专利名称：向液体供气的超声相干气体射流的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于产生和保持超声气流的方法。当气体成分改变时该发明特别有利。该发明可用于向液体供气。
常常需要产生一种气流，例如，因一种或几种原因气流要注入到液体中去。例如，一种反应气体可以注入到一种液体中同该液体的一种或几种成分起反应，如氧气注入到熔融铁水中与熔融铁水中的碳起反应，以使铁脱碳并向熔融铁供热。氧气可以注入到其它熔融金属，如铜、铅和锌中去，以达到熔化和精炼目的，或注入到水溶液或碳氢化合物中进行氧化反应。非氧化气体，如惰性气体可以注入到液体里去搅拌液体，以便促进例如整个液体更好的温度分布或更好的成分分布。
液体常常装在如反应器或熔炼容器那样的容器中，其中容器内液体顺着容器底部和某些侧壁长度形成池子，并拥有一个顶部表面。为了实现气体注入，当向液池注入气体时总希望有尽可能多的气体流入液体。因此，气体是在液体表面以下从气体注入装置注入到液体中去。如果通常气体射流喷嘴置于液面以上某个距离，那么许多冲击表面的气体会在液体表面折射，而不进入液池。而且，这种作用造成液体喷溅导致材料损失和操作麻烦。
利用底部或侧壁安装的气体注入装置，潜没注入气体到液体里去虽然很有效，但当液体是腐蚀性液体或温度非常高时操作有困难，因为这些条件可能造成气体注入装置的迅速损坏和容器衬里的局部磨损，导致都需要高级的外部冷却系统，和经常的维修停工以及高的操作费用。一种办法是使气体注入装置的喷头或喷嘴靠近液池表面，但避免与液体表面接触，并以高速从气体注入装置注入气体，以使相当大部分气体进入液体里去。然而，这种权宜之计还不能令人满意，因为气体注入装置喷头对液面的接近还会导致该装置的严重破坏。此外，如果液体表面是不稳定的，喷嘴将必须跟随移动表面不断移动，以便气体注入将在所要求的位置进行，并在喷头和池面之间保持所要求的距离。
另一种办法是利用通过液池表面引入的管子。例如，非水冷却管常常用于将氧气注入电弧炉内熔融钢浴中。然而，该权宜之计也不能令人满意，因为管子的迅速磨损需要复杂的液压驱动管子控制器以及管子供给设备，来弥补管子迅速磨损率。此外，必须不断更换管子的损失是昂贵的。
如果能够产生相干(coherent)射流，这些问题就都可以解决。相干气体射流在从喷嘴射出后，保持其直径和速度的距离比通常气体射流达到的要长得多。对于相干射流，注入器喷头可以放在离液面相当远的位置，而实际上还能使相干气体射流内的全部气体穿透液面。
众所周知，可以产生氧化气体相干射流的方法是，用氧化气体射流周围的燃料环流和环绕燃料流的氧化剂流所形成的火焰套，沿着氧化气体射流从喷嘴的喷射将其包围。燃料和氧化剂燃烧生成火焰套，它与氧化气体流同轴流动，并使其从喷嘴射出后保持长距离相干。然而，如果气体是惰性气体，这种火焰套设置就行不通。这种情况下，气体射流速度很快降低，且惰性气体射流的相干性迅速变坏。当要求从氧化气体切换成惰性气体时这是一个特殊难题，因为这需要替换气体喷枪喷射系统。
因此，本发明的一个目的就是，提供用于保持气体射流速度和相干性的方法，而不论这种气体射流是氧化气体射流还是惰性气体射流。
本发明的另一个目的是，提供用于保持气体射流速度和相干性的方法，而这种气体射流的成分是可以改变的。
