DE69922441T2 - Kohärenter Überschallgasstrahl zum Zuführen von Gas in eine Flüssigkeit - Google Patents

Kohärenter Überschallgasstrahl zum Zuführen von Gas in eine Flüssigkeit Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Überschallgasstroms. Die Erfindung ist bei einer sich verändernden Gaszusammensetzung besonders vorteilhaft.
  • Stand der Technik
  • Die Ausbildung einer Gasströmung ist häufig erwünscht. Ein Gasstrom kann aus einem oder mehreren Gründen in eine Flüssigkeit eingeblasen werden. Beispielsweise kann ein reaktives Gas in eine Flüssigkeit eingeblasen werden, um mit einer oder mehreren Komponenten der Flüssigkeit zu reagieren wie z.B. bei dem Einblasen von Sauerstoff in schmelzflüssiges Eisen, um mit dem Kohlenstoff in dem schmelzflüssigen Eisen zu reagieren, damit das Eisen entkohlt und zu dem schmelzflüssigen Eisen Wärme geführt wird. Sauerstoff kann in andere schmelzflüssige Metalle wie z.B. Kupfer, Blei und Zink für Schmelz- oder Raffinierzwecke oder in eine wässrige Flüssigkeit oder Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit eingeblasen werden, um eine Oxidationsreaktion auszuführen. Ein nicht oxidierendes Gas wie z.B. ein inertes Gas kann in eine Flüssigkeit eingeblasen werden, damit diese verrührt wird, um zum Beispiel eine bessere Temperatur- oder Komponentenverteilung in der Flüssigkeit zu unterstützen.
  • Häufig ist die Flüssigkeit in einem Behälter wie z.B. einem Reaktor oder einem Schmelzbehälter enthalten, in dem die Flüssigkeit einen Pool innerhalb des Behälters ausbildet, der über dem Boden und mit einer gewissen Höhe der Seitenwände des Behälters angeordnet ist und eine Oberfläche aufweist. Wenn Gas in den Flüssigkeitspool eingeblasen wird, ist es erwünscht, dass so viel Gas wie möglich in die Flüssigkeit strömt, um den Zweck des Gaseinblasens durchzuführen. Dementsprechend wird Gas aus einer Gaseinblasvorrichtung in die Flüssigkeit unter der Oberfläche der Flüssigkeit eingeblasen. Wäre die Düse für einen normalen Gasstrahl mit einem gewissen Abstand über der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet, würde ein Großteil des auf die Oberfläche auftreffenden Gases an der Flüssigkeitsoberfläche abgelenkt und nicht in den Flüssigkeitspool eindringen. Darüber hinaus führt ein derartiger Vorgang zu einem Verspritzen der Flüssigkeit, was zu Materialverlust und Betriebsproblemen führen kann.
  • Ein untergetauchtes Einblasen von Gas in eine Flüssigkeit unter Verwendung von am Boden oder an der Seitenwand montierten Gaseinblasvorrichtungen wirft, obgleich es sehr effektiv ist, Betriebsprobleme auf, wenn die Flüssigkeit eine korrodierende Flüssigkeit ist oder bei einer sehr hohen Temperatur vorliegt, da diese Bedingungen eine rasche Verschlechterung der Gaseinblasvorrichtung und einen örtlichen Verschleiß der Behälterauskleidung bewirken können, was sowohl zu einem Bedarf nach komplexen externen Kühlsystemen wie zu häufigen Wartungsabschaltungen und hohen Betriebskosten führt. Eine Möglichkeit besteht daher darin, die Spitze oder Düse der Gaseinblasvorrichtung nahe zu der Oberfläche des Flüssigkeitspools zu bringen, während ein Kontakt mit der Flüssigkeitsoberfläche vermieden wird, und das aus der Gaseinblasvorrichtung stammende Gas mit einer hohen Geschwindigkeit einzublasen, sodass ein signifikanter Teil des Gases in die Flüssigkeit strömt. Allerdings ist diese Möglichkeit immer noch nicht zufrieden stellend, da die Nachbarschaft der Spitze der Gaseinblasvorrichtung zu der Flüssigkeitsoberfläche immer noch zu einer signifikanten Beschädigung dieser Ausrüstung führen kann. Darüber hinaus müsste in solchen Fällen, in denen die Flüssigkeitsoberfläche nicht feststeht, die Düse fortwährend bewegt werden müssen, um sich an die sich bewegende Oberfläche anzupassen, damit das Gaseinblasen an der erwünschten Stelle vollzogen und der erforderliche Abstand zwischen der Lanzenspitze und der Badoberfläche aufrechterhalten werden würde. Für Lichtbogenöfen macht dies komplizierte, hydraulisch angetriebene Lanzenmanipulatoren notwendig, die teuer sind und eine umfängliche Wartung erfordern.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Rohrs, das durch die Oberfläche des Flüssigkeitspools eingeführt wird. Zum Beispiel werden häufig nicht wassergekühlte Rohre zum Einblasen von Sauerstoff in das Bad aus schmelzflüssigem Stahl in einem Lichtbogenofen verwendet. Jedoch ist auch diese Möglichkeit nicht zufrieden stellend, da der rasche Rohrverschleiß komplizierte hydraulisch angetriebene Rohrmanipulatoren und bezüglich der Rohreinsatzausrüstung ein Kompensieren der hohen Verschleißrate des Rohrs erfordert. Darüber hinaus ist der Verlust an Rohr, der kontinuierlich ersetzt werden muss, teuer.
