способ и устройство для получения единой когерентной струи

Формула изобретения

1. Способ получения единой когерентной газовой струи, образованной из множества газовых потоков, включающий наличие фурмы, имеющей ось и торец с множеством сопел, причем каждое из сопел имеет выпускное отверстие для выпуска газа из сопла, выброс газа в виде струи из каждого выпускного отверстия сопла и образование множества первичных когерентных газовых струй, причем каждая первичная когерентная струя выходит из выпускного отверстия под внутренним углом к оси фурмы, совместное истечение множества первичных когерентных газовых струй и образование единой когерентной газовой струи из множества первичных когерентных газовый струй, выброс топлива и окислителя, по меньшей мере, в одном потоке из торца фурмы и сжигание топлива с окислителем, отличающийся тем, что сжигание топлива с окислителем осуществляется с образованием оболочки пламени вокруг множества первичных когерентных газовых струй, а распространение оболочки пламени от окружения множества первичных когерентных газовых струй осуществляется таким образом, чтобы окружать единую когерентную газовую струю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливо и окислитель выходят из фурмы соответственно двумя концентрическими потоками и окружают множество первичных когерентных газовых струй.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждая первичная когерентная газовая струя имеет сверхзвуковую скорость.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученная единая газовая струя имеет сверхзвуковую скорость.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из множества первичных когерентных газовых струй содержит газ, который является другим газом, содержащимся, по меньшей мере, в одной из множества других первичных когерентных газовых струй.

6. Устройство для получения единой когерентной газовой струи из множества газовых потоков, включающее фурму, имеющую ось и торец с множеством сопел, при этом каждое из сопел имеет ось, направленную под внутренним углом к оси фурмы, и средства для подачи, по меньшей мере, одного топлива и окислителя из фурмы по периферии относительно множества сопел, причем средства для подачи включают первое кольцо отверстий, расположенных вокруг сопел на торцевой поверхности фурмы для подачи топлива и второе кольцо отверстий, расположенных вокруг первого кольца отверстий на торцевой поверхности фурмы для подачи окислителя.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что включает от двух до четырех сопел.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится в основном к области истечения газа, более конкретно к способу и устройству для получения единой когерентной струи. Изобретение обеспечивает получение более одного газового потока из единственной фурмы, так чтобы газовые потоки сливались и образовывали единую когерентную струю.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Часто возникает потребность в получении потока газа. Например, поток газа можно вводить в жидкость по той или иной причине. Химически активный газ может вводиться в жидкость для реагирования с одним или несколькими компонентами жидкости, такими, например, как введение кислорода в расплавленное железо для взаимодействия с углеродом в расплавленном железе для обезуглероживания и выделения тепла в расплавленное железо. Кислород может вводиться в другие расплавленные металлы, такие как медь, свинец и цинк для плавления или рафинирования, или в водный раствор или жидкий углеводород для выполнения реакции окисления. Неокислительный газ, такой как инертный газ, может вводиться в жидкость для ее перемешивания, или чтобы, например, обеспечивать улучшение распределения температуры или улучшение распределения компонентов в жидкости.

На практике часто необходимо использовать более одного газового потока. Например, поток окислителя, такого как кислород, и поток топлива, такого как природный газ, можно подавать в реакционную зону или в жидкость, где они могут сгорать для выделения тепла. Хотя окислитель и топливо можно подавать из используемого устройства единым смешанным потоком, это обычно нежелательно по соображениям безопасности.

Множество газовых потоков могут сливаться и взаимодействовать. Особенно тогда, когда газовые потоки образуют горючие смеси так, как в описанном выше случае, желательно, чтобы они проходили на значительном расстоянии от используемого устройства. Кроме того, в случае, когда газы из множества газовых потоков реагируют внутри жидкости, такой как расплавленный металл или водный раствор, необходимо, чтобы газы глубоко проникали в жидкость для усиления эффекта их взаимодействия.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание системы, посредством которой газы из множества газовых потоков могут проходить значительное расстояние от устройства, из которого получают множество газовых потоков.

