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用于燃烧过程的集成 传感器系统和方法

阅读：465发布：2020-12-04

专利汇可以提供用于燃烧过程的集成传感器系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于炉系统中的集成传感器系统，所述炉系统包括具有至少一个燃烧器和两个或更多个区的炉，每个区不同地受到调节输入到炉中的能量的至少一个炉参数的影响，包括第一温度传感器，定位于测量所述炉系统中的第一温度，第二温度传感器，其定位成测量所述炉系统中的第二温度；以及控制器，其被编程以接收所述第一和第二测量的温度，并且基于所述第一和第二温度之间的关系来调节炉系统参数的操作，从而差异地调节输入到所述炉的至少两个区域中的能量输入；其中所述第一和第二温度之间的关系是如下的一个或多个的函数：所述两个温度之间的差，所述两个温度的比和所述两个温度的加权平均。，下面是用于燃烧过程的集成传感器系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于炉系统中的集成传感器系统，所述系统包括具有烟道和至少一个燃烧器的炉，所述炉包含炉料并具有界定炉环境的壁，所述壁包括侧壁、端部和顶部中的至少一个，所述炉具有两个或更多个区域，每个区域都受到调节输入到所述炉中的能量的至少一个炉参数的不同影响，所述集成传感器系统包括：
第一温度传感器，其定位成测量所述炉系统中的第一温度；
第二温度传感器，其定位成测量所述炉系统中的第二温度；和
控制器，其被编程以分别从第一和第二温度传感器接收指示第一和第二测量温度的信号，并且基于第一和第二温度之间的关系来调节炉系统参数的操作，从而不同地调节输入到所述炉的至少两个区域中的能量；
其中，所述第一和第二温度之间的关系是如下的一个或多个的函数：所述两个温度之间的差、所述两个温度的比和所述两个温度的加权平均。
2.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述第一温度传感器安装在所述炉的第一区中的壁中并直接暴露于所述炉环境；和
其中，所述第二温度传感器嵌入在所述炉的所述第一区中的壁中并且被隔离而免于直接暴露于所述炉环境。
3.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述第一温度传感器是定向成检测所述炉中的第一区中的炉料的温度的光学传感器；和
其中，所述第二温度传感器是定向成检测所述炉中的第二区中的炉料的温度的光学传感器。
4.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述第一温度传感器是定向成检测所述炉中的第一区中的炉料的温度的光学传感器；和
其中，所述第二温度传感器嵌入在所述炉的所述第一区中的壁中并且被隔离而免于直接暴露于所述炉环境。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，要调节的炉系统参数包括如下的至少之一：燃烧器燃烧速率、燃烧器化学计量、燃烧器分级、两个或更多个燃烧器之间的燃烧速率分布、两个或多个燃烧器之间的分级分布以及炉压力。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被编程为间歇地监测所述温度传感器信号中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括至少第三传感器，所述第三传感器选自包括如下传感器的组：温度传感器、压力传感器、浓度传感器、辐射传感器、密度传感器、光学传感器、声学传感器、水平传感器、角度传感器、距离传感器、位置传感器、图像采集传感器和视频采集传感器。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括与所述第三传感器相对应的致动器机构，用于将所述第三传感器推进到用于进行测量的位置，并将所述第三传感器缩回到受保护位置；
其中，所述控制器被编程为仅当所述第三传感器前进到用于进行测量的位置时监测来自第三传感器的信号。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括：
传感器块，其安装在所述炉的第一区中的壁中，并且具有至少两个端口，所述第一和第二温度传感器分别定位于所述至少两个端口中。
10.一种使用如权利要求1所述的集成传感器系统控制炉中的能量输入和能量分布中的一个或两个的方法，包括：
从所述第一温度传感器接收第一温度信号以确定所述第一温度；
从所述第二温度传感器接收第二温度信号以确定所述第二温度；
基于所述第一温度和所述第二温度之间的关系调整炉系统参数，其中所述炉系统参数包括如下的至少之一：燃烧器燃烧速率、燃烧器化学计量、燃烧器分级、两个或更多个燃烧器之间的燃烧速率分布、两个或更多个燃烧器之间的分级分布以及炉压力，从而不同地调节输入到炉的至少两个区域中的能量。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
基于来自所述第二温度传感器的信号控制输入到所述炉中的能量；和
基于来自所述第一温度传感器的信号控制进入所述炉的能量分布；
其中，所述第一温度传感器比所述第二温度传感器更快地响应于所述炉环境的变化。
12. 根据权利要求10所述的方法，还包括：
计算所述第一温度和所述第二温度的比率；和
基于所计算的比率控制能量输入和能量分布中的一个或两个。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一温度传感器安装在所述炉的壁中并直接暴露于所述炉环境，并且所述第二温度传感器嵌入所述炉的壁中并且被隔离而免于直接暴露于所述炉环境，其中所述第一和第二温度传感器两者都被定位成测量所述炉中的相同区域中的温度；和
其中，所述控制步骤包括基于所述第一和第二温度之间的差、所述第一和第二温度的比以及所述第一和第二温度的加权平均中的一个或多个的函数来调整输入到所述炉中的能量。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一和第二温度传感器是分别指向所述炉中的第一和第二位置的光学高温计，其中所述控制步骤包括基于以下中的一个或多个的函数来调整输入到所述炉中的能量：所述第一和第二温度之间的差，第一和第二温度的比以及第一和第二温度的加权平均。
15.一种使用如权利要求1所述的一个或多个集成传感器系统控制炉中的热分布的方法，包括：
检测所述炉的一个区域中的热需求；
检测所述炉的另一区域中的热需求；
基于检测到的热需求而调节所述炉的各个区域的燃烧能量的输入。

说明书全文

用于燃烧过程的集成传感器系统和方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2014年10月10日提交的美国临时申请号62/062578的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

[0003] 背景技术的描述

[0004] 本申请涉及集成到炉中以改进炉中燃烧过程的操作的传感器系统，包括但不限于过程效率、产量和产量。

[0005] 许多工业在炉中使用氧燃料燃烧来加热散装材料或原料，但是通常具有不足的装置来测量和控制炉参数，以便优化加热过程。通常在各种工业(例如，铝回收、钢铁生产、玻璃制造)中将基本温度传感器放置在由“常识”或方便性指示的炉周围的位置中，这通常导致测量误差和生产能力损失。

