КОМПОНЕНТ СИСТЕМЫ СГОРАНИЯ И СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НАКОПЛЕНИЯ ШЛАКА, ЗОЛЫ И УГЛЯ Российский патент 2014 года по МПК C01B31/36 C01B33/06 

Уровень техники

Высокотемпературные системы сгорания, такие как газовые турбины или газогенераторы, используемые для газификации угля, нефтяного кокса, биомассы, кубовых остатков нефтепереработки и т.п., как правило, предусматривают осуществление реакций при температурах в диапазоне от примерно 700°С до примерно 2500°С и под давлением до 100 атмосфер. В таких условиях компоненты систем сгорания подвергаются воздействию восстановительной среды, коррозионноактивных газов и конденсирующихся кислот, а также шлака, золы, угля, термоударов и т.п., что ведет к разрушению этих компонентов или системы сгорания как таковой.

Некоторые из проблем, возникающих в высокотемпературных системах сгорания, вызваны воздействием со стороны и/или накоплением шлака, золы, угля и т.п. на поверхностях уязвимых деталей, то есть деталей, подвергающихся воздействию вышеуказанных сред. Шлак, например, обладает высокой химической активностью по отношению к металлам и керамикам. Металлические детали, такие как металлические инжекторы сырья, разработанные для высокотемпературных процессов газификации, подвержены коррозионному воздействию со стороны шлака или кислорода, серы и т.п. Керамические детали, такие как керамические инжекторы сырья, детали сопел, экраны или вставки, подвергаются аналогичным воздействиям. Кроме того, плохое механическое соединение различных деталей, а именно керамических деталей и металлических деталей, может быть причиной механического разрушения этих деталей, как правило, из-за термоудара. Отказ детали ведет к отказу сопутствующих деталей, неудовлетворительному времени простоя установки, снижению надежности во время срока службы, дорогостоящему ремонту или замене и т.д. Термоудар происходит вследствие быстрого увеличения или снижения рабочих температур. Детали, подверженные термоударам, такие как форсунки, как правило, требуют наличия сложных механизмов, таких как активное охлаждение водой, чтобы уменьшить повреждение от термоударов.

Следовательно, существует потребность в высокотемпературных системах сгорания и компонентах для них, которые в высокой степени устойчивы к химическому воздействию со стороны шлака, термоударам и усталостному разрушению, кислотной коррозии, воздействию восстановительных сред и т.п. Такая система может функционировать при больших температурных градиентах без дополнительного риска механического разрушения. Кроме того, данная система должна быть стойкой к засорению отложениями шлака, золы или угля.

Сущность изобретения

Описанные выше и другие недостатки решаются благодаря компонентам системы сгорания, содержащей композиционный материал, где композиционный материал содержит карбид кремния; и силицид тугоплавкого металла, содержащий фазу, выбранную из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C, RmSi₂ и их сочетаний; где Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетания.

В одном из вариантов осуществления изобретения компонент системы сгорания содержит композиционный материал, где композиционный материал содержит от примерно 50 до примерно 85% об. карбида кремния; от примерно 4,9 до примерно 25% об. фазы силицида тугоплавкого металла, выбранной из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C и их сочетаний; от примерно 0,1 до примерно 20% об. силицида тугоплавкого металла, выбранного из RmSi₂; и от примерно 10 до примерно 45% об. пор; где объемные проценты даны относительно общего объема композиционного материала; где Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетания; где композиционный материал содержит молибден в количестве от примерно 45 до примерно 80% вес. и вольфрам в количестве от примерно 20 до примерно 55% вес.; причем этот композиционный материал дополнительно содержит железо в количестве от примерно 0 до примерно 2% вес.; где весовые проценты даны относительно общего веса молибдена и вольфрама.

Другой вариант осуществления изобретения представляет собой способ предотвращения накопления отложения шлака, золы и угля на поверхности, включающий размещение на этой поверхности наружного слоя из композиционного материала; замену детали с такой поверхностью деталью, изготовленной из композиционного материала; или их сочетание; где композиционный материал содержит карбид кремния; и силицид тугоплавкого металла, содержащий фазу, выбранную из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C, RmSi₂ и их сочетаний; где Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетаний.

Краткое описание чертежей

Теперь обратимся к чертежам, на которых одинаковые элементы на разных фигурах имеют один и тот же номер:

Фиг.1 представляет собой принципиальную схему примера системы сгорания, известной как установка для выработки электроэнергии с комбинированным циклом комплексной газификации (Integrated Gasification Combined Cycle - IGCC);

Фиг.2 представляет собой наглядную иллюстрацию смачивания расплавленным шлаком основы из карбида кремния;

Фиг.3 представляет собой наглядную иллюстрацию смачивания расплавленным шлаком основы из карбида кремния;

Фиг.4 представляет собой наглядную иллюстрацию образования капли расплавленного шлака на поверхности описываемого в настоящем документе композиционного материала.

