CN101952481B - 用于暴露于渣、灰分和/或焦的部件的防污涂层 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃烧系统的涂层，所述涂层包括在易于在燃烧系统操作期间渣、灰分和/或焦累积的系统表面上布置的陶瓷、玻璃或金属基质中的许多耐高温金属颗粒。所述涂层有效防止与渣、灰分和/或焦的任何实质相互作用。

Description

用于暴露于渣、灰分和/或焦的部件的防污涂层
发明背景 
总体而言，本公开涉及在燃烧系统中使用并且暴露于渣、灰分和/或焦的部件上使用的防污涂层。 
燃烧系统，如气化器和粉煤燃烧工厂，通常用于使碳基原料转化成合成气体，也称为“合成气”。气化可使用宽范围燃料，包括煤、石油焦、生物质、炼油厂塔底物(废油)、消化器污泥和包含碳并且能够送入气化室的实质上任何物质。高温(通常在约1150至约1,700℃)使惰性物质熔融，然后流到气化容器的底部，在此冷却成玻璃状不可浸提的惰性渣。此渣主要在公路碎石或混凝土应用中用作骨料。 
在整体气化联合循环(IGCC)设备中，空气分离装置使空气分离成其组成部分，并向气化器送入纯氧流。气化器然后可从多种燃料制备合成气。例如，在通过注射管嘴送入气化室时，煤浆用氧以高压注入，在气化室中可使煤浆转化成合成气。气化过程的副产物包括渣、灰分和焦等。然后，合成气用辐射或对流热交换器冷却，用于热回收产能，并在用管道使其通过环境控制过程之前使气体冷却，在环境控制过程中容易地去除污染物和颗粒，将此称为气化的“气体净化”阶段。例如，粗合成气可通过一系列冷却器，以降低温度并产生高压蒸汽。回收的热可用于预热清洁合成气和锅炉给水。随后，可使合成气在联合循环燃气涡轮机中清洁燃烧。所述联合循环技术由燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和它们的支持基础设施组成。 
目前的燃烧系统(如以上讨论的IGCC系统)或用于航空或陆地型(CMOS)的燃气涡轮机中的问题之一是渣、灰分和/或焦在内表面上的累积，即表面污染。本文所用灰分通常指燃料完全燃烧的颗粒的剩余物。热气流中的灰分颗粒达不到初始包含在燃料中的矿物质的熔融温 度。这些灰分颗粒通常小于74微米大小。从含金属的液体烃质燃料产生的灰分的成分基本上通常包括选自Fe、Zn、Ni、V、Na的金属及其混合物和金属硫化物及其可能的氧化物。术语“渣”是指已固化成玻璃状颗粒的基本上熔融灰分或熔融灰分。渣颗粒是完全燃烧燃料颗粒或浆滴的剩余物，并且表示燃料进料的熔融矿(砂、岩石等)物质。矿物质(例如典型固体碳质燃料中的灰分)的含量对于石油焦可以为约0.2％重量，对于煤可以为20.0％重量。焦是主要由灰分组成的脱挥发和部分燃烧固体碳质燃料颗粒。焦的剩余物(例如约2-65％重量)包括碳和很少(若有的话)氢和/或硫。此颗粒达不到初始包含在固体碳质燃料中的矿物质的熔融温度。 
通常渣、灰分和/或焦在各种表面上的累积在相应燃烧系统停工时通过机械方式去除。在某些情况下，这需要操作人员用物理方法锤击将渣从壁上去除。目前尚无设计成在气化工厂或可能的其他燃烧系统中发现的高燃烧温度下防止灰分沉积于与其接触的表面上以及防止与其接触的表面进行渣反应的物理隔离涂层。推动将陶瓷用于矿物燃料燃烧系统中的较高操作温度显著受其内存在的还原气氛和燃烧气体中所含渣副产物的化学侵蚀限制。 
