TW201348669A - 加熱金屬的方法和設備 - Google Patents

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Abstract

本發明關於在具有加熱艙、裝料門(charging door)、排氣流埠及排氣流導管的爐中加熱含有不含鐵及/或含鐵金屬的原料之方法，該方法包含：a)通過燃燒器將燃料及含氧氣體引進該爐的加熱艙以便形成火焰，b)監測至少一裝設於該加熱艙及/或該排氣流導管內的光學感測器的信號，c)監測該排氣流的溫度T隨時間的變化(dT/dt)，及d)把步驟a)中的燃料：氧比率當作該(等)火焰感測器的信號及該排氣流中的dT/dt之函數調節，並且，關於為實施該方法而設計的設備。

Description

加熱金屬的方法和設備
本發明關於在具有加熱艙、裝料門、排氣流埠及排氣流導管的爐中加熱含有不含鐵及/或含鐵金屬的原料之方法，其中將燃料及含氧氣體引進該爐以便形成火焰，並且關於用於進行該方法的設備。加熱的意思包括熔融、加熱、再循環、冶煉及藉由施加熱能處理金屬。
於爐中加熱含有不含鐵及/或含鐵金屬的原料，特別是含鋁原料在此技藝中眾所周知。在這些製程中發生的問題是用於加熱的原料的組成和品質通常會變化。舉例來說，有機組分例如油類、漆、紙張、塑膠品、橡膠、顏料、塗料等等可能存在於被加熱的材料中。當達到蒸發溫度時這些有機材料被熱解而且，當氧不足時，以CO或未燃燒的烴類的形式帶出該爐的排氣導管。這些氣體清潔系統通常無法用以從該排氣流完全清除這些不想要的有毒物質，因而若沒採取進一步的測量該等有毒物質就排到環境中。
在此技藝中，已經有人做過許多嘗試改善在該爐中的燃燒效率以便降低該等有毒物質排到環境中。舉例來 說，在US 7,462,218、US 7,648,558及US 7,655,067中揭示多個製程，其中測量排氣中的CO及/或H2濃度變化及其溫度，並且相應地調節到該爐的燃料流量。
EP 553 632揭示連續測量來自該爐的排氣流溫度之製程而且，當該溫度超過預定值時，提高該爐中的氧含量。
在EP 1 243 663中，揭示一種製程，其中測量該爐的排氣中的O2含量並且接著使用此測量結果作為供控制單元用的引導變數。
WO 2004/108975揭示一種製程，其中測量該爐的排氣中的O2和CO含量並且使用此測量結果控制額外的氧噴射。
最後，在EP 756 014中，揭示一種製程，其中測量該爐的排氣中的烴類濃度並且將引進該爐中的氧體積及/或燃燒體積調設為前述物質被測到的濃度之函數。
在此以引用的方式將先前驗明的專利及專利申請案的揭示內容併入本文。
儘管有這些先前技藝的製程，但是為了將有毒物質，例如CO及烴類，排到環境中減至最少並且提高該爐的總體效率，仍然需要改良的加熱製程控制，特別是在加熱爐中進行的燃燒。
因此本發明的目的在於提供這樣的改良製程，特別是用於重度有機污染原料的加熱。
本發明係基於改良的加熱製程控制可藉由同時監測該排氣的燃燒強度及該爐的排氣流溫度變化dT/dt，並且把引進該爐的燃料：氧比率當作該燃燒強度的信號及該排氣流的dT/dt之函數調節。燃燒強度的意思表示通常使用紫外線或紅外線感測器或火焰監測裝置測量從燃燒製程放射的輻射強度。
在本發明之一方面中，該燃燒強度係使用光學偵測系統來監測。適合的光學偵測系統的實例包含火焰感測器。
因此本發明提供一種在爐中加熱含有不含鐵及/或含鐵金屬的原料之方法，該爐具有加熱艙、裝料門、排氣流埠及排氣流導管，該方法包含：a)通過燃燒器將燃料及含氧氣體引進該爐的加熱艙以便形成火焰，b)監測至少一裝設於該加熱艙及/或該排氣流導管內的光學感測器的信號，c)監測該排氣流的溫度T隨時間的變化(dT/dt)，及d)把步驟a)中的燃料：氧比率當作該(等)火焰感測器的信號及該排氣流中的dT/dt之函數調節。
