CN101981377A - 燃烧系统中的组件和防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积的方法 - Google Patents

燃烧系统中的组件和防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101981377A
CN101981377A CN2009801125073A CN200980112507A CN101981377A CN 101981377 A CN101981377 A CN 101981377A CN 2009801125073 A CN2009801125073 A CN 2009801125073A CN 200980112507 A CN200980112507 A CN 200980112507A CN 101981377 A CN101981377 A CN 101981377A
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite
assembly
refractory metal
combination
combustion system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2009801125073A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101981377B (zh
Inventor
M·M·莫拉
A·J·阿瓦格利亚诺
陈伟
M·L·哈尼德
S·S·塔尔亚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Products and Chemicals Inc
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN101981377A publication Critical patent/CN101981377A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101981377B publication Critical patent/CN101981377B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817—Carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3891—Silicides, e.g. molybdenum disilicide, iron silicide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/80—Phases present in the sintered or melt-cast ceramic products other than the main phase
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/10—Burner material specifications ceramic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00018—Means for protecting parts of the burner, e.g. ceramic lining outside of the flame tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
    • Y10T428/12771—Transition metal-base component
    • Y10T428/12806—Refractory [Group IVB, VB, or VIB] metal-base component
    • Y10T428/12826—Group VIB metal-base component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
    • Y10T428/12771—Transition metal-base component
    • Y10T428/12806—Refractory [Group IVB, VB, or VIB] metal-base component
    • Y10T428/12826—Group VIB metal-base component
    • Y10T428/1284—W-base component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

本发明公开一种在燃烧系统中包含复合材料的组件，所述复合材料包含碳化硅；和难熔金属自灭剂，其包含选自Rm5Si3、Rm5Si3C、RmSi2及其组合的相；其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属。本发明还公开一种防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积于表面上的方法，其包括将复合材料的第一面置于所述表面上；用由所述复合材料组成的组件更换包含该表面的组件；或其组合。

