一种壁的结构及一种涂覆壁的方法

专利名称：一种壁的结构及一种涂覆壁的方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所限定的壁的结构。采用这种结构可获得一种非常可靠的并耐磨蚀的壁。
本发明还涉及一种如权利要求11的前序部分所限定的涂覆壁的方法。采用这种方法可获得一种用于壁的长期耐磨蚀的涂层。
在众多工业应用中各种壁的磨蚀是一种非常有害的现象。各种输送系统、例如在其中处理各种混合物的气动燃料传送装置和反应器经常遭受磨蚀，甚至在运行期间遭受严重的磨蚀。特别是包含固体的气体悬浮物能够引起过度的磨蚀。例如象煤和泥炭那样的固体燃料气动输送使部分输送通道遭受严重的磨蚀。许多突变点、弯曲或肘角在流动系统中产生局部磨蚀点。
此外，在流化床反应器中流化速度非常高以至该反应器起一种所谓的循环流化床反应器的作用，已经发现，循环物料对反应器壁的、具体是在某些部位的磨蚀作用是一个严重的问题。
流化床反应器被用于各种不同的燃烧、传热、化学和冶金工艺中。根据工艺要求，各种床的物料在系统中被流化和/或循环。在燃烧工艺中，流化床主要包括颗粒燃料，例如煤、焦炭、褐煤、木头、废木、废煤和泥炭，以及其他颗粒物质，如砂子、灰尘、硫吸附剂、催化剂或金属氧化物。
产生热量的流化床反应器包括一个具有大体上垂直外壁的立式反应器室。该壁被制成水冷壁，即管壁，在该管壁中通过平板材料或“翅片”将垂直的水管相互连接。反应器下部的壁通常采用耐火材料衬，以便承受热和冲蚀。颗粒的强烈扰动和磨蚀作用以及固体物料的较高密度导致了具体是在反应器底部的强烈的冲蚀情况。
在反应器的某些区域内，存在流化床物料的下降和上升两种流动。纯物质流在反应器室内沿径向及轴向方向变化。下降的物质流在外壁附近处于其最大的速度。当反应器室中颗粒的密度沿下降方向增加时，沿着外壁向下流的颗粒层也变厚。向下流动的层的厚度可以高达10～50mm，或者更大。向下流动层在其流动方向上的任何变化都会引起冲蚀。
水冷壁结构中的耐火材料衬的上边缘在反应器室内形成一个台肩，这个台肩在流化床物料的向下流动的层中引起涡流。沿着连接各水管的翅片垂直向下流动的层的方向发生了部分变化，由此该层开始沿着耐火材料衬的边缘流动。涡流和颗粒沿边缘的水平流动使水冷壁的水管遭受严重的冲蚀，特别是在接近耐火材料衬的那些部位。在使用固体燃料的锅炉中冲蚀尤其是悬而未决的问题，并且在这些情况下是非常有利于产生冲蚀的。
水冷壁中的水管必须经常检查，并且如果需要还应再涂覆保护材料或用新水管更换。需要较长的停工时间来切掉损坏的水管，以便用新水管代替或更新保护面。这两种可供选择的方法都是困难的、费用高的且消耗时间长的工艺。
尽管流化床反应器中的水管冲蚀问题是众所周知的，并提出了多种解决方案以期使冲蚀减至最小，但这些解决方案并不完全成功。在反应器的较高处保护水管的衬层会减小冲蚀作用，但同时也会减小对水管的传热。
已经尝试过具体在易损坏的区域在水管上焊接一层保护材料或用其他的方式在水管上涂层。然而，在强烈冲蚀的环境下，焊接点不能保持很长时间。此外还提出了通过在壁上焊接壁骨或其他障碍物来减小沿水管壁流动的速度，这样会减小颗粒沿水管表面流动的速度。然而，高的速度会增强在水管壁上的传热，因且不应该减小速度。在瑞典专利454,725中，提出了在特别严重的损坏区域焊接曲线段。
在瑞典专利452,360的结构中，整个反应器壁是沿着向上的方向向内倾斜的，以此来减小对壁的冲蚀。这是非常独特的结构，也是不容易实现的。
