CN101363626A - 制造燃烧器前脸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于燃烧器(1)的前脸(21)的方法，所述燃烧器特别用于通过部分燃烧气化固态含碳材料。前脸(21)包括与燃烧器排放端对应的中心孔(23)、由一个或更多个挡板(26)间隔开的前侧壁(24)和后侧壁(25)，所述挡板限定带有冷却剂入口(30)和冷却剂出口(31)的冷却剂流动路径。前侧壁(24)和所述一个或更多个挡板(26)由单块金属制成，后侧壁(25)焊接到所述一个或更多个挡板(26)的自由顶端上。前脸例如可以由根据UNS N07718的钢制成。

Description

制造燃烧器前脸的方法
技术领域
本发明涉及一种制造用于保护带有两个或更多同轴通道的燃烧器排放端的前脸的方法，所述前脸包括与燃烧器排放端对应的中心孔、由一个或更多个挡板间隔开的前侧壁和后侧壁，所述挡板限定冷却剂流动路径，所述流动路径带有设有冷却剂入口的第一端和具有冷却剂排放出口的第二端。
背景技术
这种前脸对于保护这样的燃烧器特别有用，所述燃烧器使用含氧气体用于含碳燃料(诸如由气体携带的细分固体燃料，如由诸如氮气或二氧化碳的载体气体携载的粉煤)的部分燃烧，以例如用于产生加压合成气、燃料气体或还原气体。
固态含碳燃料的部分燃烧(也公知为气化)通过燃料与氧的反应获得。燃料主要含有碳和氢作为可燃成分。气体携载的细分含碳燃料和含氧气体经由燃烧器中分离的通道以较高速度通入反应器中。在反应器中维持火焰，其中燃料与含氧气体中的氧在高于1300℃的温度下反应，以形成主要是一氧化碳和氢气。
这里所用的术语“含氧气体”用于指那些含有自由氧的气体、O2，并且用于包括空气、富氧空气(即，氧的摩尔含量超过21％)以及基本上纯氧(即，氧的摩尔含量超过95％)，且其余成分包括通常在空气中发现的气体，例如氮气和/或稀有气体。
这里所用的术语“固体含碳燃料”用于包括选自由以下物质构成组的各种气体携载的可燃材料及其混合物：煤、来自煤的焦炭、煤液化残余物、石油焦、煤烟、生物燃料以及从油页岩、沥青砂和沥青获得的颗粒固体。煤可以是任何类型，包括褐煤、亚烟煤、烟煤和无烟煤。固体含碳燃料优选地研磨到这样的粒度，使得至少90％的重量百分比的材料小于90微米并且湿气含量少于大约百分之五的重量百分比。
US-A-4887962公开了一种用于这种部分燃烧过程的燃烧器。该燃烧器包括带有用于将燃料供给到燃烧区的出口的中心通道和同轴环形通道，该环形通道带有围绕中心通道的出口的出口，以供给含氧气体，从而与来自中心通道的出口的固体燃料流交叉和混合。该燃烧器还包括布置在燃烧器排放端处的前脸。该前脸具有中心孔，燃料和含氧气体通过该中心孔流到燃烧区。前脸是双壁构件，包括与燃烧器排放端对应的中心孔、通过螺旋挡板间隔开的前侧壁和后侧壁，所述挡板限定螺旋流动路径，该流动路径带有可操作地连接至冷却剂供给导管的第一端和具有可操作地连接至冷却剂排放导管的出口的第二端。
在排放端，燃烧温度可以高达1300℃或更高。这导致热应力以及在延长的操作期间特别是由于疲劳应力而产生的燃烧器的恶化，这最终可能导致冷却剂的泄漏。而且，在操作期间，燃烧器头部还经受高机械压力负载。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造前脸的方法，从而允许一种平衡最佳热消散与高机械强度的前脸构造。
本发明的目的通过一种制造用于保护燃烧器的排放端的前脸的方法实现，其中前侧壁和一个或更多个挡板由单块金属机加工得到，后侧壁通过将后侧壁从其与接触表面相对的表面焊接到挡板顶端而焊接到所述一个或更多个挡板的自由顶端。通过由单块金属制成挡板和前侧壁，可以优化结构的机械强度，从而允许使用较薄的壁，这样改善热传递。前脸的前壁制成为没有焊接点。适当的机加工方法是例如铣削、电火花腐蚀、放电机加工等。
和US-A-4887962一样，挡板例如可以是单个螺旋挡板，从而限定螺旋流动路径。螺旋流动路径还可以通过使用一组三个或更多个同心挡板而实现，所述挡板限定同心通道部分，这些通道部分中的至少一个在内挡板中的中断部稍后方被桥接内挡板和外挡板的间隔部所阻塞，从而导致流动路径通向更靠近前脸中心的下一个同心通道部分。前述方法形成了近似螺旋的流动路径。已经发现，多个这种两个或三个同心流动路径部分导致了有效的热消散，且仅有有限的压降。但是，如果需要，同心部分的数量也可以更多。
前脸可以具有圆周壁，其封闭前侧壁和后侧壁之间的空间。圆周壁例如可以是限定流动路径的螺旋挡板的延伸。
