BE1015379A3

BE1015379A3 - Systeme de jets coherents sans extension pourvu d'orifices alignes formant une enveloppe de flamme.

Info

Publication number: BE1015379A3
Application number: BE2003/0376A
Authority: BE
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-02-01
Also published as: FR2841486A1; US20040000747A1; AR039739A1; US6773484B2; ZA200304944B; MXPA03005873A; DE10328574A1; CA2433206A1; KR20040002690A; JP2004053248A; PL360864A1; GB2391298A; ITRM20030317A0; SE0301858L; CN1313768C; ITRM20030317A1; GB2391298B; AT413215B; CN1482391A; SE526295C2

Abstract

Lance à jets cohérents et procédé de fonctionnement, dans lequel le besoin d'une extension de la lance (3) est éliminé en utilisant deux anneaux d'orifices (30,31) pour délivrer, respectivement, des gaz formant enveloppe de flamme (24) de carburant et d'oxydant autour des jets de gaz primaires afin de maintenir les jets de gaz cohérents (5) en alignant les orifices des anneaux (30,31) sur la face de lance (6).

Description


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   Système de jets cohérents sans extension pourvu d'orifices alignés formant une enveloppe de flamme. 



  Domaine de l'invention. 



  [0001] La présente invention concerne en général la technologie à base de jets cohérents. 



  Technique d'arrière-plan. 



  [0002] Une avancée significative récente dans le domaine de la propulsion de gaz par une lance est le développement de la technologie à base de jets cohérents divulguée, par exemple, dans le brevet U.S. n  5 814 125 d'Anderson et coll. et dans le brevet U.S. n  6 171 544 d'Anderson et coll. Dans la pratique de cette technologie, un ou plusieurs jets de gaz à vitesse élevée éjectés d'une ou plusieurs buses sur une lance est ou sont maintenus cohérents sur une distance relativement longue par l'utilisation d'une enveloppe de flamme autour et le long du ou des jets de gaz à vitesse élevée. L'enveloppe de flamme est formée en brûlant un carburant et un oxydant éjectés de la lance, respectivement, de deux anneaux d'orifices décalés, un anneau interne et un anneau externe, autour de la ou des buses de jets de gaz à vitesse élevée.

   Typiquement, le carburant pour l'enveloppe de flamme est éjecté de l'anneau interne d'orifices et l'oxydant pour l'enveloppe de flamme est éjecté de l'anneau externe d'orifices. Une extension sur le périmètre de la lance forme une zone protégée de remise en circulation, dans laquelle le ou les jets de gaz à vitesse élevée et les fluides de l'enveloppe de flamme sont délivrés par la ou les buses et les orifices. Cette zone de remise en 

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 circulation permet une certaine remise en circulation des fluides éjectés, ce qui permet un allumage amélioré et une stabilité améliorée de l'enveloppe de flamme, renforçant ainsi la cohérence et, par suite, la longueur du ou des jets de gaz à vitesse élevée.

   On peut utiliser le ou les jet(s) cohérent(s) pour délivrer du gaz dans un liquide, tel qu'un métal fondu, depuis une distance relativement grande au-dessus de la surface du liquide. 



  Une application très importante de cette technologie à base de jets cohérents est la distribution d'oxygène pour une utilisation dans des installations de fabrication d'acier, telles que des fours à arc électrique et des fours à oxygène basiques. 



  [0003] L'extension de remise en circulation, bien que constituant une amélioration par rapport aux anciens systèmes à jets cohérents, présente quelques problèmes concernant la conception et la durée de vie de la lance en raison de la nécessité de refroidir la pointe à l'eau. Ces problèmes sont particulièrement gênants lorsque le système de jets cohérents est utilisé dans un environnement très difficile, tel qu'un four à oxygène basique. 



  [0004] Par suite, un objet de l'invention vise un système qui peut produire des jets de gaz cohérents efficaces sans le besoin d'une extension de lance ou d'un autre élément pour établir une zone de remise en circulation pour les gaz éjectés de la lance. 



  Résumé de l'invention. 