Description

燃烧系统中的组件和防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积的方法
发明背景
高温燃烧系统，如燃气涡轮或用于煤炭气化、石油焦炭、生物质和炼油厂桶底残留物等的气化器，通常涉及在约700℃-约2,500℃的温度范围内和在高达100个大气压的压力下的反应。在这些条件下，燃烧系统中的组件暴露于还原环境、腐蚀性气体和浓缩的酸中，且易于受到熔渣、灰烬、烧焦物、热冲击等的攻击，这导致所述组件或燃烧系统本身的破坏。
与高温燃烧系统相关的一些问题是熔渣、灰烬和烧焦物等在易损组件表面上的攻击和/或堆积，即倾向于有前述问题的组件上。例如，熔渣与金属和陶瓷制品具有高度反应性。金属组件，如为高温气化过程设计的金属进料注入器，可遭受熔渣或被氧气、硫等的腐蚀性攻击。陶瓷组件，如陶瓷进料注入器、喷嘴组件、防护装置或插入物，也易受到类似攻击。另外，不同组件间弱的机械连接，特别是陶瓷组件与金属组件之间，易于导致所述组件的机械故障，其通常由热冲击引起。其中，组件故障导致附带的组件损坏、不利的工厂停工、降低使用期内的安全性和修理或替换费用加大。热冲击的发生是由操作温度的快速升高或降低所引起。易受热冲击的组件，如喷嘴，一般要求包含有复杂的机构，如活性水冷却装置，用于减轻由热冲击引起的故障。
因此，对高温燃烧系统及其组件存在需求，此类高温燃烧系统及其组件对于熔渣化学攻击、热冲击和热疲劳、酸腐蚀、还原环境等具有高度抗性。此类系统可在高热梯度下操作，而无机械故障的进一步风险。并且，所述系统应对熔渣、灰烬或烧焦物沉积所致的污垢具有抵抗力。
发明概述
以上描述的和其它缺点通过在燃烧系统中包含复合材料的组件减轻，所述复合材料包含碳化硅；和难熔金属硅化物，其包含选自Rm5Si3、Rm5Si3C、RmSi2及其组合的相；其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属。
在一个实施方案中，燃烧系统的组件包含复合材料，所述复合材料包含体积约为50-约85％的碳化硅；体积约为4.9-约25％的难熔金属硅化物相，其选自Rm5Si3、Rm5Si3C及其组合；体积约为0.1-约20％的难熔金属硅化物相，其选自RmSi2；和体积约为10-约45％的孔隙；其中体积百分比基于所述复合材料的总体积计；其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属；其中所述复合材料包含钼的量约为45-约80％重量，及钨的量约为20-约55％重量；其中所述复合材料还包含重量约为0-约2％的铁；其中重量百分比基于钼和钨的总重量计。
另一个实施方案是防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积于表面上的方法，其包括将复合材料第一面置于所述表面上；用由所述复合材料组成的组件更换包含该表面的组件；或其组合；其中所述复合材料包含碳化硅；和难熔金属硅化物，其包含选自Rm5Si3、Rm5Si3C、RmSi2及其组合的相，其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属。
附图简述
现在参考附图，其中在几个图中，相似的元件标注类似：
图1是称为整体煤气化联合循环(IGCC)发电系统的示例性燃烧系统的示意图；
图2是置于碳化硅基体的熔化炉渣的润湿图示说明；
图3是置于碳化硅基体的熔化炉渣的润湿图示说明；和
图4是置于本文公开的复合材料表面上熔化炉渣的成珠(beading)图示说明。
发明详述
意外的是，本发明人发现在燃烧系统中包含复合材料的组件对熔渣、灰烬、烧焦物、高温腐蚀、还原环境等形成的污垢具有高度抗性，可将其置于基体上，而无机械故障的风险，并可在高热梯度下操作，而无由热冲击引起的故障风险，所述复合材料包含碳化硅和难熔金属硅化物，其包含选自Rm5Si3、Rm5Si3C、RmSi2及其组合的相，其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属。
至于什么类型的碳化硅可用于所述复合材料，并没有限制。碳化硅可包含单相，或其可包含许多相。所述碳化硅可粘合在一起，即所有碳化硅相中存在连续性。然而，所述碳化硅也可以是不连接的或可在所述复合材料内包含短的连接区域。在一个实施方案中，所述碳化硅包含一个粘合在一起的相。在另一个实施方案中，所述碳化硅在所述复合材料中包含短的连接区域。
在一个优势的实施方案中，所述碳化硅包含具有横截面直径小于约1,000m(1mm)的短的连接区域。在一个实施方案中，所述碳化硅包含具有横截面直径小于约700m，更特别是小于约500m，且甚至更特别是小于300m的短的连接区域。在一个示例性实施方案中，所述碳化硅包含具有横截面直径约5-约300m的短的连接区域。
基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计，碳化硅以约75-约98％体积的量存在于所述复合材料中。在一个实施方案中，基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计，碳化硅可以约80-约95％体积的量存在。在一个优势的实施方案中，基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计，碳化硅可以约80-约92％体积的量存在。
