專利名稱：一種具有單個包絡(luò)火焰環(huán)的相干射流系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來講涉及相干射流技術(shù)。
盡管較早的相干射流系統(tǒng)通過設(shè)置環(huán)流延伸部得到改進(jìn)，但由于需要對端部進(jìn)行水冷，帶來了一些涉及噴管設(shè)計(jì)和噴管壽命的問題。當(dāng)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(jìn)行氧氣頂吹轉(zhuǎn)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(shè)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(jī)構(gòu)，和提供氧化劑到所述環(huán)的第二組孔口的機(jī)構(gòu)。
本文所用的術(shù)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(shù)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(shù)語“長度”當(dāng)涉及到相關(guān)氣體射流時是指從噴出氣體的噴嘴到相干氣體射流預(yù)計(jì)的碰撞點(diǎn)的長度，或到達(dá)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(shí)施例的頂視圖；圖2噴管的優(yōu)選實(shí)施例的剖視圖，其具有可用于實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dāng)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(shí)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?dú)?、氬氣、二氧化碳、氫氣、氦氣、水蒸汽和碳?xì)浠衔餁怏w。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(jìn)部分或槽21中。一般地，凹進(jìn)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(yīng)到環(huán)20的第一組孔口22，氧化劑供應(yīng)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(shè)置，使每個燃料孔口22的兩側(cè)各有一個氧化劑孔口23，各個氧化劑孔口23的兩側(cè)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(dá)到音速。音速的噴出燃料和氧化劑可強(qiáng)化排除外部物質(zhì)進(jìn)入和堵塞孔口的作用，當(dāng)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(luò)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(luò)火焰或火焰罩24。圍繞氣流5的包絡(luò)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(luò)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(diǎn)是噴管能夠形成有效的相干氣體射流，噴管無需設(shè)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(hù)環(huán)流區(qū)，以提高進(jìn)入保護(hù)環(huán)流區(qū)的火焰罩氣體的點(diǎn)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(jìn)，但使用這種延伸部存在一些問題。在實(shí)施本發(fā)明中，從噴管噴出的氣體直接進(jìn)入噴射空間，無需通過噴管延伸部形成的保護(hù)區(qū)或環(huán)流區(qū)，仍能實(shí)現(xiàn)使用噴管延伸部所實(shí)現(xiàn)的提高相干性。
對供應(yīng)火焰罩氣體的不同設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以評估本發(fā)明的有效性。實(shí)驗(yàn)所用的燃料是天然氣，實(shí)驗(yàn)所用氧化劑的氧濃度為99克分子％，其稱作二次氧。在各次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了可提高火焰穩(wěn)定性的環(huán)形槽實(shí)驗(yàn)。下面，實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)射流器#1是有16個孔口的設(shè)計(jì)。圓直徑是2.125英寸。實(shí)地比LR＝0.67。
射流器#2是有16個孔口的設(shè)計(jì)。圓直徑是3.25英寸。實(shí)地比LR＝1.56。
射流器#3是有16個孔口的設(shè)計(jì)。圓直徑是4.25英寸。實(shí)地比LR＝2.34。實(shí)驗(yàn)條件主氧＝40,000標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時)二次氧速度＝320英尺/秒(4000標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時)未設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(jìn)行環(huán)形槽實(shí)驗(yàn)。
射流器#2未設(shè)置環(huán)形槽，與射流器#1相比相干射流長度稍微下降，當(dāng)設(shè)置環(huán)形槽時，相干射流長度提高，并超過射流器#1的結(jié)果。
射流器#3未設(shè)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(dāng)設(shè)置環(huán)形槽穩(wěn)定火焰罩時，可導(dǎo)致相干射流長度完全恢復(fù)。
為了實(shí)現(xiàn)可能的免去火焰罩孔口插入氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的目標(biāo)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。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(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時和4000標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時。設(shè)置了不同深度的環(huán)形槽以穩(wěn)定火焰罩。射流器設(shè)計(jì)射流器#4是共有32個孔口的單環(huán)設(shè)計(jì)。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(shí)地比LR＝0.96英寸。
射流器#5是共有24個孔口的單環(huán)設(shè)計(jì)。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(shí)地比LR＝1.28英寸。
射流器#6是共有16個孔口的單環(huán)設(shè)計(jì)。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(shí)地比LR＝1.79英寸。
射流器#7是共有32個孔口的單環(huán)設(shè)計(jì)。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(shí)地比LR＝1.70英寸。實(shí)驗(yàn)條件主氧＝40,000標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時)二次氧速度＝982英尺/秒(馬赫數(shù)1)(4000標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時)未設(shè)置延伸部槽尺寸＝不同的(寬×深)。
射流器#4未設(shè)置槽，相干射流長度很短，是由分離火焰造成。在設(shè)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(shè)置槽，噴管難以點(diǎn)燃(不穩(wěn)定)。在設(shè)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(shè)置槽，噴管難以點(diǎn)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(dāng)深的1.0D×2.0D的槽。
射流器#7未設(shè)置槽，相干射流很差，在設(shè)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(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行的詳細(xì)介紹，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可認(rèn)識到，在不脫離所附權(quán)利要求的精神實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，本發(fā)明可具有其他的實(shí)施方式。
權(quán)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(luò)的火焰。
2.根據(jù)權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(jī)構(gòu)，和提供氧化劑到所述環(huán)的第二組孔口的機(jī)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)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(quán)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(jìn)部分。
9.根據(jù)權(quán)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(quán)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(shè)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(luò)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(quán)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(shù)有限公司