本发明涉及工业废料处理的领域，并且在工业处理工业如化学工业(如涉及丙烯腈、丙烯酸和它的酯、甲基丙烯酸和它的酯、及氯乙烯单体的生产的工业工艺)、石油精炼工业、石油化学工业、药物工业和食品工业中，尤其涉及工业废料流在与锅炉结合或者不结合的热氧化器、炉子、燃烧器或者焚化炉(下文中各自和总起来称为“焚化炉”)内的焚化。
通常进行焚化的废料流产生于各种工业中如化学工业、石油精炼工业、石油化学工业、药物工业和食品工业。这种废料流可以是淤渣、浆液、气体、液体、油或者它们的组合。例如，产生需要处理的废料流的化学工艺包括丙烯腈、甲基丙烯酸和它的酯、丙烯酸和它的酯、氯乙烯单体、苯酚、合成气和乙烯的生产。废料流的一些石油精炼源包括：加氢处理装置的清洗气、催化重整装置塔顶气和来自稳定塔的燃料气体。化学工厂源包括：废氢流、通风集管流、废油流、吸收和汽提塔顶流、及来自废水处理系统的流出物。
焚化过程是快速氧化过程，该过程释放能量，而这些能量可以或者不可以被用作动力来做有用工作如在锅炉中形成蒸气。尽管焚化过程可以实现较高的破坏效率，但是典型地，这些系统的运行费用十分贵，因为使用了能量。最重要的是，焚化系统具有与它们的运行有关的二次排放物，而这受到环境机构如环境保护署(“EPA”)和得克萨期州自然资源保护委员会(TNRCC)严厉控制。典型地被控制的、焚化排放物中的物质是CO和NOx。CO2也是个问题，因其是导致温室效应的气体。通常，环境条例限制每小时可从公司的废料焚化过程中所排放出的这些物质的总量。因此，在通过焚化来处理废料流时，目标是符合合适的环境条例，同时使能量消耗最小，因此该过程的成本效果合算。用于工业废料流的传统焚化系统不能满足这个目标。
在至今公知的焚化系统中，环境控制规范把焚化过程的工作条件限制到“炉身实验(stack test)”期间所使用的具体工作条件。通常，“炉身实验”运转在最坏的情况下。因此，由炉身实验所规定的工作条件如温度、燃料和空气不能充分地显示调节灵活性以改变废料流的成分、供给速率或者燃料值。根据这个“最坏情况”的方法的工作条件很少改变，因为它们常常由严格的环境允许要求所规定。此外，几乎没有机会进行改变，并不经常进行炉身实验。虽然这种方法确保了排放物符合要求(达标compliance)，但它不灵活还维持焚化炉总是运转在费用最贵的工作条件下。
在工作在炉身实验工作条件下的传统工业废料焚化过程中，在炉子中，废料流通常结合有大量的燃料如天然气和过量的空气。因为使用了大量的燃料，因此由这种传统过程所产生的排放物常常符合环境条例。但是，这种方法的成本效益不合算，因为天然气即主要燃料较贵。此外，由于使用了过量燃料，因此焚化炉的温度非常高，通常是大约1000°F(538℃)到大约2000°F(1076℃)。这些高温结合供给到该系统中的空气进料中的氮产生了不期望的NOx量即需要严格控制的排放物质。
传统地，使来自焚化系统的CO和NOx排放物最小的努力集中在调整该系统内的空气(例如温度、流动和分布)和使它的分布最佳化。这个通过监控排放物的含氧量来实现。
在传统系统中把测量或者监控焚化排放物的氧含量作为标准反馈控制，其中调整供给到焚化系统中的空气，从而最终控制焚化排放物中的CO量。空气不够使得该系统的燃料较多，这可以造成爆炸事故。同时过量空气避免了这种问题并且有利于实现完全燃烧，太多的空气导致过量的NOx形成并且需要更多的能量消耗。此外，使用更多的空气意味着更大的风扇，而这些风扇本身很贵。至今公知的系统没有把温度看作控制变量来优化该系统；因此，例如，传统装置借助于通过监控排放物的氧含量来控制空气供给从而实现焚化过程最佳化，该传统装置导致焚化过程配料有过量的空气并且在排放物中过多形成有CO和NOx，而该过量的空气一定得被加热。当焚化过程的控制只局限于这种方法时，工作费用较高并且效率较低。