难熔金属硅化物包含选自Rm5Si3、Rm5Si3C和RmSi2的相。本文所用的“Rm”代表选自钼和钨的难熔金属。也可使用各相的组合、各难熔金属的组合、或各相与难熔金属的组合。本文所用的“难熔金属”是对热、腐蚀和/或磨损具有非常高度抗性的金属。除钼或钨外的金属也可为难熔金属，然而，其称为“其它难熔金属”或“其它金属”。其它难熔金属的非限制性实例包括铼、钽、铌、钛、锆、铪、钒、铬、铁、镍和钴。其它难熔金属的组合也可使用。
Rm5Si3和Rm5Si3C相统称为“三硅化合物相”或“各三硅化合物相”。这些包括W5Si3、W5Si3C、Mo5Si3、Mo5Si3C、(Mo，W)5Si3、(Mo，W)5Si3C及其组合。“(Mo，W)”指“置换固溶体”相，即其中钼和钨都存在的相。所述Rm5Si3C相还被称为“Novotny”或“Novotnyi”相。
RmSi2相称为“二硅化物相”或“各二硅化物相”。其包括MoSi2、WSi2、(Mo，W)Si2及其组合。
二硅化物和三硅化物相统称为难熔金属硅化物或各难熔金属硅化物。
基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计，难熔金属硅化物可按体积约2-约25％的量存在于所述复合材料中。在一个实施方案中，基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计，难熔金属硅化物可按体积约5-约20％的量存在。在一个优势的实施方案中，基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计，难熔金属硅化物可按体积约8-约20％的量存在。
基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计，在一个实施方案中，所述Rm5Si3C相以体积约2-约15％的量存在，且RmSi2相以体积约0-约10％的量存在。在另一个优势的实施方案中，所述Rm5Si3C相以体积约3-约12％的量存在，更特别是，量为约5-约12％体积，且RmSi2相存在的量为约2-约8％体积，基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计。
至于所述复合材料中所用的钼和钨的比例，并没有特别的限制，本领域技术人员可根据所期望的复合材料的特性，调节该比例。不希望受理论所限，但认为增加钼浓度可产生重量较轻的复合材料，即致密度较低，并且还增加在高于约1,500℃的温度下对空气的抗热性。另一方面，认为增加钨浓度可产生对热冲击抗性增加的复合材料，并能改善与碳化硅的相容性。
在一个实施方案中，按钼和钨的总重量计，难熔金属硅化物包含重量约0-约97％的钼和重量约3-约100％的钨。在一个优势的实施方案中，按钼和钨的总重量计，难熔金属硅化物包含重量约45-约80％的钼和重量约20-约55％的钨。
钼和钨的比例在难熔金属硅化物的不同相中可以相同或不同。在一个实施方案中，在二硅化物相和三硅化物相中，难熔金属硅化物可包含不同比例的钼和钨。
因此，在一个实施方案中，按二硅化物相中钼和钨的总重量计，难熔金属硅化物包含重量约30-约90％的钼和重量约10-约70％的钨。在一个优势的实施方案中，按二硅化物相中钼和钨的总重量计，难熔金属硅化物包含重量约50-约80％的钼和重量约20-约50％的钨。
在另一个实施方案中，按三硅化物相中钼和钨的总重量计，难熔金属硅化物包含重量约20-约90％的钼和重量约10-约80％的钨。在一个优势的实施方案中，按三硅化物相中钼和钨的总重量计，难熔金属硅化物包含重量约40-约70％的钼和重量约30-约60％的钨。
所述复合材料还可包含另一种难熔金属，如铼、钽、铌、钛、锆、铪、钒、铬、铁、镍、钴或其组合，条件是其不会对复合材料有不利的影响。所述复合材料还可包含其它元素，如硼、锗、铝、镁、钡、锶、钙、钠、钾、钇、钪、镧系元素或其组合。
基于钼和钨的总重量计，上述其它难熔金属和元素可以以小于约10％重量的量存在，条件是复合材料不会有不利的影响。在一个实施方案中，基于钼和钨的总重量计，上述其它难熔金属和元素可按重量小于约5％的量存在。在一个优势的实施方案中，基于钼和钨的总重量计，上述其它难熔金属和元素可按重量少于约2％的量存在。在一个示例性实施方案中，基于钼和钨的总重量计，上述其它难熔金属和元素可按重量约0.1-约2％的量存在。在另一个示例性实施方案中，基于钼和钨的总重量计，铁存在的量为约0.1一约2％重量，同时所述复合材料不含有其余的上述其它难熔金属和元素。不希望受理论所限，但认为铁是在制备复合材料期间掺入的杂质。
在一个实施方案中，所述复合材料还包含孔隙。复合材料的总体积可定义为孔隙、碳化硅和难熔金属硅化物的总体积。
所述孔隙可具有小于约1,000m(1mm)的横截面直径。特别是，孔隙可具有约1-约800m的横截面直径，更特别是为约100-约600m。在一个优势的实施方案中，所述孔隙可具有约200-约500m的横截面直径。
基于所述复合材料的总体积计，所述复合材料可包含体积约10-约45％的孔隙，和体积约55-约90％的总的碳化硅和难熔金属硅化物。在一个优势的实施方案中，基于所述复合材料的总体积计，该复合材料可包含体积约15-约28％的孔隙和体积约72-约85％的总的碳化硅和难熔金属硅化物。
在一个实施方案中，所述复合材料不含除碳化硅和难熔金属硅化物相中存在的那些之外的硅和碳，即在复合材料中，碳化硅和难熔金属硅化物包含100％量的碳和100％量的硅。例如，所述复合材料可不含有不为难熔金属硅化物相的碳化硅相一部分的碳杂质或硅杂质。
