JP2022525306A - 高温ガス膨張機のためのロータブレード研磨チップ - Google Patents

高温ガス膨張機のためのロータブレード研磨チップ Download PDF

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Abstract

【解決手段】 膨張機における、流動接触分解（ＦＣＣ）触媒残渣の蓄積を低減するのに寄与する、ＦＣＣ煙道高温ガス膨張機のためのブレード。【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、概して、流動接触分解（ＦＣＣ）煙道高温ガス膨張機での使用に好適なロータブレードに関する。ロータブレードは、研磨チップを備え、膨張機におけるＦＣＣ触媒残渣の蓄積を低減するのに寄与する。また、本明細書では、当該ブレードを製造するための方法、当該ブレードを備える高温ガス膨張機、及びＦＣＣ煙道ガスから電力を回収する方法であって、ＦＣＣ煙道は、当該高温ガス膨張機に供給される、方法も開示される。
流動接触分解（ＦＣＣ）は、石油精製に使用される最も重要な変換プロセスのうちの１つである。それは、石油粗油の高沸点かつ高分子量の炭化水素留分を、より価値の高いガソリン、より低いアルケンガス、及び他の生成物に変換するために広く使用される。
ユーティリティ消費を改善し、スタック排出を低減する製油業者の全体の取り組みにおいて、ＦＣＣ煙道ガス、すなわち、ＦＣＣプラントから出るガスの流れからの電力の回収は、特に注目を集めており、なぜなら、特に、この電源は、追加のＣＯ２が生成又は放出されないという点で、「クリーン」であるためである。
ＦＣＣ煙道ガス電力回収システムの信頼性及び操作性を向上させるために、過去４０年間にわたって多くの取り組みが行われてきたが、プロセスは、ほとんど変わらないままであった。従来、ＦＣＣ煙道ガス電力回収システムは、大抵は、「付属品」として処理されており、高電気コストの領域内の、より高い容量かつより高い圧力のＦＣＣユニットにのみ追加されている。しかしながら、近年では、特に、電力回収システムがＦＣＣユニットに組み込まれる方法において、いくつかの革新的改善が開発されてきた。これらの革新は、環境に優しい方法で、ＦＣＣユニット煙道ガスから回収されるエネルギーの単位当たりの資本コストを著しく低減する。これらの革新は、従来の設備と比較して、電力回収システムのＲＯＩ（エネルギー回収の利益）を潜在的に二倍にすることができる。これは、電力回収システムの適用範囲を、今までは未経済であると考えられていたＦＣＣ能力まで大きく広げている。
ＦＣＣ煙道エネルギー回収のための装置の最も一般的な設計では、高温ガス膨張機が存在し、この高温ガス膨張機は、ＦＣＣユニットから生じる煙道ガスが供給され、主送風機に連結されており、シャフトへのエネルギーの直接伝達を証明する。ガスタービンエンジンに存在する回転ブレードシステムとは異なり、動作中の回転ブレードと周囲ケーシングとの間の密な動的シールの形成は必要ではない。実際に、ブレードの摩耗及び効率の損失を最小限に抑えるために、ブレードチップとＦＣＣ煙道高温ガス膨張機シュラウドの内面との間の接触は、回避されるべきである。したがって、ロータを包囲するＦＣＣ煙道高温ガス膨張機ケーシングの内面は、摩耗性材料でコーティングされていない。
しかしながら、ＦＣＣ煙道エネルギー回収の１つの主要かつ依然として対処されていない問題は、ＦＣＣユニットから到達する煙道ガス流によって担持される、高温ガス膨張機のいくつかの構成要素上の残留触媒の蓄積である。触媒、及び他の固体残渣又は半固体残渣は、ガス膨張機のシュラウド上に付着して、固体材料の層を形成し、これは、ロータブレードのチップと接触し得る。ブレードチップと当該層との間の接触は、ブレードチップの浸食を引き起こし、形状、したがって、エネルギー回収効率の損失、及びブレードへの疲労効果を引き起こし、ブレードが故障する場合があり、膨張機の、及びプラント全体の信頼性に影響を与える。
摩耗したブレードの修復は、非実用的であり、摩耗した部品を交換するために、プラントの頻繁な停止が必要とされる場合があり、生産性の損失及び経済的な欠点を伴う。
一態様では、本明細書に開示される主題は、流動接触分解（ＦＣＣ）煙道高温ガス膨張機での使用に好適なブレードを対象とし、硬質研磨材の層が、ブレードチップに局在化されて、膨張機シュラウドの内部に蓄積し得る、触媒及びプロセス副産物などの固体材料の残渣を、硬質粒子の研削効果を使用して除去する。
