SE526296C2 - Koherent strållans och förfarande för att åstadkomma en koherent gasstråle - Google Patents

Description

526 296 2 och lansens livstid beroende på behovet av att vattenkyla spetsen. Dessa problem har särskilt stor betydelse då det koherenta strålsystemet används i en väldigt ag- gressív miljö som t ex en basisk syrgasugn.

Det är alltså ett ändamål med denna uppfinning att tillhandahålla system som kan ge effektiva koherenta gasstrålar utan att man behöver ha en förlängning av lansen eller annat element för att bilda en återcirkulationszon for gasema som sprutas ut ur lan- sen.

Sammanfattning av uppfinningen Det ovanstående och andra ändamål som kommer att bli tydliga for fackmannen då han läser denna beskrivning uppnås genom föreliggande uppfinning, for vilken en aspekt är: En metod for att åstadkomma åtminstone en koherent gasstråle innefattande: A) ledande av åtminstone en gasstråle ut från åtminstone ett munstycke som är an- ordnat i en lans som har en lanssida, där nämnda lanssida har en ring av portar runt nämnda åtminstone ena munstycke, B) ledande av bränsle ut från en första uppsättning portar i nämnda ring och ledande av oxidationsmedel ut från en andra uppsättning portar i nämnda ring, och C) förbränning av bränslet och oxidationsmedlet som leds ut från den första och andra uppsättningen portar i nämnda ring för att åstadkomma ett flamhölje runt nämnda åtminstone ena gasstråle.

En annan aspekt av uppfinningen är: En koherent strållans innefattande: A) en lans som har en lansyta och som har åtminstone ett munstycke, vilket har en öppning i lansytan, 526 296 3 B) en ring av portar på lansytan runt munstyckets öppning/munstyckenas öppningar, och C) medel för att tillhandahålla bränsle till en första uppsättning av portar i nämnda ring och medel för att tillhandahålla oxidationsmedel till en andra uppsättning portar i nämnda ring varvid den första och andra uppsättningen portar är orienterade så att bränslet och oxidationsmedlet bildar ett flamhölje då de förs ut genom portarna.

Termen ”lansyta” betyder, då den används i detta sammanhang, den yta hos lansen som är vänd mot en inj ektionsvolym.

Termen ”koherent stråle” innebär, då den används i detta sammanhang, en gasstråle som bildas genom utsprutning av gas från ett munstycke och som har en hastighet och en momentprofil utefter en längd på åtminstone 20 d, där d är diametern hos munstyckets utloppsöppning, som är liknande dess hastighet och momentprofil vid utsprutning från munstycket. Ett annat sätt att beskriva en koherent stråle är en gas- stråle som har liten eller ingen förändring i sin diameter under en sträcka av åtmin- stone 20 d.

Termen ”längd” innebär, i det sammanhang den användes här, då den hänför sig till en koherent gasstråle, avståndet från munstycket från vilket gasen sprutas in till den avsedda anslagspunkten för den koherenta gasstrålen eller till den punkt där gasstrå- len upphör att vara koherent.

Kortfattad beskrivning av ritningama Pig 1 är en vy framifrån av en föredragen utföringsform av en lansyta och fig 2 är en tvärsnittsvy av en föredragen utföringsform av en lans som har en sådan lansyta som kan användas vid utövandet av denna uppfinning. 526 296 4 Fig 3 visar den utföringsform av uppfinningen som illustreras i fig 1 och 2 under drift. Hänvisningsbeteckningama i figurerna är samma för element som förekommer på flera ritningar.

Detaljerad beskrivning Uppfinningen kommer här att beskrivas i detalj med hänvisning till ritningama.