Подробное описание изобретения

Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что компонент системы сгорания, содержащий композиционный материал, где композиционный материал, содержащий карбид кремния и силицид тугоплавкого металла, содержащий фазу, выбранную из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C, RmSi₂ и их сочетаний, где Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетаний, в высокой степени устойчив к накоплению отложений шлака, золы, угля, высокотемпературной коррозии, восстановительным средам и т.п., может быть размещен на основе без риска механического разрушения и может функционировать при больших температурных градиентах без риска разрушения вследствие термоудара.

Тип карбида кремния, который может быть использован в этом композиционном материале, не имеет ограничений. Карбид кремния может содержать единую фазу или может содержать множество фаз. Карбид кремния может быть связанным, то есть таким, в котором между всеми фазами карбида кремния существует непрерывность. Однако карбид кремния также может быть несвязанным или может содержать небольшие связанные зоны внутри композиционного материала. В одном из вариантов осуществления изобретения карбид кремния содержит связанную фазу. В другом варианте осуществления изобретения карбид кремния содержит небольшие связанные зоны внутри композиционного материала.

В одном преимущественном варианте осуществления изобретения карбид кремния содержит небольшие связанные зоны, диаметр поперечного сечения которых менее примерно 1000 мкм (1 мм). В одном из вариантов осуществления изобретения карбид кремния содержит небольшие связанные зоны, диаметр поперечного сечения которых менее примерно 700 мкм, более конкретно, менее примерно 500 мкм, и даже точнее, менее 300 мкм. В одном из примеров осуществления изобретения карбид кремния содержит небольшие связанные зоны, диаметр поперечного сечения которых составляет от примерно 5 до примерно 300 мкм.

Карбид кремния может присутствовать в композиционном материале в количестве от примерно 75 до примерно 98% об. относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла. В одном из вариантов осуществления изобретения карбид кремния может присутствовать в композиционном материале в количестве от примерно 80 до примерно 95% об. относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла. В преимущественном варианте осуществления изобретения карбид кремния может присутствовать в композиционном материале в количестве от примерно 80 до примерно 92% об. относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла.

Силицид тугоплавкого металла содержит фазу, выбранную из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C и RmSi₂. В настоящем контексте "Rm" означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена и вольфрама. Также может быть использовано сочетание фаз, сочетание тугоплавких металлов или сочетание фаз и тугоплавких металлов. В настоящем контексте "тугоплавкий металл" означает металл с чрезвычайно высокой устойчивостью к нагреванию, коррозии и/или износу. Иной, нежели молибден и вольфрам, металл также может быть тугоплавким металлом, однако он рассматривается как "другой тугоплавкий металл" или "другой металл". Не носящие ограничительного характера примеры других тугоплавких металлов включают рений, тантал, ниобий, титан, цирконий, гафний, ванадий, хром, железо, никель и кобальт. Также может быть использовано сочетание этих других тугоплавких металлов.

Фазы Rm₅Si₃ и Rm₅Si₃C совместно именуются "трисилицидная фаза" или "трисилицидные фазы". К ним относятся W₅Si₃, W₅Si₃C, Mo₅Si₃, Mo₅Si₃C, (Mo,W)₅Si₃, (Mo,W)₅Si₃C и их сочетания. "(Mo,W)" означает фазу "твердого раствора замещения", то есть фазу, в которой присутствуют и молибден, и вольфрам. Фаза Rm₅Si₃C также известна как фаза "Novotny" или "Novotni".

Фаза RmSi₂ именуется "дисилицидная фаза" или "дисилицидные фазы". К ним относятся MoSi₂, WSi₂, (Mo,W)Si₂ и их сочетания.

Дисилицидные и трисилицидные фазы совместно именуются силицид тугоплавкого металла или силициды тугоплавкого металла.

Силициды тугоплавкого металла могут присутствовать в композиционном материале в количестве от примерно 2 до примерно 25% об. относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла. В одном из вариантов осуществления изобретения силициды тугоплавкого металла могут присутствовать в композиционном материале в количестве от примерно 5 до примерно 20% об. относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла. В одном преимущественном варианте осуществления изобретения силициды тугоплавкого металла могут присутствовать в композиционном материале в количестве от примерно 8 до примерно 20% об. относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла.

Относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла, в одном из вариантов осуществления изобретения, фаза Rm₅Si₃C присутствует в количестве от примерно 2 до примерно 15% об., а фаза RmSi₂ присутствует в количестве от примерно 0 до примерно 10% об. В другом преимущественном варианте осуществления изобретения фаза Rm₅Si₃C присутствует в количестве от примерно 3 до примерно 12% об., точнее говоря, в количестве от примерно 5 до примерно 12% об., а фаза RmSi₂ присутствует в количестве от примерно 2 до примерно 8% об. относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла.