膨張機が機能している間、ロータブレードチップ上に位置する研磨層材料は、シュラウド上のＦＣＣの初期の蓄積を継続的に研削し、シュラウドの内面上での触媒層の成長を回避し、その結果、高温ガス膨張機の性能及び信頼性の向上を達成する。
別の態様では、本明細書に開示される主題は、流動接触分解（ＦＣＣ）煙道を管理するための高温ガス膨張機であって、高温ガス膨張機シュラウドの内面は、摩耗性材料でコーティングされておらず、ロータブレードであって、本体を有し、かつブレードのチップに、研磨材であって、本体の材料とは異なる研磨材を担持する、ロータブレードを少なくとも備え、当該研磨材は、金属マトリックス又は酸化耐性マトリックス中に埋め込まれた硬質研磨粒子からなり、研磨材層の厚さは、０．５～５ｍｍである、高温ガス膨張機に関する。
別の態様では、本明細書に開示される主題は、全体効率が改善された、ＦＣＣ高温ガス煙道からエネルギーを回収するための、ＦＣＣプラントの構成要素としての当該熱風膨張機の使用に関する。
本発明で開示された実施形態、及びその付随する利点の多くのより完全な理解は、添付図面と関連して考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照することによって、より良く理解されるように、容易に取得されるであろう。
図１は、１がホイルであり、２がプラットフォームであり、３がロータブレードの脚部である、本開示によるロータブレードのプロファイルを示す。ロータブレードＢにおいて、研磨チップ４は、抗浸食エアホイール５の適用前に堆積された。ロータブレードＡにおいて、研磨チップ４は、エアホイールへの抗浸食コーティング５の塗布後に適用された。 図２は、ブレードに塗布された、典型的な研磨コーティング材料、すなわちＮｉＣｏＣｒＡｌＹマトリックス中のｃＢＮ／酸化物混合砥粒の顕微鏡画像を上面図（上）及び側面図（下）で示し、研磨材（写真中央）とホイル（写真下）との間の接着の地帯を示す。 図３は、本明細書に開示される高温ガス膨張機の一部分（シュラウドの一部及びブレードのチップ）の非限定的な例を示す。
一態様によれば、本開示は、本体を有し、かつブレードのチップに、研磨材であって、本体の材料とは異なる研磨材を担持する、流動接触分解（ＦＣＣ）煙道高温ガス膨張機のためのロータブレードであって、当該研磨材は、金属マトリックス又は酸化耐性マトリックス中に埋め込まれた硬質研磨粒子からなり、研磨材層の厚さは、１～５ｍｍである、ロータブレードに関する。
利点は多数であり、本明細書に開示されるブレードが、膨張機のシュラウドの内側に形成する傾向がある、例えば、流動分解触媒から生じる固体残渣の初期の蓄積を研削し、実質的に排除するという事実を含む。本明細書で開示されたブレードは、ブレードの消費、ブレードの疲労問題、及びロータブレード衝突の結果としての大きな触媒粒子分離による他の構成要素への損傷を含むが、これらに限定されない、ＦＣＣ高温ガス膨張機における触媒蓄積の有害な影響を制限又は実質的に排除する。
本開示による研磨チップを備えるブレードは、シュラウド内部に蓄積する触媒残渣とのチップの衝撃に起因するブレードの消費／構造破壊による、高温ガス膨張機の性能及び信頼性に対する有害な影響を最小限に抑えるか、又は実質的に抑制する。そのような衝撃は、シュラウドとロータブレードとの間の間隙のランダムな変動、並びにブレード形状及び流体力学の予測不可能な変動を引き起こすため、性能を低下させる。
固体触媒残渣に対するブレードチップの衝撃はまた、ブレード区域の変動及び衝突によるブレード疲労亀裂現象に起因して、信頼性に悪影響を及ぼす。更に、従来のブレードによる衝突時に分離される触媒包囲体の固体粒子は、膨張機の、及びプラントの他の構成要素に衝突して損傷し得る。
理論に束縛されるものではないが、シュラウド上に堆積された直後の触媒残渣の連続的な研削は、除去することがより困難であり、ブレードへの、及びプラントの他の部品への損傷を引き起こし得る、硬化した固体包囲体の形成を防止する。性能に関する本開示の達成はまた、シュラウドとブレードチップとの間の元の間隙が維持され、触媒蓄積を回避するという事実にも関連している。
