CN103424005A - 加热金属的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在具有加热室、装料门、排出气流口和排出气流管道的炉子中加热含有非铁和/或铁质金属的原料的方法，其包括：a)经由燃烧器将燃料和含氧气体引入所述炉子的加热室中，从而形成火焰，b)监测安装在所述加热室和/或所述排出气流管道内的至少一个光学传感器的信号，c)监测所述排出气流的温度T随时间的改变(dT/dt)，和d)随所述火焰传感器的信号和在所述排出气流中的dT/dt而调节在步骤a)中的燃料:氧气比，且涉及设计用来实施所述方法的装置。

Description

加热金属的方法和装置
技术领域
本发明涉及在具有加热室、装料门、排出气流口和排出气流管道的炉子中加热含有非铁和/或铁质金属的原料的方法，其中将燃料和含氧气体引入所述炉子中从而形成火焰，且涉及用于进行所述方法的装置。加热是指通过用热量熔融、加热、再循环、熔炼及以其他方式加工金属。
背景技术
在炉子中加热含有非铁和铁质金属的原料、尤其是含铝的原料在本领域中已知。在这些工艺中出现的问题在于用于加热的原料的组成和品质通常会改变。例如，诸如油、漆、纸、塑料、橡胶、油漆、涂层等有机组分可能存在于欲加热的材料中。这些有机材料在达到挥发温度时热解，且在氧气不足时，作为CO或未燃烧的烃引出到炉子的排气管道。通常使用的气体净化系统不能从排出气流中完全清除这些不想要的有毒物质，因此，如果不再采取进一步措施，它们就会排放到环境中。
在本领域中，已经进行了多种尝试来改善炉子中的燃烧效率，从而降低有毒物质向环境的排放。例如，在US 7,462,218、US 7,648,558和US 7,655,067中，公开了其中测量在排出气体中CO和/或H2浓度的变化及排出气体的温度且相应地调节炉子的燃料流量的方法。
EP 553 632公开了其中连续地测量来自炉子的排出气流的温度且在该温度超过预定值时增加炉子中的氧含量的方法。
在EP 1 243 663中，公开了其中测量炉子的排出气体中的O2含量且随后将该测量用作控制单元的引导变量的方法。
WO 2004/108975公开了其中测量炉子的排出气体中的O2和CO含量且使用那些测量结果控制氧气的额外注入的方法。
最后，在EP 756 014中，公开了测量来自炉子的排出气体中的烃的浓度且将引入炉子中的氧气的体积和/或燃料的体积设定为所述物质的测量浓度的函数的方法。
先前提到的专利和专利申请的公开内容通过引用结合到本文中。
尽管有这些现有技术方法，但是仍然需要对加热过程、尤其是对在加热炉中发生的燃烧的改善的控制，以使诸如CO和烃的有毒物质向环境的排放减至最少并增加炉子的总效率。
发明内容
因此，本发明的目标在于提供尤其是对于加热重有机物污染的原料的这类改善的方法。
本发明基于以下发现：对加热过程的改善控制可通过同时监测排出物的燃烧强度和在来自炉子的排出气流中的温度改变dT/dt并随所述燃烧强度的信号和所述排出气流的dT/dt而调节引入所述炉子中的燃料:氧气比来实现。燃烧强度是指如通常使用紫外或红外传感器或火焰监测设备测量的自燃烧过程发出的辐射的强度。
在本发明的一方面，所述燃烧强度通过使用光学检测系统监测。合适的光学检测系统的实例包括火焰传感器。
本发明因此提供在具有加热室、装料门、排出气流口和排出气流管道的炉子中加热含有非铁和/或铁质金属的原料的方法，其包括：
a) 经由燃烧器将燃料和含氧气体引入所述炉子的加热室中，从而形成火焰，
b) 监测安装在所述加热室和/或排出气流内的至少一个光学传感器的信号，
c) 监测所述排出气流的温度T随时间的改变dT/dt；和
d) 随所述光学传感器的信号和在所述排出气流中的dT/dt而调节在步骤a)中的燃料:氧气比。
所述排出气流口是指自炉子离开的位置，炉气经设计在该位置离开炉子。该排气口要么与封闭的排出气流管道直接连接，要么与开放的排出气流管道相联(例如，开放的排出气流管道容许夹带环境空气)。排出气流管道是指与自开放或封闭的排出气流管道传送排出气流相关的管道工程(duck work)。