Используемое в данном композиционном материале отношение молибден/вольфрам не имеет определенных ограничений, это отношение может быть отрегулировано специалистом в данной области в соответствии с заданными свойствами композиционного материала. Без связи с какой-либо теорией полагают, что увеличение концентрации молибдена позволяет получить более легкий, то есть менее плотный композиционный материал, и дополнительно увеличивает устойчивость к воздействию воздуха при температурах выше примерно 1500°С. С другой стороны, полагают, что увеличение концентрации вольфрама позволяет получить композиционный материал с повышенной устойчивостью к термоударам и улучшенной совместимостью с карбидом кремния.

В одном из вариантов осуществления изобретения силицид тугоплавкого металла содержит от примерно 0 до примерно 97% вес. молибдена и от примерно 3 до примерно 100% вес. вольфрама относительно общего веса молибдена и вольфрама. В одном из преимущественных вариантов осуществления изобретения силицид тугоплавкого металла содержит от примерно 45 до примерно 80% вес. молибдена и от примерно 20 до примерно 55% вес. вольфрама относительно общего веса молибдена и вольфрама.

Отношение молибден/вольфрам в различных фазах силицидов тугоплавкого металла может быть одинаковым или разным. В одном из вариантов осуществления изобретения силицид тугоплавкого металла содержит молибден и вольфрам в различных отношениях в дисилицидных фазах и в трисилицидных фазах.

Так, в одном из вариантов осуществления изобретения силицид тугоплавкого металла содержит от примерно 30 до примерно 90% вес. молибдена и от примерно 10 до примерно 70% вес. вольфрама относительно общего веса молибдена и вольфрама в дисилицидных фазах. В одном из преимущественных вариантов осуществления изобретения силицид тугоплавкого металла содержит от примерно 50 до примерно 80% вес. молибдена и от примерно 20 до примерно 50% вес. вольфрама относительно общего веса молибдена и вольфрама в дисилицидных фазах.

В другом варианте осуществления изобретения силицид тугоплавкого металла содержит от примерно 20 до примерно 90% вес. молибдена и от примерно 10 до примерно 80% вес. вольфрама относительно общего веса молибдена и вольфрама в трисилицидных фазах. В одном из преимущественных вариантов осуществления изобретения силицид тугоплавкого металла содержит от примерно 40 до примерно 70% вес. молибдена и от примерно 30 до примерно 60% вес. вольфрама относительно общего веса молибдена и вольфрама в трисилицидных фазах.

Данный композиционный материал может дополнительно содержать другой тугоплавкий металл, такой как рений, тантал, ниобий, титан, цирконий, гафний, ванадий, хром, железо, никель, кобальт или их сочетание при условии, что это не оказывает отрицательного влияния на композиционный материал. Кроме того, композиционный материал может дополнительно содержать другие элементы, такие как бор, германий, алюминий, магний, барий, стронций, кальций, натрий, калий, иттрий, скандий, лантаноид или их сочетание.

Перечисленные другие тугоплавкие металлы и элементы могут присутствовать в количестве менее примерно 10% вес. относительно общего веса молибдена и вольфрама при условии, что это не оказывает отрицательного влияния на композиционный материал. В одном из вариантов осуществления изобретения перечисленные другие тугоплавкие металлы и элементы могут присутствовать в количестве менее примерно 5% вес. относительно общего веса молибдена и вольфрама. В одном из преимущественных вариантов осуществления изобретения перечисленные другие тугоплавкие металлы и элементы могут присутствовать в количестве менее примерно 2% вес. относительно общего веса молибдена и вольфрама. В одном из примеров осуществления изобретения перечисленные другие тугоплавкие металлы и элементы могут присутствовать в количестве от примерно 0,1 до примерно 2% вес. относительно общего веса молибдена и вольфрама. В другом примере осуществления изобретения железо может присутствовать в количестве от примерно 0,1 до примерно 2% вес. относительно общего веса молибдена и вольфрама, при этом композиционный материал не содержит остальных перечисленных тугоплавких металлов и элементов. Без связи с какой-либо теорией полагают, что железо представляет собой примесь, внедряющуюся в процессе производства композиционного материала.

В одном из вариантов осуществления изобретения композиционный материал дополнительно содержит поры. Общий объем композиционного материала может быть определен как общий объем пор, карбида кремния и силицидов тугоплавкого металла.

Диаметр поперечного сечения пор может составлять менее примерно 1000 мкм (1 мм). А именно, диаметр поперечного сечения пор может составлять от примерно 1 до примерно 800 мкм, точнее, от примерно 100 до примерно 600 мкм. В одном из преимущественных вариантов осуществления изобретения диаметр поперечного сечения пор может составлять от примерно 200 до примерно 500 мкм.

