CN101784860B - 用于碳块焙烧环形炉的烟气处理中心的控制优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制烟气处理中心(FTC)(23)的方法，用于净化旋转式焙烧炉(1)所产生的焙烧烟气，该方法通过焙烧炉(1)的至少一个排气歧管(11)吸取烟气并收集到烟气总管(20，20’)，将所收集到的烟气输送到FTC(23)。烟气处理中心(23)包括塔(24)和至少一个反应器，所述塔用于喷射水至烟气以冷却烟气，所述反应器用于通过将烟气与粉末状的反应物(例如，氧化铝)相接触对烟气进行物理化学中和、随后过滤(36)填装的反应物和烟尘，并在所述反应器(25)内循环使用至少一部分过滤后的反应物，使之与新的反应物混合。该方法至少包括以下步骤：以指示烟气处理中心(23)入口处的烟气的污染程度的至少一个参数作为函数，来调节冷却塔(24)内的水流速，以及/或者调节所述反应器(25)内的反应物的速率和/或循环使用率。本发明适用于铝电解所使用的焙烧碳阳极和碳阴极。

Description

用于碳块焙烧环形炉的烟气处理中心的控制优化方法
本发明涉及用于电冶金学的焙烧碳块领域，尤其是用于铝的电解产物的焙烧碳阳极和阴极，本发明更具体地涉及烟气处理中心(下文称为FTC)的控制优化方法，以用于净化焙烧炉(下文称为BF)产生的焙烧烟气，对于所述的碳块，BF为“环形”焙烧炉，且优选地，为“顶开”或者“封闭”，其焙烧烟气被BF的至少一个排气歧管抽吸并收集到烟气总管中，该烟气总管将所收集到烟气输送至FTC。
FTC也是一种熟知的类型，包括塔和至少一个反应器，其中，所述塔用于在主体的出口处通过把水喷射至所述的烟气上来冷却烟气，而所述反应器用于通过将烟气与一种粉末状的反应物(例如，氧化铝)相接触，然后过滤填装的反应物，尤其通过吸附与烟气进一步接触的氟化物以及滤过的烟气粉尘，并在所述反应器里内循环使用至少一部分滤过后的反应物且与新的反应物混合，来进行烟气的物理化学中和。
众所周知，为获得铝(Al)，用于铝电解的阴极和阳极是氧化铝(Al2O3)电解化学反应所必需的碳块。这种阴极或阳极生产中所使用的基材是形成团块状经过焙烧的石油焦炭和作为液态粘结剂的碳黑沥青。首先，通过强力混合基材来制成坯块，并压实坯块以便由两种主要组成物所形成的粘结团成形，随后将该坯块在1100℃的温度下焙烧大约100小时。该热处理的作用是使沥青转化为焦炭，进而在阳极和阴极上进行交换，以便满足阳极和阴极在电解槽内使用的机械阻力和导电率。
这些碳块的坯块都是在我们所熟知的、被称为“环槽炉”或“环形炉”的焙烧炉中进行焙烧的，使用该焙烧炉可以实现反向电流的气体-固体换热器的原理。
用于阳极的焙烧炉(BF)在以下专利文件中有具体的描述：US 4859175，WO 91/19147，US 6339729，US 6436335以及CA 2550880，有关更具体的细节可进一步参考这些文献。不过，也给出它们的结构和操作的表示，请参考下文中的图1和图2，它们分别表示了“顶开”环形炉结构的平面简图，在该实例中，图1示出了具有两个炉子的环形炉，图2以剖视的局部透视图的方式示出了该炉的内部结构。
焙烧炉(BF)1包括两个平行的壳体或部件1a和1b，其沿着纵向轴XX在炉的长度方向上延伸，并各自包括一系列由横向壁3隔开的横向腔室2(垂直于轴XX)。沿着长度方向，例如炉1的横向方向，每个腔室2由交替隔开且并列布置的凹陷部4和薄的保温火道墙6组成，其中，该凹陷部为上开口，以便填装待焙烧的碳块、和取出冷却了的焙烧块，碳块堆叠在凹陷部内并充满着碳粉以待焙烧。腔室2的火道墙6从同一壳体1a或1b的其它腔室2的火道墙6沿着纵向(与炉1的主轴XX平行)延伸，且各火道墙6之间通过纵向壁上部中的空隙7相连通，与设置在横向壁3上的纵向通道相对，从而火道墙6形成数排纵向壁，这些纵向壁与主轴XX平行，且气流(可燃性空气，可燃性气体以及可燃性气体和烟)可通过这些纵向壁，从而有可能确保阳极5的预加热和焙烧，然后它们的冷却。火道墙6进一步地包括用于扩展和更均匀地分配助燃空气或烟气通道的装置8，在其上部具有称为“端口”的开口9，该开口可由可装拆的盖来封闭。
炉1的两部件1a和1b在其纵向端部由交臂(crossover)10连接，从而有可能使气流从一个部件传递到另一个部件，并且有时可以从一个部件1a或1b的火道墙6的各排的末端连通至另一部件1b或1a的火道墙6的相应排的末端。
环形炉，也就是被称为“火焰前进炉”(fire advance furnaces)的操作方法包括在同一工作周期内使火焰面从一个腔室2移动毗邻的腔室的操作，从而使得各个腔室2依次连续地进行预热、强制加热、完全燃烧、然后冷却(先自然冷却然后强制冷却)阶段。
阳极5的焙烧由一个或多个火焰或者火焰组实现，如图1(示出了两个火焰组)所示的从一个腔室循环地移动至另一个腔室(沿箭头所示的方向)。每个火焰或火焰组由5个连续的区域A到E组成，如图1所示，从下到上与一排排火道墙6中气流流动的方向一致，而与腔室与腔室间循环的方向相反：
A)预热区包括，涉及部件1a的火焰并考虑图1上方炉1端部的交臂10上的箭头指示的火焰循环方向：