在芬兰专利申请913314中，提出了在未覆盖的部分和有耐火材料衬的部分之间的区域中沿向下的方向以与垂直平面呈一个角度的方式向外弯曲管壁。然后，该水管壁或者被弯回到距第一个弯曲处向下一定距离的垂直位置，或者以一定角度向内弯曲以便在燃烧室内形成倾斜的内壁。这种结构不形成台肩，而通常垂直水冷壁的衬层会形成台肩，因此这种结构使得下降的层沿水管流动而并未在颗粒的流动中形成任何涡流。首先向外弯曲水管然后再使其返回是一个麻烦的工作并减慢了锅炉壁的制造进程。另外，在现有的锅炉中，这种结构即难于实现且成本又昂贵。在矩形的反应器室中，这种结构会引起另外一些问题，特别是在角上。
此外，还提出在下部衬层的上方采用金属喷镀管壁的方法在锅炉的管壁上进行涂覆至一定的高度。这个方案在例如日本专利4198461、日本专利2185961、欧洲专利352482、日本专利61170554和日本专利89032306的说明书中都提到过。在这些结构中，根据目前商业上可获得的技术，在某种程度上涂层总会有小孔，这使涂层易受磨蚀的敏感性增强了，特别是在涂层开始的区域，在这些区域中产生明显的台肩或者涂层逐渐消失。
已经做了一些通过在反应器内将涂层区升得越来越高来降低其易受磨损的敏感性的努力，这里的颗粒密度小于下部分的颗粒密度，并且磨蚀作用相应地也较小。然而，这种结构是非常昂贵的，并且很显然也大面积地增加了传热阻力。
已提出的另一种增加喷镀涂层的强度的结构是在一个相对较长的距离内使涂层逐渐消失，以此来防止形成明显的突变。结果证明这个结构是不适当的。位于逐渐消失部分的起始处的非常薄的一层易于从表面上脱落，甚至导致更大的磨损和疏松。
因而，先有技术具有显著的缺点。因此，本发明的一个目的是提供一种解决先有技术存在问题的方法。
本发明的另一个目的是提供一种流化床反应器的管壁的涂层结构和一种对壁的冲蚀减至最小的方法。
本发明的另一个目的是提供一种流化床反应器的管壁的涂层结构和一种将壁的耐火材料衬部分附近的冲蚀减至最小的方法。
本发明的另一个目的是减少由于替换流化床锅炉中的管所引起的停工时间。
本发明的另一个目的是提供一种壁的涂层结构和一种对壁的冲蚀减至最小的方法。
本发明的还一个目的是提供一种涂层和壁的边界区，以及提供一种产生涂层和壁的边界区的方法，其能使涂层脱落的危险减至最小。
为了实现上述目的，根据本发明的涂层和壁的边界区的特征主要在于权利要求1的特征部分所述的特征。
为了实现上述目的，根据本发明产生涂层和壁的边界区的方法的特征主要在于权利要求11的特征部分所述的特征。
根据本发明的一个方面，在这样的情况下，即存在由表面形成的一个空间并且在此空间内存在一个磨蚀该表面的流动，表面的磨损能够通过将耐磨损的材料涂覆在这一区域而被基本上减小。维持该材料附着在该表面上的能力是由一种特定的边界区结构来保证的。
在这种技术的应用中，术语“支承面”意味着这样的一个表面，即该表面大于被“涂层”覆盖的表面。然而，支承面可能不同于一个平的表面，例如它可以是主要为波浪状的表面。术语“涂层”指的是“支承面”的一部分，它后来被附着在“支承面”上并且只覆盖了“支承面”的一部分。
已经发现，特别是金属喷镀涂层多少有些小孔，因此非常薄的涂层易于脱落。根据本发明，涂层能方便地由边界区结构来终止，以这种方式即材料在该边界区中从支承面上去除直到一定深度，从而在支承面上形成了一个凹槽并且涂层在这个凹槽的边界区中终止。
