BE1015533A5

BE1015533A5 - Systeme de jets coherents avec enveloppe de flammes annulaire unique.

Info

Publication number: BE1015533A5
Application number: BE2003/0314A
Authority: BE
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2005-05-03

Abstract

Lance (3) à jets cohérents et procédé de fonctionnement, dans lesquels le besoin d'une extension de lance (3) est éliminé en utilisant un seul anneau d'orifices pour délivrer des gaz (5) d'enveloppe de flamme autour des jets de gaz primaires pour maintenir les jets de gaz cohérents.

Description


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   Système de jets cohérents avec enveloppe de flammes annulaire unique. 



  Domaine de l'invention. 



  [0001] La présente invention concerne en général la technologie des jets cohérents. 



  Etat de la technique. 



  [0002] Une avancée significative récente dans le domaine de la propulsion de gaz par une lance est le développement de la technologie des jets cohérents décrite, 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 par la combustion d'un carburant et d'un oxydant éjectés de la lance, respectivement, de deux anneaux d'orifices, 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 des jets cohérents est la distribution d'oxygène pour une utilisation dans des installations de fabrication d'acier, telles que des fourneaux à arc électrique et des fourneaux à oxygène pur. 



  [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 rude, tel qu'un fourneau à oxygène pur. 



  [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   pbjets   précités et d'autres objets, qui apparaîtront à   l' expert   en la technique à la lecture de 

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 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 anneau d'orifices autour de ladite au moins une buse ; (B) l'éjection de carburant d'un premier jeu d'orifices dudit anneau et l'éjection d'oxydant d'un second jeu d'orifices dudit anneau ;   (C) la combustion du carburant et de l'oxydant   éjectés du premier et du second jeu d'orifices dudit anneau 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 ; (B) un anneau d'orifices sur la face de lance autour de la ou des ouvertures de buse ;   (C) un moyen pour délivrer un carburant à un   premier jeu d'orifices dudit anneau et un moyen pour délivrer un oxydant à un second jeu d'orifices dudit anneau. 



  [0009] Tel qu'il est utilisé dans la demande, le terme "face de lance" désigne la surface d'une lance s'appuyant sur un volume d'injection. 



  [0010] Tel qu'il est utilisé dans la demande, le terme "jet cohérent" désigne un jet de gaz qui est formé 

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



  [0011] Tel 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. 



  [0012] 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. 



  [0013] 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. 



  [0014] L'invention sera décrite en détail avec référence aux dessins. 



  [0015] Avec référence à présent aux Fig. 1,2 et 3, on fait passer du gaz, comme montré par la flèche d'écoulement 1, à travers au moins une buse 2, de 

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 préférence une buse convergente/divergente et, ensuite, hors de la lance 3 par une ou des ouvertures 4 de la buse sur la face de lance 6 pour former un ou des courants 5 de jets de gaz cohérents   dans'  le volume d'injection 7. Typiquement, la vitesse du ou des courants de gaz 5 se situe dans la plage de 700 à 3000 pieds par seconde (fps). De préférence, la vitesse du ou des courants 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 les 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 fourneau producteur de métal, tel qu'un fourneau de fabrication d'acier. Mieux encore, lorsqu'on utilise une pluralité de buses, chaque buse diverge des autres et de l'axe central de la lance. 



  [0016] 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 hydrocarbonés. On peut utiliser également des mélanges comprenant deux gaz ou plus, par exemple de l'air, comme un gaz de ce type dans la pratique de l'invention. 



  [0017] Un anneau 20 d'orifices est disposé sur la face de lance autour de   l'ouverture   ou des ouvertures 4 

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 de la buse. L'anneau 20 est, de préférence, un cercle ayant un diamètre de 3,81 cm (1,5 pouce) à   40,64   cm (16 pouces). Généralement, l'anneau 20 comprendra 12 à 48 orifices. Chaque orifice est, de préférence, un cercle ayant un diamètre dans la plage de 0,12 cm (0, 05 pouce) à   1,27   cm (0, 5 pouce). Mieux encore, comme illustré dans les dessins, l'anneau d'orifices se situe dans une cavité ou une rainure 21 sur la face de lance 6.

