УСТРОЙСТВО ИНЖЕКТОРА КОГЕРЕНТНОЙ СТРУИ Российский патент 2002 года по МПК C21C5/48 C21C5/52 

Область техники
Это изобретение относится в основном к устройствам для создания потока газа. Изобретение предпочтительно используется для создания потока газа, вводимого в жидкость, такую, как расплавленный металл, который создает жесткие условия окружающей среды для устройства инжекции газа.

Уровень техники
Часто необходимо создать поток газа. Например, поток газа можно инжектировать в жидкость в зависимости от потребностей. Химически активный газ можно инжектировать в жидкость, для осуществления реакции с одним или более компонентами жидкости, так, например, как при инжекции кислорода в расплавленное железо для осуществления реакции с углеродом в расплавленном железе, чтобы обезуглеродить железо и обеспечить подвод теплоты к расплавленному железу. Кислород можно инжектировать в другие расплавленные металлы, такие, как медь, свинец и цинк, для металлоплавильных целей. Химически не активный газ, такой, как инертный газ, можно инжектировать в жидкость для перемешивания жидкости, для поддержания, например, необходимого распределения температуры или необходимого распределения компонентов в жидкости.

Часто жидкость помещают в сосуд, например, в реактор или сосуд для плавления, причем жидкость занимает в сосуде объем, который принимает форму дна и некоторой длины боковых стенок сосуда, и имеет верхнюю поверхность. При инжекции газа в объем жидкости, необходимо иметь как можно больше газа, который поступает в жидкость, чтобы осуществить инжекцию газа. Соответственно газ инжектируется из устройства инжекции газа в жидкость ниже поверхности жидкости. Если сопло для нормальной газовой струи расположено на некотором расстоянии выше поверхности жидкости, то значительная часть газа, который сталкивается с поверхностью, будет отклоняться у поверхности жидкости и не будет входить в объем жидкости. Кроме того, такое действие приводит к разбрызгиванию жидкости, которое может привести к потере материала и к эксплуатационным проблемам.

Погруженная инжекция газа в жидкость, при которой используется устройство инжекции газа, установленное на дне или боковой стенке, при своей эффективности имеет эксплуатационные проблемы, когда жидкость представляет собой агрессивную жидкость или находится при очень высокой температуре, поскольку эти условия могут вызывать быстрое изнашивание устройства инжекции газа и местный износ облицовки сосуда, что приводит к использованию сложных внешних систем охлаждения и к частым выключениям для обслуживания и высоким производственным расходам. Один способ состоит в том, чтобы придвинуть конец или сопло устройства инжекции газа близко к поверхности объема жидкости, избегая при этом контакта с поверхностью жидкости, и инжектировать газ из устройства инжекции газа с высокой скоростью так, что значительная часть газа проходит в жидкость. Однако этот способ не является достаточно эффективным, потому что близкое расположение конца устройства инжекции газа к поверхности жидкости может привести к значительному повреждению этого оборудования. Кроме того, в случаях, когда поверхность жидкости не является неподвижной, сопло необходимо постоянно перемещать, чтобы учитывать движение поверхности так, чтобы инжекция газа происходила в требуемом месте и чтобы поддерживать необходимое расстояние между верхней частью конца и поверхностью ванны. Для электрических дуговых печей это требует сложных гидравлических управляемых манипуляторов верхней части, которые являются дорогими и требуют экстенсивного обслуживания.

Другой способ состоит в том, чтобы использовать трубу, которую вводят через поверхность объема жидкости. Например, трубы с безводным охлаждением часто используются, чтобы инжектировать кислород в ванну расплавленной стали в электрической дуговой печи. Однако этот способ также не является достаточно эффективным, потому что быстрый износ трубы требует сложных гидравлически управляемых манипуляторов трубы, так же как оборудования для подачи трубы, чтобы компенсировать скорость быстрого износа трубы. Кроме того, потеря трубы, которую необходимо непрерывно заменять, является дорогостоящей.