Другой задачей настоящего изобретения является создание системы, посредством которой газы из множества газовых потоков могут эффективно поступать в жидкость после прохождения значительного расстояния от устройства, из которого подают множество газовых потоков.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описанные выше и другие задачи, которые станут понятными специалистам в данной области техники при ознакомлении с данным описанием, достигаются при использовании настоящего изобретения, одним из аспектов которого является способ получения единой когерентной газовой струи из множества газовых потоков, включающий:

(A) наличие фурмы, имеющей ось и торец с множеством сопел, причем каждое из сопел имеет выпускное отверстие для выпуска газа из сопла;

(B) выброс газа в виде струи из каждого выпускного отверстия сопла и образование множества первичных когерентных газовых струй, причем каждая первичная когерентная газовая струя выходит из выпускного отверстия сопла под внутренним углом к оси фурмы;

(C) выброс топлива и окислителя, по меньшей мере, в одном потоке из торца фурмы и сжигание топлива с окислителем с образованием оболочки пламени вокруг множества первичных когерентных газовых струй;

(D) прохождение множества первичных когерентных газовых струй и образование единой когерентной газовой струи из множества первичных когерентных газовых струй; и

(Е) распространение оболочки пламени от окружения множества первичных когерентных газовых струй таким образом, чтобы окружать единую когерентную газовую струю.

Другим аспектом настоящего изобретения является устройство для получения единой когерентной газовой струи из множества газовых потоков, причем устройство включает фурму, имеющую ось и торец с множеством сопел, при этом каждое из сопел имеет ось, направленную под внутренним углом к оси фурмы, и средства для впрыска, по меньшей мере, одного топлива и окислителя из фурмы по периферии относительно множества сопел.

Используемый здесь термин "кольцевой" означает в форме кольца.

Используемый здесь термин "оболочка пламени" означает поток горящей среды, соосно окружающий, по меньшей мере, один другой газовый поток.

Используемый здесь термин "когерентная газовая струя" означает газовый поток, диаметр которого по существу остается постоянным.

Используемый здесь термин "длина", когда он относится к газовой струе, означает расстояние от места образования газовой струи до заданной точки столкновения газовой струи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представлен поперечный разрез одного из предпочтительных вариантов участка торца или наконечника фурмы, которую можно использовать при практическом применении настоящего изобретения.

На фиг.2 представлен поперечный разрез торца фурмы, показанной на фиг.1, в действии.

На фиг. 3 представлен вид сверху торца фурмы в соответствии с фиг.1, имеющей четыре сопла, расположенных по окружности.

На фиг. 4 представлен вид сверху торца фурмы в соответствии с фиг.1, имеющей два сопла.

На фиг. 5 и 6 графически представлены результаты испытаний, полученных при использовании настоящего изобретения.

Цифровое обозначение позиций на чертежах является одинаковым для одинаковых элементов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее настоящее изобретение описано подробно со ссылкой на чертежи. Фурма 1 имеет участок 2 торца или наконечника, содержащий множество сопел 3. На фиг.1 и 2 показан предпочтительный вариант настоящего изобретения, в котором каждое сопло является сужающимся/расширяющимся. Каждое из сопел 3 имеет впускное отверстие 4 и выпускное отверстие 5.

Предпочтительно, как показано на фиг.1 и 2, выходные отверстия сопла расположены на одном уровне с торцевой поверхностью 7 фурмы. Предпочтительно отверстия сопел являются круглыми, хотя могут быть использованы и другие формы, такие как эллиптические. Каждое впускное отверстие 4 сообщается с источником подачи газа. В варианте, показанном на фиг.1, каждое впускное отверстие 4 сообщается с разными источниками подачи газа. Например, одно из впускных отверстий может сообщаться с источником подачи окислителя, а другое - с источником подачи топлива. Как вариант одно или несколько впускных отверстий 4 может соединяться с одним и тем же источником подачи газа. Среди газов, которые можно использовать при практическом применении настоящего изобретения, для подачи из сопла можно использовать воздух, кислород, воздух, обогащенный кислородом, азот, аргон, двуокись углерода, водород, гелий, газообразные углеводороды, другие газообразные виды топлива и смеси, содержащие один или несколько из перечисленных газов.