所述复合材料可包含低的约0.000001-约0.5ohm·cm的比电阻，即当与其它相似的复合材料，例如包含难熔金属硅化物的碳化硅基复合材料相比时，所述复合材料可具有增强的导电性。虽然不希望被理论束缚，但认为通过本文公开的特定比例的碳化硅与难熔金属硅化物，以及特定比例的二硅化物相与三硅化物相和特定比例的钨与钼，能产生增强的导电性。
该增强的导电性是本发明复合材料的优势特性。虽然可将所述复合材料铜焊、锡焊、合铸等至基体如金属基体上，但由于增强的导电性，也可将所述复合材料直接焊接至金属基体上，而不需使用中间层。当焊接至基体时，所述复合材料直接与基体接触，在复合材料与基体之间的界面形成合金，与铜焊、锡焊或其它方式置于基体上的相同复合材料相比，其大大地减少机械故障的风险。
在一个实施方案中，所述比电阻为约0.0001-约0.5ohm·cm。在一个示例性实施方案中，所述比电阻为约0.001-约0.03ohm·cm。
所述复合材料可根据本领域内普通技术人员可得到的制备此类复合材料的任何合适的技术制备。例如，可将包含碳化硅的中空形式成形为所期望的物品，然后充填难熔金属硅化物，并进行烧结。或者，为了涂覆，可通过采用例如电弧或电火花的技术，将复合材料成分合金化来形成涂层。复合材料的制备在美国专利6,589,898和6,770,856中描述。
本文公开的复合材料可从Institut Fiziki Tverdogo Tela Rossiiskoi Akademii Nauk，Chernogolovka，Russia获得，商品名为REFSIC，REFSICOAT和REFSICUT。本文可最好使用材料REFSICUT。
在燃烧系统中包含所述复合材料的组件可限定为任何组件，其中对熔渣、灰烬、烧焦物、热冲击、升高的温度、腐蚀性、侵蚀还原、热梯度等或其组合的抗性是有利的。此类组件的非限制性实例包括气化器、气化进料注入器、注入器喷嘴、气化器热电偶、气化器热电偶管、气化器护套、注入器圆筒、注入器圆筒冷却螺管、气化进料注入器防护装置、气化器衬里、气化辐射合成气热交换器组件、气化对流合成气热交换器组件、进料机(posimetric)泵过渡联结件、进料机干煤进料泵过渡联结件、进料机干煤进料泵邻接部件、进料机干煤进料泵转子盘、轮机吊桶、涡轮机叶片、涡轮机喷嘴、涡轮机转子、涡轮机圆盘、涡轮机轮叶、涡轮机定子、涡轮壳体、涡轮机燃烧器或其组合。
在一个实施方案中，可将所述复合材料制成层、板、环、块状物等，然后将其置于受到熔渣、灰烬、烧焦物、热冲击等不利影响的燃烧系统的组件上。在另一个实施方案中，可将受熔渣、灰烬、烧焦物、热冲击等不利影响的燃烧系统的组件全部用所述复合材料制备，并作为替换零件导入燃烧系统中。
另外，在升高的温度下，在燃烧系统中包含复合材料的组件呈现出耐磨性和/或耐磨损性改善，并且当除暴露于熔渣、灰烬、烧焦物、热冲击等外，其也暴露于磨耗和磨损时，可具有进一步的优势。在燃烧系统中包含复合材料的组件可具有平滑的表面抛光。在一个实施方案中，在燃烧系统中包含复合材料的组件具有A类表面抛光。
一个实施方案是一种防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积于表面上的方法，其包括将复合材料的第一面置于所述表面上，用由所述复合材料组成的组件更换包含该表面的组件，或其组合，其中所述复合材料包含碳化硅，和难熔金属硅化物，其包含选自Rm5Si3、Rm5Si3C、RmSi2及其组合的相，其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属。即以上公开的复合材料。所述复合材料可包含约0.000001-约0.5ohm·cm的比电阻。所述组件还可具有平滑的表面抛光，和/或A类表面抛光。所述组件在升高的温度下，还可显示出改善的耐磨性和/或耐磨损性。
其中，布置、替换或其组合可包括将所述复合材料焊接于金属基体上，其中使复合材料与金属基体直接接触。
金属基体可限定上述表面、直接与包含上述表面的组件接触的组件或其组合。
所述包含上述表面的组件可有利的限定气化器、气化进料注入器、注入器喷嘴、气化器热电偶管、气化器热电偶护套、注入器圆筒、注入器圆筒冷却螺管、气化进料注入器防护装置、气化器衬里、气化辐射合成气热交换器组件、气化对流合成气热交换器组件、进料机泵过渡联结件、进料机泵干煤进料过渡联结件、进料机干煤进料泵邻接部件、进料机泵干煤进料转子盘、轮机吊桶、涡轮机叶片、涡轮机喷嘴、涡轮机转子、涡轮机圆盘、涡轮机轮叶、涡轮机定子、涡轮壳体、涡轮机燃烧器或其组合。
用IGCC作为实例，可将所述复合材料施加至倾向于熔渣、灰烬和烧焦物堆积的许多表面，或可用作包含倾向于熔渣、灰烬和烧焦物堆积的表面的许多组件的替换组件。图1是将得益于加入复合材料的示例性燃烧系统的示意图。该示例性燃烧系统是IGCC发电系统50，并且不打算限于以下类型和构型的燃烧系统：其中最好使用本文描述的复合材料，以防止熔渣腐蚀以及熔渣、灰烬、烧焦物堆积、侵蚀和热冲击。所述复合材料适用于其中出现熔渣腐蚀和熔渣、灰烬、烧焦物堆积、侵蚀和热冲击问题的任何燃烧系统。示例性IGCC系统50一般包括主要的空气压缩机52、与压缩机52流动交流连接的空气分离装置54、与空气分离装置54流动交流连接的气化器56、与气化器56流动交流连接的燃气轮机发动机10和蒸汽轮机58。气化器内壁一般由陶瓷材料形成。