[0006] 最典型地，基于将热电偶(TC)的温度测量与预定设定点(TSP)进行比较来控制加热或熔融炉中的能量输入速率。这种热电偶(在此表示为TOPEN)通常具有三个特征：(1)其开放或暴露于炉气氛；(2)其位于顶部或与燃烧器相对的壁上；和(3)其组合使得TC易于从炉中的火焰(如炉子中的其它表面(例如，耐火墙和产品表面))拾取“直接辐射”。被加热和/或熔化的炉料或产品是炉中最大的散热器，并且能够吸收(在其表面处)并且由于其较高的导热性而进入(进入炉料的主体)入射能量。然而，耐火壁表面(其具有较低的热导率)和开放的TC，TOPEN，继续被辐射并且温度增加。这导致实际产品温度TPROD(在产品表面处或作为散装产品的平均温度测量)之间的偏差，并且特别地，TOPEN可以超过TPROD几度甚至几百度。因此，由于控制热电偶TOPEN的温度在实际产品温度TPROD之前达到温度设定值TSP，因此从燃烧器输入到炉中的能量可能过早地减少，从而导致比期望的更长的加热和/或熔化时间。

[0007] 概述

[0008] 本文描述了在炉中策略性地定位传感器和/或传感器类型的各种组合的方法和系统，使得策略布置(其可以包括一些或全部传感器的物理共处)产生能够改进炉控制和操作的集成传感器系统。这导致提高的过程产率、效率和/或吞吐量。现场和实验室生成的数据展示了可使用本文所述的方法和系统获得的几个令人惊讶的操作优点。

[0009] 方面1.一种用于在包括炉和烟道的炉系统中使用的集成传感器系统，所述集成传感器系统包括：传感器块，其被配置为安装在所述炉系统的壁中，所述传感器块至少包括两个端口，每个端口被配置为接收传感器；两个或更多个传感器，每个传感器定位在所述传感器块中的相应一个端口中；以及控制器，其被编程为从所述两个或更多个传感器接收信号并且响应于所接收的信号调整所述炉系统的操作；其中所述两个传感器各自选自如下的组合：温度传感器、压力传感器、成分传感器、浓度传感器、辐射传感器、密度传感器、热导率传感器、光学传感器、声传感器、液位传感器、角度传感器、距离传感器、位置传感器、图像采集传感器和视频采集传感器。

[0010] 方面2.方面1的集成传感器系统，其中，所述控制器被编程为连续地监测所述传感器信号中的至少一个。

[0011] 方面3.方面1的集成传感器系统，其中，所述控制器被编程为间歇地监测所述传感器信号中的至少一个。

[0012] 方面4.方面1的集成传感器系统，还包括与传感器中的一个相对应的致动器机构，用于将所述传感器推进到用于进行测量并将所述传感器缩回到受保护位置的位置；其中所述控制器被编程为仅当所述传感器前进到用于进行测量的位置时监测来自所述传感器的信号。

[0013] 方面5.一种使用如方面1所述的集成传感器系统控制炉中能量输入和能量分布的方法，其中所述两个或更多个传感器包括对炉开放的第一温度传感器和嵌入在炉中的第二温度传感器包括：基于来自所述第二温度传感器的信号控制输入到所述炉中的能量，同时基于来自所述第一温度传感器的信号控制能量分布，其中所述第一温度传感器更快地响应于所述第二温度传感器的所述第二温度感应器。

[0014] 方面6.一种使用如方面1所述的集成传感器系统控制炉中能量输入和能量分布的方法，其中所述两个或更多个传感器包括指向炉内一个位置的第一光学高温计或传感器，以及第二光学高温计或传感器，其包括：基于来自所述第二温度传感器的信号控制输入到所述炉中的能量，同时基于来自所述第一温度传感器的信号控制能量分布，其中所述第一温度传感器响应更多迅速地到达第二温度传感器的局部条件。

[0015] 方面7.一种使用如方面1所述的集成传感器系统控制炉中过量氧、NOx、CO和可燃排放物中的一种或多种的方法，其中所述两个或更多个传感器包括压力传感器和组合物传感器，包括：基于来自所述压力传感器的信号控制所述炉中的烟道气阻尼器和氧富集水平中的一个或两个，并且基于来自所述组合物的信号控制所述炉中的燃烧器的氧-传感器。

[0016] 方面8.如方面7所述的方法，其中所述两个或更多个传感器还包括温度传感器，所述方法还包括：基于来自温度传感器的信号来限制所述烟道气阻尼器、所述炉中的氧气富集水平、炉的氧气燃料比的控制，以维持期望的热传递。

[0017] 方面9.如方面7所述的方法，其中所述传感器块位于所述炉中。

[0018] 方面10.方面7的方法，其中所述传感器块位于所述烟道中。

[0019] 方面11.一种使用如方面1中的集成传感器系统控制炉操作的方法，包括：检测指示炉和烟道中的一个或两个中的颗粒的不透明度；以及基于检测到的不透明度而调整炉输入参数。

[0020] 方面12.如方面11所述的方法，其中，所述两个或更多个传感器包括发送器和接收器，并且通过从发送器到接收器的信号的衰减来测量不透明度。

[0021] 方面13.如方面11所述的方法，其中，所述两个或更多个传感器包括辐射接收器，并且通过炉辐射的衰减来测量不透明度，否则在不存在粒子的情况下检测所述辐射。

[0022] 方面14.如方面11所述的方法，还包括：检测指示非优化燃烧的一个或多个预定粒度；以及基于检测到的粒度来调整炉输入参数。

[0023] 方面15.一种使用如方面1中的一个或多个集成传感器系统控制炉中的热分布的方法，包括：检测炉的一个部分或区域中的热负荷；检测炉的另一部分或区域中的热负荷；基于检测到的热负荷来调整燃烧能量到炉的相应部分或区域的输入。

[0024] 方面16.一种用于炉系统中的集成传感器系统，所述系统包括具有烟道和至少一个将燃料和氧化剂引入炉中的燃烧器的炉，所述炉包含炉料并具有界定炉环境的壁，所述炉壁包括侧壁、端壁和顶部中的至少一个，所述炉具有两个或更多个区域，每个区域都受到调节输入到所述炉中的能量的至少一个炉子参数的不同影响，所述集成传感器系统包括：第一温度传感器定位成测量所述炉系统中的第一温度；第二温度传感器，其定位成测量所述炉系统中的第二温度；以及控制器，其被编程为分别从第一和第二温度传感器接收指示第一和第二测量温度的信号，并且基于第一和第二温度之间的关系调节炉系统参数的操作，从而差动调节能量输入进入所述炉的至少两个区域中；其中所述第一和第二温度之间的关系是所述两个温度之间的差、所述两个温度的比和所述两个温度的加权平均中的一个或多个的函数。

[0025] 方面17.如方面16所述的系统，其中所述第一温度传感器安装在所述炉的第一区中的壁中，并直接暴露于所述炉环境；并且其中所述第二温度传感器嵌入在所述炉的所述第一区中的壁中并且与直接暴露于所述炉环境隔离。