-排气歧管11，为腔室2的至少一个火道墙6所配置并在腔室上延伸，腔适具有用于测试收集在排气歧管11中烟气的一氧化碳(CO)含量的分析测试仪，以及用于测量和调节助燃空气和火道墙6排里的烟气流速的系统，该系统在每个排气管11a内(其中，每个排气管11a与排气歧管11整合，且每个排气管11a一方面与整体排气歧管11相连通，另一方面与腔室2的火道墙6上的各个开口9分别相连通)包括调节片簧，其并受片簧驱动装置旋转驱动以调节流速，以及流速计2，例如为“文氏管”类型，可选地，在该位置上(与对应的流通管11a中)包括用于测量排气处燃烧烟气温度的温度传感器13(热电偶)和CO分析测试仪14；以及
-预热测量引道15，位于排气歧管11的上游，一般设在腔室2的上面，并配备有温度传感器(热电偶)和压力传感器，用于测量该腔室内各个火道墙6里的主要静态负压和温度，以便于能显示和调节预热区的负压和温度；
B)加热区包括：
-数个相同的加热引道16，如图1所示，可有两个或较佳的三个，各自都配置有燃料注射器(液体或气态)，可选的燃烧器，以及温度传感器(热电偶)，每个引道16分别在数个毗邻且连通的腔室2中的各个腔室上面延伸，从而使每个引道16的注射器衔接在火道墙6的开口9内以便注射燃料；
C)风冷或自然冷却区包括：
-称为“零点”的引道17，在最上端加热引道16下面的直接上游的腔室2上延伸，并配备有用于测量腔室2的各个火道墙6内静态压力的压力传感器，从而能够如后面所述地对压力进行调节；以及
-鼓风引道18，配备有电风扇，具有能够调节吹入位于零点引道17下面的上游的腔室2的各个火道墙6里的周围空气流的装置，从而可调节吹入这些火道墙6里的周围环境空气流，以便获得零点引道17处所需的压力(略微的正压或负压)；
D)强制冷却区，典型的是在鼓风引道18上游的三个腔室2上延伸，并在这一例子中包括两个平行的冷却引道19，各自分别配备有电风扇和将周围空气吹入对应的腔室2的火道墙6内的鼓风管；以及
E)工作区，在冷却引道19的上游延伸，且允许填装或取出阳极5以及腔室2的维修。
这样，炉1的加热可由加热引道16得到保证，其注射器通过开口9引入到相关腔室2的火道墙6内。加热引道16的上游(相对于火焰面的方向以及火道墙6的排内空气、燃气和烟气的循环方向)，鼓风引道18和冷却引道19包括由电风扇吹入的冷却燃气的管道，这些管道通过开口9与相关的腔室2的火道墙6相连。在加热引道16的下游，设置排气歧管11，用于抽吸燃气和烟气(在全文中统一采用术语“燃烧烟气”来表示)，并在数排火道墙6中循环。
阳极5的加热和焙烧既由加热引道16对注入的(气体或液体)燃料进行有控制的燃烧来实现，同时，也可由位于预热区以及加热区的腔室2的凹陷部4处的阳极5扩散成的挥发性树脂组物(如多环芳烃)的燃烧来实现，这些挥发性组物，大部分是可燃性的，由凹陷部4扩散的，可通过火道墙上设置的排气隙而在两个毗邻的火道墙6间流动，以便使用这些火道墙6内的残余助燃空气点燃这两个火道墙。
因此，空气与燃烧烟气在火道墙6各排间进行循环，通过预热区A的下游端部的排气歧管11在加热区B的下游施加的负压就有可能控制火道墙6内的燃烧烟气的流动，而通过冷却引道19的来自冷却区C和D的部分空气以及来自鼓风引道18的吹入空气在火道墙6处预加热，在途中冷却相连凹陷区4间被焙烧过的阳极5，并当到达加热区B时充当氧化剂。
在进行阳极5的焙烧工艺时，所有的排气管和引道11至19(除了与火焰方向相应的两个加热引道)以及相关测量器、记录装置和仪器由一个腔室2循环地推进(例如大约每24小时)，因而各个腔室2接连地具备下列功能：在预热区A的上游，具有装载碳块坯块5的功能；然后，在预热区A，考虑到预热区A内腔室2的火道墙6内的负压，通过离开凹陷区4、进入火道墙6的燃料燃烧烟气和沥青蒸汽具有自然地预热坯块5的功能；然后，在加热区B或焙烧区，具有将坯块5加热至大约1100℃的功能；最后，在冷却区C和D，具有通过周围的空气冷却焙烧过的块5的功能，以及相应地预热这些空气形成炉1的氧化剂，并通过冷却了的碳块5的卸载区域E，沿着与火焰面的方向相对以及燃烧烟气的循环的方向，强制冷却相连区域D；随后，选择性地将碳块坯块转入凹陷部4。
调节BF 1的方法主要包括调节炉1的预热区A、加热区B以及鼓风或者自然冷却区C的温度和/或压力，以及根据前面提到的CO检测仪14测量到的排气歧管11中的燃烧烟气中CO的含量，通过调节加热引道16的燃料注入的燃烧优化步骤。
为了确保BF1的控制和监测，BF 1的指令和控制系统将包括两个层面。第一层面延伸到整套排气管和引道11至19，配备由可编程控制器驱动的传感器和触发器，以及用于逻辑控制器之间进行通信和在第一层面和第二之间进行数据交换的现场逻辑网络，该网络包括计算机核心系统及外围设备、允许第一层面间的通信、所有炉火的监测、BF1的中央控制、点设置规则的输入、焙烧的历史数据的管理、事件管理、以及焙烧结束报告的存储和产生。
每个炉火可由从鼓风引道18到排气歧管11的数排火道墙6来调节，并且对于各排火道墙6而言，其调节可采用诸如PID(比例-积分-微分)型调节器来执行。
燃烧的烟气可由排气歧管11从炉火中抽吸并收集到烟气总管20里，例如，图2部分所示的圆筒形烟道，具有平面图中的U形烟道(图1中以点划线所示)或者是围绕炉的烟道21，烟道的出口22将排出和收集到的燃烧烟气输送至烟气处理中心(FTC)23，如图3所示，详细细节如图4所示。
FTC23是用于净化来自BF1的烟气的装置，并执行以下功能：
-以基本恒定可控的负压来抽吸BF1产生的焙烧烟气，
