(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼チャンバ中に流体を注入するガス化フィードインジェクタ及びこのようなインジェクタの鋳造表面を改質して耐疲労性を向上する方法を提供する。【解決手段】一実施形態では、燃焼チャンバ中に流体を注入するフィードインジェクタの内部流路を画定するノズル２０の表面、特にノズル２０の先端１１０近傍を熱機械的に改質して表面近傍により微細な結晶粒を形成させることで、鋳造表面を一層耐疲労クラック性としている。改質された鋳造表面はＡＳＴＭ粒度番号約２〜約９となることが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼チャンバ中に流体を注入するフィードインジェクタであって、内部流路を画定するノズルを備え、ノズルの鋳造表面がＡＳＴＭ粒度番号約２〜約９になるように改質されている、フィードインジェクタ。
【請求項２】
ＡＳＴＭ粒度番号が約３〜約８である、請求項１記載のフィードインジェクタ。
【請求項３】
ＡＳＴＭ粒度番号が約６〜約８である、請求項２記載のフィードインジェクタ。
【請求項４】
ＡＳＴＭ粒度番号が約５〜約６である、請求項２記載のフィードインジェクタ。
【請求項５】
鋳造表面がショット強度約８Ａ〜約２０Ａで鋳造表面にショットピーニングを行うことにより形成したくぼみを有する、請求項１記載のフィードインジェクタ。
【請求項６】
前記くぼみが鋳造表面の約１００％〜約２００％のショットカバレージで形成された、請求項５記載のフィードインジェクタ。
【請求項７】
改質鋳造表面がノズルの先端近傍に位置する、請求項１記載のフィードインジェクタ。
【請求項８】
改質鋳造表面が金属又は金属合金を含む、請求項１記載のフィードインジェクタ。
【請求項９】
請求項１記載のフィードインジェクタ及び燃焼チャンバを備え、前記フィードインジェクタが燃焼チャンバに燃料と含酸素ガスを送るように構成されている、
ガス化装置。
【請求項１０】
フィードインジェクタの鋳造表面にピーニングを行い、鋳造表面のＡＳＴＭ粒度番号が約２〜約９になるのに有効な温度に鋳造表面を加熱する工程を含む、
フィードインジェクタの鋳造表面の改質方法。
【請求項１１】
ＡＳＴＭ粒度番号が約３〜約８である、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
ＡＳＴＭ粒度番号が約６〜約８である、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
ＡＳＴＭ粒度番号が約５〜約６である、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
改質鋳造表面が金属又は金属合金を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
前記ピーニング工程で、ショット強度約８Ａ〜約２０Ａでショットピーニングを行う、請求項１０記載の方法。
【請求項１６】
前記ピーニング工程で、鋳造表面の約１００％〜約２００％のショットカバレージを用いてショットピーニングを行う、請求項１０記載の方法。
【請求項１７】
前記ピーニング工程で、鋳造金属ショット、鋳鋼ショット、ステンレス鋳鋼ショット、セラミックショット、ガラスショット、カットワイヤショット又はこれらの１つ以上の組合せを用いてショットピーニングを行う、請求項１０記載の方法。
【請求項１８】
前記温度が約１７５０°Ｆ〜約２１５０°Ｆである、請求項１０記載の方法。
【請求項１９】
鋳造表面を前記温度に約２０分間〜約１００分間加熱する、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
改質鋳造表面がフィードインジェクタの先端近傍に位置する、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にフィードインジェクタ、特に石炭ガス化フィードインジェクタ及びその鋳造表面を改質して耐疲労性を向上する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一酸化炭素と水素を含有する合成混合ガスは、水素化反応用の水素源として、また炭化水素、含酸素有機化合物及びアンモニアの合成用のフィードガス源として工業的に重要である。合成ガスを製造する方法の１つに、石炭のガス化による方法があり、この含硫黄炭化水素燃料を酸素富化空気と部分燃焼させている。スラッグタイププロセスとして知られているガス化プロセスでは、耐火物ライナー燃焼チャンバの頂部に挿入された水冷式フィードインジェクタを通して石炭・水スラリーと酸素とを燃焼チャンバへ供給することができる。高温の燃焼ガス流が燃焼チャンバ内で形成され、燃焼ガス流は、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含み、さらに、燃料源と反応条件に応じてメタン、硫化水素及び窒素を含むことができる。
