CN101503636A - 气化进料喷射器和改变其铸件表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气化进料喷射器和改变其铸件表面的方法，具体而言，提供了用于将流体喷入燃烧室的气化进料喷射器，改变此类喷射器的铸造表面的方法，以及使用包括此类喷射器的气化系统的方法。在一个实施例中，用于将流体喷入燃烧室的进料喷射器包括限定内部流通路的喷嘴，该喷嘴包括被改变以具有基于No.E112 ASTM规范的约2到约9的ASTM晶粒度的铸造表面。

Description

气化进料喷射器和改变其铸件表面的方法

技术领域

[0001]本公开一般地涉及进料喷射器，而更具体地，涉及煤炭气化进料喷射器和改变其铸件表面从而提高它们的抗疲劳性的方法。

背景技术

[0002]作为用于氢化反应的氢气来源以及用于合成碳氢化合物、含氧有机化合物和氨的原料气体的来源，含有一氧化碳和氢气的合成气体(syngas)混合物在商业上很重要。制造合成气体的一个方法是通过煤炭的气化，这牵涉到此含硫碳氢燃料与富氧的空气的部分燃烧。已知的一类气化方法是渣化(slagging)法，该方法可以包括通过插入耐火材料衬里的燃烧室顶部中的水冷式进料喷射器向燃烧室输入水煤浆和氧气。在燃烧室中生成炽热的煤气(gas flue)流，取决于燃料源和反应条件，煤气流中可包括氢气、一氧化碳和二氧化碳，并还可包括甲烷、硫化氢和氮气。

[0003]为确保气化过程产生所需量的合成气体，可采用多种措施。例如，可进行非常快速而完全的反应物的混合，并可以采取一些特别的措施来防止燃烧器或混合器过热。由于煤中的氧和硫杂质有和制造燃烧器的金属起反应的趋势，可以在低于发生快速氧化和腐蚀的温度下使燃烧器元件工作。也可以采取特别的预防措施以确保碳氢化合物和氧气之间的反应完全发生在燃烧器之外，并防止可燃混合物局部集中在燃烧器元件表面处或其附近。

[0004]气化系统的各种元件(如进料喷射器的尖端)不希望地受到来自燃烧区的辐射加热。出于这些以及其它的原因，即使对尖端进行了水冷，但由于金属腐蚀，进料喷射器的尖端仍会出现失效。仅仅在短时间的工作后，在进料喷射器的尖端的铸件表面中就会形成疲劳裂纹。最终这些裂纹会穿透进料喷射器的壁，使得过程流体泄漏。由于此泄漏，需要停止气化系统的运行以更换进料喷射器，导致生产时间的重大损失。

发明内容

[0005]本文公开的是用于将流体喷入燃烧室的进料喷射器和改变此类喷射器的铸件表面的方法。在一个实施例中，用于将流体喷入燃烧室的进料喷射器包括限定内部流通路的喷嘴，该喷嘴包括被改变以具有从约2到约9的ASTM晶粒度的铸件表面。

[0006]在另一个实施例中，一种改变进料喷射器的铸件表面的方法包括：对进料喷射器的铸件表面进行喷丸强化；然后在能够导致表面具有约从约2到约9的ASTM晶粒度的温度下加热该铸件表面。

附图说明

[0007]现在参见附图，其为一个示范性实施例，且其中相似的元件被相似地标号：该图为用来将流体喷入燃烧室的进料喷射器的一个实施例的示意性侧视图。

部件列表

 

10-进料喷射器
	20-喷嘴
30-主法兰
	40-副法兰
50-进口
	60-进口
70-进口
	80-冷却盘管
90-冷却流体进口
	100-冷却流体出口
110-喷嘴的尖端

具体实施方式

[0008]附图描绘了可用来将流体喷入反应室(未示出)的进料喷射器10的一个示范性实施例。如图所示，该进料喷射器10包括限定内部流通路(未示出)的喷嘴20和用于固定该喷嘴20的主法兰30以及三个副法兰40。进口50、60和70能够配置成分别将副含氧流、进料流和主含氧流供应到该喷嘴20的不同部分。引入反应室的该喷嘴20的末端可以至少部分地被冷却盘管80环绕，诸如水的冷却流体流过该冷却盘管80。冷却流体入口90和出口100也在图1中示出。该进料喷射器10的一个示范性应用可用在煤炭气化系统中。在这种情况下，进料流可包括含水和煤的浆体。在备选实施例中，煤可用其它燃料代替或补充，如石油焦炭、煤/石油焦炭混合物、生物燃料/煤/石油焦炭混合物等。