-冷却烟气，
-对烟气进行干燥净化，以消除烟气所含有的氟、尘以及焦油，这些杂质元素采用能在铝电解槽中循环存在的形式来获取，以及
-将净化后的烟气排入大气中。
上述干燥净化的方法是基于粉末反应物(通常是氧化铝)的能力，通过吸附或者捕捉来获取氟及未燃烧的碳氢化合物，对这些杂质进行物理化学中和。粉末状的氧化铝注入BF1产生的燃烧烟气流中，然后在主要的杂质：焦油、氟气、二氧化硫(SO2)被吸附和/或捕捉后，与烟尘同时保留在过滤器中。在更为关注重元素(具有高的分子量，因而容易冷凝)的场合，焦油过滤的效率较高，而轻的焦油(未冷凝的)含量较少时，则过滤的效果较差。于是，通过清空过滤器而重复使用填装的氧化铝就可以通过部分与新的氧化铝混合后循环使用，并注入BF1产生的烟气流中，而剩余的填装氧化铝放入铝电解槽，将填装的氧化铝中所残留的易燃物质燃烧掉，氟可以直接利用的方式循环使用。
FTC23提供的燃烧烟气净化功能依次有：
-冷却，在冷却塔24中冷却由BF1产生的燃烧烟气流，
-配备至少一个反应器25，但最好配备数个平行的并具有粉末状的氧化铝(新的和循环使用的)的反应器25，
-将氧化铝注入每个反应器25，分布在通过反应器的燃烧烟气流中，
-通过将粉末状的氧化铝分布在所述烟气流中来捕获-吸附杂质，
-过滤掉已带有所述烟气流中的杂质及烟尘的氧化铝，
-通过清理过滤器以及去除填装的氧化铝来循环使用部分填装的氧化铝。
烟气的冷却包括把温度降低至约100℃，以便冷凝在烟气中的最重的物质以及最危险的未燃烧的碳氢化合物并将烟气温度降低至过滤媒介能够接受的温度。该冷却是通过蒸发掉全部喷射注入到塔24的小水珠来实现的，可由图中26作图解示意，由阀27来提供水，而喷射的空气则由与阀27和喷射26之间的水管相通烟道的28提供。这种精细控制的喷射有可能获得将喷射的水全部蒸发掉和因此避免因塔24内壁的冷凝而形成氢氟酸(HF)或硫酸(H2SO4)的效果。如图8所示，其示出了冷却水阀27的流速控制，在本工艺中，该流速可以通过反馈回路的操作系统控制，并由温度传感器29进行测量，以便趋向使冷却塔24出口的烟气的温度保持在与设定点一致的恒定值，以便调节器(可以灵敏地指示设定点与传感器29测得的温度值之间的误差的信号)控制驱动器30对水流速阀27的操作。
调节的类型有几种，所有这些调节的目标都是为了有控制地注射水量，但是，为了保证水珠具有较好的尺寸，使用了不同的原理(水压及恒定气压的调节，两种压力的同时调节，流速的调节，等等)。
给反应器25提供新的氧化铝的线路主要包括：依次供给的存储料仓31；其下游的料筛32以及测量系统33，其出口处与分配系统34相连(测量系统33与分配系统34可以组合为一个设备)，以确保新的氧化铝均匀分配到不同的反应器25中；以及用于提供液化空气的气垫滑道35(或任何其他的手动装置)，其个数与反应器25相同，且每个分别给一个反应器25提供新的氧化铝。
利用氧化铝来捕获沥青蒸汽和氟气与两种不同现象的接合精确地一致，其为表面沥青滴注的机械捕获和氧化铝颗粒的空隙内的沥青蒸汽和氟气的吸附。
上述捕获发生在反应器25中，所述反应器25一般为竖直的，并具有圆筒形或环形或矩形的截面。氧化铝以尽可能均匀的方式注入各个反应器25中，以减少待捕获的分子与氧化铝颗粒之间的平均距离。
注入完成后，通过过滤器36中的滤饼对填装的氧化铝及烟尘进行过滤，过滤器一般为织物过滤管。通过间断地、反方向地(待过滤的流的逆向)吹入低压空气对过滤器36进行清理，该清理由过滤器36的压力损失或计时器进行控制。填装的氧化铝下降进入到过滤器36的仓位37中所保持的液化层，然后在那儿将一部分填装的氧化铝被重新注入反应器25，与通过连通气垫滑道35所提供的新的氧化铝相混合，而另一部分填装的氧化铝通过溢出至气垫滑道38而排出，将它移至料仓39以便恢复所填装的氧化铝。
反应器25中的填装氧化铝的循环使用的实施是为了提高捕获功能的效率。
目前，BF1的指令和控制系统与FTC23的指令和控制系统的操作是彼此独立的。
因此，特别是，FTC23的操作并不一定能够优化获得，特别是，在BF1的出口处和烟气总管20及其扩展20’内的燃烧烟气的流速和/或温度和/或杂质含量的变化工况、甚至快速变化工况，其中，所述扩展20’位于烟气烟道21的出口22的下游并提供与FTC23的连接。特别是，出于净化安全的缘故，调节喷射至塔24的水流速以及/或者反应物(例如，氧化铝或其他等同的吸附物)的流速，以适应最不利的污染、温度、以及尤其是BF1出口处的焙烧烟气的流速的条件。
本发明基于的问题是优化FTC23的指令和控制，以便与BF1的操作工况一致，而本发明的构想是：考虑到BF1与FTC23操作之间的交互，提出一种优化FTC23的控制方法，因而，特别是，根据本发明的方法的实现是：提出替代BF1与FTC23的指令和控制系统间的自动交互，而尽可能地使用那些涉及BF 1的操作参数的BF 1的指令和控制系统的数据，来对FTC23进行指令和控制。其结果，通过把信息从BF1的指令和控制系统发送至FTC23的指令和控制系统而大大简化了FTC23的控制优化方法的实现。
为此，上述类型的FTC的控制优化方法，用于净化来自上述类型的BF的焙烧烟气，特征在于，包括至少以下步骤：按照至少一个指示FTC入口处烟气污染程度的参数，来调节冷却塔中的水流速以及/或者调节所述至少一个反应器内的反应物的流速和/或循环使用率(recycling rate)。
