JP2022502635A - 炉の排ガス成分および流速測定のための原位置装置 - Google Patents

炉の排ガス成分および流速測定のための原位置装置 Download PDF

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Abstract

排ガス流が煙道ダクトを通って移動するときに、排ガス流の速度および/または体積を実時間で検出するための、光学式燃焼排ガスストリーム速度センサ組立体が提供される。センサ組立体は、流路方向に離間された向きで配置された、2対のコヒーレント光放出器および光センサを含む。光放出器/光センサの対は、排ガス種成分の吸収プロファイルに対応した波長成分を有するコヒーレント光ビームエネルギーを、排ガスストリームを横断して放出し、検出するように動作する。放出されたビームの非吸収部分の検出は、煙道ダクトに沿った異なる位置における流れの種の標識の動きを識別し、検出するために使用される。

Description

関連出願
本出願は、2018年9月21日に出願された米国特許仮出願第62/734345号の米国特許法第119条(e)の優先権および利益を主張するものであり、その全体を参照により本明細書に組み込む。
本発明は、燃焼プロセスから排ガス流特性を実時間で測定するのに使用される装置およびシステムに関する。より詳細には、排ガスストリームの1つまたは複数の排ガス成分または種の原位置における識別および/または測定を行うように動作可能であり、かつ燃焼排ガス流の速度および/または体積を測定または決定するために使用される装置が提供される。本発明はまた、1つまたは複数の排ガス流量、排ガス成分濃度、および/または排ガス温度を同時に測定し、それに応じて、燃焼パラメータを制御するための信号を出力するように適合された装置を好適に提供する。
製鋼動作で生成されるものなど、燃焼プロセスの排ガスの個々のガス種成分の分析を行うことは、現在進行している燃焼プロセスそれ自体に対する洞察を提供することができる。個々の排ガス種もしくは成分の特定のタイプおよび組合せを識別し、分析することは、効率を高めるために、または最適な炉動作を行うために、燃焼もしくは炉動作パラメータまたは入力の調整が必要になり得ることを操作者に示すことができると理解されてきた。
炉の燃焼排ガスを分析するための様々なシステムが提案されている。通常、燃焼ガス分析器は、ガスの抽出されたサンプルの一部にわたって光ビームを伝播させることにより、かつ特定の排ガス種成分により吸収された光エネルギーの量を測定することにより動作する。
本出願人は、排ガスシステム内の排ガスストリーム自体の速度、または特定のガス種の速度を使用して、燃焼プロセスパラメータの実時間指示を提供すると有利であり得ると理解してきた。
本発明は、産業用炉の燃焼プロセスを評価し、および/または最適化するために使用され得る燃焼排ガス速度の分析、好ましくは、流速および/または体積の分析を行うための装置を提供し、また装置は、例えば、製鋼動作で使用される基本酸素炉(BOF)および電気アーク炉(EAF)の炉動作を含むことができる。
1つの非限定的な実施形態では、本発明は、燃焼ガス流の、最も好ましくは、製鋼もしくは溶解炉、セメント窯、産業用焼却炉、または同様のものなど、産業用炉の排ガスとして生成される燃焼ガス流の速度および/または体積を決定するための装置を提供する。本発明は、燃焼プロセスから生成される排ガス流、または1つもしくは複数の個々の排ガス種の速度を光学的に測定するように適合された排ガス速度センサ組立体を提供する。好ましくは、実質的に実時間のセンサ組立体における速度は、換気煙突、煙道、またはダクト(以降では、総称的にダクトとする)の一部を通って移動するときの排ガス流の速度を決定するために使用される。さらに、ダクトの所定の幾何形状の一部を提供することにより、排ガスストリームの体積出力、および/またはその特定の低成分の種を決定することができる。
装置は、炉制御システム全体の一部として提供することができ、それにより、感知された燃焼排ガス速度、体積、および/または1つまたは複数の排ガス流種の濃度、および/または炉熱用の温度のうちの1つまたは複数を表すデータが編集され、1つまたは複数の制御、所定の、もしくはモデル化された熱プロファイルと比較される。感知された排ガス流特性と、制御、または他の所定の、もしくはモデル化された炉熱の間の差に基づき、入力体積、燃焼温度、または炉熱時間などの炉動作パラメータが、燃焼動作もしくは効率を良好に最適化し、および/または望ましくない放出を低下させるように調整される。本システムはまた、下流のスクラバー、または他の排ガス処理システムを制御または監視するために使用することができ、したがって、それらは過負荷にならず、最適化される。
別の非限定的な実施形態では、排ガス速度センサ組立体が、鋼鉄の処理において使用される電気アーク炉(EAF)または基本酸素炉(BOF)に対する炉制御システムの一部として提供される。製鋼炉においては、鉄を含むスクラップなどの入力源材料、および炭素源が、加熱中に酸素と共に加熱容器内に導入される。加熱中に、形成された廃棄燃焼ガスが、廃棄排ガス煙道ダクトを通る排ガスストリームとして排出される。簡単化された取付け向きにおいて、光学的な排ガス速度センサ組立体が、排ガス煙道ダクトに設けられ、脱炭および/またはスラグの酸化を最適化すべく酸素の導入を制御するために使用される。
速度センサ組立体は、2つ以上の対になった、関連するコヒーレント光もしくは他のエネルギー放出器と、関連するエネルギー放出器により放出された非吸収エネルギーを検出するように、より好ましくは、吸収検出によってガス種を識別または検出するように動作可能なエネルギーセンサとを含むことができる。放出器およびセンサの各対は、排ガスの流路方向に沿って、互いに対して離れた向きで煙道ダクト内に配置されることが好ましい。各関連する放出器/センサの対は、それぞれ、排ガス流が、煙道ダクトの一部に沿って移動するとき、その一部を通過するコヒーレント光ビームを光学的に放出し、検出するように位置決めされることが好ましい。放出されたコヒーレント光ビームが、1つまたは複数の排ガス種成分の吸収エネルギープロファイルに対応する波長エネルギーを含むことが最も好ましい。
本質的なものではないが、関連する光放出器/光センサの対のそれぞれは、一定の幾何形状を有する排ガス煙道ダクトの一部に沿って位置し、また煙道ダクトの横断面の幾何形状に対して、実質的に、同一の向きおよび位置にあることが好ましい。この位置決めにおいて、光放出器およびセンサの対は、排ガス流の実質的に同じ部分を横断するように、各エネルギーまたはコヒーレント光ビームを放出するように動作する。しかし、個々の放出器/センサの対に対して別の相対的な取付けの向きを使用することもできる。
光センサを用いて、放出されたビームの非吸収部分を検出することにより、特定の時間点において、排ガス流に対する吸収標識が生成され得る。最も簡単な実施形態では、吸収標識は、放出されたすべての波長にわたり、または1つまたは複数の選択された波長範囲において、吸収されたエネルギーの合計量として決定される。より好ましくは、光センサは、ある時間点において、移動する排ガスストリームの特定の部分に対して、少なくとも1つの事前に選択されたガス種に対する吸収波長周波数において、放出されたビームエネルギーの非吸収部分を検出するように動作可能である。吸収プロファイルおよび/または温度により決定される特定の種の濃度を、排ガス流吸収標識を生成するためにさらに使用することができる。本出願人は、特定の吸収標識を識別し、検出するために、複数の光放出器/センサの対を用いることにより、異なる物理的な点におけるこのような識別と検出の間の時間を使用して、排ガス流の速度を示すことができると認識している。
さらに光感知が実施される煙道ダクトの幾何形状を決定することにより、検出された流速に基づいて、放出されている全体の排ガス体積と、1つまたは複数の個々のガス種の体積の両方を識別することも可能である。別の非限定の実施形態では、センサ組立体は、したがって、化学的なまたはガススクラバーなど、下流の汚染制御装置の可能性のある過負荷を監視する、および/またはそれに対する制御信号を生じさせるために使用することができる。1つの可能な非限定的な構成では、各光放出器/センサの対は、分離したコヒーレント光ビーム放出器、好ましくは、波長可変ダイオードレーザ放出器、および光受容器もしくはセンサから構成される。放出器およびセンサは、燃焼排ガス煙道ダクトの概して反対側に沿って互いに離間された、離れた配置に適合される。精度を高めるために、光放出器/センサの対は、組み合わされたコヒーレント光ビーム放出器/受容器ヘッド内の事前組立体として提供されることが好ましく、それは、コヒーレント光ビームの放出と受け取りの両方に適合され、1つまたは複数の光リフレクタと共にそれぞれ使用される。光リフレクタは、増加したビーム移動経路および精度に対して、コヒーレント光ビーム放出器ヘッドから放出されたコヒーレント光ビームエネルギーを排ガスストリームを通して戻し、受容器に再送信するように位置決めされる。反射された戻りビームエネルギーの非吸収部分を感知することにより、合計の吸収されたエネルギー、および/またはガスダクトを移動する1つまたは複数のガス流種の濃度プロファイル、また種に応じた排ガス流の温度を表すデータを提供することが可能になる。