  [0005] Les objets précités et d'autres objets, qui deviendront évidents à l'expert en la technique à la 

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 lecture de la présente description, sont atteints par l'invention dont un aspect vise : [0006] un procédé pour établir au moins un jet de gaz cohérent comprenant : (A) l'éjection d'au moins un jet de gaz d'au moins une buse logée dans une lance ayant une face de lance, ladite face de lance ayant un premier anneau d'orifices autour de ladite au moins une buse et un second anneau d'orifices autour de ladite au moins une buse et espacé radialement dudit premier anneau d'orifices, chaque orifice du second anneau d'orifices étant aligné avec un orifice du premier anneau d'orifices;

   (B) l'éjection de carburant de l'un des anneaux d'orifi-ces et l'éjection d'oxydant de l'autre anneau d'orifices, où ledit au moins un jet de gaz et le carburant et l'oxydant sont éjectés de la lance directement dans un volume d'injection sans passer par une zone de remise en circulation formée par une extension sur la lance ;   (C) la combustion du carburant et de l'oxydant   éjectés du premier et du second anneaux d'orifices pour produire une enveloppe de flamme autour dudit au moins un jet de gaz. 



  [0007] Un autre aspect de l'invention   est :   [0008] une lance à jets cohérents comprenant : (A) une lance ayant une face de lance et ayant au moins une buse ayant une ouverture sur la face de lance et n'ayant pas d'extension pour former une zone de remise en circulation adjacente à la face de lance; 

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 (B) un premier anneau d'orifices -autour de l'ouverture ou des ouvertures de la buse et un second anneau d'orifices espacé radialement du premier anneau d'orifices autour de l'ouverture ou des ouvertures de la buse, chaque orifice du second anneau d'orifices étant aligné avec un orifice du premier anneau d'orifices ;   (C) un moyen pour délivrer du carburant à un   des anneaux d'orifices et un moyen pour délivrer un oxydant à l'autre anneau d'orifices. 



  [0009] Telle qu'elle est utilisée dans la demande, l'expression "rayon de face de lance" désigne une ligne imaginaire courant du centre d'une face de lance au périmètre de la face de lance. 



  [0010] Tel qu'il est utilisé dans la demande, le terme "aligné" désigne l'interception du même rayon de face de lance. 



  [0011] Tel qu'il est utilisé dans la demande, le terme "extension" désigne une structure quelconque, qu'elle soit ou non raccordée physiquement à une lance, qui sert à former un volume ou une zone protégé(e) adjacent(e) à la face de lance. 



  [0012] Telle qu'elle est utilisée dans la demande, l'expression "face de lance" désigne la surface d'une lance qui s'appuie sur un volume d'injection. 



  [0013] Telle qu'elle est utilisée dans la demande, l'expression "jet cohérent" désigne un jet de gaz qui est formé en éjectant du gaz d'une buse et qui a un profil de vitesse et de moment sur une longueur d'au moins 20d, où d est le diamètre de sortie de la buse, qui est similaire à sa vitesse et à son profil de moment lors de l'éjection de la buse. Une autre manière de décrire un 

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 jet cohérent est un jet de gaz qui présente peu ou pas de changement de son diamètre pour une distance d'au moins 20d. 



  [0014] Telle qu'il est utilisé dans la demande, le terme "longueur", lorsqu'on se réfère à un jet de gaz cohérent désigne la distance de la buse, dont le gaz est éjecté, au point d'impact envisagé du jet de gaz cohérent ou à l'endroit où le jet de gaz cesse d'être cohérent. 



  Brève description des dessins. 



  [0015] La Fig. 1 est une vue du dessus d'une forme de réalisation préférée d'une face de lance et la Fig. 2 est une vue en coupe transversale d'une forme de réalisation préférée d'une lance ayant une telle face de lance qui peut être utilisée dans la pratique de l'invention. 



  [0016] La Fig. 3 illustre la forme de réalisation de l'invention illustrée dans les Fig. 1 et 2 en fonctionnement. Les notations des dessins sont les mêmes pour les éléments communs. 



  Description détaillée. 



  [0017] L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins. 



  [0018] En se référant à présent aux Fig. 1,2 et 3, on fait passer du gaz, comme montré par la flèche d'écoulement 1, par au moins une buse 2, de préférence une buse convergente/divergente et, ensuite, hors de la lance 3 par une ouverture ou des ouvertures 4 de la buse sur la face de lance 6 pour former un ou des courant (s) 5 de jets de gaz cohérents dans le volume d'injection 7. 



  Typiquement, la vitesse du ou des courant(s) de gaz 5 se 

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 situe dans la plage de 213 à 914 m/s (700 à 3000 pieds par seconde (fps)). De préférence, la vitesse du ou des courant(s) de gaz 5 est supersonique lorsqu'elle est formée lors de l'injection de la face de lance et reste supersonique sur une distance d'au moins 20d. Bien que les dessins illustrent une forme de réalisation utilisant quatre jets de gaz cohérents éjectés de la lance, respectivement, par quatre buses, le nombre de jets de gaz éjectés de la lance par des buses respectives dans la pratique de l'invention peut se situer dans la plage de 1 à 6. De préférence, le volume d'injection dans lequel les jets de gaz cohérents sont injectés est un four produisant du métal, tel qu'un four de fabrication d'acier.