在FTC流速的标称操作变化过程中，冷却塔的水流速和/或新填装的反应物的流速和/或循环使用的反应物的流速，会因所述FTC流速的标称操作变化(已处理的烟气流速变量)而改变。
因此，根据本发明的方法，提供替代FTC的控制方法，以优化反应物(新的氧化铝)的消耗和/或冷却塔中的烟气的温度，从而减少反应物的消耗以及/或者优化污染物的捕获。
如上述提到的，本发明涉及类型的BF的结构和操作的提醒中，碳块中所含的沥青的挥发性有机物在预热阶段腔室焙烧中被排放，因而，至少部分仍留在烟气总管的焙烧烟气中。
根据本发明的方法的发明者已经注意到：一氧化碳(CO)是一种通常因不完全燃烧而产生的气体，因而成为FTC入口处焙烧烟气的污染物的指标。故FTC入口处的烟气污染物程度可与BF出口处测得的焙烧烟气中CO的含量相关联。
因此，根据本发明的方法也包括采用BF出口处烟气中一氧化碳(CO)的含量作为指示FTC入口处所述烟气污染程度的步骤。
有利地，该方法还包括BF出口处焙烧烟气中CO的含量为BF的至少一个排气管中的测得的含量、或者操作中的各个排气管中测得的CO含量的平均值、或者炉出口处测得的烟气中CO的含量。
因此，本发明也优选地包括下列步骤：确定BF出口处烟气中CO的含量，并根据CO的含量来改变FTC内的所述反应器中的新的反应物的流速和/或循环使用的反应物的流速(或反应物的循环使用率)，从而根据BF出口处所述焙烧烟气的污染程度来优化所使用的反应物的量。
在实践中，根据BF出口处的焙烧烟气的CO含量的至少一个阈值，控制在所述的至少一个反应器中的新的反应物(氧化铝)的流速和/或者循环使用的反应物(氧化铝)的流速。
优选地，根据本方法的一个具体实施方式，仅包括数量很少的CO含量阈值，但却是高效的。该方法还包括使用两种不同的CO含量阈值来定义三种污染程度，即较低阈值(SCO1)和较高阈值(SCO2)(其中SCO2＞SCO1)。如果CO的含量≤较低的阈值时，则认为所述焙烧烟气的污染程度低，在这种情况下，在标称模式内控制FTC的操作，所述标称模式是由恒定的新的反应物(新的氧化铝)的标称流速以及循环使用率定义的；如果CO的含量在较低阈值与较高阈值之间时，则认为污染程度为中等，并且在这种情况下，根据CO含量以及新的反应物速率的增加或减少，以恒定流速来控制反应物的循环使用率提高或降低，只要未达到最大的循环使用速率；如果CO的含量≥较高的阈值，则认为烟气污染程度较高，并且在这种情况下，以最大的反应物循环使用率和新的反应物的流速来控制所述反应器。
另外，当污染程度为中等且已经达到最大的反应物循环使用率时，该方法进一步地包括根据CO含量的增加来提高新的反应物(新的氧化铝)的流速。
优选地，根据本发明的方法还包括，当污染程度较高时，降低冷却塔内焙烧烟气的温度设定值，从而提高FTC的冷却塔入口处的燃烧烟气中存在的挥发性污染物的冷凝。
类似的，为了考虑到在BF出口处的焙烧烟气的温度会依据BF的操作配置和工况等条件而发生快速和/或显著的改变，根据本发明的方法还包括根据BF出口处(例如，BF的至少一个排气管里)测得的所述焙烧烟气的温度，来对冷却水流速控制作预期调整或补偿的步骤。
根据本发明的方法可以使用已知的技术手段，即冷却塔的供水阀的输出流速是由反馈回路来调节，所述反馈回路使冷却塔的出口处的监测到的烟气温度与设定值趋于一致。但是，如前面提到的，在这种情况下，其进一步优选地包括根据所述BF出口处或冷却塔入口处测得的烟气温度，通过预测控制回路进行额外补偿，其根据BF出口处或所述塔的入口处的烟气的所述温度，通过把所述预测控制回路的正的或负的指令变量运用到反馈回路产生的指令中，来预测控制注射入所述冷却塔的的水的流速。
然而，当冷却塔上游的烟气总管出口处实施辅助燃烧(当烟气的温度太低时用于增加其温度，以防止烟道内壁的焦油附着)时，预测控制回路的补偿则失效。实施辅助燃烧可增加冷却塔入口处的烟气的温度，从而预测控制回路的同时操作会与实施辅助燃烧所期望并引起的作用相反。
作为塔中冷却水流速的预测控制回路的补偿步骤的变化，本发明的方法还至少还包括下列步骤：注入冷却塔以调节所述塔出口处的烟气温度的水所需的流速的计算(回路的)，所需的水流速的计算是基于BF1出口处烟气的流速和温度的值，以及可选的循环使用烟气的流速和温度，以及冷却塔出口处烟气的温度设定值。流速计算由修正因子进行调节，该修正因子为塔出口处的所述设定值与温度测量值之差的函数。
同样，在这种情况下，当冷却塔上游的烟气总管出口处实施辅助燃烧时，所需的水的流速计算回路将失效。
此外，考虑到BF的某些特定的操作配置，根据本发明的方法提出了调节分配到冷却塔的水的流速的调节策略，为此，该方法至少还包括至少一个下列步骤：由于焙烧炉的至少一个特定配置包括所述焙烧炉的至少一个炉火的至少一个转换，所述焙烧炉的至少一个炉火的交叉转换以及所述焙烧炉(1)的稳定，当所述焙烧烟气的温度和/或流速如期望地减少并随后显著增加时，减少并随后经过预定时间间隔后增加分配到所述冷却塔中的水的流速的步骤。
此外，该方法还进一步地包括下列步骤：如果烟气总管中的所述烟气的预期流速太低以致不能满足FTC的供应，则通过把部分已处理的烟气重新注入冷却塔的上游使其回流，以及可选地，包括通过加入环境大气来降低烟气的温度，从而提高捕获效率。