I fig 1, 2 och 3 visas hur gas leds, vilket visas med flödespilen 1, genom åtminstone ett munstycke 2, företrädesvis ett konvergerande/divergerande munstycke, och se- dan ut ur lansen 3 genom munstycksöppningen eller öppningarna 4 på lansytan 6 så att en koherent gasstråleström eller strömmar 5 bildas i injektionsvolymen 7. Has- tigheten hos gasströmmen/strömmarna 5 är normalt inom området 700 till 300 fot/s (fps) (214 - 91 m/s). Hastigheten hos gasströmmen/strömmama 5 är företrädesvis över ljudhastigheten då den bildas vid utsprutning från lansytan och förblir över ljudhastigheten under en sträcka av åtminstone 20 d. Även om ritningama illustrerar utföringsform som använder fyra koherenta gasstrålar som sprutas ut från lansen ge- nom fyra respektive munstycken, kan antalet gasstrålar som sprutas in från lansen genom respektive munstycke vid utövandet av denna uppfinning vara inom interval- let från 1 till 6. Injektionsvolymen, i vilken de koherenta gasstrålama sprutas ut, är företrädesvis en metallproducerande ugn som t ex en ståltillverkningsugn. Mest fö- redraget är att då ett flertal munstycken används, varje munstycke är vinklat bort från de andra och från mittaxeln hos lansen.

Vilken som helst effektiv gas kan användas som gasen för bildande av en koherent strále/strålar vid utövandet av denna uppfinning. Bland sådana gaser kan nämnas syre, kväve, argon, koldioxid, väte, helium, ånga och kolvätegaser. Även blandning- ar innefattande två eller flera gaser, t ex luft, kan användas som gas vid utövandet av denna uppfinning. 526 296 s En ring 20 av portar är placerad på lansytan runt munstycksöppningen/öppningarna 4. Ringen 20 är företrädesvis en cirkel som har en diameter inom intervallet från 1,5 till 16 inch (3,8 - 40,6 cm). Ringen 20 innefattar i allmänhet från 20 till 48 portar.

Varje port är företrädesvis en cirkel som har en diameter inom intervallet från 0,05 till 0,5 inch (0,13 - 1,27 cm). Mest föredraget befinner sig portarna i en fördjupning eller ett spår 21 på lansytan 6, vilket illustreras i figurerna. Fördjupningen 21 har normalt ett djup inom intervallet från 0,05 inch till 2 inch (0,13 - 5,08 cm) och en bredd inom intervallet från 0,05 till 0,5 inch (0,13 - 1,27 cm).

Bränsle tillhandahålles till en första uppsättning av portar 22 på ringen 20 och oxi- dationsmedel tillhandahålles till en andra uppsättning portar 23 på ringen 20. Den första uppsättningen portar 22 altemerar företrädesvis med den andra uppsättningen portar 23 på ringen 20, vilket illustreras i fig 1, så att varje bränsleport 22 har två oxidationsmedelportar 23 intill sig på vardera sidan, och varje oxidationsmedelport 23 har två bränsleportar 22 intill sig på vardera sidan. Bränslet och oxidationsmedlet sprutas ut från lansen 3 från deras respektive portar in i injektionsvolymen 7. Has- tigheten hos bränslet och oxidationsmedlet som sprutats ut från ringen kan vara un- der ljudhastigheten men är företrädesvis vid ljushastigheten. Då det insprutade bränslet och oxidationsmedlet har ljudhastighet förbättras utstötningen av främman- de materia som annars skulle kunna komma in i och sätta igen portarna. Detta är sär- skilt viktigt då uppfinningen används i en aggressiv miljö som t ex i en ståltillverk- ningsugn. Om så önskas kan hastigheten hos det utsprutade bränslet och oxida- tionsmedlet vara över ljudhastigheten, vid en hastighet som är större än Mach 1 upp till Mach 2.

Bränslet som sprutas ut från portarna 22 är företrädesvis gasforrnigt och kan vara vilket som helst bränsle, som t ex metan eller naturgas. Oxidationsmedlet som spru- tas ut från portarna 23 kan vara luft, syrgasberikad luft som har en syrgaskoncentra- tion som överstiger den hos luft, eller kommersiell syrgas som har en syrgaskoncent- 526 296 6 ration på åtminstone 90 mol-%. Oxidationsmedlet är företrädesvis en fluid som har en syrgaskoncentration på åtminstone 25 mol-%.