  • Diese Probleme können gelöst werden, wenn ein kohärenter Strahl ausgebildet werden kann. Ein kohärenter Gasstrahl behält seinen Durchmesser und seine Geschwindigkeit nach einem Ausstoßen aus einer Düse viel länger als ein normaler Gasstrahl bei. Mit einem kohärenten Strahl kann die Spitze der Einspritzvorrichtung von der Flüssigkeitsoberfläche signifikant weiter weg angeordnet werden, obgleich es immer noch ermöglicht wird, dass nahezu das gesamte Gas innerhalb des kohärenten Gasstrahls in die Flüssigkeitsoberfläche eindringen kann.
  • Es ist bekannt, dass ein kohärenter Strahl eines oxidierenden Gases ausgebildet werden kann, indem der Strahl des oxidierenden Gases nach seinem Ausstoßen aus einer Düse mit eine Flammenhülle umgeben wird, die durch einen ringförmigen Brennstoffstrom um den oxidierenden Gasstrahl herum und einen ringförmig zu dem Brennstoffstrom fließenden Oxidationsmittelstrom ausgebildet wird. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel verbrennen für die Ausbildung der Flammenhülle, die koaxial zu dem oxidierenden Gasstrom fließt und diesen über eine lange Strecke nach dem Ausstoßen aus der Düse kohärent halten. Allerdings arbeitet diese Flammenhüllenanordnung nicht zufrieden stellend, wenn das Gas ein inertes Gas ist. In solchen Situationen verringert sich die Geschwindigkeit des Gasstrahls rasch und die Kohärenz des Inertgasstrahls verschlechtert sich schnell. Dies stellt dort ein besonderes Problem dar, wo es erwünscht ist, von einem oxidierenden zu einem inerten Gas umzuschalten, da dies eine Veränderung des Gaslanzen-Ausstoßsystems erfordert.
  • Ein Verfahren gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 4 sind aus US-A-4 622 007 bekannt, das sich auf ein Brennersystem bezieht, in welchem der Hauptgasstrom ein Sauerstoffstrom mit einer konstanten Sauerstoffkonzentration ist und wobei die zweiten Oxidationsmittel-Durchlässe und die Brennstoff-Durchlässe mit Bezug auf die ersten Oxidationsmittel-Durchlässe und die Hauptsauerstoffdüse unter einem Winkel angeordnet sind. Die zweiten Oxidationsmittel-Durchlässe stehen weiter in die Verbrennungskammer vor als die Brennstoff-Durchlässe, die ersten Oxidationsmittel-Durchlässe und die Hauptsauerstoffdüse.
  • Ein ähnliches System ist aus US-A-S 714 113 bekannt, wobei jedoch der Brennstoffstrom die oxidierenden Hauptgasströme direkt umgibt, ohne dass ein zusätzlicher Oxidationsmittelstrom zwischen dem Brennstoffstrom und dem oxidierenden Hauptgasstrom vorliegt.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Aufrechterhalten der Geschwindigkeit und der Kohärenz eines Gasstrahls unabhängig davon, ob der Gasstrahl ein oxidierender oder ein inerter Gasstrahl ist.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Aufrechterhalten der Geschwindigkeit und der Kohärenz eines Gasstrahls, während es ermöglicht wird, dass sich die Zusammensetzung des Gasstrahls verändern kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt in einem Verfahren zum Einbringen von Gas in eine Flüssigkeit gemäß Anspruch 1 besteht.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur Ausbildung eines kohärenten Hauptgasstroms mit hoher Geschwindigkeit gemäß Anspruch 4.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "ringförmig" die Form eines Rings.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "inertes Gas" ein reines Gas oder ein Gasgemisch mit einer weniger als 5 Mol.% betragenden Sauerstoffkonzentration.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "oxidierendes Gas" ein reines Gas oder ein Gasgemisch mit einer mindestens 5 Mol.% betragenden Sauerstoffkonzentration.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Flammenhülle" einen ringförmig verbrennenden Strom, der im wesentlichen koaxial zu dem Hauptgasstrom ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Spitzenabschnitts einer Lanze, der in der Praxis dieser Erfindung verwendet werden kann.
