带抗氧化插入件的煤气化进料喷射器挡板

摘要

公开了一种具有抗氧化插入件的煤气化进料喷射器，该抗氧化插入件可以防止挡板发生氧化腐蚀，以及随后引起的对进料喷射器下表面的损坏。进料喷射器的使用寿命得到延长，且因此单个气化炉的炉龄也由此得到延长。

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种在用于生产合成气的煤气化设备中所使用的改进的进料喷射器，或者喷枪。更具体的，本发明涉及一种具有挡板的进料喷射器，该挡板带有抗氧化腐蚀的插入件，由此延长进料喷射器的使用寿命。

背景技术

主要包括一氧化碳和氢气的合成气混合物，作为氢化反应中氢气的来源，烃、含氧有机化合物和氨合成中的原料气，都具有很重要的商业价值。一种制备合成气的方法是通过煤的气化，其涉及将含硫的烃燃料与富氧气体一起进行不完全燃烧。在熔渣型气化炉中，煤一水浆料和氧气被用作燃料。这两种气流，通过插在带有耐火材料衬里的反应室顶部的进料喷射器，有时也叫喷枪，注入气化炉中。进料喷射器使用两束同轴的氧气流和一束煤浆流，其通过经水冷却的头部注入反应室。反应室的操作压力远高于喷射器水套的压力。

在这个过程中，反应组分在足够大的压力比如大约80巴(8000KPa)下喷入到合成气燃烧室中。在燃烧室中，在温度在大约700摄氏度到大约2500摄氏度的范围，并且压力在大约1到大约300个大气压下，更优选的是在大约10到大约100个大气压下产生热气流。从气体发生器中流出的原料废气流典型地包括氢、一氧化碳和二氧化碳，另外还可以含有甲烷、硫化氢和氮气，这取决于燃料源和反应条件。

含硫的烃燃料与富氧气体的不完全燃烧，给喷枪工艺技术带来了问题。例如使反应物实现非常快速、完全的混合，以及采取特别的措施防止喷枪或混合器过热，是必要的。因为煤中含有的氧和硫杂质具易与构成喷枪的金属发生反应的趋势，所以防止喷枪部件达到发生快速氧化和腐蚀的温度是必要的。因此烃与氧的反应完全发生在喷枪以外适当位置是必要的，并且防止在喷枪部件表面或附近产生易燃混合物的局部浓度富集。

即使反应发生在喷枪喷射点之外的位置，喷枪部件容易受到燃烧区域的热辐射，以及燃烧气体的湍流再循环影响。由于这些以及其他原因，即使用水冷却这些部件，并且反应物是预先混合且其从喷枪喷出的速度超过火焰传播的速度，喷枪还是容易由于喷枪喷嘴周围的金属腐蚀而损坏。典型的，短时间操作之后，在朝向反应室的套管上产生热腐蚀疲劳裂纹。最后，这些裂缝穿透套管使工艺气体泄漏到冷却水中。当泄漏发生，气化器操作必须停止以更换进料喷射器。

在过去曾进行了多种尝试以使发生腐蚀最少，取得了不同程度的成功。比如，US 5,273,212披露了一种保护喷枪的覆盖层，由单个瓷瓦、或者薄片相互邻接着排列，从而以拼接的方式覆盖喷枪。

US 5,934,206和US6,152,052描述了通过钎焊附接在进料喷射器的表面上的多种挡板片。这些挡板片通常是瓷瓦，当然，也可以使用其他高熔点的材料。每一块瓷瓦构成环绕喷嘴的瓷瓦的角形小片，瓷瓦在径向接缝上叠置形成台阶形、或者斜面形的搭接。每一个瓷瓦通过高温钎焊化合物固定在冷却套管的端面上。

US 5954491描述了一种用于喷枪喷嘴的线锁防护面。在该专利中，通过将高温合金导线穿过挡板和一系列互锁的调整片而将单片陶瓷挡热板接附到进料喷射器上。挡板由此被机械固定在喷射器喷嘴的水套管端面上，并且形成为围绕喷嘴口的整体环或者环带。