Композиционный материал может содержать от примерно 10 до примерно 45% об. пор и от примерно 55 до примерно 90% об. карбида кремния и силицидов тугоплавкого металла в целом относительно общего объема композиционного материала. В одном преимущественном варианте осуществления изобретения композиционный материал может содержать от примерно 15 до примерно 28% об. пор и от примерно 72 до примерно 85% об. карбида кремния и силицидов тугоплавкого металла в целом относительно общего объема композиционного материала.

В одном из вариантов осуществления изобретения композиционный материал не содержит иных кремния и углерода, кроме тех, которые присутствуют в фазах карбида кремния и силицида тугоплавкого металла, то есть карбид кремния и силицид тугоплавкого металла содержит 100 процентов количества углерода и 100 процентов количества кремния, присутствующих в композиционном материале. Например, композиционный материал может не содержать углеродных примесей или кремниевых примесей, которые не являются частью фазы карбида кремния или фазы силицида тугоплавкого металла.

Композиционный материал может характеризоваться низким удельным электрическим сопротивлением от примерно 0,000001 до примерно 0,5 Ом×см, то есть композиционный материал может характеризоваться улучшенной электропроводностью по сравнению с другими подобными композиционными материалами, такими как композиционные материалы на основе карбида кремния, содержащие силициды тугоплавкого металла. Без связи с какой-либо теорией полагают, что улучшенная электропроводность является следствием определенного отношения карбид кремния/силициды тугоплавкого металла, также как и определенных отношений дисилицидные фазы/трисилицидные фазы и определенного отношения вольфрам/молибден, описываемых в настоящем документе.

Такая улучшенная электропроводность является благоприятным свойством этого композиционного материала. Хотя данный композиционный материал может быть напаян твердым припоем, напаян мягким припоем, сплавлен и т.д. с основой, такой как металлическая основа, этот композиционный материал также может быть наварен непосредственно на металлическую основу без использования промежуточного слоя благодаря своей улучшенной электропроводности. При сваривании с основой композиционный материал непосредственно контактирует с основой, и на границе раздела между композиционным материалом и основой образуется сплав, который значительно снижает риск механического разрушения по сравнению с таким же композиционным материалом, который был напаян твердым припоем, мягким припоем или иным образом размещен на основе.

В одном из вариантов осуществления изобретения удельное электрическое сопротивление составляет от примерно 0,0001 до примерно 0,5 Ом×см. В одном из примеров осуществления изобретения удельное электрическое сопротивление составляет от примерно 0,001 до примерно 0,03 Ом×см.

Композиционный материал может быть изготовлен в соответствии с любой пригодной методикой, доступной специалистам в области производства таких композиционных материалов. Например, полой форме, содержащей карбид кремния, придают конфигурацию заданного изделия, затем форму заполняют силицидами тугоплавкого металла и спекают. Либо, в случае покрытий, покрытие может быть образовано путем сплавления составляющих композиционного материала с использованием такой методики, как электродуговое или электроискровое нанесение покрытий. Производство композиционных материалов описано в патентах США № 6589898 и 6770856.

Описанные в данном документе композиционные материалы могут быть приобретены в Институте физики твердого тела Российской академии наук, Черноголовка, Россия, под торговыми наименованиями REFSIC, REFSICOAT и REFSICUT. Наиболее эффективно использование материала REFSICUT.

Компонент системы сгорания, включающий данный композиционный материал, может представлять собой любой компонент, для которого предпочтительно наличие устойчивости к шлаку, золе, углю, термоударам, повышенной температуре, коррозии, эрозионному восстановлению, температурным градиентам и т.п. или их сочетаниям. К не имеющим ограничительного характера примерам таких компонентов относятся газогенератор, инжектор сырья газогенератора, форсунка инжектора, термопара газогенератора, глухой канал для термопары газогенератора, защитная оболочка газогенератора, корпус инжектора, змеевик охлаждения корпуса инжектора, экран инжектора сырья газификации, облицовка газогенератора, деталь радиационного теплообменника образующегося при газификации синтез-газа, деталь конвективного теплообменника образующегося при газификации синтез-газа, проставка дозирующего насоса, проставка дозирующего насоса для подачи сухого угля, опора дозирующего насоса для подачи сухого угля, рабочее колесо дозирующего насоса для подачи сухого угля, турбинная лопатка, лопасть турбины, сопло турбины, ротор турбины, диск турбины, лопатка турбины, статор турбины, бандаж колеса турбины, камера сгорания газотурбинной установки или их сочетание.

В одном из вариантов осуществления изобретения композиционный материал может быть произведен в виде слоя, пластины, кольца, блока и т.п. и затем размещен на детали системы сгорания топлива, которая подвергается неблагоприятному воздействию со стороны шлака, золы, угля, термоударов и т.п. В другом варианте осуществления изобретения деталь системы сгорания топлива, которая подвергается неблагоприятному воздействию со стороны шлака, золы, угля, термоударов и т.п., может быть полностью изготовлена из композиционного материала и введена в систему сгорания топлива как сменная деталь.