通过阅读该公开文本，本领域技术人员将会明了本发明所要达到的上述目的和其它目的，其中一个方面是用于产生高速相干主气流的方法，包括(A)从具有缩/扩喷嘴的喷枪喷射主气体，以形成具有超声速度的主气流；(B)从喷枪喷射第一个氧化剂流环绕主气流，第一个氧化剂流的速度低于主气流的速度；(C)从喷枪喷射燃料流环绕第一个氧化剂流，燃料流的速度低于主气流的速度；(D)从喷枪喷射第二个氧化剂流环绕燃料流，第二个氧化剂流的速度低于主气流的速度；和(E)使燃料与第一个氧化剂和第二个氧化剂的至少一个燃烧，以形成围绕主气流的火焰套。
本发明的另一方面是
用于产生高速相干主气流的设备，包括(A)具有主气通道与缩/扩喷嘴连通的喷枪，用于将主气射入喷射空间；(B)喷枪内第一通道器件，用于将第一个氧化剂流射入喷射空间环绕主气流；(C)喷枪内第二通道器件，用于将燃料流射入喷射空间环绕第一个氧化剂流；和(D)喷枪内第三个通道器件，用于将第二个氧化剂流射入喷射空间环绕燃料流。
本发明的又一个方面是向液体供气的方法，包括(A)从具有缩/扩喷嘴的喷枪喷射主气，以形成具有超声速度的主气流；(B)从喷枪喷射第一个氧化剂流环绕主气流，第一个氧化剂流的速度低于主气流的速度；(C)从喷枪喷射燃料流环绕第一个氧化剂流，燃料流的速度低于主气流的速度；(D)从喷枪喷射第二个氧化剂流环绕燃料流，第二个氧化剂流的速度低于主气流；(E)使燃料与第一个氧化剂和第二个氧化剂的至少一个燃烧，以形成围绕主气流的火焰套；和(F)使主气流的气体通入液体。
正如本文所采用的，术语“环绕”一词意味着呈环的形状。
正如本文所采用的，术语“惰性气体”一词意味着一种纯气体，或含氧浓度低于5个摩尔百分数的气体混合物。
正如本文所采用的，术语“氧化气体”一词意味着一种纯气体，或含氧浓度为至少5个摩尔百分数的气体混合物。
正如本文所采用的，术语“火焰套”一词意味着基本上与主气流同轴的环形燃烧流。
图1是本发明实施中可以采用的喷枪喷头部分一个实施方案的截面图。
图2是图1所示的喷枪喷头部分的顶部视图。
图3是图1所示喷枪在操作中的情形。
图4是本发明实施中可以采用的喷枪喷头部分另一个实施方案的截面图。
对共同的元件图中数字相同。
本发明能够产生和保持相干气体射流，而不论气体是氧化气体还是惰性气体，和更进一步能够改变气体，如从氧化射流变为惰性射流或相反，而相干性没有明显变坏，且除了需要供给不同主气外不要求任何设备改变。此外，本发明能够改变氧化主气的氧浓度，而不会产生主气射流相干性的任何明显损失。
将参照附图对本发明进行详细叙述。现在参照图1和3，它们以截面显示可以用于实施本发明的喷枪喷头部分1。喷头部分1包括同主气源(未标出)连通的主气通道2。主气可以是氧化气体或惰性气体。氧化气体实例包括空气，氧浓度至少为30摩尔百分数、特别至少为90摩尔百分数的富氧空气，和氧浓度为99.5摩尔百分数或更高的技术纯氧。惰性气体实例包括氮、氩、二氧化碳、氢、氦、气体碳氢化合物，以及含有上述两种或多种气体的混合物。
主气通道2在喷嘴入口4与缩/扩喷嘴3连通。该喷嘴具有出口5，它与气体要注入其中的喷射空间6连通。喷嘴出口5直径通常为0.1-3英寸，优选为0.5-2英寸。如图1和3所描绘的那样，喷射空间6优选开始由喷头扩展段7限定，然后向上敞开进入容积更大的扩展段7的下游处。扩展段7其典型长度为0.5-4英寸，用于稳定环形燃料和氧化剂的燃烧以形成火焰套11，与没有利用扩展段以形成有限初始喷射空间的情况相比，沿从喷头部分喷射的起始段该火焰套稳定性更好。