US 5947716描述了一种用于喷枪喷嘴的闩锁热防护面板。挡热板由一个内环和一个外环组成，两者围绕喷嘴轴线形成完整的环带，只防护整个水套管面板的径向部分。内环通过与突出于喷嘴唇板外圆锥表面的肋相啮合机械固定在金属喷嘴构件上。在内环内周上形成具有与设置的肋数目相同的切口的沟槽，由此容纳相应的外部肋部件。当进行组装时，通过一个施加在喷嘴冷却套管面板，位于内环外周的凹槽内的点焊金属杆，使内环不致旋转。

内环的外周形成有大致为整个环厚度一半的台阶凸缘，或者卷边，与在外环内周上相应的台阶凸缘相重叠。所述外环还通过一系列从水套管面外周凸出的外肋部件，固定在水套管面上。环绕外环圆周的套支架提供了结构沟槽以容纳外部一系列水套管肋。外部热防护环也通过临时点焊杆或棒被保持在适当位置。

US 5941459描述了一种燃料喷射器喷嘴，其具有与在邻近喷嘴出口的下游端的喷嘴互锁的环形难熔插入件。在燃料喷射器喷嘴的下游端形成凹进部以容纳该环形难熔插入件。

US 6010330描述了一种具有流线型唇板突起的喷枪喷嘴，对喷枪面板形状进行了改进，以改变在面板附近的工艺气体的流动。这一改进提高了进料喷射器的使用寿命。再循环气流从喷嘴面板到反应物质注入柱的平缓过渡被认为促进了冷却气体形成静态的、或是分层的流动边界层，在一定程度上将喷嘴面板与燃烧反应产生的热辐射隔绝。

US 6284324描述了一种能被应用到前述挡板上的涂层，由此可以减轻挡板材料的高温热腐蚀。

本申请参见引用美国专利US 6358041公开的内容，其描述了一种用于喷枪喷嘴面板的带螺纹的挡板。通过一个与在挡板背面机加工设置的螺纹凹进部相接合的带螺纹的凸出部，该挡热板被附接在进料喷射器上。该带螺纹的凸出部可以是连续构件，也可以是多个以一定距离隔开的构件，每一个构件都具有至少一个弧形表面。这一螺纹附接方法是一种可靠的将挡板连接到进料喷射器上的方式。它提供了高强度，并且比其它挡板附件更容易制造。尤其是当挡板由易于进行机加工的金属制成时更是如此。

虽然上述挡板对现有技术做出了很大的改进，可以延长操作时间，但是其使用寿命仍受到发生在挡板中心位置的腐蚀的限制。使用这种螺纹附接方法的操作经验已经揭示，局部高氧活性区引起了钼挡板的腐蚀。这个局部高氧活性区由氧气流从进料喷射器喷出时产生的气流动力形成。在喷射器面板边缘外侧附近存在一个低压区。这个低压区吸引氧气，引起钼挡板的腐蚀。

尽管钼在还原气氛中具有极好的耐腐蚀性能，但是它不耐高温氧化。当挡板发生腐蚀时，由它提供的对喷射器面板的防护也就逐渐消失，由此缩短了喷射器的使用寿命。当发生这一情况时，挡板的背面以及喷射器的面板都会发生腐蚀。在凸出于喷射器面板的螺纹附接环的基座上发生的腐蚀尤其严重。在极端的例子中，腐蚀引起了螺纹环失效而从挡板上脱离下来。

尽管在进料喷射器的面板上增加涂覆有钼的挡板，可以使进料喷射器的最大运行时间加倍，但是，所述运行时间仍然受到在挡板中心附近发生的氧化的限制，导致喷射器面板发生腐蚀和破裂。当挡板的状况进一步恶化，更多的腐蚀物质在挡板与喷射器面板之间积累。这导致了附接环失效，最终导致挡板的损失。

