用于燃燒過程的集成傳感器系統和方法與流程

本申請要求于2014年10月10日提交的美國臨時申請號62/062578的優先權，其全部內容通過引用并入本文。

背景技術：
的描述

本申請涉及集成到爐中以改進爐中燃燒過程的操作的傳感器系統，包括但不限于過程效率、產量和產量。

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

最典型地，基于將熱電偶(TC)的溫度測量與預定設定點(T_SP)進行比較來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，耐火墻和產品表面))拾取“直接輻射”。被加熱和/或熔化的爐料或產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熱性而進入(進入爐料的主體)入射能量。然而，耐火壁表面(其具有較低的熱導率)和開放的TC，T_OPEN，繼續被輻射并且溫度增加。這導致實際產品溫度T_PROD(在產品表面處或作為散裝產品的平均溫度測量)之間的偏差，并且特別地，T_OPEN可以超過T_PROD幾度甚至幾百度。因此，由于控制熱電偶T_OPEN的溫度在實際產品溫度T_PROD之前達到溫度設定值T_SP，因此從燃燒器輸入到爐中的能量可能過早地減少，從而導致比期望的更長的加熱和/或熔化時間。

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，使得策略布置(其可以包括一些或全部傳感器的物理共處)產生能夠改進爐控制和操作的集成傳感器系統。這導致提高的過程產率、效率和/或吞吐量。現場和實驗室生成的數據展示了可使用本文所述的方法和系統獲得的幾個令人驚訝的操作優點。

方面1.一種用于在包括爐和煙道的爐系統中使用的集成傳感器系統，所述集成傳感器系統包括：傳感器塊，其被配置為安裝在所述爐系統的壁中，所述傳感器塊至少包括兩個端口，每個端口被配置為接收傳感器；兩個或更多個傳感器，每個傳感器定位在所述傳感器塊中的相應一個端口中；以及控制器，其被編程為從所述兩個或更多個傳感器接收信號并且響應于所接收的信號調整所述爐系統的操作；其中所述兩個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、熱導率傳感器、光學傳感器、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，其中，所述控制器被編程為連續地監測所述傳感器信號中的至少一個。

方面3.方面1的集成傳感器系統，其中，所述控制器被編程為間歇地監測所述傳感器信號中的至少一個。

方面4.方面1的集成傳感器系統，還包括與傳感器中的一個相對應的致動器機構，用于將所述傳感器推進到用于進行測量并將所述傳感器縮回到受保護位置的位置；其中所述控制器被編程為僅當所述傳感器前進到用于進行測量的位置時監測來自所述傳感器的信號。

方面5.一種使用如方面1所述的集成傳感器系統控制爐中能量輸入和能量分布的方法，其中所述兩個或更多個傳感器包括對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：基于來自所述第二溫度傳感器的信號控制輸入到所述爐中的能量，同時基于來自所述第一溫度傳感器的信號控制能量分布，其中所述第一溫度傳感器更快地響應于所述第二溫度傳感器的所述第二溫度感應器。

方面6.一種使用如方面1所述的集成傳感器系統控制爐中能量輸入和能量分布的方法，其中所述兩個或更多個傳感器包括指向爐內一個位置的第一光學高溫計或傳感器，以及第二光學高溫計或傳感器，其包括：基于來自所述第二溫度傳感器的信號控制輸入到所述爐中的能量，同時基于來自所述第一溫度傳感器的信號控制能量分布，其中所述第一溫度傳感器響應更多迅速地到達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控制爐中過量氧、NOx、CO和可燃排放物中的一種或多種的方法，其中所述兩個或更多個傳感器包括壓力傳感器和組合物傳感器，包括：基于來自所述壓力傳感器的信號控制所述爐中的煙道氣阻尼器和氧富集水平中的一個或兩個，并且基于來自所述組合物的信號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，其中所述兩個或更多個傳感器還包括溫度傳感器，所述方法還包括：基于來自溫度傳感器的信號來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控制爐操作的方法，包括：檢測指示爐和煙道中的一個或兩個中的顆粒的不透明度；以及基于檢測到的不透明度而調整爐輸入參數。