Эти проблемы можно решить, если использовать когерентную струю. Когерентная газовая струя сохраняет диаметр и скорость после инжекции гораздо дольше, чем нормальная газовая струя. При когерентной струе конец инжектора можно устанавливать значительно дальше от поверхности жидкости и при этом обеспечивать возможность проникновения фактически всему газу в пределах когерентной газовой струи через поверхность жидкости.

Кроме того, когерентные струи могут быть использованы в других случаях, таких, как процесс горения, при котором в настоящее время используются газовые струи.

Соответственно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить устройство для инжекции газа в объем так, чтобы нагнетаемый газ образовал когерентную газовую струю.

Краткое описание изобретения
Вышеупомянутые и другие задачи, которые станут очевидными специалистам из описания, достигаются в соответствии с настоящим изобретением, которое представляет собой устройство инжектора когерентной струи, включающее инжектор, имеющий основной проход, пространство инжекции и сопло, которое имеет входное отверстие, сообщающееся с основным проходом, и выходное отверстие, сообщающееся с пространством инжекции, первый вторичный проход, который расположен на радиальном удалении от основного прохода и сообщается с пространством инжекции; и второй вторичный проход, который расположен на радиальном удалении от первого вторичного прохода и сообщается с пространством инжекции, и кожух, который закрывает инжектор, причем кожух проходит дальше выпускного отверстия сопла, чтобы определить пространство инжекции.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой поперечное сечение одного предпочтительного примера осуществления устройства инжектора когерентной струи согласно изобретению.

Фиг. 2 представляет собой поперечное сечение другого предпочтительного примера осуществления устройства инжектора когерентной струи согласно изобретению.

Фиг. 3 представляет собой поперечное сечение примера осуществления устройства инжектора когерентной струи изобретения, размещенного в боковой стене сосуда.

Фиг. 4 представляет собой вид спереди примера осуществления устройства инжектора когерентной струи изобретения, имеющего в кожухе дополнительные каналы инжекции, для выпуска расходящихся потоков.

Фиг. 5 представляет собой вид спереди примера осуществления устройства инжектора когерентной струи изобретения, имеющего в кожухе дополнительные каналы инжекции для выпуска сходящихся потоков.

Цифровые обозначения на чертежах являются одинаковыми для общих элементов.

Подробное описание изобретения
Ниже подробно описано изобретение со ссылками на чертежи. На фиг. 1 изображен когерентный инжектор струи 1, включающий инжектор и наружный кожух. Инжектор включает основной проход 2, который сообщается с источником основного газа (не показан). Основной газ может быть любым газом, из которого необходимо сформировать когерентную струю. Таким газом может быть кислород, азот, аргон, водород, гелий, газообразное углеводородное топливо и смеси, которые содержат два или более указанных газа. Основной проход 2 также сообщается соплом 3.

Предпочтительно, по крайней мере, в части длины сопло 3 имеет диаметр меньше, чем диаметр основного прохода 2 и меньше чем диаметр пространства инжекции 6. Наиболее предпочтительно, как показано на фиг. 1, сопло 3 представляет собой сходящееся/расходящееся сопло. Сходящееся/расходящееся сопло 3 имеет входное отверстие 4, которое сообщается с основным проходом 2, и имеет выходное отверстие 5, которое сообщается с пространством инжекции 6.

На радиальном расстоянии от основного прохода 2 расположен первый вторичный проход 7, и на радиальном расстоянии от первого вторичного прохода 7 расположен второй вторичный проход 8. Один из первого и второго вторичных проходов сообщается источником окислителя (не показан), и другой из первого и второго вторичных проходов, сообщается с источником топлива (не показан). Когда основным газом является кислород, первый вторичный проход 7 предпочтительно сообщается с источником топлива и второй вторичный проход 8 сообщается с источником окислителя. Окислителем предпочтительно является жидкость, которая содержит, по крайней мере, 30 мольных процентов кислорода, наиболее предпочтительно, по крайней мере, 90 мольных процентов кислорода. Окислитель может быть технически чистым кислородом, который имеет концентрацию кислорода 99,5 мольных процентов или больше. Топливом может быть любое текучее топливо, такое, как метан, пропан, бутилен, природный газ, водород, коксовый газ или нефть.