使用一些传统焚化系统(这些系统使用排放物的含氧量作为优化该系统的方式)的另一个问题是，如果废料流的条件改变了，那么焚化系统不会最佳地、可靠地适应这些变化，从而导致工艺性能的效率降低并且费用升高，并且可能导致不符合条例的要求。传统系统中的工艺参数如温度没有调整以适应废料流中的变化。此外，在传统系统中，唯一涉及废料流的变化的装置在过去一直是把过量空气加入到该系统中，而这产生了上述的缺点。
但是，尽管知道这些条例，但是许多传统焚化方法没有确保使它们符合成本效益合算。相应地，工业处理产业非常欢迎这样的方法：该方法不仅控制来自工业废料焚化过程中的排放物从而确保符合环境条例，而且提供了一种焚化废料的方法，该方法使资金和工作费用明显减少。
本发明的叙述因此，本发明的一个目的是提供一些新颖方法，该方法使工业废料焚化过程最佳化，以致来自该过程的排放物符合环境条例，并且该过程的成本效果合算。
本发明的另一个目的是提供一些新颖方法，该方法可以以这样的方式使焚化过程很快地、准确地适合废料流的变化(如燃料值、温度、供料速率或者组成的变化)，以致排放物保持于或者小于目标值。
在阅读这个说明书时，对于本领域普通技术人员来讲，这些目的和其它目的是显而易见的，而这些目的和其它目的部分地是以惊奇发现为基础的，而该惊奇发现是指：根据排放产物和废料流的变化而改变焚化炉的工作温度(下文中称为“火室温度”)产生了这样的能力：可以始终如一地控制焚化过程和所得焚化排放物。
本发明涉及用来焚化工业废料的新颖方法。在一个实施例中，本发明所实现的方法包括这些步骤：(a)决定废料流是否正供给到焚化炉中，(b)评估CO排放速率从而计算出CO排放速率减去目标CO速率(下文中表示为“ΔCO”)，及(c)根据ΔCO的计算结果来调节焚化炉的火室温度。
在另一个实施例中，本发明所实现的方法包括这些步骤：(a)决定具有供给速率和燃料含量的废料流是否正在供给到焚化炉中；(b)测量废料流的供给速率，从而计算出时刻t1处的废料流的质量流量减去时刻t0处的废料流的质量流量，其中t1＞t0(下文表示为“ΔM”)；(c)如果ΔM大于或者小于0，那么调整焚化炉的火室温度；(d)分析废料流的能量含量，从而计算出时刻t1处的废料流的能含量减去时刻t0处的废料流的能含量，其中t1＞t0(下文称为“ΔE”)；(e)如果ΔE大于或者小于0，那么调整焚化炉的火室温度；(f)评估排放产物的CO排放速率，从而计算出ΔCO；及(g)如果ΔCO大于或者小于0，那么调整焚化炉的火室温度。
本发明的许多优点中的一个是，现在只需要更少量的费用较贵的燃料来保持理想的废料破坏效率。相应地，在焚化过程中使用了更少量的能量；因此，生产商节省了费用。本发明的另一个优点是，所产生的不希望排放产物更少了，因为可以避免空气供给增加。因此，与在该系统中使用大量空气有关的资金和工作费用被节省了。
由于下面的描述、权利要求和附图，因此本发明的其它优点对于本领域普通技术人员来讲是显而易见的。
这些附图的简短描述参照结合附图进行的下面描述可以更加完全地理解这些实施例和优点，在这些附图中，相同标号表示相同特征，其中：图1是实施本发明时可以使用的传统热氧化器、焚化炉或者燃烧器的图。
图2是实现本发明的一个实施例的流程图，它描述了用来实现使CO符合要求的温度控制的反馈方法。
图3是实现本发明的一个实施例的流程图，它描述了用来实现使CO符合要求的温度控制的复合的前馈/反馈方法。