如上述提到的，实施根据本发明的方法所需的某些参数采用的值，是在BF的操作中测量并更通常地被记录下来的，从而根据本发明的方法也包括通过使用从BF的至少一个指令和控制系统发送到FTC的至少一个指令和控制系统的信息来控制FTC，该信息涉及BF出口处焙烧烟气的温度和/或CO的含量和/或流速，以便根据BF控制系统所发出的数据来优化FTC的控制。
其结果是，当BF1配备有CO含量测量装置时，根据本发明的方法的实施无需另外附加的测量仪器，其中在BF1的排气管和/或烟气烟道和/或出口处，仅是简单地通过选择性地将与BF某些参数的测量数据有关的信息发送给FTC的指令和控制系统，这些从它的指令和控制系统中来看都是已知的，从而使FTC的操作更好地适应BF的实时操作。否则，BF1和/或FTC的入口处就必须配备CO含量的测量装置。
本发明的其它特征和优势将通过以下叙述的、非限定性的具体实施例及其相关附图变得更加明显，其中：
-图1和2分别以俯视图和局部剖视图的形式示出了上文已介绍了的、本发明涉及类型的BF，
-图3是与图1中类似的BF俯视图，同时也示出了与本发明涉及类型的FTC的指令和控制系统相配合的BF的指令和控制系统，
-图4是上文已介绍了的、本发明涉及类型的FTC的侧视图，
-图5是碳块(例如，阳极)在根据图1和2的BF中的预热及随后焙烧过程中所发射出的挥发性组物的蒸发速率与时间的函数曲线，
-图6是指示BF出口处CO的含量与焙烧烟气中燃烧残余物(不溶颗粒及成分)的函数曲线，
-图7是在根据本发明具有两个CO阈值的方法的实例中，根据污染程度，新的氧化铝的流速以及氧化铝的循环使用率的示意图，
-图8是根据两个温度测量装置(分别处于塔的上游和下游)控制FTC冷却塔的水流速控制回路的典型示意图，以及
-图9是图8中水流速的两个控制回路的方框图。
图3是如前所述的参考图1和2的BF1、以及如前所述的参考图4的FTC23结合的装置的俯视图。根据本发明的FTC，除了一方面的BF1的指令和控制系统与另一方面的FTC23的指令和控制系统之间的交互通信之外，还包括另外的设备，用于实施根据本发明的方法，具体如下：
在图3中，只显示了烟气总管20一部分，且通过至烟气总管的一区域20’使出口22连接至冷却塔24的入口，其延伸并远离烟气烟道21的出口22，从而为FTC23提供待净化的烟气。如图4所示，塔24的出口处冷却的烟气流被细分成四支，每支分别流入四个反应器25中的一个内，以使烟气与氧化铝粉接触，从而当它们经过反应器25及相应的过滤器36后(如图4所示)，净化了的烟气通过引风机41以及净化了的烟气烟道42排出至烟囱43。
BF 1的指令和控制系统44通过通讯网络45和46接收到表示焙烧烟气的CO含量、温度以及流速的信号。各个排气歧管11出口处的焙烧烟气的CO含量及温度TASP，可以在各个排气歧管11下游端部(其和烟气总管20的连接与所述烟气总管最近的排气管11a之间)进行测量。BF1出口处的焙烧烟气的CO含量及温度可以计算得到，例如通过CO含量的平均重量以及烟气的温度来进行计算，其中，平均质量和温度根据各个排气歧管11的流速，通过CO检测仪14和温度传感器13测得。从各个排气歧管11抽吸的焙烧烟气的流速，可以通过流速计12加上相应排气歧管11的各个排气管11a里测得的流速来计算。
作为另一种形式，焙烧烟气的CO含量和温度，可以通过安装在出口22附近或者该出口22稍微下端的、用于连接FTC23的烟气总管区域20’处的烟气烟道21内的至少一个CO分析检测仪以及至少一个温度传感器来测量和记录。
指令和控制系统44和47各自包括至少一个熟知的、具有可编程控制器的自动控制单元。
系统47考虑到将表示BF1出口处烟气的CO含量的信号识别作为指示FTC23入口处烟气污染程度的参数。
系统47根据烟气中作为烟气污染程度标识的CO的含量，一方面通过调整冷却塔24的供水阀的流速、另一方面通过调整各个反应器25的氧化铝流速和/或循环使用率来优化对FTC23的控制。
特别是，系统47控制FTC23的各个反应器25中的改变，包括通过料筛装置32和分配器34控制所述反应器25的新的氧化铝供给流速的改变、以及在循环使用管上，通过控制循环使用阀装置49(或者任何能改变填装和循环使用的氧化铝的流速的装置)控制填装的氧化铝循环使用流速的改变，其中，所述循环使用管使位于过滤器36底部的仓位37连接至反应器25。这样，系统47能够根据BF1出口处焙烧烟气的污染程度，来控制所采用的新的氧化铝的量的优化。
将BF1出口处烟气中一氧化碳(CO)的含量分类以作为FTC23入口处烟气的污染程度指示参数，如图5和6中的曲线所示。
图5示出了在BF1预热和焙烧过程中阳极5散发的三种主要挥发物的蒸发速率，并且对于这三种挥发物的各自成分，图5的Y轴为以千克每小时(kg/h)表示这些成分的流速，X轴为以小时(h)表示时间，其中流速为时间的函数。具有最高峰值的曲线50对应于沥青蒸发，而为点划线和具有居中幅度峰值的曲线51对应于氢，而具有最低幅度峰值的曲线52对应于甲烷。
在阳极焙烧的后期，正如以上所提到的那样，在100小时范围内，只要这些挥发物是可燃烧的，应该理解到它们极大部分会在BF1中燃烧掉，并极大地(几乎一半)作用于阳极焙烧所需的热。然而，所产生的燃烧烟气会含有燃烧残渣，特别是冷凝或未冷凝的固体颗粒和多环芳烃，图6中的曲线53表示CO含量(ppm)作为烟气燃烧残渣(全部颗粒和未冷凝的部分，表示为mg/Nm3)含量的函数，清晰地示出了CO的含量与焙烧烟气的污染程度之间关系，两个量化关系通过与曲线53相应的连续增函数而相互联系。
