專利名稱：一種具有單個包絡火焰環(huán)的相干射流系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來講涉及相干射流技術。
盡管較早的相干射流系統(tǒng)通過設置環(huán)流延伸部得到改進，但由于需要對端部進行水冷，帶來了一些涉及噴管設計和噴管壽命的問題。當相干射流系統(tǒng)用于非常惡劣的環(huán)境時，這些問題非常突出，如進行氧氣頂吹轉爐煉鋼時。
因此，本本發(fā)明的目的是提出一種能夠形成有效的相干氣體射流的系統(tǒng)，不需要設置噴管延伸部或其他元件來建立噴管噴出氣體的環(huán)流區(qū)。
本發(fā)明的另一方面是一種相干噴管，包括(A)噴管，其具有噴管表面和至少一個噴嘴，所述噴嘴在所述噴管表面有開口；(B)所述噴管表面上的孔口環(huán)，其圍繞所述噴嘴開口；和(C)提供燃料到所述環(huán)的第一組孔口的機構，和提供氧化劑到所述環(huán)的第二組孔口的機構。
本文所用的術語“噴管表面”是指與噴射空間接觸的噴管表面。
本文所用的術語“相干射流”是指從噴嘴噴出氣體所形成的氣體射流，其具有沿至少為20d的長度分布的速度和動量，其中d是噴嘴的外徑，該速度和動量類似于從噴嘴噴出時的速度和動量分布。還有另一種說明相干射流的方式，這是一種其直徑在至少20d的距離上沒有變化或變化很小的氣體射流。
本文所用的術語“長度”當涉及到相關氣體射流時是指從噴出氣體的噴嘴到相干氣體射流預計的碰撞點的長度，或到達氣體射流不再相干的位置的長度。


圖1是噴管表面的優(yōu)選實施例的頂視圖；圖2噴管的優(yōu)選實施例的剖視圖，其具有可用于實現(xiàn)本發(fā)明的噴管表面；和圖3顯示了使用中的圖1和圖2所示本發(fā)明的實施例。
附圖中的數(shù)字對于相同的元件是相同的。
現(xiàn)在參考附圖1、2和3，由箭頭1表示的氣體穿過至少一個噴嘴2，最好是會聚/發(fā)散噴嘴，然后通過噴管表面6的一個噴嘴開口或多個開口4從噴管3噴出，在噴射空間7形成一股相干的氣體射流或多股射流5。一般地，氣流5的速度在700到3000英尺/秒(fps)的范圍內(nèi)。氣流5的速度最好在從噴管表面噴出時是超音速的，并在至少20d的距離上保持超音速。盡管附圖顯示的實施例使用了四個分別通過四個噴嘴從噴管噴出的相干氣體射流，在實施本發(fā)明中，通過噴嘴從噴管噴出的氣體射流的數(shù)目可以在1到6個范圍內(nèi)。相干氣體射流噴入的噴射空間最好是冶煉金屬的爐子，比如煉鋼爐。當使用多個噴嘴時，每個噴嘴最好是與噴管的中心線并且互相之間傾斜一個角度。
在實施本發(fā)明中，任何有效氣體都可以用作形成一股相干射流或多股射流的氣體，在這些氣體中，可選氧氣、氮氣、氬氣、二氧化碳、氫氣、氦氣、水蒸汽和碳氫化合物氣體。另外包含兩種或多種氣體的混合物，如空氣，也可以用作本發(fā)明的射流氣體。
孔口環(huán)20位于噴管的表面上，圍繞一個噴嘴開口或多個噴嘴開口4。環(huán)20最好是環(huán)狀的，其直徑在1.5到16英寸的范圍。環(huán)20一般包括12到48個孔口。各個孔口最好是圓的，其直徑在0.05到0.5英寸的范圍內(nèi)。如圖所示，孔口環(huán)最好位于噴管表面6的凹進部分或槽21中。一般地，凹進部分21的深度在0.05到2英寸的范圍，寬度在0.05到0.5英寸的范圍內(nèi)。
燃料供應到環(huán)20的第一組孔口22，氧化劑供應到環(huán)20的第二組孔口23。如圖1所示，第一組孔口22最好與第二組孔口23交錯設置，使每個燃料孔口22的兩側各有一個氧化劑孔口23，各個氧化劑孔口23的兩側各有一個燃料孔口。燃料和氧化劑從噴管3的各個孔口射流入噴射空間7。從環(huán)部分噴出的燃料和氧化劑的速度可以是亞音速，但最好是達到音速。音速的噴出燃料和氧化劑可強化排除外部物質進入和堵塞孔口的作用，當本發(fā)明用于惡劣的環(huán)境，比如煉鋼爐時，這是非常重要的。如果需要，噴出燃料和氧化劑的速度可以是超音速，具有大于馬赫數(shù)1不超過馬赫數(shù)2的速度。
從孔口22噴出的燃料最好是氣態(tài)的，可以是任何燃料，如甲烷和天然氣。從孔口23噴出的氧化劑可以是空氣、富氧的空氣，其氧濃度超過空氣所含氧氣濃度；商業(yè)化氧氣，其氧濃度為至少90克分子％。氧化劑最好是流體，具有至少25克分子％的濃度。
