CN1459584A - 一种具有单个包络火焰环的相干射流系统 - Google Patents

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Abstract

一种相干喷管及其操作方法，其不需要设置喷管延伸部，利用单个孔口环在主气体射流周围喷出包络的燃烧气体，可保持气体射流相干。

Description

一种具有单个包络火焰环的相干射流系统
技术领域
本发明总的来讲涉及相干射流技术。
背景技术
在气体射流领域的最新重大进展是相干射流技术的进步，如Anderson等人在美国专利No.5,814,125及No.6,171,544所公开的技术。在实施这种技术时，从喷管的一个或多个喷嘴中喷出的一股或多股高速气体射流利用沿高速气体射流周围的包络火焰可在相对较长的距离上保持相干。包络火焰是通过燃烧分别从喷管的两个围绕高速气体射流喷嘴的孔口环，内环和外环，喷出的燃料和氧化剂而形成的。一般地，包络火焰的燃料从内孔口环喷出，包络火焰的氧化剂从外孔口环喷出。喷管周边的延伸部形成保护环流区，高速气体射流和包络火焰流从喷嘴和孔口进入环流区。环流区使喷出的流体产生环流，可提高点燃性和包络火焰的稳定性，因此可提高高速气体射流相干性和长度。相干的气体射流可用来从距液体表面较大的距离的位置输送气体进入液体，如熔化的金属。这种相干射流技术的一个非常重要的应用是在炼钢操作中提供氧气，比如电弧炉和氧气顶吹转炉炼钢。
尽管较早的相干射流系统通过设置环流延伸部得到改进，但由于需要对端部进行水冷，带来了一些涉及喷管设计和喷管寿命的问题。当相干射流系统用于非常恶劣的环境时，这些问题非常突出，如进行氧气顶吹转炉炼钢时。
因此，本本发明的目的是提出一种能够形成有效的相干气体射流的系统，不需要设置喷管延伸部或其他元件来建立喷管喷出气体的环流区。
发明内容
通过阅读本说明，所属领域的技术人员将对本发明的上述和其他目的有清楚的了解。本发明的一个方面是：
一种形成至少一股相干气体射流的方法，包括：
(A)从至少一个喷管的喷嘴喷出至少一股气体射流，所述喷管具有喷管表面，所述喷管表面具有围绕所述至少一个喷嘴的孔口环；
(B)燃料从所述环的第一组孔口喷出，氧化剂从所述环的第二组孔口喷出；
(C)从所述环的第一和第二组孔口喷出的燃料和氧化剂燃烧，在所述至少一股气体射流周围产生包络火焰。
本发明的另一方面是：
一种相干喷管，包括：
(A)喷管，其具有喷管表面和至少一个喷嘴，所述喷嘴在所述喷管表面有开口；
(B)所述喷管表面上的孔口环，其围绕所述喷嘴开口；和
(C)提供燃料到所述环的第一组孔口的机构，和提供氧化剂到所述环的第二组孔口的机构。
本文所用的术语“喷管表面”是指与喷射空间接触的喷管表面。
本文所用的术语“相干射流”是指从喷嘴喷出气体所形成的气体射流，其具有沿至少为20d的长度分布的速度和动量，其中d是喷嘴的外径，该速度和动量类似于从喷嘴喷出时的速度和动量分布。还有另一种说明相干射流的方式，这是一种其直径在至少20d的距离上没有变化或变化很小的气体射流。
本文所用的术语“长度”当涉及到相关气体射流时是指从喷出气体的喷嘴到相干气体射流预计的碰撞点的长度，或到达气体射流不再相干的位置的长度。
附图说明
图1是喷管表面的优选实施例的顶视图；
图2喷管的优选实施例的剖视图，其具有可用于实现本发明的喷管表面；和
图3显示了使用中的图1和图2所示本发明的实施例。
附图中的数字对于相同的元件是相同的。
具体实施方式
参考附图对本发明进行详细介绍。
现在参考附图1、2和3，由箭头1表示的气体穿过至少一个喷嘴2，最好是会聚/发散喷嘴，然后通过喷管表面6的一个喷嘴开口或多个开口4从喷管3喷出，在喷射空间7形成一股相干的气体射流或多股射流5。一般地，气流5的速度在700到3000英尺/秒(fps)的范围内。气流5的速度最好在从喷管表面喷出时是超音速的，并在至少20d的距离上保持超音速。尽管附图显示的实施例使用了四个分别通过四个喷嘴从喷管喷出的相干气体射流，在实施本发明中，通过喷嘴从喷管喷出的气体射流的数目可以在1到6个范围内。相干气体射流喷入的喷射空间最好是冶炼金属的炉子，比如炼钢炉。当使用多个喷嘴时，每个喷嘴最好是与喷管的中心线并且互相之间倾斜一个角度。
在实施本发明中，任何有效气体都可以用作形成一股相干射流或多股射流的气体，在这些气体中，可选氧气、氮气、氩气、二氧化碳、氢气、氦气、水蒸汽和碳氢化合物气体。另外包含两种或多种气体的混合物，如空气，也可以用作本发明的射流气体。
孔口环20位于喷管的表面上，围绕一个喷嘴开口或多个喷嘴开口4。环20最好是环状的，其直径在1.5到16英寸的范围。环20一般包括12到48个孔口。各个孔口最好是圆的，其直径在0.05到0.5英寸的范围内。如图所示，孔口环最好位于喷管表面6的凹进部分或槽21中。一般地，凹进部分21的深度在0.05到2英寸的范围，宽度在0.05到0.5英寸的范围内。
燃料供应到环20的第一组孔口22，氧化剂供应到环20的第二组孔口23。如图1所示，第一组孔口22最好与第二组孔口23交错设置，使每个燃料孔口22的两侧各有一个氧化剂孔口23，各个氧化剂孔口23的两侧各有一个燃料孔口。燃料和氧化剂从喷管3的各个孔口射流入喷射空间7。从环部分喷出的燃料和氧化剂的速度可以是亚音速，但最好是达到音速。音速的喷出燃料和氧化剂可强化排除外部物质进入和堵塞孔口的作用，当本发明用于恶劣的环境，比如炼钢炉时，这是非常重要的。如果需要，喷出燃料和氧化剂的速度可以是超音速，具有大于马赫数1不超过马赫数2的速度。