图4是温度和废料质量流量之间的关系的图，它图解了根据实施本发明的一个实施例所得到的改进之一。
图5是焚化炉在给定的工作条件下的CO浓度对温度之间的关系的图形。
本发明的详细描述本发明尤其提供了一些新颖方法，这些方法使废料焚化过程最佳化，因此有利于符合环境规定并且减少了资金和工作费用。
图1描述了本发明的热氧化器、炉子、焚化炉或者燃烧器(总起来说“焚化炉”)的一个实施例。在焚化炉18内，该过程从废料流开始，而该废料流通过源10来供给。来自源10的废料可以是液体、蒸气、浆液、淤渣或者它们的混合物。废料流可以含有有机或者无机成分及氧。注意到废料流通常具有它自己的燃料值是重要的。
燃料流从源12供给到焚化炉18中。燃料流典型地包括至少一个下面的燃料源：天然气、油或者具有合适燃料值的合适废料源。
还使含氧的流从源14供给到焚化炉18中。含氧的流典型地包括至少一个下面的氧源：纯氧、空气(它接近21％氧)或者一些其它包括氧的气体混合物。
如果希望的话，那么在它们加入到焚化炉18之前，源10、12和/或14的内容物可以被预热。
在焚化过程之前及在焚化过程期间，测量并监控焚化炉的温度。焚化炉温度是焚化或者工作温度，该焚化炉温度初始时设置在公知值处。
该过程所产生的排放产物通过流20从焚化炉中排出。在化学制造设备的特殊焚化过程中，流20可以包括N2、O2、NOx、CO2、CO、VOCs和H2O。如前面所述一样，由于环境规定主要考虑NOx和CO。也涉及CO2，因为它是温室气体。
传统地，焚化过程的工作条件相对于废料流或者排放物的变化而不能被调整。因此，使用了多于必要量的燃料和空气。其结果是，焚化过程的费用较贵。
在本发明中，这个过程通过采用下列方法所提供的温度控制的反馈和复合的前馈/反馈方法使成本效果合算。就这些方法而言，现在可以建立与给定废料装载所需要的最小温度的关系，从而通过使用最小能量来符合环境规定。
图2是流程图，它描述了本发明的用来使焚化过程最佳化的反馈方法。本发明的反馈方法的第一步骤30决定废料流是否正供给到焚化炉。如果没有，那么该方法结束了。但是，如果为“是”，那么第二步骤32计算CO排放速率的差值或者“ΔCO”。ΔCO等于在20处的CO排放速率(图1)减去目标速率，目标速率可等于CO允许速率加上或者减去其中基于根据测量变率、过去性能和其它标准CO置信速率。
该置信(confidence)速率实质上是保证值或者误差极限。例如，如果CO允许速率是550lbs/hr CO排放，并且对于给定过程来讲10％的误差极限被认为是合适的，那么CO置信速率是50lbs/hr(22.7kg/hr)，而产生的目标速率等于500lbs/hr(227kg/hr)CO排放。为了确定CO排放速率，因此在本发明的方法中最好采用CO分析仪，但是O2分析仪(可能与可视观测结合)也是合适的CO间接指示器。另一种合适的指示器是在线工艺分析仪如气相色谱分析仪、质谱仪或者气相色谱分析仪/质谱仪的组合。
可以预计到，在某种情况下，可以得到足够的工作数据，以致可能使用预测测量以用来代替CO或者O2排放的直接测量。实质上，这个相当于实际的反馈方法，并且其功能等于本发明的一个实施例。对于相对恒定的成分、流量和能量含量的废料流提高了这种方法的可行性，并且在选择CO目标值时采用较大的置信系数时，可以进一步提高这种方法的可行性。
下一步骤34是估计与目标CO排放水平相比的、在步骤32中决定的实际CO排放速率。如果ΔCO处于理想水平时(或者处于图2中的“0”时)，那么下一步骤36将等待指定的时间间隔tz，及通过再一次检查CO排放速率和计算ΔCO来重复步骤30和32。(参见图2的34、36、30和32)。
