ES2708984A1 - Quemador para un reactor catalítico con revestimiento de slurry con alta resistencia a la desintegración en polvo métalico - Google Patents
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Abstract
Quemador para un reactor catalítico con revestimiento de slurry con alta resistencia a la desintegración en polvo metálico. Al menos una parte de un quemador para un reactor catalítico se reviste con un revestimiento por difusión de eslurri de aluminuro de níquel.
Description
DESCRIPCION
Quemador para un reactor catalrtico con revestimiento de slurry con alta resistencia a la desintegracion en polvo metalico.
La presente invention esta dirigida a la combustion de combustible de hidrocarburos y, en particular, a un quemador con un revestimiento de slurry por difusion de aluminuro de mquel aplicado para su utilization en reactores de combustion alimentados con hidrocarburos, es decir, reactores catalrticos.
Los quemadores de un reactivo combustible se utilizan principalmente para hornos industriales de coccion alimentados con gas y calentadores de proceso, que requieren una llama estable con altas intensidades de combustion. Los quemadores de diseno convencional incluyen un tubo de quemador exterior con un tubo de quemador central para el suministro de combustible rodeado por un orificio de suministro de oxidante. La mezcla intensiva de combustible y oxidante en una zona de combustion se logra haciendo pasar el oxidante a traves de un generador de vortices instalado en la cara del quemador en el tubo central del quemador. De este modo, la corriente de oxidante recibe un flujo turbulento, que proporciona un alto grado de recirculation interna y externa de productos de combustion y alta intensidad de combustion.
Como inconveniente general de los quemadores de flujo turbulento convencionales del diseno anterior, la cara del quemador, debido a las altas velocidades de flujo de gas requeridas por los quemadores industriales de este diseno, esta expuesta al sobrecalentamiento provocado por el alto grado de recirculacion interna a lo largo del eje central de la zona de combustion. Los productos de combustion calientes fluyen de este modo de nuevo hacia la cara del quemador, lo que da como resultado un calentamiento rapido hasta altas temperaturas y, en consecuencia, la degradation de la cara debido a la agresividad mayor del gas de recirculacion.
Un quemador de turbulencia para uso en aplicaciones de pequena y mediana escala con una recirculacion interna considerablemente reducida de productos de combustion hacia la cara del quemador se describe en la patente de EE.UU. n.° 5.496.170. El diseno del quemador descrito en esta patente da como resultado una llama estable con alta intensidad de combustion y sin recirculacion interna de productos de combustion calientes perjudicial proporcionando al quemador un flujo turbulento de oxidante que tiene una direction de flujo global concentrada a lo largo del eje de la zona de combustion y
dirigiendo al mismo tiempo el flujo de gas combustible hacia el mismo eje. El quemador de flujo turbulento descrito comprende un tubo de quemador y un tubo de suministro de oxidante central concentrico con y separado del tubo de quemador, definiendo de este modo un canal anular de gas combustible entre los tubos, teniendo el tubo de suministro de oxidante y el canal de gas combustible extremos de entrada separados y extremos de salida separados. Los inyectores de gas combustible y oxidante con forma de U se disponen coaxialmente en la cara del quemador. El quemador esta equipado ademas con un cuerpo separador de turbulencias con alabes del generador de vortices estaticos que se extienden dentro del inyector de oxidante. Los alabes del generador de vortices se montan en el cuerpo separador de turbulencias entre su extremo aguas arriba y su extremo aguas abajo y se extienden hasta la superficie de la camara de inyeccion de oxidante.
El documento US2002086257 describe un quemador de flujo turbulento con un tubo de quemador que comprende un tubo de suministro de oxidante central y un tubo de suministro de combustible concentrico exterior, estando el tubo de suministro de oxidante provisto de un cuerpo de guiado cilmdrico concentrico que tiene alabes del generador de vortices estaticos y un taladro cilmdrico concentrico central, extendiendose los alabes del generador de vortices desde la superficie exterior del cuerpo de guiado hasta la superficie interior del tubo de suministro de oxidante, estando dispuestos concentricamente dentro del espacio entre el cuerpo de guiado y la pared interior en la parte inferior del tubo de suministro del oxidante.
A pesar de los intentos anteriormente mencionados para superar el problema de la degradation del quemador, se ha sabido que los quemadores del diseno de la tecnica conocida son cuestionados en los casos en que las condiciones de funcionamiento son particularmente dificiles.
Los problemas experimentados en esos casos han sido la degradacion del borde de la boquilla de oxidante del tubo. Para abordar estos problemas, la tecnica conocida sugiere la utilization de una variedad de revestimientos.