从孔口22喷出的燃料最好是气态的，可以是任何燃料，如甲烷和天然气。从孔口23喷出的氧化剂可以是空气、富氧的空气，其氧浓度超过空气所含氧气浓度；商业化氧气，其氧浓度为至少90克分子％。氧化剂最好是流体，具有至少25克分子％的浓度。
从喷管喷出的燃料和氧化剂形成围绕气体射流5的包络气体，其燃烧后在喷射空间，如金属熔炼炉，形成围绕气体射流5的包络火焰或火焰罩24。围绕气流5的包络火焰24可防止周围的气体抽入气流中，因此可防止气流的速度急速下降和防止气流的直径急速减少，至少在距各个喷嘴出口的20d的距离内不能下降。即，包络火焰或火焰罩24用于建立气流并至少在从各个喷嘴出口的20d的距离内保持气流5为相干射流。
本发明的重大优点是喷管能够形成有效的相干气体射流，喷管无需设置延伸部。目前，喷管延伸部已经用来形成靠近喷管表面的保护环流区，以提高进入保护环流区的火焰罩气体的点燃性和燃烧性，因此提高了气体射流的相干性。尽管使用这种喷管延伸部是对原来的相干气体射流的重大改进，但使用这种延伸部存在一些问题。在实施本发明中，从喷管喷出的气体直接进入喷射空间，无需通过喷管延伸部形成的保护区或环流区，仍能实现使用喷管延伸部所实现的提高相干性。
对供应火焰罩气体的不同设计进行了实验以评估本发明的有效性。实验所用的燃料是天然气，实验所用氧化剂的氧浓度为99克分子％，其称作二次氧。在各次实验中，喷管有四个形成气体射流的喷嘴，形成气体射流的气体是氧气，纯度为99克分子％，可称作主氧。实验的结果显示如下，其只是以说明为目的，不能视为对本发明的限制。
进行了实验以评估本发明的有效性和更好地了解间隔开的天然气(NG)和氧化剂孔口的作用。实验中保持火焰罩孔口的数目不变，总共为16个(8个天然气和8个氧化剂)，只是通过改变孔口圆直径来变化孔口的间距。主喷嘴的直径保持不变。进行了可提高火焰稳定性的环形槽实验。下面，实地比(Land radio，LR)定义为孔口边之间的间距被孔口半径之和来除，LR＝间距/(Rso+RNG)。在各次实验中，燃料和氧化剂通过围绕喷嘴的单个孔口环上的交错孔口来提供。射流器设计：
射流器#1是有16个孔口的设计。圆直径是2.125英寸。实地比LR＝0.67。
射流器#2是有16个孔口的设计。圆直径是3.25英寸。实地比LR＝1.56。
射流器#3是有16个孔口的设计。圆直径是4.25英寸。实地比LR＝2.34。实验条件
主氧＝40,000标准立方尺/小时(scfh)的氧气(压力为165磅/平方英寸)
主喷嘴＝0.38英寸/0.26英寸(出口与管路直径)偏斜角度为12°。
天然气速度＝670英尺/秒(5000标准立方英尺/小时)
二次氧速度＝320英尺/秒(4000标准立方英尺/小时)
未设置环流延伸部
槽＝0.281英寸宽×0.25英寸深。
射流器#1：对恒定的5000标准立方英尺/小时的天然气流量，可得到优良的相干射流，典型长度为20英寸，超过了传统的双环设计的射流长度。火焰在很宽的条件下保持稳定。该射流器未进行环形槽实验。
射流器#2：未设置环形槽，与射流器#1相比相干射流长度稍微下降，当设置环形槽时，相干射流长度提高，并超过射流器#1的结果。
射流器#3：未设置环形槽，相干射流长度大体上是缩短，火焰具有上升模式，使相干射流长度缩短，当设置环形槽稳定火焰罩时，可导致相干射流长度完全恢复。
为了实现可能的免去火焰罩孔口插入氧气顶吹转炉的目标，进行了实验以观察孔口是否能够在音速流动状态下工作。对多种环的设计进行了实验。天然气和二次氧气孔口的尺寸加工成可在1马赫数工作，天然气和二次氧气的流量分别为5000标准立方英尺/小时和4000标准立方英尺/小时。设置了不同深度的环形槽以稳定火焰罩。射流器设计：
射流器#4是共有32个孔口的单环设计。天然气和二次氧孔口直径是0.10英寸。环直径＝2.0英寸，实地比LR＝0.96英寸。
射流器#5是共有24个孔口的单环设计。天然气和二次氧孔口直径是0.115英寸。环直径是2.0英寸。实地比LR＝1.28英寸。
射流器#6是共有16个孔口的单环设计。天然气和二次氧孔口直径是0.141英寸。环直径是2.0英寸，实地比LR＝1.79英寸。
射流器#7是共有32个孔口的单环设计。天然气和二次氧孔口直径是0.10英寸。环直径是2.75英寸，实地比LR＝1.70英寸。实验条件
主氧＝40,000标准立方尺/小时(scfh)的氧气(压力为165磅/平方英寸)
喷嘴＝0.38英寸/0.26英寸(出口与管路直径)，偏斜角度为12°。
天然气速度＝1364英尺/秒(马赫数1)(5000标准立方英尺/小时)
二次氧速度＝982英尺/秒(马赫数1)(4000标准立方英尺/小时)
未设置延伸部
槽尺寸＝不同的(宽×深)。
射流器#4：未设置槽，相干射流长度很短，是由分离火焰造成。在设置1.25D×1.25D和1.25D×2.0D的槽时得到很好的相干射流(槽用宽度×长度表示，D为孔口直径)。
射流器#5：未设置槽，喷管难以点燃(不稳定)。在设置1.0D×1.0D，1.0D×1.5D和1.0D×2.0D的槽时得到很好的相干射流。
射流器#6：未设置槽，喷管难以点燃，相干射流长度基本上为无火焰罩的数值，槽可稳定火焰罩燃烧，但具有较差的相干射流，即使使用相当深的1.0D×2.0D的槽。
射流器#7：未设置槽，相干射流很差，在设置1.25D×1.25D的槽时得到很好的相干射流
通过参考一些优选的实施例对本发明进行的详细介绍，所属领域的技术人员可认识到，在不脱离所附权利要求的精神实质和范围的情况下，本发明可具有其他的实施方式。