Кроме того, компонент системы сгорания, включающий композиционный материал, обладает повышенной износостойкостью и/или стойкостью к абразивному истиранию при повышенных температурах и может быть еще более эффективным, если он, помимо воздействия шлака, золы, угля, термоударов и т.п., подвергается абразивному истиранию и износу. Компонент системы сгорания, включающий композиционный материал, может иметь поверхность, отделанную шлифованием. В одном из вариантов осуществления изобретения компонент системы сгорания, включающий композиционный материал, имеет поверхность класса А чистоты обработки поверхности.

Одним из вариантов осуществления изобретения является способ предотвращения накопления отложения шлака, золы и угля на поверхности, включающий размещение на этой поверхности наружного слоя из композиционного материала, замену компонента с такой поверхностью компонентом, изготовленным из композиционного материала, или их сочетание, где композиционный материал содержит карбид кремния и силицид тугоплавкого металла, содержащий фазу, выбранную из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C, RmSi₂ и их сочетаний, где Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетаний; то есть композиционного материала, описанного выше. Этот композиционный материал может характеризоваться низким удельным электрическим сопротивлением от примерно 0,000001 до примерно 0,5 Ом×см. Этот компонент может иметь поверхность, отделанную шлифованием, и/или поверхность класса А чистоты обработки поверхности. Этот компонент может дополнительно обладать повышенной износостойкостью и/или стойкостью к абразивному истиранию при повышенных температурах.

Размещение, замена или их сочетание могут, помимо прочего, включать сварку композиционного материала с металлической основой, при этом композиционный материал непосредственно контактирует с металлической основой.

Металлическая основа может обусловливать указанную выше поверхность, деталь, находящуюся в непосредственном контакте с деталью, включающей указанную выше поверхность, или их сочетание.

Деталь, включающая указанную выше поверхность, может представлять собой газогенератор, инжектор сырья газогенератора, сопло инжектора, термопару газогенератора, глухой канал для термопары газогенератора, защитную оболочку газогенератора, корпус инжектора, змеевик охлаждения корпуса инжектора, экран инжектора сырья газификации, облицовку газогенератора, деталь радиационного теплообменника образующегося при газификации синтез-газа, деталь конвективного теплообменника образующегося при газификации синтез-газа, проставку дозирующего насоса, проставку дозирующего насоса для подачи сухого угля, опору дозирующего метрического насоса для подачи сухого угля, рабочее колесо дозирующего насоса для подачи сухого угля, турбинную лопатку, лопасть турбины, сопло турбины, ротор турбины, диск турбины, лопатку турбины, статор турбины, бандаж колеса турбины, камеру сгорания газотурбинной установки или их сочетание.

На примере IGCC, данный композиционный материал может быть нанесен на многочисленные поверхности, подверженные накоплению отложений шлака, золы и угля, или может быть использован как сменная деталь для замены многочисленных деталей, имеющих поверхности, подверженные накоплению отложений шлака, золы и угля. Фиг.1 представляет собой принципиальную схему примера системы сгорания, для которой может оказаться полезным введение данного композиционного материала. Пример системы сгорания представляет собой установку 50 для выработки электроэнергии с IGCC и не является исчерпывающим примером в отношении типа и конфигурации системы сгорания, на которой описываемый в настоящем документе композиционный материал может быть успешно использован с целью предотвращения вызванной воздействием шлака коррозии, а также накопления отложений шлака, золы, угля, предотвращения эрозии и последствий термоударов. Данный композиционный материал пригоден для любой системы сгорания, где возникают сложности из-за вызванной воздействием шлака коррозии, накопления отложений шлака, золы, угля, эрозии и термоударов. Пример установки 50 с IGCC, как правило, включает основной воздушный компрессор 52, узел 54 разделения воздуха, гидравлически соединенный с компрессором 52, газогенератор 56, гидравлически соединенный с узлом 54 разделения воздуха, газотурбинный двигатель 10, гидравлически соединенный с газогенератором 56, и паровую турбину 58. Внутренние стенки газогенератора, как правило, изготовлены из керамического материала.

Во время функционирования компрессор 52 сжимает окружающий воздух. Сжатый воздух направляют по каналу в узел 54 разделения воздуха. В некоторых вариантах осуществления изобретения помимо или в качестве альтернативы компрессору 52, в узел 54 разделения воздуха подают сжатый воздух из компрессора 12 газотурбинного двигателя. В узле 54 разделения воздуха сжатый воздух используется для получения кислорода, используемого в газогенераторе 56. Более конкретно, в узле 54 разделения воздуха сжатый воздух разделяется на отдельные потоки кислорода и побочного газообразного продукта, иногда именуемого "технологический газ". Технологический газ, образующийся в узле 54 разделения воздуха, содержит азот и далее именуется "технологический азот". Технологический азот также может содержать другие газы, такие как, помимо прочего, кислород и/или аргон. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения технологический азот содержит от примерно 95% до примерно 100% азота. Поток кислорода направляют в газогенератор 56, где он расходуется на образование частично окисленных газов, именуемых в настоящем документе "синтез-газ", который предназначен для использования в качестве топлива газотурбинным двигателем 10. На некоторых известных установках 50 с IGCC по меньшей мере часть потока технологического азота, побочного продукта узла 54 разделения воздуха, выбрасывают в атмосферу. Кроме того, на некоторых известных установках 50 с IGCC часть потока технологического азота инжектируют в зону горения (не показана) камеры сгорания 14 газотурбинного двигателя для облегчения регулирования выбросов двигателя 10, и более конкретно, для облегчения снижения температуры горения и снижения выброса оксидов азота двигателем 10. Установка 50 с IGCC может включать компрессор 60, предназначенный для сжатия технологического азота перед его инжектированием в зону горения.

