專利名稱：煤氣化進料噴射器擋熱板和整體的防腐蝕擋板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及一種生產合成煤氣的煤氣化裝置的改進的進料噴射器噴嘴或燃燒器。進料噴射器設有螺紋擋熱板，防止進料噴射器表面腐蝕，并設有擋板，其與進料噴射器的表面整體形成，可防止腐蝕物質擴散到擋熱板的螺紋連接環(huán)。該擋板通過阻擋可造成環(huán)損壞的腐蝕性物質通過，而延長擋熱板的壽命。
背景技術：
基本上包括一氧化碳和氫的合成煤氣混合物作為加氫反應的氫源，和作為合成碳氫化合物、含氧的有機化合物和氨的進料氣源在商業(yè)上很重要。生產合成煤氣的一種方法是對煤進行氣化，涉及到含有硫的烴類燃料與富含氧的空氣的部分燃燒。在成渣型氣化器中，水煤漿和氧氣用作燃料。這兩種流體通過也可稱作燃燒器的進料噴射器輸入到氣化器，噴射器插入到帶難熔物襯里的反應室的頂部。進料噴射器使用同心的兩個氧氣和一個水煤漿流體，通過水冷端部輸入到反應室。反應室在比噴射器水套壓力高很多的壓力下操作。
在這個工藝過程中，反應物在高壓下，比如大約80巴，噴射到合成煤氣燃燒室。在大約700℃到大約2500℃的溫度范圍和大約1到大約300大氣壓的壓力范圍的條件下，具體為大約10到大約100大氣壓下，熱氣流在燃燒室產生。從氣體發(fā)生器排出的原料氣流一般包括氫氣、一氧化碳和二氧化碳，另外還包括甲烷、硫化氫和氮氣，取決于燃料源和反應條件。
含有硫的烴類燃料與富含氧的空氣的部分燃燒存在的問題現有技術的燃燒器一般不會遇到。例如，反應物必須進行非常快速和完全的混合，以及采取特殊的措施來防止燃燒器或混合器過熱。由于存在氧氣和煤中的硫污染物與制造燃燒器的金屬反應的傾向，有必要防止燃燒器部件達到可產生氧化和腐蝕的溫度。因此關鍵是使碳氫化合物和氧氣之間的反應完全在燃燒器外進行，防止燃燒混合物局部集中于燃燒器部件表面或其附近。
即使反應發(fā)生在燃燒器的排放點以上，燃燒器的部件仍受到燃燒區(qū)的輻射加熱和受到燃燒氣體的湍流回流作用。出于這些和其他的原因，燃燒器可由于圍繞燃燒器頂部的金屬腐蝕而損壞，即使這些部件帶有水冷，盡管反應物預先混合和以超過火焰?zhèn)鞑ニ俾实牧魉購娜紵鲊姵?。一般地，在短時間操作后，在面對反應室的冷卻套件可產生熱腐蝕疲勞裂紋。最終這些裂紋擴展穿透水套，使生產氣體泄漏到冷卻水流中。當出現泄漏，氣化器操作必須中斷，更換進料噴射器。
過熱交換器已經進行了許多實驗來解決這個問題，取得了不同程度的成功。例如，美國專利No.5,273,212公開了一種受保護的燃燒器復層，帶有各種陶瓷磚或片，互相相鄰設置以便以嵌鑲結構方式覆蓋燃燒器。
美國專利No.5,934,206和6,152,052公開了通過釬焊連接到進料噴射器表面的多個防護保溫塊。這些防護保溫塊一般是陶瓷磚，盡管其他高熔點的材料也可以使用。各陶瓷塊形成環(huán)繞噴嘴的成一定角度的磚部分。這些磚在徑向連接處是重疊的，形成帶臺階的或嵌接的搭接處。各塊磚通過高溫釬料化合物固定到冷卻水套端面。
美國專利No.5,954,491公開了一種燃燒器噴嘴的用金屬線固定的防護表面。這個專利，通過使高溫合金線穿過擋熱板和一系列互鎖片，使單個陶瓷擋熱板連接到進料噴射器。從而使擋熱板機械固定到噴射器噴嘴的水套端面，形成圍繞噴嘴小孔的整體環(huán)或環(huán)形件。