根据一个优选实施例，涂层和支承面的边界区包括一个支承面上的结构，其中在涂层的起点，一个与支承面的总体平面基本上呈陡状的凹槽被设置在该支承面上。这个凹槽区内的支承面优选地被设计成逐渐回复到支承面的总体平面上来，并且涂层被设置为在该凹槽处开始，使得起点处的涂层低于支承面的总体平面或与支承面的总体平面平齐。以这种方式，涂层的起点不会形成任何易受磨蚀的突变，另一方面也不必使涂层材料基本上较薄。
根据一个优选实施例，一种形成涂层和支承面的边界区的方法至少包括以下步骤在支承面上的涂层的起点设置一个与支承面的总体平面基本上呈陡状的凹槽；使支承面优选地逐渐回复到支承面的总体平面上；以及在该凹槽处开始涂层，使得起点处的涂层低于支承面的总体平面或与支承面的总体平面平齐。
本发明的另一个优选实施例涉及一个快速流化床反应器，其中反应器主要由基本垂直的冷却壁形成。反应器的下部衬有耐火材料，以便保护反应器下部的冷却壁。根据本发明，在衬层的端部的上方设置了一个涂层区，在这个涂层区中涂层和支承面的边界区在这种情况下是反应器的冷却壁，该边界区包括这样一种结构，这种结构在涂层的起点处在支承面上设有一个与支承面的总体平面基本上呈陡状的凹槽。该凹槽区域中的支承面优选地设置成逐渐回复到支承面的总体平面，并且优选地在凹槽处开始设置涂层，使得起点处的涂层低于支承面的总体表面或与支承面的总体表面平齐。以这种方式，可容易地在衬层的上方获得冷却壁的耐磨蚀的表面。
本发明的其他目的、特征和优点通过下面对本发明和附图的描述将理解得更清楚，其中

图1是流化床反应器下部分的截面图；图2是图1中区域9的局部放大图；图3示出了本发明的另一个实施例；以及图4示出了本发明的还一个实施例。
图1示出了一个流化床反应器的下部分，该流化床反应器有一个燃烧室1和作为周围壁的管壁2，例如膜式水冷壁。燃烧室中的颗粒物料被从空气室3引入的空气流化，该空气室3位于燃烧室的下方。该空气从空气室经炉栅板5上的喷嘴或孔隙4进入燃烧室。如果使用除空气外的其它气体来流化颗粒物料，则空气或氧化气体经图中未示出的其他入口引入。如果需要，燃烧、添加剂和其他颗粒物料或二次气体也经图中未示出的入口孔引入。
燃烧室上部分6中的水冷壁未被覆盖。在燃烧室的下部分7中，水冷壁衬有耐火材料8。在水冷壁未覆盖的上部分10和水冷壁加衬部分11之间的中间区域9中，该水冷壁涂有涂层。带有耐火材料衬的壁部分的高度与燃烧室的垂直壁的总高度之比通常是1∶3至1∶10。
图2更详细地示出了涂层12，该图是图1中区域9的放大图。这样，图2示出了部分管壁，它是由基本上气密性地连接在一起的多个管形成的；通常在管子之间会有所谓的翅片。在衬层8的紧上方开始在水管壁14上涂覆涂层12。该涂层在衬层的上方延伸一定的长度，一般小于0.5m，优选地小于20cm。在流化床反应器中，壁的这一部位特别易遭受从上沿着该壁下降的固体流的磨蚀，此固体流由箭头16示出。在此实施例中，临界点特别地位于边界区域18中，在该区域中开始涂层。
根据本发明，材料在涂层的边界区从支承面上被去除，即从壁14上去除并达到一定的深度，而且涂层在这个边界区中终止。因此，在涂层起始处在支承面或管上设置一个与支承面的总体表面呈陡状的凹槽20。该凹槽是沿磨蚀流的方向设置的。支承面的表面优选地设置成在此凹槽的区域中逐渐地回复到支承面的总体表面上，并且在凹槽处开始涂层，以这种方式使得起始处的涂层低于支承面的总体平面或与支承面的总体平面平齐。这样边界区域将形成一个基本上连续的表面，而不会形成一个易受磨蚀的突变。根据所建议的结构，涂层12在整个涂层区域中保持的厚度可确保其能够保持附着在该支承面上。