在本发明的一方面，监测至少一个光学传感器的信号包括安装在所述加热室和所述排出气流管道中的至少一个内的火焰传感器。
根据本发明的方法改善了对加热过程、尤其是对重度有机物污染的原料的加热的控制。具体地讲，所述方法使得响应监测的参数快速且精密地调节引入所述炉子中的燃料:氧气比。“燃料:氧气比”在本文中定义为燃料与氧气之间的摩尔比。
因此，可控制所述加热过程以使得在炉子中可用的所有可燃材料的燃烧在炉子内尽可能地完全。这使得诸如CO和烃的有毒物质的排放降低且通过将有机化合物的燃烧热保持在炉子内而增加炉子效率。另外，实现在管道内显著较低的排出气体温度，这防止了排出气体管道由于过热引起的损坏。另外，通过降低排出气体温度，由流入过滤系统的排出气体携带的尘粒不会在管道系统内烧结，这将需要额外的清洁和维护工作。
更进一步，由于较高的炉子效率，通过使用包含在装入的原料中的可燃污染物的热值(calorific heat)实现较低的燃料消耗。最后，所述系统可以完全自动化，使得炉子操作变得更容易且防止操作误差。
优选配置光学传感器或火焰传感器以便根据燃烧强度传送逐渐改变的信号或甚至更优选连续改变的信号，且最优选配置光学传感器或火焰传感器以便传送与燃烧强度成正比的信号。这可通过仅使用一个光学传感器如红外传感器或通过使用大量传感器如紫外线传感器来实现。
在本发明的一方面，监测燃烧强度包括监测无焰燃烧或其中见不到火焰的燃烧。
在一个优选的实施方案中，在根据本发明的方法中的炉子为旋转圆筒炉，即所谓的转鼓炉。
尤其对于重度污染的原料的加热，使用转鼓炉是有利的。炉子的转动可根据引入炉子中的原料的性质和组成调适以便加热。
本发明的方法特别适合加热含铝的原料，且因此，在所述方法中，所述非铁和/或铁质金属优选为铝。
在本发明的方法中的燃料:氧气比优选通过改变引入炉子中的氧气的量和/或改变引入炉子中的燃料的量来调节。
具体地讲，将(重度)有机物污染的原料引入加热炉中时，在炉子中存在的总可燃物的燃烧程度随污染物的量和性质而变。另外，特别是在转鼓炉中，重复暴露装入料的新表面使得释放到气相中的可燃污染物的量随时间而变。
因此，燃料:氧气比的调节将以使得在炉子中的所有可燃物在其中尽可能地完全燃烧，即该燃烧保持在炉子内的方式实现。根据光学传感器的信号的值和排出气流的温度改变dT/dt的值，增加或减少引入炉子中的氧气的量，和/或增加或减少引入炉子中的燃料的量。
例如，当在炉子中释放的有机污染物的量增加时，通常排出气流的温度增加，这是因为在炉子中的燃烧不完全。在这种情况下，例如，将额外的氧气引入炉子中和/或减少进入燃烧器的燃料以保持在炉子内的燃烧，即，完成在炉子内的燃烧。
在其中将天然气用作燃料的本发明的一个实施方案中，燃料:氧气比可优选在约1:2 (其基本上是天然气燃烧的化学计量比)至约1:6、约1:16或甚至约1:20的范围内调节。对于其中使用不同燃料的实施方案，燃料:氧气比可优选在相应的范围内，即化学计量比至比该化学计量比小3、8或甚至10倍的比率的范围内调节。
在一个优选的实施方案中，在燃烧器中的燃料流量通过压缩空气启用或关闭阀门来控制。所述阀门允许非常快速地调节燃料流量。
在其中使用转鼓炉的本发明的一个实施方案中，炉子的转动也可根据排出气流的温度改变dT/dt和光学传感器的信号的检测值来调节。
优选在本发明的方法中，所述至少一个光学传感器安装在炉子的排出气流管道内。
另外优选所述至少一个光学传感器靠近炉子的排出气流口安置，从而特别地测定炉子附近的燃烧强度。
在步骤b)中监测光学传感器的信号和在步骤c)中监测炉子的排出气流的温度改变dT/dt优选在两个单独的位置进行。
优选在光学传感器的位置的下游记录炉子的排出气流的温度改变dT/dt。
除了监测来自光学传感器的信号之外，监测排出气流的温度改变(dT/dt)给出对欲加热的原料的污染的改善的指示且因此改善加热过程控制的可靠性。具体地讲，可确定在光学传感器信号中由于盐和其他组分的挥发引起的假阳性。
排出气流的温度改变dT/dt优选在炉子的排出气流管道内测量。
在步骤b)中的光学传感器优选且有利地为红外火焰扫描仪。
