(57)【要約】合成ガス発生装置のバーナー遮熱体の保護方法はバーナー遮熱体を、式ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される）のオーバーレイ合金皮膜組成物で被覆することを含む。好ましい態様に於いて、この皮膜は、約２０〜４０重量％のＣｏ、５〜３５重量％のＣｒ、５〜１０重量％のＴａ、０．８〜１０重量％のＡｌ、０．５〜０．８重量％のＹ、１〜５重量％のＳｉ及び５〜１５重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成ガス発生装置のバーナー遮熱体を、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される）を含むオーバーレイ合金皮膜組成物で被覆することを含んでなるバーナー遮熱体の保護方法。
【請求項２】
前記皮膜が０．００５〜０．０１５インチ（０．１２７〜０．３８１ｍｍ）の厚さを有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
遮熱体が窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア系セラミックス、モリブデン、タングステン及びタンタルからなる群から選択される、高熱伝導度係数の材料を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
遮熱体がモリブデンを含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記皮膜が２０〜４０重量％のＣｏ、５〜３５重量％のＣｒ、５〜１０重量％のＴａ、０．８〜１０重量％のＡｌ、０．５〜０．８重量％のＹ、１〜５重量％のＳｉ及び５〜１５重量％のＡｌ２Ｏ３を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
合成ガス発生装置のバーナー遮熱体を、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍはコバルトである）を含むオーバーレイ合金皮膜組成物で被覆することを含んでなるバーナー遮熱体の保護方法。
【請求項７】
合成ガス発生装置のバーナー遮熱体を、２０〜４０重量％のＣｏ、５〜３５重量％のＣｒ、５〜１０重量％のＴａ、０．８〜１０重量％のＡｌ、０．５〜０．８重量％のＹ、１〜５重量％のＳｉ及び５〜１５重量％のＡｌ２Ｏ３を有するＭＣｒＡｌＹから本質的になるオーバーレイ合金皮膜組成物で被覆することを含んでなるバーナー遮熱体の保護方法。
【請求項８】
前記皮膜が０．００２〜０．０２０インチ（０．０５ｍｍ〜０．５０８ｍｍ）の厚さを有する請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、水及び酸素の存在下に、化石燃料源の燃焼から一酸化炭素、二酸化炭素及び水素の部分酸化合成ガスを発生させる装置に関する。特に、本発明は、燃料注入バーナーアセンブリに使用される遮蔽（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）装置のための皮膜に関する。
【０００２】
発明の背景
一酸化炭素及び水素を含む合成ガス混合物は、水素化反応のための水素のようなガス状供給原料源として及び炭化水素、酸素含有有機化合物又はアンモニアの合成用の供給ガス源として、商業的に重要である。
【０００３】
一般的に、合成ガス運転に於いて、微細に粒子化した石炭及び水のポンプ輸送可能なスラリーから主としてなる燃料流は、酸化剤と共に、合成ガス発生装置の耐火物内張燃焼室の中に噴霧される。酸化剤ガスには、石炭の燃焼反応を維持するための、実質的量の遊離酸素が含有されている。燃料及び酸化剤の燃焼反応成分は、かなり高い圧力、典型的には約８０バールの圧力下に、合成ガス燃焼室の中に噴霧される。熱ガス流は、燃焼室内で、約７００℃〜約２５００℃の範囲内の温度及び約１〜約３００気圧、更に特定すれば約１０〜約１００気圧の範囲内の圧力で製造される。ガス発生装置からの流出未原ガス流は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素のようなガスを含んでおり、燃料源及び反応条件に依存して、メタン、硫化水素及び窒素のような他のガスを含むことができる。
