TWI272355B - Coherent jet system with single ring flame envelope - Google Patents

Description

1272355 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種相干噴流技術。 【先前技術】 最近在氣體噴槍領域重要的進步是相千噴射技術的發 展，該技術例如揭露於美國第5,814，125號和第6171544 號專利案。在此技術的實務中，藉由使用一火焰包絡圍繞 且沿著高速氣體噴流，使從一噴槍的一或更多噴嘴射出的 一或更多高速氣體噴流，維持一相對長距離的相干。火焰 包絡是由燃燒從噴槍噴出，且分別從環繞高速氣體噴流噴 嘴的兩圈通道（一內圈和一外圈）噴出的燃料和氧化劑而 形成。典型地，火焰包絡的燃料是從內圈通道噴出，而火 焰包絡的氧化劑是從外圈通道噴出。在噴槍的周圍一延伸 形成再環繞區，在該區內’高速氣體噴流和或火焰包絡流 體由噴嘴和通道提供。此再環繞區能使射出的流體再環繞 ，能改善點火和火焰包絡的穩定性’因此提升高速氣體噴 流的相干相和長度。此相干噴流能使用於從液體表面上方 一相對長的距離，輸送氣體進入例如熔融金屬的液體內。 此相干噴流技術之一非常重要的應用’在於提供氧供煉鋼 操作使用，例如電弧爐和基礎氧氣爐（b a s i c ο X y g e η furnace) o 再環繞延伸雖然可改善早期的相千噴流系統，但因須 以水冷卻末端，所以造成關於噴槍設計和噴槍壽命的一些 -4 - (2) 1272355 問題。當相干噴流系統使用於例如基礎氧氣爐的極惡劣的 環境時，這些問題更嚴重。 因此，本發明之一目的在於提供一種系統，其無需噴 槍延伸或建立從噴槍射出氣體之再環繞區的其他元件’便 能產生有效的相干氣體噴流。 【發明內容】 熟習該相技藝人士 一閱讀此揭露，便可明白上述及其 他目的，且上述及其他目的由本發明來達成。其中一方面 是： 一種建立至少一相干氣體噴流的方法，包含： (A) 從包覆於一噴槍內之至少一噴嘴噴出至少一 藏體，該噴槍具有一噴槍面，該噴槍表面具有一圈通道環 繞該至少一噴嘴； (B) 從該環的一第一組通道噴出燃料，且從該環 的〜第二組通道噴出氧化劑；及 (C) 燃燒從該環的該第一和第二組通道噴出的該 燃料和該氧化劑，以產生圍繞該至少一氣體噴流的一火焰 包絡。 本發明另一方面是： 〜種相干噴流的噴槍，包含： (Α)—噴槍具有一噴槍面和至少〜噴嘴，該噴嘴 在該噴槍面具有一開口； (Β)在該噴槍面上的一圈通道，壤繞該噴嘴開口 (3) 1272355 ;及 (C)供給燃料於該圈的一第一組通道之裝置，及 供給氧化劑於該圈的一第二組通道之裝置。 此文中所用’噴槍表面（lance face)’一語的意思是指噴 槍鄰接一噴射容積的表面。 此文中所用’相干噴流（coherent jet)’一語的意思是指 由噴嘴噴出的噴射氣體所形成的一氣體噴流，且該氣體噴 流具有至少20d長度的速度和動量輪廓，此類似於剛從噴 嘴噴出時的速度和動量輪廓，此處d是噴嘴出口的直徑。 描述相干噴流的另一方式是，氣體噴流在至少20d的長度 內，其直徑很少改變或沒有改變。 此文中所用’長度（length)’一語，當參照於一相干氣 體噴流時，其意思是指從噴出氣體的噴嘴至相干氣體噴流 所欲的衝擊點間的距離，或至氣體噴流停止相干處的距離 【實施方式】 本發明將參照附圖詳細描述。 