红外火焰扫描仪的性质允许在本发明的方法中仅使用它们之中的一个。
通常，在红外火焰扫描仪中，使用火焰闪烁来区分来自火焰的红外信号与来自诸如暖墙的非焰源的红外信号。
优选的红外火焰扫描仪因此产生随红外辐射的改变而变的信号。
在红外火焰扫描仪中的辐射检测器通常为红外敏感的光阻器，其对具有在1-3 μm范围内的波长的辐射敏感(例如，红外火焰扫描仪检测辐射的变化)。过滤为窄带过滤，使得可以几乎完全利用具有恒定改变的频率和变化率的火焰特异性辐射。也就是说，所述红外火焰扫描仪检测由火焰产生的辐射，其又继而是燃烧强度的间接测量。
可例如在0至+5 V之间的所述检测器的模拟输出信号是对燃烧强度的测量。
排出气流随时间的温度改变dT/dt优选用一个或多个热电偶测量。所述热电偶测定排出气流的温度且随后计算dT/dt。
所述热电偶可定位于在排出气流中和/或在管道中的多个位置，但优选靠近光学传感器定位。
优选在步骤d)中随所述光学传感器的信号和在所述排出气流中的dT/dt而调节燃料:氧气比包括以下过程：
i) 将正常燃料流量优选减少到可靠的最低燃料流量，
ii) 根据火焰传感器的信号水平增加引入炉子中的氧气的量，
iii) 在预定的时间期间使氧气的量以预定速率向下匀变到正常水平，
iv) 当步骤iii)完成时使燃料流量回到正常。
为了避免所述过程的不必要启用，优选设定起始条件。因此，为了开始上述过程i)-iv)，起始条件优选使得来自光学传感器的信号必须高于预定水平，且同时在排出气流中的温度改变必须高于预定值。
在本发明的方法的一个优选的实施方案中，装料门和排出气体口定位于炉子的加热室的相对侧。
此外优选燃料和含氧气体经其引入炉子中的燃烧器定位在与排出气流口所位于的侧相同的侧上。
因此，引入炉子的加热室中的燃料/含氧气体与废气的流动方向处于相反的方向上。
优选在炉子的加热室中仅存在一个燃烧器，燃料和含氧气体经所述燃烧器引入炉子中。
更进一步优选装料门与燃料和含氧气体自其引入炉子中的位置位于炉子的加热室的相对侧上。如果需要，这些特征则可以在相同侧上。
该实施方案允许装料门的密封封闭构造且因此允许完全密封炉子以免漏气。
其中装料门和排出气流口定位在炉子的加热室的相对侧且其中燃料和含氧气体自与排出气流口所位于的侧相同的侧经由燃烧器引入炉子中的转鼓加热炉描述在EP 756 014。该文献的揭示内容通过引用结合到本文中来。
特别地讲，在EP 756 014中描述的炉子的所有实施方案都作为本发明的方法中的炉子的优选实施方案结合到本文中来。
在本发明的方法中，另外优选额外的含氧气体(例如，含有大于空气的氧气浓度的气体)经由喷枪引入炉子中。
这有时也指示为“分段(staging)”。其用来改善火焰在炉子的加热室中的穿透率且诱发在其中混合。
所述喷枪优选以超声波操作，气体以超音速经其行进。
优选所述喷枪安置在炉子中以使得引入炉子的额外的含氧气体加强燃烧器火焰，更优选所述喷枪安置在燃烧器之上且引入额外的含氧气体以使得燃烧器火焰增强(例如，拉长)。所述额外的氧气可增加燃烧速率且继而容许燃料的用量增加。
优选引入炉子中的总氧气的高达70体积%经由所述喷枪引入。
这使得可以调节火焰长度且在优选加热室的上部建立后燃烧区。
所述燃烧器和/或所述喷枪的含氧气体优选具有至少80体积%、更优选至少95体积%的氧含量。
在本发明的方法中，装入的原料(charging stock)经由装料门分批或以连续方式引入炉子中。
本发明另外涉及用于进行在任何上述实施方案中的本发明方法的装置。
具体地讲，本发明还涉及如下装置，其包括具有加热室、装料门、排出气流口和排出气流管道的炉子，和
a) 用于将燃料和含氧气体引入所述加热室中以形成火焰的燃烧器，
b) 安装在所述加热室和/或排出气流管道(例如，封闭或开放的排出气流管道)内的至少一个光学传感器，
c) 用于监测所述排出气流的温度T随时间的改变(dT/dt)的设备，和
d) 用于随所述光学传感器的信号和在所述排出气流中的dT/dt而调节在步骤a)中的燃料:氧气比的设备。
在合适的情况下，本发明的方法的所有上述实施方案也涉及所述装置。
附图说明