因此，仍需要阻止熔融渣化学侵蚀、防止渣和灰分累积并且能够经受燃烧系统严苛环境的隔离涂层。 
发明概述 
本发明公开了用于燃烧系统中所用各种部件的燃烧系统防污涂层和防止在燃烧系统中所用部件上渣、灰分和/或焦累积的方法。在一个实施方案中，燃烧系统包括在易于在燃烧系统操作期间渣、灰分和/或焦累积的系统表面上布置的金属、陶瓷或玻璃基质中的纯或成合金的耐高温金属颗粒的涂层，其中所述涂层有效防止与渣、灰分和/或焦的任何实质相互作用。 
本发明提供一种防止渣、灰分和/或焦在表面上累积的方法，所述 方法包括在沉积期间在易于在燃烧系统操作期间渣腐蚀、渣累积、灰分累积和/或焦累积的表面上使陶瓷、玻璃或金属基质中的耐高温金属颗粒的涂层合金化。 
暴露于渣、灰分和/或焦的燃烧系统部件所用的防污涂层包含许多纳米大小的纯和/或成合金的耐高温金属颗粒，其中所述纳米大小的颗粒基本为球形；许多微米大小的纯和/或成合金的耐高温金属颗粒，其中所述微米大小的颗粒基本为球形；和包括玻璃、陶瓷或金属的基质，其中所述许多纳米大小和微米大小的纯和/或成合金的耐高温金属颗粒布置于所述基质内。 
通过参考本公开和其中所包括实施例的各种特征的以下详述，可更容易地理解本发明。 
附图简述 
现在参考附图，其中类似的要素类似编号： 
图1为示例性燃烧系统(已知的整体气化联合循环(IGCC)发电系统)的示意图； 
图2图示说明已布置在基材上的硅酸盐基质中耐高温金属颗粒涂层上布置的熔融渣的成珠； 
图3图示说明硅酸盐基质中耐高温金属颗粒涂层的扫描电子显微照片； 
图4图示说明已布置在金属试样上的硅酸盐基质中耐高温金属颗粒涂层上布置的熔融渣的成珠。 
发明详述 
碳质材料气化呈现出高温高压环境，并且腐蚀侵蚀性气流在工艺管线和设备中流动。高温通常指高于500℉的温度，高压通常指高于50磅/平方英寸表压(psig)的压力。渣、灰分和焦的沉积物为气化过程的副产物，并且可有害地覆盖内表面或在渣的情况下与内表面反应。 当此沉积物脱落并且悬浮或被其他夹带固体夹带时，会出现严重的堵塞问题。另外，对于包括热交换器的燃烧系统，传热可受这种累积的影响。本发明公开一种防污涂层，所述防污涂层可施加到易于渣、灰分、焦等累积的那些内表面上。所述涂层可施加到金属和/或陶瓷表面上，形成用于形成高温高压环境所用各种燃烧系统部件的材料。例如，所述防污涂层可适合用于涂覆煤气化器、将煤浆引入气化室的注射器嘴、Posimetric泵过渡部件、对流合成气冷却器部件、包括急冷环的合成气急冷系统和在喉砖磨损时可能变得暴露于熔融渣的汲取管组合件和类似部件、辐射合成气冷却器中热交换器表面的衬里和需要抗粘着(防污)特性的类似部件的各种表面。 
所述防污涂层为导热且导电的涂层，此涂层包含埋入玻璃、陶瓷或金属基质的纯耐高温金属颗粒或已在沉积期间与基材物质形成合金的颗粒。在一个实施方案中，所述纯和/或成合金的耐高温金属颗粒为球体或类球体形式。在此实施方案中，所述球体为基本均匀的高密度纳米和/或微米大小。已发现所述防污涂层减少渣型或灰分型沉积物的附着。此涂层可在高温还原气氛发现的材料上使用，如在气化器、粉煤工厂或需要抗粘着涂层防止污染部件、气体通道、移动表面等的任何燃烧应用中发现的材料。 
适合的耐高温金属包括钼、钽、钨、钒、铼、锇、铱、铌、钌、铪、锆及其组合和所述耐高温金属与选自镍、铁、铬、钴、硅、铝和钛的贱金属元素的合金。 
