專利名稱：帶抗氧化插入件的煤氣化進料噴射器擋板的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及一種在用于生產合成氣的煤氣化設備中所使用的改進的進料噴射器，或者噴槍。更具體的，本發明涉及一種具有擋板的進料噴射器，該擋板帶有抗氧化腐蝕的插入件，由此延長進料噴射器的使用壽命。
背景技術：
主要包括一氧化碳和氫氣的合成氣混合物，作為氫化反應中氫氣的來源，烴、含氧有機化合物和氨合成中的原料氣，都具有很重要的商業價值。一種制備合成氣的方法是通過煤的氣化，其涉及將含硫的烴燃料與富氧氣體一起進行不完全燃燒。在熔渣型氣化爐中，煤一水漿料和氧氣被用作燃料。這兩種氣流，通過插在帶有耐火材料襯里的反應室頂部的進料噴射器，有時也叫噴槍，注入氣化爐中。進料噴射器使用兩束同軸的氧氣流和一束煤漿流，其通過經水冷卻的頭部注入反應室。反應室的操作壓力遠高于噴射器水套的壓力。
在這個過程中，反應組分在足夠大的壓力比如大約80巴(8000KPa)下噴入到合成氣燃燒室中。在燃燒室中，在溫度在大約700攝氏度到大約2500攝氏度的范圍，并且壓力在大約1到大約300個大氣壓下，更優選的是在大約10到大約100個大氣壓下產生熱氣流。從氣體發生器中流出的原料廢氣流典型地包括氫、一氧化碳和二氧化碳，另外還可以含有甲烷、硫化氫和氮氣，這取決于燃料源和反應條件。
含硫的烴燃料與富氧氣體的不完全燃燒，給噴槍工藝技術帶來了問題。例如使反應物實現非常快速、完全的混合，以及采取特別的措施防止噴槍或混合器過熱，是必要的。因為煤中含有的氧和硫雜質具易與構成噴槍的金屬發生反應的趨勢，所以防止噴槍部件達到發生快速氧化和腐蝕的溫度是必要的。因此烴與氧的反應完全發生在噴槍以外適當位置是必要的，并且防止在噴槍部件表面或附近產生易燃混合物的局部濃度富集。
即使反應發生在噴槍噴射點之外的位置，噴槍部件容易受到燃燒區域的熱輻射，以及燃燒氣體的湍流再循環影響。由于這些以及其他原因，即使用水冷卻這些部件，并且反應物是預先混合且其從噴槍噴出的速度超過火焰傳播的速度，噴槍還是容易由于噴槍噴嘴周圍的金屬腐蝕而損壞。典型的，短時間操作之后，在朝向反應室的套管上產生熱腐蝕疲勞裂紋。最后，這些裂縫穿透套管使工藝氣體泄漏到冷卻水中。當泄漏發生，氣化器操作必須停止以更換進料噴射器。
在過去曾進行了多種嘗試以使發生腐蝕最少，取得了不同程度的成功。比如，US 5,273,212披露了一種保護噴槍的覆蓋層，由單個瓷瓦、或者薄片相互鄰接著排列，從而以拼接的方式覆蓋噴槍。
US 5,934,206和US6,152,052描述了通過釬焊附接在進料噴射器的表面上的多種擋板片。這些擋板片通常是瓷瓦，當然，也可以使用其他高熔點的材料。每一塊瓷瓦構成環繞噴嘴的瓷瓦的角形小片，瓷瓦在徑向接縫上疊置形成臺階形、或者斜面形的搭接。每一個瓷瓦通過高溫釬焊化合物固定在冷卻套管的端面上。
US 5954491描述了一種用于噴槍噴嘴的線鎖防護面。在該專利中，通過將高溫合金導線穿過擋板和一系列互鎖的調整片而將單片陶瓷擋熱板接附到進料噴射器上。擋板由此被機械固定在噴射器噴嘴的水套管端面上，并且形成為圍繞噴嘴口的整體環或者環帶。
US 5947716描述了一種用于噴槍噴嘴的閂鎖熱防護面板。擋熱板由一個內環和一個外環組成，兩者圍繞噴嘴軸線形成完整的環帶，只防護整個水套管面板的徑向部分。內環通過與突出于噴嘴唇板外圓錐表面的肋相嚙合機械固定在金屬噴嘴構件上。在內環內周上形成具有與設置的肋數目相同的切口的溝槽，由此容納相應的外部肋部件。當進行組裝時，通過一個施加在噴嘴冷卻套管面板，位于內環外周的凹槽內的點焊金屬桿，使內環不致旋轉。