Каждый из первого и второго вторичных проходов сообщается с пространством инжекции 6 предпочтительно, как показано на фиг. 1, вровень или заподлицо с выходным отверстием 5 сходящегося/расходящегося сопла 3. На фиг. 1 показан предпочтительный пример осуществления изобретения, в котором каждый из первого и второго вторичных проходов выполнен в виде множества индивидуальных каналов так, что каждый из первого и второго вторичных проходов сообщается с пространством инжекции 6 посредством кольца отверстий вокруг выходного отверстия 5. В качестве альтернативы, один или оба из первого и второго вторичных проходов могут сообщаться с пространством инжекции 6 посредством кругового кольцевого зазора вокруг выходного отверстия 5.

Инжектор закрыт кожухом 9, который расположен вдоль длины инжектора и который имеет расширенную часть 10 кожуха, выступающую за выпускное отверстие сопла 5, чтобы определить пространство инжекции 6. Расширенная часть 10 кожуха имеет длину в основном до 30,5 см (12 дюймов) и предпочтительно в пределах 1,3 до 17,8 см (от 0,5 до 7,0 дюймов). Расширенная часть кожуха не должна быть одинаковой длины вокруг всего инжектора и может иметь на одной стороне инжектора длину, которая превышает длину с другой стороны инжектора. Один такой пример осуществления показан на фиг. 2. Такой вариант осуществления устройства особенно предпочтителен, когда его устанавливают под углом в боковой стене сосуда. Кожух 9 можно охлаждать с помощью циркуляции охладителя, например воды, в впускном канале охладителя 11 и выпускном канале охладителя 12. Пространство инжекции или объем 6, который формирует расширенную часть 10 кожуха, образует защитную зону, которая служит, для защиты газовых потоков немедленно после их выпуска из основных и вторичных каналов. Это улучшает целостность когерентной струи, обеспечивая благоприятную среду для ее начального формирования.

Обычно устройство инжектора когерентной струи устанавливается в стенку или крышку сосуда, такого, как печь, и используется для инжектирования потока газа, в виде когерентной газовой струи, в сосуд. На фиг. 3 показано одно такое устройство, в котором устройство инжектора когерентной струи устанавливается под углом в боковой стенке 20 сосуда, например, электрической дуговой печи для инжектирования газа во внутренний объем 25 сосуда. На фиг. 3 устройство инжектора представлено темным прямоугольником 22.

В процессе эксплуатации, основной газ выбрасывается из устройства 1, и он формирует основной газовый поток, который обычно имеет скорость 305 м/с или больше. Топливо и окислитель выбрасываются из устройства 1, и они формируют кольцевые потоки, которые начинают смешиваться сразу после выброса из устройства 1 и сгорать, для образования оболочки пламени вокруг основного газового потока. Если изобретение используют в горячей окружающей среде, такой, как металлоплавильная печь, никакой раздельный источник воспламенения для топлива и окислителя не нужен. Если изобретение не используется в окружающей среде, в которой топливо и окислитель будут самовоспламеняться, нужен источник воспламенения, такой, как генератор искры. Предпочтительно оболочка пламени имеет скорость меньше, чем скорость основного газового потока, и обычно в пределах от 15,2 до 305 м/с. Оболочка пламени образует текучий экран или барьер вокруг основного газового потока. Этот барьер значительно уменьшает количество окружающих газов, которые захватывает основной газовый лоток с высокой скоростью, и таким образом служит для того, чтобы поддерживать основной газовый поток когерентным на значительном расстоянии после выброса из устройства. Это допускает такое расположение устройства, что конец его будет расположен на большем расстоянии в том месте, где основной газ сталкивается или вступает в контакт с другой жидкой или твердой средой, и таким образом увеличивает безопасность и надежность устройства.