主气由主气源穿过主气通道2，并经入口4进入喷嘴3。在喷嘴的扩宽部分气体加速，以致当它由喷嘴出口5喷射到喷射空间6时处于超声速度状态。缩/扩喷嘴能够开始达到超声速度而不断裂。直孔喷嘴会造成气体膨胀，在气体离开喷嘴造成几次膨胀和收缩脉冲周期后才呈现达到超声速度，然后在喷嘴出口下游某处达到稳定状态。从喷嘴出口5喷射的主气流12是超声的，即超过1马赫，当主气喷射到大气压状态下的大气时，优选为1.2-3.0马赫。
与主气通道2径向间隔的是第一个环形通道8，与第一个环形通道8径向间隔的是第二个环形通道9，与第二个环形通道9径向间隔的是第三个环形通道10。第一个环形通道8与第一个氧化剂源(未标出)连通，第一个氧化剂源优选为含氧浓度至少30摩尔百分数，最优选至少90摩尔百分数的流体，也可以是技术纯氧。第一个氧化剂通过第一个环形通道8，以环绕主气流流动方式从喷枪射入喷射空间6，且其速度低于主气流的速度。通常第一个氧化剂流速将是每秒300-1500英尺(fps)。
第二个环形通道9与燃料源(未标出)连通。燃料可以是任何流体燃料，如甲烷、丙烷、丁烯、天然气、氢气、焦炉气或油。燃料可以用稀释剂，例如用氮气稀释。燃料通过第二个环形通道9，以环绕第一个氧化剂流流动方式从喷枪射入喷射空间6，且其速度低于主气流的速度。通常燃料流速将是每秒300-1500英尺。优选燃料流速应大致与第一个氧化剂流速相同。
第三个环形通道10与第二个氧化剂源(未标出)连通，第二个氧化剂源可以与第一个氧化剂源相同。也就是说，第二个氧化剂可以具有，或优选的确具有与第一个氧化剂相同的成分。第二个氧化剂优选为含氧浓度至少30摩尔百分数，最优选至少90摩尔百分数的流体，也可以是技术纯氧。第二个氧化剂通过第三个环形通道10，以环绕燃料流流动方式从喷枪射入喷射空间6，且其速度低于主气流的速度，并优选低于第一个氧化剂流的速度。优选第二个氧化剂流速度低于燃料流的速度。通常第二个氧化剂流的速度将是每秒100-1500英尺，优选每秒100-500英尺。
第一、第二和第三个环形通道各自与喷射空间6连通，优选如图1和3，与缩/扩喷嘴3的出口5取平或取齐。优选如图2所示，第一、第二和第三个环形通道各自变成单个通道的复合体，如此第一、第二和第三个环形通道各自与喷射空间6连通，形成围绕出口5的一组孔环。此外，第一、第二和第三环形通道的一个或多个也可与喷射空间6连通，形成围绕出口5的圆形环带。
当射入喷射空间时，燃料同第一和第二个氧化剂的至少一个，优选同两个混合并燃烧，以生成围绕主气流12的火焰套11。如果本发明应用于热环境，如金属熔化炉，则不需要单独的燃料和氧化剂点火源。如果本发明不是应用在燃料和氧化剂会自动点火的环境里，则需要火花发生器那样的点火源。火焰套的速度应低于主气流速度，且通常为每秒50-1000英尺。
三重层叠较慢移动的火焰套11围绕着来自缩/扩喷嘴的起始超声主气流12，用来保持该气流相干，即主气流的速度没有一点损失，宽度没有一点膨胀，离喷嘴一个相当大距离，通常至少20倍喷嘴直径(d)，和长达100倍喷嘴直径或更多，仍然保持超声速度。这样就有可能安排喷枪的位置，以使喷头离着主气冲击或接触液体或固体的地方距离较大，由此增强安全和更好的保护喷枪完整。优选主气以超声速度冲击目标液体或气体，并优选火焰套实际从喷头延伸至目标液体或气体的表面。
