用于氣化系統的進料噴射器的制造方法

用于氣化系統的進料噴射器的制造方法
【專利摘要】本公開內容提供了一種用于氣化系統的進料噴射器。進料噴射器可包括限定其中的內進料通路的內管、限定其中的中間進料通路的中間管，以及限定其中的外進料通路的外管。外管可包括附接至彼此的外管管路部分和外管末梢部分，且外管末梢部分可由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。本公開內容還提供了操作氣化系統的進料噴射器的相關方法和相關的整體氣化聯合循環發電設備。
【專利說明】
用于氣化系統的進料噴射器
技術領域
[0001]本申請及所得專利大體上涉及氣化系統，并且更具體地涉及用于氣化系統來解決開裂、腐蝕和侵蝕的風險的進料噴射器。
【背景技術】
[0002]氣化系統可用于各種應用，包括化學生產系統和電力系統。例如，聯合循環發電系統大體上可包括氣化系統，其與燃氣渦輪發動機和其它構件整體結合來產生功率。氣化系統可包括氣化器，其構造成在其中接收燃料、空氣/氧、蒸汽和可能的其它材料的混合物，以產生稱為〃合成氣〃的部分氧化的氣體。所得的合成氣最終可被引導至聯合循環發電系統的其它構件，諸如燃氣渦輪發動機的燃燒器，以用于其中的燃燒。
[0003]氣化系統還可包括構造成霧化和混合燃料、空氣/氧、蒸汽和其它可能的材料且將混合物輸送至氣化器的反應區的進料噴射器。在操作期間，進料噴射器可經歷氣化器內的極端溫度。具體而言，可延伸到氣化器的反應區中的進料噴射器的末梢可暴露于達到大約2600°F(1427°C)的氣化反應溫度。此高溫可妨礙進料噴射器的有效操作，且可縮短進料噴射器末梢的使用壽命。此外，進料噴射器可暴露于氣化器內產生的合成氣中載有的腐蝕性元素，導致稱為〃硫腐蝕〃的效果。隨時間過去，此腐蝕還可妨礙進料噴射器的有效操作，且可縮短進料噴射器末梢的使用壽命。
[0004]為了保護進料噴射器免受高反應溫度的不利效果，某些氣化系統可包括閉環水冷卻系統，以將冷卻水提供至進料噴射器末梢。然而，閉環水冷卻系統可制造復雜且操作昂貴。此外，冷卻系統的使用可產生局部應變區域，且可導致進料噴射器末梢的開裂。具體而言，內部空氣/氧通路與進料噴射器末梢周圍的內部冷卻水通路之間的金屬溫度可相比于沿暴露于反應區的進料噴射器末梢的外表面的金屬溫度相對低。例如，溫差可為大約十
(10)倍左右的倍數。金屬的剛性隨溫度升高而降低，且因此沿較熱外表面的金屬可比沿較冷內表面的金屬更細長，導致了其間的高熱應變和應力的區域。隨時間過去，高熱應變和應力的該區域可導致進料噴射器末梢的開裂或對其的其它破壞。此開裂還可由跨過進料噴射器末梢的壓差引起的機械應力促進。最終，進料噴射器末梢的開裂可允許合成氣穿透到冷卻水通路中，且污染其中的水，需要氣化系統昂貴且耗時的停機和進料噴射器的替換。
[0005]某些進料噴射器可包括一定數目的卡銷式管(bayonet-style tube)，其以同心方式布置且限定穿過其間的一定數目的同心進料通路。例如，進料噴射器可包括三個管，夕卜管、中間管和內管，其分別限定外進料通路、中間進料通路和內進料通路。根據某些布置，夕卜進料通路和內進料通路各自可輸送空氣/氧的流，且中間進料通路可輸送諸如油、氣體或煤漿的燃料流。以此方式，管可經歷穿過其間的空氣/氧的流的高壓和高速，這可妨礙管的有效操作且可縮短管的使用壽命。此外，當燃料流為煤漿時，管可由以高速行進的煤顆粒沖擊，導致稱為"漿侵蝕"的效果。此侵蝕可在管的末梢處特別顯著，隨時間過去增大末梢開口，且因此降低煤漿的流速和進料噴射器的總體性能。
[0006]根據某些卡銷式進料噴射器，各個管均可包括管路部分和例如通過焊接緊固到另一個上的末梢部分。以此方式，末梢部分可由于如上文所述那樣可發生的開裂、腐蝕或侵蝕而定期替換。然而，末梢部分的替換可能需要氣化系統的昂貴且耗時的停機，且可能在氣化系統包括例如通過焊接連接到末梢部分上的冷卻系統時特別復雜。此外，替換末梢部分的成本可能由于甚至暫時忍受氣化系統操作期間經歷的高溫、高壓和速度所需的昂貴材料而顯著。
[0007]因此，期望構造成將燃料、空氣/氧和蒸汽的混合物輸送至氣化系統的氣化器的改善的進料噴射器。具體而言，此進料噴射器應當解決進料噴射器末梢的開裂、腐蝕和侵蝕的風險，以延長進料噴射器的使用壽命，同時在氣化系統的操作期間經歷的高溫、高壓和速度下提供可接受的可操作性。此外，此進料噴射器應當降低制造和操作進料噴射器的復雜性和成本。此外，此進料噴射器應當減小其替換頻率和持續時間，且因此應當減少氣化系統和使用其的整個系統(諸如聯合循環發電系統)的昂貴的停機。

【發明內容】

[0008]本申請及所得的專利因此提供了一種用于氣化系統的進料噴射器。進料噴射器可包括限定其中的內進料通路的內管、限定其中的中間進料通路的中間管，以及限定其中的外進料通路的外管。外管可包括附接到彼此上的外管管路部分和外管末梢部分，且外管末梢部分可由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。
