[发明专利]用于暴露于渣、灰分和/或焦的部件的防污涂层

说明书

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