通常喷枪提供的燃料和氧化剂用量，应正好满足按主气流所要求的长度形成一个有效的火焰套。然而，有时要求从喷枪输出更多的燃料和氧化剂，以便火焰套不仅用来屏蔽室温气体输送的主气流，也用来向注入容积提供大量热。也就是说，喷枪在本发明的某些实施方案中也起燃烧器的作用。
图4描绘了本发明喷头的另一个实施方案，其中喷枪中的第一环形通道和第三环形通道连通，以便第一环形通道经内部连接通道13，接受第三环形通道的氧化剂射入喷射空间。连接通道13尺寸大小，要保证达到本发明优选实施方案中第一个氧化剂流和第二个氧化剂流之间的速度差。
对向液体注入气体，要求喷头保持在液体外面，甚至保持与液面有相当间距的场合，会发现本发明有特殊效用。例如，本发明可以用于向碳氢化合物或水溶液提供气态反应剂，如对氧化、氢化或氮化反应。当液体是腐蚀性液体，如高酸或高碱度液体，或当液体温度非常高，如熔融金属时，本发明将特别有用。本发明一个特别有效的应用是，向熔融金属提供主气氧，同熔融金属中碳反应，使金属脱碳并向熔融金属供热。此后，主气可以改变为惰性气体，如氩气，而设备或环形通道流动方面没有任何别的变化，向熔融金属提供氩气是为了搅拌熔融金属并更好地分配热量。该上述改变可以作得相当快，而在产生相干主气射流效能方面没有迄今所经验的损失。
本发明一个特别有利的应用是，将含有不同浓度氧的气体注入到如熔融金属那样的液体中，当主气氧浓度改变时不需要作出任何其它重大改变。例如制备不锈钢过程，本发明可用于从喷枪向熔融金属提供相干主气流，喷头可放置在距熔融金属表面相当远的位置。这种喷枪注入可用于代替常规气体经潜没风管注入。在不锈钢生产过程的初始阶段，主气流包含氧化气体，如纯氧或含氧浓度约75摩尔百分数的流体混合物，其中平衡气体是氮、氩或二氧化碳。随着精炼过程继续，氧在主气中的浓度按设计方式降低。最后，在精炼过程后期，主气变成惰性气体。在涉及以下实例和对照实例时，还要进一步阐明本发明及其优点。介绍这些实例目的是为了说明，而不是有意受局限。
为了验证已知的系统，采用了具有类似于图1和3所描绘喷头的喷枪，但没有第三个环形通道。缩/扩喷嘴的窄口直径为0.358英寸，出口直径为0.526英寸。从喷嘴喷射纯氧，生成起始速度为每秒1720英尺的主气流。天然气从第一环形通道以每秒610英尺的速度输入喷射空间，纯氧从第二环形通道以每秒410英尺的速度输入喷射空间，形成围绕氧主气流的火焰套。在离喷嘴出口36英寸距离测定了轴向主气流的速度，发现其初始速度只有小的降低。氧主气流的归一化速度，即距喷嘴出口36英寸处其轴向射流速度除以其初始轴向射流速度，为0.95或95％。然而，使用纯氮作为主气以每秒1840英尺的初始速度重复测试时，其归一化速度只有43％。
通过颠倒生成火焰套的燃料和氧化剂的次序，多少减少一些氮气射流速度损失。即经第一环形通道提供氧，和经第二环形通道提供天然气。这个测试，氮气的归一化速度改善到73％。然而，用氧作为主气重复该测试时，氧气的归一化速度下降到81％。
类似喷头，但具有第三个环形通道，如图1和3所描绘的那种喷头，用于验证了本发明。过程与上述的类似，但纯氧从第一环形通道以每秒610英尺的速度射入喷射空间，天然气从第二环形通道以每秒610英尺的速度射入喷射空间，和纯氧从第三环形通道以每秒270英尺的速度射入喷射空间，以生成火焰套。当氧气用作主气时其归一化速度为90％，这超过上述主气是氧化气体和最靠近主气的火焰套气体是氧化剂时所达到的81％，是一个明显改善。此外，当主气切换成氮气时，其归一化速度为89％，这超过所有已知设置的重大改善，并证明本发明可以用于产生和保持相干射流，不论相干射流采用氧化气体还是惰性气体都有良好效果。