[0009]本申請和所得的專利還提供了一種操作氣化系統的進料噴射器的方法。該方法可包括以下步驟:引導第一空氣流穿過限定在內管內的內進料通路、引導燃料流穿過限定在中間管內的中間進料通路、引導第二空氣流穿過限定在外管內的外進料通路，以及使第一空氣流、第二空氣流和燃料流在氣化器的反應區內混合來產生合成氣。外管可包括附接到彼此上的外管管路部分和外管末梢部分，且外管末梢部分可由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。
[0010]本申請及所得的專利還提供了一種整體氣化聯合循環發電設備。發電設備可包括燃氣渦輪發動機，其包括壓縮機、與壓縮機連通的燃燒器，以及與燃燒器連通的渦輪。發電設備還可包括氣化系統，其包括氣化器和進料噴射器。進料噴射器可包括限定其中的內進料通路的內管、限定其中的中間進料通路的中間管，以及限定其中的外進料通路的外管。夕卜管可包括附接到彼此上的外管管路部分和外管末梢部分，且外管末梢部分可由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。
[0011]在連同若干附圖和所附權利要求時查閱以下詳細描述后，本申請和所得專利的這些及其它特征和改善對于本領域的普通技術人員將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0012]圖1為包括燃氣渦輪發動機和氣化系統的整體氣化聯合循環發電設備的部分的示意圖。
[0013]圖2為可用于圖1的整體氣化聯合循環發電設備的氣化系統中的已知進料噴射器的側部平面視圖。
[0014]圖3為圖2的已知進料噴射器的端部平面視圖。
[0015]圖4為圖2的已知進料噴射器的部分的詳細側部截面視圖。
[0016]圖5為可如本文所述且可用于圖1的整體氣化聯合循環發電設備的氣化系統的進料噴射器的側部平面視圖。
[0017]圖6為圖5的進料噴射器的端部平面視圖。
[0018]圖7為圖5的進料噴射器的部分的詳細側部截面視圖。
[0019]圖8為可如本文所述且可用于圖1的整體氣化聯合循環發電設備的氣化系統的另一個進料噴射器的側部平面視圖。
[0020]圖9為圖8的進料噴射器的端部平面視圖。
[0021 ]圖10為圖8的進料噴射器的部分的詳細側部截面視圖。
【具體實施方式】
[0022]現在參看附圖，其中相似的數字表示若干視圖各處的相似元件，圖1示出了可在本文中使用的整體氣化聯合循環("IGCC")發電設備100的部分的示意圖。關于本文所述的主題的僅那些構件出于簡化目的示出。整個IGCC發電設備100可具有許多其它構造，且可包括除圖1中所示的那些和本文在下文中所述的那些外的許多其它類型的構件。
[0023]IGCC發電設備100可包括一個或更多個燃氣渦輪發動機110。如已知那樣，燃氣渦輪發動機110可包括壓縮機114。壓縮機114壓縮空氣118的進入流。壓縮機114將空氣118的壓縮流輸送至燃燒器122。燃燒器122使空氣118的壓縮流與燃料126的加壓流混合，且點燃混合物來產生燃燒氣流130。盡管僅示出了單個燃燒器122，但燃氣渦輪發動機110可包括任何數目的燃燒器122。燃燒氣體130的流繼而又輸送至渦輪134。燃燒氣流130驅動渦輪134以便產生機械功。在渦輪134中產生的機械功經由軸138驅動壓縮機114，以及外部負載142(諸如發電機等)。燃氣渦輪發動機110可具有許多其它構造，且可包括許多其它類型的構件。
[0024]燃氣禍輪發動機110可為由GeneralElectric公司(Schenectady, New York)提供的一定數目的不同燃氣渦輪發動機中的任一種，包括但不限于諸如7或9系列重載燃氣渦輪發動機等的那些。燃氣渦輪發動機110可具有不同構造，且可包括其它類型的構件。其它類型的燃氣渦輪發動機也可在本文中使用。燃氣渦輪發動機110可使用天然氣、液體燃料、各種類型的合成氣和/或其它類型的燃料和其組合。IGCC發電設備100可包括多個燃氣渦輪發動機110、其它類型的渦輪，以及其它類型的發電設備。
[0025]IGCC發電設備100還可包括氣化系統146，其構造成產生由燃氣渦輪發動機110的燃燒器122使用的燃料流126。氣化系統146可包括氣化器150，其構造成接收燃料、空氣/氧、蒸汽和可能的其它材料的混合物來在限定于其中的反應區154內產生合成氣。氣化系統146還可包括進料噴射器158，其構造成霧化和混合燃料、空氣/氧、蒸汽和其它可能的材料，且將混合物輸送至氣化器150的反應區154。
