[發明專利]耐腐蝕合金和應用

在審

• 申請號: 201780024901.6
• 申請日: 2017-03-15
• 公開（公告）號: CN109072385A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: M·P·布雷迪;L·K·班塔;M·貝弗爾特;J·C·米濟亞;山本幸則;N·洛倫茲
• 申請（專利權）人: 科羅拉多州立大學研究基金會;恩威羅菲特國際股份有限公司;UT-巴特勒有限責任公司
• 主分類號: C22C38/00
• 分類號: C22C38/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 譚冀

本公開內容涉及包含鐵、鉻和硅的新的鐵素體合金。該新的合金具有預料不到的增強的耐腐蝕性性質，與優異的可加工性、強度和延性。公開的合金和由其制成的產物可用于制作低成本、有效且清潔的生物質爐燃燒器，以及與生物質燃料一起使用的其他裝置。

領域

公開的組成、方法和系統涉及新的耐腐蝕金屬合金，制造和測試這樣的合金，和這樣的合金在生物質烹飪爐和用于能源生產的生物質熱解和燃燒環境中的用途。

相關申請的交叉引用

本申請依據2017年3月15日提交的名為“Corrosion-Resistant Alloy andApplications”的美國臨時專利申請號62/308,551要求優先權權益，其全文通過引用并入本文。

政府許可權利

本發明是在能源部授予的授權號DE-AC05-00OR22725的政府支持下完成的。政府擁有本發明的某些權利。

背景

世界上近40％的人在明火或低效的生物質燃料烹飪爐上烹飪。產生的煙對健康構成威脅，每年造成約400萬人過早死亡，其也是炭黑排放物的主要來源。一種解決方式是引入改進的清潔燃燒的生物質烹飪爐。實現清潔燃燒的最具挑戰性的部件之一是燃燒器，其必須在由生物質燃料燃燒釋放的高腐蝕性物質存在下在高溫(經常≥600℃)下操作，但足夠低成本以允許廣泛使用。

世界上大約30億人通過在明火或基礎的低效生物質燃燒烹飪爐上燃燒固體生物質燃料來烹飪，釋放了引起每年預計～400萬人過早死亡的有毒排放物。這樣的排放物還占世界黑碳的約20％，對地區和全球氣候改變產生重大影響。低效的烹飪方法還導致經常需要特別是通過婦女和兒童的耗時的收集生物質燃料，這花費時間使她們遠離教育或創收等活動，并且在一些情況下存在安全風險。需要具有提高的效率/降低的排放物的低成本、高效的改進烹飪爐作為一種幫助解決這種復雜問題的途徑。

在改進烹飪爐設計、燃燒模型和減少排放物方面已經取得了重大的近期進展。然而，清潔生物質烹飪爐的成功從工程角度來看還取決于建造材料。其中更具挑戰性的部件是燃燒器，其在源于生物質燃料燃燒的高腐蝕性物質(水蒸氣、氯、硫、鹽、灰和沉積物)存在下在高溫(經常≥600℃)下操作。高溫腐蝕性條件在發展中國家造成重大挑戰，因為材料必須是低成本、可持續的并且在大多數情況下輕重量(低質量)，以便允許在發展中國家廣泛使用。金屬合金提供易制造、輕質、耐久性/機械完整性和設計靈活性的最好組合，但是比其他材料(例如陶瓷燃燒室)還更易受腐蝕影響。特別地，與空氣氧化相比，混合的氧化劑和灰/鹽沉積物引起的生物質相關的高溫腐蝕可導致腐蝕速率約一個量級或更高(取決于合金組成、溫度和環境)。

現有技術的清潔生物質烹飪爐用的金屬燃燒器是310型不銹鋼(Fe-25Cr-20Ni基于重量％)和FeCrAl族合金，其通常在Fe-(10-20)Cr-(2-8)Al基于重量％的范圍內。然而，310不銹鋼和FeCrAl合金的相對高的成本接近世界上許多發展中地區內清潔生物質烹飪爐的商業化可行性邊界。這些金屬通常形成氧化物基礎層以有助于腐蝕防護。例如，310型和相關不銹鋼形成鉻氧化物基礎層以實現在高溫下的腐蝕防護，而FeCrAl合金形成鋁氧化物基礎層用于防護。如本文公開的，保護金屬合金免于高溫腐蝕的第三個選項是向配方添加硅。硅幫助形成硅氧化物基礎層和/或混合的鐵-硅氧化物基礎層以保護合金免于腐蝕。

近年來，在生物質燃燒條件下合金的腐蝕一直是使用生物質作為化石燃料的可再生替代物的工業規模發電應用(例如發電廠、鍋爐等)研究的活躍領域。可得到實驗室腐蝕測試暴露標準和規程，特別是關于引入灰/鹽沉積物和它們與煙氣(含有SOx、Cl等物質的燃燒排氣產物)的相互作用。雖然與生物質烹飪爐有一些定性重疊(例如關于所遇腐蝕性物質，特別是鹽、硫和水蒸氣)，但是在這些發電應用中所遇的溫度、壓力、燃燒環境、生物質燃料來源、腐蝕性物質濃度和沉積趨勢、合金機械性質要求和部件壽命可與低成本的(～$10-50范圍)燃燒本地生物質燃料的個人烹飪爐的那些顯著不同。此外，典型的生物質烹飪爐具有約3000-5000熱小時量級的目標壽命。