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Technisches
Gebiet
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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.
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Stand der
Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur Ausbildung
eines kohärenten Hauptgasstroms
mit hoher Geschwindigkeit gemäß Anspruch
4.
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Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "ringförmig" die Form eines Rings.
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Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "inertes Gas" ein reines Gas oder ein Gasgemisch mit
einer weniger als 5 Mol.% betragenden Sauerstoffkonzentration.
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Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "oxidierendes Gas" ein reines Gas oder ein Gasgemisch
mit einer mindestens 5 Mol.% betragenden Sauerstoffkonzentration.
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Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "Flammenhülle" einen ringförmig verbrennenden Strom, der
im wesentlichen koaxial zu dem Hauptgasstrom ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Spitzenabschnitts
einer Lanze, der in der Praxis dieser Erfindung verwendet werden kann.
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2 ist
ein Aufriss des in 1 illustrierten Lanzenspitzenabschnitts.
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3 ist
eine Darstellung der in 1 gezeigten Lanze im Betrieb.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Spitzenabschnitts
einer Lanze, die in der Praxis dieser Erfindung verwendbar ist.
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Die
Bezugszeichen in den Zeichnungen sind für die allgemeinen Elemente
die gleichen.
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Ausführliche
Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.