  • 2 ist ein Aufriss des in 1 illustrierten Lanzenspitzenabschnitts.
  • 3 ist eine Darstellung der in 1 gezeigten Lanze im Betrieb.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Spitzenabschnitts einer Lanze, die in der Praxis dieser Erfindung verwendbar ist.
  • Die Bezugszeichen in den Zeichnungen sind für die allgemeinen Elemente die gleichen.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfindung gestattet die Etablierung und Aufrechterhaltung eines kohärenten Gasstrahls unabhängig davon, ob das Gas ein oxidierendes Gas oder ein inertes Gas ist und sie ermöglicht es weiterhin, dass sich das Gas von einem oxidierenden zu einem inerten Strahl verändern kann, ohne dass eine signifikante Verschlechterung der Kohärenz auftritt und ohne dass irgendeine Ausrüstungsveränderung über das zur Zufuhr des unterschiedlichen Hauptgases notwendige Maß hinaus erforderlich ist. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung, dass sich die Sauerstoffkonzentration eines Hauptgases verändern kann, ohne dass ein signifikanter Verlust an Kohärenz in dem Hauptgasstrahl auftritt.
  • Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Nun auf die 1 und 3 Bezug nehmend ist im Querschnitt ein Lanzenspitzenabschnitt 1 einer Lanze dargestellt, die in der Praxis der Erfindung verwendbar ist. Der Lanzenspitzenabschnitt 1 beinhaltet einen Hauptgasdurchlass 2, der mit einer (nicht dargestellten) Hauptgasquelle in Verbindung steht. Das Hauptgas ist ein oxidierendes Gas, das von einem inerten Gas übergeht, oder ein inertes Gas. Beispiele eines oxidierenden Gases beinhalten Luft, sauerstoffangereicherte Luft mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 Mol.% und insbesondere von mindestens 90 Mol.%, sowie technisch reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 99,5 Mol.% oder mehr. Beispiele für ein inertes Gas können Stickstoff, Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff, Helium, gasförmiger Kohlenwasserstoff und Gemische sein, die zwei oder mehrere dieser Stoffe beinhalten.
  • Der Hauptgasdurchlass 2 steht mit einer konvergierenden/divergierenden Düse 3 an einem Düseneinlass 4 in Verbindung. Die Düse hat einen Auslass 5, der mit einem Ausstoßraum 6, in den die Gase eingeblasen werden, in Verbindung steht. Der Düsenauslass 5 hat einen Durchmesser, der allgemein in dem Bereich von 0,25 bis 7,62 cm (0,1 bis 3 inch) und vorzugsweise in dem Bereich von 1,27 bis 5,08 cm (0,5 bis 2 inch) liegt. Vorzugsweise und wie in den 1 und 3 illustriert wird der Ausstoßraum 6 anfänglich durch einen Lanzenspitzen-Verlängerungsabschnitt 7 ausgebildet und anschließend öffnet er sich zu einem größeren Volumen stromab von dem Verlängerungsabschnitt 7. Der Verlängerungsabschnitt 7 hat typischerweise eine Länge von 1,27 bis 10,16 cm (0,5 bis 4 inch) und dient dazu, die Verbrennung des ringförmigen Brennstoffs und Oxidationsmittels zu stabilisieren, um eine Flammenhülle 11 mit einer höheren Stabilität in den anfänglichen Stufen nach dem Ausstoßen aus dem Lanzenspitzenabschnitt auszubilden als dies der Fall wäre, wenn kein Verlängerungsabschnitt verwendet werden würde, um den anfänglich ausgebildeten Ausstoßraum auszubilden.
