本申請(qǐng)要求于2014年10月10日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/062578的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

背景技術(shù)：
的描述

本申請(qǐng)涉及集成到爐中以改進(jìn)爐中燃燒過(guò)程的操作的傳感器系統(tǒng)，包括但不限于過(guò)程效率、產(chǎn)量和產(chǎn)量。

許多工業(yè)在爐中使用氧燃料燃燒來(lái)加熱散裝材料或原料，但是通常具有不足的裝置來(lái)測(cè)量和控制爐參數(shù)，以便優(yōu)化加熱過(guò)程。通常在各種工業(yè)(例如，鋁回收、鋼鐵生產(chǎn)、玻璃制造)中將基本溫度傳感器放置在由“常識(shí)”或方便性指示的爐周圍的位置中，這通常導(dǎo)致測(cè)量誤差和生產(chǎn)能力損失。

最典型地，基于將熱電偶(TC)的溫度測(cè)量與預(yù)定設(shè)定點(diǎn)(T_SP)進(jìn)行比較來(lái)控制加熱或熔融爐中的能量輸入速率。這種熱電偶(在此表示為T_OPEN)通常具有三個(gè)特征：(1)其開放或暴露于爐氣氛；(2)其位于頂部或與燃燒器相對(duì)的壁上；和(3)其組合使得TC易于從爐中的火焰(如爐子中的其它表面(例如，耐火墻和產(chǎn)品表面))拾取“直接輻射”。被加熱和/或熔化的爐料或產(chǎn)品是爐中最大的散熱器，并且能夠吸收(在其表面處)并且由于其較高的導(dǎo)熱性而進(jìn)入(進(jìn)入爐料的主體)入射能量。然而，耐火壁表面(其具有較低的熱導(dǎo)率)和開放的TC，T_OPEN，繼續(xù)被輻射并且溫度增加。這導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)品溫度T_PROD(在產(chǎn)品表面處或作為散裝產(chǎn)品的平均溫度測(cè)量)之間的偏差，并且特別地，T_OPEN可以超過(guò)T_PROD幾度甚至幾百度。因此，由于控制熱電偶T_OPEN的溫度在實(shí)際產(chǎn)品溫度T_PROD之前達(dá)到溫度設(shè)定值T_SP，因此從燃燒器輸入到爐中的能量可能過(guò)早地減少，從而導(dǎo)致比期望的更長(zhǎng)的加熱和/或熔化時(shí)間。

概述

本文描述了在爐中策略性地定位傳感器和/或傳感器類型的各種組合的方法和系統(tǒng)，使得策略布置(其可以包括一些或全部傳感器的物理共處)產(chǎn)生能夠改進(jìn)爐控制和操作的集成傳感器系統(tǒng)。這導(dǎo)致提高的過(guò)程產(chǎn)率、效率和/或吞吐量?，F(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室生成的數(shù)據(jù)展示了可使用本文所述的方法和系統(tǒng)獲得的幾個(gè)令人驚訝的操作優(yōu)點(diǎn)。

方面1.一種用于在包括爐和煙道的爐系統(tǒng)中使用的集成傳感器系統(tǒng)，所述集成傳感器系統(tǒng)包括：傳感器塊，其被配置為安裝在所述爐系統(tǒng)的壁中，所述傳感器塊至少包括兩個(gè)端口，每個(gè)端口被配置為接收傳感器；兩個(gè)或更多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器定位在所述傳感器塊中的相應(yīng)一個(gè)端口中；以及控制器，其被編程為從所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感器接收信號(hào)并且響應(yīng)于所接收的信號(hào)調(diào)整所述爐系統(tǒng)的操作；其中所述兩個(gè)傳感器各自選自如下的組合：溫度傳感器、壓力傳感器、成分傳感器、濃度傳感器、輻射傳感器、密度傳感器、熱導(dǎo)率傳感器、光學(xué)傳感器、聲傳感器、液位傳感器、角度傳感器、距離傳感器、位置傳感器、圖像采集傳感器和視頻采集傳感器。

方面2.方面1的集成傳感器系統(tǒng)，其中，所述控制器被編程為連續(xù)地監(jiān)測(cè)所述傳感器信號(hào)中的至少一個(gè)。

方面3.方面1的集成傳感器系統(tǒng)，其中，所述控制器被編程為間歇地監(jiān)測(cè)所述傳感器信號(hào)中的至少一個(gè)。

方面4.方面1的集成傳感器系統(tǒng)，還包括與傳感器中的一個(gè)相對(duì)應(yīng)的致動(dòng)器機(jī)構(gòu)，用于將所述傳感器推進(jìn)到用于進(jìn)行測(cè)量并將所述傳感器縮回到受保護(hù)位置的位置；其中所述控制器被編程為僅當(dāng)所述傳感器前進(jìn)到用于進(jìn)行測(cè)量的位置時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)自所述傳感器的信號(hào)。

方面5.一種使用如方面1所述的集成傳感器系統(tǒng)控制爐中能量輸入和能量分布的方法，其中所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感器包括對(duì)爐開放的第一溫度傳感器和嵌入在爐中的第二溫度傳感器包括：基于來(lái)自所述第二溫度傳感器的信號(hào)控制輸入到所述爐中的能量，同時(shí)基于來(lái)自所述第一溫度傳感器的信號(hào)控制能量分布，其中所述第一溫度傳感器更快地響應(yīng)于所述第二溫度傳感器的所述第二溫度感應(yīng)器。

方面6.一種使用如方面1所述的集成傳感器系統(tǒng)控制爐中能量輸入和能量分布的方法，其中所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感器包括指向爐內(nèi)一個(gè)位置的第一光學(xué)高溫計(jì)或傳感器，以及第二光學(xué)高溫計(jì)或傳感器，其包括：基于來(lái)自所述第二溫度傳感器的信號(hào)控制輸入到所述爐中的能量，同時(shí)基于來(lái)自所述第一溫度傳感器的信號(hào)控制能量分布，其中所述第一溫度傳感器響應(yīng)更多迅速地到達(dá)第二溫度傳感器的局部條件。

方面7.一種使用如方面1所述的集成傳感器系統(tǒng)控制爐中過(guò)量氧、NOx、CO和可燃排放物中的一種或多種的方法，其中所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感器包括壓力傳感器和組合物傳感器，包括：基于來(lái)自所述壓力傳感器的信號(hào)控制所述爐中的煙道氣阻尼器和氧富集水平中的一個(gè)或兩個(gè)，并且基于來(lái)自所述組合物的信號(hào)控制所述爐中的燃燒器的氧-傳感器。

方面8.如方面7所述的方法，其中所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感器還包括溫度傳感器，所述方法還包括：基于來(lái)自溫度傳感器的信號(hào)來(lái)限制所述煙道氣阻尼器、所述爐中的氧氣富集水平、爐的氧氣燃料比的控制，以維持期望的熱傳遞。

方面9.如方面7所述的方法，其中所述傳感器塊位于所述爐中。

方面10.方面7的方法，其中所述傳感器塊位于所述煙道中。

方面11.一種使用如方面1中的集成傳感器系統(tǒng)控制爐操作的方法，包括：檢測(cè)指示爐和煙道中的一個(gè)或兩個(gè)中的顆粒的不透明度；以及基于檢測(cè)到的不透明度而調(diào)整爐輸入?yún)?shù)。

方面12.如方面11所述的方法，其中，所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感器包括發(fā)送器和接收器，并且通過(guò)從發(fā)送器到接收器的信號(hào)的衰減來(lái)測(cè)量不透明度。

方面13.如方面11所述的方法，其中，所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感器包括輻射接收器，并且通過(guò)爐輻射的衰減來(lái)測(cè)量不透明度，否則在不存在粒子的情況下檢測(cè)所述輻射。

方面14.如方面11所述的方法，還包括：檢測(cè)指示非優(yōu)化燃燒的一個(gè)或多個(gè)預(yù)定粒度；以及基于檢測(cè)到的粒度來(lái)調(diào)整爐輸入?yún)?shù)。