【０００４】
一酸化炭素、二酸化炭素及び水素を製造するための、酸素富化空気又は比較的純粋の酸素による、石炭のような硫黄含有炭化水素燃料の部分燃焼は、バーナー技術に於いて通常遭遇しない独特の問題を起こす。例えば、反応剤の非常に迅速で且つ完全な混合を実施すること及びバーナー又は混合機を過熱から保護するための特別の予防措置をとることが必要である。典型的には、燃焼室を作動させる燃料注入ノズルは、ノズルの軸芯に沿った第一の酸化剤ガス流を同心円的に取り囲むスラリー燃料流を有するように配置されている。第二の酸化剤ガス流は、より大きい実質的に同心円の環として、燃料流環を取り囲む。外側酸化剤ガスチャンネルの放射状に取り囲む外壁は、ノズル排出軸に対して実質的に垂直である平面内に整列された実質的に平らな端面のヒートシンクで終わる環状冷却水ジャケットである。冷水は、燃焼室の外側から、伝導熱取り出しのためのヒートシンク端面の裏側と直接接触状態になるように、導びかれる。
【０００５】
酸素及び硫黄汚染物質のバーナー金属との反応性のために、バーナー要素が、急速な酸化及び腐食が起こる温度に達するのを防止することは回避できない。これに関して、炭化水素と酸素との間の反応が完全にバーナー自体の外側で起こり、バーナー要素の表面での又はその付近での燃焼性混合物の局在化濃縮を防止することが必須である。バーナーからの放出の点を越えて反応が起こっても、バーナー要素は、燃焼帯域からの輻射線により及び燃焼ガスの乱流再循環により加熱に曝される。
【０００６】
更に、再循環ガス流とノズル放出流との合流により、非常に腐食性の硫黄化合物を含む熱い乱流燃焼生成物の移動しない渦が発生すると信じられる。これらの熱い腐食性化合物は、乱流方式でノズル排出オリフィスを取り囲み、合流点で遮熱体表面を摩擦する。
【０００７】
これら及びその他の理由のために、先行技術のバーナーは、これらの要素が水冷されているときでも、反応剤がより予備混合され、延焼の速度を越えた流速でバーナーから放出される場合でも、バーナー先端の周りの金属腐食に起因する破損によって特徴付けられる。
【０００８】
インゼクターノズルへのこれらの有害な影響を改善するための努力が開示されている。例えば、特許文献１には、複数のセラミックタイルを有し、それぞれが、ノズルの周りの環状物の各弧状セグメントの端面を覆っている遮熱体が開示されている。このタイルは、個々の要素として耐火性セラミック又は他の高融点材料から形成されている。個々のタイルは、高温度ろう付化合物によって冷却剤ジャケット端面に固定されている。
【０００９】
特許文献２には、インゼクターノズルの水ジャケット端面の上に機械的に固定されたセラミック遮熱体が開示されている。この遮熱体は、ノズルオリフィスの周りの一体化リング又は環として構成されている。この遮熱体の外側面は、実質的に平滑で、遮断されておらず、反応ガスとの最小の接触及び反応的組合せのための減少した機会を与える。遮熱体の内面、即ち、水ジャケット端面に近接している側には、複数個のソケット対が含まれており、この各対は、遮熱体環の周りに半径方向整列になっている。差し込み溝は、遮熱体の外周から、外側遮熱体表面と内側遮熱体表面との間で且つそれらに対して平行に、そして各ソケット対を通って延びている。対応する数の装着植え込みボルトが、水ジャケット端面から突き出ている。植え込みボルトは、ソケットと位置合わせ状態になるように適切に配置されている。各植え込みボルトには、それぞれの差し込み溝穴に対して軸方向に整列するアパーチャーが含まれている。遮熱体が水ジャケット端面に対する位置にあり、端面植え込みボルトが遮熱体ソケットを貫通して、差し込みワイヤーが、放射状溝穴に沿って挿入され、遮熱体を水ジャケット端面に複数の結合点で固定している。
