DE60004424T2

DE60004424T2 - Lanze mit kohärentem Mehrfachstrahl

Info

Publication number: DE60004424T2
Application number: DE60004424T
Authority: DE
Inventors: John Erling Somers Anderson; Dennis Robert Bethel Farrenkopf; Richard Thomas Semenza; Pravin Chandra Dobbs Ferry Mathur; William John Dobbs Ferry Mahoney
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: ATE247255T1; KR20010014673A; AU2517500A; BR0001522A; NO20001677D0; TW526099B; TR200000872A3; EP1041341A1; NO322546B1; CN1269425A; NO20001677L; ZA200001650B; US6171544B1; ID25440A; TR200000872A2; CA2303650A1; ES2199718T3; EP1041341B1; PL339357A1; CA2303650C

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Strömung von Gas. Die Erfindung ermöglicht die Strömung von mehr als einem Gasstrom aus einer einzelnen Lanze, sodass die Gasströme über eine erweiterte Strecke hinweg nahe beieinander fließen und zugleich getrennt voneinander bleiben.
Hintergrund der Erfindung
Die Bereitstellung einer Gasströmung ist oft erwünscht. Eine Gasströmung kann beispielsweise aus einem oder mehreren Gründen in eine Flüssigkeit injiziert werden. Ein reaktives Gas kann in eine Flüssigkeit injiziert werden, um mit einer oder mehreren Komponenten der Flüssigkeit zu reagieren, wie z.B. die Injektion von Sauerstoff in schmelzflüssiges Eisen, um mit Kohlenstoff in dem schmelzflüssigen Eisen zu reagieren, damit das Eisen entkohlt und dem schmelzflüssigen Eisen Wärme bereitgestellt wird. Sauerstoff kann in andere schmelzflüssige Metalle wie z.B. Kupfer, Blei und Zink für Schmelz- oder Raffinierzwecke oder in eine wässrige Flüssigkeit oder eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit injiziert werden, um eine Oxidationsreaktion auszuführen. Ein nicht-oxidierendes Gas wie z.B. ein inertes Gas kann in eine Flüssigkeit injiziert werden, um diese umzurühren, damit beispielsweise eine bessere Temperatur- oder Komponentenverteilung durch die Flüssigkeit hinweg unterstützt wird.
Manchmal ist es erwünscht, dass der Gasstrom über eine erweiterte Strecke hinweg mit einer hohen Geschwindigkeit wie z.B. einer Überschallgeschwindigkeit strömt. Dies kann durch das Umgeben des Gasstroms in einer Flammenhülle erfolgen. Die Flammenhülle hält das Umgebungsgas davon ab, in den Gasstrom eingesaugt zu werden, und führt zu der Bereitstellung eines kohärenten Gasstroms, der über eine erweiterte Strecke hinweg ohne jede signifikante Abnahme in der Gasstromgeschwindigkeit oder ohne einen signifikanten Anstieg in dem Durchmesser des Gasstroms strömen kann.
In EP-A-0 498 378 und EP-A-0 866 140 ist eine Lanze zum Bereitstellen mehrerer kohärenter Gasstrahlen offenbart, versehen mit:

(A) einer Lanze mit einem Ende mit einer Mehrzahl von Düsen, wobei jede Düse eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist;
(B) jede Düseneinlassöffnung mit einer Gasquelle in Verbindung steht und jede Düsenauslassöffnung an der Stirnseite des Lanzenendes angeordnet ist;
(C) mindestens eine Ausstromanordnung an der Stirnseite am Lanzenende um die Mehrzahl von Düsenauslassöffnungen herum vorgesehen ist; und
(D) sich eine Verlängerung von der Stirnseite am Lanzenende aus erstreckt und ein Volumen ausbildet, mit dem jede der Mehrzahl von Düsenauslassöffnungen und der Ausstromanordnung(en) in Ver bindung steht.

Die Verwendung von mehr als einem Gasstrom in einem Arbeitsvorgang ist öfters erwünscht. Das Gas könnte für alle Gasströme das Gleiche sein oder für einen oder mehrere der Gasströme könnten unterschiedliche Gase benutzt werden. Zum Beispiel ist es in der Praxis von elektrischen Lichtbogenöfen oder von Sauerstoffaufblaskonvertern manchmal bevorzugt, Sauerstoff in das schmelzflüssige Metall an zwei oder mehreren Stellen anstatt an einer einzigen Stelle zu injizieren. Darüber hinaus kann es in der Praxis von elektrischen Lichtbogenöfen erwünscht sein, einen oder mehrere Gasströme für eine Gasinjektion in das schmelzflüssige Metall und weiterhin einen oder mehrere Gasströme dazu zu verwenden, Sauerstoff in den Kopfraum des Ofenbehälters für eine Nachverbrennung einzuführen.