如果CO排放速率不等于目标速率，那么下一步骤38将决定CO排放速率是否大于或者小于目标速率。如果CO排放速率大于目标速率(ΔCO＞0)，那么下一步骤40将使位置18处的火室温度升高ΔX。ΔX是ΔCO的函数：[(ΔX＝f2(ΔCO)]。
在火室温度升高ΔX之后，下一步骤42将等待指定时间间隔，tx时间单元，并且然后通过在32再一次检查CO排放和计算ΔCO来重复步骤32，其中tx是ΔX的函数，或者换句话说，它依赖于对温度的调整：[(tx＝f3(ΔX)]。如果CO排放速率仍然大于目标速率，那么将使火室温度再一次升高ΔX，并且允许经过时间tx。对于本领域普通技术人员来讲显而易见的是，由于ΔX是ΔCO的函数，在连续递归该方法时它可以不是同一值或者量；类似地，是ΔX的函数的tx在连续递归时可以不同。
如果CO排放速率小于目标值(ΔCO＜0)，那么在该过程中消耗了太多的能量。在那种情况下，下一步骤44将使火室温度降低ΔY。ΔY是ΔCO的函数：[(ΔY＝f1(ΔCO)]。下一步骤46将等待指定时间间隔ty，并且然后通过再一次检查CO排放来重复步骤32，其中ty是ΔCO的函数：[(ty＝f4(Δy)]。ΔY和ΔX可以相等或者不相等；tx和ty也可以是相等或者不相等。类似地，定义ΔY、ΔX、tx和ty的函数可以具有相同的数学形式或者可以不具有相同的数学形式。
使用本发明方法所得到的好处，选择合适的函数对于一个本领域普通技术人员来讲是显而易见的。用来实现使CO符合要求(compliance)的温度控制的反馈方法是一个直到消耗了废料流为止的连续过程。
在图解在图2中的反馈方法中，可以设想：引入对火室温度上的检查或者限制是有利的，因此总是可以保持最低的火室温度。在一些优选实施例中，这种最低温度设定值的范围为800°F(420℃)到1200°F(649℃)之间。此外，限制最高火室温度设定值是有利的，例如防止机械和/或热损坏焚化炉和相关的设备。在阅读了本说明书之后，在本发明的范围内和在本领域普通技术人员的能力之内，可以预计到温度设定值范围的选择和实现。
使本发明的焚化工艺最佳化的复合前馈/反馈方法描述在图3的流程图中。复合前馈/反馈方法允许人查看废料流，从而在开始进行本发明的火室温度控制的反馈方法，从而实现使CO符合要求之前，控制初始温度设定值。在本发明的另一个实施例中，复合前馈/反馈方法还可以与反馈方法同时使用，从而对火室温度设定值进行复合调节。
这里所涉及的废料流的供给速率和燃料值理解成意味着供给到该系统中的所有废料流的结合，因为在焚化之前这些废料流可结合在一起。在复合前馈/反馈方法的第一步骤50中，它确定废料流是否正供给到该系统中。如果是的，那么第二步骤52计算ΔM，该ΔM与废料流的供给速率的变化相一致。ΔM等于在t1时的废料流的质量流量(“MFR”)减去时刻t0时废料流的MFR[ΔM＝MFRt1-MFRt0]，这里t1＞t0。如果MFR已增加(ΔM＞0)，那么在56处火室温度升高ΔR。ΔR是ΔM的函数：[ΔR＝f5(ΔM)]。
在火室温度升高ΔR之后，通过检查ΔCO和进行相应的温度改变即ΔX或者ΔY，在步骤32开始进行遵循反馈方法的控制方法，直到CO排放速率处于目标速率为止。在CO排放速率处于目标速率之后，采用复合前馈/反馈方法，在50处再次开始进行控制方法。
如果废料流的供给速率MFR没有增加(ΔM＜0，参见图3 54处)，那么在步骤60控制方法查看是否废料流的供给速率已减少了。如果MFR减少了，那么在点18处的火室温度(图1)在62降低了ΔL。ΔL也是ΔM的函数[ΔL＝f6(ΔM)]。在使温度降低ΔL之后，控制方法转到如上所述的在32的反馈方法，并且根据CO排放速率继续调节火室温度(图1)。一旦CO排放速率处于目标速率，那么控制方法再一次转到复合前馈/反馈方法，并且检查废料流的变量。如果废料流的MFR没有增加或者减少(在54和60)，那么在步骤66、68和74中，控制方法检查废料流的能含量E。