Как показано на фиг.1 и 2, сопла в фурме своими осями или центральными линиями ориентированы под внутренним углом А по отношению к оси или центральной линии фурмы. Угол А может составлять вплоть до 45 градусов или более, а предпочтительно быть в диапазоне от 0,5 до 5 градусов, более предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 2 градусов. Диаметр горловины сопел предпочтительно находится в диапазоне от 5,08 до 50,8 мм, а диаметр выпускных отверстий 5 находится в диапазоне от 7,6 до 76,2 мм.

Выброс газа из каждого выпускного отверстия 5 сопла осуществляют предпочтительно со сверхзвуковой скоростью, как правило, в диапазоне от 152,4 до 3048 метров в секунду для образования множества газовых струй 20.

На торце фурмы также имеется, по меньшей мере, одно средство выброса, предпочтительно кольцевое средство для выброса из сопла, по меньшей мере, одного газового потока, предпочтительно концентрически вокруг множества газовых струй. Этот газовый поток или потоки, выходящие из средств выброса, могут иметь любую эффективную форму. Когда используют одно кольцевое средство выброса, концентрический газовый поток предпочтительно содержит смесь топлива и окислителя. В одном из вариантов настоящего изобретения средства выброса могут подавать только топливо, а окислитель, необходимый для сгорания топлива с образованием оболочки пламени, может поступать в поток или потоки топлива из воздуха. Как показано на фиг.1 и 2, торец фурмы предпочтительно имеет первое кольцевое средство 8 выброса и второе кольцевое средство 9 выброса для подачи из фурмы соответственно топлива и окислителя двумя концентрическими потоками. Торец фурмы предпочтительно имеет также расширенную часть 30 на своей периферии. Топливом может быть любое ожиженное топливо, такое как метан, пропан, бутилен, природный газ, водород, коксовый газ или нефть. Окислитель может быть ожиженным с концентрацией кислорода, превышающей его содержание в воздухе. Предпочтительно окислитель является ожиженным с концентрацией кислорода по меньшей мере 30 мол.%, более предпочтительно по меньшей мере 50 мол.%. Когда в качестве газа, выходящего, по меньшей мере, из одного из сопел, используют кислород, то топливо предпочтительно подают через первое кольцевое средство выброса, а окислитель подают через второе кольцевое средство выброса. Когда из сопел осуществляют выброс инертного газа, то окислитель предпочтительно подают через первое кольцевое средство выброса, а топливо подают через второе кольцевое средство выброса. Хотя одно или оба кольцевых средства выброса могут образовать на торцевой поверхности 7 фурмы сплошной кольцевой канал, из которого осуществляют выброс топлива или окислителя, предпочтительно, как показано на фиг.3 и 4, как первое, так и второе кольцевое средство выброса образуют серию отдельных каналов, например круглые отверстия, из которых осуществляют выброс двух концентрических потоков топлива и окислителя. Средства выброса не обязательно подают топливо и окислитель полностью вокруг газовых струй.

Первое кольцевое средство выброса на лицевой поверхности торца фурмы образует кольцо 31 вокруг множества выпускных отверстий сопел, а второе кольцевое средство выброса образует на торцевой поверхности торца фурмы кольцо 32 вокруг первого кольцевого средства выброса. Топливо и окислитель, выходящие из первого и второго кольцевых средств выброса, сгорают с образованием оболочки пламени 21 вокруг множества газовых струй 20, которые затем сходятся и образуют единую когерентную газовую струю 35. Предпочтительно газовая струя 35 имеет сверхзвуковую скорость, а более предпочтительно сверхзвуковая скорость сохраняется на всей ее длине. Если окружающая среда, в которую осуществляют выброс топлива и окислителя, нагрета недостаточно для самовоспламенения смеси, то для начала горения требуется отдельный источник для зажигания. Предпочтительно оболочка пламени перемещается с меньшей скоростью, чем скорость газовых струй, и по существу со скоростью в диапазоне от 91,4 до 304,8 м/с.