Ist es in einer derartigen Praxis mit mehreren Gasströmen erwünscht, dass die Gasströme auch kohärent beschaffen sein sollen, wurde dies bisher durch die Verwendung einer getrennten Injektionslanze für jeden Gasstrom bewerkstelligt, wobei die Gasströme und die Fluide für die jeweiligen Flammenhüllen für jeden der Gasströme bereitgestellt werden. Obgleich ein derartiges mehrere Lanzen verwendendes System effektiv mehrere kohärente Gasströme bereitstellt, ist es kostspielig und schwierig zu verwenden. Diese Probleme nehmen mit der Anzahl an einzelnen Lanzen zu.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Systems zum Bereitstellen mehrerer kohärenter Strahlen, indem nur eine einzelne Injektionslanze erforderlich ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt ein Verfahren zum Bereitstellen mehrerer kohärenter Gasstrahlen von einer einzelnen Lanze ist, wobei im Zuge des Verfahrens:

(A) eine Lanze mit einem Ende mit einer Mehrzahl von Düsen bereitgestellt wird, wobei jede der Düsen eine Auslassöffnung zum Ausstoßen von Gas von der Düse aufweist;
(B) Gas in einem Strahl von jeder Düsenauslassöffnung herausgeleitet wird und eine Mehrzahl von Gasstrahlen gebildet wird, von denen jeder aus einer Düsenauslassöffnung herausströmt;
(C) Brennstoff und Oxidationsmittel in mindestens einem Strom von dem Lanzenende herausgeleitet werden, und der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel verbrannt wird, um eine Flammenhülle um die Mehrzahl von Gasstrahlen zu bilden; und
(D) der Strom jeder der Gasstrahlen über die Länge des Gasstrahls unterscheidbar gehalten wird.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Lanze zum Bereitstellen mehrerer kohärenter Gasstrahlen gemäß Anspruch 8.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bereitstellen mehrerer kohärenter Gasstrahlen aus einer einzelnen Lanze, versehen mit:

(A) einer Lanze mit einem Ende mit einer Mehrzahl von Düsen, wobei jede der Düsen eine Auslassöffnung aufweist,
(B) Gas in einem Strahl von jeder Düsenauslassöffnung herausgeleitet wird und eine Mehrzahl von Gasstrahlen gebildet wird, von denen jeder aus einer Düsenauslassöffnung herausströmt;
(C) Brennstoff in mindestens einem Strom von dem Lanzenende um die Mehrzahl der Gasstrahlen herum herausgeführt wird und der Brennstoff mit in den Brennstoffstrom bzw. die Brennstoffströme hineingezogener Luft verbrannt wird, um die Mehrzahl an Gasstrahlen herum eine Flammenhülle auszubilden; und
(D) der Strom jeder der Gasstrahlen über die Länge des Gasstrahls unterscheidbar gehalten wird.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "ringförmig" die Form eines Rings.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Flammenhülle" einen koaxial um mindestens einen anderen Gasstrom herum verbrennenden Strom.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Länge" mit der Bezugnahme auf einen Gasstrahl den Abstand von der Düse, aus welcher das Gas ausgestoßen wird, zu der beabsichtigten Auftreffstelle des Gasstrahls.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "unterscheidbar" mit der Bezugnahme auf einen Gasstrahl einen Gasstrahl, der nicht signifikant mit einem anderen Gasstrahl interagiert.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "enthaltene Sauerstoffdurchflussrate" die Oxidationsmittel-Durchflussrate mal dem prozentualen Sauerstoff in dem Oxidationsmittel geteilt durch 100. Zum Beispiel hat 283,17 m³/h (10.000 CFH) reiner Sauerstoff 283,17 m³/h (10.000 CFH) enthaltenen Sauerstoff und 283,17 m³/h (10.000 CFH) Luft hat etwa 59,47 m³/h (2.100 CFH) enthaltenen Sauerstoff.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform des End- oder Spitzenbereichs einer Lanze, die in der Praxis dieser Erfindung verwendet werden kann.
2 ist eine Stirnansicht des in 1 illustrierten Lanzenendes und zeigt die Stirnseite des Lanzenendes oder Spitzenbereichs.
3 ist eine Querschnittsansicht des in 1 illustrierten Lanzenendes im Betrieb.
4 und 5 sind graphische Darstellungen von unter Verwendung der Erfindung erhaltenen Testergebnissen und von einigen Vergleichsergebnissen.
6 ist eine graphische Darstellung von Testergebnissen, die unter Verwendung der in 7 in teilweisem Querschnitt illustrierten Ausführungsform der Erfindung erhalten wurden.