【００１０】
特許文献３には、一対のリングを有する遮熱体が開示されており、この場合、各リングは、全水ジャケット面環の放射状部分のみに対面するか又はこれを遮蔽するノズル軸の周りの全環である。内側リングは、ノズル軸の周りのメッシング（ｍｅｓｈｉｎｇ）セグメントによって金属ノズル構造物に機械的に固定されている。これらのセグメントの外部要素（ラグ）は、ノズルリップの外側コーン表面からの一体の突起である。外部コーンリップから突き出ている３個のラグのそれぞれは、独立リングフィンの弧状部分である。内側遮熱体リングの内周は、それぞれの外部ラグ要素を受け取り、通すための、壁内の対応する数のカットを有する溝で構成されている。組み立てたとき、内側遮熱体リングは、内側リングの外周内のノッチ内で、ノズル冷却ジャケット面に適用されている金属のスポット溶接したロッドによって回転に対して固定されている。更に、内側遮熱体リングの外周は、外側遮熱体リングの内周上の対応するステップレッジ（ｓｔｅｐ ｌｅｄｇｅ）又はラップに重なっている、ほぼ半分の厚さのステップレッジ又はラップで構成されている。外側遮熱体リングは、水ジャケット面の外周から突き出ている外部ラグ要素の第二の組によって、水ジャケット面に固定されている。外部遮熱体リングの周囲の周りのカフブラケット（ｃｕｆｆ ｂｒａｃｋｅｔ）は、水ジャケットラグの外側の組を受け取るための構造溝を提供する。外側遮熱体リングは、また、仮付け溶接されたロッド又はバーによって所定の位置に保持されている。
【００１１】
特許文献４には、モザイク表面被覆方法で互いに隣接して配置された個々のセラミック小板を有する遮蔽バーナー被覆が開示されている。
【００１２】
特許文献５には、ノズル出口に隣接する下流端で燃料インゼクターノズルと組み合わさっている環状耐火物インサートが開示されている。燃料インゼクターノズルの下流端に形成された凹部は、この環状耐火物インサートに適合している。
【００１３】
最近見出された上記の遮蔽装置の問題点は、遮蔽装置がモリブデンのような耐熱性金属から構成されている場合に、遮蔽装置が、合成ガス発生室の温度になる期間に付随する異常に高い酸化劣化速度の影響を受けることである。典型的には、バーナーアセンブリは、約６００℃よりも高い温度で、酸素の比較的高い濃度に曝される。この金属の酸化劣化は、遮蔽装置の破損に至り、バーナーアセンブリの早すぎる破損になり得る。
【００１４】
従って、先行技術の装置の欠点を越えた改良であり、構成が簡単で且つ運転が経済的である、合成ガス発生用の遮熱バーナーについてのニーズがなお存在している。
【００１５】
【特許文献１】
米国特許第５，９３４，２０６号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，９５４，４９１号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，９４７，７１６号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，２７３，２１２号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，９４１，４５９号明細書
【００１６】
発明の要約
簡潔に言えば、本発明は、合成ガス発生装置のバーナー遮熱体を保護する方法である。バーナーノズルを保護するために使用される遮熱体は、酸化及び高温度環境が存在する始動の間に、それ自体有利に保護される。本発明に従って、遮熱体は、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される）を含むオーバーレイ合金組成物で被覆される。
【００１７】