废料流的能含量或者E可以改变，因为成分改变可以增加或者减少废料流的燃料值。例如，在包括有机物和空气的废料流中，空气含量减少(其结果是增加了有机含量)将增加该流的燃料值，从而使它的能含量增高。用来决定废料流的燃料值的变化的优选方法是通过在线过程分析仪如气相色谱分析仪、质谱仪或者气相色谱分析仪/质谱仪直接分析废料流来监控废料流成分。
在一个特殊优选实施例中，其中废料流包括氧，除了燃料值之外还监控废料流的氧含量。在这个实施例中，空气供给到焚化炉中的速率可以减少一个量，该量等于废料流所提供的氧的质量流量，但仍然保持理想的空气/燃料比。在这种方法中，可以避免不期望的较高过量氧-及伴随着它所产生的燃料消耗增加和NOx产生增加。典型地，在非稳态工作条件期间(如产生于起动期间、关闭期间或者形成供给到焚化过程中的废料流的过程扰动期间)，这个实施例的优点是最大的。
可以预计到，在一些情况下，这些是可能的：在非稳态条件下，废料流只包括氧，及另外在稳态工作条件下，废料流基本上无氧。过程成分分析仪如上述所述的那些和/或商业上可以得到的氧分析仪适合于实现这个优选实施例的方法。使用这个方法可有利地与任何这些方法(即反馈方法或者复合前馈/反馈方法)一起使用。
另一方面，在结合工艺知识和/或在先测量时，监控产生废料流的工作条件的变化可能足够估计出该流的燃料值的变化。例如，在丙烯腈反应器供料中增大碳氢化合物与NH3的比值可以导致丙烯腈工艺的AOG(吸收剂废气)废料流内的未反应碳氢化合物含量更高，这使得废料流的燃料值增加。
废料流的能含量还可以因为废料流的绝对温度发生变化而变化。例如，如果该流的温度增加100°F(38℃)，那么该流的能含量增加了。确定废料流的温度变化的优选方法是直接用一个或者多个热电偶来监控它。
能含量还可由于废料流的物理状态的变化而变化。例如，如果在其沸点该流包括液态水并且该流通过热的热交换器，那么该流的能含量将增加并且在废料流中至少一部分的水将变成水蒸气。通过复合成分分析、压力/温度测量和使用工艺知识可监控废料流的状态变化(如从液态到气态)。
在复合前馈/反馈方法中，如果能含量，E，增加了(ΔE＞0)，那么火室温度(图1)降低了ΔB。ΔB是ΔE的函数[ΔB＝f7(ΔE)]。一旦火室温度降低了ΔB，控制方法就再一次转向反馈方法并且在32分析CO排放速率或者ΔCO。一旦CO排放处于目标速率，控制方法就转向复合前馈/反馈方法并且分析废料流的变量。
如果MFR尚未增加或者减少，并且E没有增加，那么控制方法在74查看是否E减少了。如果E减少了(ΔE＜0)，那么在18的火室温度升高了ΔA。ΔA也是ΔE的函数[ΔA＝f8(ΔE)]。一旦进行了ΔA的调整，控制方法在32处继续进行反馈方法，并且相应地分析CO排放速率从而在点18相应调节火室温度。
用来实现使CO符合要求的温度控制的复合前馈/反馈方法是连续过程，直到消耗完了废料为止。尽管以图3所示的顺序进行了描述，但在阅读了本说明书之后，对于本领域普通技术人员来讲，这些是显而易见的：在评估ΔM之前，如果首先进行ΔE评估，那么复合前馈/反馈方法没有明显改变。
在本发明的某些实施例中，复合前馈/反馈方法可以被简化到这样的程度：它作为一个纯碎的前馈方法进行工作。但是，本领域的普通技术人员知道：这种简化等同于复合前馈/反馈方法，其中反馈测量通过预测方式来得到，而不是通过直接(即过程分析仪)方式来得到。下面给出本发明的前馈实施例的一个例子。
