管通过法兰连接，所述法兰之间设有绝缘密封垫片。

5.如权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述第一导热绝缘涂层和所述第二导热绝缘涂层的导热系数为8W/(m·K)以上；

和/或，所述第一导热绝缘涂层和所述第二导热绝缘涂层的厚度为1-10mm；

和/或，所述绝缘套筒的材质为陶瓷。

6.如权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述第一喷口呈圆柱状；

较佳地，所述阴极头的外侧壁与所述阳极喷头的内侧壁相平行；所述阳极喷头的外侧壁与所述中环喷头的内侧壁相平行；所述中环喷头的外侧壁与所述外环喷头的内侧壁相平行；所述阴极头的前端面与所述第一喷口的顶部之间的距离等于在所述阴极头的外侧壁与所述阳极喷头的内侧壁之间的所述第一气化剂通道的宽度；

更佳地，所述阴极头的外收缩角和所述阳极喷头的内收缩角相等，且为50-80°；所述阳极喷头的外收缩角与所述中环喷头的内收缩角相等，且为45-80°；所述中环喷头的外收缩角与所述外环喷头的内收缩角相等，且为45-80°。

7.如权利要求1-6任一项所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述中环喷头的前端面与所述外环喷头的前端面相齐平。

8.如权利要求1所述的等离子体喷嘴，其特征在于，所述等离子体喷嘴还包括冷却系统，所述冷却系统用于降低所述外环喷头的温度；所述冷却系统包括冷却室和冷却盘管，所述冷却室设置于所述外环喷头的外侧，所述冷却室设有第三冷却介质入口和第三冷却介质出口，所述第三冷却介质出口与冷却盘管相连通，所述冷却盘管螺旋式盘绕在所述外环喷管的外壁上；较佳地，所述冷却室同轴设置于所述外环喷头的外侧。

9.一种气化炉，其特征在于，所述气化炉包括如权利要求1-8任一项所述的等离子体喷嘴；较佳地，所述气化炉为气流床气化炉；更佳地，所述气化炉为竖式气流床气化炉。

10.一种水煤浆的气化方法，其特征在于，所述气化方法采用设有如权利要求1-8任一项所述的等离子体喷嘴的气化炉，所述气化方法包括如下步骤：

(1)从所述第一气化剂通道流出的气化剂被所述阴极头和所述阳极头之间的电弧电离，得气化剂等离子体；

(2)所述气化剂等离子体和所述第三喷口流出的气化剂将所述第二喷口流出的水煤浆剪切雾化，随后在所述气化炉内发生气化反应即可；

其中，较佳地，所述气化方法采用的气化剂为纯氧；更佳地，进入所述第一气化剂通道的气化剂的流量占“进入所述第一气化剂通道的气化剂的流量和进入所述第二气化剂通道中的气化剂的流量的总和”的50％-80％；

其中，较佳地，所述水煤浆的固含量为50wt％-70wt％；

其中，较佳地，所述第一气化剂通道和所述第二气化剂通道中气化剂的流速均为0-50m/s，且不为0；所述水煤浆通道出口处水煤浆的流速为0.1-1.0m/s；所述阳极喷头的喷口处氧气等离子体的出口流速为100-340m/s；

其中，较佳地，所述气化方法的气化操作压力为0.1-10.0MPa。