В газогенераторе 56 смесь топлива, кислорода, подаваемого из узла 54 разделения воздуха, пара и/или известняка преобразуется в продукт - синтез-газ, используемый в качестве топлива газотурбинным двигателем 10. Хотя газогенератор может использовать любое топливо, на некоторых известных установках 50 с IGCC в газогенераторе 56 используют уголь, нефтяной кокс, кубовые остатки нефтепереработки, нефтяные эмульсии, битуминозные пески и/или другие подобные им виды топлива. На некоторых известных установках 50 с IGCC синтез-газ, вырабатываемый газогенератором 56, содержит диоксид углерода. Вырабатываемый газогенератором 56 синтез-газ затем пропускают через теплообменник 61 радиационного или конвективного типа, предназначенный для охлаждения синтез-газа, выходящего из газогенератора. Охлажденный синтез-газ может быть подвергнут очистке в устройстве очистки 62 перед подачей в камеру сгорания 14 газотурбинного двигателя с целью его сжигания. Диоксид углерода может быть отделен от синтез-газа во время очистки и, на некоторых известных установках 50 с IGCC, выпущен в атмосферу. Посредством энергии, вырабатываемой газотурбинным двигателем 10, приводится в действие генератор 64, который поставляет электроэнергию в энергосистему (не показана). Отходящие газы газотурбинного двигателя 10 направляют для снятия тепла в парогенератор 66, в котором образуется пар, приводящий в действие паровую турбину 58. Посредством энергии, вырабатываемой паровой турбиной 58, приводится в действие электрогенератор, поставляющий электроэнергию в энергосистему. На некоторых известных установках 50 с IGCC пар из теплоутилизационного парогенератора 66 подают в газогенератор 52 для получения синтез-газа.

В примере установки 50 с IGCC газогенератор 56 включает топливное сопло 70, вдающееся внутрь газогенератора 56. В топливном сопле 70 имеется наконечник 72 сопла, расположенный у дальнего конца 74 топливного сопла 70. В примере осуществления изобретения в топливном сопле 70 предусмотрена организация потока аммиака непосредственно около наконечника 72 сопла так, чтобы поток аммиака облегчал снижение температуры по меньшей мере части наконечника 72 сопла.

В примере осуществления изобретения установка 50 с IGCC включает отпарную колонну 76 конденсата синтез-газа, предназначенную для приема конденсата из потока синтез-газа, выходящего из газогенератора 56.

Композиционный материал может быть успешно использован главным образом для снижения и/или предотвращения накопления частиц шлака и/или золы. Например, композиционный материал может быть нанесен на внутренние поверхности газогенератора 56, топливных сопел 70, используемых для подачи топлива и/или кислорода в газогенератор, поверхности теплообменника 61 для крупногабаритных теплообменников, в которые поступает горячий (1650°С) синтез-газ, выходящий из газогенератора, и которые используют для снятия тепла и охлаждения синтез-газа перед его очисткой и т.п. В альтернативном варианте перечисленные детали могут быть полностью изготовлены из композиционного материала. Преимущества этого композиционного материала для поверхностей теплообменников заключаются, прежде всего, в замедлении образования отложений; применяемый в форсунках композиционный материал способствует снижению и/или предотвращению шлаковой коррозии или налипания. В результате химическое воздействие со стороны расплавленного шлака, стекол, керамической золы и т.п. ограничивается, теплопередача через металлические поверхности теплообменников повышается, закупоривание отверстий или каналов предотвращается.

В одном из вариантов осуществления изобретения форсунка, газогенератор, инжектор и т.п., включающие композиционный материал, пригодны для функционирования без применения охлаждающего оборудования.

Коммерческие выгоды многочисленны; это продление срока службы деталей в атмосфере горения, предотвращение налипания и накопления отложений на поверхностях, контактирующих с содержащими золу газообразными продуктами горения, снижение химической активности поверхностей деталей, подвергающихся воздействию расплавленного шлака, повышение эффективности теплопередающих поверхностей теплообменников для потоков газообразных продуктов горения и т.п.

Далее изобретение пояснено следующими не имеющими ограничительного характера примерами.