【０００３】
ガス化プロセスで確実に所望の量の合成ガスが生成するように種々の注意を払うことができる。例えば、反応物質の混合を非常に迅速かつ完全に行うことができ、バーナやミキサをオーバーヒートから守るように特別な注意を払うことができる。石炭中の酸素及び硫黄汚染物質はバーナを製造した金属と反応する傾向があるので、それより低いと急速な酸化及び腐食が起こる温度でバーナ部品を運転することができる。炭化水素と酸素の反応がバーナ本体の完全に外側で起こることを確実にし、またバーナ部品の表面或いは表面近傍での燃焼性混合物の局部的な濃縮を防止するように特別な注意を払うこともできる。
【０００４】
ガス化装置の種々の部品、例えばフィードインジェクタの先端は、不都合なことに、燃焼領域からの輻射加熱を受ける。このような理由でフィードインジェクタの先端は、水冷されても金属腐食により破損するおそれがある。短時間の運転後でさえ、フィードインジェクタの先端の鋳造表面に疲労クラックが発現するおそれがある。疲労クラックは最終的にフィードインジェクタの壁を貫通し、加工流体の漏洩を許すおそれがある。この漏洩のため、ガス化装置の運転を停止してフィードインジェクタを交換する必要があり、その結果、生産時間にロスが生じ経済的でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７５５３５５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃焼チャンバ中に流体を注入するフィードインジェクタ及びこのようなインジェクタの鋳造表面を改質する方法を提供する。一実施形態による燃焼チャンバ中に流体を注入するフィードインジェクタは、内部流路を画定するノズルを備え、ノズルの鋳造表面がＡＳＴＭ結晶粒度番号（ASTM grain size number）約２〜約９になるように改質されている。
【０００７】
別の実施形態によるフィードインジェクタの鋳造表面の改質法は、フィードインジェクタの鋳造表面にショットピーニングを行い、鋳造表面のＡＳＴＭ粒度番号が約２〜約９になるのに有効な温度に鋳造表面を加熱する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図面は本発明の一実施形態を示し、図において同じ要素には同じ符号を用いる。
【図１】燃焼チャンバ中に流体を注入するフィードインジェクタの一実施形態の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、反応チャンバ（図示せず）中に流体を注入するのに使用できるフィードインジェクタ１０の一実施形態を示す。図示のように、フィードインジェクタ１０は、内部流路（図示せず）を画定するノズル２０、ノズル２０を固定する主フランジ３０及び３つの補助フランジ４０を備えることができる。注入口５０、６０及び７０は、それぞれ第二次含酸素流れ、フィード流れ及び第一次含酸素流れをノズル２０の異なる部分に供給するように構成されている。反応チャンバ中に通じるノズル２０の先端は少なくとも部分的に水などの冷却液が流れる冷却コイル８０で囲まれている。冷却液の注入口９０及び排出口１００も図１に示す。フィードインジェクタ１０は、例えば石炭ガス化装置に適用することができる。この場合、フィード流れは石炭及び水を含むスラリーを含有することができる。別の実施形態では、石炭を他の燃料、例えば石油コークス、石炭／石油コークス混合物、バイオマス／石炭／石油コークス混合物などによって置き換えたり、補ったりすることができる。
【００１０】