現在參照第一、二、三圖，如流向箭頭1所示的氣體 流入至少一噴嘴2，經過位於噴槍表面6的噴嘴開口或開 口 4 ’然後流出噴槍3，以在一噴射容積7內形成相干氣 體噴射流或流5，其中該噴嘴2較佳唯一收斂/發散噴嘴。 典型地，氣體流5的速度在700至3000呎/秒（fps)的範圍 內’氣體流5的速度較佳是在剛從噴槍表面噴出時爲超音 -6 - (4) 1272355 波，且維持超音波至少20d的距離。雖然圖中顯示實施例 使用分別經過四個噴嘴從噴槍噴出的四個相干氣體噴流， 但是經過個別噴嘴從噴槍噴出氣體噴流的數目，在本發明 實務中，可在一至六的範圍內。相干氣體噴流所射入之噴 射容積，較佳爲一金屬生產爐，例如煉鋼爐。當使用複數 噴嘴時，最佳是每一噴嘴從噴槍的中心軸朝斜向相互遠離 〇 任何有效的氣體皆可用作形成相干噴流或本發明實務 上噴流用的氣體，該等氣體包括氧、氮、氬、二氧化碳、 氫 '氦、流（stream)、及碳氫化合物氣體。包含二或公多 氣體的混合物，例如空氣，亦可用作本發明實務的該氣體 〇 一圈20通道位於噴槍表面圍繞噴嘴開口或開口 4， 圈20較佳是具有1.5至16吋範圍內直徑的圓。圈20通 常包括12至48個通道，每一通道較佳是具有〇.〇5至0.5 #範圍內直徑的圓。如圖所示，該圈通道最佳是位於噴槍 表面6上得一凹穴或槽21內，典型地，凹穴21具有〇.〇5 至2吋範圍內的深度和0.05至0.5吋範圍內的寬度。 燃料供給至圈20上的第一組通道22，且氧化劑供給 至圈2〇上的第二組通道23。如第一圖所示，較佳的是第 一組通道22與第二組通道23，在圈2〇上交替間隔排列 ’ &使每一燃料出口 22有兩氧化劑出口 23相鄰在其兩側 ° Μ料和氧化劑從噴槍3的個別通道噴出而進入噴射容積 7 @ ’從該圈通道噴出燃料和氧化劑的速度可爲次音速， -7- (5) 1272355 但較佳是在音速。噴出的燃料和氧化劑爲音速，有助避免 外來物質進入並阻塞通道，尤其當本發明使用再例如煉鋼 爐的惡劣環境時，此點更重要。若需要，噴出燃料和氧化 劑的速度可爲大於一馬赫至二馬赫的超音速。 從通道22噴出的燃料較佳是呈氣體狀，且可爲任何 燃料例如甲烷或天然氣。從通道2 3噴出的氧化劑可爲空 氣、具有氧濃度超過空氣濃度的富含氧之空氣、或具有氧 濃度至少90莫耳百分比商用氧氣。較佳的氧化劑是具有 氧濃度至少25莫耳百分比的流體。 從噴槍流出的燃料和氧化劑形成圍繞氣流5的氣體包 絡，其在例如熔融金屬爐隻噴射容積內燃燒，而形成圍繞 氣體流5的一火焰包絡或火焰複環24。火焰包絡24圍繞 著氣體流5，做爲保持周圍氣體不被抽入氣流內之用，藉 此在距個別噴嘴出口至少20倍直徑（20 d)的距離內，防止 氣流的速度被大幅降低，且防止氣流的直徑大幅地增加。 亦即火焰包絡或火焰覆環24用於在距個別噴嘴出口至少 2〇倍直徑（20d)的距離內，建立和維持氣體流5做爲相干 噴流之用。 本發明之一重要優點在於不需使用噴槍上的延伸，便 可從噴槍形成一有效相干氣體噴流。噴槍的延伸已被使用 於鄰近噴槍面形成一保護環區，以改善噴入該保護環區內 之火焰包絡氣體的點火和燃燒·，因此改善氣體噴流的相干 性。雖然此噴槍延伸的使用，對初期相干氣體噴流實務有 重要的改善，但該延伸的使用亦有問題。在本發明的實務 (6) 1272355 中，從噴槍噴出的氣體直接進入噴射容積內，而沒有經過 噴槍延伸所形成的保護區或環區，但仍可達到使用噴槍延 伸所具之相干性的改善。 本發明使用多種供給火焰包絡氣體的不同設計，並以 實驗評估其效率。實驗中使用的燃料是天然氣，而使用的 氧化劑是具有99莫耳百分比濃度的氧，且被稱做第二氧 (secondary oxygen)。