Сравнительный пример

В данном примере кусок шлака поместили на основу, состоящую из карбида кремния, и на основу, состоящую из карбида кремния, силицида тугоплавкого металла и угля в форме графита, затем нагрели в высокотемпературной вакуумной электропечи до расплавления. На фиг.2 представлен расплав шлака, смачивающий первую основу, которая вступает в реакцию со шлаком. Угол смачивания составляет примерно 50°. На фиг.3 представлен расплав шлака, смачивающий вторую основу, которая также вступает в реакцию со шлаком. Угол смачивания составляет примерно 35°.

Пример

В данном примере кусок шлака поместили на основу, содержащую композиционный материал. На фиг.4 показано отсутствие смачивания композиционного материала расплавленным шлаком, который, напротив, образует каплю, что указывает на отсутствие смачивания и отсутствие реакции. Угол контакта превышает 90° по отношению к поверхности основы и составляет около 100°.

В данном описании используются фигуры и примеры для раскрытия настоящего изобретения, включая наилучший вариант его осуществления, а также для того, чтобы любой специалист в данной области мог реализовать и использовать настоящее изобретение. Патентоспособный объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, с которыми могут столкнуться специалисты в данной области. Подразумевается, что аналогичные примеры входят в объем формулы изобретения, если их составляющие элементы не отличаются от точных формулировок формулы изобретения или если они включают эквивалентные составляющие элементы, несущественно отличающиеся от точных формулировок формулы изобретения.

Все цитируемые патенты, патентные заявки и другие ссылочные материалы включаются в настоящий документ путем ссылки во всей их полноте, если не указано иное. Однако, если термин в настоящей заявке противоречит или не совпадает с термином включенного в качестве ссылки документа, термин настоящей заявки имеет преимущественную силу над противоречащим термином включенного в качестве ссылки документа.

Все указанные диапазоны включают конечные точки, эти конечные точки автономно комбинируются друг с другом. Кроме того, ясно, что раскрытие какого-либо диапазона представляет собой специальное раскрытие всех диапазонов, образуемых любой парой любого верхнего предела диапазона и любого нижнего предела диапазона внутри данного диапазона независимо от того, являются ли диапазоны раскрытыми по отдельности. Не подразумевается, что объем настоящего изобретения ограничивается конкретными величинами, приводимыми при определении какого-либо диапазона.

Следует отметить, что в настоящем документе термины "первый", "второй" и т.д. не означают какого-либо порядка, количества или степени важности, напротив, они использованы, чтобы отличить один элемент от другого. Количественное значение, модифицированное словом "примерно", включает объявленную величину и имеет значение, диктуемое контекстом (например, включает ошибку, вносимую при измерении конкретного количества).

Изобретение относится к компонентам высокотемпературных систем сгорания с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Предложены варианты компонента системы сгорания, содержащего композиционный материал и металлическую основу, где композиционный материал содержит карбид кремния и силицид тугоплавкого металла, содержащий фазу, выбранную из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C, RmSi₂ и их сочетаний (Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетания). Предложен также способ предотвращения накопления шлака, золы и угля на поверхности, включающий размещение на этой поверхности наружного слоя из указанного композиционного материала. Технический результат - предложенные компоненты системы сгорания в высокой степени устойчивы к химическому воздействию со стороны шлака, термоударам и усталостному разрушению, кислотной коррозии и воздействию восстановительных сред. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 пр.

1. Компонент, используемый в системе сгорания, содержащий композиционный материал и металлическую основу, где композиционный материал содержит
карбид кремния; и
силицид тугоплавкого металла, содержащий фазу, выбранную из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C, RmSi₂ и их сочетаний;
где Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетания, и
где композиционный материал сваривается с металлической основой и непосредственно контактирует с ней.

2. Компонент системы сгорания по п.1, в котором композиционный материал содержит от примерно 75 до примерно 98% об. карбида кремния, где объемные проценты даны относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла.

3. Компонент системы сгорания по п.1, в котором композиционный материал содержит от примерно 2 до примерно 25% об. силицида тугоплавкого металла, где объемные проценты даны относительно общего объема карбида кремния и силицида тугоплавкого металла.

4. Компонент системы сгорания по п.1, в котором силицид тугоплавкого металла содержит
от примерно 0 до примерно 97% вес. молибдена и
от примерно 3 до примерно 100% вес. вольфрама;
где весовые проценты даны относительно общего веса молибдена и вольфрама.

5. Компонент системы сгорания по п.1, в котором композиционный материал дополнительно содержит поры.

6. Компонент системы сгорания по п.5, в котором композиционный материал содержит от примерно 10 до примерно 45% об. пор и от примерно 55 до примерно 90% об. карбида кремния и силицида тугоплавкого металла, где объемные проценты даны относительно общего объема композиционного материала.