Die Bezugszeichen sind in den Zeichnungen für die allgemeinen Elemente die Gleichen.
Ausführliche Beschreibung
Die Erfindung wird ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Nun auf die 1 und 2 Bezug nehmend weist eine Lanze 1 einen End- oder Spitzenbereich 2 auf, der eine Mehrzahl von Düsen 3 beherbergt. 1 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, in der die Düsen jeweils konvergierende/divergierende Düsen sind. Jede der Düsen 3 verfügt über eine Einlassöffnung 4 und eine Auslassöffnung 5. Vorzugsweise und wie in den Figuren illustriert sind die Düsenauslassöffnungen kreisförmig, obgleich auch andere Formen wie z.B. elliptische Düsenöffnungen verwendet werden können. Die Einlassöffnungen 4 stehen jeweils mit einer Gasquelle in Verbindung. In der in 1 illustrierten Ausführungsform stehen alle Einlassöffnungen 4 mit der gleichen Gasquelle in Verbindung, wobei diese Quelle ein Gasdurchlass 6 innerhalb der Lanze 1 ist. Wahlweise können eine oder mehrere der Einlassöffnungen 4 mit einer weiteren Gasquelle in Verbindung stehen. Gas mit der gleichen Zusammensetzung könnte allen Düsen zugeführt werden, oder es könnten unterschiedliche Gase zu einer oder mehreren der Düsen geleitet werden. Tatsächlich könnte ein unterschiedliches Gas zu jeder der Düsen geführt werden. Unter den in der Praxis dieser Erfindung verwendbaren Gasen zum Ausstoßen aus einer Düse können Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff, Helium, gasförmige Kohlenwasserstoffe, andere gasförmige Brennstoffe und Gemische angeführt werden, die einen oder mehrere dieser Stoffe aufweisen.
Die Gasstrahlen können beim Ausstoß aus der Lanze mit jedem Winkel austreten. Die Figuren illustrieren bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Auf die 1 – 3 Bezug nehmend können die Düsen in dem Lanzenende ausgerichtet werden, wobei ihre Mittellinien parallel zu der Mittellinie der Lanze ausfallen. Wie in 1 dargestellt werden die Düsen in dem Lanzenende so ausgerichtet, dass ihre Mittellinien bezüglich der Mittellinie der Lanze bei einem nach außen verlaufenden Winkel A vorliegen. Der Winkel A kann bis zu 60° oder mehr betragen und liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0 bis 30° und am bevorzugtesten in dem Bereich von 0 bis 15°. Vorzugsweise liegt der Halsdurchmesser der Düsen in dem Bereich von 0,35 bis 7,62 cm (0,25 bis 3 inch) und der Durchmesser der Auslassöffnungen 5 liegt in dem Bereich von 0,76 bis 10,16 cm (0,3 bis 4 inch). Vorzugsweise bilden die Düsenmittellinien einen Kreis auf der Stirnseite 7 des Lanzenendes 2 mit einem Durchmesser D. Vorzugsweise beträgt D mindestens 1,02 cm (0,4 inch) und nicht mehr als 25,4 cm (10 inch ) und liegt am bevorzugtesten in dem Bereich von 1,27 bis 20,32 cm (0,5 bis 8 inch).
Falls erwünscht können die Düsen so ausgerichtet werden, dass ein oder mehrere Strahlen von der Lanze mit einem zu der Lanzenmittellinie nach innen liegenden Winkel ausgestoßen werden.
Gas wird von jeder der Düsenauslassöffnungen 5 vorzugsweise mit einer Überschallgeschwindigkeit ausgestoßen, die im allgemeinen in dem Bereich von 152,4 bis 3048 m/s (500 bis 10.000 Fuß pro Sekunden (fps)) liegt, um eine Mehrzahl von Gasstrahlen auszubilden, wobei jeder Gasstrahl nach außen von einer Düsenauslassöffnung ausströmt.
