专利名称：煤浆喷射器及其使用方法
技术领域：
本发明通常涉及一种煤浆喷射器，更为具体地为用于煤气化反应器的煤浆喷射器。
背景技术：
在多种应用中能使用煤浆喷射器，其中将含有不溶成分的液体介质从一个环境向另一个环境分散、扩散和/或引入。这种应用之一是煤气化发生器中，其中煤浆给料通过煤浆喷射器引入气化反应器。在例如这种应用的应用中，由于煤浆内的不溶解成分给喷射器内表面的摩擦使得煤浆喷射器易于腐蚀。腐蚀的出现导致了不正确的计量、差的喷射喷流等，其增加了维护费用，并降低了运行效率或有效性。
为了降低腐蚀率，喷射器可以由耐腐蚀合金形成，例如钴铬超耐热合金、镍铬超耐热合金和类似物。与例如不锈钢的较软金属合金比较，这些耐腐蚀合金降低了腐蚀率；可是，它们仍然易于腐蚀。结果是，本领域需要具有改良的耐腐蚀性的煤浆喷射器，以降低维护费用并提高运行效率。
发明内容
本文公开了煤浆喷射器。
在一个实施例中公开了一种喷射器。喷射器包含内部喷嘴、围绕内部喷嘴布置以形成第二流道的煤浆喷嘴、和布置于煤浆喷嘴内并与第二流道接触的磨损嵌入物。内部喷嘴含有第一流道，其连接于可将第一介质供给到第一流道的第一供给管道。连接到煤浆喷嘴上的是第二供给管道，其可以将第二介质供给到第二流道。磨损嵌入物包括金属氧化物。
在第二实施例中公开了喷射器的操作方法。该方法包括，使第一介质通过第一流道，其中第一流道在内部喷嘴内；使第二介质通过第二流道，其中第二流道置于内部喷嘴和煤浆喷嘴之间，煤浆喷嘴包含与第二介质接触布置的磨损嵌入物；和将第一介质和第二介质混合。
以上所描述的和其它特征由以下附图和详细描述来举例说明。
现在参照附图，其为典型实施例，其中相同的部件以相同的数字表示。
图1是典型的标准喷射器的剖视图；图2是典型的改良的喷射器的剖视图；图3是改良的煤浆喷嘴的斜视图；图4是典型的改良的喷射器的剖视图。
具体实施例方式
这里公开的是具有改良的耐腐蚀性的煤浆喷射器。通过加入耐腐蚀成分和/或嵌入物已提高耐腐蚀性。更为具体的，公开的煤浆喷射器包含保护金属喷嘴远离煤浆流道的陶瓷嵌入物，由此提供改善的耐腐蚀性。也公开了改进的煤浆喷射器，其中喷射器喷嘴由陶瓷材料形成，其提供了改善的耐腐蚀性。
首先，除非另外定义，这里所用的技术和科学术语具有本发明所属领域的技术人员所知晓的相同的意思。这里所用的术语“第一”、“第二”和“类似物”，不是表示任何顺序、数量或重要性，而是用于元件的彼此区分。而且，术语“一个”不是表示数量的限制，而是表示存在至少一个相关项；除非另外指示，术语“前”、“后”、“底部”，和/或“顶部”仅仅用于便于描述，并不局限于任何一个位置或空间方位。如果公开范围，指向相同元件或特性的所有范围的端点是相容的、并独立地可结合的(例如，“上升到大约25wt.％，或更为具体地，大约5wt.％至大约20wt.％”的范围包含了“大约5wt.％至大约25wt.％”的范围的端点和所有的中间值，等等)。与数量一起使用的修饰词“大约”包含了阐明的值，且具有上下文规定的意思(例如，包括与特定数量测量有关的误差度)。这里所用的前缀“(多个)”旨在包含术语的单数和复数，由此包括一个或多个项(例如，“(多个)着色剂)”包含了一种或多种着色剂)。而且，术语“组合物”包含了混合物、混合剂、合金、氧化物、共聚物、反应产物、和类似物。
图1示出了典型的标准喷射器的剖视图，通常用2表示该喷射器。在图中，标准喷射器2(也称为“喷射器”)具有易于腐蚀的设计。更为具体地，喷射器2包含外部喷嘴4、煤浆喷嘴6和内部喷嘴8，其能集体地称为“喷嘴”。喷嘴具有环形几何形状，其中所示的横截面通过了它们的中心轴。流道16、18、20置于每个喷嘴之内，每个喷嘴能允许液体(例如，煤浆)和/或气体(例如，氧气)介质通过。喷嘴包括喷口10，在喷嘴流道16、18、20(在下文中称为“流道”)中流动的介质通过喷口离开喷射器，以形成喷流22。