[0026]如圖所示，進料噴射器158可與燃料源162連通來從其接收燃料流166，諸如油、氣體或煤漿。進料噴射器158還可與空氣源連通，諸如用于從其接收空氣流174(諸如氧)的空氣分離單元170。空氣分離單元170可與渦輪134連通來從其接收抽取空氣流178。在一些實施例中，進料噴射器158還可與蒸汽源182連通來從其接收蒸汽流186。如圖所示，進料噴射器158的末梢部分可延伸到反應區154中，以將燃料、空氣/氧、蒸汽和其它可能材料的混合物輸送至其。
[0027]氣化器150可經由根據若干已知技術中的一者執行的部分氧化過程來產生粗合成氣流190。如圖所示，粗合成氣流190可被引導至酸性氣體除去系統194。酸性氣體除去系統194可從粗合成氣190除去二氧化碳、硫化氫(H2S)和其它氣體。具體而言，酸性氣體可經由催化過程、溶劑或其它已知技術除去。以此方式，酸性氣體除去系統194可產生清潔的合成氣流，其可用作引導至燃氣渦輪發動機110的燃燒器122的燃料流126來以上文所述的方式或其它方式燃燒。
[0028]氣化系統146可具有許多其它構造，且可包括許多其它類型的構件來執行產生和調節清潔合成氣流的附加步驟。具體而言，一定數目的其它步驟可在氣化器150與酸性氣體除去系統194之間執行，諸如顆粒洗滌、冷卻、水解、水煤氣變換、汞除去和其它步驟。同樣，清潔合成氣加熱和加濕可在酸性氣體除去系統194與燃氣渦輪發動機110的燃燒器122之間執行。
[0029]圖2-4示出了可用于IGCC發電設備100的氣化系統146中的已知進料噴射器200的各種視圖。進料噴射器200可包括構造成定位在氣化器150外側且接收燃料流166、空氣流174和蒸汽流186來霧化和混合的上游部分202。進料噴射器200還可包括下游部分204，其構造成定位在氣化器150的內側且將燃料、空氣/氧和蒸汽的混合物經由末梢端206輸送至反應區154。進料噴射器200還可包括安裝凸緣208，其構造成將進料噴射器200安裝到氣化器150上，使得上游部分204定位在氣化器150的外側，且下游部分206定位在氣化器150的內側來用于操作。安裝凸緣208可在其中限定一定數目的安裝孔210，以用于將安裝凸緣208經由一定數目的螺栓、螺釘或其它緊固件連接到氣化器150上。
[0030]根據已知構造，進料噴射器200可包括以同心方式布置且限定穿過其間的一定數目的同心進料通路的一定數目的卡銷式管。具體而言，進料噴射器200可包括三個管，外管212、中間管214和內管216，其分別限定外進料通路222、中間進料通路224和內進料通路226。如圖所示，外管212和外進料通路222可從進料噴射器200的末梢端206延伸至外管聯接件232。以類似方式，中間管214和中間進料通路224可從進料噴射器200的末梢端206延伸至中間管聯接件234。最終，內管216和內進料通路226可從進料噴射器200的末梢端206延伸至內管聯接件232。進料噴射器200可包括限定任何數目的進料通路的任何數目的管。
[0031]進料噴射器200還可包括沿進料噴射器200的上游部分202分別附接到外管212、中間管214和內管216上的外管入口 242、中間管入口 244和內管入口 246。外管入口 242可構造成將空氣流174的第一部分引導至外進料通路222來用于穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，外管入口 242還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到外進料通路222中。中間管入口 244可構造成將燃料流166引導到中間進料通路224中來用于穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，中間管入口 244還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到中間進料通路224中。內管入口246可構造成將空氣流174的第二部分引導到內進料通路226中來用于穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，內管入口 246還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到內進料通路226中。
[0032]如圖所示，進料噴射器200的卡銷式管可各自包括管路部分和通過焊接緊固到彼此上的末梢部分。具體而言，外管212可包括外管管路部分252和外管末梢部分262，中間管214可包括中間管管路部分254和中間管末梢部分264，且內管216可包括內管管路部分256和內管末梢部分266。以此方式，管的末梢部分可由于在進料噴射器200的操作期間可如本文在上文所述那樣發生的開裂、腐蝕或侵蝕而定期替換。在一些實施例中，一個或更多個管可包括構造成保持管和進料通路的同心布置的一個或更多個定心翅片(centering fin)。例如，中間管214可包括附接到中間管末梢部分264上的中間管定心翅片274，且內管216可包括附接到內管末梢部分266上的內管定心翅片276。定心翅片例如可通過焊接來附接到相應的末梢部分上。