Das Lanzenende weist ebenfalls mindestens eine Ausströmungsanordnung und vorzugsweise eine ringförmige Ausströmungsanordnung auf, um mindestens einen Gasstrom aus der Düse heraus und vorzugsweise konzentrisch um die Mehrzahl von Gasstrahlen herum zu leiten. Der Gasstrom oder die Gasströme, die aus der Ausströmungsanordnung ausgestoßen werden, kann/können in jeder effektiven Form vorliegen und müssen nicht vollständig um die Mehrzahl von Gasstrahlen herum verlaufen. Bei der Verwendung einer ringförmigen Ausströmungsanordnung weist der konzentrische Gasstrom vorzugsweise ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel auf. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Injektionsanordnung nur Brennstoff bereitstellen, und das für die Verbrennung mit dem Brennstoff erforderliche Oxidationsmittel zur Ausbildung der Flammenhülle kann aus der in dem Brennstoffstrom oder den -strömen mitgerissenen Luft stammen. Vorzugsweise und wie in den 1 und 2 dargestellt weist das Lanzenende eine erste ringförmige Ausströmungsanordnung 8 und eine zweite ringförmige Ausströmungsanordnung 9 auf, um Brennstoff bzw. Oxidationsmittel in zwei konzentrischen Strömen aus der Lanze auszustoßen. Der Brennstoff kann jeder fluide Brennstoff wie z.B. Methan, Propan, Butylen, Erdgas, Wasserstoff, Kokosofengas oder Öl sein. Das Oxidationsmittel kann Luft oder ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration sein, die diejenige von Luft übertrifft. Vorzugsweise ist das Oxidationsmittel ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 Mol%, am bevorzugtesten mindestens 50 Mol%. Vorzugsweise wird der Brennstoff durch die erste ringförmige Ausströmungsanordnung und das Oxidationsmittel wird durch die zweite ringförmige Ausströmungsanordnung bereitgestellt, wenn Sauerstoff das aus den Düsen ausgestoßene Gas ist. Wird ein inertes Gas aus den Düsen ausgestoßen, wird das Oxidationsmittel vorzugsweise durch die erste ringförmige Ausströmungsanordnung und der Brennstoff wird durch die zweite ringförmige Ausströmungsanordnung zugeführt. Falls erwünscht können der Brennstoff und Oxidationsmittel unter Verwendung von drei ringförmigen Ausströmungsanordnungen bereitgestellt werden, wobei das Oxidationsmittel von der inneren und äußeren ringförmigen Ausströmungsanordnung und der Brennstoff von der mittleren ringförmigen Ausströmungsanordnung zugeführt wird. Obgleich eine der ringförmigen Ausströmungsanordnungen oder beide eine kontinuierliche Ringöffnung auf der Lanzenstirnseite 7, von welcher der Brennstoff oder Oxidationsmittel ausgestoßen wird, ausbilden können, bilden vorzugsweise und wie in 2 illustriert sowohl die erste wie die zweite ringförmige Ausströmungsanordnung eine Reihe von getrennten Öffnungen, z.B. kreisförmige Löcher, aus welchen die beiden konzentrischen Ströme von Brennstoff und Oxidationsmittel ausgestoßen werden. Die Ausströmungsanordnung muss Brennstoff und Oxidationsmittel nicht vollständig um die Gasstrahlen herum bereitstellen.
Die erste ringförmige Ausströmungsanordnung an der Stirnseite am Lanzenende bildet einen Ring um die Mehrzahl von Düsenauslassöffnungen und die zweite ringförmige Ausströmungsanordnung an der Stirnseite am Lanzenende bildet einen Ring um die erste ringförmige Ausströmungsanordnung herum aus. Der aus der ersten und zweiten ringförmigen Ausströmungsanordnung ausgestoßene Brennstoff und Oxidationsmittel verbrennen, um eine Flammenhülle um die Mehrzahl von Gasstrahlen herum auszubilden. Wenn die Umgebung, in die der Brennstoff und Oxidationsmittel injiziert werden, nicht heiß genug ist, damit sich das Gemisch selbst entzündet, ist eine getrennte Zündquelle erforderlich, um die Verbrennung auszulösen. Vorzugsweise bewegt sich die Flammenhülle mit einer Geschwindigkeit, die geringer als diejenige der Gasstrahlen ist und im allgemeinen bei einer Geschwindigkeit in dem Bereich von 30,48 bis 304,8 m/s (100 bis 1000 fps) vorliegt.
3 illustriert im Querschnitt die Flammenhülle um die kohärenten Strahlen 20 herum. In der Nähe der Lanzenstirnseite liegt eine einzelne Flammenhülle vor, wobei alle kohärenten Strahlen in der Flammenhülle enthalten sind, wie in 3 durch die Flammenhülle 21 dargestellt. In Abhängigkeit von dem Lanzenentwurf und den Betriebsbedingungen kann weiter stromab von der Lanzenstirnseite eine einzelne Flammenhülle beobachtet werden, wobei alle kohärenten Strahlen in ihr und/oder einzelne Flammenhüllen um jeden der kohärenten Strahlen enthalten sind. In 3 sind illustrativer Zwecke halber solche einzelnen Flammenhüllen dargestellt, die durch die Verbrennungsströme 21 und 22 repräsentiert sind.