該排氣流埠意指在爐氣體預定排出該爐的情形中從該爐排出的位置。該排氣埠係係任意直接連至密封式排氣流導管，或與開放式排氣流導管(例如，開放式排氣流導管允許挾帶周遭的空氣)。該排氣流導管意指與從開放式或密閉式排氣流導管輸送該排氣流相關的導管作業。
在本發明的一方面中，監測該至少一光學感測器 的信號包含裝設於該加熱艙及該排氣流導管之至少其一內的火焰感測器。
根據本發明的方法能改良該加熱製程的控制，尤其是重度有機污染原料的加熱。特別是，該方法能回應監測到的參數迅速並且精確調節引進該爐的燃料：氧比率。文中將該“燃料：氧比率”定義為燃料與氧之間的莫耳比率。
由此，該加熱製程可加以控制以便使，儘可能地，該爐中可利用的所有可燃性材料的燃燒在該爐內部完成。這導致有毒物質，例如CO及烴類，的排放減少而且藉由維持該爐內部的有機化合物的燃燒熱能而提高該爐效率。此外，達成於導管中顯著更低的排氣溫度，其防止排氣導管由於過熱而損壞。再者，藉由降低該排氣溫度，被該排氣流攜入過濾系統的塵粒不會燒結於輸送管道系統中，那可能必需額外的清潔和保養工作。
又再者，由於較高的爐效率，而能使用該含於進料中的可燃性污染物的發熱量達成較低的燃料消耗量。最後，該系統可完全自動化使該爐的操作變得更容易並且防止1作業的錯誤。
該(等)光學感測器或火焰感測器較佳係設置用於傳送依據燃燒強度而逐漸或甚至更佳地連續變化的信號，而且最佳係設置用於傳送與燃燒強度成正比的信號。這可藉由僅使用一光學感測器，例如紅外線感測器，或藉由使用許多感測器，例如紫外線感測器，達成。
在本發明的一方面中，監測燃燒強度包含監測無 焰燃燒或沒見到火焰的燃燒。
在一較佳具體實施例中，根據本發明的方法中的爐係轉筒狀爐(rotating cylindrical furnace)，所謂的轉鼓式爐。
轉鼓式爐係有益地用於特別是高污染原料的加熱。該爐的旋轉運動可順應為了加熱而引進該爐的原料的本質及組成。
本發明的方法尤其適用於含鋁原料的加熱而且，因此，在此方法中該不含鐵及/或含鐵金屬較佳為鋁。
在本發明的方法中的燃料：氧比率較佳為藉由變化引進該爐的氧量及/或變化引進該爐的燃料量而調節。
特別是，當(重度)有機污染原料裝入加熱爐中時，存在於該爐中的所有可燃物的燃燒程度隨著污染物的量和本質而變化。再者，尤其是於轉鼓式爐中，該裝填材料的新表面一再地沒覆蓋使釋於氣相中的可燃性污染物的量隨時間而變化。
由此，該燃料：氧比率的調節能以儘可能使該爐中的所有可燃物完全在彼內燃燒的方式引發，亦即保持於該爐內燃燒。依據該(等)光學感測器的信號及該排氣流的溫度變化dT/dt之值，提高或降低引進該爐的氧量，及/或提高或降低引進該爐的燃料量。
舉例來說，該爐釋出的有機污染物量增加時，因為該爐中的燃燒不完全所以該排氣流的溫度通常會升高。在此案例中，例如把額外的氧引進該爐及/或到該燃燒器的燃料減量以保持於該爐內燃燒，亦即於該爐內完成燃燒。
在以天然氣作為該燃料的本發明之一具體實施例中，該燃料：氧比率較佳可於約1：2，其基本上為燃燒天然氣的化學計量比，至約1：6、約1：16或甚至約1：20的範圍內調節。關於使用不同燃料的具體實施例該燃料：氧比率較佳可於相應的範圍內調節，亦即從化學計量比至比該化學計量比小3、8或甚至10倍的比率。
在一較佳具體實施例中，該燃燒器中的燃料流量係藉由啟動壓縮空氣或快閉閥(slam shut valve)來控制。這樣的閥讓該燃料流量能非常快速調節。
在使用轉鼓式爐的本發明之一具體實施例中，該爐的旋轉運動也可依據該排氣流的溫度變化dT/dt及該(等)光學感測器的信號之值來調節。