別の非限定的な実施形態では、較正を容易にするために、光放出器/センサの対、および/または光リフレクタは、所定の間隔で煙道ダクトに取り付けるように、またはモジュール式の光放出器および/または光リフレクタ事前組立体の一部として設けることができる。このような所定の取付け構成は、排ガス煙道ダクトに沿った、光放出器/センサの対の簡単化された最終的な位置決めおよび較正を可能にすることができる。
1つの可能な構成において、各光放出器/光センサの対は、1つまたは複数の光検出器に光学的に結合される。光検出器は、各センサにより受け取られ、検出されたコヒーレント光エネルギーの非吸収部分を表す電気信号を生成し、コンピュータ、中央処理装置(CPU)、またはプロセッサ(以降では、総称的にプロセッサとする)に送信するように動作可能である。好ましくは、電気信号は、各光センサにおいて、少なくとも1つの、好ましくは、いくつかのガス種の吸収プロファイルに対する、非吸収光エネルギーを表す信号を含む。
1つの非限定的な動作モードでは、炉制御システムは、1つまたは複数の選択された目標とするガス種に対する1つまたは複数の特定の吸収プロファイルにおいて感知されたコヒーレント光ビームのエネルギーを識別し、および/または検出するように構成される。好ましくは、システムは、煙道ダクトを通って流れる排ガスストリームの排ガス種成分CH4、H2O、O2、CO、および/またはCO2の1つまたは複数に対する吸収プロファイルを識別するように動作する。1つまたは複数の目標とする排ガス種の関連する特定の吸収プロファイルを備えるコヒーレント光ビーム、または他のエネルギービームを選択し、出力することによって、光センサで受け取られる検出されたビームエネルギーを、各光センサ位置における排ガス流の一部における相対的な目標とするガス種濃度を識別するために使用することができる。プロセッサは、全部の吸収されたエネルギー、および/または1つまたは複数の検出された目標とする種の濃度を、排ガス流の一部に対する特定のガス吸収標識と関連付け、各関連する光放出器/センサの対において、ガス吸収標識が検出された時間差を識別するようにさらに動作する。各センサにおける吸収標識または特定の種の濃度の検出の間の時間シーケンスを決定することにより、システムは、排ガスストリームが光放出器/光センサの対の間を煙道ダクトに沿って移動するとき、その特定の一部の伝播時間を識別し、確立する。
煙道幾何形状を入力することにより、および/または各関連する放出器/光センサの対の間の決定された間隔により、炉制御システムは、したがって、目標とする種の流速、全体的な燃焼ガスの流速を計算し、さらに速度、および知られた煙道ダクト幾何形状を計算することにより、全体的な燃焼排ガス体積、および煙道ダクトを通って移動する1つまたは複数の種の成分の体積を計算することができる。決定された速度、排ガス流体積、および/または1つまたは複数の個々の目標とする排ガス成分の検出された濃度に応じて、制御システムは、次いで、炉加熱容器における入力パラメータ、スクラバー動作など過去の燃焼環境制御を制御するための制御信号を出力するために使用され得る。BOFまたはEAF製鋼炉の場合、このように制御される入力パラメータは、非限定的な例として、燃焼パラメータ、および鋼生産動作を制御または最適化するために、容器溶融温度、鉄充填率および/またはスクラップ充填率、炭素充填率、ならびに/または酸素の導入を含むこともできる。
したがって、本発明は様々な非限定的な態様に存在し、それは限定することなく以下のものを含む。
第1の態様においては、産業用燃焼プロセスの排ガス流の少なくとも一部の速度を感知するための光センサ組立体であって、センサ組立体は、排ガス流の第1の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第1のエネルギービーム放出器、および第1のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第1の光センサを備える第1のビーム放出器/光センサの対と、第1の部分から下流に離間された位置において、排ガス流の第2の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第2のエネルギービーム放出器、および第2のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第2の光センサを備える第2のビーム放出器/光センサの対とを備え、各それぞれのエネルギービームは、前記排ガス流の少なくとも1つの目標とする種の成分の吸収プロファイルに対応する吸収プロファイルを有するビームエネルギーを含み、第1および第2の光センサは、感知されたエネルギービームを表す電子信号を、前記排ガスストリームの少なくとも1つの目標とするガス種の吸収エネルギープロファイルに電子信号を関連付けるように動作可能な処理組立体に出力するように動作可能であり、前記処理組立体は、前記第1のビーム放出器/光センサの対の少なくとも一部に対する第1の位置において、前記排ガス流のガス吸収標識を識別するために、第1の光センサから受け取った電子信号を関連付け、前記第2のビーム放出器/光センサの対の少なくとも一部に対する第2の位置において、ガス吸収標識の生成を識別するために、前記第2の光センサから受け取った電子信号を関連付け、第1と第2の位置におけるガス吸収標識の識別の間の時間に少なくとも部分的に基づいて、排ガス流の少なくとも一部の識別された速度に基づく出力信号を提供するように選択される。
別の態様では、本発明は、産業用燃焼プロセスの排ガス流の少なくとも一部の速度を感知するための光学的な組立体に存在し、センサ組立体は、排ガス流の第1の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第1のエネルギービーム放出器、および第1のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第1の光センサを備える第1のビーム放出器/光センサの対と、第1の部分から下流に離間された位置において、排ガス流の第2の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第2のエネルギービーム放出器、および第2のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第2の光センサを備える第2のビーム放出器/光センサの対とを備え、第1および第2の光センサは、感知されたエネルギービームを表す電子信号を、前記排ガスストリームのエネルギー吸収標識に電子信号を関連付けるように動作可能な処理組立体に出力するように動作可能であり、前記処理組立体は、前記第1のビーム放出器/光センサの対の少なくとも一部に対する第1の位置において、排ガス流のエネルギー吸収標識を識別するために、第1の光センサから受け取った電子信号を関連付け、前記第2のビーム放出器/光センサの対の少なくとも一部に対する第2の位置において、エネルギー吸収標識の生成を識別するために、前記第2の光センサから受け取った電子信号を関連付け、第1と第2の位置におけるエネルギー吸収標識の識別の間の時間に少なくとも部分的に基づいて、排ガス流の少なくとも一部の識別された速度に基づく出力信号を提供するように選択される。
別の態様においては、産業用炉に対する制御システムは、プロセッサと、炉燃焼プロセスの排ガス流の少なくとも一部の速度を感知するために、前記プロセッサと電子的に通信するセンサ組立体とを備え、センサ組立体は、排ガス流の第1の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第1のエネルギービーム放出器、および第1のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第1のビームセンサを備える第1のビーム放出器/光センサの対と、第1の部分から下流に離間された位置において、排ガス流の第2の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第2のエネルギービーム放出器、および第2のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第2のビームセンサを備える第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対とを備え、各それぞれのエネルギービームは、前記排ガス流の少なくとも1つの目標とする種の成分の吸収プロファイルに対応する吸収プロファイルを有するビームエネルギーを含み、第1および第2のビームセンサは、感知されたエネルギービームを表す電子信号を、プロセッサに出力するように動作可能であり、プロセッサは、第1のビームセンサから受け取った電子信号を、前記排ガスストリームの少なくとも1つの、好ましくは複数の、目標とするガス種の吸収エネルギープロファイルに関連付け、第1の位置における前記排ガス流のガス吸収標識を識別し、前記第2のビームセンサから受け取った電子信号を、排ガスストリームの少なくとも1つの、好ましくは複数の、目標とするガス種の吸収プロファイルに関連付け、第1の位置から間隔を空けた第2の位置において、ガス吸収標識の生成を識別し、第1位置および第2の位置におけるガス吸収標識の識別の間の時間差に少なくとも部分的に基づいて、排ガス流の少なくとも一部の流速および/または体積の少なくとも一方を決定し、決定に基づいて、炉の燃焼プロセス、および下流の排ガス流汚染制御装置の少なくとも一方に対する制御信号を出力するように動作可能なプログラム命令を含む。