  • Hauptgas strömt von der Hauptgasquelle durch den Hauptgasdurchlass 2 und durch den Einlass 4 in die Düse 3. Das Gas wird in dem divergierenden Teil der Düse beschleunigt, sodass es eine Überschallgeschwindigkeit aufweist, wenn es von dem Düsenauslass 5 in einen Ausstoßraum 6 ausgestoßen wird. Die konvergierende/divergierende Düse ermöglicht ein unterbrechungsloses Erreichen der Überschallgeschwindigkeit. Eine Düse mit gerader Bohrung würde bewirken, dass die Expansion des Gases eine Überschallgeschwindigkeit erreicht, nachdem das Gas aus der Düse ausgetreten ist, was zu mehreren expandierenden und kontrahierenden Impulszyklen führen würde, bevor an einer beliebigen Stelle stromab von dem Düsenauslass ein stabiler Zustand erreicht ist. Die Geschwindigkeit des aus dem Düsenauslass 5 ausgestoßenen Hauptgasstroms 12 beträgt Überschallgeschwindigkeit, d.h. sie übersteigt Mach 1 und liegt vorzugsweise in dem Bereich von Mach 1,2 bis Mach 3,0, wenn das Hauptgas in eine Atmosphäre mit atmosphärischem Druck ausgestoßen wird.
  • In radialem Abstand zu dem Hauptgasdurchlass 2 ist ein erster ringförmiger Durchlass 8 angeordnet, in radialem Abstand zu dem ersten ringförmigen Durchlass 8 ist ein zweiter ringförmiger Durchlass 9 vorgesehen, und in radialem Abstand zu dem zweiten ringförmigen Durchlass 9 ist ein dritter ringförmiger Durchlass 10 angeordnet. Der erste ringförmige Durchlass 8 steht mit einer (nicht dargestellten) Quelle von erstem Oxidationsmittel in Verbindung, das vorzugsweise ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 Mol.% und am bevorzugtesten von mindestens 90 Mol.% ist, wobei es auch technisch reiner Sauerstoff sein kann. Das erste Oxidationsmittel strömt durch den ersten ringförmigen Durchlass 8 und wird aus der Lanze in den Ausstoßraum 6 in einem ringförmig zu dem Hauptgasstrom fließenden Strom mit einer Geschwindigkeit ausgestoßen, die kleiner als diejenige des Hauptgasstroms ist. Im allgemeinen weist der Strom des ersten Oxidationsmittels eine Geschwindigkeit in dem Bereich von 91,4 bis 457,2 m/s (300 bis 1500 Fuß/s (fps)) auf.
  • Der zweite ringförmige Durchlass 9 steht mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffquelle in Verbindung. Der Brennstoff kann jeder fluide Brennstoff wie z.B. Methan, Propan, Butylen, Erdgas, Wasserstoff, Koksofengas oder Öl sein. Der Brennstoff kann mit einem Verdünnungsmittel wie z.B. Stickstoff verdünnt werden. Der Brennstoff strömt durch den zweiten ringförmigen Durchlass 9 und wird aus der Lanze in den Ausstoßraum 6 in einem ringförmig zu dem Strom des ersten Oxidationsmittels fließenden Strom mit einer Geschwindigkeit ausgestoßen, die kleiner als diejenige des Hauptgasstroms ist. Im allgemeinen verfügt der Brennstoffstrom über eine Geschwindigkeit in dem Bereich von 91,4 bis 457,2 m/s (300 bis 1500 fps). Vorzugsweise hat der Brennstoffstrom eine Geschwindigkeit, die in etwa der Geschwindigkeit des Stroms des ersten Oxidationsmittels entspricht.
  • Der dritte ringförmige Durchlass 10 steht mit einer (nicht dargestellten) Quelle von zweitem Oxidationsmittel in Verbindung, die die gleiche Quelle wie die Quelle des ersten Oxidationsmittels sein kann. Das heißt, das zweite Oxidationsmittel kann die gleiche Zusammensetzung wie das erste Oxidationsmittel aufweisen und vorzugsweise trifft dies auch zu. Vorzugsweise ist das zweite Oxidationsmittel ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30 Mol.% und am bevorzugtesten von mindestens 90 Mol.%, aber es kann auch technisch reiner Sauerstoff sein. Das zweite Oxidationsmittel strömt durch den dritten ringförmigen Durchlass 10 und wird aus der Lanze in den Ausstoßraum 6 in einem ringförmig zu dem Brennstoffstrom fließenden Strom mit einer Geschwindigkeit ausgestoßen, die kleiner als diejenige des Hauptgasstroms und vorzugsweise kleiner als diejenige des Stroms des ersten Oxidationsmittels ist. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit des Stroms des zweiten Oxidationsmittels geringer als diejenige des Brennstoffstroms. Im allgemeinen weist der Strom des zweiten Oxidationsmittels eine Geschwindigkeit in dem Bereich von 30,5 bis 457,2 m/s (100 bis 1500 fps) und vorzugsweise in dem Bereich von 30,5 bis 152,4 m/s (100 bis 500 fps) auf.