簡潔に言えば、本発明は、従来の合成ガスバーナーノズル遮蔽装置の改良である。本発明のバーナーノズルアセンブリは、流体状炭素質燃料及び酸素含有流を、合成ガス発生室中へ流すためのバーナー出口を有し、バーナー出口を同心的に取り囲む冷却室を含む。冷却室は、合成ガス発生室の方に向けて配置された平らな端面を有する環状ヒートシンクを含む。この環状端面は、一般的に、ノズル放出軸に対して実質的に垂直である平面内に整列されている。冷水は、燃焼室の外から、伝導熱抜出用のヒートシンク端面の裏側と直接接触状態になるように循環する。ノズルアセンブリは、ヒートシンクの環状表面に隣接する、好ましくはその表面と接触状態にある一つの表面を有する内側表面を有する遮熱体を含む。遮熱体は、合成ガス発生室に向けて配置された外側表面を有する。遮熱体をバーナーノズルアセンブリに、ヒートシンクの環状表面と遮熱体の内側表面との間の緊密な接触が容易に行なわれるように固定するために、ねじ込み保持手段を使用する。
【００１８】
本発明の目的は、構成が単純で運転が経済的である、合成ガス発生のために使用するバーナーアセンブリ用の保護された遮熱体を提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、より大きい運転寿命を期待できる合成ガス発生バーナーノズル遮蔽体を提供することである。
【００２０】
本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、以下の説明及び添付する図面（図面中、類似の部品は同様の参照番号を有する）を考慮して、当業者に一層明らかになるであろう。本発明の概念は、本明細書に開示された構成に限定されると考えるべきではなく、その代わりに付属する請求の範囲によって限定されることはいうまでもない。
【００２１】
発明の詳細な説明
図１を参照するに、合成ガス発生容器１０の部分切断図が示されている。容器１０には、取り囲まれた燃焼室１６の周りの、構造的シェル１２及び内部耐火物ライナー１４が含まれている。シェル壁から外側に突き出て、反応器容器内で細長い燃料注入バーナーアセンブリ２０を支持するための、バーナー装着ネック１８が存在している。バーナーアセンブリ２０は、バーナーの面２２が、耐火物ライナー１４の内側表面と実質的に同一平面になるように、整列され、位置決めされている。バーナー装着フランジ２４によって、バーナーアセンブリ２０が運転の間に突き出るのを防止するために、バーナーアセンブリ２０が容器１０の装着ネックフランジ１９に固定されている。
【００２２】
如何なる理論によっても結びつけられることを望まないが、図１及び２は、燃焼室内の内部ガス循環パターンを部分的に示していると信じる。ガス流方向矢印２６は、燃焼室１６内の高温度及び燃焼条件によって駆動される。燃料及び誘導反応速度に依存して、反応コア２８に沿った温度は、２５００℃のように高く達するであろう。反応ガスが、合成ガス発生室１６の端部の方に冷却されるとき、ガスの大部分は、米国特許第２，８０９，１０４号によって記載された合成ガス方法のものと同様に、急冷室の中に引き込まれる。しかしながら、少ない割合のガスは、コア２８から半径方向に広がり、反応室包囲壁を冷却する。再循環ガス層は、反応室の上部中心の方に上方に押され、そこで、これは燃焼塔の下向き乱流の中に引き込まれる。図２の先行技術モデルについては、再循環ガスと高速度コア２８との合流で、環状乱流２９が生じ、これは、バーナーヘッド面２２を乱流的に摩擦し、それによって、バーナーヘッド面材料と燃焼生成物再循環流中に運ばれる高度に反応性で腐食性の化合物との間の化学反応性のための機会が増大される。
【００２３】
図１及び３を参照するに、バーナーアセンブリ２０は、３個の同心ノズルシェル及び１個の外側冷却水ジャケット６０からなるインゼクターノズルアセンブリ３０を含む。内部ノズルシェル３２は、軸穴開口３３から、上部アセンブリ軸導管４２に沿って供給される酸化剤ガスを放出する。中間ノズルシェル３４は、上部アセンブリポート４４に供給される石炭スラリーを、燃焼室１６の中に案内する。この石炭スラリーは、流動化された固体として、内部シェル壁３２と中間シェル壁３４とによって規定される環状空間３６から押し出される。外側酸化剤ガスノズルシェル４６は、外側ノズル放出環４８を取り囲んでいる。上部アセンブリポート４５は、外側ノズル放出環に追加の酸化ガスの流れを生ずる。