在每一實驗中，噴槍具有四個噴嘴 以提供氣體流，該氣體流的氣體是具有純度99莫耳百分 比的氧，且被稱做主氧（main oxygen)。實驗報告如下，且 僅提出供說明用，並無意做限制。 實驗是用於評估本發明的效率，和易於瞭解天然氣 (N G)及氧化劑通道間隔距離的角色。本實驗維持包絡通道 總共16的常數（8個天然氣和8個氧化劑），但藉由改變通 道圓的直徑以變化通道的間隔距離。主噴嘴的圓直徑保持 不變，試驗環槽對火焰穩定性的幫助。下文的實虛比 (land ratio L R )定義爲兩通道外緣間的距離（肉厚1 a n d ) 除以兩通道半徑的和’ LR = Land/(RS0 + RNG)。每一實驗 的燃料和氧化劑，是經由圍繞噴嘴之單一圈通道上的交替 間隔通道所提供。 噴流設計： 噴流#1是通道總數爲16個的設計，圓直徑是2.125 吋，實虛比LR =0.67。 噴流#2是通道總數爲16個的設計，圓直徑是3.25吋 -9 - 1272355 ⑺ ，實虛比LR =1.56。 噴流#3是通道總數爲16個的設計，圓直徑是4.25吋 ，實虛比LR =2.34。 條件： 主氧（main oxygen) = 40,〇〇〇標準立方呎/小時（scfh) 氧（1 6 5 p s i g供給壓力）。 主噴嘴 =0.38吋/0.26吋的出口 /喉部直徑，彎角 12度。 天然氣速度=670 呎 /秒（fps)，（@5,〇〇〇 scfh)。 第二氧速度=32(M^/^'(fps)5(@4000 scfh)。 無再環繞的延伸 槽 =0.281吋寬 X 0.25吋深。 噴流# 1:對一 5，0 0 0 s c f h的常數天然氣流，可獲得極佳 的相干噴流，典型地是20吋，其超過習知雙圈設計的@ 度。在廣範圍的條件內，火焰都是穩定的。此噴流未試^ 於具一環槽的情況。 噴流#2:沒有槽，其相干噴流的長度較噴流#1者略胃 減少。當增加槽時，相干噴流的長度得到改善，且超過嗔 流#1所獲得的結果。 噴流#3 :沒有槽，其相干噴流的長度大體上較短° $ 舉升模式操作的火焰，造成較短的相干噴流。增加一權穩 定包絡，導致完全恢復相干噴流的長度。 具有可能消除基本氧爐中之包絡通道阻塞的目標’胃 -10- (8) 1272355 驗被導向於觀察在音速流的條件時，通道是否能被操作。 複數個單一圈設計被試驗，天然氣通和第二氧通道的尺寸 設計爲當天然氣和第二氧的流速分別爲 5000scfh和 4000s cfh時，可在1馬赫操作。增設不同深度的環槽用以 穩定火焰包絡。 噴流設計： 噴流#4是通道總數爲32個的單一圈設計，天然氣通 道和第二氧通道直徑是0.1吋，圈的直徑 =2.0吋，實虛 比 LR = 0.9.6。 噴流#5是通道總數爲24個的單一圈設計，天然氣通 道和第二氧通道直徑是0.115吋，圈的直徑 =2.0吋，實 虛比 LR =1.28。 噴流#6是通道總數爲1 6個的單一圈設計，天然氣通 道和第二氧通道直徑是0.141吋，圈的直徑 =2.0吋，實 虛比 LR =1.79。 噴流#7是通道總數爲3 2個的單一圈設計，天然氣通 道和第二氧通道直徑是0.1吋，圈的直徑 =2.75吋，實 虛比 LR =1.70。 條件： 主氧（main oxygen) = 40,000 scfh 氧（165 psig 供給壓 力）。 噴嘴 =0.3 8吋/0.2 6吋的出口 /喉部直徑，彎角12 -11 - (9) 1272355 度。 天然取速度 =1364沢/秒 （1馬赫），（@5,〇〇〇 scfh)。 