用于制造前壁和挡板以及可选地还用于制造后侧壁的适当的钢类型为这样的钢合金，其包括45-60wt％的镍以及可选地17-25wt％的铬。特别适合的钢类型为根据美国标准UNS N07718(德国标准W.Nr.2.4668)的钢，诸如可从特种钢材公司商用获得的718、ThyssenKrupp的
Figure A200710193984D00062
5219、Allvac的
Figure A200710193984D00063
718、HaynesInternational的
Figure A200710193984D00064
718以及Allegheny Ludlum的
Figure A200710193984D00065
718。已经发现，这种镍铬钢不仅将高抗张强度与良好的耐腐蚀性结合在一起，而且显示了良好的导热性。特别地，铬含量改善了对腐蚀和硫化的抵抗。
钢合金例如可以包括4-6wt％的铌和/或2-4wt％的钼和/或以下元素构成的组中的至少一种：钛、铝、钴、碳、锰、硅、磷、硫、硼和铜，其中每元素的量为0.004-1.3wt％。特别地，使用铌、铝和钛可以导致增强的机械性能。主要利用铁将组分平衡至100％。
为了改善机械性能，前脸优选地经受沉积硬化处理或老化硬化。这可以在例如将后侧壁焊接到自由的挡板顶端之后进行。额外地且特别地，如果使用包括诸如铌的碳化物形成成分的镍钢合金，则前脸可以经受固溶退火处理，例如在沉积硬化发生之前并且在焊接之后。前脸例如可以在900-1000℃的温度下经受固溶退火处理，之后在例如水中迅速冷却，之后在720℃的温度下沉积硬化处理8小时，在18小时的总老化时间内炉冷到620℃，之后是空气冷却。可选地，前脸可以例如在1000-1150℃下经受固溶退火处理，之后在例如水中迅速冷却，之后在760℃的温度下沉积硬化处理10小时，在20小时的总老化时间内炉冷到650℃，之后是空气冷却。
本发明允许使用可以承受高热流的薄壁结构。前脸的前侧壁薄如0.5-3mm。由于操作期间冷却剂的内部压力，限定冷却剂流动路径的挡板应该具有足够的抗张强度。根据挡板的总长度，挡板可以具有例如0.5-3mm的厚度。
本发明还涉及一种用于气体携载的含碳燃料的部分燃烧的燃烧器，其包括由根据前述权利要求中任一项的方法所制造的前脸。
附图说明
现在将参考附图仅仅通过例子来详细描述本发明，附图中：
图1显示包括根据本发明制造的前脸的燃烧器的纵向剖面；
图2显示图1中燃烧器的前脸的剖面的细节；
图3显示带有图2的前脸的挡板的前壁的后视图。
具体实施方式
图1显示了用于含碳燃料(诸如携载在氮气或二氧化碳气体上的粉煤)的部分燃烧的圆筒形燃烧器1的纵向剖面。燃烧器1包括圆筒形中心通道2，该通道由沿纵向轴线布置的圆筒形内壁3限定并具有用于将燃料气体供给到燃烧区的排放出口4。圆筒形外壁5绕内壁3同心地布置。在这个特定实施例中，内壁3和外壁5具有双壁上游部3A、5A和单壁下游部3B、5B。内壁3和外壁5限定了用于供给含氧气体的环形同轴通道6。同轴通道6具有在流动方向上会聚并形成用于含氧气体流入燃烧区的出口的排放端。
内壁3具有恒定的内直径。下游壁部3B具有圆锥扩大部8，该扩大部具有朝向排放出口4减小的扩大外直径，以形成环形隆起，该隆起在这个特定实施例中带有三角形横截面。外壁的下游部5B形成圆筒，其带有在流动方向上会聚的圆锥端9。下游内壁部3B的隆起部8和下游外壁部5B的圆锥端9限定均匀宽度的环形狭缝10，其中隆起部8的直径在排放出口4的方向上减小。该环形狭缝10形成同轴通道6的排放出口7。
内、外通道壁部3A、3B、5A和5B焊接至圆形连接块体11。圆形连接块体11设有：开口12构成的同心圆形阵列，从而允许从同轴通道6的上游部到其下游部的流通；以及中心孔13，其与中心通道2对齐。在开口12之间，连接块体11桥接内壁3和外壁5。
同轴通道6由冷却护套14包住，该冷却护套带有位于连接块体11的上游侧的上游部14A和位于连接块体11的下游部处的下游部14B。两个同轴壳体15A、16A焊接至连接块体11的上游侧以形成两个同轴隔间，即内隔间17A和外隔间18A。
冷却护套的下游部14B包括形成上游内壳体15A的下游延伸部的内护套壁15B和形成上游壳体16A的下游延伸部的外护套壁16B。护套壁15B、16B之间的空间18B形成上游冷却护套隔间18A的下游延伸部并被挡板19分隔成螺旋通道。内护套壁15B和外壁部5B之间的空间17B形成上游内隔间17A的下游延伸部。连接块体11设有开口20构成的两个同心圆形阵列，其分别连接上游冷却护套隔间17A、18A与下游冷却护套隔间17B、18B。