さらに別の態様において、炉燃焼動作の最適化のための炉制御システムおよび/または方法が提供され、システムは、燃焼ガス流センサ組立体であって、燃焼ガス流に対する第1の位置に配置された第1の光センサ、前記燃焼ガス流に対する第2の位置に配置された第2の光センサを備え、前記第2の位置は、前記第1の位置から所定の距離に離間されており、第1および第2の光センサのそれぞれは、入射レーザからのレーザ放射を受け取るように動作可能であり、少なくとも1つの光検出器が、第1および第2の光センサの少なくとも1つの関連するものに光学的に結合され、少なくとも1つの光検出器は、関連する光センサから受け取ったレーザエネルギーに比例した電気信号を生成するように動作可能である、燃焼ガス流センサ組立体と、生成された電気信号に基づいて、第1および第2の光センサのそれぞれにより感知されたレーザエネルギーの少なくとも1つのプロファイルにおけるエネルギーを編集するために、少なくとも1つの光検出器と通信するデータコンパイラと、第2のセンサにより感知されたエネルギーの編集されたエネルギープロファイルの少なくとも一部を関連付け、関連付けられた部分の間の時間差に基づいて、燃焼ガス速度および燃焼ガス体積の少なくとも一方を表す信号を出力するための処理組立体とを含む。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、燃焼プロセスの排ガス流は、煙道ダクトを通って移動する炉排ガス流を含み、第1のビーム放出器/光センサの対は、煙道ダクトの第1の上流部分に配置され、第2のビーム放出器/光センサの対は、第1の上流位置から下流に距離を空けた煙道ダクトの第2の部分に配置される、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、第1および第2のビーム放出器/光センサの対のそれぞれのエネルギービーム放出器および光センサは、煙道ダクトの第1の側部に配置するために、組み合わされたビーム放出器/受容器ヘッドの一部として提供され、また第1および第2のビーム放出器/光センサの対のそれぞれは、関連するリフレクタ組立体をさらに含み、各リフレクタ組立体は、放出された各エネルギービームを受け入れ、関連するビーム放出器/光センサの対の光センサに向けて反射するように選択された煙道ダクトのさらなる側部上に配置するように提供される、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、光センサ組立体は、炉制御システムの一部を備え、出力信号は、排ガス流の少なくとも一部の決定された速度に基づく炉制御信号を含む、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、第1のビーム放出器/光センサの対と、第2のビーム放出器/光センサの対との間の煙道ダクトの部分は、所定の幾何形状を有し、処理組立体は、前記排ガス流および/またはそのガス種の速度および体積の少なくとも一方のインジケータとして、前記出力信号を提供するように動作可能である、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、処理組立体は、制御信号を出力し、出力信号に応じて、炉燃焼入力および/または下流の汚染制御装置の少なくとも一方を制御するように動作可能である、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、所定の幾何形状は、実質的に一様な幾何形状を備え、および/または第1のビーム放出器/光センサの対、および第2のビーム放出器/光センサの対は、実質的に同一の向きで、前記煙道ダクトに対して取り付けられる、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、第1のビーム放出器/光センサの対は、第2のビーム放出器/光センサの対から、約0.3メートルから約5メートル、好ましくは、0.5メートルから3メートル、最も好ましくは、約0.7メートルから1.5メートルの間の選択された距離だけ離間される、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、第1および第2のビーム放出器のそれぞれは、コヒーレント光ビームを、好ましくは、波長可変ダイオードレーザビームを放出するように動作可能なコヒーレント光ビーム放出器を備える、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、センサ組立体は、ビームスプリッタと、ビームスプリッタにレーザビームを出力するように動作可能な波長可変ダイオードレーザとをさらに備え、ビームスプリッタは、前記コヒーレント光ビームとして出力するために、実質的に均一に分割されたレーザビームエネルギーを光学的に伝達するように、第1および第2のビーム放出器のそれぞれに光学的に結合される、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、前記目標とする種は、O2、CH4、H2O、CO、およびCO2からなる群から選択された1つまたは複数を含む、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、前記産業用燃焼プロセスは、製鋼プロセスであり、より好ましくは、基本酸素炉または電気アーク炉製鋼プロセスである、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、各エネルギービームは、前記ガス流の少なくとも1つの目標とする種成分の吸収プロファイルに対応する吸収プロファイルを有するエネルギーを含み、前記エネルギー吸収標識は、合計の感知されたエネルギービーム、少なくとも1つの目標とする種の吸収プロファイルに対応する感知されたエネルギー、およびこれらの組合せからなるグループから選択された少なくとも1つを含む、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、産業用の炉は、排ガス流を導くための煙道ダクトをさらに備え、第1および第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対のそれぞれのエネルギービーム放出器およびビームセンサは、煙道ダクトの長手方向に離間された側部に沿って配置するように、組み合わされたビーム放出器/受容器ヘッドの一部として提供され、また第1および第2のビーム放出器/光センサの対のそれぞれは、関連するリフレクタ組立体をさらに含み、各リフレクタ組立体は、関連するビーム放出器/受容器ヘッドの概して反対側の煙道ダクトの側部に沿って配置されるように設けられ、前記排ガス流の概して中心部分を通って放出された各エネルギービームを受け取り、関連するビームセンサの方向に反射するように構成される、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、ビーム放出器/受容器ヘッドは、煙道ダクトに対して開いた中空の内部を有する管状のシュラウドを含み、ビーム放出器/受容器ヘッドは、シュラウドの内側に沿ってビームエネルギーを放出し、受け入れるように構成され、またパージングガス源は、シュラウドの中に蓄積されたほこりまたは破片を取り除くように選択されたシュラウドの内側に沿って、パージングガス流の流れを導入するように選択的に動作可能である、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、第1のビーム放出器/エネルギービームセンサの対と、第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対との間の煙道ダクトの部分は、所定の一様な幾何形状を有し、および/またはプロセッサは、前記排ガス流、またはその前記ガス種の1つまたは複数の決定された流速および/または体積に応じて、前記制御信号を提供するように動作可能である、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