   Mieux encore, lorsqu'une pluralité de buses est utilisée, chaque buse diverge l'une de l'autre et de l'axe central de la lance. 



  [0019] N'importe quel gaz efficace peut être utilisé comme gaz pour former un ou des jets cohérents dans la pratique de l'invention. Parmi ces gaz, on peut citer l'oxygène, l'azote, l'argon, le dioxyde de carbone, l'hydrogène, l'hélium, la vapeur d'eau et des gaz hydrocarbures. On peut utiliser également des mélanges comprenant deux gaz ou plus, par exemple de l'air, comme gaz de ce type dans la pratique de l'invention. 



  [0020] Un premier anneau 30 d'orifices est disposé sur la lance autour de l'ouverture ou des ouvertures 4 de la buse et un second anneau 31 d'orifices est situé sur la lance autour de l'ouverture ou des ouvertures 4 de la buse et espacé radialement vers l'extérieur du premier anneau 30 d'orifices. L'anneau 30 est de préférence un cercle ayant un diamètre dans la plage de 

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 3,81 à 50,8 cm (1,5 à 20 pouces) et l'anneau 31 est de préférence un cercle ayant un diamètre dans la plage de 4,45 à 58,42 cm (1,75 à 23 pouces). Chacune des anneaux 30 et 31 comprendra généralement 4 à 48 orifices et chaque orifice sera de préférence un cercle ayant un diamètre dans la plage de 0,127 à 3,18 cm (0,05 à 1,25 pouce).

   Chaque orifice du second anneau 31 d'orifices est aligné avec un orifice du premier anneau 30 d'orifices, bien que l'efficacité de l'invention ne soit pas perdue si le premier anneau 30 ou le second anneau 31 ou les deux anneaux 30 et 31 contiennent un orifice ou un petit nombre d'orifices supplémentaires qui ne sont pas alignés avec un orifice de l'autre anneau. Du carburant est délivré à un des deux anneaux d'orifices, de préférence l'anneau interne ou premier anneau 30, et un oxydant est délivré à l'autre anneau d'orifices, de préférence l'anneau externe ou second anneau 31. Le carburant et l'oxydant sont éjectés de la lance 3 par leur anneau respectif d'orifices dans le volume d'injection 7. La vitesse du carburant et de l'oxydant éjectés de l'anneau d'orifices peut être sub- sonique, sonique ou supersonique.

   Les vitesses sonique et supersonique du carburant et de l'oxydant éjectés empêchent efficacement le rejet de matières étrangères d'entrer dans les orifices et de les obstruer, ce qui est particulièrement important lorsque l'invention est utilisée dans un environnement difficile, tel qu'un four de fabrication d'acier. Si on le souhaite, la vitesse du carburant et de l'oxydant injectés peut être supersonique à une vitesse supérieure à Mach 1 jusqu'à Mach 2. 

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  [0021] Le carburant éjecté des orifices est de préférence gazeux et peut être un carburant quelconque, tel que le méthane ou le gaz naturel. L'oxydant éjecté des orifices sur l'autre anneau peut être de l'air, de l'air enrichi en oxygène ayant une concentration en oxygène dépassant celle de l'air, ou de l'oxygène commercial ayant une concentration en oxygène d'au moins 90% en mole. De préférence, l'oxydant est un fluide ayant une concentration en oxygène d'au moins 25% en mole. 



  [0022] Le carburant et l'oxydant sortant de la lance forment une enveloppe de gaz autour du ou des jets de gaz 5 qui brûle pour former une enveloppe de flamme ou un blindage de flamme 24 autour du ou des jets de gaz 5 dans le volume d'injection, tel qu'un four de métal fondu. L'enveloppe de flamme 24 autour des courants de gaz 5 sert à empêcher le gaz ambiant d'être aspiré dans les courants gazeux, empêchant ainsi la vitesse des courants de gaz de diminuer notablement et empêchant le diamètre des courants de gaz d'augmenter notablement, sur au moins une distance de 20d de la sortie de buse respective. C'est-à-dire que l'enveloppe de flamme ou le blindage de flamme 24 sert à établir et à maintenir des courants de gaz 5 sous forme de jets cohérents sur une distance d'au moins 20d de la sortie de buse respective. 



  [0023] Un aspect important et un avantage significatif de l'invention sont la faculté de former des jets de gaz cohérents efficaces à partir d'une lance sans devoir utiliser une extension sur la lance. 