方面15.一種使用如方面1中的一個(gè)或多個(gè)集成傳感器系統(tǒng)控制爐中的熱分布的方法，包括：檢測(cè)爐的一個(gè)部分或區(qū)域中的熱負(fù)荷；檢測(cè)爐的另一部分或區(qū)域中的熱負(fù)荷；基于檢測(cè)到的熱負(fù)荷來(lái)調(diào)整燃燒能量到爐的相應(yīng)部分或區(qū)域的輸入。

方面16.一種用于爐系統(tǒng)中的集成傳感器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有煙道和至少一個(gè)將燃料和氧化劑引入爐中的燃燒器的爐，所述爐包含爐料并具有界定爐環(huán)境的壁，所述爐壁包括側(cè)壁、端壁和頂部中的至少一個(gè)，所述爐具有兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都受到調(diào)節(jié)輸入到所述爐中的能量的至少一個(gè)爐子參數(shù)的不同影響，所述集成傳感器系統(tǒng)包括：第一溫度傳感器定位成測(cè)量所述爐系統(tǒng)中的第一溫度；第二溫度傳感器，其定位成測(cè)量所述爐系統(tǒng)中的第二溫度；以及控制器，其被編程為分別從第一和第二溫度傳感器接收指示第一和第二測(cè)量溫度的信號(hào)，并且基于第一和第二溫度之間的關(guān)系調(diào)節(jié)爐系統(tǒng)參數(shù)的操作，從而差動(dòng)調(diào)節(jié)能量輸入進(jìn)入所述爐的至少兩個(gè)區(qū)域中；其中所述第一和第二溫度之間的關(guān)系是所述兩個(gè)溫度之間的差、所述兩個(gè)溫度的比和所述兩個(gè)溫度的加權(quán)平均中的一個(gè)或多個(gè)的函數(shù)。

方面17.如方面16所述的系統(tǒng)，其中所述第一溫度傳感器安裝在所述爐的第一區(qū)中的壁中，并直接暴露于所述爐環(huán)境；并且其中所述第二溫度傳感器嵌入在所述爐的所述第一區(qū)中的壁中并且與直接暴露于所述爐環(huán)境隔離。

方面18.如方面16所述的系統(tǒng)，其中所述第一溫度傳感器是定向成檢測(cè)所述爐中的第一區(qū)中的裝料的溫度的光學(xué)傳感器；并且其中所述第二溫度傳感器是定向成檢測(cè)所述爐中的第二區(qū)中的爐料的溫度的光學(xué)傳感器。

方面19.如方面16所述的系統(tǒng)，其中，所述第一溫度傳感器是定向成檢測(cè)所述爐中的第一區(qū)中的爐料的溫度的光學(xué)傳感器；并且其中，所述第二溫度傳感器嵌入在所述爐的所述第一區(qū)中的壁中并且與直接暴露于所述爐環(huán)境隔離。

方面20.如方面16至19中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中要調(diào)節(jié)的爐系統(tǒng)參數(shù)包括燃燒器燃燒速率，燃燒器化學(xué)計(jì)量，燃燒器分級(jí)，兩個(gè)或更多個(gè)燃燒器之間的燃燒速率分布中的至少一個(gè)燃燒器，兩個(gè)或更多個(gè)燃燒器之間的分級(jí)分布，以及爐壓力。

方面21.如方面16至20中任一方面所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器被編程為間歇地監(jiān)測(cè)所述溫度傳感器信號(hào)中的至少一個(gè)。

方面22.如方面16至21中任一方面所述的系統(tǒng)，還包括至少第三傳感器，所述第三傳感器選自如下的組合：溫度傳感器、壓力傳感器、濃度傳感器、輻射傳感器、密度傳感器、光學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器、水平傳感器、角度傳感器、距離傳感器、位置傳感器、圖像采集傳感器和視頻采集傳感器。

方面23.如方面22所述的系統(tǒng)，還包括與第三傳感器相對(duì)應(yīng)的致動(dòng)器機(jī)構(gòu)，用于將第三傳感器推進(jìn)到用于進(jìn)行測(cè)量并將第三傳感器縮回到受保護(hù)位置的位置；其中所述控制器被編程為僅當(dāng)所述第三傳感器前進(jìn)到用于進(jìn)行測(cè)量的位置時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)自第三傳感器的信號(hào)。

方面24.如方面16至23中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括：傳感器塊，其安裝在爐的第一區(qū)中的壁中，并且具有至少兩個(gè)端口，第一和第二溫度傳感器分別位于所述至少兩個(gè)端口中。

方面25.一種使用如在方面16中的集成傳感器系統(tǒng)控制爐中能量輸入和能量分布中的一個(gè)或兩個(gè)的方法，包括：從第一溫度傳感器接收第一溫度信號(hào)以確定第一溫度；從所述第二溫度傳感器接收第二溫度信號(hào)以確定所述第二溫度；基于所述第一溫度和所述第二溫度之間的關(guān)系調(diào)整爐系統(tǒng)參數(shù)，其中所述爐系統(tǒng)參數(shù)包括燃燒器燃燒速率，燃燒器化學(xué)計(jì)量，燃燒器分級(jí)，兩個(gè)或更多個(gè)燃燒器之間的燃燒速率分布，在兩個(gè)或更多個(gè)燃燒器之間的分級(jí)分布，以及爐壓力，從而不同地調(diào)節(jié)輸入到爐的至少兩個(gè)區(qū)域中的能量。

方面26.如方面25所述的方法，還包括：基于來(lái)自第二溫度傳感器的信號(hào)控制輸入到爐中的能量；并基于來(lái)自所述第一溫度傳感器的信號(hào)控制進(jìn)入所述爐的能量分配；其中所述第一溫度傳感器比所述第二溫度傳感器更快地響應(yīng)于所述爐環(huán)境的變化。

方面27.如方面25所述的方法，還包括：計(jì)算第一和第二溫度的比率；以及基于所計(jì)算的比率控制所述能量輸入和能量分布中的一個(gè)或兩個(gè)。

方面28.如方面25所述的方法，其中第一溫度傳感器安裝在爐的壁中并直接暴露于爐環(huán)境，并且第二溫度傳感器嵌入爐的壁中并與直接暴露隔離到爐子環(huán)境；并且其中所述控制步驟包括基于所述第一和第二溫度傳感器之間的差，所述第一和第二溫度的比以及所述第一和第二溫度的加權(quán)平均值中的一個(gè)或多個(gè)的函數(shù)來(lái)調(diào)整輸入到所述爐中的能量。

方面29.如方面25所述的方法，其中所述第一和第二溫度傳感器是光學(xué)高溫計(jì)，每個(gè)指向所述爐中的不同的一個(gè)位置，其中所述控制步驟包括基于一個(gè)或更多的第一和第二溫度傳感器之間的差值，第一和第二溫度的比值以及第一和第二溫度的加權(quán)平均值。

方面30.一種使用如在方面16中的一個(gè)或多個(gè)集成傳感器系統(tǒng)控制爐中的熱分布的方法，包括：檢測(cè)爐的一個(gè)區(qū)域中的熱需求；檢測(cè)所述爐的另一區(qū)域中的熱需求；以及基于檢測(cè)到的熱負(fù)荷來(lái)調(diào)整到所述爐的相應(yīng)部分或區(qū)域的燃燒能量的輸入。

方面31.如方面16所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器可以是接觸式或非接觸式。

方面32.如方面1所述的系統(tǒng)，還包括：兩個(gè)或更多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器定位在所述傳感器塊中的相應(yīng)的一個(gè)端口中；以及控制器，其被編程為從所述兩個(gè)或更多個(gè)傳感器接收信號(hào)并且響應(yīng)于所接收的信號(hào)調(diào)整爐子系統(tǒng)參數(shù)的操作；其中所述兩個(gè)傳感器包括被配置為測(cè)量所述爐系統(tǒng)中的兩個(gè)不同溫度的至少兩個(gè)溫度傳感器；并且其中所述爐的壁是所述爐的側(cè)壁和頂部中的一個(gè)或多個(gè)。