、煙道ダクトは、第1のビーム放出器/エネルギービームセンサと、第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの間で実質的に一様な幾何形状により特徴付けられ、第1のビーム放出器/エネルギービームセンサの対、および第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対は、実質的に同じ相対的な向きで前記煙道ダクトに取り付けられ、第1のビーム放出器/エネルギービームセンサの対は、第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対から下流に、約0.3メートルから約7メートル、好ましくは、約0.5メートルから3メートルの間で選択された距離だけ離間される、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、第1および第2のビーム放出器のそれぞれは、コヒーレント光ビームを放出するように動作可能なコヒーレント光ビーム放出器を備え、第1および第2のビームセンサのそれぞれは、光センサを含む、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、センサ組立体は、ビームスプリッタと、ビームスプリッタにレーザビームを出力するように動作可能な波長可変ダイオードレーザとをさらに備え、ビームスプリッタは、第1および第2のビーム放出器のそれぞれに対して、前記エネルギービームとして、そこから出力される分割されたレーザビームエネルギーを光学的に伝達するように、光学的に結合される、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、前記目標とする種は、O2、CH4、H2O、CO、およびCO2からなる群から選択された1つまたは複数を含む、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、前記産業用炉は、基本酸素炉および電気アーク炉からなる群から選択された製鋼炉を備える、組立体またはシステム。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムの使用法であって、前記燃焼プロセスの排ガス流は、製鋼炉からの排ガス流を含み、排ガスストリームの目標とする種の成分は、COおよびCO2を含み、製鋼炉は、鉄源および炭素を含む材料を加熱するための加熱容器と、加熱容器の中に酸素を選択的に導入するためのランスとを備え、前記出力信号は、前記排ガス流におけるCOおよび/またはCO2の検出された体積に少なくとも部分的に基づいて、ランス動作を制限するように選択されたランス制御信号を含む炉制御信号を含むことを特徴とする、使用法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムの使用法であって、処理組立体は、前記加熱容器における前記炭素を含む材料の投入された量を表すデータを受け取るようにさらに動作可能であり、ランス制御信号は、前記データに少なくとも部分的に基づく、使用法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムの使用法であって、前記データは、製鋼加熱中に、実質的に実時間で受け取られる、使用法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムの使用法であって、前記ランス制御信号は、前記製鋼炉におけるスラグ酸化および溶融脱炭の少なくとも一方を制御するように選択される、使用法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムであって、前記製鋼炉は、基本酸素炉を備え、前記燃焼プロセスの排ガス流は、基本酸素炉の排ガス流を含む、使用法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによる組立体またはシステムの使用法であって、前記製鋼炉は、電気アーク炉を備え、前記燃焼排ガス流は、電気アーク炉の排ガス流を含む、使用法。
前述のまたは以下で述べる態様による炉制御システムおよび/または方法もしくは使用法は、溶融チャンバから発生したガスの体積を通して、レーザ源により生成された光ビームの第1の部分を投射するステップであって、ガスの体積は、少なくとも1つのインジケータガスを含む、ステップと、第1の部分がガスの体積を通過した後に、光ビームの第1の部分を検出するステップと、ガスの参照体積を通る光ビームの第2の部分を投射するステップであって、ガスの参照体積は、少なくとも1つのインジケータガスを含む、ステップと、光ビームの第2の部分を、第2の部分がガスの参照体積を通過した後に検出するステップと、光ビームの検出された第1および第2の部分に基づき、レーザ源の出力周波数を、少なくとも1つのインジケータガスの吸収ラインに実質的に対応するように制御可能に変更するステップと、光ビームの検出された第1および第2の部分に基づき、少なくとも1つのインジケータガスの実時間濃度を決定するステップとを実施するために使用される波長可変ダイオードレーザ源を備える。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかによるシステムを用いる炉制御システムおよび/または方法であって、光ビームの第1の部分は、光検出器によって検出される、炉制御システムおよび/または方法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法であって、光ビームの第1の部分は、受け取る光学装置に焦点が当てられ、また光検出器は、遠隔に配置されて、光コネクタを介して受け取る光学装置に動作可能に接続される、炉制御システムおよび/または方法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法は、ガスの体積を横断する光ビームの第1の部分を、1回または複数回反射させるステップをさらに含む。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法は、プロセス制御を示す所定のプロファイルに対応する実時間の濃度変化を検出するステップをさらに含む。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法は、選択された波長ラインの使用により、実時間の排ガス温度を検出するステップをさらに含む。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法は、望ましい位置における2点を検出するために、レーザ放出用に複数の前記コリメータをさらに備える。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法であって、炉は製鋼炉を備え、また第1および第2の光センサは、煙道ガス排出パイプに沿った前記燃焼ガス流内に、またはすぐ隣に配置される、炉制御システムおよび/または方法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法であって、第1および第2の光センサにより受け取られる前記放出エネルギーは、前記燃焼ガス流の隣接部分により提示されるガスの体積吸収の後に得られる光ビームを含む、炉制御システムおよび/または方法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法であって、第1および第2の光センサにより受け取られる前記レーザ放射は、第1および第2の位置をそれぞれ通って移動する燃焼ガス流の一部の実質的に全体幅の光エネルギーを含む、炉制御システムおよび/または方法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法であって、感知された放射エネルギーは、入射レーザビームからの燃焼ガス流のO2、CO、および/またはCO2成分のうちの少なくとも1つの吸収から放出された放射エネルギーである、炉制御システムおよび/または方法。
前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法であって、製鋼炉は、EAFおよびBOFから選択され、第1および第2の光プローブの少なくとも1つは、方向性のパージングシステムおよび/または冷却システムを含む、炉制御システムおよび/または方法。
脱炭およびスラグ酸化を計算するための実時間モデルを提供するように動作可能な、前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法。
EAFランス酸素の向上させた制御を行うために使用することができる脱炭の実時間(定性的な)、および値(定量的な)を提供するように動作可能な、前述のまたは以下で述べる態様のいずれかの炉制御システムおよび/または方法。