如上讨论，所述基质可以为陶瓷、金属或玻璃材料。所述基质不限于任何具体类型，并且可以为适合在特定燃烧系统所用的温度和环境使用的任何材料，其功能为用作纯或成合金耐高温金属颗粒的载体和粘合剂。已发现，玻璃、陶瓷或金属相防止耐高温金属在含氧气氛中升华(耐高温金属氧化物升华)，例如在煤气化系统或其他燃烧系统启动时存在的气氛。另外，一旦在燃烧中存在的还原条件下，所述耐高温金属颗粒不能生成稳定的氧化物，并且不会与燃烧气体中存在的 灰分或渣形成物理结合(附着)或化学结合。因此，具有耐高温金属颗粒的涂覆表面防止渣、灰分和/或焦粒粘着到表面上。 
可通过产生在玻璃、陶瓷或金属基质中含耐高温金属颗粒的涂层的任何方法施加涂层。例如，可通过电火花或电弧沉积或通过产生在玻璃、陶瓷或金属基质中含耐高温金属颗粒的涂层的任何涂覆技术施加涂层。在一个实施方案中，涂覆过程使基材材料的成分形成合金，以形成固溶体金属键。 
电火花通常指一种微焊接过程，此过程用短时间电脉冲使一部分可消耗金属电极熔化并沉积于基体材料(base material)上。沉积的材料与基体材料形成合金，以形成冶金结合。短时间电脉冲使沉积的材料极快固化，并产生细粒、均匀的焊接沉积物。 
在电火花成合金过程中，电极和工件导电，并且形成直流电源的端点。在将能量流施加到电极时，在电极和工件之间产生火花。一部分金属电极由于火花的高温而熔化，然后通过短路转移从电极转移到基材表面。电火花沉积可用于几乎任何金属或金属陶瓷电极/基材组合上，条件为电极和基材均导电，并且具有熔点。 
在电弧涂覆过程中，使两根带电的线靠拢产生电弧。电弧处温度使线熔化，并且雾化气体将熔化的颗粒以低速推进到待涂覆的基材上。 
涂层的厚度取决于应用和涂覆方法的能力。在极端苛刻条件下，可预料涂层会被烧蚀，因此可能需要较厚。 
用IGCC作为实例，可将涂层施加到易于渣、灰分、焦累积的很多表面上。图1为受益于具有用上述涂层涂覆的一些表面的示例性燃烧系统的示意图。所述示例性燃烧系统为IGCC发电系统50，并且对于本文所述涂层有利地用于防止渣腐蚀和渣、灰分和焦累积的燃烧系统的类型和结构不为限制性。所述涂层适用于其中渣腐蚀和渣、灰分和焦累积成为问题的任何燃烧系统。所述示例性IGCC系统50通常包括主空气压缩机52、与压缩机52流体连通连接的空气分离装置54、与 空气分离装置54流体连通连接的气化器56、与气化器56流体连通连接的燃气涡轮发动机10、和蒸汽涡轮机58。所述气化器内壁通常由陶瓷材料形成。 
在操作中，压缩机52压缩环境空气。将压缩空气引导到空气分离装置54。在一些实施方案中，自燃气涡轮发动机压缩机12(作为压缩机52的附加物或替代物)的压缩空气提供到空气分离装置54。空气分离装置54用压缩空气产生供气化器56使用的氧。更具体地讲，空气分离装置54将压缩空气分离成氧和气体副产物的单独流，有时称为“工艺气体”。空气分离装置54产生的工艺气体包含氮，并且称为“氮工艺气体”。氮工艺气体也可含其他气体，例如但不限于氧和/或氩。例如，在一些实施方案中，氮工艺气体包含约95％和约100％之间的氮。将氧流引导到气化器56，用于产生部分燃烧的气体，在本文中称为“合成气”，供燃气涡轮发动机10作为燃料使用。在一些已知的IGCC系统50中，至少一些氮工艺气流(空气分离装置54的副产物)排到大气。另外，在一些已知的IGCC系统50中，一些氮工艺气流注入燃气涡轮发动机燃烧器14内的燃烧区域(未显示)，以便于控制发动机10的排放，更具体地讲，便于降低燃烧温度和减少从发动机10排放的氧化亚氮。IGCC系统50可包括压缩机60，用于在注入燃烧区域前压缩氮工艺气流。 