[0026] 方面18.如方面16所述的系统，其中所述第一温度传感器是定向成检测所述炉中的第一区中的装料的温度的光学传感器；并且其中所述第二温度传感器是定向成检测所述炉中的第二区中的炉料的温度的光学传感器。

[0027] 方面19.如方面16所述的系统，其中，所述第一温度传感器是定向成检测所述炉中的第一区中的炉料的温度的光学传感器；并且其中，所述第二温度传感器嵌入在所述炉的所述第一区中的壁中并且与直接暴露于所述炉环境隔离。

[0028] 方面20.如方面16至19中任一项所述的系统，其中要调节的炉系统参数包括燃烧器燃烧速率，燃烧器化学计量，燃烧器分级，两个或更多个燃烧器之间的燃烧速率分布中的至少一个燃烧器，两个或更多个燃烧器之间的分级分布，以及炉压力。

[0029] 方面21.如方面16至20中任一方面所述的系统，其中，所述控制器被编程为间歇地监测所述温度传感器信号中的至少一个。

[0030] 方面22.如方面16至21中任一方面所述的系统，还包括至少第三传感器，所述第三传感器选自如下的组合：温度传感器、压力传感器、浓度传感器、辐射传感器、密度传感器、光学传感器、声学传感器、水平传感器、角度传感器、距离传感器、位置传感器、图像采集传感器和视频采集传感器。

[0031] 方面23.如方面22所述的系统，还包括与第三传感器相对应的致动器机构，用于将第三传感器推进到用于进行测量并将第三传感器缩回到受保护位置的位置；其中所述控制器被编程为仅当所述第三传感器前进到用于进行测量的位置时监测来自第三传感器的信号。

[0032] 方面24.如方面16至23中任一项所述的系统，还包括：传感器块，其安装在炉的第一区中的壁中，并且具有至少两个端口，第一和第二温度传感器分别位于所述至少两个端口中。

[0033] 方面25.一种使用如在方面16中的集成传感器系统控制炉中能量输入和能量分布中的一个或两个的方法，包括：从第一温度传感器接收第一温度信号以确定第一温度；从所述第二温度传感器接收第二温度信号以确定所述第二温度；基于所述第一温度和所述第二温度之间的关系调整炉系统参数，其中所述炉系统参数包括燃烧器燃烧速率，燃烧器化学计量，燃烧器分级，两个或更多个燃烧器之间的燃烧速率分布，在两个或更多个燃烧器之间的分级分布，以及炉压力，从而不同地调节输入到炉的至少两个区域中的能量。

[0034] 方面26.如方面25所述的方法，还包括：基于来自第二温度传感器的信号控制输入到炉中的能量；并基于来自所述第一温度传感器的信号控制进入所述炉的能量分配；其中所述第一温度传感器比所述第二温度传感器更快地响应于所述炉环境的变化。

[0035] 方面27.如方面25所述的方法，还包括：计算第一和第二温度的比率；以及基于所计算的比率控制所述能量输入和能量分布中的一个或两个。

[0036] 方面28.如方面25所述的方法，其中第一温度传感器安装在炉的壁中并直接暴露于炉环境，并且第二温度传感器嵌入炉的壁中并与直接暴露隔离到炉子环境；并且其中所述控制步骤包括基于所述第一和第二温度传感器之间的差，所述第一和第二温度的比以及所述第一和第二温度的加权平均值中的一个或多个的函数来调整输入到所述炉中的能量。

[0037] 方面29.如方面25所述的方法，其中所述第一和第二温度传感器是光学高温计，每个指向所述炉中的不同的一个位置，其中所述控制步骤包括基于一个或更多的第一和第二温度传感器之间的差值，第一和第二温度的比值以及第一和第二温度的加权平均值。

[0038] 方面30.一种使用如在方面16中的一个或多个集成传感器系统控制炉中的热分布的方法，包括：检测炉的一个区域中的热需求；检测所述炉的另一区域中的热需求；以及基于检测到的热负荷来调整到所述炉的相应部分或区域的燃烧能量的输入。

[0039] 方面31.如方面16所述的系统，其中所述温度传感器可以是接触式或非接触式。

[0040] 方面32.如方面1所述的系统，还包括：两个或更多个传感器，每个传感器定位在所述传感器块中的相应的一个端口中；以及控制器，其被编程为从所述两个或更多个传感器接收信号并且响应于所接收的信号调整炉子系统参数的操作；其中所述两个传感器包括被配置为测量所述炉系统中的两个不同温度的至少两个温度传感器；并且其中所述炉的壁是所述炉的侧壁和顶部中的一个或多个。附图说明

[0041] 图1是具有三个贯通端口和一个盲孔的示例性传感器块的横截面示意图，每个配置为接收一个或多个传感器，并且指示暴露于炉环境的三个传感器的示例性布置，组合物(C)温度(T1)和压力(P)，以及嵌入传感器块中的一个传感器温度(T2)。

[0042] 图2是示出具有用于控制能量输入的适当定位的热电偶的益处的曲线图。当热电偶(TC)不适当地定位时，可以过早地减少输入到炉中的能量。方形符号表示适当定位的控制TC以精确地指示充电温度，而三角形符号表示其中控制TC放错以便检测比由适当定位的控制器检测的温度高约75°F的情况TC。

[0043] 图3是示出用于最有效控制策略的用于放置控制热电偶的位置的CLOP输出等级的曲线图。红色(靠近燃烧器)表示较差的位置，蓝色(远离燃烧器)表示较好的位置。

[0044] 图4示出了示例性集成传感器系统S1和S2，其策略性地安装以感测具有两个区域(一个具有较小的能量负载或要求，另一个具有较大的能量负载或要求)的炉中的热分布需求。

[0045] 图5是示例性废料熔化炉的俯视图，其示出了燃烧器，烟道，三个暴露的温度传感器(T1，T2，T3)，两个光学高温计(PB，PC)和红外传感器(FIR)的位置。

[0046] 图6是由两个指向炉的不同部分的光学高温计和位于炉中不同位置的壁中的三个暴露的热电偶进行的温度测量的图形比较，如图6所示，在熔化期间和添加三个分开的电荷L1，L2和L3。

[0047] 图7是示例性测试炉的侧视图，其具有待加热的金属(例如铜)床，装配有床热电偶(T14)，并且包括安装在炉顶中的传感器块，其包含三个温度传感器：开放热电偶(T12)、嵌入式热电偶(T13)和光学高温计(T11)。

[0048] 图8是由测试炉(T11，T12，T13)和铜床热电偶(T14)中的顶部安装的传感器块中的三个温度传感器进行的温度测量的图形比较，如图7所示，特别示出了温度传感器的响应与铜的相变(熔化)的进展之间的对应关系。