Bränslet och oxidationsmedlet som leds ut ur lansen bildar ett gashölje runt gasstrå- len/strålarna 5 vilket förbränns så att man får ett flamhölje eller en flammantel 24 runt gasstrålen/gasstrålama 5 inne i injektionsvolymen som t ex en ugn för smält metall. Flamhöljet 24 runt gasströmmarna 5 tjänar till att hindra att omgivande gas dras in i gasströmmama, och hindrar därigenom hastigheten hos gasströmmama från att sjunka någon i betydande utsträckning och hindrar att diametem hos gasström- mama att ökar i någon betydande grad, under åtminstone en sträcka på 20 d från re- spektive munstycksutgång. Det vill säga, flamhöljet eller flammanteln 24 tjänar till att åstadkomma och bibehålla gasströmmar 5 som är koherenta strålar under en sträcka på åtminstone 20 d från respektive munstycksutlopp.

En betydande fördel med denna uppfinning är fönnågan att bilda effektiva koheren- ta gasstrålar från en lans utan att behöva göra en förlängning på lansen. Hittills har förlängning av lansen varit det sätt som använts för att bilda en skyddad återcirkula- tionszon intill lansytan, för att förbättra antändningen och förbränningen av flam- mantelgasema vilka sprutas ut i denna skyddade återcirkulationszon, och därigenom förbättra koherensen hos gasstrålama. Även om användningen av en sådan lansför- längning är en betydande förbättring förhållande till hur koherenta gasstrålar ur- sprungligen har åstadkommits, finns det problem med användningen av en sådan förlängning. Vid tillämpning av den nu aktuella uppfinningen leds gasema som sprutas ut från lansen direkt till injektionsvolymen utan att passera genom en skyd- dad zon eller återcirkulationszon som bildas av en lansförlängning, och ändå kom- mer den förbättrade koherensen som observerats vid användning av en lansförläng- ning att uppnås.

Tester utfördes för att utvärdera effektiviteten hos uppfinningen med användning av ett antal olika utföranden för tillförsel av flamhöljesgasema. Bränslet som användes 526 296 7 i testema var naturgas och oxidationsmedlet som användes i testema hade en syr- gaskoncentration på 99 mol-% och kallas här för sekundärsyre (SS). I varje test hade lansen fyra munstycken för tillhandahållande av gasstrålar. Gasen för gasstrålarna var syrgas som hade en renhet av 99 mol-% och kallas här för huvudsyre. Testerna redovisas nedan och ges i illustrerande syfte och är inte avsedda att vara begränsan- de.

Tester har utförts för att utvärdera effektiviteten hos uppfinningen och för att bättre förstå vilken roll avståndet mellan portama för naturgas (NG) och oxidationsmedlet spelar. Testema utfördes på så sätt att man höll antalet portar för höljet konstant, to- talt 16 (8 NG och 8 oxidationsmedel (SS)) medan man varierade avståndet mellan portarna genom att ändra diametern hos cirkeln av portar. Diametem hos själva hu- vudmunstyckenas cirklar hölls konstant. Ringformiga spår testades för att bidra till flamstabiliseringen. Ytförhållandet (Y) nedan definieras som avståndet mellan por- tamas omkretser (ytan) delat med summan av portamas radier, Y=avstånd /(RSS + RNG). I alla testema tillhandahölls bränslet och oxidationsmedlet genom altemeran- de portar på den enkla ringen av portar runt munstyckena.

Injektorutföranden: Injektor 1 hade ett utförande med totalt 16 portar. Cirkeldiametern var 2,125 inch (5,398 cm). Ytförhållandet, Y = 0,67.