7. Компонент системы сгорания по п.1, в котором композиционный материал дополнительно содержит рений, тантал, ниобий, титан, цирконий, гафний, ванадий, хром, железо, никель, кобальт или их сочетание.

8. Компонент системы сгорания по п.1, в котором композиционный материал дополнительно содержит от примерно 0,01 до примерно 2% вес. железа относительно общего веса молибдена и вольфрама.

9. Компонент системы сгорания по п.1, в котором композиционный материал характеризуется удельным электрическим сопротивлением от примерно 0,000001 до примерно 0,5 Ом×см.

10. Компонент системы сгорания по п.1, в котором карбид кремния и силицид тугоплавкого металла содержат 100% количества углерода и 100% количества кремния, присутствующих в композиционном материале.

11. Компонент системы сгорания по п.1, который состоит из композиционного материала.

12. Компонент системы сгорания по п.1, где компонент представляет собой газогенератор, инжектор сырья газогенератора, сопло инжектора, термопару газогенератора, глухой канал для термопары газогенератора, защитную оболочку термопары газогенератора, корпус инжектора, змеевик охлаждения корпуса инжектора, экран инжектора сырья газификации, облицовку газогенератора, деталь радиационного теплообменника образующегося при газификации синтез-газа, деталь конвективного теплообменника образующегося при газификации синтез-газа, проставку дозирующего насоса, проставку дозирующего насоса для подачи сухого угля, опору дозирующего метрического насоса для подачи сухого угля, рабочее колесо дозирующего насоса для подачи сухого угля, турбинную лопатку, лопасть турбины, сопло турбины, ротор турбины, диск турбины, лопатку турбины, статор турбины, бандаж колеса турбины, камеру сгорания газотурбинной установки или их сочетание.

13. Компонент, используемый в системе сгорания, содержащий композиционный материал и металлическую основу, где композиционный материал содержит
от примерно 50 до примерно 85% об. карбида кремния;
от примерно 4,9 до примерно 25% об. фазы силицида тугоплавкого металла, выбранного из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C и их сочетаний;
от примерно 0,1 до примерно 20% об. фазы силицида тугоплавкого металла, выбранного из RmSi₂;
от примерно 10 до примерно 45% об. пор;
где объемные проценты даны относительно общего объема композиционного материала;
где Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетания;
где композиционный материал содержит от примерно 45 до примерно 80% вес. молибдена и от примерно 20 до примерно 55% вес. вольфрама;
где композиционный материал дополнительно содержит от примерно 0 до примерно 2% вес. железа;
где весовые проценты даны относительно общего веса молибдена и вольфрама, и
где композиционный материал сваривается с металлической основой и непосредственно контактирует с ней.

14. Компонент системы сгорания по п.13, в котором композиционный материал характеризуется удельным электрическим сопротивлением от примерно 0,000001 до примерно 0,5 Ом×см.

15. Способ предотвращения накопления шлака, золы и угля на поверхности, включающий
размещение композиционного материала на поверхности;
замену компонента на компонент, включающий поверхность с композиционным материалом; или
их сочетание;
где композиционный материал содержит карбид кремния; и
силицид тугоплавкого металла, содержащий фазу, выбранную из Rm₅Si₃, Rm₅Si₃C, RmSi₂ и их сочетаний;
где Rm означает тугоплавкий металл, выбранный из молибдена, вольфрама и их сочетания, и
где размещение, замена или их сочетание включает сварку композиционного материала с металлической основой и дополнительно композиционный материал непосредственно контактирует с металлической основой.

16. Способ по п.15, в котором размещение, замена или их сочетание включает сварку, пайку твердым припоем, сплавление, электродуговую обработку, электроискровую обработку или их сочетание.

17. Способ по п.15, в котором композиционный материал характеризуется удельным электрическим сопротивлением от примерно 0,000001 до примерно 0,5 Ом×см.

18. Способ по п.15, в котором металлическая основа определяет указанную поверхность, компонент, находящийся в непосредственном контакте с компонентом, включающим указанную поверхность, или их сочетание.

19. Способ по п.15, в котором компонент включает указанную поверхность и в котором компонент представляет собой газогенератор, инжектор сырья газогенератора, сопло инжектора, термопару газогенератора, глухой канал для термопары газогенератора, защитную оболочку термопары газогенератора, корпус инжектора, змеевик охлаждения корпуса инжектора, экран инжектора сырья газификации, облицовку газогенератора, деталь радиационного теплообменника образующегося при газификации синтез-газа, деталь конвективного теплообменника образующегося при газификации синтез-газа, проставку дозирующего насоса, проставку дозирующего насоса для подачи сухого угля, опору дозирующего метрического насоса для подачи сухого угля, рабочее колесо дозирующего насоса для подачи сухого угля, турбинную лопатку, лопасть турбины, сопло турбины, ротор турбины, диск турбины, лопатку турбины, статор турбины, бандаж колеса турбины, камеру сгорания газотурбинной установки или их сочетание.