[0033]進料噴射器200還可包括構造成使冷卻水流圍繞進料噴射器200的下游部分204循環的水冷卻系統280。水冷卻系統280可包括水冷卻入口 282、水冷卻出口 284和水冷卻盤管286。如圖所示，水冷卻盤管286可圍繞進料噴射器200的末梢端206附近的外管212定位。以此方式，冷卻水循環穿過水冷卻盤管286可便于進料噴射器200操作期間冷卻管的末梢部分，特別是外管末梢部分262。如圖所示，水冷卻盤管286可例如通過焊接附接到限定在外管末梢部分262的環形區域294中的水冷卻通路292。
[0034]進料噴射器200的構件傳統地可由各種金屬或金屬合金形成。例如，安裝凸緣208可由SA182 Fll C12鉻鉬合金形成，外管管路部分252可由INC0NEL 625鎳鉻合金形成，外管末梢部分262可由HAYNESS 188鈷鎳鉻鎢合金或UMCO 50鈷鉻合金形成，中間管末梢部分264可由HAYNESS 188鈷鎳鉻鎢合金形成，內管末梢部分266可由HAYNESS 188鈷鎳鉻鎢合金形成，且水冷卻盤管286可由INC0NEL 625鎳鉻合金形成。如本文在上文所述，這些構件大體上可鍛造、加工且然后焊接在一起。
[0035]圖5-7示出了可如本文所述且可用于IGCC發電設備100的氣化系統146中的進料噴射器300的各種視圖。盡管進料噴射器300可在本文中描述為用于IGCC發電設備100，但將理解的是，進料噴射器300可用于各種化學生產系統和電力系統的氣化系統中。進料噴射器300可包括對應于參照進料噴射器200所述的那些的某些構件，但結構和功能上的某些差異可在本文的下文中描述。進料噴射器300可包括構造成定位在氣化器150外側且接收燃料流166、空氣流174和蒸汽流186來霧化和混合的上游部分302。進料噴射器300還可包括下游部分304，其構造成定位在氣化器150的內側且將燃料、空氣/氧和蒸汽的混合物經由末梢端306輸送至反應區154。進料噴射器300還可包括安裝凸緣308，其構造成用于將進料噴射器300安裝到氣化器150上，使得上游部分304定位在氣化器150的外側，且下游部分306定位在氣化器150的內側來用于操作。安裝凸緣308可在其中限定一定數目的安裝孔310，以用于將安裝凸緣308經由一定數目的螺栓、螺釘或其它緊固件連接到氣化器150上。
[0036]進料噴射器300可包括一定數目的卡銷式管，其以同心方式布置且限定穿過其間的一定數目的同心進料通路。具體而言，進料噴射器300可包括三個管，外管312、中間管314和內管316，其分別限定外進料通路322、中間進料通路324和內進料通路326。如圖所示，夕卜管312和外進料通路322可從進料噴射器300的末梢端306延伸至外管聯接件332。以類似方式，中間管314和中間進料通路324可從進料噴射器300的末梢端306延伸至中間管聯接件334。最終，內管316和內進料通路326可從進料噴射器300的末梢端306延伸至內管聯接件332。進料噴射器300可包括限定任何數目的進料通路的任何數目的管。
[0037]進料噴射器300還可包括沿進料噴射器300的上游部分302分別附接到外管312、中間管314和內管316上的外管入口 342、中間管入口 344和內管入口 346。外管入口 342可構造成將空氣流174的第一部分引導至外進料通路322來用于穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，外管入口 342還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到外進料通路322中。中間管入口 344可構造成將燃料流166引導到中間進料通路324中來用于穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，中間管入口 344還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到中間進料通路324中。內管入口346可構造成將空氣流174的第二部分引導到內進料通路326中來用于穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，內管入口 346還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到內進料通路326中。