好ましい実施形態では、本明細書に開示されるブレードにおいて、硬質研磨粒子は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ、ＣＡＳ番号１００４３－１１－５）、炭化クロム、好ましくはＣｒ３Ｃ２（ＣＡＳ番号１２０１２－３５－０）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、ＣＡＳ番号１３４４－２８－１）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２、ＣＡＳ番号７６３１－８６－９）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）、ハフニア酸化物（ＨｆＯ２）、及びこれらの混合物から選択される少なくとも１つの材料を含む。
好ましい実施形態では、本明細書に開示されるブレードでは、研磨材の金属マトリックスは、ニッケル若しくはコバルト合金（例えば、ブレードにろう付けされた焼結テープの場合には、ニッケル超合金＋ＮｉＣｒＳｉ）若しくはＭＣｒＡｌＹから選択され、Ｍは、ニッケル、コバルト、及び／若しくは別の金属（例えば、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ）、若しくはこれらの混合物、並びに／又はブレードの本体は、ニッケル若しくはコバルトベース合金（例えば、ＩＮ７３８）から作製されるか、又は研磨材の酸化耐性マトリックスは、セラミック層、シリサイドろう、若しくはＭＣｒＡｌＹから選択され、Ｍは、ニッケル、コバルト、及び／若しくは別の金属、若しくはこれらの混合物を表し、並びに／又はブレードの本体は、ニッケル若しくはコバルトベース合金から作製される。
好ましい実施形態では、本開示によるブレードにおいて、研磨材層の初期の厚さは、１．５～４ｍｍ、好ましくは２～３ｍｍである。
好ましい実施形態では、本開示によるブレードにおいて、当該ブレード上の研磨材中の硬質研磨粒子の量は、研磨材の全重量に対して２０～８０％、好ましくは３０～７０％、又は４０～５０％重量である。
一態様によれば、本開示は、上述のようなロータブレードを製造するためのプロセスに関し、研磨材は、溶接、クラッディング、コーティング（例えば、真空蒸着、溶射、電解）、又はろう付け（例えば、焼結によって作製されたテープのろう付け）から選択される方法を介して、ブレードの本体に取り付けられており、最終的に拡散熱処理して、基材への接着を増加させる。
一態様によれば、本開示は、流動接触分解（ＦＣＣ）煙道を管理するための高温ガス膨張機に関し、高温ガス膨張機シュラウドの内面は、摩耗性材料でコーティングされておらず、本体を有し、かつブレードのチップに、研磨材であって、本体の材料とは異なる研磨材を担持するロータブレードを少なくとも備え、当該研磨材は、金属マトリックス又は酸化耐性マトリックス中に埋め込まれた硬質研磨粒子からなり、研磨材層の厚さは、０．５～５ｍｍである。本開示による流動接触分解（ＦＣＣ）煙道を管理するための高温ガス膨張機において、ブレードチップと内側ケーシングとの間に、動的シールは形成されず、すなわち、ＦＣＣプロセスからの残渣がない場合、ブレードチップは、シュラウドの内面と接触しない。好ましくは、ブレードのチップ上の当該研磨材層の厚さは、１～４ｍｍであり、より好ましくは２～３ｍｍである。
好ましくは、本発明によるＦＣＣ煙道を管理するための高温ガス膨張機において、硬質研磨粒子は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ、ＣＡＳ番号１００４３－１１－５）、炭化クロム、好ましくはＣｒ３Ｃ２（ＣＡＳ番号１２０１２－３５－０）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、ＣＡＳ番号１３４４－２８－１）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２、ＣＡＳ番号７６３１－８６－９）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）、ハフニア酸化物（ＨｆＯ２）、及びこれらの混合物から選択される少なくとも１つの材料を含む。