前述の態様のいずれかの炉制御システムおよび方法であって、ガス煙道ダクトパイプは、概して第1の位置と第2の位置の間に所定の固定された幾何形状を有し、また処理組立体は、所定の幾何形状を有する第1の光プローブと第2の光プローブの間の燃焼ガスの伝播時間の比として、燃焼ガス流の速度を比較することにより、排ガス種の成分、および/または炉燃焼ガスの体積を決定するように動作する、炉制御システムおよび/または方法。
添付のものと併せて、次に以下の詳細な説明に対する参照を行うことができる。
本発明の好ましい態様による基本酸素炉(BOF)設備を概略的に示す図である。 図1のBOF炉設備で使用される排ガス流速度センサ組立体を組み込む炉制御システムを概略的に示す図である。 図2で示された光学的な排ガス流速度センサ組立体で使用される、関連するコヒーレント光放出器/光センサの対と、光リフレクタとの配置を概略的に示す図である。 図3で示されたコヒーレント光放出器/光センサの対と共に使用するためのハウジングシュラウドの斜視図である。 本発明の好ましい実施形態による、排ガス流速度センサ組立体において使用されるコヒーレント光放出器/光センサの配置を概略的に示す図である。
好ましい実施形態による、製鋼において使用される基本酸素炉(BOF)設備10を示す図1および図2に対して参照を行うことができる。述べられるように、設備10は、加熱容器12、排ガス煙道ダクト14、鋼および炭素充填ボックス16、酸素ランス18、炉制御システム20、および排ガススクラバー組立体22を含む。
製鋼動作における加熱中に、加熱容器12は、充填ボックス16からの入力として、スクラップ鉄、および炭素を含む材料を受け取り、それは、鋼製作の加熱中に、加熱され、溶融する。同時に、酸素が、加熱された材料の上にランス18から投入されて、点火し、溶融された鉄の炭素含有量を低下させる。加熱プロセス中、炭素の点火と鉄の減少は、煙道ダクト14に沿ってそこから外方向への排ガススクラバー組立体22を介する、炉排ガスストリームまたは流れ100を生ずる。特定の炉投入材料に応じて、生じた排ガス流100は、通常、いくつかのガス種からなり、それは、通常、CO、CO2、O2、CH4、H2O、ならびに他のものを含む。
加熱容器12は、容器12の動作により生成された燃焼排ガス流100を受け取り、スクラバー組立体22へと導いて、大気に排出する前に、CO2の捕捉、微粒子、および/または汚染の除去を行うように、排ガス煙道ダクト14に対して、容器12の上端で開いている。
炉制御システム20は、スクラップの投入、鉄および/または炭素の容器内への充填、容器12加熱温度、酸素ランス18による容器12内への酸素の充填、ならびにスクラバー組立体22動作を含む設備10の全体制御を提供する。炉制御システム20は、プロセッサ24および排ガスセンサ組立体30を含み、述べられるように、感知された実時間速度、および/または排ガス流100の体積、および/または個々の排ガス種の1つまたは複数の濃度および/または体積に応じて、加熱容器12および/またはその中への投入の1つまたは複数の動作パラメータ、および/またはスクラバー組立体22の動作を調整するために、その後に生成されるシステム制御信号を、プロセッサ24に送るように動作する。
好ましい実施形態では、プロセッサ24は、1つまたは複数の所定の、および/またはコンピュータでモデル化された燃焼排ガス速度、体積、および/または種の含有量プロファイルを中に記憶させたメモリ26を含む。記憶されたプロファイルは、1つまたは複数の目標とする、または最適化された炉の温度を表すことができる、または最適化された、または目標とするスクラバー組立体の動作に関するものであり得る。
図3は、プロセッサ24に電子的に結合された排ガス速度センサ組立体30を最もよく示している。示されるように、センサ組立体30は、容器12の加熱動作中に煙道ダクト14を通って移動する燃焼排ガス流100の速度、および/または、排ガス流100体積もしくは個々の種の体積の実時間測定を提供するように適合されることが好ましい。感知された排ガス流100速度および/または体積を表すデータを使用して、BOF設備10の動作を最適化することを目的として、直接的に、またはCO体積%、CO2体積%、CH4体積%など、1つまたは複数の排ガス種成分の温度および/または濃度測定と組み合わせて、次いで、容器12の入力パラメータ、および/またはスクラバー組立体22の1つまたは複数の制御を行う。分離した温度センサ32(図3で示される)が、排ガス速度センサ組立体30の近傍に煙道ダクトに沿って設けられることが好ましい。温度センサ30は、熱電対の形態であり、ダクト14に沿って、速度センサ組立体30を過ぎて移動するとき、排ガス流100の温度を検出するために使用され得る。代替的には、排ガス流100の温度は、光学的で検出されてもよい。
図3は、レーザ放出器/光センサ34a、34bの2つの関連する対と、各放出器/光センサの対34a、34bにそれぞれ関連付けられた光リフレクタ36a、36bと、コヒーレント光源として提供される波長可変ダイオードレーザ40とを含むものとして、排ガスセンサ組立体30を最もよく示している。レーザ放出器/光センサ34a、34bの対、および光リフレクタ36a、36bは、実質的に一様な、所定の横断面幾何形状を有するように選択された、かつ互いに対して事前に選択された間隔を備えた煙道ダクトの一部14aに沿って配置されることが好ましい。煙道ダクトの一部14aは、曲がり、または内部の障害を有することなく、一定の円筒形または長方形の横断面輪郭を有して提供されることが最も好ましい。各レーザ放出器/光センサの対34a、34bは、煙道ダクト14の側部に対して中心に向けて取り付けられ、関連する光リフレクタ36a、36bは、概して、それに対向して煙道ダクト14の反対側に、設けられる。レーザ放出器/光センサ34b、およびその関連する光リフレクタ36bは、レーザ放出器/光センサの対34a、および光リフレクタ36aから、燃焼排ガス流100の流れ方向において、長手方向下流に知られた距離だけ離間される。
図4および図5で最もよく示されるように、各レーザ放出器/光センサの対34は、好ましくは、筐体ハウジング54内のモジュール式事前組立体の一部として取り付けられる光放出レンズ50および光受容器52を含む。筐体ハウジング54は、シュラウド56により、煙道ダクト14の内部へと開いている。図4において最もよく示されるように、シュラウド56は、管状の延長部58を備え、それは、排ガス流100内に部分的に、ダクト14の側部から内側方向に突き出すように選択された軸方向長さを有し、関連する光リフレクタ36a、36bに向けて開いている。
任意選択で、加圧されたガス源60を、筐体ハウジング54の内部と流体連通するように設けることができる。過圧されたガス源60は、加圧されたガス流を、ハウジング54の中に導いて、シュラウド延長部58から外に出て、中に蓄積され得る何らかのほこりまたは破片を排出するように選択的に動作可能である。
各光放出レンズ50は、適切な光ケーブル64により、レーザ40と光学的に通じている。本質的ではないが、最も好ましくは、レーザ40は、光スプリッタまたはマルチプレクサ66を備える。光スプリッタ/マルチプレクサ66は、次いで、光ファイバケーブル64を介して、各レーザ放出器/光センサの対34a、34bのレンズ50と光学的に結合される。使用する場合、速度センサ組立体30は、したがって、排ガス流100の一部を横断して、等しい波長を有する別々の入射レーザビーム70a、70bを出力する。
レーザ40において生成されたコヒーレント光ビームは、各放出されるレーザビーム70a、70bとして、各レーザ放出器/光センサの対34a、34bの放出器レンズ50から出力するために、マルチプレクサ66によって別々のエネルギービームへと光学的に分割される。各光放出器レンズ50は、したがって、各出力される入射レーザビーム70a、70bを、煙道ダクト14を横断し、燃焼排ガス流100の中心部分を通って、関連する光リフレクタ36a、36bの方向に放出するように適合される。
簡単化された構成で、光リフレクタ36は、それぞれ、光学的なミラーまたは逆反射器として提供される。光リフレクタ36a、36bに衝突するレーザエネルギーは、燃焼排ガス流100を横断して反射され、戻りの反射ビームとして筐体ハウジング54の中へと戻り(図5で70'として概略的に示される)、そこで、関連する光受容器52によって受け取られる。各光リフレクタ36a、36bは、好ましくは、入射レーザビーム70a、70bの一部を受け取り、反射させて、排ガス流100の中心部分を通して戻すように配置され、レーザ放出器/光センサの対34a、34bの長手方向間隔により、レーザビーム70a、70bは、互いに対して知られた間隔Dにおいて、煙道ダクト14を横断して伝播するようになる。
好ましくは、レーザ放出器/光センサの対34a、34b、およびその関連する光リフレクタ36a、36bは、煙道ダクト14に対して同一の向きおよび位置に設けられる。この構成では、放出され、反射される各関連する入射レーザビーム70a、70b、および反射されたビームエネルギーは、互いに実質的に平行に、かつ煙道ダクト14に沿って移動する燃焼排ガス流100の実質的に同じ部分を通過する。