方面12.如方面11所述的方法，其中，所述兩個或更多個傳感器包括發送器和接收器，并且通過從發送器到接收器的信號的衰減來測量不透明度。

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

方面14.如方面11所述的方法，還包括：檢測指示非優化燃燒的一個或多個預定粒度；以及基于檢測到的粒度來調整爐輸入參數。

方面15.一種使用如方面1中的一個或多個集成傳感器系統控制爐中的熱分布的方法，包括：檢測爐的一個部分或區域中的熱負荷；檢測爐的另一部分或區域中的熱負荷；基于檢測到的熱負荷來調整燃燒能量到爐的相應部分或區域的輸入。

方面16.一種用于爐系統中的集成傳感器系統，所述系統包括具有煙道和至少一個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境的壁，所述爐壁包括側壁、端壁和頂部中的至少一個，所述爐具有兩個或更多個區域，每個區域都受到調節輸入到所述爐中的能量的至少一個爐子參數的不同影響，所述集成傳感器系統包括：第一溫度傳感器定位成測量所述爐系統中的第一溫度；第二溫度傳感器，其定位成測量所述爐系統中的第二溫度；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量溫度的信號，并且基于第一和第二溫度之間的關系調節爐系統參數的操作，從而差動調節能量輸入進入所述爐的至少兩個區域中；其中所述第一和第二溫度之間的關系是所述兩個溫度之間的差、所述兩個溫度的比和所述兩個溫度的加權平均中的一個或多個的函數。

方面17.如方面16所述的系統，其中所述第一溫度傳感器安裝在所述爐的第一區中的壁中，并直接暴露于所述爐環境；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中的壁中并且與直接暴露于所述爐環境隔離。

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

方面19.如方面16所述的系統，其中，所述第一溫度傳感器是定向成檢測所述爐中的第一區中的爐料的溫度的光學傳感器；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中的壁中并且與直接暴露于所述爐環境隔離。

方面20.如方面16至19中任一項所述的系統，其中要調節的爐系統參數包括燃燒器燃燒速率，燃燒器化學計量，燃燒器分級，兩個或更多個燃燒器之間的燃燒速率分布中的至少一個燃燒器，兩個或更多個燃燒器之間的分級分布，以及爐壓力。

方面21.如方面16至20中任一方面所述的系統，其中，所述控制器被編程為間歇地監測所述溫度傳感器信號中的至少一個。

方面22.如方面16至21中任一方面所述的系統，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、光學傳感器、聲學傳感器、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，還包括與第三傳感器相對應的致動器機構，用于將第三傳感器推進到用于進行測量并將第三傳感器縮回到受保護位置的位置；其中所述控制器被編程為僅當所述第三傳感器前進到用于進行測量的位置時監測來自第三傳感器的信號。

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

方面25.一種使用如在方面16中的集成傳感器系統控制爐中能量輸入和能量分布中的一個或兩個的方法，包括：從第一溫度傳感器接收第一溫度信號以確定第一溫度；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系調整爐系統參數，其中所述爐系統參數包括燃燒器燃燒速率，燃燒器化學計量，燃燒器分級，兩個或更多個燃燒器之間的燃燒速率分布，在兩個或更多個燃燒器之間的分級分布，以及爐壓力，從而不同地調節輸入到爐的至少兩個區域中的能量。

方面26.如方面25所述的方法，還包括：基于來自第二溫度傳感器的信號控制輸入到爐中的能量；并基于來自所述第一溫度傳感器的信號控制進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于所述爐環境的變化。

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

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平均值中的一個或多個的函數來調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高溫計，每個指向所述爐中的不同的一個位置，其中所述控制步驟包括基于一個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平均值。

方面30.一種使用如在方面16中的一個或多個集成傳感器系統控制爐中的熱分布的方法，包括：檢測爐的一個區域中的熱需求；檢測所述爐的另一區域中的熱需求；以及基于檢測到的熱負荷來調整到所述爐的相應部分或區域的燃燒能量的輸入。

方面31.如方面16所述的系統，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，還包括：兩個或更多個傳感器，每個傳感器定位在所述傳感器塊中的相應的一個端口中；以及控制器，其被編程為從所述兩個或更多個傳感器接收信號并且響應于所接收的信號調整爐子系統參數的操作；其中所述兩個傳感器包括被配置為測量所述爐系統中的兩個不同溫度的至少兩個溫度傳感器；并且其中所述爐的壁是所述爐的側壁和頂部中的一個或多個。