Injektor 2 hade ett utförande med totalt 16 portar. Cirkeldiametem var 3,25 inch (8,255 cm). Y = 1,56.

Injektor 3 hade ett utförande med totalt 16 portar. Cirkeldiametern var 4,25 inch (10,795 cm). Y= 2,34. 526 296 Betingelser: Huvudsyre = 40.000 standardkubikfot per timme (scfli) (1135 m3/timme) syrgas (165 psig (1138 kPa) tillförseltryck).

Huvudmunstycken = 0,38 inch/0,26 inch (0,96 cm/0,66 cm). Utlopp-till-hals- diameter, vinklad utåt l2°.

NG hastighet = 670 fps (204 m/s) (@ 5.000 scth) (142 m3/timme) Sekundärsyrehastighet = 320 fps (98 m/s) (@ 4.000 scfh) (113 m3/timme) Ingen förlängning på lansen för att få återcirkulation.

Fördjupningar = 0,281 inch bredd x 0,25 inch djup. (0,714 cm x 0,635 cm) Injektor l: För ett konstant NG flöde på 5.000 scfn (142 m3/timme), erhölls utmärkta koherenta strålar, typiskt 20 inch 50,8 cm, vilket överskrider längden för det konventionella två-ringsutförandet. Lågan var stabil för ett stort antal betingelser. Denna injektor testades inte med en ringformig fördjupning.

Injektor 2: Utan fördjupning minskade den koherenta strållängden lite jämfört med inj ektor 1.

När en fördjupning lades till förbättrades den koherenta strållängden och överskred de resultat som erhölls med injektor 1.

Injektor 3: Utan fördjupning var den koherenta strâllängden väsentligen kortare. Lågan arbeta- de på ett upplyft sätt, vilket orsakade de kortare koherenta strålama. Tillägg av en fördjupning förbättrade höljet, vilket resulterade i full återställning av den koherenta strâllängden.

Med målsättningen att eventuellt kunna eliminera igensättning av höljesportarna i en basisk syrgasugn utfördes tester för att undersöka om portarna kunde drivas vid 526 296 9 ljudhastighetsflödesbetingelser. Ett flertal enkelringsutföranden testades. Portarna för naturgas och sekundärsyre gavs en storlek så att de kunde drivas vid Mach 1 då flödeshastighetema för naturgas och sekundärsyre var 5.000 scfli (142 m3/timme) respektive 4.000 scih (113 m3/timme). Ringformiga fördjupningar med olika djup lades till fór att stabilisera flamhöljet.

Injektorutföranden: Injektor 4 var ett enkelringsutförande med totalt 32 portar. Portarna för NG och se- kundärsyre hade en diameter på 0,10 inch (0,25 cm). Ringdiameter = 2,0 inch (5,08 cm) och Y = 0,96.

Injektor 5 var ett enkelringsutförande med totalt 24 portar. Portama för NG och se- kundärsyre hade en diameter av 0,115 inch (0,2921 cm). Ringdiameter = 2,0 inch (5,08 cm)och Y = 1,28.

Injektor 6 var ett enkelringsutförande med totalt 16 portar. Portama för NG och se- kundärsyre hade en diameter av 0,141 inch (0,358 cm). Ringdiameter = 2,0 inch (5,08 cm) och Y = 1,79.

Injektor 7 var ett enkelringsutförande med totalt 32 portar. Portarna för NG och se- kundärsyre hade en diameter av 0,10 inch (0,254 cm). Ringdiametem = 2,75 inch (6,985 cm) och Y = 1,70.

Betingelser: Huvudsyre = 40.000 scíh syrgas (1135 m3/timme) (165 psig (1138 kPa) tillförsel- tryck).

Munstycken = 0,38 inch/0,26 inch (0,96 cm/0,66 cm) utlopps-till-hals-diameter, vinklat utåt 12°.