内部喷嘴8和煤浆喷嘴6之间以及煤浆喷嘴6和外部喷嘴4之间，布置有定心肋14。定心肋14(也称为“肋片”)能用于将喷嘴对于彼此同心地对齐。肋14可具有能够同心地对齐喷嘴的任何形状。虽然能使用任何数量的肋14维持同心，但是在每个喷嘴之间使用两个或更多个肋14。图1中所示的肋14具有椭圆横截面的杆状几何形状(未示)。能将肋14配置成减少对流道16、18、20中流的限制。如焊缝26所示，肋14通过焊接连接到喷嘴。
喷嘴包含置于与喷口10相对的喷嘴一端处的台阶12。该台阶12适于连接到供给管道(例如，超耐热合金管，未示)。台阶12具有成型的几何形状28，以最小化对在流道16、18、20中流动的液体和/或气体流的限制。
外部喷嘴14、煤浆喷嘴16、内部喷嘴8和定心肋14包含了金属，其能够在大约70(21℃)至大约900(482℃)，或者，更为具体的高达大约1200(649℃)的连续使用温度下运行。可是，应当懂得，喷射器遇到的具体运行温度是依应用而定的，而且能够改变。一种可以使用的典型的金属族为超耐热合金。超耐热合金通常是镍、铁、或钴基合金，其含有铬、钨、钼、钽、铌、钛、和/或铝的组合物，以及含有至少一种上述金属的组合物。例如，能够使用钴铬超耐热合金，比如Stellite6B(商售于英国斯温顿Deloro-Stellite公司)，其包括钴、铬、镍、铁、硅、碳、钼和锰。
超耐热合金能提供比普通金属合金(例如，不锈钢)更好的耐腐蚀性。超耐热合金通常比普通金属合金硬，具有大约40至大约50的洛氏硬度值(C级)，并且能在大约1200(650℃)或更高的运行温度下维持它们的强度。可是，在一些煤浆喷射器应用中，甚至这些材料仍然展示了不希望的腐蚀率。
在使用中，增压液体和/或气体介质通过流道16、18、20，并离开喷射器2，作为喷流22以供给气化反应器。在所示的典型实施例中，氧气流过流道16，煤浆流过流道18，氧气流过流道20。由于煤浆中的不可溶解物质(例如，煤颗粒)，流道18中流动的煤浆具有腐蚀性。这种不可溶解物质对流道18中的内表面24施加了摩擦力(例如，侵蚀、切削、磨损等)。由于当推动煤浆通过喷口10时煤浆的进入速度和角度增大，因此在煤浆喷嘴的喷口10处煤浆尤其具有腐蚀性。
煤浆喷嘴6和内部喷嘴8的腐蚀率与每个应用的特定运行变量有关，比如但是不局限于流率、煤浆成分、温度、喷嘴材料、压力等等。更为具体的，在图1所示的典型煤浆喷射器中，过程变量可以包括等于大约1.0加仑每分钟，gpm(3.79公升每分钟，1pm)或更高的流率、大约70至大约1200(大约21℃至大约649℃)的运行温度、大约500磅每平方英寸，lb/in2(35.2千克每平方厘米，kg/cm2)至大约5000磅每平方英寸，lb/in2(351.5kg/cm2)的峰值压力、和煤浆成分。煤浆可以包括水溶液中大约20wt.％至大约80wt.％煤粉固体。
现在参照图2，示出了典型改良的喷射器的剖视图，通常标示为30。在图中，改良的喷射器30包括外部喷嘴4、改良的煤浆喷嘴36和内部喷嘴8，它们全部分别通过焊缝26连接到供给管道34上。改良的煤浆喷嘴36还包括磨损嵌入物32。置于内部喷嘴8和改良的煤浆喷嘴36之间的定心肋14通过磨损嵌入物32中的装配槽延伸。
磨损嵌入物32(以下称为“嵌入物”)能包含显示出比改良的煤浆喷嘴36更好的耐腐蚀性的材料。可适用的材料是金属化合物，例如但是不局限于碳化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铬、氧化锆、碳化钨等等，以及至少含有上述之一的组合物。所使用的耐腐蚀材料具有的洛氏硬度值(以C级测量)为大约50至大约90，更为具体地，大约60至大约85，甚至更为具体地，大约70至大约80。另外，磨损材料能忍受大约70°至大约1200(大约21℃至大约649℃)的连续使用温度。