附圖說明

圖1是具有三個貫通端口和一個盲孔的示例性傳感器塊的橫截面示意圖，每個配置為接收一個或多個傳感器，并且指示暴露于爐環境的三個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傳感器溫度(T2)。

圖2是示出具有用于控制能量輸入的適當定位的熱電偶的益處的曲線圖。當熱電偶(TC)不適當地定位時，可以過早地減少輸入到爐中的能量。方形符號表示適當定位的控制TC以精確地指示充電溫度，而三角形符號表示其中控制TC放錯以便檢測比由適當定位的控制器檢測的溫度高約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輸出等級的曲線圖。紅色(靠近燃燒器)表示較差的位置，藍色(遠離燃燒器)表示較好的位置。

圖4示出了示例性集成傳感器系統S1和S2，其策略性地安裝以感測具有兩個區域(一個具有較小的能量負載或要求，另一個具有較大的能量負載或要求)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，三個暴露的溫度傳感器(T1，T2，T3)，兩個光學高溫計(PB，PC)和紅外傳感器(FIR)的位置。

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

圖7是示例性測試爐的側視圖，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，其包含三個溫度傳感器：開放熱電偶(T12)、嵌入式熱電偶(T13)和光學高溫計(T11)。

圖8是由測試爐(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溫度傳感器進行的溫度測量的圖形比較，如圖7所示，特別示出了溫度傳感器的響應與銅的相變(熔化)的進展之間的對應關系。

圖9是示例性測試爐的側視圖，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光學高溫計，一個指向前床(T22)，另一個指向后床(T21)，以及頂部安裝的嵌入式熱電偶(T23)。

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

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

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

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)單獨的開放熱電偶(正方形符號，頂線)，其導致爐中能量輸入的最快減少并因此更長的熔化或加熱時間，(2)嵌入的熱電偶單獨(圓圈符號，底線)，其導致最近減少的能量輸入到爐和潛在的耐火材料過熱，和(3)基于功能的控制策略開放和嵌入熱電偶(三角形符號，中間曲線)，導致比開放熱電偶控制方案更快的加熱時間，同時避免嵌入式熱電偶控制方案的潛在過熱問題。

圖14是示出具有多個操作區域的爐和具有不同加熱曲線的不同類型的燃燒器的對應關系的圖，其可以根據加熱需要優先地將不成比例的量的能量引導到不同的區域。

實施例的詳細說明

已經開發了集成傳感器系統以通過使用來自安裝在爐中的一個或多個位置處的兩個或更多個傳感器的反饋來協同地與爐中的一個或多個燃燒器協同工作，以優化過程效率，產量和/或吞吐量。

在集成傳感器系統中可單獨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，光學高溫計，熱敏電阻

■密度傳感器

■距離傳感器-1D或2D地形傳感器

■測量熱導率的傳感器

■能夠進行視頻或圖像采集的設備

■基于特定波長或整體光強確定信息的光學傳感器

■聲學傳感器

■液位和/或角度測量

■原位成分傳感器，如氧傳感器(氧化鋯)

集成傳感器系統可以有線或無線連接，因此爐在操作中可以是靜止的或旋轉的。集成傳感器系統可以使用電池，有線電源或經由從爐子的能量收集(例如，使用振動，熱，機械移動，用于能量收集的光學方法)來供電。

集成傳感器系統的特征。

傳感器可用于在爐中連續或不連續地測量過程變量。作為非限制性示例，可以通過安裝的一個或多個熱電偶來執行連續測量，每個熱電偶嵌入或敞開到爐氣氛中，并且連續地測量爐中的溫度。

可替代地，傳感器可以安裝在致動機構上，該致動機構將傳感器引入到測量空間中并且進行不連續點測量(在空間和/或時間上)，其被實時或時間積分地方式，在控制爐的決策過程中。容納傳感器的致動機構的使用還潛在地消除或減少了通過水或空氣或其它裝置冷卻可能不適于連續暴露于爐子環境的傳感器的需要。

當使用某些光學傳感器(例如，紅外高溫計，圖像獲取裝置等)時，由于來自火焰的強烈輻射，可能對測量信號產生干擾。為了解決這個問題，致動機構可以與一個或多個火焰的操作同步，使得僅當一個或多個火焰最不可能干擾測量時，才將傳感器致動到位。與火焰或火焰的這種同步將有利于從爐獲得更準確的數據，但是不是必需的。光學高溫計可以被配置為檢測一個或多個波長范圍內的發射，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，注意到高溫計不需要能夠檢測任何特定范圍內的所有波長。