[0009]喷嘴20可以通过铸造融化的金属或金属合金来形成所需的喷嘴形状，金属合金例如钴基合金、镍基超合金、铁基合金和不锈钢。用这种方式形成的喷嘴20的疲劳强度会被铸件表面附近存在的粗大晶粒度削弱。幸运地是，通过热力地改变喷嘴20的表面，尤其是靠近该喷嘴20的尖端110处的表面，铸造表面可被制造得更耐疲劳裂化。用这种方式改变喷嘴20的表面能够有利地延长其使用寿命，而无需对喷嘴做任何大的设计改变，且不会显著增加制造喷嘴的成本。改变后的铸件表面理想地具有基于2004年ATSM标准年鉴第No.03.01卷中No.112ASTM规范的从约2到约9的ASTM(AmericanSociety for Testing and Materials美国材料试验协会)晶粒度。更具体地说，ASTM的晶粒度数可以是约3到约5，或者备选地，约6到约8。ASTM晶粒度数对应于改变的铸件表面的代表性区域中的平均晶粒直径。下面的表1提供了对应不同ASTM晶粒度的晶粒直径。

表1

 

ASTM晶粒度	平均晶粒直径(mm)	平均晶粒直径(in)
			0000	1.02	0.04
000	0.71	0.028

 

00	0.51	0.02
			0	0.36	0.014
.5	0.3	0.012
			1.0	0.25	0.0098
1.5	0.21	0.0083
			2.0	0.18	0.0071
2.5	0.15	0.0059
			3.0	0.125	0.0049
3.5	0.105	0.0041
			4.0	0.09	0.0035
4.5	0.075	0.003
			5.0	0.065	0.0026
5.5	0.055	0.0022
			6.0	0.045	0.0018
6.5	0.038	0.0015
			7.0	0.032	0.0013
7.5	0.027	0.0011
			8.0	0.022	0.00087
8.5	0.019	0.00075
			9.0	0.016	0.00063
9.5	0.013	0.00051
			10.0	0.011	0.00043

[0010]在一个示范性实施例中，该喷嘴的铸件表面可通过如下方式来改变：对表面进行喷丸处理从而在其中形成凹坑，随后对表面进行热处理使得表面上的晶粒变得细化。在不同的实施例中，此热处理包括在约为1750℉到2150℉的温度下加热该表面，更具体地，在约为1775℉至2125℉的温度下，而甚至更具体地，在约为1790℉至2110℉的温度下。在不同的实施例中，可进行约20分钟至100分钟的时段的加热，更具体地，约为30分钟至90分钟的时段，甚至更具体地，约为55分钟至65分钟的时段。

[0011]喷丸是一种通过使用圆型颗粒(即丸珠)以足以在材料内产生塑性变形的力冲击材料的表面来改变材料的机械性能的方法。除了它通过塑性变形机理而不是摩擦机理起作用之外，此方法类似于喷砂。实际上，这意味着这种方法去除更少的材料并产生更少的灰尘。对表面喷丸以敲打的方式有效地塑性扩展了该表面，使得该表面的机械性能发生改变。与喷丸有关的更多细节可以在汽车工程师协会2001年8月的关于喷丸的SAE手册上找到。

[0012]为达到所需的粒度，所使用的特定喷丸类型、喷丸强度以及喷丸覆盖率可不同。合适的丸珠类型的实例包括但不限于铸造金属丸珠如钢丸和不锈钢丸、陶瓷丸、玻璃丸、钢丝丸如CW31(公称直径0.031英寸)，和包含至少一种前述丸珠的组合。铸造丸珠的实例包括S110，S660，S550，S460，S390，S330，S280，S230，S170和S70丸珠，它们具有不同的直径(例如，S110丸珠具有0.0110英寸的公称直径)。喷丸强度可为约8A-20A，更具体地为约8A-10A。喷丸的覆盖率可为铸件表面的约100％-200％，更具体地为铸件表面的约100％。

[0013]喷丸强度可使用2003年1月汽车工程师协会的汽车工程师协会(SAE)J443标准中描述的标准程序来确定。此过程需要在喷丸室中放置几条(例如，至少为4条)阿尔门试片，在不断增长的时间内将阿尔门试片暴露于丸珠的射流中，并绘制出弧高对于暴露时间的曲线。喷丸“强度”是在时间T1时的弧高曲线值，该弧高曲线值在两倍时间或T2时弧高曲线值的10％以内。该强度可基于弧高控制。例如，当对于A试条弧高在0.008-0.010英寸范围内时，达到8A-10A的强度。