Vorzugsweise und wie in 1 dargestellt erstreckt sich eine Verlängerung 10 mit einer Länge, die im allgemeinen in dem Bereich von 1,27 bis 15,24 cm (0,5 bis 6 Inch) liegt, von der Stirnseite am Lanzenende 7 aus und bildet ein Volumen 11, mit dem jede der Mehrzahl von Düsenauslassöffnungen 5, die erste ringförmige Ausströmungsanordnung 8 und die zweite ringförmige Ausströmungsanordnung 9 in Verbindung stehen und in dem sich jede der Mehrzahl von Gasstrahlen und die Flammenhülle um die Mehrzahl von Gasstrahlen herum anfänglich ausbildet. Das durch die Verlängerung 10 ausgebildete Volumen 11 begründet eine Schutzzone, die dazu dient, die Gasströme und den Brennstoff und Oxidationsmittel unmittelbar nach ihrem Ausströmen aus dem Lanzenende 2 zu schützen, wodurch dazu beigetragen wird, die Kohärenz für jeden Gasstrahl zu bewerkstelligen. Die Schutzzone induziert die Umwälzung des Brennstoffs und Oxidationsmittels um die Gasstrahlen und in einigen Fällen um jeden einzelnen Gasstrahl herum. Obgleich daher Brennstoff und Oxidationsmittel anfänglich nicht in das Volumen 11 vollständig um die Gasstrahlen herum bereitgestellt werden können, dienen die Umwälzung des Brennstoffs und Oxidationsmittels innerhalb der Schutzzone zur Sicherstellung, dass eine oder mehrere effektive Flammenhüllen ausgebildet werden, um somit eine Kohärenz für jeden Gasstrahl zu etablieren.
Die Strömung jedes Gasstrahls bleibt von der Strömung aller anderen aus den Düsenöffnungen der Lanze 1 herausgeführten Gasstrahlen über die gesamte Länge eines derartigen Gasstrahls unterscheidbar, bis der Gasstrahl sein Ziel erreicht. Ein solches Ziel kann z.B. die Oberfläche eines Pools von Flüssigkeit wie z.B. schmelzflüssiges Metall oder eine wässrige Flüssigkeit oder auch ein festes bzw. ein gasförmiges Ziel wie z.B. ein weiterer Gasstrahl sein, mit dem der Gasstrahl interagiert. Dies steht im Kontrast zu dem Geschehen, wenn konventionelle Gasstrahlen aus der gleichen Lanze ausgestoßen werden. Mit derartigen konventionellen Gasstrahlen mischen sich die Strahlen rasch oder fließen zusammen, um einen einzelnen Gasstrahl auszubilden. Die Gasstrahlen bleiben über einen Abstand von mindestens 10 Düsenaustrittsdurchmessern, typischerweise von mindestens 20 Düsenaustrittsdurchmessern, und im allgemeinen für einen Abstand in dem Bereich von 20 bis 100 Düsenaustrittsdurchmesser voneinander unterscheidbar.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer Zunahme der gesamten Durchflussrate der aus den Düsen herausgeleiteten Gasstrahlen die gesamte Durchflussrate des zur Ausbildung der Flammenhülle aus der Ausströmungsanordnung ausgestoßenen Brennstoffs und Oxidationsmittels ebenfalls zunimmt, jedoch mit einer geringeren Rate als der Zunahme der Durchflussrate des Gasstrahls. Liegt die gesamte Durchflussrate der aus den Düsen ausgestoßenen Gasstrahlen in dem Bereich von 566,34 bis 2831,7 m³/h (20.000 bis 100.000 CFH), liegt die gesamte Durchflussrate des die Flammenhülle ausbildenden Brennstoffs vorzugsweise in dem Bereich von 586 bis 4396 kW (2 bis 15 Millionen BTU pro Stunde (MMBTU/h)) und die gesamte Durchflussrate des in dem Oxidationsmittel enthaltenen Sauerstoffs, der die Flammenhülle ausbildet, liegt vorzugsweise in dem Bereich von 56,63 bis 424,76 m³/h (2.000 bis 15.000 CFH). Wenn die gesamte Durchflussrate der aus den Düsen ausgestoßenen Gasstrahlen in dem Bereich von 11327 bis 56634 m³/h (400.000 bis 2.000.000 CFH) liegt, liegt die gesamte Durchflussrate des die Flammenhülle bildenden Brennstoffs vorzugsweise in dem Bereich von 2931 bis 20515 kW (10 bis 70 MMBTU/h) und die gesamte Durchflussrate des in dem Oxidationsmittel enthaltenen Sauerstoffs, der die Flammenhülle ausbildet, liegt vorzugsweise in dem Bereich von 283,17 bis 1982,2 m³/h (10.000 bis 70.000 CFH).