好ましい構成は、波長可変ダイオードを述べているが、レーザ40は、光スプリッタ/マルチプレクサ66によって、2つの等しいエネルギー成分に分割される、または多重化されるコヒーレント光ビームの出力を生成するように動作され、本発明は限定されない。他のタイプのエネルギー源、および/または個々のコヒーレント光源として別のレーザを使用することもできる。
リフレクタ36a、36bは、反射されたレーザビームエネルギー70'が、各関連する放出器/光センサの対34a、34bの光受容器52へと戻るように、受け取ったビームエネルギーを反射するように位置決めされる。光受容器52は、電子的に光検出器74に結合されており、それにより、光子ビーム70a、70bの各反射された部分のエネルギーが、光受容器52によって受け取られ、検出されて電気信号に変換され、それは、次いで、プロセッサ24に伝達される。プロセッサ24は、吸収標識を識別するために、またより好ましくは、排ガス流100における1つまたは複数の目標とするガス種の濃度を識別するために、各レーザ放出器/光センサの対34a、34bにおいて、各反射された光子ビーム70a、70bから検出されたエネルギーを表している、光検出器74から送信された電気信号を比較する。最も好ましくは、プロセッサ24は、排ガス流の全体的な吸収プロファイル、および/または燃焼排ガス流100内のO2、CH4、CO、および/またはCO2種成分の1つまたは複数に対する吸収プロファイル、ならびに個々の時間点における排ガス流の温度を識別するために使用される。
プロセッサメモリ26はまた、ガス煙道ダクト14の部分14aの幾何形状を表すデータ、ならびにガス煙道ダクト14の長手方向において互いに対する、各放出されたレーザビーム70a、70bの間の長手方向距離Dを表すデータをそこに記憶させていることが好ましい。
プロセッサ24は、特定の温度を有する燃焼排ガス流100の部分、および全体のガス流吸収プロファイルを、および/または排ガス流100におけるその各吸収プロファイルによるO2、CH4、CO、および/またはCO2種の濃度を識別し、上流のレーザ放出器/光センサの対34aにおいて、排ガス流が煙道ダクト14に沿って移動するときのそのガス吸収標識を生成するよう動作する。プロセッサ24は、下流のレーザ放出器/光センサの対34bから受け取ったデータを用いて、実質的に同じ吸収標識を有する排ガス流の部分を識別するようにさらに動作する。第2のレーザ放出器/光センサの対34bにおいて吸収標識を検出することの遅延に基づき、プロセッサ24は、したがって、排ガス流100の速度を、または煙道14に沿った、1つまたは複数の目標とする種のその中の動きを決定することができる。吸収標識の伝播時間を、また好ましくは、各レーザ放出器/光センサの対34a、34bの間の選択されたO2、CH4、CO、および/またはCO2成分の濃度を決定することにより、プロセッサ24は、排ガス煙道ダクト14を通って移動するときの、ダクト14全体にわたる燃焼排ガス流100の真の速度と、煙道ダクト14aの部分の知られた幾何形状に基づく、全体の燃焼排ガスストリーム、または個々の種の体積との両方を計算するように動作することができる。
検出されたガス流の速度および/または体積はまた、メモリ26に記憶された目標とする値、および/または最適化されたプロファイルと比較することができる。システムプロセッサ24は、次いで、加熱動作中の加熱容器12内における、例えば、酸素濃度、投入される供給材料、溶融温度などの1つまたは複数を含む炉入力を調整するための、ならびにスクラバー組立体22の動作パラメータを調整するための制御信号を、実時間で出力するために使用される。
図5は、本発明の好ましい実施形態による、レーザ放出器/光センサの対34の事前組立体に対する好ましい構成を示す。最も好ましくは、各レーザ放出器/光センサの対34は、加熱容器12動作中に、排ガス煙道ダクト14を横断する入射および反射レーザビーム70を原位置で送り、および受け取るために事前に組み立てられる。原位置におけるレーザビームエネルギーの使用は、排ガス速度に加えて、O2パーセンテージ、COパーセンテージ、CO2パーセンテージ(またはそのppm)の迅速かつ信頼性のある測定を可能にするので有利である。本出願人は、排ガス速度を光学的に決定するために、原位置でレーザを使用することは、再較正の必要をなくす、または最小化するので有利であると理解している。
本出願人は、図4および図5で示されたレーザ放出器/光センサの対34の構成はまた、ダクト14内に何らかの電子装置を配置する要件を回避するので有利であり、レーザ40を、ダクトおよび/または高温環境から離れて遠隔に配置できるようにすると理解している。
燃焼排ガス流100において、O2%、CH4%、CO%、および/またはCO2%、濃度、排ガス速度、および燃焼ガスの温度を測定することは、EAFシステムを離れるガス体の炭素の量(ポンドまたはポンド/秒)の計算を可能にすることもまた理解される。脱炭の定性的な特徴および定量的な値は、次いで、EAFランス18の向上させた制御、およびO2注入制御に使用できることも理解される。
さらに実時間モデルはまた、以下のように、脱炭および/またはスラグ酸化を計算することができる。
脱炭
炭素IN(スクラップ+Cinj+メタン)=炭素OUT+浴炭素
炭素OUT=(CO%+CO2%)*下流のOG流
脱炭=dC/dt=炭素OUT/秒
炭素OUT計算は、利用可能な排ガスシステム情報に依存し得る。特に、酸化が効率的であり、炭素が浴内で利用可能な場合、炭素は浴から発生することになり、下流の排ガスシステムにより測定されるものと予測される。
より効率的な酸化の場合、酸素ランス18を用いると、排ガス流100におけるO2および炭素は増加することになり、また炭素の入口が一定のままである場合、浴炭素は減少するものと予測される。したがって、炭素OUT計算(脱炭ポンド/秒)を用いると、ランス18をオン/オフすべき場合にも評価することが可能である。
酸化が効率的ではない場合、高炭素が浴中に残る可能性があり、酸素が注入された場合であっても、炭素OUTは、一定のまま、または減少する。注入された酸素は、FeOの増加を生ずることになる。この特定の状況は、炭素OUTを測定するだけでは検出できない。しかし、炭素INが測定される場合には発見され得る。
したがって、炉制御システム20は、酸素ランス18のO2システムを最適化できるようにし、確実に最高の効率で動作させる。
スラグの酸化
スラグの酸化を以下のようにモデル化できることが提案される、
生成されるスラグの酸化=合計のO2(空気を含む)-炭素OUTに対するO2
これは、ランスO2だけが脱炭できると仮定している、それにより、COを生成し、炉およびトンネルポスト(tunnel post)に入る空気がCOを燃焼する。
その結果、生成されるスラグの酸化=ランスO2-浴からのCOに対するO2。
ここで、浴からのCOのモル=炭素OUTのモル-Cinjのモル-CH4のモル。
特定の理論によって制限されることなく、「生成されるスラグの酸化」の計算は、スラグ(SiO2、MnO、FeO)における酸素の量の直接的な情報を提供することができる。スラグ中のSiおよびMnの量は、加熱ごとに大幅に変化しないと仮定すると、「生成されるスラグ酸化」は、生成されるFeO(ポンド)に依存することになる。FeO%と浴O2ppmの間の基本的な相関が存在し、したがって、計算された「生成されたスラグ酸化」に基づき浴ppmを評価することが可能になり得る。
酸化が効率的である場合、スラグFeOと浴O2ppm(浴中のCと同様)の間の相関は、残るものと予測される。酸化が効率的ではない場合、スラグ中のFeOが増加するが、浴中の炭素は高いままである可能性がある。この状況は、概して「炭素気泡(carbon boil)」反応を生ずるものである。
したがって、前述の内容に基づくと、炉制御システム20はまた、ランス18の最適化、およびシステムへのO2の導入に有用であり、最高の効率で確実に動作できるようにする。したがって、可能なランス18のO2制御は、脱炭曲線、脱炭曲線に対する影響、および/またはスラグ酸化のうちの1つまたは複数に基づいて調整することができる。
スラグ酸化、および/または排ガス特徴に基づいて、終点制御を調整することもできる。
詳細な説明は、2つの関連するレーザ放出器および光センサの対34a、34bを含むものとして好ましい実施形態を述べているが、本発明はそのように限定されない。冗長性および/または精度を高めるために、関連するレーザ放出器/光センサの対34のさらなる対を提供できることも理解されたい。
好ましい実施形態は、コヒーレント光源として波長可変ダイオードレーザ40の使用、およびBOF設備10の一部として炉制御システム20の使用を述べているが、本発明はそのように限定されない。コヒーレント光源に対して異なるエネルギーを使用できることも理解されたい。加えて、本発明の制御システム20は、いくつかの異なる燃焼および産業用炉の用途にも等しく適している。このような用途は、限定することなく、EAF炉など他の製鋼炉、ならびにセメント窯、焼却炉用途、および同様のものを含むことができる。