Обычно количества топлива и окислителя, которые подаются из устройства, достаточно только для образования эффективной оболочки пламени для требуемой длины основного газового потока. Однако возможны случаи, когда необходимо, чтобы из устройства выходило значительно большее количество топлива и окислителя так, чтобы оболочка пламени служила не только для того, чтобы экранировать основной газовый поток от увеличения окружающего газа, но служила также и для того, чтобы подвести в сосуд значительную теплоту. То есть в некоторых примерах осуществления этого изобретения устройство может также функционировать, как горелка.

Кожух инжектора когерентной струи данного изобретения может содержать один или более дополнительных каналов для подачи дополнительной жидкости (газа) или жидкостей (газов) или для подачи одного или более потоков твердых частиц в сосуд, в который инжектируется когерентная струя основного газа. На фиг. 3 показан дополнительный канал 21, который имеет отверстие для инжекции 24. Дополнительный канал или каналы 21 можно преимущественно использовать с инжектором когерентной струи данного изобретения, чтобы подавать кислород в электрическую дуговую печь для выполнения после окислительного способа, раскрытого и заявленного в патентной заявке США 5572444 Матуром и другими, в то время как устройство инжектора используют, чтобы подавать основной кислород в расплавленный металл. Дополнительный канал или каналы могут подавать дополнительную жидкость (газ) или поток частиц в поток или потоки, которые протекают параллельно с когерентной струей основного газа или в потоке или потоках, которые протекают под углом к или далеко от когерентной струи основного газа. На фиг. 4 показан пример осуществления изобретения, которое можно использовать, чтобы получить два дополнительных расходящихся потока, а на фиг. 5 показан пример осуществления изобретения, которое можно использовать, чтобы получить два дополнительных потока из устройства так, что эти два потока пересекаются вниз по течению от устройства 1, то есть потоки являются сходящимися. Ось канала или газового потока представляет собой мнимую линию, которая проходит через центр канала или газового потока вдоль его длины. Ось основного прохода показана на фиг. 1.

Ниже перечислены предпочтительные технические данные для конструкции инжектора когерентной струи данного изобретения.

(1) Расход через основной проход 157-1180 м³/c при НТД (нормальные температура и давление)
Давление подачи (у входа сопла): 345-2070 кПа.

Диаметр критического сечения для сходящегося расходящегося сопла
D=K(Q/P)^1/2,
где D - диаметр критического сечения в м,
Q - расход в м³/с при НДТ для основного газа,
Р - абсолютное давление (кПа),
К = от 7,2 до 9,6,
D = от 6,35 до 50,8 мм.

(2) Кислород в кольце отверстий или кольцевом пространстве вокруг сопла
D_eq = CQ^1/4,
где D_eq = диаметр трубы, эквивалентной в поперечном сечении площади поперечного сечения кольца отверстий или кольцевого пространства,
D^eq = квадратный корень из [площади поперечного сечения кольца отверстий или кольцевого пространства (м²), деленной на (π/4)],
Q - расход в м³/с при НДТ для основного газа,
С = от 0,00624 до 0,0768.

(3) Топливо в кольце отверстий или кольцевом пространстве вокруг сопла
D_eq = JQ^1/4/H^1/2,
где Q - расход в м³/c при НТД для основного газа,
Н - теплотворная способность топлива - кДж/м³ (при НТД),
J = от 0,000994 до 0,0124.

С использованием этого изобретения можно действительно получить поток газа в виде когерентной газовой струи. Хотя изобретение было описано подробно относительно некоторых предпочтительных примеров осуществления, специалистам будет понятно, что в пределах сущности объема изобретения существуют другие примеры осуществления изобретения.