較佳地，在本發明的方法中該至少一光學感測器係裝設於該爐的排氣流導管內。
更佳地，該至少一光學感測器係置於接近該爐的排氣流埠，所以測到的尤其是該爐出口附近的燃燒強度。
在步驟b)中監測該(等)光學感測器的信號及在步驟c)中監測該爐排氣流的溫度變化dT/dt較佳於二分開的位置處完成。
較佳地，在該(等)光學感測器的下游記錄該爐排氣流的溫度變化dT/dt。
除了監測光學感測器的信號之外還監測該排氣流的溫度變化(dT/dt)得到被加熱的原料的污染指標並且進而改善該加熱製程控制的可靠度。特別是，可以分辨由於鹽類 及其他組分的引起光學感測器信號的假正數。
該排氣流的溫度變化dT/dt較佳係於該爐的排氣流導管內測量。
在步驟b)中的光學感測器較佳而且有益的是紅外線火焰掃描器。
紅外線火焰掃描器的性質讓本發明的方法能僅使用其中之一者。
通常，紅外線火焰掃描器使用火焰的閃爍來區分紅外線信號與非火焰來源，例如熱壁，的紅外線信號。
較佳的紅外線火焰掃描器因此創造出如同紅外線輻射變化的函數之信號。
紅外線火焰掃描器的輻射偵測器通常是對紅外線敏感的光電阻器，該光電阻器對於在1至3 μm範圍中的波長之輻射敏感(例如，該等紅外線火焰掃描器偵測輻射的變化)。此濾波屬於窄帶，所以能近乎完全利用帶有變化無常的頻率及變化率之火焰特有的輻射。也就是說，該等紅外線火焰掃描器偵測由火焰產生的輻射，該輻射接著是燃燒強度的間接度量。
該偵測器的類比輸出信號(其可能，舉例來說，介於0與+5 V之間)，係燃燒強度的度量。
該排氣流隨時間的溫度變化dT/dt較佳藉由一或更多熱電耦來測量。該(等)熱電耦測定該排氣流的溫度並且接著計算dT/dt。
該(等)熱電耦可位於該排氣流中及/或該導管中 的多重位置，但是較佳地，位於接近該(等)光學感測器。
較佳地，把步驟d)中的燃料：氧比率當作該(等)光學感測器的信號及該排氣流中的dT/dt之函數調節包含下列程序：i)降低正常的最小燃料流量，較佳為降至可靠的最小燃料流量，ii)依據該火焰信號感測器的位準增加引進該爐的氧量，iii)在預定時間期間以預定速率把該氧量緩降至正常水準，iv)當步驟iii)完成時使該燃料流量回復正常。
為了避免不欲地啟動該程序，較佳為設定啟動條件。由此，為了開始以上的程序i)至iv)該等啟動條件較佳使得來自該光學感測器的信號必須高於預定水準，而且同時，該排氣流的溫度變化必須高於預定值。
在本發明的方法之一較佳具體實施例中，該裝料門及該排氣流埠係設置於該爐的加熱艙的相對側。
再者較佳為該燃燒器(燃料及該含氧氣體通過彼引進該爐)係位於設置該排氣流埠的相同側。
由此，引進該爐的加熱艙之燃料/含氧氣體及廢氣的流動方向係於相反方向。
較佳地，在該爐的加熱艙中僅有一燃燒器，燃料及含氧氣體通過彼引進該爐)。
又再者，較佳地該裝料門及燃料和該含氧氣體引進該爐的位置係位於該爐的加熱艙的相對側。必要的話，這 些特徵可在同一側。
此具體實施例讓該裝料門能具有密封組態而且進而讓該爐能完全封閉以防空氣滲入。
EP 756 014中有述及一轉鼓式加熱爐，其中該裝料門及該排氣流埠位於該爐的加熱艙的相對側，而且其中該燃料及該含氧氣體通過燃燒器從與設置該排氣流埠的同一側引進該爐。在此以引用的方式將此文件的揭示內容併入本文。
尤其是，把EP 756 014中描述的該爐的所有具體實施例均併入本文作為本發明的方法中的爐之較佳具體實施例。
在本發明的方法中，更佳為額外的含氧氣體(例如，含有高於空氣的氧濃度之氣體)係通過噴管引進該爐。
這有時候也意味著"分級"。其用以改善火焰穿入該爐的加熱艙並且引發加熱艙內的混合。