   Typiquement, la cavité 21 a une profondeur dans la plage de 0,12 cm (0,05 pouce) à 5,08 cm (2 pouces) et une largeur dans là   plage   de 0/12   qui   (0,05 pouce) à   1,27  cm   (0,5   pouce). 



  [0018] Le carburant est délivré à un premier jeu d'orifices 22 sur l'anneau 20 et l'oxydant est délivré à un second jeu' d'orifices 23 sur l'anneau 20. De préférence, comme illustré dans la Fig. 1, le premier jeu d'orifices 22 alterne avec le second jeu d'orifices 23 sur l'anneau 20 de sorte que chaque orifice de carburant 22 ait deux orifices d'oxydant 23 adjacents de chaque côté de cet orifice de carburant et que chaque orifice d'oxydant 23 ait deux orifices de carburant 22 adjacents de chaque côté de cet orifice d'oxydant. Le carburant et l'oxydant sont éjectés de la lance 3 par leurs orifices respectifs dans   le   volume d'injection 7. 



  La vitesse du carburant et de l'oxydant éjectés de l'anneau d'orifices peut être subsonique, mais est, de préférence, une vitesse   sonique.   La vitesse sonique du carburant et de l'oxydant éjectés empêche mieux les matériaux étrangers rejetés d'entrer dans les orifices et de les obstruer, ce qui est particulièrement important lorsque l'invention est utilisée dans un 

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 environnement difficile, tel qu'un fourneau 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. 



  [0019] Le carburant éjecté des orifices 22 est de préférence gazeux et peut être un carburant quelconque, tel que le méthane ou du gaz naturel. L'oxydant éjecté des orifices 23 peut être de l'air, de l'air enrichi à l'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. 



  [0020] Le carburant et l'oxydant éjectés 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 fourneau de métal fondu. L'enveloppe de flamme 24 autour des courants de gaz 5 sert à empêcher l'aspiration du gaz ambiant dans les courants de gaz, 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.

   En fait, l'enveloppe de flamme ou le blindage de flamme 24 sert à établir et à maintenir les courants de gaz 5 sous la forme de jets cohérents sur une distance d'au moins 20d de la sortie de buse respective. 

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  [0021] Un avantage significatif de l'invention est 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 a été utilisée pour former une zone de remise en circulation protégée adjacente à la face de lance pour améliorer l'allumage et la combustion des gaz du blindage de flamme, qui sont injectés dans cette zone de remise en circulation protégée, améliorant ainsi la cohérence des jets de gaz. Si l'utilisation de cette extension de gaz 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, néanmoins, la cohérence améliorée observée avec l'utilisation d'une extension de lance est encore obtenue. 



  [0022] Des tests ont été effectués pour évaluer l'efficacité de l'invention en utilisant un nombre de modèles différents pour l'acheminement de gaz au blindage de flamme. 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 la distribution 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 

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 principal. Les tests sont présentés ci-dessous à titre illustratif et ne sont pas censés être limitatifs. 



  [0023] Des tests ont été effectués pour évaluer l'efficacité de l'invention et pour mieux comprendre le rôle de l'espacement des orifices de gaz naturel (GN) et des orifices d'oxydant. Les tests sont effectués en maintenant le nombre d'orifices du blindage constant à un total de 16 (8 de GN et 8 d'oxydant) tout, en faisant varier l'espacement des orifices en changeant le diamètre du cercle des orifices. Le diamètre du cercle de la buse principale est maintenu constant. Des rainures annulaires sont testées pour favoriser la stabilisation de la flamme. Ci-dessous, le rapport de méplat (LR) est défini comme l'espacement entre les périmètres des orifices (méplat) divisé par la somme des rayons des orifices, LR = entre-orifices/(RSO   +   RGN).

   Dans chaque test, le carburant et l'oxydant sont délivrés à travers des orifices alternés sur l'unique anneau d'orifices autour des buses. 



  Modèles d'injecteur : - L'injecteur n  1 est un modèle à 16 orifices au total. Le diamètre de cercle est de 5,4 cm (2,125 pouces). Le rapport d'aspect LR est égal à   0,67.   