  Jusqu'ici, une extension de lance était utilisée pour former une zone de remise en circulation protégée 

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 adjacente à la face de lance pour améliorer la mise à feu et la combustion des gaz du blindage de flamme qui sont injectés dans cette zone de remise en circulation protégée, améliorant donc la cohérence des jets de gaz. 



  Si l'utilisation de cette extension de lance constitue une amélioration significative par rapport à la pratique initiale des jets de gaz cohérents, l'utilisation de cette extension pose des problèmes. Dans la pratique de l'invention, les gaz éjectés de la lance passent directement dans le volume d'injection sans passer par une zone protégée ou une zone de remise en circulation formée par une extension de lance, mais la cohérence améliorée observée avec l'utilisation d'une extension de lance est encore obtenue. 



  [0024] Des tests ont été effectués pour évaluer l'efficacité de l'invention et des tests comparatifs ont été effectués pour démontrer l'avantage de l'invention. 



  Le carburant utilisé dans les tests est du gaz naturel et l'oxydant utilisé dans les tests a une concentration en oxygène de 99% en mole et est dénommé oxygène secondaire. Dans chaque test, la lance a quatre buses pour délivrer des jets de gaz. Le gaz pour les jets de gaz est de l'oxygène ayant une pureté de 99% en mole et est désigné par oxygène principal. Les résultats des tests mentionnés ci-dessous sont présentés à titre illustratif et rie sont pas censés être limitatifs. 



  [0025] Chacune des quatre buses est conçue pour admettre 283 m3/h (10 000 pieds cubes standard par heure (scfh)) d'oxygène principal avec une pression d'alimentation manométrique de 1,14 MPa effectifs (165 livres par pouce carré (psig)) pour une délivrance 

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 totale d'oxygène principal de 1132 m3/h (40 000 scfh). 



  Chaque buse a des diamètres de sortie et d'étranglement de 0,965 cm (0,38 pouce) et 0,66 cm (0,26 pouce), respectivement, et diverge vers l'extérieur de l'axe central de la lance de 12 degrés. Le carburant est délivré à un anneau interne de 16 orifices qui ont chacun un diamètre de 0,39 cm (0,154 pouce) alors que le diamètre de l'anneau est de 3,96 cm (1,56 pouce). A des fins d'essais comparatifs, l'oxygène secondaire est délivré à un anneau extérieur de 12 orifices qui ont chacun un diamètre de 0,58 cm (0,23 pouce) alors que le diamètre de l'anneau est de 5,40 cm (2,125 pouces) et les orifices sont décalés ou espacés par rapport aux orifices de l'anneau intérieur. Les flux de carburant et d'oxygène secondaire sont de 142 m3/h (5000 scfh) et 113 m3/h (4000 scfh), respectivement, ce qui donne des vitesses de 204 m/s (670 fps) et 97 m/s (320 fps), respectivement.

   La lance a une extension de remise en circulation de 1,27 cm (0,5 pouce) de long. Ce modèle classique produit de bons jets cohérents d'environ 45,72 cm (18 pouces) de long, mais la longueur chute à 40,64 cm (16 pouces) lorsque la longueur de l'extension de remise en circulation est réduite à 0,64 cm (0,25 pouce) et chute encore à 35,56 cm (14 pouces) lorsque la longueur de l'extension de remise en circulation est réduite à 0,254 cm (0,1 pouce). Sans extension de remise en circulation, l'enveloppe de flamme devient instable et le jet de gaz perd de sa cohérence. Le test est répété, mais en utilisant l'invention et- en faisant en sorte que l'anneau extérieur ait 16 orifices de 0,51 cm (0,199 pouce) de 

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 diamètre, alignés chacun avec un orifice sur l'anneau intérieur.

   Il n'y a pas de réduction de longueur des jets cohérents et, même sans extension sur la lance, les jets cohérents sont stables et ont une longueur de 45,72 cm (18 pouces). 



  [0026] Outre les tests décrits ci-dessus, qui utilisent un dispositif à quatre buses similaire à celui illustré dans -les dessins, des tests et des tests comparatifs similaires à ceux indiqués ci-dessus sont effectués avec une lance ayant une seule buse et avec un anneau intérieur d'un diamètre de 5,08 cm (2,0 pouce) et ayant 16 orifices de 0,39 cm (0,154 pouce) de diamètre et un anneau intérieur d'un diamètre de 6,99 cm (2,75 pouce) et ayant 16 orifices de 0,51 cm (0,199 pouce) de diamètre. Dans une série de tests, les orifices de l'anneau extérieur sont décalés par rapport aux orifices de l'anneau intérieur et, dans une autre série de tests, les orifices de l'anneau extérieur sont alignés avec les orifices de l'anneau intérieur.