该涂层的厚度一般为0.1～2mm，但优选地为0.2～0.5mm，因此该凹槽的最大尺寸也为0.5mm。要根据不同的情况来选择该凹槽的尺寸，以便达到管14的强度要求。部分的反应器壁可以用这种方式涂层，但优选地是位于衬层8之上的涂层区包围着整个反应器并且将涂层涂覆于所有的壁上。在该图中，仅示出了壁的管子部分，管子之间的翅片自然也涂覆有相应的涂层。
图3示出了壁22，它可以是例如流化床反应器的冷却旋流器的壁结构的一部分。例如根据芬兰专利FI86964号，反应器的旋流器壁的某些区域易遭受分离出的固体流的磨蚀。在这个实施例中，涂层24在两个区域中凹进壁22中。根据本发明，涂层24的上端和下端在位于支承面内的凹槽26和28中终止，使得涂层两端的表面大致与这些区域中的支承面的总体平面平齐。该涂层在两个位置处是凹陷的，因为磨蚀流动被认为是沿“从支承面到涂层”的方向既发生在第一边界区、如箭头30所示，又发生在第二边界区、如箭头32所示。以这种方式，涂层的厚度将足以确保在所有这样的边界区中将涂层保持附着在支承面22上，在这些边界区中磨蚀流从没有涂层的支承面流到有涂层的支承面上。即使在这种情况下，涂层的厚度仍优选地为0.2～0.5mm。
图4示出了本发明的又一个实施例，其中例如固体燃料输送通道的一部分壁34作为涂层36的支承面。在这种情况下，磨蚀流的主要流动方向是已知的并用箭头38示出。在本发明的这个实施例中，涂层36和支承面34之间的边界区40位于支承面的一个弯曲部分内，这个弯曲部分形成了凹槽42。在本实施例中的凹槽42是圆形的并且涂层在第一个弯曲部分的下面开始。沿壁(箭头38)流动的颗粒(燃料)层或悬浮物在与边界区40后边的涂层接触之后向前流动。
在图4的实施例中，流动的(燃料)颗粒连续流动而没有产生任何会在涂层的边界区内引起冲蚀的强烈扰动。在这个实施例中，可更加自由地选择涂层的厚度。涂层优选地从弯曲部分的下面开始，位于凹槽弯曲点之后的支承面的表面在该位置与弯曲部分之后的支承面的总体平面平齐。这里的颗粒流动不会在支承面和涂层之间的边界区内引起冲蚀性的扰动。相应于图4中的结构也可用于图1的区域9中，因为那里的磨蚀流的方向是已知的并且涂层的下部接有衬层。
根据本发明能提供一种涂层厚度，该涂层厚度足以确保将涂层在所有这样的边界区内保持附着在支承面34上，在所述边界区中磨蚀流从未涂层的支承面流向涂层。沿流动方向的涂层36的端部、即后端被设置成渐渐消失的。由于磨蚀流的方向是从涂层到未涂层的支承面，所以这种结构不会在所述后端引起任何扰动。
在循环流化床反应器中还有其它一些区域，在这些区域中循环物料的磨蚀作用降低了反应器的使用性。此外，本发明在加压的流化床反应器中具有较大的优越性。
本发明并不局限于以上描述和图示的实施例，它还可以在本发明的范围和精神内进行多种变化，本发明的范围是由所附属的权利要求来限定的。
权利要求
1.一种壁(14，22，34)的结构，该壁形成了一个包含磨蚀流的空间，在该壁内通过在面向磨蚀流的表面上喷镀金属而在金属支承面上形成涂层(12，24，36)，以便于覆盖和保护所述壁的部分支承面，其特征在于，终止涂层的凹槽(20，26，28，42)是在位于支承面和涂层的边界区域中的所述支承面上形成的。
2.根据权利要求1的一种结构，其特征在于，涂层(12)的厚度从其起始点到其终止点基本上是相同的。