從噴管噴出的燃料和氧化劑形成圍繞氣體射流5的包絡氣體，其燃燒后在噴射空間，如金屬熔煉爐，形成圍繞氣體射流5的包絡火焰或火焰罩24。圍繞氣流5的包絡火焰24可防止周圍的氣體抽入氣流中，因此可防止氣流的速度急速下降和防止氣流的直徑急速減少，至少在距各個噴嘴出口的20d的距離內(nèi)不能下降。即，包絡火焰或火焰罩24用于建立氣流并至少在從各個噴嘴出口的20d的距離內(nèi)保持氣流5為相干射流。
本發(fā)明的重大優(yōu)點是噴管能夠形成有效的相干氣體射流，噴管無需設置延伸部。目前，噴管延伸部已經(jīng)用來形成靠近噴管表面的保護環(huán)流區(qū)，以提高進入保護環(huán)流區(qū)的火焰罩氣體的點燃性和燃燒性，因此提高了氣體射流的相干性。盡管使用這種噴管延伸部是對原來的相干氣體射流的重大改進，但使用這種延伸部存在一些問題。在實施本發(fā)明中，從噴管噴出的氣體直接進入噴射空間，無需通過噴管延伸部形成的保護區(qū)或環(huán)流區(qū)，仍能實現(xiàn)使用噴管延伸部所實現(xiàn)的提高相干性。
對供應火焰罩氣體的不同設計進行了實驗以評估本發(fā)明的有效性。實驗所用的燃料是天然氣，實驗所用氧化劑的氧濃度為99克分子％，其稱作二次氧。在各次實驗中，噴管有四個形成氣體射流的噴嘴，形成氣體射流的氣體是氧氣，純度為99克分子％，可稱作主氧。實驗的結果顯示如下，其只是以說明為目的，不能視為對本發(fā)明的限制。
進行了實驗以評估本發(fā)明的有效性和更好地了解間隔開的天然氣(NG)和氧化劑孔口的作用。實驗中保持火焰罩孔口的數(shù)目不變，總共為16個(8個天然氣和8個氧化劑)，只是通過改變孔口圓直徑來變化孔口的間距。主噴嘴的直徑保持不變。進行了可提高火焰穩(wěn)定性的環(huán)形槽實驗。下面，實地比(Land radio，LR)定義為孔口邊之間的間距被孔口半徑之和來除，LR＝間距/(Rso+RNG)。在各次實驗中，燃料和氧化劑通過圍繞噴嘴的單個孔口環(huán)上的交錯孔口來提供。射流器設計射流器#1是有16個孔口的設計。圓直徑是2.125英寸。實地比LR＝0.67。
射流器#2是有16個孔口的設計。圓直徑是3.25英寸。實地比LR＝1.56。
射流器#3是有16個孔口的設計。圓直徑是4.25英寸。實地比LR＝2.34。實驗條件主氧＝40,000標準立方尺/小時(scfh)的氧氣(壓力為165磅/平方英寸)主噴嘴＝0.38英寸/0.26英寸(出口與管路直徑)偏斜角度為12°。
天然氣速度＝670英尺/秒(5000標準立方英尺/小時)二次氧速度＝320英尺/秒(4000標準立方英尺/小時)未設置環(huán)流延伸部槽＝0.281英寸寬×0.25英寸深。
射流器#1對恒定的5000標準立方英尺/小時的天然氣流量，可得到優(yōu)良的相干射流，典型長度為20英寸，超過了傳統(tǒng)的雙環(huán)設計的射流長度。火焰在很寬的條件下保持穩(wěn)定。該射流器未進行環(huán)形槽實驗。
射流器#2未設置環(huán)形槽，與射流器#1相比相干射流長度稍微下降，當設置環(huán)形槽時，相干射流長度提高，并超過射流器#1的結果。
射流器#3未設置環(huán)形槽，相干射流長度大體上是縮短，火焰具有上升模式，使相干射流長度縮短，當設置環(huán)形槽穩(wěn)定火焰罩時，可導致相干射流長度完全恢復。
為了實現(xiàn)可能的免去火焰罩孔口插入氧氣頂吹轉爐的目標，進行了實驗以觀察孔口是否能夠在音速流動狀態(tài)下工作。對多種環(huán)的設計進行了實驗。天然氣和二次氧氣孔口的尺寸加工成可在1馬赫數(shù)工作，天然氣和二次氧氣的流量分別為5000標準立方英尺/小時和4000標準立方英尺/小時。設置了不同深度的環(huán)形槽以穩(wěn)定火焰罩。射流器設計射流器#4是共有32個孔口的單環(huán)設計。天然氣和二次氧孔口直徑是0.10英寸。環(huán)直徑＝2.0英寸，實地比LR＝0.96英寸。
射流器#5是共有24個孔口的單環(huán)設計。天然氣和二次氧孔口直徑是0.115英寸。環(huán)直徑是2.0英寸。實地比LR＝1.28英寸。