实际上，FTC23的控制系统47能使FTC23入口处的烟气污染程度与在BF 1出口处测量并记录的CO含量中的至少一个且优选为几个的预定阈值相关联，并根据BF1出口处焙烧烟气中CO含量的一个或多个阈值，来控制各个反应器25中新的氧化铝的流速和氧化铝的循环使用率。
在特定的实施例中，现结合图7来描述。该方法只采用两个CO阈值，较低阈值SCO1和较高阈值SCO2＞SCO1，由此可以确定三种污染程度，即当CO含量≤SCO1时为低程度P0，当CO含量在SCO1与SCO2之间时为中等污染程度P1，而如果CO含量≥SCO2时为高污染程度P2，如图7中X轴所示。
当污染程度为低程度P0时，FTC23的指令和控制系统47采用标称模式来控制FTC的操作，该模式由标称的新填装氧化铝流速QNom(如图7中左边的Y轴所示)和标称的氧化铝循环使用率RNom(如图7右边的Y轴所示)来定义，其中该标称流速和标称循环使用率都是恒定的。
如果污染程度为中等程度P1，对于位于阈值SCO1与SCO2之间的一个中间CO含量值，系统47依照一增函数(例如，CO含量的线性函数)来控制循环使用率的改变，直到达到最大循环使用率RMax，而此时新的氧化铝的注入流速保持恒定，并因此相当于一个标称流速QNom，直到所述中间CO含量值到达最大循环使用率RMax。超过该中间CO含量值后，在该值之上，循环使用率依然保持在最大RMax，新的氧化铝的流速根据一增函数(例如CO含量的线性函数)而变化，直到如图7所示的上部阀值SCO2。
如果污染程度为高程度P2，氧化铝的循环使用率和新的氧化铝的流速均分别保持在其恒定的最高值RMax以及QMax。此外，为了提高进入FTC23的烟气中存在的挥发性污染物的冷凝，考虑到前面提到的反馈回路、并比较塔24出口处温度传感器29测得的烟气温度，降低冷却塔24出口处的烟气的温度设定值。起初，反馈回路对较大的误差信号很灵敏，根据设定值与塔24出口处传感器29测得的温度T29之间的偏差，来控制通过阀27喷射的喷射水流速的增长。
在图7中，阴影矩形对应为高程度污染区域P2，为此控制塔24中烟气的温度设定值。
但此外，除了通过阀27注入冷却塔24的水流速的控制反馈回路的修正外，根据在BF1的排气歧管11的排气管11a里通过温度传感器13测得的(见图2)、或者在BF1出口处测得的(例如通过安装在烟气烟道21的出口处22的一个或多个温度传感器)、或者甚至是通过FTC23入口处的传感器54测得的烟气TASP的温度，还存在一个预期修正，其更具体地在冷却塔24入口处的上游，在安装于竖直管内用于向冷却塔24提供燃烧烟气的辅助燃烧器40和流速计55之间，该流速计自身处于上游，可根据流速计55测得的流速，为了能够回流排气管42中的净化烟气，该装配有受控制的气阀56a的竖直管道56附有线路56b，以确保排气管提供给塔24的气体的最低流速。
依据燃烧烟气的排放温度TASP或者传感器54给出的温度，这种修正方法允许预测通过阀27射入塔24的水流速的控制，以便减少因过量喷射造成的冷却塔24的内侧壁和底部弄湿的风险。该预测控制包括适用于来自现有技术的反馈回路的指令、预测控制回路导致的补偿效应产生的正变量或负变量指令，作为烟气温度测量的预测控制回路的输入变量，该温度或者是BF出口的温度、或者是塔24上游的传感器54的温度T54，并将预测控制回路的指令加入到图8所示的求和元件57(summing element)处的反馈回路的指令中，以控制水流速阀27的驱动器30，该水流速是控制系统47通过阀27上游水管的流速计58获得的。
图9示出了两个反馈和预测控制回路的叠加框图，第一个包括通过冷却塔24出口处的温度传感器29的温度T29的测量，其相应的信号经温度设定值减去后形成误差信号“e”并输入求和单元57下游的调节器59，其控制水流速阀27的触发器30产生如方框60表示的水流速改变效应，也即是塔24中烟气温度的改变，该改变由被塔24出口处的传感器29检测到，温度T54的改变效应由塔24上游的传感器54测量到，并且如方框61表示的，由于方框62所表示的补偿效应被加入到经传感器29的该温度测量的上游的方框60的效应中，还被加入到求和元件57处调节器59的控制中。
然而，当烟气总管20’出口处以及FTC23的温度传感器54上游的辅助燃烧器40运行时，预测控制回路的补偿器62将失效，因为补偿器62具有与辅助燃烧器40相反的作用，其作用是如果需要，就提高冷却过程入口的燃烧烟气的温度。
作为一个改变，调节注入冷却塔24的水流速，即调节塔24出口处的烟气温度，所述调节可以基于BF1出口处烟气的流速和温度值、及可选的回流烟气的流速和温度值(管道56中)，以及冷却塔24出口处烟气温度的设定值，通过所需的水的流速的计算(回路)来实施。水流速的计算通过修正因子来调节，该修正因子为塔24出口处烟气温度的设定值与测量值之差的函数。在实际中需要考虑的是，修正因子关系到烟气的热容量，而该热容量又取决于烟气的实际成分。
同样，在该改变中，当烟气总管20-20’出口处、温度传感器54的上游(见图8)以及冷却塔24的入口处的辅助燃烧器40运行时，所需水流速的计算回路将失效。