嵌入物32所使用的材料还含有添加物。添加物例如是(但是不局限于)纤维材料(例如，碳化硅纤维)、粉末、微粒、膨胀性材料(例如，含有蛭石成分的材料，即在加热中膨胀的成分)、陶瓷材料、有机粘结剂、无机粘结剂、和类似物，以及含有至少一种上述材料的组合物。在一个实施例中，例如磨损嵌入物32可以含有氧化铝基质，其含有碳化硅纤维。如果将添加物混合到耐腐蚀材料中，可以按基于总体积的体积百分比(vol.％)加入添加物，而且添加物含量少于或等于大约30vol.％，或更为具体地，少于或等于大约20vol.％，或者甚至更为具体的，少于或等于大约10vol.％。
现在参照图3，示出了装配的改良煤浆喷嘴36和嵌入物32的斜视图。在图中，嵌入物32置于改良的煤浆喷嘴36内。嵌入物32包含了伸出煤浆嵌入物32的延伸部分40。延伸部分40包含装配槽42，其以围绕部分40的环形阵列布置。在所示的实施例中，将四个装配槽42构造为组装于从内部喷嘴8延伸的相应的定心肋14内(参看图2)。
装配槽42允许嵌入物32保持(例如，轴向地和/或旋转地)和/或定位在改良的煤浆喷嘴32内(当装配时，参看图2)。因此，装配槽42和定心肋14可以具有匹配的几何形状。如之前所论述的，装配槽42和定心肋14的几何形状可以具有能提供使喷嘴对中并保持嵌入物32的手段的任何形状。另外，装配槽42和定心肋14能被配置成具有这种几何形状，即其能够抵抗如果给嵌入物32施加作用力(例如，振动和/或热膨胀)时对装配槽42的损害(例如，破裂和/或碎裂)。适宜的几何形状能具有足够的接触面积，以分散作用到嵌入物32的作用力，从而抵抗损害。而且，由于尖角和/或尖锐半径能够充当促使破裂的应力集中器，因此结合地或是单独地，不具有尖角和/或尖锐半径(例如，半径小于或等于大约0.010英寸(0.25mm))的适宜几何形状还减少了当作用力作用时对嵌入物32的潜在损害。例如，具有一半椭圆的形状(即在它的短轴上截去的椭圆)的装配槽42，比具有三角形状的装配槽42更不易于断裂。
能够通过铸造工艺(例如，熔模铸造、砂型铸造、树脂壳型铸造、和/或离心浇铸)和粉末冶金工艺制造喷嘴和定心肋14。也可以使用机加工工艺(例如铣削、EDM、车削、和/或磨削)，可是由于硬度增加，使用金属切削刀片的机加工工艺在不损坏切削刀片的情况下变得越来越难使用。在一个典型的制造方法中，外部喷嘴4、改良的煤浆喷嘴36和内部喷嘴8分别采用熔模铸造(例如失蜡铸造)工艺成形。
一旦成形，喷嘴和/或肋可以在装配之前经历第二操作。第二操作可以包括以下操作(但是不局限于)清洗(例如超声波或熔剂浴)、表面加工(例如，喷砂处理、EDM、磨削或抛光)、涂覆(例如，热障涂层或保护涂层)、机加工(例如，EDM或磨削)、改性(例如，热处理、模锻或表面硬化)等等。在该特定示例中，喷嘴表面磨削以去除分模线，而且圆柱磨削以符合尺寸规格。
定心肋14能连接到喷嘴(参看图2)和/或在铸造过程中与喷嘴整体形成。为了将定心肋14连接到喷嘴上，可采用焊接/钎焊工艺。适宜的焊接/钎焊工艺可以包括，但是不局限于气体保护钨极电弧、微等粒子体、电子束、激光束等。焊接和/或钎焊工艺能形成乙炔焊或使用填充材料(例如，焊条/钎焊条、钎焊膏或钎焊箔)。在一个实施例中，可以使用微等粒子体电弧焊工艺将四个定心肋14在相对彼此分度为大约90°的位置处以绕喷嘴的环形阵列，连接到内部喷嘴8和外部喷嘴4上。如图1和图2所示，可以以任何布置连接定心肋14。例如，在图1中定心肋14连接到煤浆喷嘴6上，而在图2中定心肋14连接到内部喷嘴8上。
使用中，改良的喷射器30具有比标准喷射器2更好的耐腐蚀性。更为具体的，当煤浆通过流道18并与嵌入物32的内部表面24接触时，煤浆以比对煤浆喷嘴6更慢的速率腐蚀嵌入物32。例如，在特定实施例中，含有大约60％固体的煤浆通过具有钴铬煤浆喷嘴6的标准喷射器2，将以大约0.1英寸每年的速率腐蚀煤浆喷嘴6。可是，如果此煤浆通过包含碳化硅磨损嵌入物32的改良的喷射器30，以大约0.028英寸每年的速率腐蚀嵌入物32。因此，磨损嵌入物显示出腐蚀速度等于或小于大约0.07英寸每年，或更为具体的，小于或等于大约0.05英寸每年，甚至更为具体的，小于或等于大约0.03英寸每年。与钴铬煤浆喷嘴6相比，这相当于碳化硅磨损嵌入物32的使用寿命增长大约72％。