[0049] 图9是示例性测试炉的侧视图，其具有待加热的铝(B1)前部床和待加热的后部床(b2)，每个都装配有热电偶(分别为T24和T25)，并且包括传感器块具有两个光学高温计，一个指向前床(T22)，另一个指向后床(T21)，以及顶部安装的嵌入式热电偶(T23)。

[0050] 图10是由测试炉(T21，T22，T23)和前和后床热电偶(T24，T25)中的三个安装在顶部的温度传感器进行的温度测量的图形比较，如图9所示，特别示出了这些温度传感器对床中的各种过程变化的响应。

[0051] 图11是示例性测试炉的侧视图，其具有待加热的铝(B1)前部床和铝(B2)后部床，每个都装配有热电偶(分别为T24和T25)，并且包括传感器块具有两个光学高温计，一个指向前床(T22)，另一个指向后床(T21)。

[0052] 图12是由测试炉(T21，T22)和前和后床热电偶(T24，T25)中的两个安装在顶部的温度传感器进行的温度测量的图形比较，如图11所示，特别示出了这些温度传感器对床中的各种过程变化的响应。

[0053] 图13是示出用于加热炉中的炉料的三种情况的控制比较的曲线图，其中控制基于：(1)单独的开放热电偶(正方形符号，顶线)，其导致炉中能量输入的最快减少并因此更长的熔化或加热时间，(2)嵌入的热电偶单独(圆圈符号，底线)，其导致最近减少的能量输入到炉和潜在的耐火材料过热，和(3)基于功能的控制策略开放和嵌入热电偶(三角形符号，中间曲线)，导致比开放热电偶控制方案更快的加热时间，同时避免嵌入式热电偶控制方案的潜在过热问题。

[0054] 图14是示出具有多个操作区域的炉和具有不同加热曲线的不同类型的燃烧器的对应关系的图，其可以根据加热需要优先地将不成比例的量的能量引导到不同的区域。

[0055] 实施例的详细说明

[0056] 已经开发了集成传感器系统以通过使用来自安装在炉中的一个或多个位置处的两个或更多个传感器的反馈来协同地与炉中的一个或多个燃烧器协同工作，以优化过程效率，产量和/或吞吐量。

[0057] 在集成传感器系统中可单独或组合使用的传感器类型的非限制性列表如下：

[0058] ■温度(T)传感器，接触式或非接触式，如热电偶，光学高温计，热敏电阻[0059] ■密度传感器

[0060] ■距离传感器-1D或2D地形传感器

[0061] ■测量热导率的传感器

[0062] ■能够进行视频或图像采集的设备

[0063] ■基于特定波长或整体光强确定信息的光学传感器

[0064] ■声学传感器

[0065] ■液位和/或角度测量

[0066] ■原位成分传感器，如氧传感器(氧化锆)

[0067] 集成传感器系统可以有线或无线连接，因此炉在操作中可以是静止的或旋转的。集成传感器系统可以使用电池，有线电源或经由从炉子的能量收集(例如，使用振动，热，机械移动，用于能量收集的光学方法)来供电。

[0068] 集成传感器系统的特征。

[0069] 传感器可用于在炉中连续或不连续地测量过程变量。作为非限制性示例，可以通过安装的一个或多个热电偶来执行连续测量，每个热电偶嵌入或敞开到炉气氛中，并且连续地测量炉中的温度。

[0070] 可替代地，传感器可以安装在致动机构上，该致动机构将传感器引入到测量空间中并且进行不连续点测量(在空间和/或时间上)，其被实时或时间积分地方式，在控制炉的决策过程中。容纳传感器的致动机构的使用还潜在地消除或减少了通过水或空气或其它装置冷却可能不适于连续暴露于炉子环境的传感器的需要。

[0071] 当使用某些光学传感器(例如，红外高温计，图像获取装置等)时，由于来自火焰的强烈辐射，可能对测量信号产生干扰。为了解决这个问题，致动机构可以与一个或多个火焰的操作同步，使得仅当一个或多个火焰最不可能干扰测量时，才将传感器致动到位。与火焰或火焰的这种同步将有利于从炉获得更准确的数据，但是不是必需的。光学高温计可以被配置为检测一个或多个波长范围内的发射，例如从0.9至1.1微米，从1.5至1.7微米，从2.0至2.4微米，从3.8至4.0微米或其组合，注意到高温计不需要能够检测任何特定范围内的所有波长。

[0072] 在一个示例中，图像采集装置用于在炉中拍摄多个照片图像，然后后处理算法将这些图像融合或缝合在一起以提供炉概述。此外，温度和地形信息(通过几乎同时操作传感器获得)可以覆盖在炉子概况上。该信息可用于例如确定在具有两个或更多个区域的炉中所需的能量分布，每个区域响应于进入炉中的某些能量输入(例如，燃烧器或燃烧器配置或操作参数)而不同，如进一步详细讨论的下面。

[0073] 集成传感器系统包括传感器块，其可以具有用于各种形状和尺寸的传感器的任何数量的通道，孔，通道，井或端口，并且在任何给定时间可以使用任何数量的传感器。此外，根据操作的需要，集成传感器系统内的传感器可以安装成齐平或延伸到炉中，或者凹进耐火块中，如图1所示。另外，取决于上述安装方法和过程中的温度，集成传感器系统的传感器块或其它部件可以或可以不被主动冷却(例如水，空气或电)。

[0074] 图1示出了用于集成传感器系统的传感器块的示意图，其中耐火块容纳一个或多个传感器以测量关键过程变量，其可以包括温度(T)，压力(P)和成分(C)过程变量，如距离，地形，角度或其他相关参数。

[0075] 组件的作用。

[0076] 一个或多个过程传感器可以位于集成传感器系统中，这取决于所采用的控制策略的需要。根据应用的控制需要，可以根据控制策略中的重要性对传感器的组合进行排名和加权。在一个非限制性示例中，当管理炉的能量输入和分配需求时，可以在决策中使用和加权温度传感器的组合。在另一个非限制性示例中，当管理烟道中的过量氧气浓度时，可以在决策中使用和加权压力和成分传感器的组合。注意，任何一种类型的过程传感器本身可能不足以限定控制需求。因此，关于变量的组合如何在例如特定策略选择的位置处响应的知识和理解可有助于有效地确定如何控制炉中的燃烧过程。

[0077] 从集成传感器系统中协同操作的传感器获得的信息包可以有效地用于控制炉操作的方面，例如能量分布、能量输入(燃烧速率)、化学计量和/或识别事件，例如基本上完成工艺熔融，和/或确定下一次增量装料的合适时间、加入盐/助熔剂、搅拌金属浴、处理污染的废料、需要后燃烧、控制排放、调整燃烧器分级燃料或氧气、材料精炼(例如，氧化或还原)和其它工艺步骤或事件。