在一個示例中，圖像采集裝置用于在爐中拍攝多個照片圖像，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(通過幾乎同時操作傳感器獲得)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或更多個區域的爐中所需的能量分布，每個區域響應于進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)而不同，如進一步詳細討論的下面。

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

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

組件的作用。

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

從集成傳感器系統中協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)、化學計量和/或識別事件，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、調整燃燒器分級燃料或氧氣、材料精煉(例如，氧化或還原)和其它工藝步驟或事件。

傳感器可以單獨地或與集成傳感器系統中的其它傳感器或集成傳感器系統的組合一起操作。

定位用于集成傳感器系統的傳感器。

集成傳感器系統的性能受其傳感器的位置的顯著影響。在一個實施例中，一個或多個傳感器塊可以策略性地位于頂部和/或側壁和/或煙道氣管道中，以便獲得爐的控制需求的完整圖像，因為每個爐是不同的。許多因素包括但不限于燃燒器的數量，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于燃燒器，確定在爐中產生的煙道氣的流體動力學模式和熱釋放。這又有助于確定傳感器在爐中的適當位置。

一個或多個傳感器塊可以獨立地或獨立地安裝在爐中或者可以集成在燃燒器系統內。根據操作的需要，傳感器塊可以齊平(優選地)安裝或延伸到爐中或凹入到爐耐火材料中。

如圖2所示，當熱電偶(TC)不適當地定位時，可以過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)中，控制熱電偶位于使其比更適當放置的熱電偶高約75°F的位置，導致燃燒速率的過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)中，適當地放置用于該過程的控制熱電偶，導致以較高的速率進行較長的焙燒，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)以控制過程中的能量輸入速率(瞬時燃燒器燃燒速率)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，其通過引用整體并入本文。控制位置優化程序(CLOP)使用獨特的策略來確定控制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)太靠近燃燒器會產生不理想的結果(“BEFORE”)位置，而通過將熱電偶充分遠離燃燒器(“AFTER”)位置，可以獲得改進的結果。

通過將控制TC位置移動到AFTER，在該過程中獲得的循環時間和燃料節約分別改進了29％(更快)和20％(更低)。

使用集成傳感器系統的控制策略的示例：

A)控制爐中的能量輸入和能量分布。

在使用標準(例如，K型)熱電偶來控制爐中的能量輸入和能量分配的情況下，優選的是成對使用它們，或者至少使用至少一個熱電偶，對爐子環境和輻射以及至少另一個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所示的傳感器塊來實現，具有T1(開路)和T2(嵌入)熱電偶。一個或多個傳感器塊可以位于爐中(例如，在頂部或側壁或煙道氣管道中的一個或多個中)。

嵌入式TC反應較慢，而打開或暴露的TC對過程中的變化反應更快。類似地，爐子所需的總能量輸入變化較慢(對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，爐料事件，例如裝料，攪拌等)。因此，結合集成傳感器系統的控制策略可以使用開放TC來控制熱分布決定和嵌入式TC來管理輸入到爐中的總能量。

當使用開放或暴露的熱電偶來控制輸入到爐中的能量的速率時，其傾向于比爐內的周圍耐火材料和產品快得多地吸收熱量。這導致進入爐的能量的過早減少，導致循環時間延長(參見圖2)。當開放式TC與高輻射富氧空氣或氧-燃料火焰操作結合使用時，這種效果被放大。

B)控制爐中過量的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，優選的是使壓力和成分傳感器在相同位置(即，結合到同一傳感器塊中)，因為氧氣濃度與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爐進行的改變不會不利地影響熱傳遞。

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，使得燃燒器的化學計量可以基于每個燃燒器相對于煙道的位置和燃燒器相對于燃燒器的位置彼此。