內環的外周形成有大致為整個環厚度一半的臺階凸緣，或者卷邊，與在外環內周上相應的臺階凸緣相重疊。所述外環還通過一系列從水套管面外周凸出的外肋部件，固定在水套管面上。環繞外環圓周的套支架提供了結構溝槽以容納外部一系列水套管肋。外部熱防護環也通過臨時點焊桿或棒被保持在適當位置。
US 5941459描述了一種燃料噴射器噴嘴，其具有與在鄰近噴嘴出口的下游端的噴嘴互鎖的環形難熔插入件。在燃料噴射器噴嘴的下游端形成凹進部以容納該環形難熔插入件。
US 6010330描述了一種具有流線型唇板突起的噴槍噴嘴，對噴槍面板形狀進行了改進，以改變在面板附近的工藝氣體的流動。這一改進提高了進料噴射器的使用壽命。再循環氣流從噴嘴面板到反應物質注入柱的平緩過渡被認為促進了冷卻氣體形成靜態的、或是分層的流動邊界層，在一定程度上將噴嘴面板與燃燒反應產生的熱輻射隔絕。
US 6284324描述了一種能被應用到前述擋板上的涂層，由此可以減輕擋板材料的高溫熱腐蝕。
本申請參見引用美國專利US 6358041公開的內容，其描述了一種用于噴槍噴嘴面板的帶螺紋的擋板。通過一個與在擋板背面機加工設置的螺紋凹進部相接合的帶螺紋的凸出部，該擋熱板被附接在進料噴射器上。該帶螺紋的凸出部可以是連續構件，也可以是多個以一定距離隔開的構件，每一個構件都具有至少一個弧形表面。這一螺紋附接方法是一種可靠的將擋板連接到進料噴射器上的方式。它提供了高強度，并且比其它擋板附件更容易制造。尤其是當擋板由易于進行機加工的金屬制成時更是如此。
雖然上述擋板對現有技術做出了很大的改進，可以延長操作時間，但是其使用壽命仍受到發生在擋板中心位置的腐蝕的限制。使用這種螺紋附接方法的操作經驗已經揭示，局部高氧活性區引起了鉬擋板的腐蝕。這個局部高氧活性區由氧氣流從進料噴射器噴出時產生的氣流動力形成。在噴射器面板邊緣外側附近存在一個低壓區。這個低壓區吸引氧氣，引起鉬擋板的腐蝕。
盡管鉬在還原氣氛中具有極好的耐腐蝕性能，但是它不耐高溫氧化。當擋板發生腐蝕時，由它提供的對噴射器面板的防護也就逐漸消失，由此縮短了噴射器的使用壽命。當發生這一情況時，擋板的背面以及噴射器的面板都會發生腐蝕。在凸出于噴射器面板的螺紋附接環的基座上發生的腐蝕尤其嚴重。在極端的例子中，腐蝕引起了螺紋環失效而從擋板上脫離下來。
盡管在進料噴射器的面板上增加涂覆有鉬的擋板，可以使進料噴射器的最大運行時間加倍，但是，所述運行時間仍然受到在擋板中心附近發生的氧化的限制，導致噴射器面板發生腐蝕和破裂。當擋板的狀況進一步惡化，更多的腐蝕物質在擋板與噴射器面板之間積累。這導致了附接環失效，最終導致擋板的損失。
存在以下需要，即提供一種用于生成合成氣的噴槍擋板，它可以克服現有技術中存在的使用年限短的缺點，其結構簡單，并且運行經濟。
因此，本發明的一個目的是進一步延長上述用于生成合成氣的噴槍噴嘴的使用壽命。
本發明的另一個目的是提供用于具有低腐蝕速率的用于生成合成氣的氣體發生噴槍噴嘴。
進一步的目的是提供一種噴槍噴嘴擋熱板，以保護噴嘴的金屬部件不受由燃燒氣體引起的腐蝕的影響。
另一個目的是提供一種陶瓷插入件，其在將鉬從氧化區除去后，對氧氣具有特別的防護作用，由此保護將擋板附接到噴射器上的螺紋不受燃燒氣體所引起的腐蝕的影響。
發明內容
通過本發明實現所述這些和其他目的，本發明涉及一種噴嘴，其具有帶螺紋的擋熱板，在擋熱板最易于發生腐蝕的那部分的適當位置處設有抗氧化材料。該抗氧化插入件優選與擋板分開，呈圓錐形，并且通過擋板自身被保持在適當位置。該插入件占據氧化區并防止擋板腐蝕，由此進一步延長噴槍的壽命。
本發明通過除去擋板上的圓錐形部分以增加擋板中心孔的直徑來實現。但是擋板的基本形狀以及尺寸并沒有改變。抗氧化材料，通常如陶瓷，為圓錐形狀，并被設置在進料噴射器面板的唇部之上。然后，采用常規手段將擋板擰緊固定在噴射器面板上，使插入件保持在適當位置。這種設計在插入件、噴射器面板和擋板之間提供少量的空隙，以防止易碎的陶瓷開裂。當以這種方式進行組裝時，插入件占據氧化區，而鉬僅僅受到還原條件的影響，由此防止擋板以及由插入件覆蓋的噴射器面板的腐蝕。