3.根据权利要求1的一种结构，其特征在于，与支承面的总体平面基本上呈陡状的凹槽(20，26，28)被设置在紧接于涂层部分的支承面上。
4.根据权利要求1的一种结构，其特征在于，凹槽(42)区域内的支承面(34)被设置成在被涂层覆盖的部分内逐渐地回复到支承面的总体平面上。
5.根据权利要求1的一种结构，其特征在于，涂层(12，24)被设置成在凹槽(20，26，28)处起始，以便于起始处的涂层与支承面的总体平面平齐或低于支承面的总体平面。
6.根据权利要求1的一种结构，其特征在于，壁(14)是由循环床反应器的冷却水管壁结构构成的，在该壁中通过在面向反应器室(1)的表面上喷镀金属而在金属支承面上形成涂层(12)，以便于覆盖和保护壁结构的部分支承面；并且终止涂层的凹槽(20)是在位于支承面和涂层的边界区(18)中的管壁结构的支承面上形成的。
7.根据权利要求6的一种结构，其特征在于，所述壁是一个循环床反应器的基本上垂直的壁；并且涂层(12)被设置成在位于下部衬层(8)处的该涂层的一端以及在形成于支承面内的凹槽(20)处的该涂层的另一端终止。
8.根据权利要求7的一种结构，其特征在于，涂层(12)覆盖壁的长度小于50mm，该长度从衬层(8)开始计算。
9.根据权利要求5的一种结构，其特征在于，所述壁(22)是循环床反应器的旋流器的壁；并且涂层(24)被设置成至少在其一个边界、在形成于支承面内的凹槽(26，28)处终止。
10.根据权利要求1的一种结构，其特征在于，涂层(12，24，36)的厚度为0.1～2mm，优选地为0.2～0.5mm。
11.一种涂覆壁(14，22，34)的方法，该壁形成了一个包含磨蚀流(16，30，32，38)的空间，在该壁内通过在面向磨蚀流的表面上喷镀金属而在金属支承面上形成涂层(12，24，36)，以便于覆盖和保护所述壁的部分支承面，其特征在于，在支承面和涂层的边界区内的支承面上形成凹槽(20，26，28，42)。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，在这个凹槽(20，26，28)中终止涂层(12，24)，使得涂层被设置成直到其终止点的厚度基本上相同。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于，将支承面中的凹槽(20，26，28)设置成与紧接于涂层部分的支承面的总体平面基本上呈陡状的凹槽。
14.根据权利要求11的方法，其特征在于，使凹槽(42)区域中的支承面在由涂层(36)所覆盖的部分中逐渐地回复到支承面的总体平面。
15.根据权利要求11的方法，其特征在于，使涂层(12，24)在所述凹槽处起始，使得起始处的涂层与支承面(14，22)的总体平面平齐或低于支承面(14，22)的总体平面。
全文摘要
本发明涉及一种壁(14)的结构，该壁形成了一个内含磨蚀流(16)的空间，在该壁中通过在面向磨蚀流的表面上喷镀金属而在金属支承面上形成涂层(12)，以便于覆盖和保护壁的部分支承面，终止涂层的凹槽(20)是在位于支承面和涂层的边界区域内的支承面上形成的。本发明还涉及一种涂覆壁的方法。
文档编号F23C10/02GK1161718SQ95195487
公开日1997年10月8日 申请日期1995年9月28日 优先权日1994年10月3日
发明者T·海潘南 申请人:福斯特韦勒能源股份公司