存在以下需要，即提供一种用于生成合成气的喷枪挡板，它可以克服现有技术中存在的使用年限短的缺点，其结构简单，并且运行经济。

因此，本发明的一个目的是进一步延长上述用于生成合成气的喷枪喷嘴的使用寿命。

本发明的另一个目的是提供用于具有低腐蚀速率的用于生成合成气的气体发生喷枪喷嘴。

进一步的目的是提供一种喷枪喷嘴挡热板，以保护喷嘴的金属部件不受由燃烧气体引起的腐蚀的影响。

另一个目的是提供一种陶瓷插入件，其在将钼从氧化区除去后，对氧气具有特别的防护作用，由此保护将挡板附接到喷射器上的螺纹不受燃烧气体所引起的腐蚀的影响。

发明内容

通过本发明实现所述这些和其他目的，本发明涉及一种喷嘴，其具有带螺纹的挡热板，在挡热板最易于发生腐蚀的那部分的适当位置处设有抗氧化材料。该抗氧化插入件优选与挡板分开，呈圆锥形，并且通过挡板自身被保持在适当位置。该插入件占据氧化区并防止挡板腐蚀，由此进一步延长喷枪的寿命。

本发明通过除去挡板上的圆锥形部分以增加挡板中心孔的直径来实现。但是挡板的基本形状以及尺寸并没有改变。抗氧化材料，通常如陶瓷，为圆锥形状，并被设置在进料喷射器面板的唇部之上。然后，采用常规手段将挡板拧紧固定在喷射器面板上，使插入件保持在适当位置。这种设计在插入件、喷射器面板和挡板之间提供少量的空隙，以防止易碎的陶瓷开裂。当以这种方式进行组装时，插入件占据氧化区，而钼仅仅受到还原条件的影响，由此防止挡板以及由插入件覆盖的喷射器面板的腐蚀。

附图说明

图1为合成气体发生器燃烧室以及喷枪的局部截面图；

图2为在喷枪喷嘴面板处燃烧室气体动力学的示意图；

图3为根据本发明优选实施例的合成气体喷枪喷嘴结构的局部截面图；

图3A为沿图3中轴线3A的部分的分解截面放大图；和

图3B为用以清楚的标记根据本发明的其他特征的图3A的另一幅分解截面放大图。

具体实施方式

现在参见图1，图中示出了合成气发生器容器10的局部剖视图。容器10包括结构外壳12以及围绕封闭燃烧室16的内部耐火材料衬里14。从外壳壁向外凸出的是在反应容器内支承细长的燃料喷射器喷枪组件20的喷枪安装颈部18。喷枪组件20是对齐并进行定位，以使喷枪面板22与耐火材料衬里14的内表面大致齐平。喷枪安装凸缘24将喷枪组件20固定在容器10的安装颈部凸缘19上，以防止喷枪组件20在操作期间射出。

尽管不希望受任何理论的束缚，据信图1和图2表示出燃烧室内一部分内部气体的循环模式。如箭头26所示的气流方向受到燃烧室内的高温和燃烧条件的驱动。根据燃料以及引发的反应速率，沿着反应器芯部28的温度可以达到2500℃。当反应气体向着合成气体发生室16的端部冷却时，大部分气体被吸入一个与美国专利US 2809104中记载的合成气体生产方法中用到的急冷室相类似的急冷室中，该专利在此作为参考被引用。但是，一小部分气体从芯部28沿径向扩散以在反应室的围壁处冷却。再循环气体层被向上推至反应室的上部中心位置，在那里被吸入燃烧柱湍流的下降气流中。对于图2所示的模式，在再循环气体与高速芯部28的汇合处，会产生环形涡流27，其会强烈地洗刷喷枪端面22，由此增加了喷枪头部端面材料与燃烧产物再循环气流中所携带的高反应性、腐蚀性化合物之间发生化学反应的可能性。