[0078] 传感器可以单独地或与集成传感器系统中的其它传感器或集成传感器系统的组合一起操作。

[0079] 定位用于集成传感器系统的传感器。

[0080] 集成传感器系统的性能受其传感器的位置的显着影响。在一个实施例中，一个或多个传感器块可以策略性地位于顶部和/或侧壁和/或烟道气管道中，以便获得炉的控制需求的完整图像，因为每个炉是不同的。许多因素包括但不限于燃烧器的数量，位置和类型(空气-燃料，空气-氧-燃料或氧-燃料)，能量输入，炉的尺寸和形状以及烟道相对于燃烧器，确定在炉中产生的烟道气的流体动力学模式和热释放。这又有助于确定传感器在炉中的适当位置。

[0081] 一个或多个传感器块可以独立地或独立地安装在炉中或者可以集成在燃烧器系统内。根据操作的需要，传感器块可以齐平(优选地)安装或延伸到炉中或凹入到炉耐火材料中。

[0082] 如图2所示，当热电偶(TC)不适当地定位时，可以过早地减少输入到炉中的能量。在较低的燃烧速率和累积能量曲线(三角形符号)中，控制热电偶位于使其比更适当放置的热电偶高约75°F的位置，导致燃烧速率的过早降低和不足的累积能量输入到炉中。在较高的燃烧速率和累积能量曲线(方形符号)中，适当地放置用于该过程的控制热电偶，导致以较高的速率进行较长的焙烧，并且较高的累积能量输入到炉中。

[0083] 参考Gangoli等人，可以理解在再加热炉中定位热电偶(TC)以控制过程中的能量输入速率(瞬时燃烧器燃烧速率)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，其通过引用整体并入本文。控制位置优化程序(CLOP)使用独特的策略来确定控制TC的有效位置。图3示出了TC在炉中的非最佳位置的影响(参见位置BEFORE)。如图3所示，定位热电偶(TC)太靠近燃烧器会产生不理想的结果(“BEFORE”)位置，而通过将热电偶充分远离燃烧器(“AFTER”)位置，可以获得改进的结果。

[0084] 通过将控制TC位置移动到AFTER，在该过程中获得的循环时间和燃料节约分别改进了29％(更快)和20％(更低)。

[0085] 使用集成传感器系统的控制策略的示例：

[0086] A)控制炉中的能量输入和能量分布。

[0087] 在使用标准(例如，K型)热电偶来控制炉中的能量输入和能量分配的情况下，优选的是成对使用它们，或者至少使用至少一个热电偶，对炉子环境和辐射以及至少另一个嵌入耐火块中的热电偶开放，该热电偶典型地距离热面1至2英寸。这种布置可以使用如图1所示的传感器块来实现，具有T1(开路)和T2(嵌入)热电偶。一个或多个传感器块可以位于炉中(例如，在顶部或侧壁或烟道气管道中的一个或多个中)。

[0088] 嵌入式TC反应较慢，而打开或暴露的TC对过程中的变化反应更快。类似地，炉子所需的总能量输入变化较慢(对于给定的废料输入速率通常是线性的)，而热分布需要更快地变化(废料的熔化/移动，炉料事件，例如装料，搅拌等)。因此，结合集成传感器系统的控制策略可以使用开放TC来控制热分布决定和嵌入式TC来管理输入到炉中的总能量。

[0089] 当使用开放或暴露的热电偶来控制输入到炉中的能量的速率时，其倾向于比炉内的周围耐火材料和产品快得多地吸收热量。这导致进入炉的能量的过早减少，导致循环时间延长(参见图2)。当开放式TC与高辐射富氧空气或氧-燃料火焰操作结合使用时，这种效果被放大。

[0090] B)控制炉中过量的O2。

[0091] 传感器可以靠近或位于烟道气管道中。在这种情况下，压力和成分(例如，O2浓度)过程变量可以用作决策的主要输入，而温度可以作为决策作用的输入发挥次要作用。例如，压力用于控制炉中的烟道气阻尼器或富氧水平，并因此控制空气泄漏(O2的泄漏)，而组分用于控制燃烧中使用的氧气与燃料的比例，并因此控制炉压力。在这种情况下，优选的是使压力和成分传感器在相同位置(即，结合到同一传感器块中)，因为氧气浓度与压力和成分变量互连。然后可以将温度信息用作检查以确保对炉进行的改变不会不利地影响热传递。

[0092] C)控制炉中的NOx。

[0093] 传感器可以靠近或位于烟道气管道中。在这种情况下，压力和成分过程变量可以用作决策中的主要输入，而温度可以起次要作用，使得燃烧器的化学计量可以基于每个燃烧器相对于烟道的位置和燃烧器相对于燃烧器的位置彼此。

[0094] D)检测烟道气体中的颗粒。

[0095] i)使用发送器和接收器的主动检测，其中信号中的衰减指示颗粒的存在。例如，诸如由Forbes Marshall(例如，不透明/粉尘监测器-FM CODEL DCEM2100)商业销售的颗粒检测器可以与传感器块和炉控制器集成。通过调整控制参数来控制烟道的不透明度也已经在至少一个测试情况中示出(参见http://lehigh.edu/energy/leu/leu_54.pdf)。

[0096] ii)使用炉辐射和接收器的被动检测，其中信号中的衰减表示颗粒的存在。该方法使用光敏检测器(例如光电二极管，CCD)，其在没有颗粒的情况下将测量来自热的耐火材料，火焰或其他发射辐射的表面的光。微粒的存在降低了光强度。然而，炉温，燃烧速率或其它项目的降低也可以降低由光敏检测器观察到的强度。因此，需要合成信息以确定光减少的原因。例如，通过组合关于燃烧器的燃烧速率，炉温，传感器块温度，其它光敏检测器和/或其它信息的信息，用于炉的控制可以确定光强度的减少是否是由于颗粒阻塞光源或背景辐射的减少。这将消除与(主动)捕获和接收设备的对准相关联的问题。一旦确定存在额外的颗粒，可以调节/优化燃烧/炉控制以减少颗粒或其它非优化的燃烧条件。这可以是使用已知技术的改进的燃烧，例如改进的化学计量控制，改进的火焰稳定性等。