【００２４】
中心化フィン５０及び５２は、それぞれ、内側及び中間ノズルシェル壁３２及び３４の外側表面から横方向に伸びて、それらのそれぞれのシェルを、バーナーアセンブリ２０の縦軸に対して同軸で集中するように保持している。フィン５０及び５２の構造は、内側及び中間シェルの周りで断続的帯域を形成し、それぞれの環状空間内の流体流れに小さい抵抗を与えることが理解されるであろう。
【００２５】
米国特許第４，５０２，６３３号（その全開示を、参照して本明細書に含める）に一層詳細に記載されているように、内部ノズルシェル３２及び中間ノズルシェル３４は、共に、流れ容量変化の目的のために、外側ノズルシェル４６に対して軸方向に調節可能である。中間ノズル３４が外側ノズル４６の円錐形に先細りになっている内側表面から軸方向に移動するとき、外側放出環４８は拡大して、より大きい酸素ガス流量を可能にする。同様に、内側ノズル３２の外側先細り表面が、中間ノズル３４の内側に円錐形の表面の方に軸方向で下がったとき、石炭スラリー放出面積３６が減少する。
【００２６】
外側ノズルシェル４６を取り囲んで、環状末端閉止部６２を有する冷却剤流体ジャケット６０が存在している。冷却剤流体導管６４によって、水のような冷却剤が、上部アセンブリ供給ポート５４から、末端閉止板６２の内側表面に直接供給される。流れ輸送邪魔板６６によって、外側ノズルシェルの周りの冷却剤流れの経路が制御され、実質的に均一な熱抽出が確保され、冷却剤が筋状に流れ、局在化したホットスポットを作ることが防止される。末端閉止部６２は、反応材料を注入バーナーアセンブリ２０の中に供給するための出口オリフィス又は放出開口を規定するノズルリップ７０を含む。
【００２７】
特に図３を参照するに、冷却ジャケットの平面状端部６２は、燃焼室１６に対面して配置されている環状表面７２を含む。典型的には、冷却ジャケットの環状表面７２は、コバルト系金属合金材料から構成されている。この材料に伴う問題点は、高硫黄石炭を使用したときに、これが密閉された燃焼室内で反応して硫黄含有化合物を生成することである。反応室１６内で、これらの硫黄化合物は、コバルトベースの金属合金材料と反応して、腐食を起こす傾向がある。自己消費性腐食は、最終的に、バーナーアセンブリ２０の破損につながる。コバルトはノズルアセンブリ３０のための好ましい構成材料であるが、モリブデン又はタンタルのような、他の高温度融点合金を使用することもできる。
【００２８】
保持手段７４は、遮熱体７６をバーナーノズルインゼクターアセンブリ３０に、好ましくは、環状表面７２に固定するために設けられている。保持手段７４には、遮熱体７６を有利に、好ましくは、冷却剤ジャケット環状表面７２との緊密な接触状態で保持する、複数の方法及び装置が含まれてよい。例えば、保持手段には、環状表面７２と一体であるねじ込み突起が含まれてよく又はこれは環状表面７２に固定された別個の部材であってよい。突起７４は、溶接する、ねじ止めする、ろう付するなどのような、当業者に公知の方法を使用して、環状表面７２に固定することができる。環状表面７２から伸びたねじ込み突起７４は、リングのような連続部材又は複数個の間隔をあけて離れた個別の部材、好ましくは円筒形又は三日月形状であるものであってよい。このような保持手段は、本件特許出願と同日に出願された共通の所有者の米国特許出願に一層詳細に記載されている。
【００２９】
また、保持手段には、複数個の、遮熱体内の協同的に整列された溝を受け入れるように適合されている外部ラグ要素が含まれてよい。このような設計は、米国特許第５，９４７，７１６号に記載されている。
【００３０】
保持手段の他の適合物は、遮熱体の外周からソケット対を通して半径方向に貫通している差し込み溝である。対応する数の装着植え込みボルトが、水ジャケット端面に固定されている。各植え込みボルトには、それぞれの差し込み溝に対して軸方向に整列するアパーチャーが含まれている。遮熱体を水ジャケットに固定するために、差し込みワイヤーが、放射状溝を通して挿入され、遮熱体を水ジャケットに複数の結合点で固定している。このような設計は、米国特許第５，９５４，４９１号に記載されている。