D)檢測煙道氣體中的顆粒。

i)使用發送器和接收器的主動檢測，其中信號中的衰減指示顆粒的存在。例如，諸如由Forbes Marshall(例如，不透明/粉塵監測器-FM CODEL DCEM2100)商業銷售的顆粒檢測器可以與傳感器塊和爐控制器集成。通過調整控制參數來控制煙道的不透明度也已經在至少一個測試情況中示出(參見http://lehigh.edu/energy/leu/leu_54.pdf)。

ii)使用爐輻射和接收器的被動檢測，其中信號中的衰減表示顆粒的存在。該方法使用光敏檢測器(例如光電二極管，CCD)，其在沒有顆粒的情況下將測量來自熱的耐火材料，火焰或其他發射輻射的表面的光。微粒的存在降低了光強度。然而，爐溫，燃燒速率或其它項目的降低也可以降低由光敏檢測器觀察到的強度。因此，需要合成信息以確定光減少的原因。例如，通過組合關于燃燒器的燃燒速率，爐溫，傳感器塊溫度，其它光敏檢測器和/或其它信息的信息，用于爐的控制可以確定光強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)捕獲和接收設備的對準相關聯的問題。一旦確定存在額外的顆粒，可以調節/優化燃燒/爐控制以減少顆粒或其它非優化的燃燒條件。這可以是使用已知技術的改進的燃燒，例如改進的化學計量控制，改進的火焰穩定性等。

iii)使用特定波長來區分顆粒。

知道顆粒尺寸的分布可用于確定顆粒的來源。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不能正常工作，較小的尺寸可能表示燃燒器中的非優化燃燒。類似地，顆粒尺寸可以指示顆粒是否是燃燒產物，或者是否由于爐內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。通過使用捕獲和使用激光器，濾波器或光柵的接收光學器件或通過使用背景輻射和光學濾波器或光柵(或其他裝置)，通過使用不同波長的光可以推斷粒子尺寸。利用該信息，可以調節燃燒，為燃燒相關設備提供警告，可以調節爐中的氣體流以減少顆粒物吸收，和/或可以采取其他動作來糾正該問題。還注意，可以使用如上所述的被動或主動檢測來完成特定波長的檢測。

E)控制來自爐的CO/可燃物排放。

可以使用各種裝置來控制CO/可燃排放物。例如，可以使用US2013/0307202中描述的方法，其通過引用整體并入本文，使用傳感器塊來結合光學檢測器和溫度測量裝置。除了控制意外揮發物之外，可以使用相同的傳感器或不同的傳感器來基于來自爐的可燃物的排放以最小的過量氧控制爐。這種可燃物是控制系統的不完全控制，燃燒器和/或爐內氧和燃料的不完全混合，和/或來自電荷或其它來源的結果。然而，與'202專利申請的控制方法不同，燃燒器流量控制化學計量可以控制在較窄的范圍內。本申請的一個目的是使過量的O₂最小化，其中燃燒器輸入流可以響應于傳感器系統輸入而緩慢地改變到新的設定點。這種緩慢變化的控制系統允許對化學計量的微小修改以考慮爐中的動態，同時保持響應系統中更大的變化的能力。

F)使用集成傳感器系統控制“熱分布”。

如圖4所示，集成傳感器系統S1和S2可以戰略性地安裝以感測爐中不同區域的熱分布需求，并且對應于這些加熱需要，適當量的能量負載1和2分布在爐中，例如使用燃燒器能夠調整其區帶熱分布(例如，不同水平的燃料或氧氣分級或其他手段)或通過使用策略性定位的燃燒器的組合。

當用于熔融應用(例如，二次鋁或銅熔融)中時，由于傾斜的裝料操作，熔體中的固體的移動，熔融金屬泵或其它原因，產品負載可能潛在地在爐周圍移動。在這種情況下，集成傳感器系統可以檢測負載中的相對區帶變化，并相應地調整熱分布。

集成傳感器系統的使用范圍。

集成傳感器系統可用于各種能量應用，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)，作為非限制性實例。

實驗數據。

除了控制之外，溫度設定點通常用于防止爐中的爐料或產品過度加熱以比保護耐火材料更簡單，因為加熱或熔化爐中的大部分耐火材料的額定工作溫度遠高于目標工藝溫度的產品。例如，一些耐火材料可以處理超過3000°F的溫度，而爐中的產品可以在遠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，基于高估產品溫度的開放熱電偶T_OPEN的控制(如上文關于圖2所討論的)可能過于保守，將比爐內熱量少得多的熱量比所期望的熱量少以實現產品的最佳加熱或熔化速率。如本文所述，改進的方法認識到以允許T_OPEN超過溫度設定點的方式控制爐操作的優點，其通過依靠一個或多個溫度測量的函數更精確地指示實際產品溫度和爐內實際耐火溫度。

