[发明专利]燃烧系统中的组件和防止熔渣、灰烬和烧焦物堆积的方法

说明书

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。