En consecuencia, el documento US6284324 describe un metodo de protection para el escudo termico de un quemador generador de gas de smtesis mediante el revestimiento del escudo termico del quemador con una composition de la formula MCrAlY como revestimiento de aleacion superpuesto en la que M se selecciona del grupo que consta de hierro, niquel y cobalto. En una forma de realization preferida, el revestimiento incluye
aproximadamente del 20-40 por ciento en peso de Co, del 5-35 por ciento en peso de Cr, del 5-10 por ciento en peso de Ta, del 0,8-10 por ciento en peso de Al, del 0,5-0,8 de Y, del 1-5 por ciento en peso de Si y del 5-15 por ciento en peso de Al2O3.
En el documento US2010285415 se proporciona un elemento quemador. El elemento quemador incluye una superficie que potencialmente entra en contacto con un combustible. La superficie que potencialmente entra en contacto con el combustible tiene un revestimiento que incluye oxido de aluminio. Tambien se proporciona un quemador que incluye el elemento quemador. Ademas, se describe un metodo para revestir una superficie de un elemento quemador que potencialmente entra en contacto con un combustible, en donde la superficie que potencialmente entra en contacto con el combustible se recubre con oxido de aluminio.
De acuerdo con la invention descrita en el documento WO09095144, una capa ceramica tiene que aplicarse sobre la superficie metalica de una parte del quemador orientada hacia el lado de la llama de un quemador para un reactor de gasification que se alimenta con combustible solido o liquido, en donde las formas de realization especiales se refieren a la aplicacion de incluso varias capas ceramicas por medio de la tecnica de aplicacion de la pulverization de plasma, particularmente los materiales zirconio/oxido de itrio. La vida util del quemador se aumenta mediante el revestimiento descrito de las partes de refrigeration del quemador. Por lo tanto, se incrementa la disponibilidad del sistema al mismo tiempo que se minimiza el esfuerzo de mantenimiento. Adicionalmente, se pueden utilizar materiales metalicos menos costosos. Debido a una temperatura permisible mas alta del agente oxidante suministrado, es posible un aumento en la eficiencia del proceso de gasificacion.
En el documento DE102005046198, un quemador para un horno industrial u horno tiene una primera tuberia de alimentation para el gas combustible y una segunda tuberia de alimentation para el oxigeno. Las partes del cabezal del quemador se fabrican de aleacion a base de cobalto con un revestimiento de aluminio. Se reivindica ademas un proceso para fabricar el cabezal del quemador en el que se templa/n el/los cobalto/componentes de aleacion, formando una capa superficial rica en aluminio.
A pesar de las soluciones descritas en la tecnica conocida mencionada anteriormente, existe todavia una necesidad de proporcionar protection a las aleaciones a base de Ni cuando estas estan sometidas a la corrosion a alta temperatura provocada por la desintegracion en polvo metalico como es el caso de los quemadores para la combustion
de combustible de hidrocarburos en reactores de combustion alimentados de hidrocarburos.
Por lo tanto, el objetivo principal de la invention es obtener una resistencia aumentada contra la corrosion a alta temperatura provocada por la desintegracion en polvo metalico, para su utilization en los quemadores fabricados de aleaciones a base de Ni que supere ventajosamente los problemas mencionados.
En consecuencia, esta invencion es un quemador con un revestimiento sobre al menos una parte del quemador, donde el revestimiento es un revestimiento por difusion de aluminuro de mquel aplicado mediante un slurry de aluminio, libre de Cr (VI), en algunas formas de realization un slurry de aluminio a base de silicatos.
El revestimiento puede proporcionar un aumento significativo en la vida util del equipo. En algunos ejemplos se ha observado un aumento de la vida util del componente desde 2 meses a mas de 2 anos.
En una forma de realizacion de la invencion, el quemador a base de Ni para un reactor catalrtico comprende al menos dos tubos de quemador concentricos para el oxidante y el suministro de combustible. De acuerdo con esta forma de realizacion de la invencion, al menos una parte de uno o ambos tubos de quemador se reviste con un revestimiento por difusion de slurry de aluminuro. Aunque la invencion, ventajosamente es para la utilizacion en quemadores de gran tamano con diametros de tubo de quemador relativamente grandes, la invencion no esta restringida a estos grandes diametros, puesto que una ventaja de la invencion es que el revestimiento por difusion de slurry se puede aplicar dentro de tubos de quemador de diametro pequeno.