Перевод единиц и коэффициентов
1000 fps переведены в 305 м/с,
50 fps переведены в 15,2 м/с,
20 МСFН переведены в 157 м³/с,
150 МСFН переведены в 1180 м³/с,
К=0,03 (ч^l/2•фyнт^l/2фyт^3/2) переведены в К=7,2 (с^1/2•кг^1/2/м^3/2),
К=0,04 (ч^1/2•фунт^1/2/фут^3/2) переведены в К=9,6(c^l/2•кг^l/2/м^3/2),
1/4" переведены в 6,35 мм,
2" переведены в 50,8 мм,
0,013 (дюйм•ч^1/4/фут^3/4) переведены в 0,00624 (м^1/4•с^1/4),
0,16 (дюйм•ч^1/4/фут^3/4) переведены в 0,0768 (м^1/4•с^1/4),
0,4 (дюйм•ч^1/4•фут^3/4/бте^1/2) переведены в 0,000994 (м^7/4•с^1/4•Дж^1/2),
5,0 (дюйм•ч^1/4•фyт^3/4/бтe^1/2) переведены в 0,0124 (м^7/4•с^1/4/Дж^1/2)

Изобретение относится к устройствам для создания потока газа, вводимого в расплавленный металл. Устройство включает инжектор и закрывающий его кожух. Инжектор имеет основной проход, пространство инжекции, сопло и два вторичных прохода. Сопло имеет входное отверстие, которое сообщается с основным проходом, и выходное отверстие, которое сообщается с пространством инжекции. Первый вторичный проход расположен на радиальном удалении от основного прохода и сообщается с пространством инжекции. Второй вторичный проход расположен на радиальном удалении от первого вторичного прохода и сообщается с пространством инжекции. Кожух проходит дальше выпускного отверстия сопла для определения пространства инжекции. В кожухе расположен, по крайней мере, один дополнительный канал, ось которого расположена под углом к оси основного прохода. Устройство содержит, по крайней мере, два расположенных в кожухе дополнительных канала, которые выполнены таким образом, что оси выбрасываемых из них потоков жидкости могут быть пересекаемыми или расходящимися. Изобретение позволяет дольше сохранять диаметр и скорость струи после инжекции, конец инжектора можно устанавливать значительно дальше от поверхности жидкости и при этом обеспечивать возможность проникновения фактически всему газу через поверхность жидкости. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство инжектора когерентной струи, включающее инжектор, имеющий основной проход, пространство инжекции и сопло, которое имеет входное отверстие, которое сообщается с основным проходом, и выходное отверстие, которое сообщается с пространством инжекции, первый вторичный проход, который расположен на радиальном удалении от основного прохода и сообщается с пространством инжекции, и второй вторичный проход, который расположен на радиальном удалении от первого вторичного прохода и сообщается с пространством инжекции, и кожух, который закрывает инжектор, причем кожух проходит дальше выпускного отверстия сопла для определения пространства инжекции. 2. Устройство инжектора когерентной струи по п. 1, отличающееся тем, что сопло представляет собой сходящееся/расходящееся сопло. 3. Устройство инжектора когерентной струи по п. 1, отличающееся тем, что кожух проходит дальше выпускного отверстия сопла на большее расстояние на одной стороне устройства инжектора по сравнению с другой стороной устройства инжектора. 4. Устройство инжектора когерентной струи по п. 1, отличающееся тем, что оно установлено в боковой стенке сосуда. 5. Устройство инжектора когерентной струи по п. 3, отличающееся тем, что оно установлено под углом в боковой стенке сосуда. 6. Устройство инжектора когерентной струи по п. 1, отличающееся тем, что кожух содержит, по крайней мере, один дополнительный канал для обеспечения потока, который содержит, по крайней мере, либо жидкости, либо частицы. 7. Устройство инжектора когерентной струи по п. 6, отличающееся тем, что, по крайней мере, один дополнительный канал, расположенный в кожухе, содержит ось, которая расположена под углом к оси основного прохода. 8. Устройство инжектора когерентной струи по п. 6, отличающееся тем, что содержит, по крайней мере, два дополнительных канала, расположенных в кожухе, которые выполнены таким образом, что оси потоков жидкости, которые выбрасывают из дополнительных каналов, пересекаются. 9. Устройство инжектора когерентной струи по п. 6, отличающееся тем, что содержит, по крайней мере, два дополнительных канала, расположенных в кожухе, которые выполнены таким образом, что оси потоков жидкости, которые выбрасывают из дополнительных каналов, расходятся.