操作中，压缩机52压缩周围空气。压缩的空气被引导到空气分离装置54。在某些实施方案中，除压缩机52之外或替换压缩机52，将来自燃气轮机发动机压缩器12的压缩空气提供至空气分离装置54。空气分离装置54用压缩空气产生氧气，以用于气化器56。更特别是，空气分离装置54将压缩空气分离为单独的氧气流和气体副产物，有时称为“工艺气体”。由空气分离装置54产生的工艺气体包括氮气，且在本文中称为“氮工艺气体”。氮工艺气体还可包括其它气体，例如但不限于氧气和/或氩气。例如，在某些实施方案中，氮工艺气体包含约95％和约100％的氮气。将氧气流引导至气化器56，用于产生部分燃烧的气体，本文称之为“合成气”，作为燃料用于燃气轮机发动机10。在一些已知的IGCC系统50中，将至少一些氮工艺气体流，即空气分离装置54的副产物排放到大气中。此外，在某些已知的IGCC系统50中，将一些氮工艺气体流注入燃气轮机发动机燃烧器14内的燃烧区(未显示)，以促进控制发动机10的排放物，更特别是，促进降低燃烧温度和减少发动机10的一氧化氮排放。IGCC系统50可包括压缩机60，其用于在注入燃烧区域前压缩氮工艺气流。
气化器56将燃料混合物、空气分离装置54提供的氧气、蒸气和/或石灰石转化为输出合成气，作为燃料用于燃气轮机发动机10。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使用煤、石油焦、渣油、油乳胶、焦油砂和/或其它相似燃料。在某些已知的IGCC系统50中，由气化器56产生的合成气包含二氧化碳。然后将气化器52产生的合成气通过热交换器61，其可具有辐射的或对流的设计，并且用于冷却离开气化器的合成气。冷却的合成气在被引导到燃气轮机发动机燃烧器14用于其燃烧前，可经净化装置62进行净化。可将二氧化碳在净化期间从合成气中分离，在某些已知的IGCC系统50中，排放到大气中。燃气轮机发动机10的功率输出驱动提供电功率至电力网中(未显示)的发电机64。将燃气轮机发动机10的排出气体提供到热回收蒸汽发生器66中，其产生用于驱动蒸汽轮机58的蒸气。蒸汽轮机58产生的电力驱动提供电功率至电力网的发电机68。在某些已知的IGCC系统50中，将来自热回收蒸汽发生器66的蒸气提供到气化器52以产生合成气。
在示例性IGCC中，气化器56包含穿过气化器56延伸的注入喷嘴70。注入喷嘴70包括在注入喷嘴70的远端74的喷嘴尖72。在该示例性实施方案中，注入喷嘴70装配成将氨气流引导到近侧的喷嘴尖72，使得氨气流促进降低至少部分喷嘴尖72的温度。
在示例性实施方案中，IGCC系统50包含合成气冷凝物汽提塔76，其装配成接收来自气化器56排出的合成气流的冷凝物。
有利的是，可将所述复合材料用于显著减少和/或防止熔渣和/或灰烬颗粒的堆积。例如，可将所述复合材料施加于气化器56的内表面、用于传递燃料和/或氧气进入气化器的注入喷嘴70；大的热交换器的热交换器表面61，热(1,650℃)合成气在离开气化器后通过其中，所述气化器用于热回收和在其可被净化前冷却合成气；等等。在备用形式中，前述的组件可全部用所述复合材料制备。热交换器表面的所述复合材料的优点主要是防污垢，对喷嘴应用来讲，所述复合材料减少和/或防止熔渣腐蚀或粘结。结果，防止了熔融的熔渣、玻璃、陶瓷灰烬等的化学攻击，增加了通过金属热交换器表面的传热，并防止了孔或通道的堵塞。
在一个实施方案中，包含所述复合材料的喷嘴、气化器、注入器等可在不使用冷却装置下操作。
商业上的利益是巨大的：燃烧气氛中组件的寿命延长，在含燃烧气体的灰烬中防粘或防污的表面，用于暴露于熔融熔渣的组件上的无反应性表面，增加燃烧气流中热交换器表面的效率等。
通过以下非限制性实施例，进一步举例说明本发明。
比较实施例
在本实施例中，将熔渣片置于由碳化硅组成的基体上，和由碳化硅、难熔金属硅化物和石墨形式的碳组成的基体上，随后在高温真空炉中加热至熔化。图2图示说明熔渣片润湿前者，其呈现出与熔渣的反应。润湿角为约50°。图3图示说明熔渣片润湿后者，其也呈现出与熔渣的反应。润湿角是约35°。
实施例
在本实施例中，将熔渣片置于包含所述复合材料的基体上。图4图示说明所述复合材料没有被熔渣片润湿，其代替形成的珠表明没有润湿和没有反应。相对于基体的表面，熔接角(beading angle)大于90°，并且为约100°。
本书面说明书用图和实施例公开本发明，包括最佳方式，并且也使本领域任何技术人员都能利用和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其它实施例。如果它们具有在权利要求的字面语言上没有不同的构造元件，或者如果它们包含在权利要求的字面语言上无实质区别的等同构造元件，这些其它的实施例将在所述权利要求的范围内。
除另有说明外，所有引用的专利、专利申请和其它参考文献均通过引用而全文结合到本文中。然而，如果本申请中的术语与结合的参考文献中的术语相矛盾或冲突，则相对于结合的参考文献中的矛盾术语，以本申请的术语为准。
本文所公开的所有范围都包括端点，且所述端点可彼此独立地组合。另外，可理解，公开一个范围是明确地公开在此范围内的任何上限范围与任何下限范围的任何配对形成的所有范围，而不管各范围是否独立公开。当定义一个范围时，并不意味着本发明的范围限于列举的具体值。
描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)所用的术语“一”和“该”和相似的指示词应理解为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显相矛盾。另外，还应注意的是本文中术语“第一”、“第二”等并不表示任何次序、数量或重要性，而只是用于区分一个元件与另一个元件。与数量相关使用的修饰语“约”包括所示的数值，并具有上下文中所述的含义(如其包含具体数量的测量相关的误差程度)。