附圖說(shuō)明

圖1是具有三個(gè)貫通端口和一個(gè)盲孔的示例性傳感器塊的橫截面示意圖，每個(gè)配置為接收一個(gè)或多個(gè)傳感器，并且指示暴露于爐環(huán)境的三個(gè)傳感器的示例性布置，組合物(C)溫度(T1)和壓力(P)，以及嵌入傳感器塊中的一個(gè)傳感器溫度(T2)。

圖2是示出具有用于控制能量輸入的適當(dāng)定位的熱電偶的益處的曲線圖。當(dāng)熱電偶(TC)不適當(dāng)?shù)囟ㄎ粫r(shí)，可以過(guò)早地減少輸入到爐中的能量。方形符號(hào)表示適當(dāng)定位的控制TC以精確地指示充電溫度，而三角形符號(hào)表示其中控制TC放錯(cuò)以便檢測(cè)比由適當(dāng)定位的控制器檢測(cè)的溫度高約75°F的情況TC。

圖3是示出用于最有效控制策略的用于放置控制熱電偶的位置的CLOP輸出等級(jí)的曲線圖。紅色(靠近燃燒器)表示較差的位置，藍(lán)色(遠(yuǎn)離燃燒器)表示較好的位置。

圖4示出了示例性集成傳感器系統(tǒng)S1和S2，其策略性地安裝以感測(cè)具有兩個(gè)區(qū)域(一個(gè)具有較小的能量負(fù)載或要求，另一個(gè)具有較大的能量負(fù)載或要求)的爐中的熱分布需求。

圖5是示例性廢料熔化爐的俯視圖，其示出了燃燒器，煙道，三個(gè)暴露的溫度傳感器(T1，T2，T3)，兩個(gè)光學(xué)高溫計(jì)(PB，PC)和紅外傳感器(FIR)的位置。

圖6是由兩個(gè)指向爐的不同部分的光學(xué)高溫計(jì)和位于爐中不同位置的壁中的三個(gè)暴露的熱電偶進(jìn)行的溫度測(cè)量的圖形比較，如圖6所示，在熔化期間和添加三個(gè)分開的電荷L1，L2和L3。

圖7是示例性測(cè)試爐的側(cè)視圖，其具有待加熱的金屬(例如銅)床，裝配有床熱電偶(T14)，并且包括安裝在爐頂中的傳感器塊，其包含三個(gè)溫度傳感器：開放熱電偶(T12)、嵌入式熱電偶(T13)和光學(xué)高溫計(jì)(T11)。

圖8是由測(cè)試爐(T11，T12，T13)和銅床熱電偶(T14)中的頂部安裝的傳感器塊中的三個(gè)溫度傳感器進(jìn)行的溫度測(cè)量的圖形比較，如圖7所示，特別示出了溫度傳感器的響應(yīng)與銅的相變(熔化)的進(jìn)展之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖9是示例性測(cè)試爐的側(cè)視圖，其具有待加熱的鋁(B1)前部床和待加熱的后部床(b2)，每個(gè)都裝配有熱電偶(分別為T24和T25)，并且包括傳感器塊具有兩個(gè)光學(xué)高溫計(jì)，一個(gè)指向前床(T22)，另一個(gè)指向后床(T21)，以及頂部安裝的嵌入式熱電偶(T23)。

圖10是由測(cè)試爐(T21，T22，T23)和前和后床熱電偶(T24，T25)中的三個(gè)安裝在頂部的溫度傳感器進(jìn)行的溫度測(cè)量的圖形比較，如圖9所示，特別示出了這些溫度傳感器對(duì)床中的各種過(guò)程變化的響應(yīng)。

圖11是示例性測(cè)試爐的側(cè)視圖，其具有待加熱的鋁(B1)前部床和鋁(B2)后部床，每個(gè)都裝配有熱電偶(分別為T24和T25)，并且包括傳感器塊具有兩個(gè)光學(xué)高溫計(jì)，一個(gè)指向前床(T22)，另一個(gè)指向后床(T21)。

圖12是由測(cè)試爐(T21，T22)和前和后床熱電偶(T24，T25)中的兩個(gè)安裝在頂部的溫度傳感器進(jìn)行的溫度測(cè)量的圖形比較，如圖11所示，特別示出了這些溫度傳感器對(duì)床中的各種過(guò)程變化的響應(yīng)。

圖13是示出用于加熱爐中的爐料的三種情況的控制比較的曲線圖，其中控制基于：(1)單獨(dú)的開放熱電偶(正方形符號(hào)，頂線)，其導(dǎo)致爐中能量輸入的最快減少并因此更長(zhǎng)的熔化或加熱時(shí)間，(2)嵌入的熱電偶單獨(dú)(圓圈符號(hào)，底線)，其導(dǎo)致最近減少的能量輸入到爐和潛在的耐火材料過(guò)熱，和(3)基于功能的控制策略開放和嵌入熱電偶(三角形符號(hào)，中間曲線)，導(dǎo)致比開放熱電偶控制方案更快的加熱時(shí)間，同時(shí)避免嵌入式熱電偶控制方案的潛在過(guò)熱問(wèn)題。

圖14是示出具有多個(gè)操作區(qū)域的爐和具有不同加熱曲線的不同類型的燃燒器的對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖，其可以根據(jù)加熱需要優(yōu)先地將不成比例的量的能量引導(dǎo)到不同的區(qū)域。

實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明

已經(jīng)開發(fā)了集成傳感器系統(tǒng)以通過(guò)使用來(lái)自安裝在爐中的一個(gè)或多個(gè)位置處的兩個(gè)或更多個(gè)傳感器的反饋來(lái)協(xié)同地與爐中的一個(gè)或多個(gè)燃燒器協(xié)同工作，以優(yōu)化過(guò)程效率，產(chǎn)量和/或吞吐量。

在集成傳感器系統(tǒng)中可單獨(dú)或組合使用的傳感器類型的非限制性列表如下：

■溫度(T)傳感器，接觸式或非接觸式，如熱電偶，光學(xué)高溫計(jì)，熱敏電阻

■密度傳感器

■距離傳感器-1D或2D地形傳感器

■測(cè)量熱導(dǎo)率的傳感器

■能夠進(jìn)行視頻或圖像采集的設(shè)備

■基于特定波長(zhǎng)或整體光強(qiáng)確定信息的光學(xué)傳感器

■聲學(xué)傳感器

■液位和/或角度測(cè)量

■原位成分傳感器，如氧傳感器(氧化鋯)

集成傳感器系統(tǒng)可以有線或無(wú)線連接，因此爐在操作中可以是靜止的或旋轉(zhuǎn)的。集成傳感器系統(tǒng)可以使用電池，有線電源或經(jīng)由從爐子的能量收集(例如，使用振動(dòng)，熱，機(jī)械移動(dòng)，用于能量收集的光學(xué)方法)來(lái)供電。

集成傳感器系統(tǒng)的特征。

傳感器可用于在爐中連續(xù)或不連續(xù)地測(cè)量過(guò)程變量。作為非限制性示例，可以通過(guò)安裝的一個(gè)或多個(gè)熱電偶來(lái)執(zhí)行連續(xù)測(cè)量，每個(gè)熱電偶嵌入或敞開到爐氣氛中，并且連續(xù)地測(cè)量爐中的溫度。

可替代地，傳感器可以安裝在致動(dòng)機(jī)構(gòu)上，該致動(dòng)機(jī)構(gòu)將傳感器引入到測(cè)量空間中并且進(jìn)行不連續(xù)點(diǎn)測(cè)量(在空間和/或時(shí)間上)，其被實(shí)時(shí)或時(shí)間積分地方式，在控制爐的決策過(guò)程中。容納傳感器的致動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用還潛在地消除或減少了通過(guò)水或空氣或其它裝置冷卻可能不適于連續(xù)暴露于爐子環(huán)境的傳感器的需要。