   - L'injecteur n  2 est un modèle à 16 orifices au total. Le diamètre de cercle est de 8,25 cm (3,25 pouces). Le LR est de 1,56. 



   - L'injecteur n  3 est un modèle à 16 orifices au total. Le, diamètre de cercle est de 10,8 cm (4,25 pouces). Le LR est de 2,34. 



  Conditions : 

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 Conditions : - Oxygène principal = 1132 mètres (40 000 pieds) cubes standard par heure (scfh) d'oxygène (pression d'alimentation manométrique de   @   1,137 Mpa (165 psig)). 



   - Buses principales = rapport de 0, 96 cm   (0,38   pouce) / 0,66 cm (0,26 pouce) du diamètre de sortie au diamètre de l'étranglement, divergence   .angulaire =  
12 . 



   - Vitesse du   GN =   204 m/s (670 fps) (à 142 m3 standard/h (5000 scfh)). 



   - Vitesse de l'oxygène secondaire = 97 m/s (320 fps) (à 113 m3 standard/h (4000 scfh)). 



   - Pas d'extension de remise en circulation. 



   - Rainures = 0,71 cm (0,281 pouce) de largeur x
0,635 cm (0,25 pouce) de profondeur. 



  [0024] Injecteur n  1 : Pour un écoulement de GN constant de 142 m3 standard/h (5000 scfh), d'excellents jets cohérents sont obtenus, typiquement de 50,8 cm (20 pouces), ce qui dépasse la longueur du modèle classique à deux anneaux. La flamme est stable dans une large plage de conditions. Cet injecteur n'est pas testé avec une rainure annulaire. 



  [0025] Injecteur n  2 : Sans rainure, la longueur des jets cohérents diminue légèrement en comparaison de l'injecteur n  1. Lorsqu'une rainure est ajoutée, la longueur des jets cohérents s'améliore et dépasse les résultats obtenus avec l'injecteur n  1. 



  [0026] Injecteur n  3 : Sans rainure, la longueur des jets cohérents ést sensiblement réduite. La flamme opère en mode relevé, ce qui entraîne des jets cohérents plus 

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 courts. L'addition d'une rainure stabilise le blindage, ce qui entraîne une récupération complète de la longueur des jets cohérents. 



  [0027] Dans le but d'éliminer éventuellement l'obstruction des orifices du blindage dans un fourneau à oxygène pur, des tests sont effectués pour observer si les orifices pourraient opérer dans des conditions d'écoulement sonique. Plusieurs modèles à anneau unique sont testés. Les orifices de gaz naturel et d'oxygène secondaire sont dimensionnés pour opérer à Mach 1 lorsque les débits de gaz naturel et d'oxygène secondaire sont de 142 m3 standard/h (5000 scfh) et de 113 m3 standard/h (4000 scfh), respectivement. Des rainures annulaires de différentes profondeurs sont ajoutées pour stabiliser le blindage de flamme. 



  Modèles d'injecteur : - L'injecteur n  4 est un modèle à anneau unique à 32 orifices au total. Les diamètres des orifices de GN et d'oxygène secondaire sont de 0,25 cm (0,10 pouce). Le diamètre de l'anneau est de
5,08 cm (2;0 pouces) et le LR est égal à 2,44 cm (0,96 pouce). 



   - L'injecteur n  5 est un modèle à anneau unique à 24 orifices au total. Les diamètres des orifices de GN et d'oxygène secondaire sont de 0,30 cm (0,115 pouce). Le diamètre de l'anneau est de
5,08 cm (2,0 pouces) et le LR est égal à 3,25 cm (1,28 pouce) . 



   - L'injecteur n  6 est un modèle à anneau unique à 16 orifices au total. Les diamètres des orifices de GN et d'oxygène secondaire sont de 0,36 cm 

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 (0,141 pouce). Le diamètre de l'anneau est de 
5, 08 cm (2, 0 pouces) et le LR est égal à 4, 55 cm   (1,79   pouce). 



   L'injecteur n  7 est un modèle à anneau unique à 32 orifices au total. Les diamètres des orifices de GN et d'oxygène secondaire sont de 0,25 cm (0,10 pouce). Le diamètre de l'anneau est de 
6, 98 cm   (2,75   pouces) et le LR est égal, à 4,318 cm (1,70 pouce). 