與T_OPEN相比，產物溫度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可以位于標記為T1的端口中，而T_EMB可以位于標記為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測量總耐火溫度，其比T_OPEN對爐內局部效應的響應性相對較低。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電性和熱容量。

圖13示出了假設T_OPEN以10°F/min的速率增加，而T_EMB(相對地代表T_PROD)假定以6.5°F/min上升的示例情形。在該示例中，溫度設定點(T_SP)為2000°F，耐火材料的允許連續工作溫度為大約2500°F。在一個選項中，如果僅使用打開的TC，T_OPEN控制操作，則在大約3.2小時之后將達到溫度設定點(方形符號，上面的線，以及點A，顯示上面的線和設定點的交點)。然后，即使T_EMB(指示T_PROD)遠低于爐溫設定點TSP，控制器也將開始減少爐中的能量輸入(例如，通過降低燃燒器燃燒速率或調節一個或多個其它燃燒器操作參數)。因此，加熱將過早地降低，而產品溫度尚未達到設定點。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小時之后達到設定點(圓形符號，下面的線，以及點C，示出下面的線和設定點的交點)。同時，T_OPEN溫度將超過耐火材料允許的連續操作溫度約500°F度。

第三，優選的選擇是使用更優化的操作變量(被認為是T_CONTROL)來控制爐，其可以是T_OPEN和T_EMB的計算函數，以及可選的T_SP。在一個用于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，常數被設置為0.8。控制溫度變量T_CONTROL在約4小時后達到點B處的設定點溫度，而不允許T_OPEN超過2500°F，從而與基于T_OPEN的控制相比，獲得約0.8小時或48分鐘的以高燃燒速率繼續操作單獨，這將使爐子減少循環時間和提高生產率。作為示例，對于以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的能量在同一時間段內，導致生產率提高約8至13％。

應當理解，與基于單獨的T_OPEN或T_EMB的控制相比，可以使用T_OPEN和T_EMB的許多替代功能來實現改進的工藝結果。在一個實例中，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施例的T_OPEN和TEMB的比率或一些其它相對加權來公式化。在另一個實例中，T_OPEN可以考慮范圍關于設定點溫度T_SP，其中當T_OPEN在T_SP附近的范圍內時，使用公式提供T_OPEN和T_EMB的相對加權，而低于該范圍單獨使用T_OPEN，而高于該范圍單獨使用T_EMB。(注意，這可以例如通過將等式(1)中的X設置為低于范圍的0和高于范圍的1來實現。)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所使用的溫度標度適當地調節。

參考圖5和圖6，在銅熔化爐中使用各種溫度傳感器進行實驗以區分在爐的裝載期間的能量輸入需求。通常，當銅爐被操作以熔化廢料時，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，煙道位于爐的相對端。雖然圖5中示出了兩個燃燒器，但可以使用任何數量的燃燒器，一個或多個，并且本文所述的系統和方法獨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)以檢測燃燒強度。定位在圖5的示例性爐中是兩個光學高溫計，高溫計PC在爐的燃燒器端附近，高溫計PB在爐的煙道端附近。位于爐中的還有三個暴露的熱電偶，在爐的煙道端附近和爐的相對側壁上的熱電偶T1和T2，以及在爐的燃燒器端附近的側壁中的熱電偶T3。暴露的熱電偶是安裝成使得它們直接暴露于爐內環境的熱電偶，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。為了評估圖5的數據的目的，注意到，爐具有充電門(未示出)，電荷通過該充電門落入爐中，使得添加的電荷傾向于朝向爐的左側聚集，其中光學高溫計PB和PC以及暴露的熱電偶T2和T3位于并且稍微遠離暴露的熱電偶T1所處的位置。

圖6示出了針對不同位置或區域或區域的兩個光學溫度傳感器(高溫計PB和PC)的組合可以提供對爐中的能量分布需求的了解，特別是在新廢料的裝載期間。還示出了三個暴露的熱電偶(T1，T2和T3)的數據，這些熱電偶對爐料的添加沒有快速或決定性地響應。因此，基于兩個光學溫度傳感器PB和PC的測量來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，例如通過增加針對相對較低區域的一個燃燒器的點火速率溫度和/或通過降低針對相對較高溫度的區域的另一燃燒器的燃燒速率，或通過調節一個或兩個燃燒器的化學計量或分級，或通過調節煙道阻尼器以增加或減少爐壓力。