[0038]如圖所示，進料噴射器300的卡銷式管可各自包括管路部分和緊固到管路部分上的末梢部分。具體而言，外管312可包括外管管路部分352和外管末梢部分362，其可以以本文在下文詳述的方式緊固到外管管路部分352上。中間管314可包括中間管管路部分354和例如通過焊接緊固到中間管管路部分354上的中間管末梢部分364。內管316類似地可包括內管管路部分356和例如通過焊接緊固到內管管路部分356上的內管末梢部分366。以此方式，管的末梢部分可由于在進料噴射器300的操作期間可如本文在上文所述那樣發生的開裂、腐蝕或侵蝕而在需要時替換。在一些實施例中，一個或更多個管可包括構造成保持管和進料通路的同心布置的一個或更多個定心翅片。例如，中間管314可包括從中間管末梢部分364延伸的中間管定心翅片374，且內管316可包括從內管末梢部分366延伸的內管定心翅片376。在一些實施例中，定心翅片可與相應的末梢部分整體結合形成為單個構件。作為備選，定心翅片可例如通過焊接附接到相應的末梢部分上。
[0039]外管末梢部分362可包括具有錐形噴嘴形狀的末梢區域380、具有盤形的凸緣區域382，以及具有在末梢區域380與凸緣區域382之間延伸的管狀形狀的管路區域384。如圖所示，外管末梢部分362的末梢區域380、凸緣區域382和管路區域384可整體結合形成為單個構件。外管管路部分352還可包括凸緣區域386，其具有盤形，且緊固到外管末梢部分362的凸緣區域382上。具體而言，如圖所示，外管管路部分352和外管末梢部分362可經由延伸穿過限定在相應的凸緣區域382，386中的匹配孔390的一定數目的螺栓、螺釘或其它緊固件388緊固到彼此上。作為備選，外管管路部分352和外管末梢部分362可經由在相應凸緣區域382,386上延伸的一個或更多個夾具緊固到彼此上。
[0040]如圖所示，進料噴射器300的一個或更多個卡銷式管可包括附接到其末梢部分上的末梢插入件或末梢覆蓋物。在一些實施例中，中間管314可包括附接到中間管末梢部分364上的中間管末梢插入件392。具體而言，如圖所示，中間管末梢插入件392可壓配合到中間管末梢部分364內。以此方式，中間管末梢插入件392可符合中間管末梢部分364的內表面，且可在內表面與中間進料通路324之間延伸。因此，中間管末梢插入件392可用作中間管末梢部分364與引導穿過中間進料通路324的燃料流166之間的隔層來防止中間管末梢部分364的侵蝕。以類似方式，內管316可包括內管末梢覆蓋物(未不出)，其可壓配合在內管末梢部分366的外表面上。因此，內管末梢覆蓋物可用作內管末梢部分366與引導穿過中間進料通路324的燃料流之間的隔層，以防止內管末梢部分366的侵蝕。盡管末梢插入件和末梢覆蓋物的特定實施例可在本文中描述為分別應用于中間管314和內管316，但應當清楚的是，進料噴射器300的任何管都可包括以類似方式構造的末梢插入件或末梢覆蓋物。管的末梢插入件或末梢覆蓋物可由于在進料噴射器300的操作期間如本文在上文所述那樣發生的開裂、腐蝕或侵蝕而在需要時替換。
[0041 ]進料噴射器300的某些構件可由各種金屬或金屬合金形成。例如，安裝凸緣308可由SA182 Fl I C12鉻鉬合金形成，外管管路部分352可由INC0NEL 625鎳鉻合金或INC0NEL600鎳鉻合金形成，中間管末梢部分364可由HAYNESS 188鈷鎳鉻鎢合金形成，且內管末梢部分366可由HAYNESS 188鈷鎳鉻鎢合金形成。如本文在上文所述，這些構件大體上可鍛造、加工且焊接在一起。
[0042]相比于金屬或金屬合金構件，進料噴射器300的某些構件可由各種陶瓷材料形成。例如，外管末梢部分362可由陶瓷基質復合物形成，其包括嵌入陶瓷基質中來形成纖維增強陶瓷的一致的成組陶瓷纖維。以此方式，當外管末梢部分362的末梢區域380、凸緣區域382和管路區域384整體結合形成為單個構件時，一致的成組陶瓷纖維延伸穿過外管末梢部分362的區域380,382,384。具體而言，陶瓷基質復合物可為熔體滲透的SiC/SiC基質復合物。作為備選，陶瓷基質復合物可為C/SiC基質復合物、Al/SiC基質復合物或Mg/SiC基質復合物。在其它實施例中，外管末梢部分362可由燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。管的末梢插入件或末梢覆蓋物可由陶瓷復合物形成。在一些實施例中，中間管末梢插入件392可由氧化鋁陶瓷復合物形成。作為備選，中間管末梢插入件392可由石墨/SiC基質復合物、氧化鋁/SiC基質復合物或Kevlar/SiC基質復合物形成。其它類型的適合的陶瓷材料可在本文中用于外管末梢部分362、中間管末梢插入件392或進料噴射器300的其它構件。