能将改良的喷射器30配置成许多布置，以提供替换的组件和/或制造方法。另外，改良的喷射器30能重新配置以降低费用，提高附加表面的耐腐蚀性等等。
在一个实施例中，能将改良的喷射器30配置成提供可维护性(例如，拆卸、重新装配、互换性、可恢复性或更改)。现在参照图4，示出了典型改良喷射器44的剖面图。在图中，改良喷射器44包含保持环46，该保护环46用于将磨损嵌入物32固定在适当位置。为了维护改良喷射器44，一个快速释放装置(例如，螺纹连接件)能连接到供给管道34上，其离能被分离(未示出)的喷嘴定距离。一旦分离，可以将内部喷嘴8从改良煤浆喷嘴36移开，而且能将改良煤浆喷嘴36从外部喷嘴4移开。之后，能通过供给管道34插入保持环去除工具，连接到煤浆喷嘴36上，并且能去除保持环46。可以替换嵌入物32和保持环46，然后可以重新装配喷射器。
在另一个实施例中，采用替换的保持元件来保持嵌入物32的替换方法可用来重新配置改良煤浆喷嘴36，保持元件例如但是不局限于(多个)台阶、凸起、肋、角、折边、冲压件、凸缘、铁模件、环、支架、紧固件、压配合件、螺纹件、卡合件、夹具、螺栓、销、榫钉、铆钉、焊缝等等，和包含至少一种上述元件的组合物。
在另一实施例中，可以采用改良煤浆喷嘴36和磨损嵌入物32翻新标准喷射器2(参看图1)。
还能将改良喷射器30、44修改成，包含置于改良煤浆喷嘴36和磨损嵌入物32之间的间隙48，其能降低热膨胀、冲击、振动等引起的对嵌入物32损害的风险。在另一个实施例中，可以在间隙48中布置缓冲材料，用于为嵌入物32提供缓冲。缓冲材料可含有任何能抵挡改良煤浆喷嘴36的运行温度，并且能缓冲磨损嵌入物的材料。更为具体的，缓冲材料可以包含纤维(例如，金属纤维、金属氧化物纤维、陶瓷纤维、云母纤维、和/或蛭石纤维)、织物(例如，陶瓷织物和/或金属织物)、预制件(例如，热固预制件和/或陶瓷预制件)、泡沫(例如，聚合泡沫和/或陶瓷泡沫)、微粒(例如，薄片、纤维束和/或颗粒)等等，以及含有至少一种上述材料的组合物。
在另一实施例中，如果改良煤浆喷嘴36和磨损嵌入物32的热膨胀系数相似，可以采用钎焊膏和/或钎焊箔将嵌入物32焊接到改良煤浆喷嘴36上(即，“相似”解释为在第一热膨胀期间改良煤浆喷嘴36将不会给嵌入物32带来妨碍其功能的损害)。为此，钎焊箔和/或膏可以置于嵌入物32和改良煤浆喷嘴36之间，然后装配嵌入物32和改良煤浆喷嘴36。然后将该装配件加热以把元件焊接在一起。应当注意，可以预处理和/或更改任一元件或两个元件，以提高焊接的连接强度。例如，在钎焊之前，改良煤浆喷嘴36能更改为具有钎焊膏槽和进行喷砂处理，以具有包含大约100微米(μm)算数平均粗糙度(Ra)的粗糙表面。
在另一个实施例中，可以使用耐腐蚀元件以提供改良的喷射器使用寿命。再参照图1，耐腐蚀元件可以包含由耐腐蚀材料(例如，碳化硅)生产的煤浆喷嘴6。可以利用铸造和/或机加工方法形成耐腐蚀喷嘴，并且该耐腐蚀喷嘴可以通过焊接/钎焊工艺(例如微等粒子体钎焊)装配到供给管道34上。在另一个实施例中，可以由含有长度大约为0.10英寸(0.25mm)按重量10％(wt％)的碳化硅纤维的氧化铝分别铸造内部喷嘴8、煤浆喷嘴6和外部喷嘴4。内部喷嘴8和外部喷嘴4铸造成包含三个定心肋14，其具有泪珠形横截面积，并且能够通过与煤浆喷嘴6接触使喷射器组件对中。所有喷嘴可以焊接/钎焊到相应的供给管道34上。
虽然这里示出和论述的喷射器(例如，标准喷射器2、改良喷射器30、改良喷射器44)包含了三个流道(16、18、20)，但是喷射器可能配置成包含任何数目的流道。例如，煤浆喷嘴可以包含两个流道，其中内部喷嘴8用于氧气并且第二喷嘴(例如改良煤浆喷嘴36/嵌入物32组件)用于传输煤浆。在另一个实施例中，仅使用一个流道，其中使用改良煤浆喷嘴36/嵌入物32组件以运输煤浆。