FTC23的指令和控制系统47还控制FTC23的操作模式，以便在阳极的焙烧过程中适应BF1的具体操作结构，尤其是炉火交叉转换与稳定的转换。
在BF1中，炉火转换是一个火焰面由一个腔室2到另一个其下游的、与烟气流动方向一致的腔室2的操作，并且在此过程中，相应炉火的排气歧管11断开，然后在与烟气排放总管20重新连接。可以理解炉火转换会引起烟气的温度下降，以及排放流速的改变。
交叉转换是指这样一种配置或情况，其间炉火在BF1的两个壳体1a和1b间分送，即该炉火的某组排气歧管和引道11至19位于一部分壳体1a或1b的腔室2之上，而其它组的排气歧管和引道11至19位于另一部分壳体1b或1a的腔室2之上。因此，此炉火，也就是这组排气歧管与引道，相应于所涉及的交臂10里通道及烟气混合而遭受到热损失以及额外的压力损失。在交叉转换中，烟气的流速和温度梯度会减少。
炉火的稳定与特定的程序相对应，该特定程序使得炉火停止前进，并且在一段长达几天的时间周期内，使同一腔室的炉火的排气歧管和引道11至19稳定。该程序使排放流速减小，使鼓风和冷却区中断，并限制加热区的燃料注入。
因此，在炉火稳定期间，BF1出口处以及FTC23入口处的烟气温度和流速会显著地降低。
对于三种特定的配置，在阳极焙烧的过程中，炉火转换和交叉周期地进行，其发生由指令和控制系统44来安排和记录。相反地，炉火稳定是由同一系统44所能够记录到的一个特定的配置。
因此，基于系统44所收集并集中的、涉及这些特定配置的信息，以及由于BF和FTC23的指令和控制系统44和47之间的通信，系统47能够控制FTC23的特定操作模式的启动，以便预测FTC23入口处烟气流速和温度的变化，以致实现主要的结果，包括避免因BF1转换到前面所述的三种特定配置之一而突然变冷的烟气的过度喷射而弄湿冷却塔24的内侧壁及底部的风险。
于是，在一预定的时间间隔之后，FTC23的控制系统47能够控制通过冷却塔24的阀27分配的水流速的减少并随后的增加，当要求BF1出口处焙烧烟气的温度和/或流速减少并随后迅速地显著增加被FTC23预测到时，FTC23的控制系统47就已经接受到BF1的控制系统44由于BF1的炉火转换、交叉或者稳定所产生的相应信息。
例如，在炉火改变或转换过程中，从FTC23看到的烟气排放速率在一预定的范围内以某百分率减少，该百分率是从之前炉火改变的记录中根据特定的经验得出的。由于该排放速率减少的持续时间是提前知道的(也是根据之前的炉火改变记录)，FTC23的控制系统47能够预测某些所需的水流速的减少量，并因此对其进行控制。如果预测的烟气总管20-20’中烟气流速太低，以致不能满足FTC23的供给，该系统也能够通过冷却塔24入口处的管道56同时提高燃烧烟气的回流，其中已知的是，经入口63(见图4)将调节空气加入反应器25入口处的烟气中，以便把烟气冷却至反应器25和过滤器36的处理所需的更适宜的温度。
所有这些操作可以通过没有抽吸现象的快速反馈回路由系统47控制，并在炉火改变一开始就实施，在获得已处理了的烟气的所需的效果时不引发任何延迟。
根据本发明的方法，当BF配备焙烧烟气CO含量和流速测量装置时，其实施无需任何重大的设备投资，因为它使FTC23能使用BF1的指令和控制系统44发送至FTC23的指令和控制系统47的信息而受到控制，该信息至少涉及BF1出口处焙烧烟气的温度和/或CO含量和/或流速，以便确保根据BF1的指令和控制系统44所发送的数据来优化FTC23的控制。

Claims (15)

1.一种烟气处理中心(FTC)(23)控制的优化方法，适用于净化焙烧炉(BF)(1)在焙烧电冶金学中所使用的碳块(5)时产生的焙烧烟气，所述焙烧炉(1)为“环形”焙烧炉，所述焙烧烟气被所述焙烧炉(1)的至少一个排气歧管(11)抽吸并收集到烟气总管(20)内，所述烟气总管(20)将收集到的烟气输送到烟气处理中心(23)，所述烟气处理中心(23)包括塔(24)以及至少一个反应器(25)，其中，所述塔(24)用于在所述烟气总管(20)的出口处通过把水(26)喷射到所述烟气上来冷却所述烟气，所述反应器(25)通过将烟气与粉末状反应物相接触对烟气进行物理一化学中和，然后过滤(36)填装的反应物和烟尘，在所述反应器(25)内循环使用至少一部分过滤后的反应物并使之与新的反应物混合，所述方法的特征在于包括至少以下步骤： 
依照至少一个指示所述烟气处理中心(23)入口处的烟气污染程度的参数， 
调节(30)冷却塔(24)内的水流速(27)，以及/或者 
调节所述反应器(25)内的反应物的流速和/或循环使用率，且 
所述方法还包括使用所述焙烧炉(1)出口处的烟气中的一氧化碳(CO)的含量作为指示所述烟气处理中心(23)入口处所述烟气污染程度的参数的步骤。 
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括将所述焙烧炉的至少一个排气歧管(11)里测得的CO含量、或者操作中的各个排气歧管(11)中测得的CO含量的平均值或者炉(1)出口处的烟气烟道(21)内测得的烟气中CO的含量，作为焙烧炉(1)出口处的焙烧烟气中CO的含量的 步骤。 
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤： 
确定焙烧炉(1)出口处的烟气中CO的含量，以及 
