煤气化进料喷射器挡热板和整体的防腐蚀挡板的制作方法

专利名称：煤气化进料喷射器挡热板和整体的防腐蚀挡板的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种生产合成煤气的煤气化装置的改进的进料喷射器喷嘴或燃烧器。进料喷射器设有螺纹挡热板，防止进料喷射器表面腐蚀，并设有挡板，其与进料喷射器的表面整体形成，可防止腐蚀物质扩散到挡热板的螺纹连接环。该挡板通过阻挡可造成环损坏的腐蚀性物质通过，而延长挡热板的寿命。
背景技术：
基本上包括一氧化碳和氢的合成煤气混合物作为加氢反应的氢源，和作为合成碳氢化合物、含氧的有机化合物和氨的进料气源在商业上很重要。生产合成煤气的一种方法是对煤进行气化，涉及到含有硫的烃类燃料与富含氧的空气的部分燃烧。在成渣型气化器中，水煤浆和氧气用作燃料。这两种流体通过也可称作燃烧器的进料喷射器输入到气化器，喷射器插入到带难熔物衬里的反应室的顶部。进料喷射器使用同心的两个氧气和一个水煤浆流体，通过水冷端部输入到反应室。反应室在比喷射器水套压力高很多的压力下操作。
在这个工艺过程中，反应物在高压下，比如大约80巴，喷射到合成煤气燃烧室。在大约700℃到大约2500℃的温度范围和大约1到大约300大气压的压力范围的条件下，具体为大约10到大约100大气压下，热气流在燃烧室产生。从气体发生器排出的原料气流一般包括氢气、一氧化碳和二氧化碳，另外还包括甲烷、硫化氢和氮气，取决于燃料源和反应条件。
含有硫的烃类燃料与富含氧的空气的部分燃烧存在的问题现有技术的燃烧器一般不会遇到。例如，反应物必须进行非常快速和完全的混合，以及采取特殊的措施来防止燃烧器或混合器过热。由于存在氧气和煤中的硫污染物与制造燃烧器的金属反应的倾向，有必要防止燃烧器部件达到可产生氧化和腐蚀的温度。因此关键是使碳氢化合物和氧气之间的反应完全在燃烧器外进行，防止燃烧混合物局部集中于燃烧器部件表面或其附近。
即使反应发生在燃烧器的排放点以上，燃烧器的部件仍受到燃烧区的辐射加热和受到燃烧气体的湍流回流作用。出于这些和其他的原因，燃烧器可由于围绕燃烧器顶部的金属腐蚀而损坏，即使这些部件带有水冷，尽管反应物预先混合和以超过火焰传播速率的流速从燃烧器喷出。一般地，在短时间操作后，在面对反应室的冷却套件可产生热腐蚀疲劳裂纹。最终这些裂纹扩展穿透水套，使生产气体泄漏到冷却水流中。当出现泄漏，气化器操作必须中断，更换进料喷射器。
过热交换器已经进行了许多实验来解决这个问题，取得了不同程度的成功。例如，美国专利No.5,273,212公开了一种受保护的燃烧器复层，带有各种陶瓷砖或片，互相相邻设置以便以嵌镶结构方式覆盖燃烧器。
美国专利No.5,934,206和6,152,052公开了通过钎焊连接到进料喷射器表面的多个防护保温块。这些防护保温块一般是陶瓷砖，尽管其他高熔点的材料也可以使用。各陶瓷块形成环绕喷嘴的成一定角度的砖部分。这些砖在径向连接处是重叠的，形成带台阶的或嵌接的搭接处。各块砖通过高温钎料化合物固定到冷却水套端面。
美国专利No.5,954,491公开了一种燃烧器喷嘴的用金属线固定的防护表面。这个专利，通过使高温合金线穿过挡热板和一系列互锁片，使单个陶瓷挡热板连接到进料喷射器。从而使挡热板机械固定到喷射器喷嘴的水套端面，形成围绕喷嘴小孔的整体环或环形件。
美国专利No.5,947,716公开了一种燃烧器喷嘴的闩锁热屏蔽表面。热挡热板包括内和外环件，各自形成围绕喷嘴轴线的全环形带，只屏蔽整个水套表面的径向部分。内环通过与从喷嘴凸缘的外圆锥表面凸出的突起配合，机械固定到金属喷嘴结构。内环的内周形成通道，具有数量等于突起数量的切口，设置成可容纳对应的外突起。当安装时，通过施加到内环外圆周凹槽中的喷嘴冷却套表面的点焊金属杆，内环不能转动地进行固定。