美國專利No.5,947,716公開了一種燃燒器噴嘴的閂鎖熱屏蔽表面。熱擋熱板包括內和外環(huán)件，各自形成圍繞噴嘴軸線的全環(huán)形帶，只屏蔽整個水套表面的徑向部分。內環(huán)通過與從噴嘴凸緣的外圓錐表面凸出的突起配合，機械固定到金屬噴嘴結構。內環(huán)的內周形成通道，具有數量等于突起數量的切口，設置成可容納對應的外突起。當安裝時，通過施加到內環(huán)外圓周凹槽中的噴嘴冷卻套表面的點焊金屬桿，內環(huán)不能轉動地進行固定。
內環(huán)的外周邊形成臺階邊或搭接邊，近似于環(huán)件整個厚度的一半，重疊在對應外環(huán)件的內周邊的臺階邊。通過一組外突起件，外環(huán)件也固定到水套表面，外突起件從水套表面的外周面凸出。圍繞外環(huán)件周邊的封套提供了結構通道，可容納外面的一組水套突起。通過定位焊的桿或柱，外熱屏蔽環(huán)也保持在適當位置。
美國專利No.5,941,459公開了一種燃料噴射器噴嘴，帶有環(huán)形難熔材料插入件，其與噴嘴在靠近噴嘴出口的下游端互鎖。在燃料噴射器噴嘴的下游端形成的凹部可容納環(huán)形難熔材料插入件。
美國專利No.6,010,330公開了一種燃燒器噴嘴，具有流線型的唇狀突起，是對燃燒器表面形狀的改進，改變了氣體在表面附近的流動。該改進導致了進料噴射器壽命提高。流過噴嘴表面進入反應材料排出柱的回流氣流的平滑過渡，相信可形成冷卻氣體的穩(wěn)定或層流邊界層，使噴嘴表面一定程度上隔絕開燃燒反應散發(fā)的熱量。
美國專利No.6,284,324公開了一種可施加到前面介紹的擋熱板的涂層，從而可減少屏蔽材料的高溫腐蝕。
美國專利No.6,358,041公開了一種燃燒器噴嘴表面的帶螺紋的擋熱板，其公開的內容在本文中參考引用。該擋熱板通過帶螺紋凸出部連接到進料噴射器。螺紋凸出部與所述擋熱板的后面加工出的帶螺紋的凹部接合。螺紋凸出部可以是連續(xù)構件或多個間隔開的單獨件，并設有至少一個弧形表面。這種螺紋連接方法已經發(fā)現是連接擋熱板到進料噴射器的最可靠方式。其具有很高的強度，比其他的屏蔽連接更容易制造，當擋熱板是用容易加工的金屬制造時，尤其如此。
盡管剛介紹的擋熱板是現有技術的突出進步，使得操作時間延長，但其使用壽命受到發(fā)生在擋熱板中部的腐蝕的限制。使用螺紋連接方法的操作實踐顯示高氧化活性的局部區(qū)域造成鉬擋熱板腐蝕。高氧化活性的局部區(qū)域是由離開進料噴射器的氧氣流的氣流動力學因素造成的。低壓區(qū)就位于噴射器表面的凸緣外。該低壓區(qū)吸收氧氣，造成鉬擋熱板腐蝕。
盡管鉬通過還原氣體具有非常好的抗腐蝕性，但抗高溫氧化性不好。擋熱板發(fā)生腐蝕時，對噴射器表面提供的保護就逐漸喪失，縮短了噴射器的壽命。當這種情況發(fā)生時，擋熱板的后面和噴射器的表面出現腐蝕。這種腐蝕在從噴射器表面突出的螺紋連接環(huán)的基體上非常嚴重。在某些情況下，腐蝕可以造成螺紋環(huán)損壞和使擋熱板分離。