参见图1和图3所示，喷枪组件20包括喷射器喷嘴组件30，喷射器喷嘴组件30包括三个同心的喷嘴外壳以及外部冷却水套管60。内喷嘴外壳32喷出从轴孔开口33沿着上组件轴线导管42进行传送的氧化气体。中间喷嘴外壳34引导被传送到上部件入口44的煤浆进入燃烧室16中。作为流体化的固体，煤浆从由内喷嘴外壳壁32和中间喷嘴外壳壁34限定的环形空间36挤出。外喷嘴外壳，也就是氧化气体喷嘴外壳46环绕着外喷嘴喷射环形隙缝48。上组件进口45向外喷嘴喷射环形隙缝48提供附加的氧化气流。

中心翼片50和52分别从内部和中间喷嘴外壳壁32和34的外表面横向延伸，以保持它们各自的外壳相对于喷枪组件20的纵向轴线是共轴居中的。翼片50和52的结构形成围绕着内部和中间外壳的不连续带，由此对各自环形空间中的流流流动的阻力很小。

如在美国专利US 4502633中更详细描述的，其所披露的整个内容在此作为参考而被引用，内喷嘴外壳32和中间喷嘴外壳34都可以相对于外喷嘴外壳46作轴向调整以改变流量。当中间喷嘴34轴向移动离开外喷嘴46的锥形渐细的内表面时，外喷射环形隙缝48被扩大以使氧气流量更大。相似地，当内部喷嘴32的外锥形表面朝着中间喷嘴34的内锥表面轴向靠近时，限定煤浆喷射面积的环形空间36被减小。

围绕着外喷嘴外壳46的是具有环形端盖62的冷却流体套管60。冷却流体导管64，将冷却剂如水，从上组件冷却剂进口54直接传送到端盖板62的内表面。流体槽路挡板66控制围绕外部喷嘴外壳的冷却剂流动的路径，以确保充分均匀的排热，并防止冷却剂多路传输并产生局部过热点。端盖62包括一个喷嘴唇部70，如在此作为参考而被引用的美国专利US 6010330中描述的一样，通常定义了一个出口孔或者排出口以将反应材料进料到喷射器喷枪组件20中。

参见图3，3A和3B，冷却套管的平端盖62包括环形表面72，形成了喷射器的面板，它朝向燃烧室16设置。典型地，冷却套管62环形表面72包含钴基金属合金材料，如设计在高温氧化和硫化环境中使用的合金188。合金188包含能增强耐蚀性的铬、镧以及硅元素；以及可以提高高温强度的钨元素。其他的钴基合金如合金25或者合金556也可以有利地使用。这种合金存在的一个问题是：当使用高硫含量煤时，煤中存在的硫化合物易与钴基金属合金材料发生反应，导致腐蚀。会持续发生自消耗腐蚀，最终导致喷枪组件20的失效。尽管钴是喷嘴组件30的优选结构材料，但是其他高熔点合金，比如钼或钽的合金也可以使用。

凸出于环形表面72的是带螺纹的凸出部74用以将挡热板76安装在喷枪喷射器喷嘴组件30上。挡热板可以为包括陶瓷、金属陶瓷和难熔金属如钼、钽或铌这些适合用于还原性气化环境中的高温材料中的任何一种。所述挡热板76通常包括钼。

带螺纹的凸出部74与环形表面72可以是整体的，比如带螺纹的凸出部可以从包括环形表面72的固体金属件上机加工得到。另一种选择是，保持装置可以是固定在环形表面72上的独立构件，其中所述凸出部74可用本领域技术人员所公知的方法，比如焊接、螺栓固定、钎焊等方式安装到环形表面72上。从环形表面延伸出的带螺纹的凸出部74可以是连续构件，比如环，或者多个隔开的单个构件，所述每一个构件可以是圆柱形或者月牙形的。带螺纹的凸出部74包括内表面78和外表面80，其中之一或者两者都具有螺纹。图3B描绘了设置在带螺纹的凸出部74外表面80上的螺纹82。环形沟槽88设置在挡板76上表面84上。环形沟槽88在其内表面90或者其外表面92中的至少一个上形成有螺纹，并适合容纳带螺纹的凸出部74。