[0097] iii)使用特定波长来区分颗粒。

[0098] 知道颗粒尺寸的分布可用于确定颗粒的来源。例如，在固体燃料燃烧的情况下，较大的粒度可能表明粉碎机不能正常工作，较小的尺寸可能表示燃烧器中的非优化燃烧。类似地，颗粒尺寸可以指示颗粒是否是燃烧产物，或者是否由于炉内的气流而从加热的材料中拾取。也许重要的是为了允许的原因知道粒度。通过使用捕获和使用激光器，滤波器或光栅的接收光学器件或通过使用背景辐射和光学滤波器或光栅(或其他装置)，通过使用不同波长的光可以推断粒子尺寸。利用该信息，可以调节燃烧，为燃烧相关设备提供警告，可以调节炉中的气体流以减少颗粒物吸收，和/或可以采取其他动作来纠正该问题。还注意，可以使用如上所述的被动或主动检测来完成特定波长的检测。

[0099] E)控制来自炉的CO/可燃物排放。

[0100] 可以使用各种装置来控制CO/可燃排放物。例如，可以使用US2013/0307202中描述的方法，其通过引用整体并入本文，使用传感器块来结合光学检测器和温度测量装置。除了控制意外挥发物之外，可以使用相同的传感器或不同的传感器来基于来自炉的可燃物的排放以最小的过量氧控制炉。这种可燃物是控制系统的不完全控制，燃烧器和/或炉内氧和燃料的不完全混合，和/或来自电荷或其它来源的结果。然而，与'202 专利申请的控制方法不同，燃烧器流量控制化学计量可以控制在较窄的范围内。本申请的一个目的是使过量的O2最小化，其中燃烧器输入流可以响应于传感器系统输入而缓慢地改变到新的设定点。这种缓慢变化的控制系统允许对化学计量的微小修改以考虑炉中的动态，同时保持响应系统中更大的变化的能力。

[0101] F)使用集成传感器系统控制“热分布”。

[0102] 如图4所示，集成传感器系统S1和S2可以战略性地安装以感测炉中不同区域的热分布需求，并且对应于这些加热需要，适当量的能量负载1和2分布在炉中，例如使用燃烧器能够调整其区带热分布(例如，不同水平的燃料或氧气分级或其他手段)或通过使用策略性定位的燃烧器的组合。

[0103] 当用于熔融应用(例如，二次铝或铜熔融)中时，由于倾斜的装料操作，熔体中的固体的移动，熔融金属泵或其它原因，产品负载可能潜在地在炉周围移动。在这种情况下，集成传感器系统可以检测负载中的相对区带变化，并相应地调整热分布。

[0104] 集成传感器系统的使用范围。

[0105] 集成传感器系统可用于各种能量应用，包括用于所有金属的熔融，加热/再加热，二次含铁/有色金属冶炼(高温应用)，玻璃，气化，直接还原铁，锅炉，重整器(添加其他)，作为非限制性实例。

[0106] 实验数据。

[0107] 除了控制之外，温度设定点通常用于防止炉中的炉料或产品过度加热以比保护耐火材料更简单，因为加热或熔化炉中的大部分耐火材料的额定工作温度远高于目标工艺温度的产品。例如，一些耐火材料可以处理超过3000°F的温度，而炉中的产品可以在远低于这些温度下熔化或被氧化(在需要避免熔融和/或氧化的情况下)。然而，基于高估产品温度的开放热电偶TOPEN的控制(如上文关于图2所讨论的)可能过于保守，将比炉内热量少得多的热量比所期望的热量少以实现产品的最佳加热或熔化速率。如本文所述，改进的方法认识到以允许TOPEN超过温度设定点的方式控制炉操作的优点，其通过依靠一个或多个温度测量的函数更精确地指示实际产品温度和炉内实际耐火温度。

[0108] 与TOPEN相比，产物温度TPROD的滞后可以在用作TPROD的合理代表的嵌入式热电偶TEMB的帮助下进行模拟。例如，在如图1中示意性示出的传感器块中，如图1所示，TOPEN可以位于标记为T1的端口中，而TEMB可以位于标记为T2的端口中。顾名思义，安装嵌入式TC，使得TC的任何部分都不暴露于炉中的大气中，因此TEMB不直接由火焰辐射。TEMB测量总耐火温度，其比TOPEN对炉内局部效应的响应性相对较低。TEMB滞后TOPEN的量或温度差取决于多种因素，包括从耐火热面(通常约0.5至约3英寸)嵌入的TC的深度以及耐火材料的导电性和热容量。

[0109] 图13示出了假设TOPEN以10°F/min的速率增加，而TEMB(相对地代表TPROD)假定以6.5°F/min上升的示例情形。在该示例中，温度设定点(TSP)为2000°F，耐火材料的允许连续工作温度为大约2500°F。在一个选项中，如果仅使用打开的TC，TOPEN控制操作，则在大约3.2小时之后将达到温度设定点(方形符号，上面的线，以及点A，显示上面的线和设定点的交点)。然后，即使TEMB(指示TPROD)远低于炉温设定点TSP，控制器也将开始减少炉中的能量输入(例如，通过降低燃烧器燃烧速率或调节一个或多个其它燃烧器操作参数)。因此，加热将过早地降低，而产品温度尚未达到设定点。在另一种选择中，如果仅使用嵌入式TC，TEMB控制炉的操作，则在约5小时之后达到设定点(圆形符号，下面的线，以及点C，示出下面的线和设定点的交点)。同时，TOPEN温度将超过耐火材料允许的连续操作温度约500°F度。

[0110] 第三，优选的选择是使用更优化的操作变量(被认为是TCONTROL)来控制炉，其可以是TOPEN和TEMB的计算函数，以及可选的TSP。在一个用于TCONTROL的非限制性示例方程式中，其在图13的图形中示出，(三角形符号和中间线)：

[0111] TCONTROL＝X·TEMB+(1-X)·TOPEN 等式(1)

[0112] 其中,

[0113] 在所描绘的曲线图中，常数被设置为0.8。控制温度变量TCONTROL在约4小时后达到点B处的设定点温度，而不允许TOPEN超过2500°F，从而与基于TOPEN的控制相比，获得约0.8小时或48分钟的以高燃烧速率继续操作单独，这将使炉子减少循环时间和提高生产率。作为示例，对于以10MMBtu/hr燃烧的具有0.8MMBtu/吨的特定燃料消耗并且处理约60吨/批料的炉，该示例性控制方案能够向炉中输入额外的5至8MMBtu的能量在同一时间段内，导致生产率提高约8至13％。

[0114] 应当理解，与基于单独的TOPEN或TEMB的控制相比，可以使用TOPEN和TEMB的许多替代功能来实现改进的工艺结果。在一个实例中，TCONTROL可以基于TOPEN和TEMB之间的差异而不是比上面给出的线性实施例的TOPEN和TEMB的比率或一些其它相对加权来公式化。在另一个实例中，TOPEN可以考虑范围关于设定点温度TSP，其中当TOPEN在TSP附近的范围内时，使用公式提供TOPEN和TEMB的相对加权，而低于该范围单独使用TOPEN，而高于该范围单独使用TEMB。(注意，这可以例如通过将等式(1)中的X设置为低于范围的0和高于范围的1来实现。)范围可以具有为比TSP低10％或15％或20％或25％的下限，并且该范围可以具有比TSP高10％或15％或20％或25％的上限，并且这些范围可以根据所使用的温度标度适当地调节。

