[发明专利]一种基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统，其特征在于，包括拉乌尔喷管管体和套接其上的保护气喷管管体，所述拉乌尔喷管管体的外表面与所述保护气喷管管体的内表面之间留有环形缝隙以形成保护气通道，所述拉乌尔喷管管体的喷吹端口与所述保护气喷管管体的喷吹环缝端口具有同轴关系，所述拉乌尔喷管管体的入口端通过三通管道分别连接氢气控制阀组输出端和主吹惰性气体控制阀组输出端，所述保护气喷管管体的入口端连接保护气控制阀组输出端，保护气控制阀组输入端和主吹惰性气体控制阀组输入端均连接惰性气体气源，氢气控制阀组输入端连接氢气气源，所述拉乌尔喷管管体的入口端设置有管道气体压力传感器以控制所述喷吹端口所形成超音速射流的流速；

所述喷吹环缝端口的保护气射流一方面降低喷吹端口区域氧气浓度，达到氢气射流脱火效果，另一方面延长超音速射流核心区长度以扩大氢气在炼铁高炉炉膛中的燃烧范围；

所述管道气体压力传感器、主吹惰性气体控制阀组、氢气控制阀组和保护气控制阀组分别连接上位机，以使氢气与主吹惰性气体汇流后在所述喷吹端口形成超音速射流，使保护气在所述喷吹环缝端口达到预设的流量和流速；

所述拉乌尔喷管管体的喷吹端口向内依次为扩张段、喉口段和收缩段，所述收缩段的入口直径为58mm±10％，半锥角为22度±10％，所述喉口段的直径为29mm±10％，长度为8mm±10％，所述扩张段的出口直径为31mm±10％，半锥角为5度±10％。

2.根据权利要求1所述的基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统，其特征在于，所述惰性气体采用氮气和/或氩气，所述惰性气体中氧气体积分数＜5％。

3.根据权利要求1所述的基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统，其特征在于，所述超音速射流的速度为1～2马赫。

4.一种如权利要求1-3之一所述的基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统在高炉炼铁中的应用，用于从高炉的风口向高炉炉膛内喷吹氢气。

5.一种如权利要求1-3之一所述的基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统的控制方法，其特征在于，包括以下模式：

未喷氢模式：高炉冶炼过程中喷吹系统未喷氢时，拉乌尔喷管及保护气喷管均通入惰性气体；

喷氢模式：当开始喷氢后，将设定的氢气喷吹流量输入至控制系统，氢气控制阀组中流量控制器自动调节阀门开度，将氢气喷吹流量调整至设定流量，保护气喷管仍喷吹惰性气体；

实时监测管道气体压力，当拉乌尔喷管前端气体压力大于等于拉乌尔喷管设定马赫数临界压力时，维持现有操作不变；当拉乌尔喷管前端气体压力小于设定马赫数临界压力时，控制系统自动打开主吹惰性气体管道控制阀组快速切断阀，同时调整主吹惰性气体控制阀组中的流量控制器，调节阀门开度至拉乌尔喷管前端气体压力等于设定马赫数临界压力。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，未喷氢模式下，拉乌尔喷管惰性气体流量范围为500～2000Nm³/h，保护气喷管惰性气体流量范围为200-800Nm³/h；

喷氢模式下，拉乌尔喷管氢气气体流量范围为0～2500Nm³/h，拉乌尔喷管惰性气体流量范围分别为0～1500Nm³/h，保护气喷管惰性气体流量范围分别为200～800Nm³/h。