[0014]阿尔门试片是一种用在喷丸处理控制中的薄钢片。它由John Almen开发并获得专利。试片最初由2条刃口支撑，但是他的设计被由通用汽车于1943年开发的#2阿尔门试片所取代。原始的设计在两个方面被更改：用来支撑试片的刃口被四个小球取代；试片被翻转以便指示器尖端总是接触该试片未被喷丸的侧面。四个支撑小球识别试片的复合曲线特性。令指示器尖端接触非喷丸表面排除了将指示器尖端置于喷丸凹坑的底部或顶部而产生的错误读数的可能。它还延长了尖端的寿命，因为操作者趋向于来回滑动试片以寻找所需的读数。现代的阿尔门测量仪具有末端止动器以确保读数取自该试片的中部。

[0015]通过将喷嘴的铸造表面置于喷丸射流一段短暂的时间，然后检查该表面以估计表面凹坑百分率，可以控制喷丸覆盖率的数量以达到完全覆盖。然后零件可以被暴露于进一步处理之中。此过程可以重复直到表面呈现出具有重叠的凹坑，原始表面已完全消失。

[0016]根据一个实施例，本文所述的改变的进料喷射器能够用来在极大压力(如约80巴)下将含反应物的成分(即，富氧的空气和煤泥)喷入煤炭气化燃烧室。进料喷射器用来混合并雾化反应物，并控制流体流流的流型以便最大化碳转化效率。在燃烧室内可生成包括氢气、一氧化碳和二氧化碳的热煤气。取决于燃料源和反应条件，热煤气还可包括甲烷、硫化氢和氮气。举例来说，燃烧室中气体的温度和压力可分别为约700℉至2500℉和约1大气压(atm)至300atm，更具体地大为约10atm到100atm。

[0017]如本文所用，用语“一”和“一个”并不代表数量的限定，而是表示至少其中一个所指项目的存在。而且，针对同一成分或特性的全部范围的端点都包括端点本身并且能够独立地组合(例如，“约5wt％至20wt％，”包括端点和所有在“约为5wt％至20wt％，”范围内的中间值)。遍及本说明书所提及的“一个实施例”，“另一个实施例”，“一个实施例”及此类说法指的是与该实施例关联描述的特定要件(例如，特征、结构和/或特性)包含在本文所述的至少一个实施例中，且可能存在或不存在于其它实施例中。除此之外，应懂得所描述的要件可以任何适当的方式结合在不同的实施例中。还应懂得本公开不受本文所述的任何理论限制。除非另有定义，否则，本文所用的技术和科学术语意义与本发明所属领域技术人员公知的意义相同。

[0018]尽管已参考示范性实施例对本发明进行了描述，但应该懂得，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对这些实施例的要件进行各种改变或使用等价物替代。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可进行多种改变以使具体的情况或材料适应本发明的教导。因此，其意在本发明不限于预期用来实现本发明的最佳模式而公开的具体实施例，而是本发明将包括所有落入所附权利要求书范围内的实施例。

Claims (10)

1.一种用来将流体喷入燃烧室的进料喷射器(10)，包括：限定内部流通路的喷嘴(20)，所述喷嘴(20)包括被改变以具有约2到约9的ASTM晶粒度的铸造表面。

2.如权利要求1所述的进料喷射器(10)，其特征在于，所述ASTM晶粒度为约3到约8。

3.如权利要求1或2所述的进料喷射器(10)，其特征在于，所述铸造表面包括通过以约8A到约20A的喷丸强度对该表面进行喷丸处理而形成的凹坑，且其中所述凹坑具有所述铸造表面的约100％到约200％的喷丸覆盖率。

4.如权利要求1，2或3所述的进料喷射器(10)，其特征在于，该改变的铸造表面包括金属或金属合金。

5.如权利要求1，2，3或4所述的进料喷射器(10)，其特征在于，正在被改变的所述铸造表面位于所述喷嘴(20)的尖端附近。

6.一种改变进料喷射器(10)的铸造表面的方法，包括：

对所述进料喷射器(10)的所述铸造表面进行喷丸处理；以及

在能够导致该表面具有约2到约9的ASTM晶粒度的温度下加热所述铸造表面。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述铸造表面包括金属或金属合金。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，以约8A到约20A的喷丸强度使用所述铸造表面的约100％到约200％的喷丸覆盖率来实行所述喷丸处理。

9.如权利要求6，7或8所述的方法，其特征在于，所述喷丸处理包括使用铸造金属丸、铸造钢丸、铸造不锈钢丸、陶瓷丸、玻璃丸、钢丝丸、或包括至少其中一种前述丸的组合的喷丸处理。

10.如权利要求6，7，8或9所述的方法，其特征在于，所述温度为约1750℉至约2150℉，且其中所述铸造表面在该温度下被加热约20分钟到约100分钟的时段。

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