當(dāng)使用某些光學(xué)傳感器(例如，紅外高溫計(jì)，圖像獲取裝置等)時(shí)，由于來(lái)自火焰的強(qiáng)烈輻射，可能對(duì)測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生干擾。為了解決這個(gè)問(wèn)題，致動(dòng)機(jī)構(gòu)可以與一個(gè)或多個(gè)火焰的操作同步，使得僅當(dāng)一個(gè)或多個(gè)火焰最不可能干擾測(cè)量時(shí)，才將傳感器致動(dòng)到位。與火焰或火焰的這種同步將有利于從爐獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是不是必需的。光學(xué)高溫計(jì)可以被配置為檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射，例如從0.9至1.1微米，從1.5至1.7微米，從2.0至2.4微米，從3.8至4.0微米或其組合，注意到高溫計(jì)不需要能夠檢測(cè)任何特定范圍內(nèi)的所有波長(zhǎng)。

在一個(gè)示例中，圖像采集裝置用于在爐中拍攝多個(gè)照片圖像，然后后處理算法將這些圖像融合或縫合在一起以提供爐概述。此外，溫度和地形信息(通過(guò)幾乎同時(shí)操作傳感器獲得)可以覆蓋在爐子概況上。該信息可用于例如確定在具有兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)域的爐中所需的能量分布，每個(gè)區(qū)域響應(yīng)于進(jìn)入爐中的某些能量輸入(例如，燃燒器或燃燒器配置或操作參數(shù))而不同，如進(jìn)一步詳細(xì)討論的下面。

集成傳感器系統(tǒng)包括傳感器塊，其可以具有用于各種形狀和尺寸的傳感器的任何數(shù)量的通道，孔，通道，井或端口，并且在任何給定時(shí)間可以使用任何數(shù)量的傳感器。此外，根據(jù)操作的需要，集成傳感器系統(tǒng)內(nèi)的傳感器可以安裝成齊平或延伸到爐中，或者凹進(jìn)耐火塊中，如圖1所示。另外，取決于上述安裝方法和過(guò)程中的溫度，集成傳感器系統(tǒng)的傳感器塊或其它部件可以或可以不被主動(dòng)冷卻(例如水，空氣或電)。

圖1示出了用于集成傳感器系統(tǒng)的傳感器塊的示意圖，其中耐火塊容納一個(gè)或多個(gè)傳感器以測(cè)量關(guān)鍵過(guò)程變量，其可以包括溫度(T)，壓力(P)和成分(C)過(guò)程變量，如距離，地形，角度或其他相關(guān)參數(shù)。

組件的作用。

一個(gè)或多個(gè)過(guò)程傳感器可以位于集成傳感器系統(tǒng)中，這取決于所采用的控制策略的需要。根據(jù)應(yīng)用的控制需要，可以根據(jù)控制策略中的重要性對(duì)傳感器的組合進(jìn)行排名和加權(quán)。在一個(gè)非限制性示例中，當(dāng)管理爐的能量輸入和分配需求時(shí)，可以在決策中使用和加權(quán)溫度傳感器的組合。在另一個(gè)非限制性示例中，當(dāng)管理煙道中的過(guò)量氧氣濃度時(shí)，可以在決策中使用和加權(quán)壓力和成分傳感器的組合。注意，任何一種類型的過(guò)程傳感器本身可能不足以限定控制需求。因此，關(guān)于變量的組合如何在例如特定策略選擇的位置處響應(yīng)的知識(shí)和理解可有助于有效地確定如何控制爐中的燃燒過(guò)程。

從集成傳感器系統(tǒng)中協(xié)同操作的傳感器獲得的信息包可以有效地用于控制爐操作的方面，例如能量分布、能量輸入(燃燒速率)、化學(xué)計(jì)量和/或識(shí)別事件，例如基本上完成工藝熔融，和/或確定下一次增量裝料的合適時(shí)間、加入鹽/助熔劑、攪拌金屬浴、處理污染的廢料、需要后燃燒、控制排放、調(diào)整燃燒器分級(jí)燃料或氧氣、材料精煉(例如，氧化或還原)和其它工藝步驟或事件。

傳感器可以單獨(dú)地或與集成傳感器系統(tǒng)中的其它傳感器或集成傳感器系統(tǒng)的組合一起操作。

定位用于集成傳感器系統(tǒng)的傳感器。

集成傳感器系統(tǒng)的性能受其傳感器的位置的顯著影響。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)傳感器塊可以策略性地位于頂部和/或側(cè)壁和/或煙道氣管道中，以便獲得爐的控制需求的完整圖像，因?yàn)槊總€(gè)爐是不同的。許多因素包括但不限于燃燒器的數(shù)量，位置和類型(空氣-燃料，空氣-氧-燃料或氧-燃料)，能量輸入，爐的尺寸和形狀以及煙道相對(duì)于燃燒器，確定在爐中產(chǎn)生的煙道氣的流體動(dòng)力學(xué)模式和熱釋放。這又有助于確定傳感器在爐中的適當(dāng)位置。

一個(gè)或多個(gè)傳感器塊可以獨(dú)立地或獨(dú)立地安裝在爐中或者可以集成在燃燒器系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)操作的需要，傳感器塊可以齊平(優(yōu)選地)安裝或延伸到爐中或凹入到爐耐火材料中。

如圖2所示，當(dāng)熱電偶(TC)不適當(dāng)?shù)囟ㄎ粫r(shí)，可以過(guò)早地減少輸入到爐中的能量。在較低的燃燒速率和累積能量曲線(三角形符號(hào))中，控制熱電偶位于使其比更適當(dāng)放置的熱電偶高約75°F的位置，導(dǎo)致燃燒速率的過(guò)早降低和不足的累積能量輸入到爐中。在較高的燃燒速率和累積能量曲線(方形符號(hào))中，適當(dāng)?shù)胤胖糜糜谠撨^(guò)程的控制熱電偶，導(dǎo)致以較高的速率進(jìn)行較長(zhǎng)的焙燒，并且較高的累積能量輸入到爐中。

參考Gangoli等人，可以理解在再加熱爐中定位熱電偶(TC)以控制過(guò)程中的能量輸入速率(瞬時(shí)燃燒器燃燒速率)的重要性的示例。等人，“Importance of Control Strategy for Oxy-Fuel Burners in a Steel Reheat Furnace，”PR-364-181-2013 AISTech Conference Proceedings，其通過(guò)引用整體并入本文?？刂莆恢脙?yōu)化程序(CLOP)使用獨(dú)特的策略來(lái)確定控制TC的有效位置。圖3示出了TC在爐中的非最佳位置的影響(參見位置BEFORE)。如圖3所示，定位熱電偶(TC)太靠近燃燒器會(huì)產(chǎn)生不理想的結(jié)果(“BEFORE”)位置，而通過(guò)將熱電偶充分遠(yuǎn)離燃燒器(“AFTER”)位置，可以獲得改進(jìn)的結(jié)果。

通過(guò)將控制TC位置移動(dòng)到AFTER，在該過(guò)程中獲得的循環(huán)時(shí)間和燃料節(jié)約分別改進(jìn)了29％(更快)和20％(更低)。

使用集成傳感器系統(tǒng)的控制策略的示例：

A)控制爐中的能量輸入和能量分布。

在使用標(biāo)準(zhǔn)(例如，K型)熱電偶來(lái)控制爐中的能量輸入和能量分配的情況下，優(yōu)選的是成對(duì)使用它們，或者至少使用至少一個(gè)熱電偶，對(duì)爐子環(huán)境和輻射以及至少另一個(gè)嵌入耐火塊中的熱電偶開放，該熱電偶典型地距離熱面1至2英寸。這種布置可以使用如圖1所示的傳感器塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有T1(開路)和T2(嵌入)熱電偶。一個(gè)或多個(gè)傳感器塊可以位于爐中(例如，在頂部或側(cè)壁或煙道氣管道中的一個(gè)或多個(gè)中)。