En una forma de realizacion adicional de la invencion, el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel tiene un espesor de 10 a 1.000 ^m. La estabilidad de la fase depende del espesor del revestimiento y de la temperatura de exposition. En una forma de realizacion adicional el espesor del revestimiento es de al menos de 100 ^m. Los tubos de quemador se fabrican en una forma de realizacion adicional de la invencion de una aleacion a base de Ni. La invencion es muy adecuada para sustratos con aleaciones a base de Ni, ya que una de las ventajas del revestimiento es que la interdifusion del Ni en el revestimiento y el Al en la parte revestida del quemador es mas lenta y en un grado mucho menor que en los revestimientos de la tecnica conocida descritos.
En una forma de realization adicional el quemador se reviste con un revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos mediante la aplicacion de un slurry que contiene Al a base de silicatos de 10-1.000 ^m de espesor en al menos uno de los tubos de quemador o al menos una parte del/de los tubo/s de quemador. La aplicacion del slurry puede hacerse mediante pulverization, pintado a brocha o inmersion. Ademas, el revestimiento debe hacerse mediante un tratamiento termico posterior del slurry aplicado que contiene Al a base de silicatos. El tratamiento termico puede realizarse en un horno donde las partes del quemador revestidas se calientan por separado, o puede realizarse localmente en el quemador ensamblado, por ejemplo, in situ en el reactor catalrtico. Esto es especialmente ventajoso para los quemadores de gran tamano.
En una forma de realizacion de la invention, el tratamiento termico se realiza en dos etapas como un tratamiento termico por difusion. La primera etapa de tratamiento termico es un tratamiento termico por difusion de %-2 horas, preferiblemente 1 hora a 600 °C-800 °C, preferiblemente 700 °C. La siguiente segunda etapa es un tratamiento termico por difusion de 2-11 horas, preferentemente de 3 horas a 900 °C-1.200 °C, preferentemente 1.050 °C. El tratamiento termico por difusion en dos etapas puede realizarse en otra forma de realizacion de la invencion en una atmosfera inerte que contiene el 90% de argon y el 10% de hidrogeno. El tratamiento termico controlado antes de la exposition a las condiciones del proceso conduce a la formation de un revestimiento metalico uniforme y protector.
En un segundo aspecto, la invencion comprende un metodo para la production de un revestimiento de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos sobre una aleacion a base de Ni para la protection contra la corrosion a alta temperatura provocada por la desintegracion en polvo metalico, comprendiendo dicho metodo las etapas de:
• aplicar un slurry que contiene Al a base de silicatos de 10-1.000 ^m de espesor sobre una aleacion a base de Ni.
• tratar termicamente la aleacion a base de Ni con slurry que contiene Al a base de silicatos en una primera etapa de tratamiento termico por difusion durante %-2 horas, preferiblemente 1 hora a 600 °C-800 °C, preferiblemente 700 °C.
• tratar termicamente la aleacion a base de Ni con slurry que contiene Al a base de silicatos en una segunda etapa de tratamiento termico por difusion durante 2-11 horas, preferiblemente 3 horas a 900 °C-1.200 °C, preferentemente 1.050 °C.
En una forma de realization de este aspecto de la invention, el slurry se aplica sobre la aleacion a base de Ni por medio de pulverization, brocha o inmersion en slurry. La aleacion a base de Ni puede ser, en formas de realizacion adicionales de la invencion, un tubo de quemador de reactor catalrtico.
Mas espedficamente, un aspecto de la invencion comprende la utilization de un revestimiento por difusion de aluminuro de mquel a base de silicatos en un tubo de quemador en un quemador de reactor catalrtico en el intervalo de temperatura de 400 °C a 900 °C, con una actividad en carbono superior a 1.
Resumiendo, las ventajas de la invencion segun se describen en los aspectos y formas de realizacion anteriores comprenden:
• el revestimiento se produce a partir de un slurry acuoso, libre de Cr (VI) y benigno para el medio ambiente.
• Se puede aplicar a grandes superficies y dentro de los tubos de quemador delgados.
• La interdifusion de Ni en el revestimiento y Al en el sustrato sera mas lenta. La difusion continua de Ni en el revestimiento y de Al en la aleacion metalica es un problema conocido, pero la composition particular de acuerdo con la invencion muestra la interdifusion mas baja en el intervalo de temperatura relevante.
• El tratamiento termico controlado antes de la exposition a las condiciones del proceso conduce a la formation de un revestimiento metalico uniforme y protector.
Caracteristicas de la invencion
1. Quemador para un reactor catalrtico que comprende al menos dos tubos de quemador concentricos fabricados de una aleacion a base de Ni para el oxidante y el suministro de combustible, en donde al menos una parte de al menos uno de dichos tubos de quemador se reviste con un revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel.