内环的外周边形成台阶边或搭接边，近似于环件整个厚度的一半，重叠在对应外环件的内周边的台阶边。通过一组外突起件，外环件也固定到水套表面，外突起件从水套表面的外周面凸出。围绕外环件周边的封套提供了结构通道，可容纳外面的一组水套突起。通过定位焊的杆或柱，外热屏蔽环也保持在适当位置。
美国专利No.5,941,459公开了一种燃料喷射器喷嘴，带有环形难熔材料插入件，其与喷嘴在靠近喷嘴出口的下游端互锁。在燃料喷射器喷嘴的下游端形成的凹部可容纳环形难熔材料插入件。
美国专利No.6,010,330公开了一种燃烧器喷嘴，具有流线型的唇状突起，是对燃烧器表面形状的改进，改变了气体在表面附近的流动。该改进导致了进料喷射器寿命提高。流过喷嘴表面进入反应材料排出柱的回流气流的平滑过渡，相信可形成冷却气体的稳定或层流边界层，使喷嘴表面一定程度上隔绝开燃烧反应散发的热量。
美国专利No.6,284,324公开了一种可施加到前面介绍的挡热板的涂层，从而可减少屏蔽材料的高温腐蚀。
美国专利No.6,358,041公开了一种燃烧器喷嘴表面的带螺纹的挡热板，其公开的内容在本文中参考引用。该挡热板通过带螺纹凸出部连接到进料喷射器。螺纹凸出部与所述挡热板的后面加工出的带螺纹的凹部接合。螺纹凸出部可以是连续构件或多个间隔开的单独件，并设有至少一个弧形表面。这种螺纹连接方法已经发现是连接挡热板到进料喷射器的最可靠方式。其具有很高的强度，比其他的屏蔽连接更容易制造，当挡热板是用容易加工的金属制造时，尤其如此。
尽管刚介绍的挡热板是现有技术的突出进步，使得操作时间延长，但其使用寿命受到发生在挡热板中部的腐蚀的限制。使用螺纹连接方法的操作实践显示高氧化活性的局部区域造成钼挡热板腐蚀。高氧化活性的局部区域是由离开进料喷射器的氧气流的气流动力学因素造成的。低压区就位于喷射器表面的凸缘外。该低压区吸收氧气，造成钼挡热板腐蚀。
尽管钼通过还原气体具有非常好的抗腐蚀性，但抗高温氧化性不好。挡热板发生腐蚀时，对喷射器表面提供的保护就逐渐丧失，缩短了喷射器的寿命。当这种情况发生时，挡热板的后面和喷射器的表面出现腐蚀。这种腐蚀在从喷射器表面突出的螺纹连接环的基体上非常严重。在某些情况下，腐蚀可以造成螺纹环损坏和使挡热板分离。
尽管施加涂复钼的挡热板到进料喷射器的表面成倍地延长了进料喷射器的最大运转周期，运转周期仍受到挡热板氧化的限制，氧化发生在挡热板中间附近，导致喷射器表面腐蚀和开裂。当挡热板的条件进一步恶化，挡热板和喷射器表面之间出现更多的受腐蚀的材料。这造成连接环的损坏，并最终使挡热板损坏。
需要提供挡热板和燃烧器来生产合成煤气，其可克服现有技术的操作寿命预期方面的缺点，结构简单，并具有使用经济性。

发明内容
因此，本发明的一个目的是延长所介绍的生产合成煤气的燃烧器喷嘴的预期使用寿命。
本发明的另一目的是提供一种生产合成煤气的气体燃烧器喷嘴，其可降低腐蚀速率。
本发明的又一目的是提供燃烧器喷嘴挡热板，以保护喷嘴的金属件免受燃烧气体造成的腐蚀作用。
本发明还有的目的是提供抵抗氧化作用的陶瓷插入件，否则该氧化作用将从氧化区去除钼。
本发明还有一个目的是保护连接挡热板到凸出部的螺纹，免于受到燃烧气体造成的腐蚀。
本发明的这些和其他的目的在本发明得到实现，本发明涉及到一种具有螺纹挡热板的喷嘴，并设有位于喷嘴的流线型唇状凸出部和与挡热板连接的螺纹环之间的挡板。该挡板可作为进料喷射器表面整体部分的隔板或凸出部，面对挡热板并位于挡热板后面切割出的配合槽。挡板防止了生产气体到达螺纹环，因此延长了挡热板和喷嘴的寿命。