盡管施加涂復鉬的擋熱板到進料噴射器的表面成倍地延長了進料噴射器的最大運轉周期，運轉周期仍受到擋熱板氧化的限制，氧化發(fā)生在擋熱板中間附近，導致噴射器表面腐蝕和開裂。當擋熱板的條件進一步惡化，擋熱板和噴射器表面之間出現更多的受腐蝕的材料。這造成連接環(huán)的損壞，并最終使擋熱板損壞。
需要提供擋熱板和燃燒器來生產合成煤氣，其可克服現有技術的操作壽命預期方面的缺點，結構簡單，并具有使用經濟性。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一個目的是延長所介紹的生產合成煤氣的燃燒器噴嘴的預期使用壽命。
本發(fā)明的另一目的是提供一種生產合成煤氣的氣體燃燒器噴嘴，其可降低腐蝕速率。
本發(fā)明的又一目的是提供燃燒器噴嘴擋熱板，以保護噴嘴的金屬件免受燃燒氣體造成的腐蝕作用。
本發(fā)明還有的目的是提供抵抗氧化作用的陶瓷插入件，否則該氧化作用將從氧化區(qū)去除鉬。
本發(fā)明還有一個目的是保護連接擋熱板到凸出部的螺紋，免于受到燃燒氣體造成的腐蝕。
本發(fā)明的這些和其他的目的在本發(fā)明得到實現，本發(fā)明涉及到一種具有螺紋擋熱板的噴嘴，并設有位于噴嘴的流線型唇狀凸出部和與擋熱板連接的螺紋環(huán)之間的擋板。該擋板可作為進料噴射器表面整體部分的隔板或凸出部，面對擋熱板并位于擋熱板后面切割出的配合槽。擋板防止了生產氣體到達螺紋環(huán)，因此延長了擋熱板和噴嘴的壽命。


圖1是生產合成煤氣的燃燒室和燃燒器的部分截面圖；圖2是燃燒器噴嘴表面的燃燒室氣體動力學現象的細節(jié)；圖3是根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例的合成煤氣燃燒器噴嘴的部分截面圖；圖3A是沿圖3的線3A部分的分解放大截面圖；圖3B是圖3A的分解放大截面圖的復制圖，提供了對本發(fā)明的其他特征的清楚顯示。
具體實施例方式
現在參考圖1，顯示了合成煤氣發(fā)生器10的部分剖視圖。發(fā)生器10包括結構外殼12和難熔材料內襯里14，其圍繞封閉的燃燒室16。燃燒器固定頸18從外殼壁向外突出，支撐位于反應器容器內的細長的燃料噴射燃燒器組件20。燃燒器組件20對準和定位成可使燃燒器的表面22與難熔材料襯里14的內表面平齊。燃燒器固定法蘭24將燃燒器組件20固定到發(fā)生器10的固定頸法蘭19，以防止燃燒器組件20在操作時脫離。
盡管不希望受到任何理論的束縛，相信圖1和2顯示了燃燒室內部氣體循環(huán)模式的一部分。箭頭26代表的氣流受到燃燒室16內高溫和燃燒條件的驅動。取決于燃料和產生的反應速率，沿反應器中心28的溫度可高達2500℃。當反應氣體朝合成煤氣發(fā)生器16的端部冷卻時，大部分的氣體被吸到急冷腔，類似于美國專利No.2,809,104介紹的合成煤氣工藝，該部分內容本文參考引用。但是，少量的氣體從核心部28沿徑向擴散，相對反應腔側壁進行冷卻?；亓鳉怏w層向上推動到反應腔的頂部中心，在這里被吸入燃燒柱的向下湍流中。參考圖2介紹的模式，在回流氣體與高速核心部28的匯合處，環(huán)形渦流27產生，其激烈地刷洗燃燒器端表面22，因此增強了燃燒器端表面材料和燃燒產物回流攜帶的高活性和腐蝕性化合物之間產生化學反應的機會。