10 設備
12 加熱容器
14 排ガス煙道ダクト
14a 煙道ダクトの一部
16 鋼および炭素充填ボックス
18 酸素ランス
20 炉制御システム
22 排ガススクラバー組立体
24 プロセッサ
26 メモリ
30 排ガスセンサ組立体
32 温度センサ
34a レーザ放出器/光センサの対
34b レーザ放出器/光センサの対
36a 光リフレクタ
36b 光リフレクタ
40 波長可変ダイオードレーザ
50 光放出レンズ
52 光受容器
54 筐体ハウジング
56 シュラウド
58 管状の延長部
60 加圧されたガス源
64 光ケーブル
66 光スプリッタまたはマルチプレクサ
70 入射および反射レーザビーム
70' 反射レーザビームエネルギー
70a 入射レーザビーム
70b 入射レーザビーム
74 光検出器
100 排ガス流
D 間隔

Claims (29)

  1. 産業用燃焼プロセスの排ガス流の少なくとも一部の速度を感知するための光センサ組立体であって、
    前記排ガス流の第1の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第1のエネルギービーム放出器、および前記第1のエネルギービーム放出器から放出された前記エネルギービームを受け取り、感知するように配置された第1の光センサを備える第1のビーム放出器/光センサの対と、
    前記第1の部分から下流に離間された位置において、前記排ガス流の第2の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第2のエネルギービーム放出器、および前記第2のエネルギービーム放出器から放出された前記エネルギービームを受け取り、感知するように配置された第2の光センサを備える第2のビーム放出器/光センサの対と
    を備え、
    各それぞれのエネルギービームは、前記排ガス流の少なくとも1つの目標とする種の成分の吸収プロファイルに対応する吸収プロファイルを有するビームエネルギーを含み、
    前記第1および第2の光センサは、前記感知されたエネルギービームを表す電子信号を、前記排ガス流の少なくとも1つの目標とするガス種の吸収エネルギープロファイルに前記電子信号を関連付けるように動作可能な処理組立体に出力するように動作可能であり、前記処理組立体は、
    前記第1のビーム放出器/光センサの対の少なくとも一部に対する第1の位置において、前記排ガス流のガス吸収標識を識別するために、前記第1の光センサから受け取った前記電子信号を関連付け、
    前記第2のビーム放出器/光センサの対の少なくとも一部に対する第2の位置において、前記ガス吸収標識の生成を識別するために、前記第2の光センサから受け取った前記電子信号を関連付け、
    前記第1および第2の位置における前記ガス吸収標識の前記識別の間の時間に少なくとも部分的に基づいて、前記排ガス流の少なくとも一部の識別された速度に基づく出力信号を提供する
    ように選択される、光センサ組立体。
  2. 前記産業用燃焼プロセスの排ガス流は、煙道ダクトを通って移動する炉排ガス流を含み、前記第1のビーム放出器/光センサの対は、前記煙道ダクトの第1の上流部分に配置され、前記第2のビーム放出器/光センサの対は、上流の前記第1の位置から下流に距離を空けた前記煙道ダクトの第2の部分に配置される。請求項1に記載のセンサ組立体。
  3. 前記第1および第2のビーム放出器/光センサの対のそれぞれのエネルギービーム放出器および光センサは、煙道ダクトの第1の側部に配置するために、組み合わされたビーム放出器/受容器ヘッドの一部として提供され、前記第1および第2のビーム放出器/光センサの対のそれぞれは、関連するリフレクタ組立体をさらに含み、
    各リフレクタ組立体は、放出された前記各エネルギービームを受け入れ、前記関連するビーム放出器/光センサの対の前記光センサに向けて反射するように選択された前記煙道ダクトのさらなる側部上に配置するように提供される、請求項1または2に記載のセンサ組立体。
  4. 前記光センサ組立体は、炉制御システムの一部を備え、前記出力信号は、前記排ガス流の少なくとも一部の決定された速度に基づく炉制御信号を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  5. 前記第1のビーム放出器/光センサの対と、前記第2のビーム放出器/光センサの対との間の煙道ダクトの部分は、所定の幾何形状を有し、前記処理組立体は、前記排ガス流および/またはそのガス種の速度および体積の少なくとも一方のインジケータとして、前記出力信号を提供するように動作可能である、請求項1から4のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  6. 前記処理組立体は、制御信号を出力して、前記出力信号に応じて、炉燃焼入力および/または下流の汚染制御装置の少なくとも一方を制御するように動作可能である、請求項1から5のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  7. 所定の幾何形状は、実質的に一様な幾何形状を備え、および/または前記第1のビーム放出器/光センサの対、および前記第2のビーム放出器/光センサの対は、実質的に同一の向きで、煙道ダクトに対して取り付けられる、請求項1から6のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  8. 前記第1のビーム放出器/光センサの対は、前記第2のビーム放出器/光センサの対から、約0.3メートルから約5メートル、好ましくは、0.5メートルから3メートル、最も好ましくは、約0.7メートルから1.5メートルの間の選択された距離だけ離間される、請求項1から7のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  9. 前記第1および第2のビーム放出器のそれぞれは、コヒーレント光ビームを、好ましくは、波長可変ダイオードレーザビームを放出するように動作可能なコヒーレント光ビーム放出器を備える、請求項1から8のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  10. センサ組立体は、ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにレーザビームを出力するように動作可能な波長可変ダイオードレーザとをさらに備え、前記ビームスプリッタは、コヒーレント光ビームとして出力するために、実質的に均一に分割されたレーザビームエネルギーを光学的に伝達するように、前記第1および第2のビーム放出器のそれぞれに光学的に結合される、請求項1から9のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  11. 前記目標とする種は、O2、CH4、H2O、CO、およびCO2からなる群から選択された1つまたは複数を含む、請求項1から10のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  12. 前記産業用燃焼プロセスは、製鋼プロセスであり、より好ましくは、基本酸素炉または電気アーク炉製鋼プロセスである、請求項1から11のいずれか一項に記載のセンサ組立体。
  13. プロセッサと、炉の燃焼プロセスの排ガス流の少なくとも一部の速度を感知するために、前記プロセッサと電子的に通信するセンサ組立体とを備える産業用炉に対する制御システムであって、前記センサ組立体は、
    前記排ガス流の第1の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第1のエネルギービーム放出器、および前記第1のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第1のビームセンサを備える第1のビーム放出器/光センサの対と、
    前記第1の部分から下流に離間された位置において、前記排ガス流の第2の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第2のエネルギービーム放出器、および前記第2のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第2のビームセンサを備える第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対と
    を備え、
    各それぞれのエネルギービームは、前記排ガス流の少なくとも1つの目標とする種の成分の吸収プロファイルに対応する吸収プロファイルを有するビームエネルギーを含み、