[0043]本文所述的進料噴射器300因此提供了改善的進料噴射器，其構造成將燃料、空氣/氧和蒸汽的混合物輸送至氣化系統146的氣化器150。具體而言，由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成的外管末梢部分362相比于由HAYNESS 188或類似材料形成的已知進料噴射器的外管末梢部分，提供了改善的蠕變延伸和對高溫、熱沖擊、腐蝕和侵蝕的抵抗性。此外，由陶瓷復合物形成的中間管末梢插入件392提供抗侵蝕隔層來保護中間管末梢部分364免受煤顆粒沖擊。以此方式，進料噴射器300解決了開裂、腐蝕和侵蝕的風險，以延長外管末梢部分362和中間管末梢部分364的使用壽命，且因此減小了其替換頻率。此外，由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成的外管末梢部分362消除了對已知進料噴射器所需的水冷卻系統的需要，且因此極大地減小了制造和操作進料噴射器300的復雜性和成本。此外，進料噴射器300提供了將外管末梢部分362緊固到外管管路部分352上的簡化手段，這便于在需要時快速替換外管末梢部分362，而不焊接構件。以此方式，進料噴射器300減少了此替換的持續時間，且因此還減少了氣化系統146和使用其的整個系統(諸如IGCC發電設備100)的昂貴停機時間。
[0044]圖8-10示出了可如本文所述且可用于IGCC發電設備100的氣化系統146中的另一個進料噴射器400的各種視圖。盡管進料噴射器400可在本文中描述為用于IGCC發電設備100，但將理解的是，進料噴射器400可用于各種化學生產系統和電力系統的氣化系統中。進料噴射器400可包括對應于參照進料噴射器200所述的那些的某些構件，但結構和功能上的某些差異可在本文的下文中描述。進料噴射器400可包括構造成定位在氣化器150的外側且接收燃料流166、空氣流174和蒸汽流186來霧化和混合的上游部分402。進料噴射器400還可包括下游部分404，其構造成定位在氣化器150的內側且將燃料、空氣/氧和蒸汽的混合物經由末梢端406輸送至反應區154。進料噴射器400還可包括安裝凸緣408，其構造成用于將進料噴射器400安裝到氣化器150上，使得上游部分404定位在氣化器150的外側，且下游部分406定位在氣化器150的內側來用于操作。安裝凸緣408可在其中限定一定數目的安裝孔410，以用于將安裝凸緣408經由一定數目的螺栓、螺釘或其它緊固件連接到氣化器150上。
[0045]進料噴射器400可包括一定數目的卡銷式管，其以同心方式布置且限定穿過其間的一定數目的同心進料通路。具體而言，進料噴射器400可包括三個管，外管412、中間管414和內管416，其分別限定外進料通路422、中間進料通路424和內進料通路426。如圖所示，夕卜管412和外進料通路422可從進料噴射器400的末梢端406延伸至外管聯接件432。以類似方式，中間管414和中間進料通路424可從進料噴射器400的末梢端406延伸至中間管聯接件434 ο最終，內管416和內進料通路426可從進料噴射器400的末梢端406延伸至內管聯接件432。進料噴射器400可包括限定任何數目的進料通路的任何數目的管。
[0046]進料噴射器400還可包括沿進料噴射器400的上游部分402分別附接到外管412、中間管414和內管416上的外管入口442、中間管入口444和內管入口446。外管入口442可構造成將空氣流174的第一部分引導至外進料通路422來用于穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，外管入口 442還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到外進料通路422中。中間管入口 444可構造成將燃料流166引導到中間進料通路424中來穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，中間管入口444還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到中間進料通路424中。內管入口446可構造成將空氣流174的第二部分引導到內進料通路426中來用于穿過其間且進入氣化器150中。在一些實施例中，內管入口446還可構造成將蒸汽流186的一部分引導到內進料通路426中。
[0047]如圖所示，進料噴射器400的卡銷式管可各自包括管路部分和緊固到管路部分上的末梢部分。具體而言，外管412可包括外管管路部分452和外管末梢部分462，其可以以本文在下文詳述的方式緊固到外管管路部分452上。中間管414可包括中間管管路部分454和例如通過焊接緊固到中間管管路部分454上的中間管末梢部分464。內管416類似地可包括內管管路部分456和例如通過焊接緊固到內管管路部分456上的內管末梢部分466。以此方式，管的末梢部分可由于在進料噴射器400的操作期間如本文在上文所述那樣發生的開裂、腐蝕或侵蝕而在需要時替換。在一些實施例中，一個或更多個管可包括構造成保持管和進料通路的同心布置的一個或更多個定心翅片。例如，中間管414可包括從中間管末梢部分464延伸的中間管定心翅片474，且內管416可包括從內管末梢部分466延伸的內管定心翅片476。在一些實施例中，定心翅片可與相應的末梢部分整體結合形成為單個構件。作為備選，定心翅片可例如通過焊接附接到相應的末梢部分上。