如圖1和3所示，燃燒器組件20包括噴射器噴嘴組件30，其包括3個同心的噴嘴殼體和外冷卻水套60。內噴嘴殼體32排放氧化氣體，氣體從軸向中心孔33沿上組件軸向通道42輸送。中間噴嘴殼體34引導水煤漿從上組件端口44進入燃燒室16。作為流體化的固體，水煤漿從內噴嘴殼體壁32和中間噴嘴殼體壁34形成的環(huán)形空間36排出。外氧化劑氣體噴嘴殼體46圍繞外噴嘴排放環(huán)形腔48。經上組件端口45向外噴嘴排放環(huán)形腔48提供另外的氧化氣體流。
中心翼片50和52分別從內和中間噴嘴殼體壁32和34的外表面橫向延伸，以保持各自殼體相對燃燒器組件20的縱向軸線同軸對中。翼片50和52的結構形成了圍繞內和中間殼體的不連續(xù)的限制，因此對各自環(huán)形空間內流體提供的阻力很小。
如美國專利No.4,502,633更詳細地說明，該專利內容在本文中參考引用，內噴嘴殼體32和中間噴嘴殼體34都是可相對外噴嘴殼體46進行軸向調節(jié)的，以適應流量的變化。當中間噴嘴34從外噴嘴46的同心錐形內表面軸向移動時，外排放環(huán)形腔48擴大以允許更多的氧氣流入。類似地，當內噴嘴32的外錐形表面朝中間噴嘴34的內錐形表面軸向移動時，水煤漿排放區(qū)的面積減少。
圍繞外噴嘴殼體46的是冷卻流體套60，其具有環(huán)形封閉端面62。冷卻流體通道64從上組件供應端口64直接輸送冷卻劑，如水，到端面封閉板62的內表面。流動通道擋板66控制圍繞外噴嘴殼體的冷卻劑流體路徑，以保證基本上均勻的散熱，并防止冷卻液出現溝流和產生局部熱點。封閉端部62包括噴嘴突出70，如美國專利No.6,010,330所介紹的，本文參考引用其內容，其形成出口孔或排放口，用于輸送反應材料到噴射燃燒器組件20。
現在參考圖3，3A和3B，冷卻套62的平面端包括形成噴射器表面72的環(huán)形表面，其位置面對燃燒室16。一般地，形成冷卻套62的噴射器表面72的環(huán)形表面72包括鈷基金屬合金材料，比如合金188，設計用于氧化和硫化環(huán)境下的較高溫度。合金188包括鉻、鑭和硅，可提高抗腐蝕性；還有鎢，用于提高高溫強度。其他的鈷基合金比如合金25或合金556也可以優(yōu)先采用。這類材料具有的問題是，當使用高硫煤時，煤中含有的硫化合物可與鈷基金屬合金材料反應造成腐蝕。自耗式腐蝕持續(xù)進行，最終以燃燒器組件20的損壞而終止。盡管鈷通常是噴嘴組件30的優(yōu)選材料，其他高熔點溫度合金，比如，含鉬或鈦的合金也可以使用。
帶螺紋的凸出部74從環(huán)形表面72突出，用來固定燃燒器噴嘴噴射器組件30的擋熱板76。擋熱板76可用多種高溫材料中的一種來制造，包括陶瓷、金屬陶瓷和難熔合金，比如鉬、鈦或鈮，這些金屬適合還原的氣化環(huán)境。擋熱板76一般包括鉬。
帶螺紋的凸出部74可與噴射器表面72整體形成，即螺紋凸出部可從包括形成凸出部表面72的固體金屬加工出?；蛘撸潭C構可以是單獨件，固定到噴射器表面72，在這種情況下，可使用所屬領域的技術人員已知的方法，如焊接、螺紋連接、釬焊和類似方法，將凸出部74固定到噴射器表面72。從噴射器表面72延伸的帶螺紋凸出部74可以是連續(xù)件，比如環(huán)件，或多個間隔開的單獨件，每個單獨件可以是圓柱形的或月牙形的。螺紋凸出部74包括內表面78和外表面80，每個表面或兩個表面都可以帶螺紋。圖3B顯示了設置在螺紋凸出部74的外表面80的螺紋82。環(huán)形通道88設置在擋熱板76的上表面84。環(huán)形通道88在其內表面90和外表面92中至少一個表面帶有螺紋，可接納帶螺紋的凸出部74。