[0115] 参考图5和图6，在铜熔化炉中使用各种温度传感器进行实验以区分在炉的装载期间的能量输入需求。通常，当铜炉被操作以熔化废料时，将废料的初始装料放入炉中，并且随着先前的装料从固体熔化成液体，添加随后的废料装料，并且在炉中提供更多的空间接收额外的废料。

[0116] 炉布局如图5所示，图5示出了具有多个温度传感器的铜炉。在所描绘的炉中，燃烧器位于炉的一端，烟道位于炉的相对端。虽然图5中示出了两个燃烧器，但可以使用任何数量的燃烧器，一个或多个，并且本文所述的系统和方法独立于所使用的燃料的类型(气体，液体，固体)和燃烧器类型(空气燃料，，空气-氧-燃料)。而且，烟道可以位于炉的任何合适的位置，而不影响本文所述的系统和方法的一般操作。

[0117] 如图所示，烟道可装备有红外传感器(FIR)以检测燃烧强度。定位在图5的示例性炉中是两个光学高温计，高温计PC在炉的燃烧器端附近，高温计PB在炉的烟道端附近。位于炉中的还有三个暴露的热电偶，在炉的烟道端附近和炉的相对侧壁上的热电偶T1和T2，以及在炉的燃烧器端附近的侧壁中的热电偶T3。暴露的热电偶是安装成使得它们直接暴露于炉内环境的热电偶，即使在一些情况下，这些热电偶可以稍微凹入炉壁中的端口或传感器块中，以减少撞击热电偶的炉辐射，以及以减少溅射金属的暴露。为了评估图5的数据的目的，注意到，炉具有充电门(未示出)，电荷通过该充电门落入炉中，使得添加的电荷倾向于朝向炉的左侧聚集，其中光学高温计PB和PC以及暴露的热电偶T2和T3位于并且稍微远离暴露的热电偶T1所处的位置。

[0118] 图6示出了针对不同位置或区域或区域的两个光学温度传感器(高温计PB和PC)的组合可以提供对炉中的能量分布需求的了解，特别是在新废料的装载期间。还示出了三个暴露的热电偶(T1，T2和T3)的数据，这些热电偶对炉料的添加没有快速或决定性地响应。因此，基于两个光学温度传感器PB和PC的测量来控制能量分布的方法将包括在需要的地方分配能量的控制方案，例如通过增加针对相对较低区域的一个燃烧器的点火速率温度和/或通过降低针对相对较高温度的区域的另一燃烧器的燃烧速率，或通过调节一个或两个燃烧器的化学计量或分级，或通过调节烟道阻尼器以增加或减少炉压力。

[0119] 如图6所示，比较三次标记的废料进入炉子L1，L2和L3后发生的情况。注意，点F1处的燃烧速率增加，这导致温度曲线的一般增加。在废料加载L1之后，两个高温计PB和PC显示出一些扰动，但是都不表示由于充电L1造成的废料的不成比例的负载。在碎片负载L2之后，当两个高温计再次响应时，高温计PC的扰动显示出比高温计PB的扰动大得多的温度下降，表明冷充气L2的不成比例的量可能在朝向燃烧器端部的区域中下降炉子。作为响应，可以调节燃烧器操作以将更多的热量引导到炉的燃烧器端。相比之下，在废料负载L3之后，高温计PB显示比高温计PC大得多的温度下降，表明冷负荷L3的不成比例的量可能在朝向炉的烟道端的区域中下降，并且作为响应，燃烧器操作可以调节以将更多的热量引导到炉的烟道端。

[0120] 图6中所示的开放热电偶通常显示与高温计相似的温度趋势，但是它们对废料装载期间的温度的快速变化不太敏感。例如，暴露的热电偶T3和高温计PC位于相同的附近，但是在废料负载L2之后，高温计PC记录比热电偶T3大得多的响应。这表明，除了策略传感器放置之外，传感器类型(在这种情况下高温计对热电偶)的选择对于所获得的信息和控制炉内热分布的所得能力产生显着差异。

[0121] 参考图7和图8，在配置成熔化铜(B0)床的测试炉中进行实验，使用各种温度传感器来区分在炉的装载期间的能量输入要求。炉和仪表布局如图1所示。在所描绘的炉中，使用具有三个端口的传感器块(SB)，其中定位有光学高温计(T11)以观察铜床的开放端口，其中热电偶(T12)为定位成暴露于炉环境；以及盲孔，其中定位嵌入的热电偶(T13)以测量顶部温度。床热电偶(T14)位于铜床中。

[0122] 图8中的数据大体上示出两个温度传感器(一个开放式高温计T11和一个嵌入式热电偶T13)的组合可以提供表征局部能量分布(主要由开放温度传感器指示)和能量输入(主要由嵌入式温度传感器)进入炉中。嵌入式热电偶(T13)检测到需要额外的能量输入到炉中，因为它可以看到新鲜废料被装载或炉门被打开的影响。高温计(T11)感测热的局部变化，因此，策略性地位于炉周围的高温计的组合可以提供区域热分布的知识，其是控制方案的输入，以在各种工业过程期间优化加热，其不限于铜熔融(包括例如玻璃熔融，金属再加热和再循环)。

[0123] 点P1标记了炉门打开，床被搅拌并添加新废料的时间。嵌入式热电偶T13检测由于这些操作引起的体积热变化，而高温计T11检测所得到的能量分布的局部变化，并且开放热电偶T12类似地显示对冷空气和冷充电的流入的更显着的响应。当门已经关闭并且新的电荷正在被加热时，床热电偶T14下降到或略低于在点P2处的铜的熔化温度。床热电偶T14在相变期间保持平直，直到点P3，当熔化完成时。高温计T11温度曲线在相变期间显示平坦化，之后恢复上升趋势。注意，高温计温度曲线在相变期间不会保持平稳，可能是由于来自燃烧器火焰和炉壁的一些反射。