[0048]外管末梢部分462可包括具有錐形噴嘴形狀的末梢區域480、具有盤形的凸緣區域482，以及具有在末梢區域480與凸緣區域482之間延伸的管狀形狀的管路區域484。在一些實施例中，外管末梢部分462還可包括防護區域486，其具有沿徑向向外延伸和定位在末梢區域480的正上游的盤形狀。以此方式，防護區域486可朝氣化器150的頸部延伸，且可構造成防止夾雜的熱循環氣體在氣化器150的操作期間進入頸部區域。如圖所示，外管末梢部分462的末梢區域480、凸緣區域482、管路區域484和防護區域486可整體結合形成為單個構件。如圖所示，外管末梢部分462可緊固到安裝凸緣408上。具體而言，外管末梢部分462可經由延伸穿過限定在外管末梢部分462的凸緣區域482中的安裝孔410和匹配孔490的一定數目的螺栓、螺釘或其它緊固件488緊固到安裝凸緣408上。作為備選，外管末梢部分462和安裝凸緣408可經由一個或更多個夾具緊固到彼此上。基于凸緣區域482和安裝凸緣408的布置，外管末梢部分462可構造成在進料噴射器400操作期間用作用于安裝凸緣408的熱障層。在一些實施例中，中間管末梢部分464和/或內管末梢部分466可以以類似于外管末梢部分462的方式構造，包括整體結合形成為單個構件且緊固到安裝凸緣408上的末梢區域、凸緣區域和管路區域。
[0049]進料噴射器400的某些構件可由各種金屬或金屬合金形成。例如，安裝凸緣408可由SA182 Fll C12鉻鉬合金形成，外管管路部分452可由IN⑶NEL 625鎳鉻合金或IN⑶NEL600鎳鉻合金形成，中間管末梢部分464可由HAYNESS 188鈷鎳鉻鎢合金形成，且內管末梢部分466可由HAYNESS 188鈷鎳鉻鎢合金形成。如本文在上文所述，這些構件大體上可鍛造、加工且焊接在一起。
[0050]相比于金屬或金屬合金構件，進料噴射器400的某些構件可由各種陶瓷材料形成。例如，外管末梢部分462可由陶瓷基質復合物形成，其包括嵌入陶瓷基質中來形成纖維增強陶瓷的一致的成組陶瓷纖維。以此方式，當外管末梢部分462的末梢區域480、凸緣區域482、管路區域484和防護區域486整體結合形成為單個構件時，一致的成組陶瓷纖維延伸穿過外管末梢部分462的區域480，482，484，486。具體而言，陶瓷基質復合物可為熔體滲透的SiC/SiC基質復合物。作為備選，陶瓷基質復合物可為C/SiC基質復合物、Al/SiC基質復合物或Mg/SiC基質復合物。其它類型的適合的陶瓷基質復合物在本文中可用于外管末梢部分462或進料噴射器400的其它構件。在其它實施例中，外管末梢部分462可由燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。在一些實施例中，中間管末梢部分464和/或內管末梢部分466還可由陶瓷基質復合物形成。其它類型的適合的陶瓷材料可在本文中用于外管末梢部分462、中間管末梢部分464、內管末梢部分466，或進料噴射器400的其它構件。
[0051]本文所述的進料噴射器400因此提供了改善的進料噴射器，其構造成將燃料、空氣/氧和蒸汽的混合物輸送至氣化系統146的氣化器150。具體而言，由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成的外管末梢部分462相比于由HAYNESS 188或類似材料形成的已知進料噴射器的外管末梢部分，提供了改善的蠕變延伸和對高溫、熱沖擊、腐蝕和侵蝕的抵抗性。以此方式，進料噴射器400解決了開裂、腐蝕和侵蝕的風險，以延長外管末梢部分462的使用壽命，且因此減小了其替換頻率。此外，由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成的外管末梢部分462消除了對已知進料噴射器所需的水冷卻系統的需要，且因此極大地減小了制造和操作進料噴射器400的復雜性和成本。此外，進料噴射器400提供了將外管末梢部分462經由安裝凸緣408緊固到外管管路部分452上的簡化手段，這便于在需要時快速替換外管末梢部分462，而不焊接構件。以此方式，進料噴射器400減少了此替換的持續時間，且因此還減少了氣化系統146和使用其的整個系統(諸如IGCC發電設備100)的昂貴停機時間。
[0052]應當清楚的是，前文僅涉及本申請和所得專利的某些實施例。本領域的普通技術人員可制作出許多變化和改型，而不會脫離由以下權利要求及其等同物限定的本發明的總體精神和范圍。
【主權項】