不想纳入任何理论，申请人相信其发明所达到的有利结果，至少部分是由于保持火焰套较靠近主气射流。低速外环氧化剂流同中环燃料流接触，用来稳定喷嘴面上的火焰。通过提供一个扩展段，使燃烧的热气体返回到喷嘴面附近，象连续点火源那样起作用来增强火焰的稳定性。内环氧化剂流同中环燃料流混合，提供一种非常接近主气射流周边的富氧燃料-氧混合物。该富氧气氛使火焰套保持靠近主气射流周边。当主气是几乎不含氧的惰性气体时，内环氧化剂流的存在是特别有效的。
现在通过采用本发明，人们可以在一个长距离上产生和保持超声气体射流，而不论气体射流是氧化气体还是惰性气体几乎同样有效。尽管援引了某些优选实施方案对本发明进行了详细说明，但本领域技术人员会认识到，在该权利要求书的思想和范围内还存在本发明的其它实施方案。
权利要求
1.一种用于产生高速相干主气流的方法，包括(A)从具有缩/扩喷嘴的喷枪喷射主气，以产生具有超声速度的主气流；(B)从喷枪喷射环绕主气流的第一个氧化剂流，该第一个氧化剂流的速度低于主气流的速度；(C)从喷枪喷射环绕第一个氧化剂流的燃料流，该燃料流的速度低于主气流的速度；(D)从喷枪喷射环绕燃料流的第二个氧化剂流，该第二个氧化剂流的速度低于主气流的速度；和(E)使燃料与第一个氧化剂和第二个氧化剂的至少一个燃烧，以形成围绕主气流的火焰套。
2.权利要求1的方法，其中主气是氧化气体。
3.权利要求1的方法，其中主气是惰性气体。
4.权利要求1的方法，其中主气含有氧，且主气中氧浓度可随时改变。
5.权利要求1的方法，其中主气从氧化气体改变为惰性气体。
6.用于产生高速相干主气流的设备，包括(A)具有主气通道与缩/扩喷嘴连通的喷枪，用于将主气射入喷射空间；(B)喷枪内第一通道器件，用于将第一个氧化剂流射入喷射空间环绕主气流；(C)喷枪内第二通道器件，用于将燃料流射入喷射空间环绕第一个氧化剂流；和(D)喷枪内第三通道器件，用于将第二个氧化剂流射入喷射空间环绕燃料流。
7.权利要求6的设备，还包括一个喷枪扩展段，用于形成喷射空间。
8.权利要求6的设备，还包括一个喷枪内的连接通道，使第一通道器件可以与第三通道器件连通。
9.向液体供气的方法，包括(A)从具有缩/扩喷嘴的喷枪喷射主气，以形成具有超声速度的主气流；(B)从喷枪喷射第一个氧化剂流环绕主气流，该第一个氧化剂流的速度低于主气流的速度；(C)从喷枪喷射燃料流环绕第一个氧化剂流，该燃料流的速度低于主气流的速度；(D)从喷枪喷射第二个氧化剂流环绕燃料流，该第二个氧化剂流的速度低于主气流的速度；(E)使燃料与第一个氧化剂和第二个氧化剂的至少一个燃烧，以生成围绕主气流的火焰套；和(F)将主气流的气体通入到液体中。
10.权利要求9的方法，其中液体是熔融金属。
全文摘要
用于产生和保持无论是氧化气体或惰性气体都有效的超声相干气体射流系统，采用缩/扩喷嘴以产生不断裂初始超声速度，并采用与射流同轴较慢移动的三重层叠限定火焰套以有效保持超声速度。该发明对向液池供气特别有用。
文档编号F02K1/28GK1239207SQ9910693
公开日1999年12月22日 申请日期1999年6月1日 优先权日1998年6月17日
发明者J·E·安德森, P·C·马苏尔 申请人:普拉塞尔技术有限公司