  Conditions : - Oxygène principal = 1132   m3 standard/h   (40 000 scfh) d'oxygène (pression manométrique d'alimentation de 
1, 137 Mpa (165 psig) ) . 



   - Buses = Rapport 0,96 cm (0,38 pouce)/0,66 cm (0,26 pouce) du diamètre de sortie au diamètre d'étranglement, divergence angulaire = 12 . 



   - Vitesse de GN = 415 m/s (1364 fps) (Mach 1) (à 
142 m3 standard/h (5000 scfh)). 



   - Vitesse d'oxygène secondaire = 299 m/s (982 fps) (Mach 1) (à 113 m3 standard/h (4000   scfh)).   .'\..      



   - Pas d'extension - Taille de la rainure = variée (largeur x profondeur) . 



  [0028] Injecteur n  4 : Sans rainure, la longueur des jets cohérents est médiocre, ce qui est le résultat d'une flamme détachée. De bons jets cohérents sont obtenus pour les rainures de   l,25Dxl,25D   et 1,25Dx2D. 



  [Notation des rainures = largeur x profondeur ; D = diamètre de l'orifice]. 



  [0029] Injecteur n    5 :   Sans rainure, la lance est difficile à allumer (instable). De bons jets cohérents 

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 sont obtenus pour les rainures de lDxlD, lDxl,5D et lDx2D. 



  [0030] Injecteur n    6 :   Sans rainure, la lance est très difficile à allumer; les longueurs des jets cohérents sont essentiellement les valeurs sans blindage. La rainure stabilise la combustion du blindage ; cependant, des jets cohérents relativement médiocres sont obtenus même avec une rainure assez profonde de lDx2D. 



  [0031] Injecteur n  7 Sans rainure, des jets cohérents médiocres sont obtenus. De bons jets cohérents sont obtenus avec une rainure de l,25Dxl,25D. 



  [0032] Bien que l'invention ait été décrite en détail avec référence 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 ciannexées.

Claims

REVENDICATIONS.

1.- 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 anneau d'orifices autour de ladite au moins une buse; (B) l'éjection de carburant d'un premier jeu d'orifices dudit anneau et l'éjection d'oxydant d'un second jeu d'orifices dudit anneau ; et(C) la combustion du carburant et de l'oxydant éjectés du premier et du second jeu d'orifices dudit anneau pour produire une enveloppe de flamme autour dudit au moins un jet de gaz.

2. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel une pluralité de jets gazeux est éjectée de la lance.

3. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel le carburant et l'oxydant sont éjectés du premier jeu . d'orifices et . du second jeu. d'orifices, respectivement, qui alternent sur l'anneau d'orifices.

4. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel 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 à travers une zone de remise en circulation formée par une extension sur la lance.

5. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un jet de gaz se déplace sur une distance d'au moins 20d, où d est le diamètre de sortie <Desc/Clms Page number 15> de la buse dont ledit jet de gaz est éjecté, tout en maintenant le diamètre dudit jet de gaz sensiblement constant.

6. - 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 ; (B) un anneau d'orifices sur la face de lance autour de l'ouverture ou des ouvertures de la buse ; (C) un moyen pour délivrer un carburant à un premier jeu d'orifices dudit anneau et un moyen pour délivrer un oxydant à un second jeu d'orifices dudit anneau ; premier et second jeux d'orifices étant orientés de telle sorte que le carburant et l'oxydant forment une enveloppe de flamme quand ils sont éjectés des orifices.

7.- Lance à jets cohérents selon la revendication 6, ayant une pluralité de buses.

8.- Lance à jets cohérents selon la revendication 6, dans laquelle l'anneau d'orifices se trouve dans une cavité sur la face de lance.

9.- Lance à jets cohérents selon la revendication 6, dans laquelle le premier jeu d'orifices alterne avec le second jeu d'orifices.

10. - Lance à jets cohérents selon la revendication 6 n'ayant pas d'extension pour former une zone de remise en circulation adjacente à la face de lance.