嵌入式TC反應(yīng)較慢，而打開或暴露的TC對(duì)過(guò)程中的變化反應(yīng)更快。類似地，爐子所需的總能量輸入變化較慢(對(duì)于給定的廢料輸入速率通常是線性的)，而熱分布需要更快地變化(廢料的熔化/移動(dòng)，爐料事件，例如裝料，攪拌等)。因此，結(jié)合集成傳感器系統(tǒng)的控制策略可以使用開放TC來(lái)控制熱分布決定和嵌入式TC來(lái)管理輸入到爐中的總能量。

當(dāng)使用開放或暴露的熱電偶來(lái)控制輸入到爐中的能量的速率時(shí)，其傾向于比爐內(nèi)的周圍耐火材料和產(chǎn)品快得多地吸收熱量。這導(dǎo)致進(jìn)入爐的能量的過(guò)早減少，導(dǎo)致循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)(參見圖2)。當(dāng)開放式TC與高輻射富氧空氣或氧-燃料火焰操作結(jié)合使用時(shí)，這種效果被放大。

B)控制爐中過(guò)量的O₂。

傳感器可以靠近或位于煙道氣管道中。在這種情況下，壓力和成分(例如，O₂濃度)過(guò)程變量可以用作決策的主要輸入，而溫度可以作為決策作用的輸入發(fā)揮次要作用。例如，壓力用于控制爐中的煙道氣阻尼器或富氧水平，并因此控制空氣泄漏(O₂的泄漏)，而組分用于控制燃燒中使用的氧氣與燃料的比例，并因此控制爐壓力。在這種情況下，優(yōu)選的是使壓力和成分傳感器在相同位置(即，結(jié)合到同一傳感器塊中)，因?yàn)檠鯕鉂舛扰c壓力和成分變量互連。然后可以將溫度信息用作檢查以確保對(duì)爐進(jìn)行的改變不會(huì)不利地影響熱傳遞。

C)控制爐中的NOx。

傳感器可以靠近或位于煙道氣管道中。在這種情況下，壓力和成分過(guò)程變量可以用作決策中的主要輸入，而溫度可以起次要作用，使得燃燒器的化學(xué)計(jì)量可以基于每個(gè)燃燒器相對(duì)于煙道的位置和燃燒器相對(duì)于燃燒器的位置彼此。

D)檢測(cè)煙道氣體中的顆粒。

i)使用發(fā)送器和接收器的主動(dòng)檢測(cè)，其中信號(hào)中的衰減指示顆粒的存在。例如，諸如由Forbes Marshall(例如，不透明/粉塵監(jiān)測(cè)器-FM CODEL DCEM2100)商業(yè)銷售的顆粒檢測(cè)器可以與傳感器塊和爐控制器集成。通過(guò)調(diào)整控制參數(shù)來(lái)控制煙道的不透明度也已經(jīng)在至少一個(gè)測(cè)試情況中示出(參見http://lehigh.edu/energy/leu/leu_54.pdf)。

ii)使用爐輻射和接收器的被動(dòng)檢測(cè)，其中信號(hào)中的衰減表示顆粒的存在。該方法使用光敏檢測(cè)器(例如光電二極管，CCD)，其在沒(méi)有顆粒的情況下將測(cè)量來(lái)自熱的耐火材料，火焰或其他發(fā)射輻射的表面的光。微粒的存在降低了光強(qiáng)度。然而，爐溫，燃燒速率或其它項(xiàng)目的降低也可以降低由光敏檢測(cè)器觀察到的強(qiáng)度。因此，需要合成信息以確定光減少的原因。例如，通過(guò)組合關(guān)于燃燒器的燃燒速率，爐溫，傳感器塊溫度，其它光敏檢測(cè)器和/或其它信息的信息，用于爐的控制可以確定光強(qiáng)度的減少是否是由于顆粒阻塞光源或背景輻射的減少。這將消除與(主動(dòng))捕獲和接收設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。一旦確定存在額外的顆粒，可以調(diào)節(jié)/優(yōu)化燃燒/爐控制以減少顆?；蚱渌莾?yōu)化的燃燒條件。這可以是使用已知技術(shù)的改進(jìn)的燃燒，例如改進(jìn)的化學(xué)計(jì)量控制，改進(jìn)的火焰穩(wěn)定性等。

iii)使用特定波長(zhǎng)來(lái)區(qū)分顆粒。

知道顆粒尺寸的分布可用于確定顆粒的來(lái)源。例如，在固體燃料燃燒的情況下，較大的粒度可能表明粉碎機(jī)不能正常工作，較小的尺寸可能表示燃燒器中的非優(yōu)化燃燒。類似地，顆粒尺寸可以指示顆粒是否是燃燒產(chǎn)物，或者是否由于爐內(nèi)的氣流而從加熱的材料中拾取。也許重要的是為了允許的原因知道粒度。通過(guò)使用捕獲和使用激光器，濾波器或光柵的接收光學(xué)器件或通過(guò)使用背景輻射和光學(xué)濾波器或光柵(或其他裝置)，通過(guò)使用不同波長(zhǎng)的光可以推斷粒子尺寸。利用該信息，可以調(diào)節(jié)燃燒，為燃燒相關(guān)設(shè)備提供警告，可以調(diào)節(jié)爐中的氣體流以減少顆粒物吸收，和/或可以采取其他動(dòng)作來(lái)糾正該問(wèn)題。還注意，可以使用如上所述的被動(dòng)或主動(dòng)檢測(cè)來(lái)完成特定波長(zhǎng)的檢測(cè)。

E)控制來(lái)自爐的CO/可燃物排放。

可以使用各種裝置來(lái)控制CO/可燃排放物。例如，可以使用US2013/0307202中描述的方法，其通過(guò)引用整體并入本文，使用傳感器塊來(lái)結(jié)合光學(xué)檢測(cè)器和溫度測(cè)量裝置。除了控制意外揮發(fā)物之外，可以使用相同的傳感器或不同的傳感器來(lái)基于來(lái)自爐的可燃物的排放以最小的過(guò)量氧控制爐。這種可燃物是控制系統(tǒng)的不完全控制，燃燒器和/或爐內(nèi)氧和燃料的不完全混合，和/或來(lái)自電荷或其它來(lái)源的結(jié)果。然而，與'202專利申請(qǐng)的控制方法不同，燃燒器流量控制化學(xué)計(jì)量可以控制在較窄的范圍內(nèi)。本申請(qǐng)的一個(gè)目的是使過(guò)量的O₂最小化，其中燃燒器輸入流可以響應(yīng)于傳感器系統(tǒng)輸入而緩慢地改變到新的設(shè)定點(diǎn)。這種緩慢變化的控制系統(tǒng)允許對(duì)化學(xué)計(jì)量的微小修改以考慮爐中的動(dòng)態(tài)，同時(shí)保持響應(yīng)系統(tǒng)中更大的變化的能力。

F)使用集成傳感器系統(tǒng)控制“熱分布”。

如圖4所示，集成傳感器系統(tǒng)S1和S2可以戰(zhàn)略性地安裝以感測(cè)爐中不同區(qū)域的熱分布需求，并且對(duì)應(yīng)于這些加熱需要，適當(dāng)量的能量負(fù)載1和2分布在爐中，例如使用燃燒器能夠調(diào)整其區(qū)帶熱分布(例如，不同水平的燃料或氧氣分級(jí)或其他手段)或通過(guò)使用策略性定位的燃燒器的組合。

當(dāng)用于熔融應(yīng)用(例如，二次鋁或銅熔融)中時(shí)，由于傾斜的裝料操作，熔體中的固體的移動(dòng)，熔融金屬泵或其它原因，產(chǎn)品負(fù)載可能潛在地在爐周圍移動(dòng)。在這種情況下，集成傳感器系統(tǒng)可以檢測(cè)負(fù)載中的相對(duì)區(qū)帶變化，并相應(yīng)地調(diào)整熱分布。

集成傳感器系統(tǒng)的使用范圍。

集成傳感器系統(tǒng)可用于各種能量應(yīng)用，包括用于所有金屬的熔融，加熱/再加熱，二次含鐵/有色金屬冶煉(高溫應(yīng)用)，玻璃，氣化，直接還原鐵，鍋爐，重整器(添加其他)，作為非限制性實(shí)例。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