Für eine Demonstration der Effektivität der Erfindung wurden Tests unter Verwendung von Ausführungsformen der Erfindung durchgeführt, die ähnlich zu den in den 1-3 illustrierten Ausführungsformen ausfielen und wobei Sauerstoff als das aus den Düsen ausgeleitete Gas verwendet wurde. Die Tests und die Ergebnisse werden nachstehend erläutert und sind in 4 zusammen mit den Ergebnissen eines Vergleichstests dargestellt. Diese Tests werden für illustrative oder Vergleichszwecke aufgeführt und beabsichtigen keine Eingrenzung der Erfindung.
Vier Düsen wurden auf einem Kreis angeordnet, der eine Lanzenachse umgab. Jede Düse war eine konvergierende/divergierende Düse mit Hals- und Austrittsdurchmessern von 0,686 bzw. 0,991 cm (0,27 bzw. 0,39 inch). Der Kreisdurchmesser (D) betrug 1,9 cm (3/4 inch). Der Winkel (A) zwischen den kohärenten Strahlen und der Lanzenachse betrug 0° und der Umfang jedes Strahls wurde mit einem Abstand von 3,56 mm (0,14 inch) von den Umfängen benachbarter Strahlen angeordnet. Erdgas und Oxidationsmittel für die Flammenhülle wurden durch zwei Lochringe zugeführt: den inneren Ring für Erdgas (16 Löcher, 3,9 mm (0,154 inch) Durchmesser, auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 5,08 cm (2 Inch)); und den äußeren Ring (16 Löcher 5,05 mm (0,1199 Inch) Durchmesser auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 6,99 cm (2,75 inch)) für das Oxidationsmittel, das in diesem Fall kommerziell reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 99,5 Mol% war. Eine Verlängerung (8,9 cm (3,5 Inch) Durchmesser, 5,08 cm (2 inch) Länge)) wurde für eine Gasumwälzung an dem Ende der Lanze befestigt, um die Flammen zu stabilisieren.
Tests wurden mit einem Zufuhrdruck von 1135 kPa (150 pound pro inch² gauge (psig)) für den aus den Düsen herausgeleiteten Hauptsauerstoff durchgeführt. Bei diesem Druck unmittelbar stromauf der Düse betrug die Durchflussrate von Sauerstoff durch jede Düse 283,17 m³/h (10.000 Fuß³ pro Stunde (CFH)) für eine gesamte Strömung von 1132,7 m³/h (40.000 CFH) für alle vier Düsen. Die berechnete Austrittstemperatur, Geschwindigkeit und Mach-Zahl für die kohärenten Strahlen an den Düsenaustritten betrugen –125° C (–193° F), 518,2 m/s (1700 fps) bzw. Mach 2,23. Die Erdgas- bzw. Sauerstoff-Durchflussraten zu den inneren und äußeren Lochringen betrugen 141,6 bzw. 169,9 m³/h (5.000 bzw. 6.000 CFH).
Vier unterscheidbare kohärente Strahlen wurden visuell beobachtet und es fand keine sichtbare Interaktion zwischen den Strahlen statt. Die Geschwindigkeiten, welche aus Staurohrmessungen in der Ebene B-B wie in 2 dargestellt bei 45,7, 61,0 und 76,2 cm (18, 24 und 30 inch) von der Düsenstirnseite entnommen wurden, sind in 4 als Kurven A, B und C dargestellt.
Für in enger Nachbarschaft befindliche Strahlen zieht das Mitreißen die Strahlen zusammen und bildet einen einzelnen Strahl aus, wie in 4 durch die Kurve D dargestellt, welche die Ergebnisse zeigte, die erhalten wurden, wenn der oben beschriebene Test ohne die Flammenhülle um die vier Strahlen herum wiederholt wurde. Die in Kurve D gezeigten Staurohrmessungen wurden bei 26,04 cm (10,25 inch) von der Düsenstirnseite entnommen. Dieses Mitreißen trat für die hier beschriebenen Tests der Erfindung nicht auf, obgleich die kohärenten Strahlen sehr nahe beieinander waren. Dies traf insbesondere dann zu, wenn die vier kohärenten Strahlen parallel zu der Lanzenachse lagen und der Umfang jedes Strahls weniger als 6,35 mm (1/4 inch) von dem Umfang der benachbarten Strahlen betrug. Jeder Strahl agierte als wäre er ein einzelner Strahl in einem freien Raum und blieb über einen beträchtlichen Abstand von der Düsenstirnseite hinweg kohärent. Eine sehr effektive Anordnung zum Bereitstellen von Flammenhüllen für mehrere kohärente Strahlen vollzieht sich durch zwei Lochringe (für Erdgas und Sauerstoff), die alle kohärenten Strahlen umgeben. Zusammen mit einer Verlängerung, die dazu dient, die Gasumwälzung in die Nähe der Düse zu bringen, führt diese Anordnung zu gleichmäßigen Flammen um jeden kohärenten Strahl herum.