借助于示例的方式而不是限制的方式，给出一个例子。在羧酸制造过程中，包括羧酸、碳氢化合物和氮的未纯化的产品气体被供给到吸收塔中。吸收塔使用水从产品气体中吸收羧酸，从而产生稀的水性羧酸产品流和基本上没有羧酸的气态废料流。包括碳氢化合物和氮的该气态废料流被供给到焚化炉中进行处理。
焚化炉使用空气作为氧供给源并且使用天然气作为燃料供给源；空气和天然气的绝对供给速率及空气与天然气之比通过传统的自动控制器操纵每个加料线中的控制阀来控制。气态废料流的质量流量的变化与羧酸制造过程生产速率的变化成比例。另外，气态废料流成分的小变化作为相对工作速率的吸收效率的变化的结果而发生。
图4的水平线表示用在现有技术工作方法中的火室温度设定值。从图中可以看到，1570°F的设定值没有随着供给到焚化炉中的气态废料流的质量流量的变化而改变。
图中的曲线表示用在本发明方法中的火室温度设定值。该曲线以下面方式来形成：1.根据安全和可操作性的考虑及使用现有技术中所公知的方法，决定用于工作中的最小过量氧水平。在整个测量中，该氧供给与燃料供给之比保持不变。
2.然后，确定最小和最大气态废料质量流量。
3.在该范围内的若干质量流量被确定为实验测量条件。
4.对于每个实验测量条件而言，焚化器的流出物成分被监控并且火室温度逐渐降低，直到确定最小温度为止，而在该最小温度处满足目标CO排放速率。描述这个步骤的数据的例子示出在图5中。
5.使用普通技术人员所公知的数学方法来决定多项表达式，而该多项表达式非常接近地匹配收集的具体的火室温度对质量流量数据。通过使用这个多项表达式，其中x表示气态废料的质量流量，及y表示相应的火室温度设定值，然后决定在任何给定质量流量处所需要的具体火室温度设定值，该值是使燃料消耗最小同时保持符合CO排放要求所需要的。在这个例子中导出的具体多项式是：y＝41.37x2-57.45x+1482.10从图中可以看出，火室温度设定值从较低气态废料流质量流量时的接近1475°F改变到在较高气态废料流质量流量时的接近1540°F。这些温度远远低于用在现有技术方法中的设定值(即1570°F)，并且明显降低了焚化过程的工作费用，因为焚化炉的较低工作温度使燃料消耗减少了。
由于多项表达式可以由焚化炉的流出物中的CO含量的实际炉身(stack)实验测量中导出，因此不再需要直接测量焚化炉流出物的CO含量(通过直接方式来进行的反馈)。在本发明方法的一个优选实施例中，这个多项式被输入到自动控制系统算法中，从而自动监控气态废料的质量流量，并且根据本发明的方法调整火室温度设定值。
本发明焚化过程的其它任选辅助过程包括：预热供给到焚化炉中的废料流、燃料和/或空气、在焚化炉的炉身(stack)内的洗涤器、在焚化炉的炉身内的颗粒过滤器、在焚化炉的炉身内的催化还原单元(包括选择和非选择单元)或者在焚化炉的炉身内的静电除尘器，但不局限于这些。这些使作为本发明方法的结果来实现的排放物的减少量提高了。
在本发明的范围内还可以预料到能够使锅炉与焚化炉结合使用，其中锅炉所产生的蒸气被回收并且用在其它过程中如发电过程或者用于其它工艺操作中的加热。能量系统(如这个)的废料增加了由本发明实现的整体费用节约量。
本发明的最后结果是，排放物处于目标值，并且该过程的成本效果合算。至此，已知系统没有满足这两个标准。此外，本发明方法可以使焚化过程适合于废料流中的变化，因此该方法的能量消耗被最优化并且排放物保持在目标值上。
尽管已经详细地描述了本发明，但是应该知道，在没有脱离附加的权利要求所限定的本发明的精神实质和范围内，可以进行各种变化、替换和改变。