2. Quemador de acuerdo con la caracteristica 1, en donde el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel es un revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos.
3. Quemador de acuerdo con la caracteristica 2, en donde el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos tiene un espesor de entre 10-1.000 ^m.
4. Quemador de acuerdo con la caracteristica 2 o 3, en donde el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos se fabrica mediante la aplicacion de un slurry que contiene Al a base de silicatos de 10-1.000 ^m de espesor en al menos uno de los tubos de quemador.
5. Quemador de acuerdo con la caracteristica 4, en donde el slurry que contiene Al a base de silicatos de 10-1.000 ^m de espesor se aplica en al menos uno de los tubos de quemador por medio de pulverizacion, brocha o inmersion en slurry.
6. Quemador de acuerdo con la caracteristica 4 o 5, en donde el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos se fabrica mediante un tratamiento termico del slurry aplicado que contiene Al a base de silicatos.
7. Quemador de acuerdo con la caracteristica 6, en donde el tratamiento termico es un tratamiento termico por difusion de dos etapas en vado, la primera etapa es un tratamiento termico por difusion de %-2 horas, preferiblemente de 1 hora a 600 °C-800 °C, preferiblemente 700 °C y la siguiente segunda etapa es un tratamiento termico por difusion de 2-4 horas, preferiblemente 3 horas a 900 °C-1.200 °C, preferiblemente 1.050 °C.
8. Quemador de acuerdo con la caracteristica 7, en donde el tratamiento termico se realiza en una atmosfera reductora con el 80-100% de argon y el 0-20% de hidrogeno.
9. Metodo para la production de un revestimiento de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos sobre una aleacion a base de Ni de un quemador para la protection contra la corrosion a alta temperatura provocada por la desintegracion en polvo metalico, comprendiendo dicho metodo las etapas de:
• aplicar un slurry que contiene Al a base de silicatos de 10-1.000 ^m de espesor en la aleacion a base de Ni.
• tratar termicamente la aleacion a base de Ni con el slurry aplicado que contiene Al a base de silicatos en una primera etapa de tratamiento termico por difusion en vado durante %-2 horas, preferiblemente 1 hora a 600 °C-800 °C, preferiblemente 700 °C.
• tratar termicamente la aleacion a base de Ni con el slurry aplicado que contiene Al a base de silicatos en una segunda etapa de tratamiento termico por difusion en vado durante 2-4 horas, preferiblemente 3 horas a 900 °C-1.200 °C, preferentemente 1.050 °C.
10. Metodo de acuerdo con la caracteristica 9, en donde el slurry se aplica sobre la aleacion a base de Ni de un quemador por medio de pulverizacion, brocha o inmersion en slurry.
11. Metodo de acuerdo con la caracteristica 9 o 10, en donde dicha aleacion a base de Ni es un tubo de quemador de reactor catalrtico.
12. Utilizacion de un revestimiento por difusion de aluminuro de mquel a base de silicatos en un tubo de quemador fabricado de una aleacion a base de Ni en un quemador de reactor catalrtico en el intervalo de temperatura de 400 °C a 900 °C, con una actividad en carbono superior a 1.
Numeros de posicion
01. Revestimiento
02. Superficie de revestimiento
03. Aleacion a base de Ni
La Figura 1 muestra la seccion transversal de una muestra despues de 5 semanas de la prueba de desintegracion en polvo metalico. La posicion 1 es el revestimiento y la posicion 2 es los oxidos formados en el revestimiento, mientras que la posicion 3 es la aleacion de base. No se detecta desintegracion en polvo metalico.
La Figura 2 muestra una ampliacion de la Figura 1. Posicion 1: revestimiento, Posicion 2: oxidos y Posicion 3: material de montaje.
La Figura 3 muestra una ampliacion de la Figura 1 de la interfaz de la aleacion revestimiento/aleacion de base. Posicion 1: revestimiento, Posicion 2: aleacion de base.
La interdifusion se mide como cambios en la relacion Ni/Al en el revestimiento, en comparacion con la relacion Ni/Al original. Con el tiempo, el Ni se difunde desde el metal de base en el revestimiento y el Al se difunde desde el revestimiento en la aleacion del metal de base. Dependiendo de la velocidad de difusion del Ni y el Al, la relacion Ni/Al cambia con el tiempo. Si la Ni/Al aumenta significativamente con el tiempo, la resistencia a la desintegracion en polvo metalico cambia; los experimentos han mostrado que el revestimiento se hace menos resistente a la desintegracion en polvo metalico.