圖1為合成氣體發生器燃燒室以及噴槍的局部截面圖；圖2為在噴槍噴嘴面板處燃燒室氣體動力學的示意圖；圖3為根據本發明優選實施例的合成氣體噴槍噴嘴結構的局部截面圖；圖3A為沿圖3中軸線3A的部分的分解截面放大圖；和圖3B為用以清楚的標記根據本發明的其他特征的圖3A的另一幅分解截面放大圖。
具體實施例方式
現在參見圖1，圖中示出了合成氣發生器容器10的局部剖視圖。容器10包括結構外殼12以及圍繞封閉燃燒室16的內部耐火材料襯里14。從外殼壁向外凸出的是在反應容器內支承細長的燃料噴射器噴槍組件20的噴槍安裝頸部18。噴槍組件20是對齊并進行定位，以使噴槍面板22與耐火材料襯里14的內表面大致齊平。噴槍安裝凸緣24將噴槍組件20固定在容器10的安裝頸部凸緣19上，以防止噴槍組件20在操作期間射出。
盡管不希望受任何理論的束縛，據信圖1和圖2表示出燃燒室內一部分內部氣體的循環模式。如箭頭26所示的氣流方向受到燃燒室內的高溫和燃燒條件的驅動。根據燃料以及引發的反應速率，沿著反應器芯部28的溫度可以達到2500℃。當反應氣體向著合成氣體發生室16的端部冷卻時，大部分氣體被吸入一個與美國專利US 2809104中記載的合成氣體生產方法中用到的急冷室相類似的急冷室中，該專利在此作為參考被引用。但是，一小部分氣體從芯部28沿徑向擴散以在反應室的圍壁處冷卻。再循環氣體層被向上推至反應室的上部中心位置，在那里被吸入燃燒柱湍流的下降氣流中。對于圖2所示的模式，在再循環氣體與高速芯部28的匯合處，會產生環形渦流27，其會強烈地洗刷噴槍端面22，由此增加了噴槍頭部端面材料與燃燒產物再循環氣流中所攜帶的高反應性、腐蝕性化合物之間發生化學反應的可能性。
參見圖1和圖3所示，噴槍組件20包括噴射器噴嘴組件30，噴射器噴嘴組件30包括三個同心的噴嘴外殼以及外部冷卻水套管60。內噴嘴外殼32噴出從軸孔開口33沿著上組件軸線導管42進行傳送的氧化氣體。中間噴嘴外殼34引導被傳送到上部件入口44的煤漿進入燃燒室16中。作為流體化的固體，煤漿從由內噴嘴外殼壁32和中間噴嘴外殼壁34限定的環形空間36擠出。外噴嘴外殼，也就是氧化氣體噴嘴外殼46環繞著外噴嘴噴射環形隙縫48。上組件進口45向外噴嘴噴射環形隙縫48提供附加的氧化氣流。
中心翼片50和52分別從內部和中間噴嘴外殼壁32和34的外表面橫向延伸，以保持它們各自的外殼相對于噴槍組件20的縱向軸線是共軸居中的。翼片50和52的結構形成圍繞著內部和中間外殼的不連續帶，由此對各自環形空間中的流流流動的阻力很小。
如在美國專利US 4502633中更詳細描述的，其所披露的整個內容在此作為參考而被引用，內噴嘴外殼32和中間噴嘴外殼34都可以相對于外噴嘴外殼46作軸向調整以改變流量。當中間噴嘴34軸向移動離開外噴嘴46的錐形漸細的內表面時，外噴射環形隙縫48被擴大以使氧氣流量更大。相似地，當內部噴嘴32的外錐形表面朝著中間噴嘴34的內錐表面軸向靠近時，限定煤漿噴射面積的環形空間36被減小。
圍繞著外噴嘴外殼46的是具有環形端蓋62的冷卻流體套管60。冷卻流體導管64，將冷卻劑如水，從上組件冷卻劑進口54直接傳送到端蓋板62的內表面。流體槽路擋板66控制圍繞外部噴嘴外殼的冷卻劑流動的路徑，以確保充分均勻的排熱，并防止冷卻劑多路傳輸并產生局部過熱點。端蓋62包括一個噴嘴唇部70，如在此作為參考而被引用的美國專利US 6010330中描述的一樣，通常定義了一個出口孔或者排出口以將反應材料進料到噴射器噴槍組件20中。