除了控制之外，溫度設(shè)定點(diǎn)通常用于防止?fàn)t中的爐料或產(chǎn)品過(guò)度加熱以比保護(hù)耐火材料更簡(jiǎn)單，因?yàn)榧訜峄蛉刍癄t中的大部分耐火材料的額定工作溫度遠(yuǎn)高于目標(biāo)工藝溫度的產(chǎn)品。例如，一些耐火材料可以處理超過(guò)3000°F的溫度，而爐中的產(chǎn)品可以在遠(yuǎn)低于這些溫度下熔化或被氧化(在需要避免熔融和/或氧化的情況下)。然而，基于高估產(chǎn)品溫度的開放熱電偶T_OPEN的控制(如上文關(guān)于圖2所討論的)可能過(guò)于保守，將比爐內(nèi)熱量少得多的熱量比所期望的熱量少以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最佳加熱或熔化速率。如本文所述，改進(jìn)的方法認(rèn)識(shí)到以允許T_OPEN超過(guò)溫度設(shè)定點(diǎn)的方式控制爐操作的優(yōu)點(diǎn)，其通過(guò)依靠一個(gè)或多個(gè)溫度測(cè)量的函數(shù)更精確地指示實(shí)際產(chǎn)品溫度和爐內(nèi)實(shí)際耐火溫度。

與T_OPEN相比，產(chǎn)物溫度T_PROD的滯后可以在用作T_PROD的合理代表的嵌入式熱電偶T_EMB的幫助下進(jìn)行模擬。例如，在如圖1中示意性示出的傳感器塊中，如圖1所示，T_OPEN可以位于標(biāo)記為T1的端口中，而T_EMB可以位于標(biāo)記為T2的端口中。顧名思義，安裝嵌入式TC，使得TC的任何部分都不暴露于爐中的大氣中，因此T_EMB不直接由火焰輻射。T_EMB測(cè)量總耐火溫度，其比T_OPEN對(duì)爐內(nèi)局部效應(yīng)的響應(yīng)性相對(duì)較低。T_EMB滯后T_OPEN的量或溫度差取決于多種因素，包括從耐火熱面(通常約0.5至約3英寸)嵌入的TC的深度以及耐火材料的導(dǎo)電性和熱容量。

圖13示出了假設(shè)T_OPEN以10°F/min的速率增加，而T_EMB(相對(duì)地代表T_PROD)假定以6.5°F/min上升的示例情形。在該示例中，溫度設(shè)定點(diǎn)(T_SP)為2000°F，耐火材料的允許連續(xù)工作溫度為大約2500°F。在一個(gè)選項(xiàng)中，如果僅使用打開的TC，T_OPEN控制操作，則在大約3.2小時(shí)之后將達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)(方形符號(hào)，上面的線，以及點(diǎn)A，顯示上面的線和設(shè)定點(diǎn)的交點(diǎn))。然后，即使T_EMB(指示T_PROD)遠(yuǎn)低于爐溫設(shè)定點(diǎn)TSP，控制器也將開始減少爐中的能量輸入(例如，通過(guò)降低燃燒器燃燒速率或調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)其它燃燒器操作參數(shù))。因此，加熱將過(guò)早地降低，而產(chǎn)品溫度尚未達(dá)到設(shè)定點(diǎn)。在另一種選擇中，如果僅使用嵌入式TC，T_EMB控制爐的操作，則在約5小時(shí)之后達(dá)到設(shè)定點(diǎn)(圓形符號(hào)，下面的線，以及點(diǎn)C，示出下面的線和設(shè)定點(diǎn)的交點(diǎn))。同時(shí)，T_OPEN溫度將超過(guò)耐火材料允許的連續(xù)操作溫度約500°F度。

第三，優(yōu)選的選擇是使用更優(yōu)化的操作變量(被認(rèn)為是T_CONTROL)來(lái)控制爐，其可以是T_OPEN和T_EMB的計(jì)算函數(shù)，以及可選的T_SP。在一個(gè)用于T_CONTROL的非限制性示例方程式中，其在圖13的圖形中示出，(三角形符號(hào)和中間線)：

T_CONTROL＝X·T_EMB+(1-X)·T_OPEN 等式(1)

其中,

在所描繪的曲線圖中，常數(shù)被設(shè)置為0.8?？刂茰囟茸兞縏_CONTROL在約4小時(shí)后達(dá)到點(diǎn)B處的設(shè)定點(diǎn)溫度，而不允許T_OPEN超過(guò)2500°F，從而與基于T_OPEN的控制相比，獲得約0.8小時(shí)或48分鐘的以高燃燒速率繼續(xù)操作單獨(dú)，這將使?fàn)t子減少循環(huán)時(shí)間和提高生產(chǎn)率。作為示例，對(duì)于以10MMBtu/hr燃燒的具有0.8MMBtu/噸的特定燃料消耗并且處理約60噸/批料的爐，該示例性控制方案能夠向爐中輸入額外的5至8MMBtu的能量在同一時(shí)間段內(nèi)，導(dǎo)致生產(chǎn)率提高約8至13％。

應(yīng)當(dāng)理解，與基于單獨(dú)的T_OPEN或T_EMB的控制相比，可以使用T_OPEN和T_EMB的許多替代功能來(lái)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的工藝結(jié)果。在一個(gè)實(shí)例中，T_CONTROL可以基于T_OPEN和T_EMB之間的差異而不是比上面給出的線性實(shí)施例的T_OPEN和TEMB的比率或一些其它相對(duì)加權(quán)來(lái)公式化。在另一個(gè)實(shí)例中，T_OPEN可以考慮范圍關(guān)于設(shè)定點(diǎn)溫度T_SP，其中當(dāng)T_OPEN在T_SP附近的范圍內(nèi)時(shí)，使用公式提供T_OPEN和T_EMB的相對(duì)加權(quán)，而低于該范圍單獨(dú)使用T_OPEN，而高于該范圍單獨(dú)使用T_EMB。(注意，這可以例如通過(guò)將等式(1)中的X設(shè)置為低于范圍的0和高于范圍的1來(lái)實(shí)現(xiàn)。)范圍可以具有為比TSP低10％或15％或20％或25％的下限，并且該范圍可以具有比TSP高10％或15％或20％或25％的上限，并且這些范圍可以根據(jù)所使用的溫度標(biāo)度適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。

參考圖5和圖6，在銅熔化爐中使用各種溫度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以區(qū)分在爐的裝載期間的能量輸入需求。通常，當(dāng)銅爐被操作以熔化廢料時(shí)，將廢料的初始裝料放入爐中，并且隨著先前的裝料從固體熔化成液體，添加隨后的廢料裝料，并且在爐中提供更多的空間接收額外的廢料。

爐布局如圖5所示，圖5示出了具有多個(gè)溫度傳感器的銅爐。在所描繪的爐中，燃燒器位于爐的一端，煙道位于爐的相對(duì)端。雖然圖5中示出了兩個(gè)燃燒器，但可以使用任何數(shù)量的燃燒器，一個(gè)或多個(gè)，并且本文所述的系統(tǒng)和方法獨(dú)立于所使用的燃料的類型(氣體，液體，固體)和燃燒器類型(空氣燃料，，空氣-氧-燃料)。而且，煙道可以位于爐的任何合適的位置，而不影響本文所述的系統(tǒng)和方法的一般操作。