該噴管較佳以超音速的方式操作，透過該噴管於超音速下引導氣體。
較佳地，該噴管係置於該爐中以便使引進該爐的額外含氧氣體推昇該燃燒器火焰，更佳地該噴管係位於該燃燒器上方並且引進額外的含氧氣體以便使該燃燒器火焰增強(例如，拉長)。該額外的氧能增進點火速率並且能接著提高燃料的使用率。
較佳有達於70體積%的總氧量通過上述噴管引進該爐。
這樣便能調節火焰長度並且在較佳是該加熱艙 上部創造一後燃燒帶。
該燃燒器及/或該噴管的含氧氣體較佳具有至少80體積%，更佳為至少95體積%的氧含量。
在本發明的方法中，該進料係通過該裝料門批次地或以連續方式引進該爐。
再者本發明適於用於任何上述具體實施例中的本發明方法之設備。
特別是，本發明也屬於包含一爐的設備，該爐具有加熱艙、裝料門、排氣流埠和排氣流導管，及a)用於將燃料及含氧氣體引進該加熱艙以便形成火焰的燃燒器，b)至少一裝設於該加熱艙及/或該排氣流導管(例如，任意為密封式或開放式排氣流導管)內的光學感測器，c)用於監測該排氣流的溫度T隨時間的變化(dT/dt)的裝置，及d)用於把步驟a)中的燃料：氧比率當作該(等)光學感測器的信號及該排氣流中的dT/dt之函數調節的裝置。
所有上述本發明方法的具體實施例也適用於適合的設備。
1‧‧‧圓筒形轉鼓式爐
2‧‧‧裝料門
3‧‧‧加熱燃燒器
4‧‧‧排氣導管
5‧‧‧熱電耦
6‧‧‧進料
7‧‧‧排氣流埠
8‧‧‧噴管
9‧‧‧火焰
10‧‧‧紅外線火焰掃描器
11‧‧‧加熱艙
圖1顯示預定用於進行根據本發明的方法之依據本發明的設備之具體實施例，轉鼓式爐，的截面圖。
圖2顯示進行鋁屑加熱而不依據本發明調節該氧：燃料比率的加熱爐的排氣流之溫度發展。
圖3顯示進行鋁屑加熱同時依據本發明調節該氧：燃料比率的加熱爐的排氣流之溫度發展。
實施例
現在本發明將藉由較佳具體實施例的方式參照附圖進一步詳細地描述。
在圖1中，顯示一圓筒形轉鼓式爐1。該冶煉的進料6沉積於該爐1的加熱艙11中。該爐1的加熱艙11的兩端逐漸尖細。裝料門2安裝於一端，該進料6通過該裝料門2引進或帶出該爐。該裝料門2可於該裝料事件最終連至該密封起來的加熱艙11。
於相對於該裝料門2端的爐1之加熱艙11末端安裝一加熱燃燒器3。該加熱燃燒器3與排氣管位於該爐的相同側。在一些案例中，該燃燒器3係位於該排氣導管4所連接的排氣流埠7附近或該排氣流埠7中(例如，以允許源於加熱的排氣流排出)。在該排氣導管4中配置一熱電耦5，利用該熱電耦5測量該排氣流的溫度並且從該數據計算溫度變化dT/dt。在該爐1的排氣導管4中接近該熱電耦5處把一紅外線火焰掃描器10安裝於該熱電耦5上游。
在該加熱艙11運轉時該加熱艙11的裝料門2與該加熱艙11一同旋轉。但是，於相對側的加熱燃燒器3及排 氣導管4不旋轉。
在該加熱製程中火焰9係由延伸至該爐1的加熱艙11中的燃燒器3產生。通常，該火焰伸入該爐長度的至少三分之二。由於該火焰9的施熱使該進料6被加熱並且通常隨著該爐1的加熱艙11的連續旋轉而熔融以便達成該原料6或多或少的一致加熱。
任意地，噴管8可存在於燃燒器3上方，通過該噴管8把另外的氧/含氧氣體引進該爐1的加熱艙11以便推昇該火焰9。該噴管8可位於包括該爐的相同或不同側在內的任何適合位置作為該燃燒器。
通過排氣流埠7把從此加熱程序出現的排氣流引進排氣導管4，藉以使該排氣流流過該加熱燃燒器3的火焰以便使含於廢氣中的有毒物質例如烴類能被燒掉。
把加於該燃燒器3之燃燒所需的燃料及/或燃燒空氣(combustion air)或氧的體積，而且也任意地把該爐1的加熱艙11的旋轉，當作設置於該排氣導管4中的熱電耦5及火焰掃描器10的訊號之函數調節。由此，使該爐1的加熱艙11所供給的能量，源於該燃料的燃燒及污染物的焚燒之組合，保持恆定，以確保該加熱程序的均勻連續發生並且使源於該加熱製程的廢氣中的有毒物質最少化。