气化器56使燃料、空气分离装置54提供的氧、蒸汽和/或石灰石的混合物转化成合成气输出，供燃气涡轮发动机10作为燃料使用。虽然气化器56可使用任何燃料，但在一些已知的IGCC系统50中，气化器56用煤、石油焦、残油、油乳胶、焦油砂和/或其他类似燃料。在一些已知的IGCC系统50中，气化器56产生的合成气包含二氧化碳。然后，气化器52产生的合成气通过热交换器61，热交换器61可以为辐射或对流设计，并用于冷却离开气化器的合成气。经冷却的合成气可在引导到燃气涡轮发动机燃烧器14燃烧前在净化装置62中净化。二氧化碳可在净化期间从合成气分离，并且在一些已知的IGCC系统50中排 到大气。自燃气涡轮发动机10的动力输出驱动发电机64，发电机64将电力提供到电力网络(未显示)。来自燃气涡轮发动机10的排气提供到热回收蒸汽发生器66，热回收蒸汽发生器66产生用于驱动蒸汽涡轮机58的蒸汽。蒸汽涡轮机58产生的动力驱动发电机68，发电机68将电力提供到电力网络。在一些已知的IGCC系统50中，来自热回收蒸汽发生器66的蒸汽提供到气化器52，用于产生合成气。 
在示例性IGCC中，气化器56包括延伸通过气化器56的注射管嘴70。注射管嘴70包括在注射管嘴70远端74的管嘴尖72。在此示例性实施方案中，注射管嘴70构造成引导氨流贴近管嘴尖72，使得氨流促进降低至少一部分管嘴尖72的温度。 
在此示例性实施方案中，IGCC系统50包括合成气冷凝液汽提器76，冷凝液汽提器76构造成从气化器56排出的合成气流接收冷凝液。 
有利的是，所述涂层可用于实质减少和/或防止渣和/或灰分颗粒累积。例如，所述涂层可施加到气化器56的内表面、用于将燃料和/或氧送入气化器的注射管嘴70、用于热回收和在合成气能够被净化前将其冷却的在离开气化器后热(1600℃)合成气通入的大型热交换器中的热交换器表面61，等等。所述涂层用于热交换器表面时的优点主要是防污，而对于管嘴应用，所述涂层主要减小和/或防止渣腐蚀或粘着。因此，防止熔融渣、玻璃、陶瓷灰分等的化学侵蚀，增加通过金属热交换器表面的传热，并防止管嘴或通道堵塞。企业受益也很多，例如燃烧气氛中部件寿命的延长、含灰分燃烧气体的抗粘着或防污涂层、用于暴露于熔融渣的部件上的非反应性涂层、增加燃烧气流中热交换器表面的效率等。 
以下实施例只为了说明目的提供，并且不限制本发明的范围。 
实施例1 
在此实施例中，用电火花过程在基材上沉积涂层。将渣片放在经涂覆的基材上，随后用煤气喷灯加热到熔融。图2图示说明在电弧涂 层上“起珠”的渣片，显示没有与涂层反应。应注意的是，没有涂层的话，渣在熔融时就会使基材的表面湿润。图3图示说明耐高温金属/硅酸盐涂层的横截面图。如图所示，涂层显示包埋于硅酸盐基质内的耐高温金属的均匀纳米和微米球。检查硅酸盐基质说明此为具有一些结晶结构的非晶形。 
实施例2 
在此实施例中，用电火花法在金属试样上沉积涂层。将渣片放在经涂覆的基材上，随后如实施例1用煤气喷灯加热。图4图示说明已沉积于金属试样上的耐高温金属/硅酸盐涂层。渣看来又被表面排斥，并且形成显示不与经涂覆表面相互作用的滴。在此实施例中，所述基材为上面已施加涂层的机械加工部件。 