從形成噴射器表面72的環(huán)形表面突出的還有環(huán)形擋板94或隔板，其相對軸向中心孔33位于帶螺紋的凸出部74內部，并與噴射器表面72整體形成。該環(huán)形擋板94是設置在噴射器表面72的環(huán)形凸出部，位于形成內徑開口的錐形凸出部和與擋熱板連接的螺紋凸出部74之間。環(huán)形擋板94可容納于設置在擋熱板的上表面84的環(huán)形槽95。至少環(huán)形擋板94的表面或部分97與槽95的底部接觸，槽在擋熱板76的上表面84加工出，以容納凸出部。設置環(huán)形凸出部/槽結構的目的是形成對腐蝕物質通過的阻擋，因此成為迷宮式密封，從而可防止擋熱板的螺紋連接部分腐蝕和損壞。
在擋板94的內部相對于軸向中心孔33設置了環(huán)形或錐形防氧化插入件96。該防氧化插入件96是與本發(fā)明申請在同一天提出申請的共同未決專利申請的主題，該專利申請已轉讓給本受讓人。防氧化插入件96可代替一部分擋熱板的功能，擋熱板很可能因腐蝕而脫開。防氧化插入件96與擋熱板分開，形狀為錐形，通過擋熱板76而保持在適當位置。該插入件一般用可加工的抗氧化陶瓷材料制造。
防氧化插入件96通過去除擋熱板的錐形部分將擋熱板的中心孔直徑擴大進行設置。防氧化插入件96一般是陶瓷的，通過布置在進料噴射器72表面噴嘴凸出部70上進行定位，凸出部一般是合金188。然后將擋熱板76以普通方式螺紋連接到噴射器表面72的適當位置，將插入件固定到適當位置。這種設計使插入件96、噴射器表面72的環(huán)形表面和擋熱板76之間具有少量間隙，以防止容易開裂的陶瓷出現開裂。當以這種方式進行組裝時，插入件占據氧化區(qū)的空間，使一般含有鉬的擋熱板76主要經受還原條件，因此防止了擋熱板和被插入件覆蓋的噴射器表面72的腐蝕。
擋熱板76是用高熔點溫度材料制成，如氮化硅、碳化硅、氧化鋯、鉬、鎢或鉭。具代表性的專利材料包括位于美國Colorado州的Coors Corp.of Golden公司的Zirconia TZP和Zirconia ZDY產品，這些產品的特征是，這些高溫材料的耐受溫度高達大約1400℃，具有高膨脹系數，在高溫下和高還原/硫化環(huán)境下仍保持惰性。該擋熱板最好含有鉬。
擋熱板76可包括高溫抗腐蝕涂層98，如美國專利No.6,284,324所介紹的，其內容本文參考引用。涂層98施加到擋熱板76的面對燃燒室的下表面86，厚度在大約0.002到0.020英寸(0.05毫米到大約0.508毫米)，尤其是在大約0.005到大約0.015英寸(0.127到大約0.381毫米)。為了幫助施加涂層98到擋熱板76，靠近噴嘴凸出部70的部分擋熱板可具有大約0.001到大約0.50英寸(0.0254毫米到大約12.7毫米)的半徑。