如圖6所示，比較三次標記的廢料進入爐子L1，L2和L3后發生的情況。注意，點F1處的燃燒速率增加，這導致溫度曲線的一般增加。在廢料加載L1之后，兩個高溫計PB和PC顯示出一些擾動，但是都不表示由于充電L1造成的廢料的不成比例的負載。在碎片負載L2之后，當兩個高溫計再次響應時，高溫計PC的擾動顯示出比高溫計PB的擾動大得多的溫度下降，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域中下降爐子。作為響應，可以調節燃燒器操作以將更多的熱量引導到爐的燃燒器端。相比之下，在廢料負載L3之后，高溫計PB顯示比高溫計PC大得多的溫度下降，表明冷負荷L3的不成比例的量可能在朝向爐的煙道端的區域中下降，并且作為響應，燃燒器操作可以調節以將更多的熱量引導到爐的煙道端。

圖6中所示的開放熱電偶通常顯示與高溫計相似的溫度趨勢，但是它們對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PC位于相同的附近，但是在廢料負載L2之后，高溫計PC記錄比熱電偶T3大得多的響應。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對熱電偶)的選擇對于所獲得的信息和控制爐內熱分布的所得能力產生顯著差異。

參考圖7和圖8，在配置成熔化銅(B0)床的測試爐中進行實驗，使用各種溫度傳感器來區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，使用具有三個端口的傳感器塊(SB)，其中定位有光學高溫計(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境；以及盲孔，其中定位嵌入的熱電偶(T13)以測量頂部溫度。床熱電偶(T14)位于銅床中。

圖8中的數據大體上示出兩個溫度傳感器(一個開放式高溫計T11和一個嵌入式熱電偶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)進入爐中。嵌入式熱電偶(T13)檢測到需要額外的能量輸入到爐中，因為它可以看到新鮮廢料被裝載或爐門被打開的影響。高溫計(T11)感測熱的局部變化，因此，策略性地位于爐周圍的高溫計的組合可以提供區域熱分布的知識，其是控制方案的輸入，以在各種工業過程期間優化加熱，其不限于銅熔融(包括例如玻璃熔融，金屬再加熱和再循環)。

點P1標記了爐門打開，床被攪拌并添加新廢料的時間。嵌入式熱電偶T13檢測由于這些操作引起的體積熱變化，而高溫計T11檢測所得到的能量分布的局部變化，并且開放熱電偶T12類似地顯示對冷空氣和冷充電的流入的更顯著的響應。當門已經關閉并且新的電荷正在被加熱時，床熱電偶T14下降到或略低于在點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P3，當熔化完成時。高溫計T11溫度曲線在相變期間顯示平坦化，之后恢復上升趨勢。注意，高溫計溫度曲線在相變期間不會保持平穩，可能是由于來自燃燒器火焰和爐壁的一些反射。

如圖8所示，開放光學高溫計T11和嵌入的熱電偶T13的組合可用于檢測銅的相變(熔化)的基本完成。在熔化開始時(點P2)，高溫計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，如所預期的，熱從頂表面傳導到固體銅中見床熱電偶T14的響應)。高溫計溫度T11的初始急劇增加的一部分也可以通過來自燃燒器的熱輻射的反射來解釋。同時，嵌入式熱電偶(T13)隨著爐溫的升高顯示出溫度的穩定增加。當熔融開始時，光學高溫計溫度曲線(T11)不具有與相應的床熱電偶(T14)相同的平坦(恒定)輪廓，這最可能是由于高溫計檢測到來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，光學高溫計(T11)的向上斜率也增加。

圖9和10涉及在試驗爐中進行的另一組實驗，其中兩個材料床被加熱，前床(B1)和后床(B2)。在所描繪的爐中，兩個傳感器塊用于容納三個安裝在頂部上的溫度傳感器，盡管在替代實施例中，傳感器可以全部位于相同的傳感器塊中。一個所描繪的傳感器塊具有兩個開口端口，直開口端口容納定位成測量后床B2的溫度的光學高溫計(T21)，以及容納光學高溫計(T22)的成角度的開放端口，其定位成測量前端床B1。單獨的嵌入式熱電偶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示出兩個光學溫度傳感器或一個高溫計和一個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或兩個來設計能量分布控制策略：(a)在短時間段內降低燃燒器燃燒速率，以實現不受爐中火焰輻射影響的更精確的高溫計讀數(即，使得高溫計測量更接近實際床溫度)，以及(b)通過監測較慢響應的嵌入式頂部熱電偶(T23)和較快響應的光學高溫計(T21，T22)來回火燃燒器控制系統的反應速度。例如，開放式高溫計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，以有效地控制加熱，同時避免熔體過熱。