Были выполнены испытания, чтобы продемонстрировать эффективность настоящего изобретения с использованием вариантов изобретения, подобных показанным на чертежах. У четырех вариантов сопел каждое сопло имело центральную ось, направленную под внутренним углом 1,5 градуса к оси фурмы, а расстояние на торцевой поверхности фурмы между центральными осями сопел составляло 38,1 мм. Результаты при использовании варианта с четырьмя соплами, показанного на фиг. 3, приведены на фиг.5, а результаты с использованием варианта с двумя соплами, показанного на фиг.4, приведены на фиг.6. В варианте с двумя соплами центральная ось каждого сопла была направлена под внутренним углом 2 градуса к оси фурмы, а расстояние по торцевой поверхности фурмы между центральными осями двух сопел составляло 19,05 мм. Каждое сопло представляло собой сужающееся/расширяющееся сопло с диаметром горловины 6,85 мм, а диаметр выпускного канала на выходе составил 9,91 мм. Газообразный кислород подавали через каждое сопло со скоростью 283,2 м³/ч при давлении подачи выше по ходу потока от сопла 1034,2 кПа с образованием либо двух, либо четырех газовых струй, причем каждая имела сверхзвуковую скорость приблизительно 518,2 м/с. Оболочку пламени получали истечением природного газа и кислорода из отверстий, расположенных по двум кольцам вокруг сопел на торцевой поверхности фурмы. Природный газ со скоростью 141,6 м³/ч подавали через внутреннее кольцо отверстий (16 отверстий, причем каждое имело диаметр 3,91 мм, расположенных по кольцу диаметром 63,5 мм для варианта с четырьмя соплами и по кольцу 50,8 мм для варианта с двумя соплами), а кислород со скоростью 113,28 м³/ч подавали через отверстия, расположенные по наружному кольцу (16 отверстий с диаметром 5,05 мм на кольце диаметром 76,2 мм для варианта с четырьмя соплами и на кольце диаметром 69,89 мм для варианта с двумя соплами). Скорости подачи приведены в м³/ч при нормальной температуре и давлении.

Профили скоростей на расстоянии 539,8 и 914,4 мм по поверхности фурмы показаны на фиг.5 для варианта на фиг.3 и на расстоянии 685,8 мм от торцевой поверхности фурмы для варианта на фиг.4. Профили получили для плоскости (обозначенной как АА на фиг.3 и 4), перпендикулярной торцевой поверхности фурмы по ее оси и для плоскости (обозначенной как ВВ на фиг.4), перпендикулярной как торцевой поверхности фурмы, так и плоскости АА. По мере того как происходит взаимодействие первичных когерентных струй, они образуют единую когерентную струю. Для варианта с четырьмя соплами показаны отдельные когерентные струи на расстоянии 539,8 мм от торцевой поверхности фурмы и единая когерентная струя на расстоянии 914,4 мм от торцевой поверхности фурмы (фиг.5). Для варианта с двумя соплами на расстоянии 685,8 мм от торцевой поверхности фурмы (фиг.6) поперечное сечение единой струи было по существу круглым. Эта единая струя, образованная из двух сходящихся струй, была когерентной на расстоянии 685,8 мм от торцевой поверхности фурмы при сверхзвуковой скорости в середине струи.

Настоящее изобретение можно использовать, например, для подачи кислорода и природного газа для нагрева с большой эффективностью плавильных ванн. Одна или несколько первичных струй может быть природным газом и одна или несколько первичных струй может быть кислородом. Эти струи могут сливаться с образованием единой когерентной газовой струи, содержащей как кислород, так и природный газ. Такую единую когерентную струю можно направить в ванну с расплавленным металлом. Поскольку струи могут быть когерентными как до, так и после слияния, то смешивание и сгорание газов из первичных струй может быть минимальным до тех пор, пока единая когерентная струя не проникнет в ванну с металлом. В ванне с расплавленным металлом природный газ и кислород будут смешиваться и сгорать. Это должно быть очень эффективным способом нагрева ванны расплавленного металла. Высвобождение тепла при сгорании должно происходить в непосредственной близости с ванной металла, так что передача тепла от сгорания к металлу должна быть очень эффективной.

Настоящее изобретение можно также использовать, например, для эффективной подачи порошков в ванну расплавленного металла, в процессе которой порошок следует вводить с торцевой поверхности фурмы и по ее оси и подавать в ванну с расплавленным металлом как часть полученной единой когерентной струи.

Хотя настоящее изобретение подробно описано со ссылками на конкретные предпочтительные варианты, специалисты в данной области техники поймут, что существуют другие варианты в пределах объема и сущности формулы настоящего изобретения.