现在将参考附图通过优选的实施方案进一步详细地描述本发明。
图1显示根据本发明的设备的一个实施方案转鼓炉的横截面图，其设计用来进行根据本发明的方法。
图2显示其中在不根据本发明调节氧气:燃料比的情况下进行铝屑加热的加热炉的排出气流的温度发展。
图3显示其中在根据本发明调节氧气:燃料比的情况下进行铝屑加热的加热炉的排出气流的温度发展。
具体实施方式
在图1中，显示圆柱形转鼓炉1。在炉子1的加热室11中，沉积了欲熔炼的装入的原料6。炉子1的加热室11的两个末端逐渐变细。在一端，提供装料门2，装入的原料6经由其引入或引出炉子。在装料事件结束，装料门2可连接到密封封闭的加热室11。
在炉子1的加热室11的与装料门2相对的末端，提供加热燃烧器3。加热燃烧器3定位在炉子的与排出物相同的一侧上。在一些情况下，燃烧器3邻近排出气流口7定位或定位在排出气流口7中，排气管道4与排出气流口7连接(例如，以容许由加热产生的排出气流离开)。在排气管道4中，布置热电偶5，用热电偶5测量排出气流的温度，自该数据计算温度改变dT/dt。靠近在炉子1的排气管道4中的热电偶5，在热电偶5的上游提供有红外火焰扫描仪10。
加热室11的装料门2在其操作中与加热室11共同旋转。然而，在相对末端的加热燃烧器3和排气管道4布置为不转动。
在加热过程中，火焰9由燃烧器3产生，其延伸到炉子1的加热室11中。通常，火焰延伸到炉子长度的至少三分之二。由于由火焰9施加的热，装入的原料6被加热且通常在炉子1的加热室11的连续转动的情况下熔融，从而实现原料6的差不多一致的加热。
任选地喷枪8可存在于燃烧器3之上，额外的氧气/含氧气体经其引入炉子1的加热室11中，从而加强火焰9。喷枪8可定位于包括炉子的与燃烧器相同或不同的侧的任何合适的位置。
自该加热过程获得的排出气流经由排出气流口7引入排气管道4中，其由此流过加热燃烧器3的火焰，使得可以焚化包含在废气中的诸如烃的有毒物质。
施用到燃烧器3的燃烧需要的燃料和/或燃烧空气或氧气的体积且任选的还有炉子1的加热室11的转动随来自布置在排气管道4中的热电偶5和火焰扫描仪10的信号而调节。因此，在炉子1的加热室11中提供的由燃料的燃烧和污染物的焚化产生的能量保持恒定，以确保在加热过程中的均一结果且使在由加热过程产生的废气中的有毒物质减至最少。
在加热过程开始时，存在于装入的原料6中的有机组分首先热解，其在加热室11中产生高浓度的烃。为了对其补偿，基于排出气流的温度改变dT/dt和来自红外火焰扫描仪的信号的如下所述的过程被启动。
随着额外的氧气和减少量的燃料进料到加热室11中，存在于加热室11中的烃被焚化，从而降低其浓度。
在装入的原料6的有机组分的挥发完成时，这可通过排出气流的温度改变dT/dt减小而检测，在增加燃烧速率的情况下再次以化学计量或略微低于化学计量地操作燃烧器3，使得经由燃烧器3的燃料利用率在炉子1中增加，且快速实现装入的原料6的加热，在炉子1中的氧气浓度微小以免铝损失。
由在加热期间的热解产生的有毒物质如烃的体积浓度尤其取决于炉子1的加热室11的转速，因此，借助于热电偶5和火焰扫描仪10的信号，可以调节加热室11的转动，从而使有毒物质的体积进一步减至最小。
在转鼓炉1的该实施方案中，引入加热室11的氧气和燃料的调节可基于光学传感器(红外火焰扫描仪)的信号和排出气流的温度改变dT/dt用以下方式进行：
安装在排气管道中的红外火焰扫描仪10检测红外辐射的变化，且因此检测作为电子模拟信号的火焰强度，其在0-100%之间变化。同时，在该管道内的热电偶5测量排出气流的温度。
将两种信号输入控制设备，在其中电算测量温度的变化dT/dt。该控制设备基于两种信号通过以下过程调节氧气和/或燃料：
i) 将实际燃料流量Qf,act减小到可靠的最小Qf,set,min，
ii) 根据红外火焰扫描仪的信号水平增加引入炉子中的氧气的量QO2,act，
iii) 在预定的时间期间使氧气的量QO2,act以预定速率向下匀变到正常水平，
iv) 在完成时使燃料流量Qf,act回到正常加热条件Qf,set,norm。
根据所述设定和装入原料的品质，在装料已经完成且炉门2关闭之后可以起始该过程几次。