好ましい実施形態では、本発明によるＦＣＣ煙道を管理するための高温ガス膨張機のブレードにおいて、研磨材の金属マトリックスは、ニッケル若しくはコバルト合金（例えば、ブレードにろう付けされた焼結テープの場合には、ニッケル超合金＋ＮｉＣｒＳｉ）若しくはＭＣｒＡｌＹから選択され、Ｍは、ニッケル、コバルト、及び／若しくは別の金属（例えば、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ）、若しくはこれらの混合物、並びに／又はブレードの本体は、ニッケル若しくはコバルトベース合金（例えば、ＩＮ７３８）から作製されるか、又は研磨材の酸化耐性マトリックスは、セラミック層、シリサイドろう、若しくはＭＣｒＡｌＹから選択され、Ｍは、ニッケル、コバルト、及び／若しくは別の金属、若しくはこれらの混合物を表し、並びに／又はブレードの本体は、ニッケル若しくはコバルトベース合金から作製される。
好ましい実施形態では、本開示による高温ガス膨張機において、ブレードチップとシュラウドの内壁との間の距離は、動作中の定常状態において、１～１０ｍｍ（機械サイズに応じて）、好ましくは３～７ｍｍである。好ましい実施形態では、本開示による高温ガス膨張機は、摩耗性材料で内部にコーティングされていない。本開示の文脈において、「摩耗性材料」という用語は、硬質材料との接触によって消費され得る物質を示し、その結果、本開示の文脈における動的摩耗性材料は、ポリエステル、アルミニウムシリコングラファイト粉末、アルミニウムシリコン六方晶窒化ホウ素、酸化ジルコニウムセラミックアブレイダブル粉末、イッテルビアジルコン酸鉛系セラミックアブレイダブル粉末、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ－ＢＭ／ポリエステル粉末、アルミニウム青銅／ポリエステルアブレイダブル粉末、ニッケルクロム合金／窒化ホウ素粉末、ニッケルクロムアルミニウム／ベントナイト粉末、ニッケル黒鉛、又はこれらの混合物などの有機ポリマーである。
一態様によれば、本開示は、ＦＣＣ煙道高温ガスから電力を回収する方法に関し、流動接触分解装置で生成される煙道ガスは、上述のように高温ガス膨張機に供給される。
本明細書で開示されるような高温ガス膨張機はまた、ブレード及び他の構成要素の修復及び置換に起因する停止の数の減少により、既知の膨張機よりも、ＦＣＣプラントのより高い性能及び生産性を達成することを可能にする。
好ましい実施形態では、本明細書に開示される方法では、分解触媒の残渣は、ブレードの研磨チップによって、シュラウドの内壁から除去されて、ブレードのチップ及びシュラウドの内面から最適な距離を維持し、かつブレードの、及びプラントの他の構成要素の損傷を最小限に抑える。
本明細書全体を通して「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な場所における「一実施形態では」又は「実施形態では」という語句の出現は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。更に、特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において任意の好適な様式で組み合わされてもよい。
別途記載のない限り、本開示の文脈において、混合物中の成分の割合量は、混合物の総重量に対するこの成分のグラム重量を指すものとする。
別途記載のない限り、本開示の文脈において、組成物が「１つ以上の成分又は物質を含む」という指示は、他の成分又は物質が、具体的に示されるものに加えて存在し得ることを意味する。
別途記載のない限り、本開示の範囲内では、ある量、例えば成分の重量含有量について示される値の範囲は、下限及び範囲の上限を含む。例えば、成分Ａの重量又は体積含有量が「ＸからＹ」と称される場合、Ｘ及びＹは数値であり、ＡはＸ又はＹ又はその中間値のいずれかであり得る。
次に、本開示の実施形態を詳述し、そのうちの１つの実施例を図面に報告する。各実施例は、本開示を限定するものではないが、本開示の説明によって提供される。実際に、本開示の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本開示において様々な変更及び変形が行われることができることが、当業者にとって明らかであろう。本明細書全体を通して「一実施形態」又は「実施形態」又は「いくつかの実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な場所における「一実施形態では」又は「実施形態では」又は「いくつかの実施形態では」という語句の出現は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。更に、特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において任意の好適な様式で組み合わされてもよい。