於該加熱製程開始時先使存於該進料6中的有機組分熱解，造成於該加熱艙11中的高濃度烴類。為了補償該情況，啟動根據該排氣流的溫度變化dT/dt及來自該紅外線火焰掃描器的信號之下述程序。
藉由供入該加熱艙11中之額外的氧及減量的燃料，使存在於該加熱艙11中的烴類焚燒以便降低其濃度。
當可藉由該排氣流的溫度變化dT/dt的減量偵測之進料6的有機組分的蒸發完成之後，該燃燒器3再以化學計量或稍低於化學計量及提高的點火速率運轉以便使該爐1中經由該燃燒器3的燃料利用率提高並且快速達到該進料6的加熱，該爐1中的氧濃度微小以致於能避免鋁的損失。
當中，在加熱的期間源於熱解的有毒物質例如烴類以體積計的濃度取決於該爐1的加熱艙11的旋轉速度，因此該加熱艙11的旋轉運動可藉由該熱電耦5及該火焰掃描器10的信號調節以便進一步將有毒物質的體積減至最少。
在此轉鼓式爐1的具體實施例中，氧及燃料引進該加熱艙11的量的調節能根據該光學感測器(紅外線火焰掃描器)的信號及該排氣流的溫度變化dT/dt以下列方式完成：裝設於該排氣導管中的火焰掃描器10以變化於0與100%之間的電子類比信號的方式偵測輻射及進而該火焰強度的變化。同時，在該導管中的熱電耦5測量該排氣流的溫度。
把二信號供入一控制裝置，在該控制裝置以電子方式計算測到的溫度之變化dT/dt。該控制裝置藉由下列程序造成根據二信號的氧及/或燃料調節：i)使實際燃料流量Qf,act降至可靠的最低值Qf,set，ii)依據該紅外線火焰掃描器的信號位準增加引進該爐的氧量QO2,act， iii)在預定時間期間使氧量QO2,act以預定速率緩降至正常水準，iv)當完成時使燃料流量Qf,act回復正常加熱條件Qf,set,norm。
依據進料的調節及品質，此程序可在完成裝填之後開始數次並且關閉爐門2。
為了避免不欲地啟動此程序，得調設起動條件，對於個別爐而言起動條件可能不同。因此，為了開始上述程序該等起動條件使該紅外線火焰掃描器的信號必須高於預定位準，而且同時，該排氣流中的溫度變化dT/dtset,start必須高於預定值。
再者，預調設第二溫度變化點dT/dtset,stop以供停用該調節程序，其讓某些遲滯作用能加入該系統並且防止假信號偵測。
為了允許於不同溫度位準的不同調節，可增加第二組參數。這必須涵蓋下列情況，當在較高或較低溫度帶中操作時應該運合不同溫度變化啟動/停用該系統。
根據該紅外線掃描器的信號(IRact)計算額外的氧之需求。IRact與氧流量增量QO2之間有關係存在。
接著於該控制單元中計算引進加熱艙11所需的總氧流量QO2,act。
該系統接著經由斜線上升計算降低QO2,add。
若在斜線降低的期間發生另一個來自該紅外線火焰掃描器的信號峰，其具有比該斜線上升的實際位置更高 的對應氧位準，便計算新的氧流速並且再利用新值開始斜線上升。
當舉例來說由於重複斜線上升再開始，而達到關閉該裝料門2之後的最大時間時，該系統也可因為安全的理由停用或阻止啟動。也可調設最大啟動時間以免錯的參數導致持續不斷的富氧操作。
儘管已經描述關於舉例來說轉鼓式爐的調節程序，但是也同樣適用於其他加熱爐的具體實施例。
從圖2與3之間的比較可見到該加熱爐的排氣流溫度更均勻，特別是能避免(遠)高於1150℃的溫度峰。這表示能儘可能避免該加熱艙11中過量可燃物引起該排氣導管4中的燃燒。
1‧‧‧圓筒形轉鼓式爐
2‧‧‧裝料門
3‧‧‧加熱燃燒器
4‧‧‧排氣導管
5‧‧‧熱電耦
6‧‧‧進料
7‧‧‧排氣流埠
8‧‧‧噴管
9‧‧‧火焰
10‧‧‧紅外線火焰掃描器