如圖所示，煙道可裝備有紅外傳感器(FIR)以檢測(cè)燃燒強(qiáng)度。定位在圖5的示例性爐中是兩個(gè)光學(xué)高溫計(jì)，高溫計(jì)PC在爐的燃燒器端附近，高溫計(jì)PB在爐的煙道端附近。位于爐中的還有三個(gè)暴露的熱電偶，在爐的煙道端附近和爐的相對(duì)側(cè)壁上的熱電偶T1和T2，以及在爐的燃燒器端附近的側(cè)壁中的熱電偶T3。暴露的熱電偶是安裝成使得它們直接暴露于爐內(nèi)環(huán)境的熱電偶，即使在一些情況下，這些熱電偶可以稍微凹入爐壁中的端口或傳感器塊中，以減少撞擊熱電偶的爐輻射，以及以減少濺射金屬的暴露。為了評(píng)估圖5的數(shù)據(jù)的目的，注意到，爐具有充電門(未示出)，電荷通過(guò)該充電門落入爐中，使得添加的電荷傾向于朝向爐的左側(cè)聚集，其中光學(xué)高溫計(jì)PB和PC以及暴露的熱電偶T2和T3位于并且稍微遠(yuǎn)離暴露的熱電偶T1所處的位置。

圖6示出了針對(duì)不同位置或區(qū)域或區(qū)域的兩個(gè)光學(xué)溫度傳感器(高溫計(jì)PB和PC)的組合可以提供對(duì)爐中的能量分布需求的了解，特別是在新廢料的裝載期間。還示出了三個(gè)暴露的熱電偶(T1，T2和T3)的數(shù)據(jù)，這些熱電偶對(duì)爐料的添加沒(méi)有快速或決定性地響應(yīng)。因此，基于兩個(gè)光學(xué)溫度傳感器PB和PC的測(cè)量來(lái)控制能量分布的方法將包括在需要的地方分配能量的控制方案，例如通過(guò)增加針對(duì)相對(duì)較低區(qū)域的一個(gè)燃燒器的點(diǎn)火速率溫度和/或通過(guò)降低針對(duì)相對(duì)較高溫度的區(qū)域的另一燃燒器的燃燒速率，或通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)或兩個(gè)燃燒器的化學(xué)計(jì)量或分級(jí)，或通過(guò)調(diào)節(jié)煙道阻尼器以增加或減少爐壓力。

如圖6所示，比較三次標(biāo)記的廢料進(jìn)入爐子L1，L2和L3后發(fā)生的情況。注意，點(diǎn)F1處的燃燒速率增加，這導(dǎo)致溫度曲線的一般增加。在廢料加載L1之后，兩個(gè)高溫計(jì)PB和PC顯示出一些擾動(dòng)，但是都不表示由于充電L1造成的廢料的不成比例的負(fù)載。在碎片負(fù)載L2之后，當(dāng)兩個(gè)高溫計(jì)再次響應(yīng)時(shí)，高溫計(jì)PC的擾動(dòng)顯示出比高溫計(jì)PB的擾動(dòng)大得多的溫度下降，表明冷充氣L2的不成比例的量可能在朝向燃燒器端部的區(qū)域中下降爐子。作為響應(yīng)，可以調(diào)節(jié)燃燒器操作以將更多的熱量引導(dǎo)到爐的燃燒器端。相比之下，在廢料負(fù)載L3之后，高溫計(jì)PB顯示比高溫計(jì)PC大得多的溫度下降，表明冷負(fù)荷L3的不成比例的量可能在朝向爐的煙道端的區(qū)域中下降，并且作為響應(yīng)，燃燒器操作可以調(diào)節(jié)以將更多的熱量引導(dǎo)到爐的煙道端。

圖6中所示的開放熱電偶通常顯示與高溫計(jì)相似的溫度趨勢(shì)，但是它們對(duì)廢料裝載期間的溫度的快速變化不太敏感。例如，暴露的熱電偶T3和高溫計(jì)PC位于相同的附近，但是在廢料負(fù)載L2之后，高溫計(jì)PC記錄比熱電偶T3大得多的響應(yīng)。這表明，除了策略傳感器放置之外，傳感器類型(在這種情況下高溫計(jì)對(duì)熱電偶)的選擇對(duì)于所獲得的信息和控制爐內(nèi)熱分布的所得能力產(chǎn)生顯著差異。

參考圖7和圖8，在配置成熔化銅(B0)床的測(cè)試爐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用各種溫度傳感器來(lái)區(qū)分在爐的裝載期間的能量輸入要求。爐和儀表布局如圖1所示。在所描繪的爐中，使用具有三個(gè)端口的傳感器塊(SB)，其中定位有光學(xué)高溫計(jì)(T11)以觀察銅床的開放端口，其中熱電偶(T12)為定位成暴露于爐環(huán)境；以及盲孔，其中定位嵌入的熱電偶(T13)以測(cè)量頂部溫度。床熱電偶(T14)位于銅床中。

圖8中的數(shù)據(jù)大體上示出兩個(gè)溫度傳感器(一個(gè)開放式高溫計(jì)T11和一個(gè)嵌入式熱電偶T13)的組合可以提供表征局部能量分布(主要由開放溫度傳感器指示)和能量輸入(主要由嵌入式溫度傳感器)進(jìn)入爐中。嵌入式熱電偶(T13)檢測(cè)到需要額外的能量輸入到爐中，因?yàn)樗梢钥吹叫迈r廢料被裝載或爐門被打開的影響。高溫計(jì)(T11)感測(cè)熱的局部變化，因此，策略性地位于爐周圍的高溫計(jì)的組合可以提供區(qū)域熱分布的知識(shí)，其是控制方案的輸入，以在各種工業(yè)過(guò)程期間優(yōu)化加熱，其不限于銅熔融(包括例如玻璃熔融，金屬再加熱和再循環(huán))。

點(diǎn)P1標(biāo)記了爐門打開，床被攪拌并添加新廢料的時(shí)間。嵌入式熱電偶T13檢測(cè)由于這些操作引起的體積熱變化，而高溫計(jì)T11檢測(cè)所得到的能量分布的局部變化，并且開放熱電偶T12類似地顯示對(duì)冷空氣和冷充電的流入的更顯著的響應(yīng)。當(dāng)門已經(jīng)關(guān)閉并且新的電荷正在被加熱時(shí)，床熱電偶T14下降到或略低于在點(diǎn)P2處的銅的熔化溫度。床熱電偶T14在相變期間保持平直，直到點(diǎn)P3，當(dāng)熔化完成時(shí)。高溫計(jì)T11溫度曲線在相變期間顯示平坦化，之后恢復(fù)上升趨勢(shì)。注意，高溫計(jì)溫度曲線在相變期間不會(huì)保持平穩(wěn)，可能是由于來(lái)自燃燒器火焰和爐壁的一些反射。

如圖8所示，開放光學(xué)高溫計(jì)T11和嵌入的熱電偶T13的組合可用于檢測(cè)銅的相變(熔化)的基本完成。在熔化開始時(shí)(點(diǎn)P2)，高溫計(jì)T11溫度曲線顯示出急劇的增加，這是由于銅的頂表面從上面輻射加熱，如所預(yù)期的，熱從頂表面?zhèn)鲗?dǎo)到固體銅中見床熱電偶T14的響應(yīng))。高溫計(jì)溫度T11的初始急劇增加的一部分也可以通過(guò)來(lái)自燃燒器的熱輻射的反射來(lái)解釋。同時(shí)，嵌入式熱電偶(T13)隨著爐溫的升高顯示出溫度的穩(wěn)定增加。當(dāng)熔融開始時(shí)，光學(xué)高溫計(jì)溫度曲線(T11)不具有與相應(yīng)的床熱電偶(T14)相同的平坦(恒定)輪廓，這最可能是由于高溫計(jì)檢測(cè)到來(lái)自燃燒器火焰和爐壁的一些輻射反射。床熱電偶(T14)顯示床溫度保持恒定，如在相變期間所預(yù)期的，并且爐溫度(T13)由于大部分輸入熱量被銅相變吸收而變平。一旦相變完成(床熱電偶T14開始升高)，嵌入的熱電偶(T13)的向上斜率增加，光學(xué)高溫計(jì)(T11)的向上斜率也增加。