Claims (10)

1.一种形成至少一股相干气体射流的方法，包括：
(A)从至少一个喷管的喷嘴喷出至少一股气体射流，所述喷管具有喷管表面，所述喷管表面上具有围绕所述至少一个喷嘴的孔口环；
(B)燃料从所述环的第一组孔口喷出，氧化剂从所述环的第二组孔口喷出；
(C)从所述环的第一和第二组孔口喷出的燃料和氧化剂燃烧，在所述至少一股气体射流周围产生包络的火焰。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，有多股气体射流从所述喷管喷出。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料和氧化剂分别从所述第一和第二组孔口喷出，所述第一和第二组孔口在所述孔口环上是交错的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一股气体射流、所述燃料和所述氧化剂从所述喷管直接喷射到喷射空间，无需经过所述喷管延伸部形成的环流区。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一股气体射流喷出至少20d的距离，其中d是所述气体射流通过的喷嘴的出口直径，并保持所述气体射流的直径基本不变。
6.一种相干喷管，包括：
(A)喷管，其具有喷管表面和至少一个喷嘴，所述喷嘴在所述喷管表面上有开口；
(B)所述喷管表面上的孔口环，其围绕所述喷嘴开口；
(C)提供燃料到所述环的第一组孔口的机构，和提供氧化剂到所述环的第二组孔口的机构。
7.根据权利要求6所述的相干喷管，其特征在于，所述喷管具有多个喷嘴。
8.根据权利要求6所述的相干喷管，其特征在于，所述孔口环位于所述喷管表面的凹进部分。
9.根据权利要求6所述的相干喷管，其特征在于，所述第一组孔口与所述第二组孔口是交错的。
10.根据权利要求6所述的相干喷管，其特征在于，所述喷管没有可形成位于所述喷管表面附近的环流区的延伸部。
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