在冷却护套部14B的下游，与冷却护套壁15B、16B成直角地布置双壁前脸21。前脸21具有限定中心开口23并邻接同轴通道外壁5B的外边缘的内边缘22。前脸21的外直径小于上游冷却护套部14A的外直径。在流动方向上，下游冷却护套部14B从与上游冷却护套部14A相同的外直径向下渐缩至前脸21的外直径。
图1的燃烧器1基本上为圆筒形。块体11为圆形块体，其直径与冷却护套的外直径对应。开口12、20形成圆形阵列，其与中心开口13同心。
图2更详细地显示了前脸2的剖面，其中内壁部3B的外末端限定中心通道2的排放端，其与前脸21的中心开口23对齐。前脸21焊接到圆锥端9的外边缘上，从而限定环形狭缝10。双壁前脸21具有由限定同心流动路径部分27的同心挡板26间隔开的下游前壁24和后侧壁25。如图3所示，流动路径部分27中的每一个在内挡板中的中断部29稍后方由桥接内、外挡板26的分隔部28所阻塞。这样，挡板26限定了螺旋流动路径。该流动路径与下游冷却护套隔间18B经由冷却剂排放出口31敞开连接。在前脸21中开口23附近，前脸21的前侧壁24和后侧壁25之间的冷却剂流动路径经由前脸后侧壁25中的冷却剂入口31与下游冷却护套隔间17B敞开连接。
上游内冷却护套隔间17A连接至液体冷却剂供给。冷却剂从内冷却护套隔间17A经由块体11中的开口20、下游隔间17B、冷却剂入口30、前脸21中的流动路径部分27、冷却剂排放出口31、外冷却护套隔间18B、块体11中的开口20和外隔间18A流动到冷却剂排放。圆周端壁32封闭前脸21的前壁24和后侧壁25之间的空间。
前侧壁24、同心挡板26和圆周壁32由单块镍铬钢合金机加工出来。后侧壁25由与挡板26所限定的同心流动路径部分对应的同心分段33构成。分段33定位在自由的挡板端的顶部，从而桥接挡板26。此后，后侧壁分段33焊接到挡板26上。焊接之后，前脸21受到退火固溶处理，之后是沉积硬化。

Claims (12)

1.一种制造用于保护具有两个或更多个同轴通道(2，6)的燃烧器(1)排放端的前脸(21)的方法，所述前脸包括与燃烧器排放端对应的中心孔(23)、由一个或更多个挡板(26)间隔开的前侧壁(24)和后侧壁(25)，所述挡板限定带有设有冷却剂入口(30)的第一端和具有冷却剂排放出口(31)的第二端的冷却剂流动路径，其中前侧壁(24)和所述一个或更多个挡板(26)由单块金属制成，并且后侧壁(25)焊接到所述一个或更多个挡板(26)的自由顶端上。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，三个或更多个同心挡板(26)限定同心流动路径部分(27)，这些同心流动路径部分(27)中的至少一个在内挡板中的中断部(29)的稍后方由桥接内挡板和外挡板的分隔部(28)所阻塞。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，后侧壁(25)由与同心流动路径部分对应的分段构成。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，至少前侧壁(24)由包括铁和45-60wt％的镍的钢合金制成。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述钢还包括17-25wt％的铬。
6.根据权利要求4或5的方法，其特征在于，所述钢还包括4-6wt％的铌。
7.根据权利要求4、5或6的方法，其特征在于，所述钢还包括2-4wt％的钼。
8.根据权利要求4-7中任一项的方法，其特征在于，所述钢包括以下元素构成的组中的至少一种元素：钛、铝、钴、碳、锰、硅、磷、硫、硼和铜，其中每种元素的量为0.004-1.3wt％。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述前脸(21)由根据UNS N07718的钢制成。
10.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，焊接之后，所述前脸(21)经受沉积硬化处理。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，在沉积硬化处理之前，所述前脸(21)经受固溶退火处理。
12.一种用于气体携载的含碳燃料的部分燃烧的燃烧器(1)，其包括由根据前述权利要求中任一项的方法所制造的前脸(21)。
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