第二氧速度 =982呎/秒（1馬赫），（@4〇〇〇 scfh)。 無延伸 槽尺寸=可變化（寬 X深）。 噴流#4 ··沒有槽，其相干噴流的長度差，這是分散火 焰的結果。1.25D X 1.25D和1.25D X 2D的槽可獲得好的相 千噴流。（槽標記==寬度X深度；D =通道直徑） 噴流#5:沒有槽，噴槍很難點燃（不穩定）。id X 1D， 1DX1.5D和lDx2D的槽可獲得好的相干噴流。 噴流#6:沒有槽，噴槍很難點燃（不穩定），相干噴流 的長度是基本地非包絡値。槽穩定了包絡燃燒，但即使具 有均勻深度1Dx2D的槽，仍得相對差的相干噴流。 噴流#7:沒有槽，其相干噴流的長度差。1.25D x 1 · 25 D的槽可獲得好的相干噴流。 雖然本發明已參照某些較佳實施例而詳細描述，但熟 習該項技藝人士可瞭解，在申請專利範圍之涵蓋和精神中 ，本發明仍有其他實施例。 【圖式簡單說明】 第一圖是噴槍表面之一較佳實施例的頭。 第二圖是噴槍之一較佳實施例的剖視圖，該噴槍具有 該噴槍表面，可使用於本發明實務中。 第三圖顯示第一和二圖所示本發明實施例的操作。圖 -12- (10) (10)1272355 中關於共通元件的編號是相同的。 主要元件對照表 1流向箭頭 2 噴嘴 3噴槍 4開口 5流（氣體噴流） 6噴槍面 7噴槍容積 20 圈 21 凹穴（槽） 22第一組通道 23第二組通道 24火焰包絡（包絡）

Claims (1)

1272355 ⑴ · 拾、申請專利範圍 1 · 一種建立至少一相千氣體噴流的方法，包含： (A) 從包覆於一噴槍內之至少一噴嘴噴出至少一氣體 ’該噴槍具有一噴槍面，該噴槍表面具有一圈通道環繞該 至少一噴嘴； (B) 從該環的一第一組通道噴出燃料，且從該環的一 第二組通道噴出氧化劑；及 (C) 燃燒從該環的該第一和第二組通道噴出的該燃料 馨 和該氧化劑，以產生圍繞該至少一氣體噴流的一火焰包絡 〇 2 ·如申請專利範圍第1項所述建立至少一相干氣體噴 流的方法，其中複數的氣體噴流從該噴槍噴出。 3 ·如申請專利範圍第i項所述建立至少一相干氣體噴 流的方法’其中該燃料和該氧化劑分別從該圈通道之交錯 的該第一組通道和該第二組通道噴出。 4 ·如申g靑專利範圍第1項所述建立至少一相干氣體噹 · 流的方法，其中該至少一氣體噴流、該燃料、和該氧化劑 從該噴槍噴出，直接進入一噴射容積，沒有流經由噴槍上 一延伸所形成的一再環繞區。 5 ·如申請專利範圍第1項所述建立至少一相干氣體噴 k的方法，其中每—該至少一氣體噴流，行經一至少2〇廿 的距離，仍維持該氣體噴流的直徑爲大致的常數，其中d 是該氣體噴流流出該噴嘴的出口直徑。 6·一種相干噴流的噴槍，包含： (2) 1272355 (A) —噴槍具有一噴槍面和至少一噴嘴，該噴嘴在該 噴槍面具有一開口； (B) 在該噴槍面上的一圈通道，環繞該噴嘴開口；及 (C) 供給燃料於該圈的一第一組通道之裝置，及供給 氧化劑於該圈的一第二組通道之裝置。 7. 如申請專利範圍第6項所述之相干噴流的噴槍，具 有複數噴嘴。 8. 如申請專利範圍第6項所述之相干噴流的噴槍，其 中該圈通道在該噴槍表面上的一凹穴內。 9. 如申請專利範圍第6項所述之相干噴流的噴槍，其 中該第一組通道與該第二組通道相交錯。 1 〇 .如申請專利範圍第6項所述之相干噴流的噴槍， 在鄰近該噴槍表面處，不具有形成再環繞區的延伸。

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