   La buse a des diamètres de sortie et d'étranglement de 2,06 cm (0,81 pouce)   et. 1,57   cm (0,62 pouce), respectivement, et l'oxygène principal est délivré à raison de 1019 m3/h (36 000 scfh) à 0,69 MPa effectifs (100 psig). Les débits et les vitesses du carburant et de l'oxygène secondaire sont identiques à ceux des tests indiqués précédemment. Lorsque la longueur de l'extension est réduite à moins de 1,27 cm (0,5 pouce), le blindage de flamme présente des instabilités dues à des retours de flamme avec la configuration décalée ou non alignée et la longueur des jets cohérents chute notablement d'environ 127 cm (50 pouces) à moins de 101,6 cm 

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 (40 pouces).

   Cependant, avec la configuration alignée de l'invention, l'enveloppe de flamme reste stable et la longueur des jets cohérents se maintient à environ 127 cm (50 pouces) même sans extension sur la lance. 



  [0027] Bien que l'invention ait été décrite en détail en se référant à certaines formes de réalisation préférées, l'expert en la technique reconnaîtra qu'il existe d'autres formes de réalisation de l'invention dans l'esprit et le cadre des revendications.

Claims

REVENDICATIONS 1.- Procédé pour établir au moins un jet de gaz cohérent (5) comprenant : (A) l'éjection d'au moins un jet de gaz (5) d'au moins une buse (2) logée dans une lance (3) ayant une face de lance (6), ladite face de lance (6) ayant un premier anneau (30) d'orifices autour de ladite au moins une buse (2) et un second anneau (31) d'orifices autour de ladite au moins une buse (2) et espacé radialement dudit premier anneau (30) d'orifices, chaque orifice du second anneau (31) d'orifices étant aligné avec un orifice du premier anneau (30) d'orifices;

(B) l'éjection de carburant de l'un des anneaux d'orifices (30,31) et l'éjection d'oxydant de l'autre anneau d'orifices (31,30), où ledit au moins un jet de gaz (5) et le carburant et l'oxydant sont éjectés de la lance (3) directement dans un volume d'injection (7) sans passer par une zone de remise en circulation formée par une extension sur la lance (3); et (C) la combustion du carburant et de l'oxydant éjectés du premier et du second anneau d'orifices (30, 31) pour produire une enveloppe de flamme (24) autour dudit au moins un jet de gaz (5).
2. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel le ou les jets de gaz (5) éjectés de la lance (3) ont une vitesse supersonique.
3. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une pluralité de jets de gaz (5) sort de la lance (3). <Desc/Clms Page number 14>
4. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vitesse du carburant et de l'oxydant éjectés du premier et du second anneaux d'orifices (30,31) est sonique.
5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la vitesse du carburant et de l'oxydant éjectés du premier et du second anneaux d'orifices (30,31) est supersonique.
6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque jet de gaz (5) et le carburant et l'oxydant sont éjectés de la lance (3) dans un four de métal fondu.
7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque jet de gaz (5) se déplace sur une distance d'au moins 20d, où d est le diamètre de sortie de la buse (4) par laquelle passe le jet de gaz (5), tout en maintenant le diamètre dudit jet de gaz (5) sensiblement constant.
8. - Lance à jets cohérents (3) comprenant : (A) une lance (3) ayant une face de lance (6) et ayant au moins une buse (2) ayant une ouverture (4) sur la face de lance (6) et n'ayant pas d'extension pour former une zone de remise en circulation adjacente à la face de lance (6); (B) un premier anneau (30) d'orifices autour de l'ouverture ou des ouvertures (4) de la buse (2) et un second anneau (31) d'orifices espacé radialement du premier anneau (30) d'orifices autour de l'ouverture ou des ouvertures (4) de la buse (2), chaque orifice du second anneau (31) d'orifices étant aligné avec un orifice du premier anneau (30) d'orifices ; <Desc/Clms Page number 15> (C) un moyen pour délivrer du carburant à un des anneaux d'orifices (30,31) et un moyen pour délivrer un oxydant à l'autre anneau d'orifices (31, 30) .
9. - Lance à jets cohérents selon la revendication 8, ayant une pluralité de buses (4).
10. - Lance à jets cohérents selon la revendication 8 ou 9, dans laquelle chaque buse (4) diverge d'un certain angle depuis la ligne centrale de la lance (3).