ノズル２０は、溶融した金属又は金属合金、例えばコバルト基合金、ニッケル基超合金、鉄基合金及びステンレス鋼を望ましいノズル形状に鋳造することにより形成できる。このように形成したノズル２０の疲労強度は鋳造表面近傍に存在する粗大な結晶粒によって損なわれるおそれがある。幸運にも、ノズル２０の表面、特にノズル２０の先端１１０近傍を熱機械的に改質して表面近傍により微細な結晶粒を形成させることで、鋳造表面を一層耐疲労クラック性にすることができる。このようにノズル２０の表面を改質すると、ノズルのデザインの大きな変更やノズルの製造コストの著しい増加なしに有効寿命を延ばすことができ有利である。改質された鋳造表面は、２００４  Ａｎｎｕａｌ  Ｂｏｏｋ  ｏｆ  ＡＳＴＭ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ，  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｎｏ．０３．０１に記載されたＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials）Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．Ｅ１１２に準拠したＡＳＴＭ結晶粒度番号約２〜約９となることが望ましい。さらに特定すると、ＡＳＴＭ粒度番号は約３〜約５、あるいは約６〜約８とすることができる。ＡＳＴＭ粒度番号は改質鋳造表面の代表部分での結晶粒子の平均直径に対応する。下記の表１は種々のＡＳＴＭ粒度に対応する粒径を示す。
【００１１】
【表１】
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一実施形態では、ノズルの鋳造表面にショットピーニングを行って、くぼみを形成し、その後表面を熱処理して、表面に存在する結晶粒の粗さを小さくすることによりノズルの鋳造表面を改質できる。種々の実施形態では、この熱処理は、約１７５０°Ｆ〜約２１５０°Ｆの温度、特定すると約１７７５°Ｆ〜約２１２５°Ｆの温度、さらに特定すると約１７９０°Ｆ〜約２１１０°Ｆの温度に表面を加熱する工程を含む。種々の実施形態では、加熱は約２０分間〜約１００分間、特定すると約３０分間〜約９０分間、さらに特定すると約５５分間〜約６５分間行うことができる。
【００１２】
ショットピーニングは、材料の塑性変形を起こすのに十分な力で球状粒子（即ち、ショット）を材料の表面に衝突させることにより材料の機械的特性を変更するプロセスである。このプロセスは研磨ではなく塑性機構によって作用する以外はサンドブラストに類似している。実際には、これは、ショットピーニングプロセスで除去する材料が少なく、ダストの発生も少ないことを意味する。表面にショットピーニングを行うと、リベットのようにその表面を塑性的によく広げ、表面の機械的特性に変化を起こす。ショットピーニングプロセスに関する詳細はＳｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＳＡＥ），  Ａｕｇｕｓｔ  ２００１のＳＡＥ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｎ  Ｓｈｏｔ  Ｐｅｅｎｉｎｇに記載されている。
【００１３】
使用するショットの種類、ショット強度及びショットカバレージは、所望の粒度を達成するように変えることができる。適当な種類のショットの例には、鋳鋼ショットやステンレス鋳鋼ショットなどの鋳造金属ショット、セラミックショット、ガラスショット、ＣＷ３１（公称径０．０３１インチ）などのカットワイヤショット及びこれらの１つ以上の組合せがあるが、これらに限らない。鋳鋼ショットの例として、Ｓ１１０、Ｓ６６０、Ｓ５５０、Ｓ４６０、Ｓ３９０、Ｓ３３０、Ｓ２８０、Ｓ２３０、Ｓ１７０及びＳ７０ショットが挙げられ、これらの直径は様々である（例えば、Ｓ１１０ショットの公称径は０．０１１０インチである）。ショット強度は、約８Ａ〜約２０Ａ、特定すると約８Ａ〜約１０Ａにすることができる。ショットカバレージは、鋳造表面の約１００％〜約２００％、特定すると約１００％にすることができる。
【００１４】
ショット強度は、Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，  Ｊａｎｕａｒｙ  ２００３のＳＡＥ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｊ４４３に記載の標準法で求めることができる。この方法では、数個（具体的には４個以上）のアルメンストリップをショットチャンバ内に置き、ショットブラスト流れにアルメンストリップをさらし、曝露時間を徐々に長くして、曝露時間に対してアークハイトをプロットする。ピーニング「強度」は、時間Ｔ１でのアークハイトカーブの値とその２倍の時間Ｔ２でのアークハイトカーブの値の差が１０％以内になるような時間Ｔ１でのアークハイトカーブの値である。アークハイトに基づき強度を制御することができる。例えば、アルメンストリップでアークハイトが０．００８〜０．０１０インチの範囲の場合、強度８Ａ〜１０Ａが得られる。