  • Jeder der ersten, zweiten und dritten ringförmigen Durchlässe steht mit dem Ausstoßraum 6 vorzugsweise und wie in den 1 und 3 illustriert glatt bzw. bündig mit dem Auslass 5 der konvergierenden/divergierenden Düse 3 in Verbindung. Vorzugsweise und wie in 2 dargestellt wird jeder der ersten, zweiten und dritten ringförmigen Durchlässe zu einer Mehrzahl von individuellen Durchlässen, sodass jeder der ersten, zweiten und dritten ringförmigen Durchlässe mit dem Ausstoßraum 6 als ein Ring von um den Auslass 5 herum angeordneten Löchern in Verbindung steht. Wahlweise könnten ein oder mehrere der ersten, zweiten und dritten ringförmigen Durchlässe als ein kreisförmiger Ringraum eine Verbindung zwischen dem Einblasvolumen 6 und dem Auslass 5 herstellen.
  • Nach dem Ausstoßen in den Ausstoßraum vermischt sich der Brennstoff bzw. verbrennt mit mindestens einem und vorzugsweise mit den beiden ersten und zweiten Oxidationsmitteln, um eine Flammenhülle 11 um den Hauptgasstrom 12 herum auszubilden. Wenn die Erfindung in einer heißen Umgebung wie z.B. in einem Metallschmelzofen benutzt wird, ist keine separate Entzündungsquelle für den Brennstoff und das Oxidationsmittel erforderlich. Wenn die Erfindung nicht in einer Umgebung verwendet wird, in der sich der Brennstoff und das Oxidationsmittel selbst entzünden, wird eine Zündquelle wie z.B. ein Funkengenerator notwendig werden. Die Flammenhülle verfügt über eine Geschwindigkeit, die kleiner als die Geschwindigkeit des Hauptgasstroms ist und im allgemeinen in dem Bereich von 15,2 bis 304,8 m/s (50 bis 1000 fps) liegt.
  • Die sich langsamer bewegende dreilagige Flammenhülle 11 um den anfänglichen Überschallhauptgasstrom 12 aus der konvergierenden/divergierenden Düse herum dient dazu, den Gasstrom kohärent zu halten, d.h. einen kleinen Geschwindigkeitsverlust und eine geringe Expansion der Breite des Hauptgasstroms über eine signifikante Distanz von der Düse hinweg zu bewerkstelligen, d.h. dass über mindestens das 20-Fache des Düsenauslassdurchmessers (d) und bis zu 100d oder mehr hinweg immer noch Überschallgeschwindigkeit aufrechterhalten wird. Dies ermöglicht ein derartiges Anordnen der Lanze, dass die Lanzenspitze mit einem größeren Abstand zu derjenigen Stelle angeordnet werden kann, an der das Hauptgas auf eine Flüssigkeit auftrifft oder anderweitig mit ihr in Eingriff tritt, wodurch die Sicherheit erhöht wird und die Integrität der Lanze besser erhalten bleibt. Vorzugsweise trifft das Hauptgas mit Überschallgeschwindigkeit auf die Zielflüssigkeit auf und vorzugsweise erstreckt sich die Flammenhülle im wesentlichen von der Lanzenspitze zu der Oberfläche der Zielflüssigkeit hin.
  • Im allgemeinen ist die aus der Lanze zugeführte Menge an Brennstoff und Oxidationsmittel gerade ausreichend, um eine effektive Flammenhülle für die erwünschte Länge des Hauptgasstroms auszubilden. Allerdings können Zeiten vorliegen, in denen es erwünscht ist, dass signifikant mehr Brennstoff und Oxidationsmittel aus der Lanze herausgeleitet wird, sodass die Flammenhülle nicht nur dazu dient, den Hauptgasstrom davon abzuschirmen, von dem Umgebungsgas mitgerissen zu werden, sondern dass sie auch für die Zufuhr einer signifikanten Wärmemenge in das Einblasvolumen fungiert. Das heißt, die Lanze kann in einigen Ausführungsformen dieser Erfindung auch als ein Brenner fungieren.
  • 4 illustriert eine weitere Ausführungsform der Lanzenspitze der Erfindung, bei der der erste ringförmige Durchlass derart mit dem dritten ringförmigen Durchlass innerhalb der Lanze in Verbindung steht, dass der erste ringförmige Durchlass das Oxidationsmittel zum Ausstoßen in das Ausstoßvolumen aus dem dritten ringförmigen Durchlass mittels eines internen Verbindungsdurchlasses 13 aufnimmt. Der Verbindungsdurchlass 13 ist so bemessen, dass sichergestellt wird, dass der Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem ersten Oxidationsmittelstrom und dem zweiten Oxidationsmittelstrom in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erreicht wird.