NG hastighet = 1364 fps (416 m/s) (Mach 1) (@ 5.000 scfh) ( 142 m3/timme) “ 526 296 .=== Injektor 4: Utan fördjupning var den koherenta strållängden dålig vilket var resultat av en fii låga. Bra koherenta strålar erhölls för fördjupningen med 1,25D x 1,25D och 1,25 D x 2D. [Beteckning för fördjupning = bredd x djup, D = portdiameterj Injektor 5: Utan fördjupning var lansen svår att tända (ostabil). Bra koherenta strålar erhölls för fördjupningar med 1D x 1D, 1D x l,5D och 1D x 2D.

Inj ektor 6: Utan fördjupning var lansen mycket svår att tända, de koherenta strålarnas längder motsvarade huvudsakligen värdena för strålar utan hölje. Fördjupningama stabilise- rade höljets förbränning, emellertid erhölls relativt dåligt koherenta strålar även med en ganska djup fördjupning 1D x 2D.

Inj ektor 7: Utan fördjupning erhölls dåligt koherenta strålar. Bra koherenta strålar erhölls med en fördjupning på 1,25D x 1,25D. Även om uppfinningen beskrivits i detalj med hänvisning till vissa föredragna utfö- ringsfonner inser fackmannen att det finns andra utföringsformer inom uppfinning- ens idé och skyddsomfånget för kraven.

Claims (10)

10 15 20 25 30 526 296 11 Patentkrav

1. Förfarande för att åstadkomma åtminstone en koherent gasstråle kännetecknad av att den innefattar: A) ledande av åtminstone en gasstråle ut ur åtminstone ett munstycke som är arran- gerat i en lans som har en lansyta, där nämnda lansyta har en ring av portar runt nämnda åtminstone ena munstycke, B) ledande av bränsle ut från en första uppsättning av portar i nämnda ring och le- dande av oxidationsmedel ut från en andra uppsättning portar i nämnda ring, och C) förbränning av bränslet och oxidationsmedlet som leds ut från den första och andra uppsättningen portar i nämnda ring för att åstadkomma ett flamhölje runt nämnda åtminstone ena gasstråle.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, där ett flertal gasstrålar leds ut från lansen.

3. Förfarande enligt patentkravet 1, där bränslet och oxidationsmedlet leds ut från den första uppsättningen portar, respektive den andra uppsättningen portar, vilka al- temerar i ringen av portar.

4. Förfarande enligt patentkravet 1, där nämnda åtminstone ena gasstråle och bräns- let och oxidationsmedlet leds ut från lansen direkt in i en injektionsvolym utan att passera genom en återcirkulationszon som bildats av en förlängning på lansen.

5. Förfarande enligt patentkravet 1, där nämnda åtminstone ena gasstråle rör sig un- der en sträcka av åtminstone 20 d, där d är utloppsdiametem hos det munstycke från vilket gasstrålen leds ut, under det att diametem hos nämnda gasstråle hålls väsent- ligen konstant. l0 15 20 25 526 296 12

6. Koherent strållans kännetecknad av att den innefattar: A) en lans som har en lansyta och som har åtminstone ett munstycke, vilket har en öppning i lansytan, B) en ring av portar på lansytan runt munstyckets öppning/munstyckenas öppningar, och C) medel för att tillhandahålla bränsle till en första uppsättning portar i nämnda ring och medel för att tillhandahålla oxidationsmedel till en andra uppsättning portar i nämnda ring, varvid den första och andra uppsättningen portar är orienterade så att bränslet och oxidationsmedlet bildar ett flamhölje då de förs ut genom portarna.

7. Koherent strållans enligt patentkrav 6, vilken har ett flertal munstycken.

8. Koherent strållans enligt patentkravet 6, där ringen med portar är anordnad i en fördjupning på lansytan.

9. Koherent strållans enligt patentkravet 6, där den första uppsättningen portar alter- nerar med den andra uppsättningen portar.

10. Koherent strållans enligt patentkravet 6, vilken inte har någon förlängning för att åstadkomma en recirkulationszon intill lansytan.