为了避免该过程的不必要的启用，设定起始条件，其对于各个炉子可能不同。因此，为了开始上述过程，起始条件是这样的：来自红外火焰扫描仪的信号必须高于预定水平，且同时在排出气流中的温度改变dT/dtset,start必须高于预定值。
另外，对于调节过程的停用，预设第二温度改变点dT/dtset,stop，这允许在系统中结合一些滞后作用且防止虚假信号检测。
为了允许在不同温度水平下的不同设置，可加入第二组参数。这对于涵盖当在较高或较低温度段(temperature slot)中操作时必须采用不同温度改变来启用/停用系统的情形是必需的。
根据来自红外扫描仪的信号(IRact)计算额外氧气的需要量。预设IRact与氧气流量QO2增加之间的关系。
随后在控制设备中计算引入加热室11中的所需要的总氧流量QO2,act。
该系统随后经由匀变计算减小QO2,add。
如果在向下匀变期间，出现来自红外火焰扫描仪的另一信号峰值，其具有比该匀变的实际位置高的相应氧含量，则计算新的氧气流速且用该新数值再次开始匀变。
该系统也可出于安全原因而停用或在例如由于重复的匀变重启引起在关闭装料门2之后达到最大时间时防止启用。也可设定最大启用时间以避免错误的参数导致连续的富氧操作。
虽然已经对于转鼓炉的实例描述了调节过程，但是其同样可应用到加热炉的其他实施方案。
如从图2与图3的比较中可以看出，加热炉的排出气流温度更均一，尤其可避免(远)高于1150℃的温度峰值。这表明可以尽可能地避免由在加热室11中的过量可燃物引起的在排气管道4中的燃烧。

Claims (16)

1.在具有加热室、装料门、排出气流口和排出气流管道的炉子中加热含有非铁和/或铁质金属的原料的方法，其包括：
a) 经由燃烧器将燃料和含氧气体引入所述炉子的加热室中，从而形成火焰，
b) 监测安装在所述加热室和/或所述排出气流内的至少一个光学传感器的信号，
c) 监测所述排出气流的温度T随时间的改变dT/dt；和
d) 随所述光学传感器的信号和在所述排出气流中的dT/dt而调节在步骤a)中的燃料:氧气比。
2.权利要求1的方法，其中所述炉子为转鼓炉。
3.权利要求1或2的方法，其中所述非铁和/或铁质金属为铝。
4.前述权利要求中任一项的方法，其中所述燃料:氧气比通过改变引入所述炉子中的氧气的量和/或改变引入所述炉子中的燃料的量来调节。
5.前述权利要求中任一项的方法，其中所述至少一个光学传感器安装在所述炉子的所述排出气流管道内。
6.前述权利要求中任一项的方法，其中所述炉子的所述排出气流的dT/dt在所述光学传感器的位置的下游记录。
7.前述权利要求中任一项的方法，其中所述至少一个光学传感器为红外传感器。
8.前述权利要求中任一项的方法，其中所述排出气流的dT/dt用热电偶测量。
9.前述权利要求中任一项的方法，其中所述装料门和所述排出气流口定位在所述炉子的相对侧上。
10.前述权利要求中任一项的方法，其中所述燃料和所述含氧气体自与所述排出气流口所位于的侧相同的侧引入所述炉子中。
11.前述权利要求中任一项的方法，其中额外的含氧气体经由喷枪引入所述炉子中。
12.权利要求11的方法，其中安置所述喷枪，使得引入所述炉子的所述额外的含氧气体加强燃烧器火焰。
13.权利要求12的方法，其中所述喷枪安置在所述燃烧器之上。
14.前述权利要求中任一项的方法，其中装入的原料经由所述装料门以连续方式引入所述炉子中。
15.前述权利要求中任一项的方法，其中所述含氧气体具有至少80%的氧含量。
16.进行权利要求1的方法的装置，其包括具有加热室、装料门、排出气流口和排出气流管道的炉子，和
a) 用于将燃料和含氧气体引入所述加热室中以形成火焰的燃烧器，
b) 安装在所述加热器和/或排出气流管道内的至少一个光学传感器，
c) 用于监测所述排出气流的温度T随时间的改变dT/dt的设备，和
d) 用于随所述火焰传感器的信号和在所述排出气流中的dT/dt而调节在步骤a)中的燃料:氧气比的设备。
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