  • Die Erfindung findet dort einen besonderen Nutzen für das Einblasen eines Gases in eine Flüssigkeit, wo es erwünscht ist, die Lanzenspitze von der Flüssigkeit entfernt und weiterhin mit einem signifikanten Abstand zu der Flüssigkeitsoberfläche zu halten. Zum Beispiel kann die Erfindung zur Zufuhr eines gasförmigen Reaktionsmittels in einen Kohlenwasserstoff oder in eine wässrige Flüssigkeit wie z.B. für eine Oxidations-, Hydrierungs- oder Stickstoffanreicherungsreaktion verwendet werden. Die Erfindung ist dort besonders nützlich, wo die Flüssigkeit eine korrodierende Flüssigkeit wie z.B. eine sehr saure oder basische Flüssigkeit ist, oder dort wo die Flüssigkeit eine sehr hohe Temperatur aufweist wie z.B. schmelzflüssiges Metall. Eine besonders effektive Verwendung der Erfindung besteht in einer Zufuhr von Sauerstoff als Hauptgas in schmelzflüssiges Metall, um mit dem Kohlenstoff in dem schmelzflüssigen Metall zu reagieren, damit das Metall entkohlt und Wärme zu dem schmelzflüssigen Metall geführt wird. Anschließend wird, ohne dass irgendeine andere Veränderung bezüglich der Ausrüstung oder der Ströme zu dem ringförmigen Durchlass erfolgen muss, das Hauptgas gewechselt und es wird ein inertes Gas wie z.B. Argon benutzt, damit das Argon in das schmelzflüssige Metall eingeleitet wird, um letzteres zu verrühren und eine verbesserte Wärmeverteilung zu bewerkstelligen. Dieser Wechsel kann relativ rasch und ohne den bisher aufgetretenen Effizienzverlust bei der Etablierung des kohärenten Hauptgasstrahls erfolgen.
  • Besonders vorteilhaft kann diese Erfindung zum Einblasen von Gasen mit unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen in eine Flüssigkeit wie z.B. schmelzflüssiges Metall verwendet werden, ohne dass ein Bedarf nach irgendeiner anderen wesentlichen Veränderung entsteht, wenn die Sauerstoffkonzentration des Hauptgases verändert wird. In der Herstellung von rostfreiem Stahl kann die Erfindung beispielsweise dazu verwendet werden, einen kohärenten Hauptgasstrom in das schmelzflüssige Metall aus einer Lanze mit einer Spitze einzuleiten, die mit einem signifikanten Abstand zu der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls angeordnet ist. Eine derartige Lanzeneinblasung kann anstelle des konventionellen Gaseinblasens mittels untergetauchter Düsen verwendet werden. Während der anfänglichen Stufen des Herstellungsverfahrens von rostfreiem Stahl besteht der Hauptgasstrom aus einem oxidierenden Gas wie z.B. reinem Sauerstoff oder einem Fluidgemisch mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 75 Mol.%, wobei der Rest Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid ist. Mit dem Fortschreiten des Raffinierverfahrens wird die Sauerstoffkonzentration in dem Hauptgas in einer programmierten Weise verringert. In dem späteren Teil des Raffinierverfahrens wird das Hauptgas ein inertes Gas sein. Die Erfindung und ihre Vorteile werden weiter in Verbindung mit den nachfolgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen illustriert werden. Die Beispiele dienen illustrativen Zwecken und beabsichtigen keine Eingrenzung der Erfindung.
  • Für eine Demonstration bekannter Systeme wurde eine Lanze mit einer Lanzenspitze verwendet, die ähnlich wie die in den 1 und 3 dargestellte Spitze beschaffen war, allerdings wurde kein dritter ringförmiger Durchlass benutzt. Die konvergierende/divergierende Düse wies einen Einschnürungsdurchmesser von 0,909 cm (0,358 inch) und einen Auslassdurchmesser von 1,34 cm (0,526 inch) auf. Reiner Sauerstoff wurde aus der Düse ausgestoßen, um einen Hauptgasstrom mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 524,3 m/s (1720 fps) auszubilden. Erdgas wurde in das Einblasvolumen aus dem ersten ringförmigen Durchlass bei einer Geschwindigkeit von 185,9 m/s (610 fps) eingespeist und reiner Sauerstoff wurde in das Einblasvolumen aus dem zweiten ringförmigen Durchlass bei einer Geschwindigkeit von 125,0 m/s (410 fps) eingeleitet, wodurch eine Flammenhülle um den Hauptsauerstoff-Gasstrom herum ausgebildet wurde. Die Geschwindigkeit des Hauptgasstroms an seiner Achse wurde bei einem Abstand von 36 inch von dem Düsenauslass gemessen und es wurde festegestellt, dass nur ein kleiner Abfall seiner Anfangsgeschwindigkeit auftrat. Die normalisierte Geschwindigkeit des Sauerstoff-Hauptgasstroms, d.h. seine in einer Entfernung von 36 inch von dem Düsenauslass gemessene Strahlachsengeschwindigkeit geteilt durch seine anfängliche Strahlachsengeschwindigkeit, betrug 0,95 bzw. 95%. Wenn der Test jedoch unter Verwendung von reinem Stickstoff mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 560,8 m/s (1840 fps) als das Hauptgas wiederholt wurde, betrug dessen normalisierte Geschwindigkeit nur 43 Prozent.