【００１５】
アルメンストリップは、ショットピーニングプロセスの制御に用いる薄い鋼片である。Ｊｏｈｎ  Ａｌｍｅｎが開発し特許取得したものである。アルメンストリップは、当初は２つのナイフエッジで支持していたが、このデザインは、１９４３年にゼネラルモーターズ社が開発した＃２アルメンゲージに取って代わられた。元のデザインは２つの面で変更された。即ち、ストリップを支持するのに用いるナイフエッジを４個の小さいボールに交換し、そしてストリップを裏返しにしてインジケータ先端がストリップの非ピーニング側に常に接触するようにした。４個のボール支持でストリップの複合曲線性を解明した。非ピーニング表面にインジケータ先端を接触させることにより、ピーニングくぼみの底部又は上部にダイヤルインジケータ先端が入ることで起こる誤読み取りを防いだ。測定者が所望の読み取り値を探して、ストリップを前後にスライドさせる傾向があるので、このデザイン変更によりインジケータ先端の寿命も伸びた。現代のアルメンゲージには、確実にストリップの中心部から値を読み取れるようにエンドストッパーがある。
【００１６】
ノズルの鋳造表面をショットブラスト流れに短時間さらし、その後、その表面を調べてくぼみが形成された表面の割合を測定することにより、完全なカバレージを達成するようにショットカバレージの量を制御することができる。次いで同部品をさらに処理することができる。このプロセスはくぼみが重なり合い元の表面が完全に見えなくなるまで繰り返すことができる。
【００１７】
一実施形態においては、本発明の改質フィードインジェクタを用いて、石炭ガス化燃焼チャンバ中に大きな圧力、具体的には約８０ｂａｒで含反応物質成分（即ち、酸素富化空気と石炭スラリー）を注入することができる。フィードインジェクタは、反応物質を混合しアトマイズし、炭素転換率を最大にするように流体のフローパターンを制御する働きをする。水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含有する高温の燃焼ガスを燃焼チャンバ中で発生することができる。高温の燃焼ガスは、燃料源や反応条件に応じてメタン、硫化水素及び窒素も含有することができる。一例として、チャンバ中のガスの温度は約７００°Ｆ〜約２５００°Ｆ、圧力は約１気圧〜約３００気圧、特定すると約１０気圧〜約１００気圧にすることができる。
【００１８】
本明細書において、単数表現は、数量を限定するものではなく、記載要素が少なくとも１つ存在することを表す。さらに、同じ構成成分や特性に関するすべての範囲の上下限の値は、上下限の値を含み、独立に組合せることができる（例えば「約５重量％〜約２０重量％」は「約５重量％〜約２０重量％」の範囲の上下限値及びすべての中間値を含む）。本明細書全体を通して言及した「一実施形態」、「別の実施形態」、「他の実施形態」などは、その実施形態に記載された特定要素（例えば、特徴、構造及び／又は特性）が、本明細書の少なくとも１つの実施形態に含まれ、別の実施形態には存在してもしなくてもよいことを意味する。さらに、記載された要素を種々の実施形態において任意適当な方法で組合せてもよい。また本発明は、上述の理論により限定されるものではない。特別に定義されない限り、本明細書で用いられる科学技術用語は、当業者が一般に理解するのと同様な意味を有する。
【００１９】
以上、本発明を代表的な実施形態について説明したが、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の改変が可能であり、また構成要素を均等物に置き換え得ることが明らかである。さらに、本発明の要旨から逸脱することなく、個別の状況や材料を本発明に適合させる多くの変更が可能である。したがって、本発明はこの発明を実施するうえで考えられる最良の形態として上述した特定の実施形態に限定されず、本発明は特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含する。
【符号の説明】
【００２０】
１０  フィードインジェクタ
２０  ノズル
３０  主フランジ
４０  補助フランジ
５０、６０、７０  注入口
８０  冷却コイル
９０  冷却液注入口
１００  冷却液排出口
１１０  ノズルの先端
【図１】
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