11‧‧‧加熱艙

Claims (16)

  1. 一種在爐中加熱含有不含鐵及/或含鐵金屬的原料之方法，該爐具有加熱艙、裝料門、排氣流埠及排氣流導管，該方法包含：a)通過燃燒器將燃料及含氧氣體引進該爐的加熱艙以便形成火焰，b)監測至少一裝設於該加熱艙及/或該排氣流導管內的光學感測器的信號，c)監測該排氣流的溫度T隨時間的變化(dT/dt)，及d)把步驟a)中的燃料：氧比率當作該(等)火焰感測器的信號及該排氣流中的dT/dt之函數調節。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該爐係轉鼓式爐(rotary drum furnace)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該不含鐵及/或含鐵金屬係鋁。
  4. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該燃料：氧比率係藉由變化引進該爐的氧量及/或變化引進該爐的燃料量來調節。
  5. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該至少一光學感測器係裝設於該爐的排氣流導管內。
  6. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該爐的排氣流的dT/dt係於該(等)光學感測器位置的下游做記錄。
  7. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該至少一光學感測器係紅外線感測器。
  8. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該爐的排氣流的dT/dt係以熱電耦測量。
  9. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該裝料門及該排氣流埠係位於該爐的相對側。
  10. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該燃料及該含氧氣體係從設置該排氣流埠的相同側引進該爐。
  11. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中額外的含氧氣體係通過噴管引進該爐。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該噴管係置於使引進該爐的額外含氧氣體能推昇該燃燒器火焰的地方。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該噴管係置於該燃燒器上方。
  14. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中進料係通過該裝料門以連續方式引進該爐。
  15. 如前述申請專利範圍中任一項之方法，其中該含氧氣體具有至少80%的氧含量。
  16. 一種用於進行申請專利範圍第1項的方法之設備，其包含一具有加熱艙、裝料門、排氣流埠及排氣流導管的爐，及a)用於將燃料及含氧氣體引進該加熱艙以便形成火焰的燃燒器，b)至少一裝設於該加熱艙及/或該排氣流導管內的光學感測器，c)用於監測該排氣流的溫度T隨時間的變化(dT/dt)的裝置，及d)用於把步驟a)中的燃料：氧比率當作該(等)火焰感測器的信號及該排氣流中的dT/dt之函數調節的裝置。
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