Claims (20)

1.一种在燃烧系统中包含复合材料的组件，所述复合材料包含：
碳化硅；和
难熔金属硅化物，其包含选自Rm5Si3、Rm5Si3C、RmSi2及其组合的相；
其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属。
2.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述复合材料包含体积约75-约98％的碳化硅；其中体积百分比基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计。
3.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述复合材料包含体积约2-约25％的难熔金属硅化物，其中体积百分比基于碳化硅和难熔金属硅化物的总体积计。
4.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述难熔金属硅化物包含：
重量为约0-约97％的钼；和
重量为约3-约100％的钨；
其中重量百分比基于钼和钨的总重量计。
5.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述复合材料还包含孔隙。
6.权利要求6的燃烧系统中的组件，其中所述复合材料包含体积约10-约45％的孔隙和体积约55-约90％的碳化硅和难熔金属硅化物，其中体积百分比基于所述复合材料的总体积计。
7.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述复合材料还包含铼、钽、铌、钛、锆、铪、钒、铬、铁、镍、钴或其组合。
8.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述复合材料还包含重量为约0.01-约2％的铁，基于钼和钨的总重量计。
9.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述复合材料包含约0.000001-约0.5ohm·cm的比电阻。
10.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中在所述复合材料中，所述碳化硅和难熔金属硅化物包含100％量的碳和100％量的硅。
11.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述组件由所述复合材料组成。
12.权利要求1的燃烧系统中的组件，其中所述组件限定为气化器、气化进料注入器、注入器喷嘴、气化器热电偶、气化器热电偶管、气化器热电偶护套、注入器圆筒、注入器圆筒冷却螺管、气化进料注入器防护装置、气化器衬里、气化辐射合成气热交换器组件、气化对流合成气热交换器组件、进料机泵过渡联结件、进料机泵干煤进料过渡联结件、进料机干煤进料泵邻接部件、进料机泵干煤进料转子盘、轮机吊桶、涡轮机叶片、涡轮机喷嘴、涡轮机转子、涡轮机圆盘、涡轮机轮叶、涡轮机定子、涡轮壳体、涡轮机燃烧器或其组合。
13.一种在燃烧系统中包含复合材料的组件，所述复合材料包含：
体积约50-约85％的碳化硅；
体积约4.9-约25％的难熔金属硅化物相，其选自Rm5Si3、Rm5Si3C及其组合；
体积为约0.1-约20％的难熔金属硅化物相，其选自RmSi2；和
体积为约10-约45％的孔隙；
其中体积百分比基于所述复合材料的总体积计；
其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属；
其中所述复合材料包含钼的量为约45-约80％重量，及钨的量为约20-约55％重量；
其中所述复合材料还包含重量为约0-约2％的铁；和
其中重量百分比基于钼和钨的总重量计。
14.权利要求13的燃烧系统中的组件，其中所述复合材料具有约0.000001-约0.5ohm·cm的比电阻。
15.一种防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积于表面上的方法，所述方法包括：
将复合材料的第一面置于所述表面上；
用由所述复合材料组成的组件更换包含该表面的组件；或
其组合；
其中所述复合材料包含：
碳化硅；和
难熔金属硅化物，其包含选自Rm5Si3、Rm5Si3C、RmSi2及其组合的相；
其中Rm是选自钼、钨及其组合的难熔金属。
16.权利要求15的方法，其中布置、更换或其组合包含焊接、铜焊、合金化、电弧、电火花或其组合。
17.权利要求15的方法，其中所述复合材料具有约0.000001-约0.5ohm·cm的比电阻。
18.权利要求17的方法，其中布置、更换或其组合包含将所述复合材料焊接到金属基体上，并且还包含其中所述复合材料与金属基体直接接触。
19.权利要求18的方法，其中所述金属基体限定表面、与包含所述表面的组件直接接触的组件或其组合。
20.权利要求15的方法，其中组件包含表面，且其中所述组件限定为气化器、气化进料注入器、注入器喷嘴、气化器热电偶、气化器热电偶管、气化器热电偶护套、注入器圆筒、注入器圆筒冷却螺管、气化进料注入器防护装置、气化器衬里、气化辐射合成气热交换器组件、气化对流合成气热交换器组件、进料机泵过渡联结件、进料机泵干煤进料过渡联结件、进料机干煤进料泵邻接部件、进料机泵干煤进料转子盘、轮机吊桶、涡轮机叶片、涡轮机喷嘴、涡轮机转子、涡轮机圆盘、涡轮机轮叶、涡轮机定子、涡轮壳体、涡轮机燃烧器或其组合。
CN200980112507.3A 2008-03-25 2009-02-17 燃烧系统中的组件和防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积的方法 Active CN101981377B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/054677 2008-03-25
US12/054,677 US7914904B2 (en) 2008-03-25 2008-03-25 Component in a combustion system, and process for preventing slag, ash, and char buildup
PCT/US2009/034253 WO2009142786A1 (en) 2008-03-25 2009-02-17 Component in a combustion system, and process for preventing slag, ash, and char buildup