同样凸出于环形表面72，并且相对于轴孔开口33处在带螺纹的凸出部74内侧的是与环形表面72成为整体的环形隔板94，或者隔墙。环形隔板94被设置在挡热板76上表面84上的环形凹槽95所容纳。环形隔板94的至少一部分97，或者也许是一个面，与在挡热板76的上表面84上切出的用于容纳该凸出部的凹槽95的底面接触。设置环形凸出部/凹槽的目的是形成腐蚀物质通道的屏障，以此作为曲径密封(迷宫式密封)，因此可以防止挡板带螺纹附件发生腐蚀和失效。这一环形隔板94作为共同申请但未审定的主题，在本申请的同一申请日提交，并已经转让给本申请的申请人。

相对于轴孔开口33，在隔板94的内侧是根据本发明的环形、或者锥形的抗氧化插入件96，其位置的设定可以在功能性上取代挡板最容易因腐蚀而损失的部分。该抗氧化插入件96与挡板分离，呈圆锥形状，并且被挡板76保持在适当的位置。该插入件96通常可以由可机加工的抗氧化陶瓷制造。

通过去掉挡板的一圆锥形部分以增大挡板中心孔的直径，由此容纳抗氧化插入件96。抗氧化插入件96一般可以是陶瓷，并且同心设置在进料喷射器面板72上的喷嘴唇部70上方的位置。然后使用常用的方式将挡板螺旋固定到喷射器面板72中，由此将插入件保持在适当的位置。这种设计使插入件96，喷射器面板环形表面72，和挡热板76之间存在很少的缝隙，以防止易碎陶瓷开裂。当以这种方式进行组装时，插入件占据了氧化区，并且挡热板76，通常包含钼，主要受还原性条件的影响，由此防止挡板以及覆盖着插入件的喷射器面板72发生腐蚀。

挡热板76由高熔点材料，比如氮化硅、碳化硅，氧化锆，钼，钨或者钽组成。代表性的优选材料包括Coors Corp.of Golden，Colorado的氧化锆TZP和氧化锆ZDY产品。在特性上，这些高温材料可以耐受高达约1400℃的高温，具有高的膨胀系数，在高温，高还原性/硫化环境中仍然保持较强的钝性。优选的，挡热板76含有钼。

挡板76可以包含高温、耐蚀涂层98，比如在美国专利US 6284324中记载的，本申请参考引用该篇文献。这样的涂层98被应用在挡热板76面向燃烧室的下表面86上，具有大约0.002至大约0.020英寸(0.05毫米至大约0.508毫米)的厚度，并且优选为大约0.005至大约0.015英寸(0.127至大约0.381毫米)。为了有助于涂层98在挡热板76上的涂覆，挡热板76靠近喷嘴唇部70的一部分可具有从大约0.001英寸至大约0.50英寸(0.0254毫米至大约12.7毫米)的小直径。

涂层98是一种具有通式为MCrAlY的合金，其中M选自铁、镍和钴。该涂层组合物可以包含大约5-40wt％Cr，0.8-35wt％Al，高达1wt％的稀土元素钇，15-25wt％Co以及余量的包括作为一种合金成分的Ni、Si、Ta、Hf、Pt、Rh及其混合物。优选合金包含大约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。这样的涂层可以从Praxair和其他公司获得。

涂层98可以采用粉末涂层领域普通技术人员已公知的各种方法，涂覆在挡热板76的下表面86上。举例来说，涂层98可以用细粉采用等离子体喷涂方法进行涂覆。涂覆涂层材料的优选方法并没有严格的限制，只要得到致密的、均匀的、连续的涂层就可以。其他的涂层沉积技术比如反应溅射法或者电子束轰击法都可以使用。

通过对本发明的详细描述，本领域技术人员将意识到，只要不偏离本发明公开记载的精神和范围，可以对本发明多个方面作出改进。因此，不意味着本发明的范围被限定在前面说明和描述的具体实施例的范围内，本发明的范围由本申请所附的权利要求或者与它们相等同的部分所限定。