【００３１】
本明細書で引用した文献は、その全部を本発明の開示の中に含有させ、その一部をなすことが理解される。
【００３２】
遮熱体７６は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア、モリブデン、タングステン又はタンタルのような高温度融点材料から形成されている。代表的な特許材料には、コロラド州ゴールデン（Ｇｏｌｄｅｎ）のクアーズ社（Ｃｏｏｒｓ Ｃｏｒｐ．）の、ジルコニアＴＺＰ及びジルコニアＺＤＹ製品が含まれる。特徴的に、これらの高温度材料は、約１４００℃以下の温度に耐え、高い熱伝導係数を含み、そして高温度の高度に還元／硫化環境中で実質的に不活性のままである。好ましくは、遮熱体にはモリブデンが含まれる。
【００３３】
本発明に従って、遮熱体７６には、高温度耐腐食性皮膜７８が含まれる。皮膜７８は、燃焼室に対面している遮熱体７６の表面に、約０．００２〜約０．０２０インチ（０．０５ｍｍ〜約０．５０８ｍｍ）、好ましくは、約０．００５〜約０．０１５インチ（０．１２７〜約０．３８１ｍｍ）の厚さまで適用される。遮熱体７６への皮膜７８の適用を助けるために、ノズルリップ７０に隣接する遮熱体の部分は、約０．００１インチ〜約０．５０インチ（０．０２５４ｍｍ〜約１２．７ｍｍ）の小さい半径を有する。
【００３４】
皮膜７８は、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、ニッケル又はコバルトから選択される）の一般式を有する合金である。望ましくは、この皮膜組成物には、約５〜４０重量％のＣｒ、０．８〜３５重量％のＡｌ、約１重量％以下の希土類元素イットリウム及び１５〜２５重量％のＣｏが含まれ、残りには、合金化成分としてのＮｉ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｒｈ及びこれらの混合物が含まれる。好ましい合金には、約２０〜４０重量％のＣｏ、５〜３５重量％のＣｒ、５〜１０重量％のＴａ、０．８〜１０重量％のＡｌ、０．５〜０．８重量％のＹ、１〜５重量％のＳｉ及び５〜１５重量％のＡｌ２Ｏ３が含有されている。このような皮膜は、プラクスエアー社（Ｐｒａｘａｉｒ）から入手できる。
【００３５】
皮膜は、粉末塗料技術分野の当業者に公知である種々の方法を使用して、遮熱体の表面に適用することができる。例えば、皮膜は、プラズマスプレー方法により微細な粉末として適用することができる。皮膜材料を適用する特別の方法は、高密度の均一な連続接着皮膜が達成される限り、特に重要ではない。スパッタリング又は電子ビームのような他の皮膜析出技術を使用することもできる。
【００３６】
本発明を詳細に説明したことによって、当業者は、本明細書に開示され、記載された本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、本発明の種々の面に対して修正を行うことができることを認めるであろう。それで、本発明の範囲は、例示され、説明された特別の態様に限定されることは意図されず、本発明の範囲は付属する請求の範囲及びそれらの均等物によって決定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は合成ガス発生燃焼室及びバーナーの部分断面図である。
【図２】
図２はバーナーノズル面での燃焼室ガス動力学の詳細である。
【図３】
図３は遮熱体が取り付けられた、図１のバーナーノズルの断面図であり、本発明に従って、この遮熱体は、遮熱体の燃焼室表面を被覆する保護皮膜を含む。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004516336.tif 000018
【国際調査報告】
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2004516336.tif 000020