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101981377A true CN101981377A (zh) 2011-02-23
CN101981377B CN101981377B (zh) 2015-05-20

Family

ID=41078297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980112507.3A Active CN101981377B (zh) 2008-03-25 2009-02-17 燃烧系统中的组件和防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积的方法

Country Status (4)

Country Link
US (2) US7914904B2 (zh)
CN (1) CN101981377B (zh)
RU (1) RU2510687C2 (zh)
WO (1) WO2009142786A1 (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8481152B2 (en) * 2008-08-14 2013-07-09 General Electric Company Refractory material with improved resistance to molten slag
US20110221456A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 General Electric Company Sensor system and methods for environmental sensing
LT3912642T (lt) * 2012-10-23 2023-07-25 Synaffix B.V. Modifikuotas antikūnas, antikūno konjugatas ir jų gamybos būdas
US9341412B2 (en) * 2012-12-18 2016-05-17 General Electric Company Methods and systems for reducing silica recession in silicon-containing materials
US9610643B2 (en) * 2014-06-02 2017-04-04 Solar Turbines Incorporated Combustor assembly for a gas turbine engine having a braze layer having a centerline eutectic free region
KR102235612B1 (ko) 2015-01-29 2021-04-02 삼성전자주식회사 일-함수 금속을 갖는 반도체 소자 및 그 형성 방법
US20170167276A1 (en) * 2015-12-09 2017-06-15 General Electric Company Article for high temperature service
US11066339B2 (en) 2017-06-08 2021-07-20 General Electric Company Article for high temperature service
EP3880339A1 (en) * 2018-11-15 2021-09-22 Corning Incorporated Conductive ceramic honeycombs with resistive heating capability and methods of making the same