图1是生产合成煤气的燃烧室和燃烧器的部分截面图；图2是燃烧器喷嘴表面的燃烧室气体动力学现象的细节；图3是根据本发明的优选实施例的合成煤气燃烧器喷嘴的部分截面图；图3A是沿图3的线3A部分的分解放大截面图；图3B是图3A的分解放大截面图的复制图，提供了对本发明的其他特征的清楚显示。
具体实施例方式
现在参考图1，显示了合成煤气发生器10的部分剖视图。发生器10包括结构外壳12和难熔材料内衬里14，其围绕封闭的燃烧室16。燃烧器固定颈18从外壳壁向外突出，支撑位于反应器容器内的细长的燃料喷射燃烧器组件20。燃烧器组件20对准和定位成可使燃烧器的表面22与难熔材料衬里14的内表面平齐。燃烧器固定法兰24将燃烧器组件20固定到发生器10的固定颈法兰19，以防止燃烧器组件20在操作时脱离。
尽管不希望受到任何理论的束缚，相信图1和2显示了燃烧室内部气体循环模式的一部分。箭头26代表的气流受到燃烧室16内高温和燃烧条件的驱动。取决于燃料和产生的反应速率，沿反应器中心28的温度可高达2500℃。当反应气体朝合成煤气发生器16的端部冷却时，大部分的气体被吸到急冷腔，类似于美国专利No.2,809,104介绍的合成煤气工艺，该部分内容本文参考引用。但是，少量的气体从核心部28沿径向扩散，相对反应腔侧壁进行冷却。回流气体层向上推动到反应腔的顶部中心，在这里被吸入燃烧柱的向下湍流中。参考图2介绍的模式，在回流气体与高速核心部28的汇合处，环形涡流27产生，其激烈地刷洗燃烧器端表面22，因此增强了燃烧器端表面材料和燃烧产物回流携带的高活性和腐蚀性化合物之间产生化学反应的机会。
如图1和3所示，燃烧器组件20包括喷射器喷嘴组件30，其包括3个同心的喷嘴壳体和外冷却水套60。内喷嘴壳体32排放氧化气体，气体从轴向中心孔33沿上组件轴向通道42输送。中间喷嘴壳体34引导水煤浆从上组件端口44进入燃烧室16。作为流体化的固体，水煤浆从内喷嘴壳体壁32和中间喷嘴壳体壁34形成的环形空间36排出。外氧化剂气体喷嘴壳体46围绕外喷嘴排放环形腔48。经上组件端口45向外喷嘴排放环形腔48提供另外的氧化气体流。
中心翼片50和52分别从内和中间喷嘴壳体壁32和34的外表面横向延伸，以保持各自壳体相对燃烧器组件20的纵向轴线同轴对中。翼片50和52的结构形成了围绕内和中间壳体的不连续的限制，因此对各自环形空间内流体提供的阻力很小。
如美国专利No.4,502,633更详细地说明，该专利内容在本文中参考引用，内喷嘴壳体32和中间喷嘴壳体34都是可相对外喷嘴壳体46进行轴向调节的，以适应流量的变化。当中间喷嘴34从外喷嘴46的同心锥形内表面轴向移动时，外排放环形腔48扩大以允许更多的氧气流入。类似地，当内喷嘴32的外锥形表面朝中间喷嘴34的内锥形表面轴向移动时，水煤浆排放区的面积减少。
围绕外喷嘴壳体46的是冷却流体套60，其具有环形封闭端面62。冷却流体通道64从上组件供应端口64直接输送冷却剂，如水，到端面封闭板62的内表面。流动通道挡板66控制围绕外喷嘴壳体的冷却剂流体路径，以保证基本上均匀的散热，并防止冷却液出现沟流和产生局部热点。封闭端部62包括喷嘴突出70，如美国专利No.6,010,330所介绍的，本文参考引用其内容，其形成出口孔或排放口，用于输送反应材料到喷射燃烧器组件20。