1.一種用于氣化系統的進料噴射器，所述進料噴射器包括: 限定其中的內進料通路的內管； 限定其中的中間進料通路的中間管；以及 限定其中的外進料通路的外管，其中所述外管包括附接至彼此的外管管路部分和外管末梢部分，以及其中所述外管末梢部分由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。2.根據權利要求1所述的進料噴射器，其特征在于，所述外管末梢部分包括末梢區域、凸緣區域和在所述末梢區域與所述管路區域之間延伸的管路區域。3.根據權利要求2所述的進料噴射器，其特征在于，所述末梢區域具有錐形噴嘴形狀，所述凸緣區域具有盤形，且所述管路區域具有管狀形狀。4.根據權利要求2所述的進料噴射器，其特征在于，所述外管末梢部分還包括沿徑向向外延伸且定位在所述末梢區域上游的防護區域。5.根據權利要求2所述的進料噴射器，其特征在于，所述末梢區域、所述凸緣區域和所述管路區域由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅整體結合形成。6.根據權利要求2所述的進料噴射器，其特征在于，所述外管管路部分包括凸緣區域，以及其中所述外管管路部分和所述外管末梢部分經由所述外管管路部分的所述凸緣區域附接至彼此。7.根據權利要求2所述的進料噴射器，其特征在于，還包括構造成用于將所述進料噴射器安裝至所述氣化系統的氣化器的安裝凸緣，其中所述外管管路部分和所述外管末梢部分經由所述安裝凸緣和所述外管末梢部分的凸緣區域附接至彼此。8.根據權利要求1所述的進料噴射器，其特征在于，所述外管管路部分由金屬或金屬合金形成，以及其中所述外管末梢部分由熔體滲透的SiC/SiC基質復合物形成。9.根據權利要求1所述的進料噴射器，其特征在于，所述中間管包括附接至彼此的中間管管路部分和中間管末梢部分。10.根據權利要求9所述的進料噴射器，其特征在于，所述中間管末梢部分由陶瓷基質復合物形成。11.根據權利要求10所述的進料噴射器，其特征在于，所述中間管還包括從所述中間管末梢部分延伸的多個定心翅片，以及其中所述定心翅片和所述中間管末梢部分由陶瓷基質復合物整體結合形成。12.根據權利要求9所述的進料噴射器，其特征在于，所述中間管還包括定位在所述中間管末梢部分內的中間管末梢插入件。13.根據權利要求12所述的進料噴射器，其特征在于，所述中間管末梢插入件由氧化鋁陶瓷復合物形成。14.根據權利要求1所述的進料噴射器，其特征在于，所述內管包括內管管路部分、附接至所述內管管路部分的內管末梢部分，以及定位在所述內管末梢部分的外表面上的內管末梢覆蓋物，以及其中所述內管末梢覆蓋物由氧化鋁陶瓷復合物形成。15.—種操作氣化系統的進料噴射器的方法，所述方法包括: 將第一空氣流引導穿過限定在內管內的內進料通路； 將燃料流引導穿過限定在中間管內的中間進料通路； 將第二空氣流引導穿過限定在外管內的外進料通路；以及 在氣化器的反應區內混合所述第一空氣流、所述第二空氣流和所述燃料流來產生合成氣； 其中所述外管包括附接至彼此的外管管路部分和外管末梢部分，以及其中所述外管末梢部分由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。16.—種整體氣化聯合循環發電設備，包括: 燃氣渦輪發動機，其包括壓縮機、與所述壓縮機連通的燃燒器，以及與所述燃燒器連通的渦輪；以及 氣化系統，其包括氣化器和進料噴射器，其中所述進料噴射器包括: 限定其中的內進料通路的內管； 限定其中的中間進料通路的中間管；以及 限定其中的外進料通路的外管，其中所述外管包括附接至彼此的外管管路部分和外管末梢部分，以及其中所述外管末梢部分由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅形成。17.根據權利要求16所述的整體氣化聯合循環發電設備，其特征在于，所述外管末梢部分包括具有錐形噴嘴形狀的末梢區域、具有盤形的凸緣區域和在所述末梢區域與所述管路區域之間延伸的具有管狀形狀的管路區域，以及其中所述末梢區域、所述凸緣區域和所述管路區域由陶瓷基質復合物、燒結的碳化硅或燒結的氮化硅整體結合形成。18.根據權利要求16所述的整體氣化聯合循環發電設備，其特征在于，所述外管管路部分由金屬或金屬合金形成，以及其中所述外管末梢部分由熔體滲透的SiC/SiC基質復合物形成。19.根據權利要求16所述的整體氣化聯合循環發電設備，其特征在于，所述中間管包括中間管管路部分、附接至所述中間管管路部分的中間管末梢部分，以及定位在所述中間管末梢部分內的中間管末梢插入件，以及其中所述中間管末梢插入件由氧化鋁陶瓷復合物形成。20.根據權利要求16所述的整體氣化聯合循環發電設備，其特征在于，所述內管包括內管管路部分、附接至所述內管管路部分的內管末梢部分，以及定位在所述內管末梢部分的外表面上的內管末梢覆蓋物，以及其中所述內管末梢覆蓋物由氧化鋁陶瓷復合物形成。
【文檔編號】F23D14/22GK106062480SQ201480077143
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年12月15日
【發明人】D.Y.阿錢格爾, M.L.哈內德, A.南達基肖爾, P.卡馬卡
【申請人】通用電氣公司