  • Die Verringerung der Stickstoffgasstrahlgeschwindigkeit wurde durch eine Umkehrung der Reihenfolge des Brennstoffs und des die Flammenhülle bildenden Oxidationsmittels etwas aufgehoben; d.h. der Sauerstoff wurde durch den ersten ringförmigen Durchlass und das Erdgas wurde durch den zweiten ringförmigen Durchlass geführt. In diesem Test verbesserte sich die normalisierte Geschwindigkeit des Stickstoffs auf 73%. Wenn dieser Test jedoch unter Verwendung von Sauerstoff als das Hauptgas wiederholt wurde, verschlechterte sich die normalisierte Geschwindigkeit des Sauerstoffs auf 81 Prozent.
  • Eine ähnliche wie z.B. die in den 1 und 3 illustrierte Lanzenspitze, die jedoch einen dritten ringförmigen Durchlass aufwies, wurde zur Demonstration der Erfindung verwendet. Das Vorgehen fiel ähnlich wie das oben beschriebene Vorgehen aus, jedoch mit der Ausnahme, dass reiner Sauerstoff in den Ausstoßraum aus dem ersten ringförmigen Durchlass bei einer Geschwindigkeit von 185,9 m/s (610 fps) ausgestoßen wurde. Erdgas wurde aus dem zweiten ringförmigen Durchlass bei einer Geschwindigkeit von 185,9 m/s (610 fps) in den Ausstoßraum ausgestoßen und reiner Sauerstoff wurde in den Ausstoßraum aus dem dritten ringförmigen Durchlass bei einer Geschwindigkeit von 82,3 m/s (270 fps) ausgestoßen, um die Flammenhülle auszubilden. Dort wo Sauerstoff als das Hauptgas verwendet wurde betrug seine normalisierte Geschwindigkeit 90 Prozent. Dies stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber den 81 Prozent dar, die vorgängig erreicht werden konnten, wenn das Hauptgas ein oxidierendes Gas und das am nächsten an dem Hauptgas liegende Gas der Flammenhülle ein Oxidationsmittel war. Wenn darüber hinaus das Hauptgas zu Stickstoff verändert wurde, betrug seine normalisierte Geschwindigkeit 89 Prozent, was eine signifikante Verbesserung gegenüber sämtlichen bekannten Anordnungen darstellt und demonstriert, dass die Erfindung mit einer guten Effizienz dazu verwendet werden kann, einen kohärenten Strahl unter Verwendung entweder eines oxidierenden oder eines inerten Gases für den kohärenten Strahl auszubilden und aufrechtzuerhalten.
  • Ohne sich auf irgendeine Theorie festlegen zu wollen, gehen die Anmelder davon aus, dass die mit der Erfindung bewerkstelligten vorteilhaften Ergebnisse mindestens teilweise aufgrund der Aufrechterhaltung der Flammenhülle zustande kommen, die näher an dem Hauptgasstrahl liegt. Der äußere ringförmige Oxidationsmittelstrom mit niedriger Geschwindigkeit, der mit dem mittleren ringförmigen Brennstoffstrom in Kontakt steht, dient zur Stabilisierung einer Flamme an der Düsenstirnseite. Die Flammenstabilität wird verbessert, indem eine Verlängerung bereitgestellt wird, die bewirkt, dass ein Teil der heißen Verbrennungsgase in der Nähe der Düsenstirnseite zirkuliert und dadurch als eine kontinuierliche Entzündungsquelle fungiert. Der innere ringförmige Oxidationsmittelstrom vermischt sich mit dem mittleren ringförmigen Brennstoffstrom und stellt in enger Nachbarschaft zu dem Umkreis des Hauptgasstrahls ein sauerstoffreiches Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch bereit. Diese sauerstoffreiche Atmosphäre hält die Flammenhülle in der Nähe des Umfangs des Hauptgasstrahls aufrecht. Das Vorhandensein des inneren ringförmigen Oxidationsmittelstroms ist besonders nützlich, wenn das Hauptgas ein inertes Gas ist, das wenig oder keinen Sauerstoff enthält.