现在参考图3，3A和3B，冷却套62的平面端包括形成喷射器表面72的环形表面，其位置面对燃烧室16。一般地，形成冷却套62的喷射器表面72的环形表面72包括钴基金属合金材料，比如合金188，设计用于氧化和硫化环境下的较高温度。合金188包括铬、镧和硅，可提高抗腐蚀性；还有钨，用于提高高温强度。其他的钴基合金比如合金25或合金556也可以优先采用。这类材料具有的问题是，当使用高硫煤时，煤中含有的硫化合物可与钴基金属合金材料反应造成腐蚀。自耗式腐蚀持续进行，最终以燃烧器组件20的损坏而终止。尽管钴通常是喷嘴组件30的优选材料，其他高熔点温度合金，比如，含钼或钛的合金也可以使用。
带螺纹的凸出部74从环形表面72突出，用来固定燃烧器喷嘴喷射器组件30的挡热板76。挡热板76可用多种高温材料中的一种来制造，包括陶瓷、金属陶瓷和难熔合金，比如钼、钛或铌，这些金属适合还原的气化环境。挡热板76一般包括钼。
带螺纹的凸出部74可与喷射器表面72整体形成，即螺纹凸出部可从包括形成凸出部表面72的固体金属加工出。或者，固定机构可以是单独件，固定到喷射器表面72，在这种情况下，可使用所属领域的技术人员已知的方法，如焊接、螺纹连接、钎焊和类似方法，将凸出部74固定到喷射器表面72。从喷射器表面72延伸的带螺纹凸出部74可以是连续件，比如环件，或多个间隔开的单独件，每个单独件可以是圆柱形的或月牙形的。螺纹凸出部74包括内表面78和外表面80，每个表面或两个表面都可以带螺纹。图3B显示了设置在螺纹凸出部74的外表面80的螺纹82。环形通道88设置在挡热板76的上表面84。环形通道88在其内表面90和外表面92中至少一个表面带有螺纹，可接纳带螺纹的凸出部74。
从形成喷射器表面72的环形表面突出的还有环形挡板94或隔板，其相对轴向中心孔33位于带螺纹的凸出部74内部，并与喷射器表面72整体形成。该环形挡板94是设置在喷射器表面72的环形凸出部，位于形成内径开口的锥形凸出部和与挡热板连接的螺纹凸出部74之间。环形挡板94可容纳于设置在挡热板的上表面84的环形槽95。至少环形挡板94的表面或部分97与槽95的底部接触，槽在挡热板76的上表面84加工出，以容纳凸出部。设置环形凸出部/槽结构的目的是形成对腐蚀物质通过的阻挡，因此成为迷宫式密封，从而可防止挡热板的螺纹连接部分腐蚀和损坏。
在挡板94的内部相对于轴向中心孔33设置了环形或锥形防氧化插入件96。该防氧化插入件96是与本发明申请在同一天提出申请的共同未决专利申请的主题，该专利申请已转让给本受让人。防氧化插入件96可代替一部分挡热板的功能，挡热板很可能因腐蚀而脱开。防氧化插入件96与挡热板分开，形状为锥形，通过挡热板76而保持在适当位置。该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通过去除挡热板的锥形部分将挡热板的中心孔直径扩大进行设置。防氧化插入件96一般是陶瓷的，通过布置在进料喷射器72表面喷嘴凸出部70上进行定位，凸出部一般是合金188。然后将挡热板76以普通方式螺纹连接到喷射器表面72的适当位置，将插入件固定到适当位置。这种设计使插入件96、喷射器表面72的环形表面和挡热板76之间具有少量间隙，以防止容易开裂的陶瓷出现开裂。当以这种方式进行组装时，插入件占据氧化区的空间，使一般含有钼的挡热板76主要经受还原条件，因此防止了挡热板和被插入件覆盖的喷射器表面72的腐蚀。
挡热板76是用高熔点温度材料制成，如氮化硅、碳化硅、氧化锆、钼、钨或钽。具代表性的专利材料包括位于美国Colorado州的Coors Corp.of Golden公司的Zirconia TZP和Zirconia ZDY产品，这些产品的特征是，这些高温材料的耐受温度高达大约1400℃，具有高膨胀系数，在高温下和高还原/硫化环境下仍保持惰性。该挡热板最好含有钼。