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH427118A (de) * 1963-11-28 1966-12-31 Bbc Brown Boveri & Cie Verfahren zum Schützen von durch heisse Medien überstrichenen Oberflächenteilen eines hitzebeständigen Körpers
US4174971A (en) * 1975-12-11 1979-11-20 Bulten-Kanthal Aktiebolag Silicon carbide body containing a molybdenum disilicide alloy
US5519946A (en) * 1992-03-12 1996-05-28 The Boc Group, Inc. Freeze dryer shelf
US5871820A (en) * 1995-04-06 1999-02-16 General Electric Company Protection of thermal barrier coating with an impermeable barrier coating
EP0798280B1 (en) * 1996-03-29 2001-09-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Ceramic matrix composite and method of manufacturing the same
JP3657800B2 (ja) * 1998-02-20 2005-06-08 株式会社リケン 二珪化モリブデン系複合セラミックス発熱体及びその製造方法
RU2154122C2 (ru) * 1998-07-07 2000-08-10 Институт физики твердого тела РАН Композиционный жаростойкий и жаропрочный материал
RU2160790C2 (ru) * 1998-07-07 2000-12-20 Институт физики твердого тела РАН Композиционный жаропрочный и жаростойкий материал
FR2785664B1 (fr) * 1998-11-05 2001-02-02 Snecma Echangeur de chaleur en materiau composite et procede pour sa fabrication
RU2178958C2 (ru) * 2000-02-17 2002-01-27 Институт физики твердого тела РАН Жаростойкий материал
CA2475955A1 (en) * 2002-02-12 2003-08-21 Voith Paper Patent Gmbh Infrared radiator embodied as a surface radiator
RU2232736C2 (ru) * 2002-05-06 2004-07-20 Институт физики твердого тела РАН Жаропрочный материал на основе карбида кремния
EP1541808A1 (de) * 2003-12-11 2005-06-15 Siemens Aktiengesellschaft Turbinenbauteil mit Wärmedämmschicht und Erosionsschutzschicht
US20060188736A1 (en) * 2005-02-18 2006-08-24 General Electric Company Diffusion barrier for assemblies with metallic and silicon-containing components and method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2510687C2 (ru) 2014-04-10
CN101981377B (zh) 2015-05-20
WO2009142786A1 (en) 2009-11-26
US20110136654A1 (en) 2011-06-09
RU2010143429A (ru) 2012-04-27
US20090246500A1 (en) 2009-10-01
US7914904B2 (en) 2011-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101981377B (zh) 燃烧系统中的组件和防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积的方法
CN102538013B (zh) 具有末梢冷却的燃料喷射器
US8227078B2 (en) Anti-fouling coatings for combustion system components exposed to slag, ash and/or char
US7926292B2 (en) Partial oxidation gas turbine cooling
CN101921628B (zh) 用于保护辐射式合成气冷却器中的冷却管的方法和设备
WO2009156614A1 (fr) Procédé de fabrication de clinker de ciment et installation de fabrication de clinker de ciment.
KR20070048149A (ko) Igcc 시스템에서 석탄가스화 방법과 장치
US20210207529A1 (en) Gasifier wall, integrated gasification combined cycle power generation equipment comprising same, and method for producing gasifier wall
WO2005040439A1 (en) Incineration apparatus and gasification apparatus
KR20120088683A (ko) 시일을 갖는 가스화 냉각 시스템
WO2005108894A1 (en) Cooled synthesis gas generator
JP5425543B2 (ja) バーナ
Stringer High temperature corrosion issues in energy-related systems
JP2009228475A (ja) ガスタービン発電システム
Nimbalkar et al. Technologies and materials for recovering waste heat in harsh environments
JP5584161B2 (ja) 溶射材料
JP6902898B2 (ja) バーナ
Smyth The use of high temperature heat exchangers to increase power plant thermal efficiency
WO2002035151A1 (fr) Dispositif d'incineration ou de gazeification utilisant un alliage resistant a la corrosion a haute temperature
JP2003213277A (ja) 廃棄物熱分解ガス化システム
Bennett et al. Issues impacting refractory service life in biomass/waste gasification
Parks Jr et al. Potential applications of structural ceramic composites in gas turbines
Cârdu Preoccupations for some thermopower equipment and installations rehabilitation and repowering
KR20020031728A (ko) 중온 집진장치를 이용한 복합 발전시스템 및 그 시스템을이용한 복합 발전방법
Natesan Materials performance in advanced combustion systems

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20191230

Address after: Pennsylvania, USA

Patentee after: Gas Products and Chemical Company

Address before: New York State, USA

Patentee before: General Electric Company