參見圖3，3A和3B，冷卻套管的平端蓋62包括環形表面72，形成了噴射器的面板，它朝向燃燒室16設置。典型地，冷卻套管62環形表面72包含鈷基金屬合金材料，如設計在高溫氧化和硫化環境中使用的合金188。合金188包含能增強耐蝕性的鉻、鑭以及硅元素；以及可以提高高溫強度的鎢元素。其他的鈷基合金如合金25或者合金556也可以有利地使用。這種合金存在的一個問題是當使用高硫含量煤時，煤中存在的硫化合物易與鈷基金屬合金材料發生反應，導致腐蝕。會持續發生自消耗腐蝕，最終導致噴槍組件20的失效。盡管鈷是噴嘴組件30的優選結構材料，但是其他高熔點合金，比如鉬或鉭的合金也可以使用。
凸出于環形表面72的是帶螺紋的凸出部74用以將擋熱板76安裝在噴槍噴射器噴嘴組件30上。擋熱板可以為包括陶瓷、金屬陶瓷和難熔金屬如鉬、鉭或鈮這些適合用于還原性氣化環境中的高溫材料中的任何一種。所述擋熱板76通常包括鉬。
帶螺紋的凸出部74與環形表面72可以是整體的，比如帶螺紋的凸出部可以從包括環形表面72的固體金屬件上機加工得到。另一種選擇是，保持裝置可以是固定在環形表面72上的獨立構件，其中所述凸出部74可用本領域技術人員所公知的方法，比如焊接、螺栓固定、釬焊等方式安裝到環形表面72上。從環形表面延伸出的帶螺紋的凸出部74可以是連續構件，比如環，或者多個隔開的單個構件，所述每一個構件可以是圓柱形或者月牙形的。帶螺紋的凸出部74包括內表面78和外表面80，其中之一或者兩者都具有螺紋。圖3B描繪了設置在帶螺紋的凸出部74外表面80上的螺紋82。環形溝槽88設置在擋板76上表面84上。環形溝槽88在其內表面90或者其外表面92中的至少一個上形成有螺紋，并適合容納帶螺紋的凸出部74。
同樣凸出于環形表面72，并且相對于軸孔開口33處在帶螺紋的凸出部74內側的是與環形表面72成為整體的環形隔板94，或者隔墻。環形隔板94被設置在擋熱板76上表面84上的環形凹槽95所容納。環形隔板94的至少一部分97，或者也許是一個面，與在擋熱板76的上表面84上切出的用于容納該凸出部的凹槽95的底面接觸。設置環形凸出部/凹槽的目的是形成腐蝕物質通道的屏障，以此作為曲徑密封(迷宮式密封)，因此可以防止擋板帶螺紋附件發生腐蝕和失效。這一環形隔板94作為共同申請但未審定的主題，在本申請的同一申請日提交，并已經轉讓給本申請的申請人。
相對于軸孔開口33，在隔板94的內側是根據本發明的環形、或者錐形的抗氧化插入件96，其位置的設定可以在功能性上取代擋板最容易因腐蝕而損失的部分。該抗氧化插入件96與擋板分離，呈圓錐形狀，并且被擋板76保持在適當的位置。該插入件96通常可以由可機加工的抗氧化陶瓷制造。
通過去掉擋板的一圓錐形部分以增大擋板中心孔的直徑，由此容納抗氧化插入件96。抗氧化插入件96一般可以是陶瓷，并且同心設置在進料噴射器面板72上的噴嘴唇部70上方的位置。然后使用常用的方式將擋板螺旋固定到噴射器面板72中，由此將插入件保持在適當的位置。這種設計使插入件96，噴射器面板環形表面72，和擋熱板76之間存在很少的縫隙，以防止易碎陶瓷開裂。當以這種方式進行組裝時，插入件占據了氧化區，并且擋熱板76，通常包含鉬，主要受還原性條件的影響，由此防止擋板以及覆蓋著插入件的噴射器面板72發生腐蝕。
擋熱板76由高熔點材料，比如氮化硅、碳化硅，氧化鋯，鉬，鎢或者鉭組成。代表性的優選材料包括Coors Corp.of Golden，Colorado的氧化鋯TZP和氧化鋯ZDY產品。在特性上，這些高溫材料可以耐受高達約1400℃的高溫，具有高的膨脹系數，在高溫，高還原性/硫化環境中仍然保持較強的鈍性。優選的，擋熱板76含有鉬。