本书面说明用实例公开本发明，包括最佳方式，也用实例使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。本发明的可取得专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员可想到的其他实例。这些其他实例旨在权利要求的范围内，如果它们具有不有别于权利要求字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质差异的相当结构元素。 

Claims (19)

1.一种燃烧系统，所述燃烧系统包括：
在易于在燃烧系统操作期间渣、灰分和/或焦累积的系统表面上布置的陶瓷或玻璃基质中的纯和/或与贱金属成合金的耐高温金属颗粒的涂层，其中所述涂层有效防止与渣、灰分和/或焦的任何实质相互作用。
2.权利要求1的燃烧系统，其中所述耐高温金属颗粒基本为球形。
3.权利要求1的燃烧系统，其中所述表面限定了至少一部分气化室。
4.权利要求1的燃烧系统，其中所述表面限定了至少一部分为燃料注入气化室构造的注射管嘴。
5.权利要求1的燃烧系统，其中所述涂层布置在燃烧系统的热交换器表面上或燃烧产物的流路中。
6.权利要求1的燃烧系统，其中所述耐高温金属选自钼、钽、钨、钒、铼、锇、铱、铌、钌、铪、锆及其组合和所述耐高温金属与选自镍、铁、铬、钴、硅、铝和钛的贱金属元素的合金。
7.权利要求1的燃烧系统，其中所述耐高温金属颗粒包括纳米大小的颗粒和微米大小的颗粒。
8.一种防止渣、灰分和/或焦在表面上累积的方法，所述方法包括：
在沉积期间在易于在燃烧系统操作期间渣腐蚀、渣累积、灰分累积和/或焦累积的表面上使陶瓷或玻璃基质中的耐高温金属颗粒的涂层合金化。
9.权利要求8的方法，其中所述耐高温金属颗粒基本为球形。
10.权利要求8的方法，其中所述表面限定了至少一部分气化室。
11.权利要求8的方法，其中所述表面限定了至少一部分为燃料注入气化室构造的注射管嘴。
12.权利要求8的方法，其中所述表面限定了至少一部分波斯美崔克泵过渡部件。
13.权利要求8的方法，其中所述涂层布置在燃烧系统的热交换器表面上。
14.权利要求8的方法，其中所述耐高温金属选自钼、钽、钨、钒、铼、锇、铱、铌、钌、铪、锆及其组合和所述耐高温金属与选自镍、铁、铬、钴、硅、铝和钛的贱金属元素的合金。
15.权利要求8的方法，其中所述耐高温金属颗粒包括纳米大小的颗粒和微米大小的颗粒。
16.权利要求8的方法，其中所述燃烧系统为整体气化联合循环设备。
17.权利要求8的方法，其中沉积涂层包括电火花过程或电弧过程。
18.一种用于暴露于渣、灰分和/或焦的燃烧系统部件的防污涂层，所述涂层包含：
许多纳米大小的纯和/或成合金的耐高温金属颗粒，其中所述纳米大小的颗粒基本为球形；
许多微米大小的纯和/或成合金的耐高温金属颗粒，其中所述微米大小的颗粒基本为球形；和
包括玻璃或陶瓷的基质，其中许多纳米大小和微米大小的纯和/或成合金的耐高温金属颗粒布置于所述基质内。
19.权利要求18的防污涂层，其中所述耐高温金属选自钼、钽、钨、钒、铼、锇、铱、铌、钌、铪、锆及其组合和所述耐高温金属与选自镍、铁、铬、钴、硅、铝和钛的贱金属元素的合金。
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