射流器#6是共有16個孔口的單環(huán)設計。天然氣和二次氧孔口直徑是0.141英寸。環(huán)直徑是2.0英寸，實地比LR＝1.79英寸。
射流器#7是共有32個孔口的單環(huán)設計。天然氣和二次氧孔口直徑是0.10英寸。環(huán)直徑是2.75英寸，實地比LR＝1.70英寸。實驗條件主氧＝40,000標準立方尺/小時(scfh)的氧氣(壓力為165磅/平方英寸)噴嘴＝0.38英寸/0.26英寸(出口與管路直徑)，偏斜角度為12°。
天然氣速度＝1364英尺/秒(馬赫數(shù)1)(5000標準立方英尺/小時)二次氧速度＝982英尺/秒(馬赫數(shù)1)(4000標準立方英尺/小時)未設置延伸部槽尺寸＝不同的(寬×深)。
射流器#4未設置槽，相干射流長度很短，是由分離火焰造成。在設置1.25D×1.25D和1.25D×2.0D的槽時得到很好的相干射流(槽用寬度×長度表示，D為孔口直徑)。
射流器#5未設置槽，噴管難以點燃(不穩(wěn)定)。在設置1.0D×1.0D，1.0D×1.5D和1.0D×2.0D的槽時得到很好的相干射流。
射流器#6未設置槽，噴管難以點燃，相干射流長度基本上為無火焰罩的數(shù)值，槽可穩(wěn)定火焰罩燃燒，但具有較差的相干射流，即使使用相當深的1.0D×2.0D的槽。
射流器#7未設置槽，相干射流很差，在設置1.25D×1.25D的槽時得到很好的相干射流通過參考一些優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行的詳細介紹，所屬領域的技術人員可認識到，在不脫離所附權利要求的精神實質和范圍的情況下，本發(fā)明可具有其他的實施方式。
權利要求
1.一種形成至少一股相干氣體射流的方法，包括(A)從至少一個噴管的噴嘴噴出至少一股氣體射流，所述噴管具有噴管表面，所述噴管表面上具有圍繞所述至少一個噴嘴的孔口環(huán)；(B)燃料從所述環(huán)的第一組孔口噴出，氧化劑從所述環(huán)的第二組孔口噴出；(C)從所述環(huán)的第一和第二組孔口噴出的燃料和氧化劑燃燒，在所述至少一股氣體射流周圍產(chǎn)生包絡的火焰。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，有多股氣體射流從所述噴管噴出。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，燃料和氧化劑分別從所述第一和第二組孔口噴出，所述第一和第二組孔口在所述孔口環(huán)上是交錯的。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一股氣體射流、所述燃料和所述氧化劑從所述噴管直接噴射到噴射空間，無需經(jīng)過所述噴管延伸部形成的環(huán)流區(qū)。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一股氣體射流噴出至少20d的距離，其中d是所述氣體射流通過的噴嘴的出口直徑，并保持所述氣體射流的直徑基本不變。
6.一種相干噴管，包括(A)噴管，其具有噴管表面和至少一個噴嘴，所述噴嘴在所述噴管表面上有開口；(B)所述噴管表面上的孔口環(huán)，其圍繞所述噴嘴開口；(C)提供燃料到所述環(huán)的第一組孔口的機構，和提供氧化劑到所述環(huán)的第二組孔口的機構。
7.根據(jù)權利要求6所述的相干噴管，其特征在于，所述噴管具有多個噴嘴。
8.根據(jù)權利要求6所述的相干噴管，其特征在于，所述孔口環(huán)位于所述噴管表面的凹進部分。
9.根據(jù)權利要求6所述的相干噴管，其特征在于，所述第一組孔口與所述第二組孔口是交錯的。
10.根據(jù)權利要求6所述的相干噴管，其特征在于，所述噴管沒有可形成位于所述噴管表面附近的環(huán)流區(qū)的延伸部。
全文摘要
一種相干噴管及其操作方法，其不需要設置噴管延伸部，利用單個孔口環(huán)在主氣體射流周圍噴出包絡的燃燒氣體，可保持氣體射流相干。
文檔編號F23D14/22GK1459584SQ0314094
公開日2003年12月3日 申請日期2003年5月22日 優(yōu)先權日2002年5月24日
發(fā)明者W·J·馬霍尼 申請人:普萊克斯技術有限公司