El mejor revestimiento se considera que es el que tiene la Ni/Al mas constante con el tiempo, porque mostrara la interdifusion mas lenta.
La Figura 4 muestra que la composition F tiene una alta tasa de interdifusion en comparacion con las otras 5 composiciones.
La Figura 5 aumenta la escala para comparar las composiciones A - E. Las composiciones B, D y E muestran un crecimiento casi lineal con el tiempo y por lo tanto no son tan ventajosas como las composiciones A y C las cuales muestran algun aumento al principio, pero se mantienen estables despues de eso. Se preferiran las composiciones proximas de A y C.
Ejemplo
Prueba de desintegracion en polvo metalico de barras de aleacion a base de Ni revestidas, en el intervalo de temperatura de 200 °C a 800 °C bajo condiciones muy agresivas con vapor/carbono muy bajo, bajo presion de 28,5 bar(g) durante cinco semanas. El revestimiento se habia aplicado y tratado termicamente en el intervalo descrito en la invention. Se ensayo el espesor del revestimiento en el intervalo de 50-200 ^m. Las barras de aleacion a base de Ni revestidas no mostraron ninguna desintegracion en polvo metalico despues de 5 semanas, en comparacion con las barras de Inconel 601 sin revestimiento que muestran desintegracion en polvo metalico despues de menos de una semana.
Claims (12)
1. Quemador para un reactor catalrtico que comprende al menos dos tubos de quemador concentricos fabricados de una aleacion a base de Ni para el oxidante y el suministro de combustible, en donde al menos una parte de al menos uno de dichos tubos de quemador se reviste con un revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel.
2. Quemador de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel es un revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos.
3. Quemador de acuerdo con la reivindicacion 2, en donde el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos tiene un espesor de entre 10-1.000 ^m.
4. Quemador de acuerdo con la reivindicacion 2 o 3, en donde el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos se fabrica mediante la aplicacion de un slurry que contiene Al a base de silicatos de 10-1.000 ^m de espesor en al menos uno de los tubos de quemador.
5. Quemador de acuerdo con la reivindicacion 4, en donde el slurry que contiene Al a base de silicatos de 10-1.000 ^m de espesor se aplica en al menos uno de los tubos de quemador por medio de pulverizacion, brocha o inmersion en slurry.
6. Quemador de acuerdo con la reivindicacion 4 o 5, en donde el revestimiento por difusion de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos se fabrica mediante un tratamiento termico del slurry aplicado que contiene Al a base de silicatos.
7. Quemador de acuerdo con la reivindicacion 6, en donde el tratamiento termico es un tratamiento termico por difusion de dos etapas en vado, la primera etapa es un tratamiento termico por difusion de %-2 horas, preferiblemente de 1 hora a 600 °C-800 °C, preferiblemente 700 °C y la siguiente segunda etapa es un tratamiento termico por difusion de 2-4 horas, preferiblemente 3 horas a 900°C-1.200°C, preferiblemente 1.050°C.
8. Quemador de acuerdo con la reivindicacion 7, en donde el tratamiento termico se realiza en una atmosfera reductora con el 80-100% de argon y el 0-20% de hidrogeno.
9. Metodo para la production de un revestimiento de slurry de aluminuro de mquel a base de silicatos sobre una aleacion a base de Ni de un quemador para la protection contra la
corrosion a alta temperatura provocada por la desintegracion en polvo metalico, comprendiendo dicho metodo las etapas de:
• aplicar un slurry que contiene Al a base de silicatos de 10-1.000 ^m de espesor en la aleacion a base de Ni.
• tratar termicamente la aleacion a base de Ni con el slurry aplicado que contiene Al a base de silicatos en una primera etapa de tratamiento termico por difusion en vado durante %-2 horas, preferiblemente 1 hora a 600 °C-800 °C, preferiblemente 700 °C.
• tratar termicamente la aleacion a base de Ni con el slurry aplicado que contiene Al a base de silicatos en una segunda etapa de tratamiento termico por difusion en vado durante 2-4 horas, preferiblemente 3 horas a 900 °C-1.200 °C, preferentemente 1.050 °C.
10. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el slurry se aplica sobre la aleacion a base de Ni de un quemador por medio de pulverizacion, brocha o inmersion en slurry.
11. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 9 o 10, en donde dicha aleacion a base de Ni es un tubo de quemador de reactor catalrtico.
12. Utilizacion de un revestimiento por difusion de aluminuro de mquel a base de silicatos en un tubo de quemador fabricado de una aleacion a base de Ni en un quemador de reactor catalrtico en el intervalo de temperatura de 400 °C a 900 °C, con una actividad en carbono superior a 1.
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