根据CO的含量，改变在所述烟气处理中心(23)内所述反应器(25)中新的反应物的流速和/或循环使用反应物的流速，以便根据所述焙烧炉(1)出口处的所述焙烧烟气的污染程度来优化所使用的反应物的量。 
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，根据所述焙烧炉(1)出口处的焙烧烟气中CO含量的至少一个阈值，来控制所述反应器(25)内新的反应物的流速和/或循环使用反应物的流速。 
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括采用两个不同的CO含量的阈值来定义三种污染程度，即较低阈值SCO1和较高阈值SCO2，其中SCO2＞SCO1；如果CO含量≤较低的阈值，则认为所述焙烧烟气的污染程度低(PO)，在这种情况下，将所述烟气处理中心(23)的操作控制在由恒定的新的反应物的标称流速(QNom)和标称循环使用率(RNom)所定义的标称模式中， 
如果CO含量在较低阈值和较高阈值之间，则认为污染程度中等(P1)，且在这种情况下，根据CO含量的增加或减少以及以恒定的标称流速(QNom)提供新的反应物的情况来控制反应物的循环使用率的提高或降低，只要还未达到最大循环使用率(RMax)，以及 
如果CO的含量≥较高阈值，则认为烟气污染程度高(P2)，且在这种情况下，以最大的反应物的循环使用率(RMax)以及新的反应物流速(QMax)来控制所述反应器。 
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，还包括步骤：当污染程度中等(P1)且已达到最大的反应物的循环使用率(RMax)时，根据CO含量的增加而提高新的反应物的流速。 
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括当污染程度高(P2)时，包括步骤： 
降低冷却塔(24)内所述焙烧烟气的温度设定值。 
8.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，还包括步骤：根据所述焙烧炉(1)出口处，测得的所述焙烧烟气的温度，对冷却水流速控制的预期修正。 
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述冷却塔(24)的供水阀(27)的输出流速由反馈回路控制，所述反馈回路使冷却塔(24)出口处测得的烟气温度值(T29)与一温度设定值一致，并且所述方法还包括根据所述焙烧炉(1)出口处或所述冷却塔(24)入口处测得的烟气温度(TASP，T54)，通过预测控制回路进行额外补偿(61)，其根据焙烧炉(1)出口处或所述冷却塔(24)入口处的烟气的所述温度，通过把所述预测控制回路的正的或负的指令变量运用(57)到所述反馈回路产生的指令中，来预测控制喷射入所述冷却塔(24)内的水的流速。 
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当设置在所述冷却塔(24)上游的烟气总管(20’)出口处的辅助燃烧器(40)运行时，所述预测控制回路提供的补偿(61)失效。 
11.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，至少包括步骤：计算为调节所述塔(24)出口处的烟气温度(29)而喷射入所述冷却塔(24)内的水(26)的所需流速，所述水的所需流速的计算 是基于所述焙烧炉(1)出口处烟气的流速和温度的值以及基于所述冷却塔(24)出口处烟气的温度设定值，所述流速计算由修正因子进行调节，所述修正因子是所述塔(24)出口处所述设定值与温度测量值(29)之差的函数。 
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，当设置所述冷却塔(24)上游的烟气总管(20’)出口处的辅助燃烧器(40)运行时，所述水的所需流速计算回路则失效。 
13.根据权利要求1至2中任一所述的方法，其特征在于，至少还包括步骤：由于焙烧炉(1)的至少一个特定配置包括所述焙烧炉的至少一个炉火的至少一个转换，所述焙烧炉(1)的至少一个炉火的交叉转换以及所述焙烧炉(1)的至少一个炉火的稳定；当预测所述焙烧炉(1)出口处的所述焙烧烟气的温度和/或流速减少并随后显著快速地增加时，就减少并随后经过预定时间间隔后快速增加在所述冷却塔(24)中所分布的水的流速。 
14.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，至少还包括步骤：如果所述烟气总管(20，20’)中的所述烟气的预期流速太低，以致不能满足所述烟气处理中心(23)的供应，则通过把部分已处理的烟气重新注入冷却塔(24)的上游来回流所述部分已处理的烟气。 
15.根据权利要求1至2中任一所述的方法，其特征在于，使用从所述焙烧炉(1)的至少一个指令和控制系统(44)发送给所述烟气处理中心(23)的至少一个指令和控制系统(47)的有关所述焙烧炉(1)出口处焙烧烟气的温度和/或CO的含量和/或流速的信息来控制所述烟气处理中心(23)，以便根据所述焙烧炉BF(1)的控制系统(44)所发 出的数据来优化烟气处理中心(23)的控制。 
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