圖10涉及在測試爐中的兩個床中的鋁的熔化和裝載過程。在門打開之后，兩個床(其已經包含一些鋁)被攪拌，并且材料僅被裝載到前床(B1)中。兩個高溫計(T21，T22)能夠區分兩個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感測爐熱量的下降。在點P11，燃燒速率降低并且門打開，在點P12，床B1和B2都被攪拌，在點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爐的能量輸入需求之間進行區分的能力。

注意，高溫計對火焰輻射敏感，但是當燃燒器燃燒速率降低時(例如，當加載時)，高溫計和熱電偶溫度非常接近地對準。因此，可以通過將傳感器塊放置遠離火焰，或者通過在火焰臨時不存在時或在火焰臨時不存在時進行高溫計測量，或者通過相應地或同步燃燒器燃燒速率的暫時降低與高溫計和/或其它光學溫度測量。

如本文所述，可以使用開放式高溫計和嵌入式熱電偶測量值或開放式熱電偶和嵌入式熱電偶測量值之間的比率，差異或其它關系，以確定爐應當根據其更快或更慢地被加熱關系，或者與爐的一個或多個其它區域相比，熱應優選地輸送到爐的一個或多個區域。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)，則系統可以降低發射速率，以避免過熱耐火墻壁和頂部。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)，則系統可以增加點火速率以使得能夠更快地加熱，而沒有損壞耐火墻壁和頂部的風險。

圖11和12涉及在試驗爐中進行的另一組實驗，其中兩個材料床被加熱，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，除了沒有嵌入式頂部熱電偶T23。

圖12示出了兩個高溫計(T21和T22)能夠區分各個床(分別為B2和B1)中的金屬的溫度和相。對于該實驗，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P21，在床B1和B2中裝載冷裝料，并且之后不久，關閉裝料門，并增加燃燒器燃燒速率。在點P22，后床(B2)的熔化基本上完成。在時間區域P23，由于它們各自的床(B2和B1)處于不同的熔化階段，高溫計信號(T21和T22)開始發散。在點P24，前床(B1)的熔化基本上完成。

圖12示出了后床高溫計(T21)的溫度的升高比前床高溫計(T22)的溫度升高更早地發生，這對應于后床中材料的較少量比較大量的前床中的材料。除其他事項外，該數據加強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或更多個區，其中能量輸入和因此每個區的溫度可以至少在某種程度上通過改變一個或多個爐參數而被單獨地或差異地控制，調節輸入到爐中的能量。

在一個常見示例中，如圖14所示，可以采用相對于爐中的三個操作區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1中，最靠近燃燒器，并且隨后更少地進入區2和3。分級的氧-燃料燃燒器(例如在US 8,696,348或US 2013/0143169中作為非限制性實例公開的)具有由更延遲燃燒產生的加熱分布，因此成比例地將更多的燃燒能量釋放到爐的區域3中，最遠，然后逐漸減少到區域2和1。常規的氧-燃料燃燒器具有更中間的放熱曲線，在區域1中建立熱量釋放，在區域2中達到峰值，在區域3中逐漸減小。類型的燃燒器，一個物理燃燒器或一組燃燒器可以被控制以根據爐的需要將其操作從快速混合模式改變到常規氧-燃料模式到分階段的含氧燃料模式，作為響應到任何特定時間需要熱量。

在另一個示例中，諸如在US 20150247673中公開的燃燒器可以用于選擇性地和動態地將更多的熱優先地優先引導到爐的一個或多個區域中，并且較少的熱優先地引導到爐子的一個或多個其他區域中，以實現期望的區帶控制。

本發明在范圍上不受在實施例中公開的具體方面或實施方案的限制，這些具體方面或實施方案旨在作為本發明的一些方面的說明，并且在功能上等同的任何實施方案在本發明的范圍內。除了本文所示和描述的那些之外，本發明的各種修改對于本領域技術人員將是顯而易見的，并且旨在落入所附權利要求的范圍內。