様々な実施形態の要素を提示する際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素のうちの１つ以上があることを意味することを意図している。「備える（comprising）」、「含む（including）」、及び「有する（having）」という用語は、非排他的であり、挙げられた要素以外に更に要素があってもよいと意味することを意図している。

Claims (10)

  1. 本体を有し、かつ、ブレードのチップに、研磨材であって、前記本体の材料とは異なる研磨材を担持する、流動接触分解（ＦＣＣ）煙道高温ガス膨張機のためのロータブレードであって、前記研磨材は、金属マトリックス又は酸化耐性マトリックス中に埋め込まれた硬質研磨粒子からなり、研磨材層の厚さは、１～５ｍｍである、ロータブレード。
  2. 硬質研磨粒子は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、炭化クロム、好ましくはＣｒ３Ｃ２、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）、ハフニア酸化物（ＨｆＯ２）、及びこれらの混合物から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１に記載のロータブレード。
  3. 前記研磨材の前記金属マトリックスは、ニッケル若しくはコバルト合金若しくはＭＣｒＡｌＹから選択され、Ｍは、ニッケル、コバルト、及び／若しくは別の金属、若しくはこれらの混合物を表し、並びに／又は前記ブレードの前記本体は、ニッケル若しくはコバルトベース合金から作製されるか、又は前記研磨材の前記酸化耐性マトリックスは、セラミック層、シリサイドろう、若しくはＭＣｒＡｌＹから選択され、Ｍは、ニッケル、コバルト、及び／若しくは別の金属、若しくはこれらの混合物を表し、並びに／又は前記ブレードの前記本体は、ニッケル若しくはコバルトベース合金から作製される、請求項１又は２のいずれかに記載のロータブレード。
  4. 前記研磨材層の前記厚さは、１．５～４ｍｍ、又は２～３ｍｍである、請求項１～３のいずれか一項に記載のロータブレード。
  5. 前記研磨材中の前記硬質研磨粒子の量は、前記研磨材の総重量に対して２０～８０％重量である、請求項１～４のいずれか一項に記載のロータブレード。
  6. 前記研磨材は、溶接、クラッディング、コーティング、又はろう付けから選択される方法を介して、前記ブレードの前記本体に取り付けられる、請求項１～５のいずれか一項に記載のロータブレードを製造するためのプロセス。
  7. 流動接触分解（ＦＣＣ）煙道を管理するための高温ガス膨張機であって、前記高温ガス膨張機シュラウドの内面は、摩耗性材料でコーティングされておらず、ロータブレードであって、本体を有し、かつブレードのチップに、研磨材であって、前記本体の材料とは異なる研磨材を担持する、ロータブレードを少なくとも備え、前記研磨材は、金属マトリックス又は酸化耐性マトリックス中に埋め込まれた硬質研磨粒子からなり、研磨材層の厚さは、０．５～５ｍｍである、高温ガス膨張機。
  8. 前記ブレードチップと前記シュラウドの内壁との間の距離は、動作中の定常状態において、１～１０ｍｍである、請求項７に記載の高温ガス膨張機。
  9. ＦＣＣ煙道ガスから電力を回収するための方法であって、流動接触分解装置で生成される煙道ガスは、請求項７及び８のいずれか一項に記載の高温ガス膨張機に供給される、方法。
  10. 分解触媒の残渣は、ブレードの研磨チップによって、シュラウドの内壁から除去されて、前記ブレードの前記チップ及び前記シュラウドの前記内面からの最適な距離を維持し、かつ前記ブレードの、及びプラントの他の構成要素の損傷を最小限に抑える、請求項９に記載の方法。

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