5 illustriert die mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung erhaltenen Ergebnisse, die ähnlich wie die in 1 illustrierte Ausführungsform ausfiel, jedoch nur zwei Düsen verwendete. Jede Düsenöffnung wurde bei einem von der Lanzenachse nach außen verlaufenden Winkel von 5° ausgerichtet und der Abstand zwischen den Mittellinien der Düsenöffnungen betrug 2,22 cm (0,875 inch). Sauerstoff wurde mit einer Durchflussrate von 566,3 m³/h (20.000 CFH) durch jede Düse geführt und an den Düsenaustritten betrug die Trennung zwischen den Umfängen der Düsenaustritte 8,13 mm (0,32 inch). Das Erdgas und Sekundärsauerstoff strömten von den beiden ringförmigen Lochringen mit 141,6 bzw. 113,3 m³/h (5.000 CFH bzw. 4.000 CFH) aus. Zwei unterscheidbare kohärente Strahlen wurden ausgebildet und Geschwindigkeitsprofile bei 45,72 cm (18 inch) (Kurve E) und bei 61,0 cm (24 inch) (Kurve F) sind in 5 dargestellt. Es trat keine Interferenz zwischen den beiden Strahlen auf und jeder Strahl agierte als wäre er ein einzelner Strahl im freien Raum.
6 illustriert die Ergebnisse, die mit einer weiteren in 7 im Querschnitt dargestellten Ausführungsform der Erfindung erhalten wurden. In dieser Ausführungsform wies das Lanzenende zwei Düsen mit zwei Löchern oder Auslassöffnungen auf, wobei der Abstand zwischen den Mittellinien der Löcher 1,84 cm (0,725 Inch) betrug. Die erste Düse war für 849,5 m³/h (30.000 CFH) Sauerstoff entworfen, wobei die Achse parallel zu der Lanzenachse verlief. Die zweite Düse war für 283,2 m³/h (10.000 CFH) Sauerstoff entworfen, wobei die Achse 5° nach außen von der Lanzenachse angewinkelt war. An den Austritten betrug die Trennung zwischen den Umfängen von benachbarten Löchern 0,51 cm (0,20 inch). Das Erdgas und Sekundärsauerstoff zu den Lochringen (nicht dargestellt) betrugen 141,6 bzw. 113,3 m³/h (5.000 bzw. 4.000 CFH). Die Durchflussraten durch die zwei konvergierenden/divergierenden Düsen unterschieden sich um einen Faktor von 3. Geschwindigkeitsprofile sind bei 76,2, 86,4 und 96,5 cm (30, 34 und 38 Inch) von der Lanzenstirnseite aus in 6 als Kurven G, H und I dargestellt. Für den Strahl mit hoher Strömung (849,5 m³/h (30.000 CFH) Sauerstoff) verblieb das Profil über den Bereich von Abständen von der Düsenstirnseite im wesentlichen das Gleiche. Der kohärente Strahl blieb parallel zu der Lanzenachse. Wie erwartet begann der Strahl mit niedriger Strömung (283,17 m³/h (10.000 CFH) Sauerstoff) seine Kohärenz bei einem Abstand über 76,2 cm (30 inch) von der Lanzenstirnseite zu verlieren. Die Anordnung der Spitzen zeigt an, dass sich der Strahl um 5,5° nach außen von der Lanzenachse abwinkelte. Dies lag nahe bei dem Wert des Winkels von 5° an der Lanzenstirnseite. Es trat keine bemerkbare Interferenz zwischen den beiden Strahlen auf. Diese Ergebnisse illustrieren die Flexibilität, die mit Lanzen mit Löchern für einen kohärenten Mehrfachstrahl möglich ist. Zum Beispiel wäre Sauerstoff für sowohl das Injizieren wie für die Nachverbrennung mit einer Lanze mit einer einzelnen Mehrfachdüse möglich. Ein Strahl könnte für das Injizieren zu dem schmelzflüssigen Bad geführt werden, während der kleinere Strahl für die Nachverbrennung über dem Bad ausgerichtet werden könnte. Dies alles könnte mit einer Lanze mit kohärentem Mehrfachstrahl bewerkstelligt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in dem Betrieb eines Sauerstoffaufblaskonverters anwendbar ist, werden von 3 bis 6 Gasstrahlen jeweils bei einem divergierenden Winkel zu den anderen und jeweils bei einer Überschallgeschwindigkeit verwendet, wobei jeder Strahl die gleiche Gaszusammensetzung aufweist und die Flammenhülle unter Verwendung von zwei konzentrischen Strömen aus Brennstoff und Oxidationsmittel um die Mehrzahl von Gasstrahlen herum ausgebildet wird.