  • Durch die Verwendung dieser Erfindung ist nun die Etablierung und Aufrechterhaltung eines kohärenten Überschallgasstrahls über eine lange Strecke hinweg mit etwa der gleichen Effektivität und unabhängig davon möglich, ob der Gasstrahl ein oxidierendes Gas oder ein inertes Gas ist. Obwohl die Erfindung 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 (6)

  1. Verfahren zum Einbringen von Gas in eine Flüssigkeit, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein Hauptgas aus einer Lanze mit einer konvergierenden/divergierenden Düse ausgestoßen wird, um einen Hauptgasstrom mit Überschallgeschwindigkeit zu bilden; (B) ein Strom eines ersten Oxidationsmittels in einer den Hauptgasstrom ringförmig umgebenden Weise aus der Lanze ausgestoßen wird, wobei der Strom des ersten Oxidationsmittels eine Geschwindigkeit aufweist, die niedriger als diejenige des Hauptgasstroms ist; (C) ein Brennstoffstrom in einer den Strom des ersten Oxidationsmittels ringförmig umgebenden Weise aus der Lanze ausgestoßen wird, wobei der Brennstoffstrom eine Geschwindigkeit aufweist, die niedriger als diejenige des Hauptgasstroms ist; (D) ein Strom eines zweiten Oxidationsmittels in einer den Brennstoffstrom ringförmig umgebenden Weise aus der Lanze ausgestoßen wird, wobei der Strom des zweiten Oxidationsmittels eine Geschwindigkeit aufweist, die niedriger als diejenige des Hauptgasstroms ist; (E) Brennstoff mit dem ersten Oxidationsmittel und/oder dem zweiten Oxidationsmittel verbrannt wird, um eine Flammenhülle um den Hauptgasstrom herum zu bilden, und (F) Gas von dem Hauptgasstrom in eine Flüssigkeit eingeleitet wird; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Hauptgas um ein inertes Gas mit weniger als 5 Mol.% Sauerstoff handelt oder sich das Hauptgas von einem oxidierenden Gas mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 5 Mol.% zu einem inerten Gas mit weniger als 5 Mol.% Sauerstoff ändert und der Hauptgasstrom über eine Distanz von mindestens dem 20-Fachen des Düsenauslassdurchmessers von der Düse zu der Flüssigkeit gelangt.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei es sich bei der Flüssigkeit um geschmolzenes Metall handelt.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Hauptgas Sauerstoff enthält und sich die Sauerstoffkonzentration in dem Hauptgas mit der Zeit ändert.
  4. Vorrichtung zum Erzeugen eines kohärenten Hauptgasstroms mit hoher Geschwindigkeit mit: (A) einer Lanze mit einem Hauptgasdurchlass, der mit einer konvergierenden/divergierenden Düse zum Ausstoßen eines Hauptgases in einen Ausstoßraum in Verbindung steht; (B) einer ersten Durchlassanordnung innerhalb der Lanze zum Ausstoßen eines Stroms von erstem Oxidationsmittel in den Ausstoßraum in einer den Hauptgasstrom ringförmig umgebenden Weise, wobei die erste Durchlassanordnung mit einer Quelle für das erste Oxidationsmittel verbunden ist; (C) einer zweiten Durchlassanordnung innerhalb der Lanze zum Ausstoßen eines Brennstoffstroms in den Ausstoßraum in einer den Strom des ersten Oxidationsmittels ringförmig umgebenden Weise, wobei die zweite Durchlassanordnung mit einer Quelle für den Brennstoff verbunden ist; und (D) einer dritten Durchlassanordnung innerhalb der Lanze zum Ausstoßen eines Stroms von zweitem Oxidationsmittel in den Ausstoßraum in einer den Brennstoffstrom ringförmig umgebenden Weise, wobei die dritte Durchlassanordnung mit einer Quelle für das zweite Oxidationsmittel verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass jede der ersten, zweiten und dritten Durchlassanordnung parallel zu der Düse ausgerichtet ist und in einer mit dem Düsenauslass bündigen Weise mit dem Ausstoßraum in Verbindung steht.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, ferner versehen mit einer Verlängerung auf der Lanze zum Bilden des Ausstoßraums.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, ferner versehen mit einem Verbindungsdurchlass innerhalb der Lanze, welcher es ermöglicht, dass die erste Durchlassanordnung in Verbindung mit der dritten Durchlassanordnung steht.
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