这里所描述的耐腐蚀煤浆喷射器(例如，改良喷射器30、改良喷射器44)与不包含耐腐蚀材料的喷射器相比，提供了更长的使用寿命。这提供了降低的维修费用和更好的全面的运行有效性。
虽然已参照典型的实施例对本发明进行了说明，但是本领域技术人员应当知晓，可以在不背离本发明的范围内作出各种改变并用等价物替换其中的元件。另外，在不背离本发明的本质范围内，可以作出许多改变使特定情形或材料适应于本发明的教导。因此，本发明不局限于公开的特定实施例，其为实现本发明的预期的最优方式，而且本发明将包含落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种喷射器(30、44)，包含内部喷嘴(8)，其中包括第一流道(16)；连接到内部喷嘴(8)的第一供给管道(34)，其中第一供给管道(34)能将第一介质供给到第一流道(16)；围绕内部喷嘴(8)布置的煤浆喷嘴(36)，在煤浆喷嘴(36)和内部喷嘴(8)之间形成第二流道(18)；连接到煤浆喷嘴(36)的第二供给管道(34)，其中第二供给管道(34)能将第二介质供给到第二流道(18)；和布置在煤浆喷嘴(36)内的磨损嵌入物(32)，所述磨损嵌入物与第二流道(18)接触，其中磨损嵌入物(32)包含金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的喷射器(30、44)，其特征在于磨损嵌入物(32)具有等于或小于大约0.07英寸每年的腐蚀率。
3.根据权利要求1所述的喷射器(30、44)，其特征在于磨损嵌入物(32)具有等于或小于大约0.05英寸每年的腐蚀率。
4.根据权利要求1所述的喷射器(30、44)，其特征在于磨损嵌入物(32)具有等于或小于大约0.03英寸每年的腐蚀率。
5.根据权利要求1所述的喷射器(30、44)，其特征在于磨损嵌入物(32)还包含碳化硅纤维。
6.根据权利要求1所述的喷射器(30、44)，还包括置于煤浆喷嘴(36)和磨损嵌入物(32)之间的缓冲材料。
7.根据权利要求1所述的喷射器(30、44)，还包括置于煤浆喷嘴(36)内的保持环(46)，其中保持环(46)能阻止磨损嵌入物(32)和煤浆喷嘴(36)的拆卸。
8.根据权利要求1所述的喷射器(30、44)，还包括置于内部喷嘴(8)和煤浆喷嘴(36)之间的定心肋(14)。
9.根据权利要求8所述的喷射器(30、44)，还包括置于磨损嵌入物(32)内的装配槽(42)，其中定心肋(14)置于装配槽(42)内；和其中定心肋(14)能阻止磨损嵌入物(32)和煤浆喷嘴(36)的拆卸。
10.一种喷射器(30、44)的操作方法，包括使第一介质通过第一流道(16)，其中第一流道(16)在内部喷嘴(8)内；使第二介质通过第二流道(18)，其中第二流道(18)置于内部喷嘴(8)和煤浆喷嘴(36)之间；其中煤浆喷嘴(36)包括与第二介质接触布置的磨损嵌入物(32)；和将第一介质和第二介质混合。
全文摘要
在此公开了喷射器(30、44)及其使用方法。在一个实施例中喷射器包含内部喷嘴(8)、围绕内部喷嘴(8)布置以形成第二流道(18)的煤浆喷嘴(36)、和布置于煤浆喷嘴(36)内并与第二流道(18)接触的磨损嵌入物(32)。内部喷嘴(8)包含第一流道(16)，其连接于可将第一介质供给到第一流道(16)的第一供给管道(34)。第二供给管道(34)连接到煤浆喷嘴(36)上，可以将第二介质供给到第二流道(18)。磨损嵌入物(32)包含金属氧化物。
文档编号C10J3/50GK101063052SQ20071010088
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者R·R·凯罗, H·C·陈, W·陈 申请人:通用电气公司