Obwohl die Endung ausführlich mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich für den Fachmann das Vorliegen weiterer Ausführungsformen der Erfindung, die in den Rahmen der Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen mehrerer kohärenter Gasstrahlen von einer einzelnen Lanze, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) eine Lanze (1) mit einem Ende (2) mit einer Mehrzahl von Düsen (3) bereitgestellt wird, wobei jede der Düsen eine Auslassöffnung (5) zum Ausstoßen von Gas von der Düse aufweist; (B) Gas in einem Strahl von jeder Düsenauslassöffnung (5) herausgeleitet wird und eine Mehrzahl von Gasstrahlen gebildet wird, von denen jeder aus einer Düsenauslassöffnung herausströmt; (C) Brennstoff und Oxidationsmittel in mindestens einem Strom von dem Lanzenende (2) herausgeleitet werden, und der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel verbrannt wird, um eine Flammenhülle um die Mehrzahl von Gasstrahlen zu bilden; und (D) der Strom jeder der Gasstrahlen über die Länge des Gasstrahls unterscheidbar gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem mindestens zwei Gasstrahlen in divergierenden Strömen strömen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem mindestens zwei Gasstrahlen in parallelen Strömen strömen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Brennstoff und das Oxidationsmittel in zwei konzentrischen Strömen aus dem Lanzenende (2) um die Mehrzahl der Gasstrahlen herausgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jeder Gasstrahl eine Überschallgeschwindigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem mindestens einer der Gasstrahlen Sauerstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem drei bis sechs Gasstrahlen gebildet werden, wobei jeder der Gasstrahlen unter einem von den anderen Gasstrahlen verschiedenen Winkel strömt, eine Überschallgeschwindigkeit hat und die gleiche Gaszusammensetzung wie jeder der anderen Gasstrahlen hat, und wobei die Flammenhülle gebildet wird, indem Brennstoff und Oxidationsmittel in zwei konzentrischen Strömen aus dem Lanzenende (2) um die Mehrzahl der Gasstrahlen herausgeleitet werden.
Lanze zum Bereitstellen mehrerer kohärenter Gasstrahlen, versehen mit: (A) einer Lanze (1) mit einem Ende (2) mit einer Mehrzahl von Düsen (3), wobei jede der Düsen eine Einlassöffnung (4) und eine Auslassöffnung (5) aufweist, (B) wobei jede Düseneinlassöffnung mit einer Gasquelle kommuniziert und jede Düsenauslassöffung an der Stirnseite (7) des Lanzenendes angeordnet ist; (C) mindestens einer Ausstromanordnung (8, 9) an der Stirnseite am Lanzenende um die Mehrzahl der Düsenauslassöffnungen; und (D) einer Verlängerung (10), die sich von der Stirnseite am Lanzenende aus erstreckt und ein Volumen (11) bildet, mit dem jede der Mehrzahl von Düsenauslassöffnungen sowie die Ausstromanordnung(en) kommuniziert, wobei die Ausstromanordnung eine erste ringförmige Ausstromanordnung (8) an der Stirnseite des Lanzenendes um die Mehrzahl der Düsenauslassöffnungen sowie eine zweite ringförmige Ausstromanordnung (9) an der Stirnseite am Lanzenende um die erste ringförmige Ausstromanordnung aufweist.
Verfahren zum Ausbilden mehrerer kohärenter Gasstrahlen von einer einzelnen Lanze, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) eine Lanze (1) mit einem Ende (2) mit einer Mehrzahl von Düsen (3) bereitgestellt wird, wobei jede der Düsen eine Auslassöffnung (5) zum Ausstoßen von Gas von der Düse aufweist; (B) Gas in einem Strahl von jeder Düsenauslassöffnung (5) herausgeleitet wird und eine Mehrzahl von Gasstrahlen gebildet wird, wobei jeder Gasstrahl von einer Düsenauslassöffnung abströmt; (C) Brennstoff in mindestens einem Strom von dem Lanzenende (2) um die Mehrzahl der Gasstrahlen herausgeleitet wird und der Brennstoff mit in den (die) Brennstoffstrahlen) mitgerissener Luft verbrannt wird, um eine Flammenhülle um die Mehrzahl von Gasstrahlen zu bilden; und (D) der Strom jedes Gasstrahls über die Länge des Gasstrahls unterscheidbar gehalten wird.