擋板76可以包含高溫、耐蝕涂層98，比如在美國專利US 6284324中記載的，本申請參考引用該篇文獻。這樣的涂層98被應用在擋熱板76面向燃燒室的下表面86上，具有大約0.002至大約0.020英寸(0.05毫米至大約0.508毫米)的厚度，并且優選為大約0.005至大約0.015英寸(0.127至大約0.381毫米)。為了有助于涂層98在擋熱板76上的涂覆，擋熱板76靠近噴嘴唇部70的一部分可具有從大約0.001英寸至大約0.50英寸(0.0254毫米至大約12.7毫米)的小直徑。
涂層98是一種具有通式為MCrAlY的合金，其中M選自鐵、鎳和鈷。該涂層組合物可以包含大約5-40wt％Cr，0.8-35wt％Al，高達1wt％的稀土元素釔，15-25wt％Co以及余量的包括作為一種合金成分的Ni、Si、Ta、Hf、Pt、Rh及其混合物。優選合金包含大約20-40wt％ Co，5-35wt％Cr，5-10wt％Ta，0.8-10wt％Al，0.5-0.8wt％Y，1-5wt％Si和5-15wt％Al2O3。這樣的涂層可以從Praxair和其他公司獲得。
涂層98可以采用粉末涂層領域普通技術人員已公知的各種方法，涂覆在擋熱板76的下表面86上。舉例來說，涂層98可以用細粉采用等離子體噴涂方法進行涂覆。涂覆涂層材料的優選方法并沒有嚴格的限制，只要得到致密的、均勻的、連續的涂層就可以。其他的涂層沉積技術比如反應濺射法或者電子束轟擊法都可以使用。
通過對本發明的詳細描述，本領域技術人員將意識到，只要不偏離本發明公開記載的精神和范圍，可以對本發明多個方面作出改進。因此，不意味著本發明的范圍被限定在前面說明和描述的具體實施例的范圍內，本發明的范圍由本申請所附的權利要求或者與它們相等同的部分所限定。
權利要求
1.一種用于將流體燃料和氧化材料噴射至高溫燃燒室中的進料噴射器，該進料噴射器包括噴射器噴嘴，限定了軸孔開口，并包括至少兩個同心的噴嘴外殼和一個外部冷卻套管，該外部冷卻套管限定出大體呈平坦環狀的端面和環形噴嘴唇部；至少一個從端面延伸出的帶螺紋的凸出部；大體平坦的擋熱板，具有上表面和下表面以及內表面，該內表面限定出中心孔；環形帶螺紋的溝槽，設置在擋熱板的上表面上，以適于旋轉容納至少一個帶螺紋的凸出部，由此將擋熱板固定在噴射器噴嘴的端面上；以及環形的抗氧化插入件，同心設置在噴嘴唇部上，位于噴嘴唇部與擋熱板內表面之間。
2.如權利要求1所述的進料噴射器，其中所述抗氧化插入件包括可進行機加工的陶瓷。
3.如權利要求1所述的進料噴射器，其中抗氧化插入件被擋熱板的內表面保持在噴嘴唇部上適當的位置處。
4.如權利要求1所述的進料噴射器，其中所述帶螺紋的凸出部包含帶有內表面和外表面的環，內表面和外表面中的至少一個帶有螺紋。
5.如權利要求1所述的進料噴射器，其中至少一個帶螺紋的凸出部包括多個帶螺紋的凸出部。
6.如權利要求1所述的進料噴射器，其中擋熱板包含具有高導熱系數的材料。
7.如權利要求5所述的進料噴射器，其中具有高導熱系數的材料為從由氮化硅、碳化硅、氧化鋯基陶瓷、鉬、鎢和鉭組成的組中選擇的至少一種。
8.如權利要求1所述的進料噴射器，進一步包括從噴射器噴嘴端面延伸出的環形隔板，其相對于軸孔開口位于至少一個帶螺紋的凸出部的內側；以及設置在擋熱板上表面上的環形凹槽，以適于容納環形隔板。
全文摘要
公開了一種具有抗氧化插入件的煤氣化進料噴射器，該抗氧化插入件可以防止擋板發生氧化腐蝕，以及隨后引起的對進料噴射器下表面的損壞。進料噴射器的使用壽命得到延長，且因此單個氣化爐的爐齡也由此得到延長。
文檔編號F23D1/00GK1662633SQ03814291
公開日2005年8月31日 申請日期2003年4月16日 優先權日2002年4月18日
發明者G·S·惠特克, J·W·亞當斯 申請人:伊斯曼化學公司