挡热板76可包括高温抗腐蚀涂层98，如美国专利No.6,284,324所介绍的，其内容本文参考引用。涂层98施加到挡热板76的面对燃烧室的下表面86，厚度在大约0.002到0.020英寸(0.05毫米到大约0.508毫米)，尤其是在大约0.005到大约0.015英寸(0.127到大约0.381毫米)。为了帮助施加涂层98到挡热板76，靠近喷嘴凸出部70的部分挡热板可具有大约0.001到大约0.50英寸(0.0254毫米到大约12.7毫米)的半径。
涂层98所含的合金具有通用结构式MCrAlY，其中M是从铁、镍或钴选择。涂层的成分可包括大约5-40％重量的Cr，0.8-35％重量的Al，不超过大约1％重量的稀土金属元素钇，和15-25％重量的Co，平衡余量的金属成分Ni、Si、Ta、Hf、Pt、Rh及其混合物。优选的合金包括大约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，这样的涂层可从Praxair公司或其他公司得到。
使用粉末涂层领域的技术人员已知的各种方法，可施加涂层98到挡热板76的下表面86。例如，施加涂层可通过微小粉末的等离子喷涂工艺。施加涂层材料的特定方法不是很关键，只要能形成密实均匀的连续粘性涂层。其他涂复技术比如溅射或电子束也可使用。
上面已经详细地介绍了本发明，所属领域的技术人员应该理解，对本发明的各方面可进行各种修改，这并未脱离所公开和说明的发明范围和精神。不希望本发明的范围局限于所介绍和显示的特定实施例，而是由所附权利要求及其等同体来确定本发明的范围。
权利要求
1.一种喷射流体燃料和氧化材料到高温燃烧室的进料喷射器，所述进料喷射器包括喷射器喷嘴，形成轴向中心孔，并包括至少两个同心的喷嘴壳体和外冷却套，所述外冷却套形成了基本为平面的环形端表面和环形喷嘴凸出部；至少一个从所述端表面延伸的螺纹凸出件；基本为平面的挡热板，其具有上表面、下表面和内表面，所述内表面形成中心孔；环形螺纹通道，位于所述挡热板的上表面，可转动地容纳所述至少一个螺纹凸出件，从而固定所述挡热板到所述喷射器喷嘴的端表面；环形挡板，从所述喷射器喷嘴的端表面延伸，其相对所述轴向中心孔位于所述至少一个螺纹凸出件的内部；和环形槽，设置在所述挡热板的上表面，可容纳所述环形挡热板。
2.根据权利要求1所述的进料喷射器，其特征在于，所述环形挡板设有下部，所述环形槽设有底部，当所述环形挡热板固定到所述喷射器喷嘴的端表面时，所述环形挡板的下部与所述环形槽的底部接触。
3.根据权利要求1所述的进料喷射器，其特征在于，所述螺纹凸出件是具有内表面和外表面的环件，所述内和外表面至少一个带有螺纹。
4.根据权利要求1所述的进料喷射器，其特征在于，至少一个带螺纹的凸出件包括多个带螺纹的凸出件。
5.根据权利要求1所述的进料喷射器，其特征在于，所述挡热板包括具有高热传导系数的材料。
6.根据权利要求5所述的进料喷射器，其特征在于，所述具有高热传导系数的材料是从氮化硅、碳化硅、氧化锆基陶瓷、钼、钨和钽中选出的至少一种材料。
全文摘要
公开了一种煤气化喷嘴，其具有与喷射器表面整体形成的挡板，挡板可安装到与喷嘴表面连接的挡热板。挡板通过防止腐蚀物质扩散到螺纹环来防止挡热板氧化腐蚀，以及防止输送喷射器的下表面损坏，挡热板通过螺纹环连接到喷嘴表面。喷射器的寿命以及单个气化器使用周期得到延长。
文档编号F27D99/00GK1659408SQ03813672
公开日2005年8月24日 申请日期2003年4月16日 优先权日2002年4月18日
发明者G·S·惠特克 申请人:伊斯曼化学公司