涂層98所含的合金具有通用結構式MCrAlY，其中M是從鐵、鎳或鈷選擇。涂層的成分可包括大約5-40％重量的Cr，0.8-35％重量的Al，不超過大約1％重量的稀土金屬元素釔，和15-25％重量的Co，平衡余量的金屬成分Ni、Si、Ta、Hf、Pt、Rh及其混合物。優(yōu)選的合金包括大約20-40％重量的Co，5-35％重量的Cr，5-10％重量的Ta，0.8-10％重量的Al、0.5-0.8％重量的Y、1-5％重量的Si，5-15％重量的Al2O3，這樣的涂層可從Praxair公司或其他公司得到。
使用粉末涂層領域的技術人員已知的各種方法，可施加涂層98到擋熱板76的下表面86。例如，施加涂層可通過微小粉末的等離子噴涂工藝。施加涂層材料的特定方法不是很關鍵，只要能形成密實均勻的連續(xù)粘性涂層。其他涂復技術比如濺射或電子束也可使用。
上面已經詳細地介紹了本發(fā)明，所屬領域的技術人員應該理解，對本發(fā)明的各方面可進行各種修改，這并未脫離所公開和說明的發(fā)明范圍和精神。不希望本發(fā)明的范圍局限于所介紹和顯示的特定實施例，而是由所附權利要求及其等同體來確定本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種噴射流體燃料和氧化材料到高溫燃燒室的進料噴射器，所述進料噴射器包括噴射器噴嘴，形成軸向中心孔，并包括至少兩個同心的噴嘴殼體和外冷卻套，所述外冷卻套形成了基本為平面的環(huán)形端表面和環(huán)形噴嘴凸出部；至少一個從所述端表面延伸的螺紋凸出件；基本為平面的擋熱板，其具有上表面、下表面和內表面，所述內表面形成中心孔；環(huán)形螺紋通道，位于所述擋熱板的上表面，可轉動地容納所述至少一個螺紋凸出件，從而固定所述擋熱板到所述噴射器噴嘴的端表面；環(huán)形擋板，從所述噴射器噴嘴的端表面延伸，其相對所述軸向中心孔位于所述至少一個螺紋凸出件的內部；和環(huán)形槽，設置在所述擋熱板的上表面，可容納所述環(huán)形擋熱板。
2.根據權利要求1所述的進料噴射器，其特征在于，所述環(huán)形擋板設有下部，所述環(huán)形槽設有底部，當所述環(huán)形擋熱板固定到所述噴射器噴嘴的端表面時，所述環(huán)形擋板的下部與所述環(huán)形槽的底部接觸。
3.根據權利要求1所述的進料噴射器，其特征在于，所述螺紋凸出件是具有內表面和外表面的環(huán)件，所述內和外表面至少一個帶有螺紋。
4.根據權利要求1所述的進料噴射器，其特征在于，至少一個帶螺紋的凸出件包括多個帶螺紋的凸出件。
5.根據權利要求1所述的進料噴射器，其特征在于，所述擋熱板包括具有高熱傳導系數的材料。
6.根據權利要求5所述的進料噴射器，其特征在于，所述具有高熱傳導系數的材料是從氮化硅、碳化硅、氧化鋯基陶瓷、鉬、鎢和鉭中選出的至少一種材料。
全文摘要
公開了一種煤氣化噴嘴，其具有與噴射器表面整體形成的擋板，擋板可安裝到與噴嘴表面連接的擋熱板。擋板通過防止腐蝕物質擴散到螺紋環(huán)來防止擋熱板氧化腐蝕，以及防止輸送噴射器的下表面損壞，擋熱板通過螺紋環(huán)連接到噴嘴表面。噴射器的壽命以及單個氣化器使用周期得到延長。
文檔編號F27D99/00GK1659408SQ03813672
公開日2005年8月24日 申請日期2003年4月16日 優(yōu)先權日2002年4月18日
發(fā)明者G·S·惠特克 申請人:伊斯曼化學公司