[0124] 如图8所示，开放光学高温计T11和嵌入的热电偶T13的组合可用于检测铜的相变(熔化)的基本完成。在熔化开始时(点P2)，高温计T11温度曲线显示出急剧的增加，这是由于铜的顶表面从上面辐射加热，如所预期的，热从顶表面传导到固体铜中见床热电偶T14的响应)。高温计温度T11的初始急剧增加的一部分也可以通过来自燃烧器的热辐射的反射来解释。同时，嵌入式热电偶(T13)随着炉温的升高显示出温度的稳定增加。当熔融开始时，光学高温计温度曲线(T11)不具有与相应的床热电偶(T14)相同的平坦(恒定)轮廓，这最可能是由于高温计检测到来自燃烧器火焰和炉壁的一些辐射反射。床热电偶(T14)显示床温度保持恒定，如在相变期间所预期的，并且炉温度(T13)由于大部分输入热量被铜相变吸收而变平。一旦相变完成(床热电偶T14开始升高)，嵌入的热电偶(T13)的向上斜率增加，光学高温计(T11)的向上斜率也增加。

[0125] 图9和10涉及在试验炉中进行的另一组实验，其中两个材料床被加热，前床(B1)和后床(B2)。在所描绘的炉中，两个传感器块用于容纳三个安装在顶部上的温度传感器，尽管在替代实施例中，传感器可以全部位于相同的传感器块中。一个所描绘的传感器块具有两个开口端口，直开口端口容纳定位成测量后床B2的温度的光学高温计(T21)，以及容纳光学高温计(T22)的成角度的开放端口，其定位成测量前端床B1。单独的嵌入式热电偶T23位于炉子顶部的不同传感器块中。床热电偶(T24和T25)分别位于前床和后床(B1和B2)中。

[0126] 图10示出两个光学温度传感器或一个高温计和一个嵌入式热电偶的组合可以提供表征局部能量分布和输入到炉中的能量的手段。还可以基于以下中的一个或两个来设计能量分布控制策略：(a)在短时间段内降低燃烧器燃烧速率，以实现不受炉中火焰辐射影响的更精确的高温计读数(即，使得高温计测量更接近实际床温度)，以及(b)通过监测较慢响应的嵌入式顶部热电偶(T23)和较快响应的光学高温计(T21，T22)来回火燃烧器控制系统的反应速度。例如，开放式高温计温度和嵌入式热电偶温度的差和/或比率可以保持在一定范围内，以有效地控制加热，同时避免熔体过热。

[0127] 图10涉及在测试炉中的两个床中的铝的熔化和装载过程。在门打开之后，两个床(其已经包含一些铝)被搅拌，并且材料仅被装载到前床(B1)中。两个高温计(T21，T22)能够区分两个床中不同的床温度和不同的金属相。嵌入式顶部热电偶(T23)在门打开并加载材料时感测炉热量的下降。在点P11，燃烧速率降低并且门打开，在点P12，床B1和B2都被搅拌，在点P13，更多的冷装料被添加到前床B1。如图8所示，图10示出了传感器的这种组合在能量分布和对炉的能量输入需求之间进行区分的能力。

[0128] 注意，高温计对火焰辐射敏感，但是当燃烧器燃烧速率降低时(例如，当加载时)，高温计和热电偶温度非常接近地对准。因此，可以通过将传感器块放置远离火焰，或者通过在火焰临时不存在时或在火焰临时不存在时进行高温计测量，或者通过相应地或同步燃烧器燃烧速率的暂时降低与高温计和/或其它光学温度测量。

[0129] 如本文所述，可以使用开放式高温计和嵌入式热电偶测量值或开放式热电偶和嵌入式热电偶测量值之间的比率，差异或其它关系，以确定炉应当根据其更快或更慢地被加热关系，或者与炉的一个或多个其它区域相比，热应优选地输送到炉的一个或多个区域。例如，如果开放/嵌入比率大于或等于2(或1.75或1.5或1.25)，则系统可以降低发射速率，以避免过热耐火墙壁和顶部。相反，如果开放/嵌入的比率小于或等于1(或1.05或1.1或1.15或1.2)，则系统可以增加点火速率以使得能够更快地加热，而没有损坏耐火墙壁和顶部的风险。

[0130] 图11和12涉及在试验炉中进行的另一组实验，其中两个材料床被加热，前床(B1)和后床(B2)。炉子和仪器的布局如图1所示。图11基本上与图9中的相同，除了没有嵌入式顶部热电偶T23。

[0131] 图12示出了两个高温计(T21和T22)能够区分各个床(分别为B2和B1)中的金属的温度和相。对于该实验，将少量的铝装载在后床B2中，并且将更大量的铝装载在前床B1中。在点P21，在床B1和B2中装载冷装料，并且之后不久，关闭装料门，并增加燃烧器燃烧速率。
在点P22，后床(B2)的熔化基本上完成。在时间区域P23，由于它们各自的床(B2和B1)处于不同的熔化阶段，高温计信号(T21和T22)开始发散。在点P24，前床(B1)的熔化基本上完成。

[0132] 图12示出了后床高温计(T21)的温度的升高比前床高温计(T22)的温度升高更早地发生，这对应于后床中材料的较少量比较大量的前床中的材料。除其他事项外，该数据加强了在炉中策略性地放置传感器以表征能量分布和加热需求的好处。

[0133] 加热或熔融炉可以在操作上分成两个或更多个区，其中能量输入和因此每个区的温度可以至少在某种程度上通过改变一个或多个炉参数而被单独地或差异地控制，调节输入到炉中的能量。

[0134] 在一个常见示例中，如图14所示，可以采用相对于炉中的三个操作区域具有特定加热曲线的燃烧器。快速混合燃烧器(例如在US 2013/0143168中作为非限制性示例公开的)具有加热轮廓，其成比例地将更多的燃烧能量释放到炉的区1中，最靠近燃烧器，并且随后更少地进入区2和3。分级的氧-燃料燃烧器(例如在US 8,696,348或US 2013/0143169中作为非限制性实例公开的)具有由更延迟燃烧产生的加热分布，因此成比例地将更多的燃烧能量释放到炉的区域3中，最远，然后逐渐减少到区域2和1。常规的氧-燃料燃烧器具有更中间的放热曲线，在区域1中建立热量释放，在区域2中达到峰值，在区域3中逐渐减小。类型的燃烧器，一个物理燃烧器或一组燃烧器可以被控制以根据炉的需要将其操作从快速混合模式改变到常规氧-燃料模式到分阶段的含氧燃料模式，作为响应到任何特定时间需要热量。

[0135] 在另一个示例中，诸如在US 20150247673中公开的燃烧器可以用于选择性地和动态地将更多的热优先地优先引导到炉的一个或多个区域中，并且较少的热优先地引导到炉子的一个或多个其他区域中，以实现期望的区带控制。

[0136] 本发明在范围上不受在实施例中公开的具体方面或实施方案的限制，这些具体方面或实施方案旨在作为本发明的一些方面的说明，并且在功能上等同的任何实施方案在本发明的范围内。除了本文所示和描述的那些之外，本发明的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且旨在落入所附权利要求的范围内。

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