    前記第1および第2のビームセンサは、前記感知されたエネルギービームを表す電子信号をプロセッサに出力するように動作可能であり、前記プロセッサは、
    前記第1のビームセンサから受け取った前記電子信号を、前記排ガス流の少なくとも1つの、好ましくは複数の、目標とするガス種の吸収エネルギープロファイルに関連付け、第1の位置における前記排ガス流のガス吸収標識を識別し、
    前記第2のビームセンサから受け取った前記電子信号を、前記排ガス流の少なくとも1つの、好ましくは複数の、目標とするガス種の吸収プロファイルに関連付け、前記第1の位置から間隔を空けた第2の位置において、前記ガス吸収標識の生成を識別し、
    前記第1の位置および前記第2の位置における前記ガス吸収標識の識別の間の時間差に少なくとも部分的に基づいて、前記排ガス流の少なくとも一部の流速および/または体積の少なくとも一方を決定し、前記決定に基づいて、前記炉の燃焼プロセス、および下流の排ガス流汚染制御装置の少なくとも一方に対する制御信号を出力する
    ように動作可能なプログラム命令を含む、制御システム。
  14. 産業用の炉は、
    前記排ガス流を導くための煙道ダクト
    をさらに備え、
    前記第1および第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対のそれぞれのエネルギービーム放出器およびビームセンサは、前記煙道ダクトの長手方向に離間された側部に沿って配置されるように、組み合わされたビーム放出器/受容器ヘッドの一部として提供され、前記第1および第2のビーム放出器/光センサの対のそれぞれは、関連するリフレクタ組立体をさらに含み、
    各リフレクタ組立体は、前記関連するビーム放出器/受容器ヘッドの概して反対側の前記煙道ダクトの側部に沿って配置されるように設けられ、前記排ガス流の概して中心部分を通して放出された各エネルギービームを受け取り、前記関連するビームセンサの方向に反射するように構成される、請求項13に記載の制御システム。
  15. ビーム放出器/受容器ヘッドは、煙道ダクトに対して開いた中空の内部を有する管状のシュラウドを含み、前記ビーム放出器/受容器ヘッドは、前記シュラウドの内側に沿ってビームエネルギーを放出し、受け取るように構成され、
    パージングガス源は、前記シュラウドの中に蓄積されたほこりまたは破片を取り除くように選択された前記シュラウドの内側に沿って、パージングガス流の流れを導入するように選択的に動作可能である、請求項13または14に記載の制御システム。
  16. 前記第1のビーム放出器/エネルギービームセンサの対と、前記第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対との間にある煙道ダクトの部分は、所定の一様な幾何形状を有し、前記プロセッサは、前記排ガス流の、またはその前記ガス種の1つまたは複数の前記決定された流速および/または体積に応じて、前記制御信号を提供するように動作可能である、請求項13から15のいずれか一項に記載の制御システム。
  17. 煙道ダクトは、前記第1のビーム放出器/エネルギービームセンサと、前記第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの間の実質的に一様な幾何形状により特徴付けられ、
    前記第1のビーム放出器/エネルギービームセンサの対、および前記第2のビーム放出器/エネルギービームセンサの対は、実質的に同じ相対的な向きで前記煙道ダクトに取り付けられ、
    前記第1のビーム放出器/エネルギービームセンサの対は、前記第2のビーム放出器/エネルギーセンサの対から下流に、約0.3メートルから約7メートル、好ましくは、約0.5メートルから3メートルの間で選択された距離だけ離間される、請求項13から16のいずれか一項に記載の制御システム。
  18. 前記第1および第2のビーム放出器のそれぞれは、コヒーレント光ビームを放出するように動作可能なコヒーレント光ビーム放出器を備え、前記第1および第2のビームセンサのそれぞれは、光センサを含む、請求項13から17のいずれか一項に記載の制御システム。
  19. 前記センサ組立体は、ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにレーザビームを出力するように動作可能な波長可変ダイオードレーザとをさらに備え、前記ビームスプリッタは、前記第1および第2のビーム放出器のそれぞれに対して、前記エネルギービームとして、そこから出力される分割されたレーザビームエネルギーを光学的に伝達するように、光学的に結合される、請求項13から18のいずれか一項に記載の制御システム。
  20. 前記目標とする種は、O2、CH4、H2O、CO、およびCO2からなる群から選択された1つまたは複数を含み、前記ガス吸収標識は、少なくとも1つの目標とする種の標識を含む、請求項13から19のいずれか一項に記載の制御システム。
  21. 前記産業用炉は、基本酸素炉および電気アーク炉からなる群から選択された製鋼炉を備える、請求項13から20のいずれか一項に記載の制御システム。
  22. 燃焼プロセスの排ガス流は、製鋼炉からの排ガス流を含み、前記排ガス流の前記目標とする種の成分は、COおよびCO2を含み、
    前記製鋼炉は、鉄源および炭素を含む材料を加熱するための加熱容器と、前記加熱容器の中に酸素を選択的に導入するためのランスとを備え、
    出力信号は、前記排ガス流におけるCOおよび/またはCO2の検出された体積に少なくとも部分的に基づいて、ランス動作を制限するように選択されたランス制御信号を含む炉制御信号を含むことを特徴とする、請求項1から21のいずれか一項に記載のセンサ組立体の使用法。
  23. 前記処理組立体は、前記加熱容器における前記炭素を含む材料の投入された量を表すデータを受け取るようにさらに動作可能であり、ランス制御信号は、前記データに少なくとも部分的に基づく、請求項22に記載の使用法。
  24. 前記データは、製鋼加熱中に、実質的に実時間で受け取られる、請求項23に記載の使用法。
  25. 前記ランス制御信号は、前記製鋼炉におけるスラグ酸化および溶融脱炭の少なくとも一方を制御するように選択される、請求項22から24のいずれか一項に記載の使用法。
  26. 製鋼炉は、基本酸素炉を備え、燃焼プロセスの排ガス流は、基本酸素炉の排ガス流を含む、請求項1から25のいずれか一項に記載の使用法。
  27. 製鋼炉は電気アーク炉を備え、燃焼プロセスの排ガス流は電気アーク炉排ガス流を含む、請求項1から25のいずれか一項に記載の使用法。
  28. 産業用燃焼プロセスの排ガス流の少なくとも一部の速度を感知するための光センサ組立体であって、
    前記排ガス流の第1の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第1のエネルギービーム放出器、および前記第1のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第1の光センサを備える第1のビーム放出器/光センサの対と、
    前記第1の部分から下流に離間された位置において、前記排ガス流の第2の部分を通る各エネルギービームを放出するように動作可能な第2のエネルギービーム放出器、および前記第2のエネルギービーム放出器から放出されたエネルギービームを受け取り、感知するように配置された第2の光センサを備える第2のビーム放出器/光センサの対と
    を備え、
    前記第1および第2の光センサは、前記感知されたエネルギービームを表す電子信号を、前記排ガス流のエネルギー吸収標識に前記電子信号を関連付けるように動作可能な処理組立体に出力するように動作可能であり、前記処理組立体は、
    前記第1のビーム放出器/光センサの対の少なくとも一部に対する第1の位置において、排ガス流の前記エネルギー吸収標識を識別するために、前記第1の光センサから受け取った前記電子信号を関連付け、
    前記第2のビーム放出器/光センサの対の少なくとも一部に対する第2の位置において、前記エネルギー吸収標識の生成を識別するために、前記第2の光センサから受け取った前記電子信号を関連付け、
    前記第1および第2の位置における前記エネルギー吸収標識の前記識別の間の時間に少なくとも部分的に基づいて、前記排ガス流の少なくとも一部の識別された速度に基づく出力信号を提供する
    ように選択される、光センサ組立体。
  29. 各エネルギービームは、前記排ガス流の少なくとも1つの目標とする種の成分の吸収プロファイルに対応する吸収プロファイルを有するエネルギーを含み、前記エネルギー吸収標識は、全体的に感知されたエネルギービーム、前記少なくとも1つの目標とする種の前記吸収プロファイルに対応する感知されたエネルギー、およびこれらの組合せからなる群から選択された少なくとも1つを含む、請求項28に記載のセンサ組立体。
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