圖9和10涉及在試驗(yàn)爐中進(jìn)行的另一組實(shí)驗(yàn)，其中兩個(gè)材料床被加熱，前床(B1)和后床(B2)。在所描繪的爐中，兩個(gè)傳感器塊用于容納三個(gè)安裝在頂部上的溫度傳感器，盡管在替代實(shí)施例中，傳感器可以全部位于相同的傳感器塊中。一個(gè)所描繪的傳感器塊具有兩個(gè)開口端口，直開口端口容納定位成測(cè)量后床B2的溫度的光學(xué)高溫計(jì)(T21)，以及容納光學(xué)高溫計(jì)(T22)的成角度的開放端口，其定位成測(cè)量前端床B1。單獨(dú)的嵌入式熱電偶T23位于爐子頂部的不同傳感器塊中。床熱電偶(T24和T25)分別位于前床和后床(B1和B2)中。

圖10示出兩個(gè)光學(xué)溫度傳感器或一個(gè)高溫計(jì)和一個(gè)嵌入式熱電偶的組合可以提供表征局部能量分布和輸入到爐中的能量的手段。還可以基于以下中的一個(gè)或兩個(gè)來(lái)設(shè)計(jì)能量分布控制策略：(a)在短時(shí)間段內(nèi)降低燃燒器燃燒速率，以實(shí)現(xiàn)不受爐中火焰輻射影響的更精確的高溫計(jì)讀數(shù)(即，使得高溫計(jì)測(cè)量更接近實(shí)際床溫度)，以及(b)通過(guò)監(jiān)測(cè)較慢響應(yīng)的嵌入式頂部熱電偶(T23)和較快響應(yīng)的光學(xué)高溫計(jì)(T21，T22)來(lái)回火燃燒器控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度。例如，開放式高溫計(jì)溫度和嵌入式熱電偶溫度的差和/或比率可以保持在一定范圍內(nèi)，以有效地控制加熱，同時(shí)避免熔體過(guò)熱。

圖10涉及在測(cè)試爐中的兩個(gè)床中的鋁的熔化和裝載過(guò)程。在門打開之后，兩個(gè)床(其已經(jīng)包含一些鋁)被攪拌，并且材料僅被裝載到前床(B1)中。兩個(gè)高溫計(jì)(T21，T22)能夠區(qū)分兩個(gè)床中不同的床溫度和不同的金屬相。嵌入式頂部熱電偶(T23)在門打開并加載材料時(shí)感測(cè)爐熱量的下降。在點(diǎn)P11，燃燒速率降低并且門打開，在點(diǎn)P12，床B1和B2都被攪拌，在點(diǎn)P13，更多的冷裝料被添加到前床B1。如圖8所示，圖10示出了傳感器的這種組合在能量分布和對(duì)爐的能量輸入需求之間進(jìn)行區(qū)分的能力。

注意，高溫計(jì)對(duì)火焰輻射敏感，但是當(dāng)燃燒器燃燒速率降低時(shí)(例如，當(dāng)加載時(shí))，高溫計(jì)和熱電偶溫度非常接近地對(duì)準(zhǔn)。因此，可以通過(guò)將傳感器塊放置遠(yuǎn)離火焰，或者通過(guò)在火焰臨時(shí)不存在時(shí)或在火焰臨時(shí)不存在時(shí)進(jìn)行高溫計(jì)測(cè)量，或者通過(guò)相應(yīng)地或同步燃燒器燃燒速率的暫時(shí)降低與高溫計(jì)和/或其它光學(xué)溫度測(cè)量。

如本文所述，可以使用開放式高溫計(jì)和嵌入式熱電偶測(cè)量值或開放式熱電偶和嵌入式熱電偶測(cè)量值之間的比率，差異或其它關(guān)系，以確定爐應(yīng)當(dāng)根據(jù)其更快或更慢地被加熱關(guān)系，或者與爐的一個(gè)或多個(gè)其它區(qū)域相比，熱應(yīng)優(yōu)選地輸送到爐的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。例如，如果開放/嵌入比率大于或等于2(或1.75或1.5或1.25)，則系統(tǒng)可以降低發(fā)射速率，以避免過(guò)熱耐火墻壁和頂部。相反，如果開放/嵌入的比率小于或等于1(或1.05或1.1或1.15或1.2)，則系統(tǒng)可以增加點(diǎn)火速率以使得能夠更快地加熱，而沒(méi)有損壞耐火墻壁和頂部的風(fēng)險(xiǎn)。

圖11和12涉及在試驗(yàn)爐中進(jìn)行的另一組實(shí)驗(yàn)，其中兩個(gè)材料床被加熱，前床(B1)和后床(B2)。爐子和儀器的布局如圖1所示。圖11基本上與圖9中的相同，除了沒(méi)有嵌入式頂部熱電偶T23。

圖12示出了兩個(gè)高溫計(jì)(T21和T22)能夠區(qū)分各個(gè)床(分別為B2和B1)中的金屬的溫度和相。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，將少量的鋁裝載在后床B2中，并且將更大量的鋁裝載在前床B1中。在點(diǎn)P21，在床B1和B2中裝載冷裝料，并且之后不久，關(guān)閉裝料門，并增加燃燒器燃燒速率。在點(diǎn)P22，后床(B2)的熔化基本上完成。在時(shí)間區(qū)域P23，由于它們各自的床(B2和B1)處于不同的熔化階段，高溫計(jì)信號(hào)(T21和T22)開始發(fā)散。在點(diǎn)P24，前床(B1)的熔化基本上完成。

圖12示出了后床高溫計(jì)(T21)的溫度的升高比前床高溫計(jì)(T22)的溫度升高更早地發(fā)生，這對(duì)應(yīng)于后床中材料的較少量比較大量的前床中的材料。除其他事項(xiàng)外，該數(shù)據(jù)加強(qiáng)了在爐中策略性地放置傳感器以表征能量分布和加熱需求的好處。

加熱或熔融爐可以在操作上分成兩個(gè)或更多個(gè)區(qū)，其中能量輸入和因此每個(gè)區(qū)的溫度可以至少在某種程度上通過(guò)改變一個(gè)或多個(gè)爐參數(shù)而被單獨(dú)地或差異地控制，調(diào)節(jié)輸入到爐中的能量。

在一個(gè)常見示例中，如圖14所示，可以采用相對(duì)于爐中的三個(gè)操作區(qū)域具有特定加熱曲線的燃燒器。快速混合燃燒器(例如在US 2013/0143168中作為非限制性示例公開的)具有加熱輪廓，其成比例地將更多的燃燒能量釋放到爐的區(qū)1中，最靠近燃燒器，并且隨后更少地進(jìn)入?yún)^(qū)2和3。分級(jí)的氧-燃料燃燒器(例如在US 8,696,348或US 2013/0143169中作為非限制性實(shí)例公開的)具有由更延遲燃燒產(chǎn)生的加熱分布，因此成比例地將更多的燃燒能量釋放到爐的區(qū)域3中，最遠(yuǎn)，然后逐漸減少到區(qū)域2和1。常規(guī)的氧-燃料燃燒器具有更中間的放熱曲線，在區(qū)域1中建立熱量釋放，在區(qū)域2中達(dá)到峰值，在區(qū)域3中逐漸減小。類型的燃燒器，一個(gè)物理燃燒器或一組燃燒器可以被控制以根據(jù)爐的需要將其操作從快速混合模式改變到常規(guī)氧-燃料模式到分階段的含氧燃料模式，作為響應(yīng)到任何特定時(shí)間需要熱量。

在另一個(gè)示例中，諸如在US 20150247673中公開的燃燒器可以用于選擇性地和動(dòng)態(tài)地將更多的熱優(yōu)先地優(yōu)先引導(dǎo)到爐的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中，并且較少的熱優(yōu)先地引導(dǎo)到爐子的一個(gè)或多個(gè)其他區(qū)域中，以實(shí)現(xiàn)期望的區(qū)帶控制。

本發(fā)明在范圍上不受在實(shí)施例中公開的具體方面或?qū)嵤┓桨傅南拗疲@些具體方面或?qū)嵤┓桨钢荚谧鳛楸景l(fā)明的一些方面的說(shuō)明，并且在功能上等同的任何實(shí)施方案在本發(fā)明的范圍內(nèi)。除了本文所示和描述的那些之外，本發(fā)明的各種修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的，并且旨在落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。