专利名称:在分室炉中烘焙碳块的优化燃烧装置和方法本发明涉及一种在带有开式室的炉中烘焙碳块的优化燃烧装置和方法，所述碳块特别地但又不仅仅用于在采用霍尔-赫罗尔特电解法生产铝时作为电解槽，该碳块通常还用于电冶金。“碳块”一词在下文指由碳糊成型并经过烘焙后用于电冶金炉的任何产品。例如，在电解溶于熔融的冰晶石中的氧化铝生产铝时，用于这种生产的电解槽就是在大约120～200℃把沥青和碎焦炭混合成碳糊，经成型而制得的。成型以后，阳极在大约1100～1200℃温度下焙烧或烘焙大约一百小时。其它类型的碳块也用同样的方法制成。虽然有一些在隧道式烘炉中连续烘焙的方法，但全世界目前所使用的烘焙设备大部分是称为“回转燃烧”(环形炉)或“前进燃烧”的“分室炉”，这些炉子分为两类，即封闭炉和具有“开式室”的炉子，它们的应用非常广泛，第2699931号美国专利专门描述了这种炉子。本发明特别地适用于开室炉。这种类型的炉子包括两个平行排，其全长约可达到一百米以上。各排包括一系列的室，各室由横向壁分隔，室的上部敞开，以便能装入原料块和卸下烘焙过的冷却的碳块。各室包括平行于炉子的主轴线设置的、带有薄壁的空心隔墙组件，起烘焙作用的热气体在空心隔墙组件中流通，隔墙与分隔间相间，欲烘焙的碳块就堆放在分隔间中，没入碳粉(碎焦炭、无烟煤或碳渣或任何其它粉末填料)中。举例说，每一室可相间排列有六个分隔间和七道隔墙。空心隔墙的上部有可封闭的开口，称作“孔”，空心隔墙还包括用于增加燃烧气体的长度和使其流量分布更为均匀的挡板。炉子由长度等于室的宽度的燃烧器排加热，燃烧器的喷嘴设置在上述室的开口孔上。燃烧器的上游(相对于燃烧的前进方向，有一根燃烧空气吹管，而下游有一根用于抽出已燃气体的管子。加热作用由两个方面产生，即喷射的燃料(气或燃油)的燃烧和碳块在烘焙时放出的沥青蒸气的燃烧。在烘焙过程中，由燃烧空气吹管、燃烧器和已燃气体吸管组成的组件24小时运行，例如，各室依次装入原料块、自然预热(借助已燃气)、在1100～1200℃(全燃烧区中)强制预热和烘焙、碳块的冷却(和燃烧气体的预热)、已烘焙的碳块的卸下，在需要时的维修作业和新的循环的开始。碳块的质量(阳极、阴极或侧衬)是关系到霍尔-赫罗尔特电解炼铝法的生产过程和经济性的一个主要因素，必须优选烘焙条件，以便达到理想的质量水平并降低能量消耗水平，即阳极每吨750～800therms(约870～930度/吨)。合理控制燃烧过程可在各室造成循序浙进的烘焙温度，避免生成烟气，保持最经济的状态(隔墙的耐火材料强度高，使用寿命长，燃料消耗最少)。
人们把使碳块的温度随一定的曲线升高，从而符合烘焙作业的各个阶段作为既定的目的。
该曲线确定了在全燃烧条件下室的隔墙中的气体温度的理论曲线，该曲线考虑到挥发性材料所提供的热。该曲线大致包括约1200℃以内的线性部分，然后是保持在该温度的平直部分。
例如，阳极烘焙的最终温度(1100～1200℃)取决于原料的性质，对该温度进行调节，以使阳极具有最佳特性。
气或油在强制预热和全燃烧区的燃烧靠自动装置实现，该自动装置根据对隔墙内温度的测量结果伺服控制燃烧器。
另一方面，在很大程度上取决于通风的控制的自然预热常常保留为人工控制。
隔墙的通风通常调节为炉中的真空度在各时期保持不变。炉子的操作者依据对隔墙的如下检测的观察结果调校真空度的基准值，使其增大或减小一排隔墙的加热比其它排延迟或提前，出现烟气，排气条件，燃烧事故(称作“骤燃”)。
如果隔墙的真空度过低，则低压区不能从碳氢化合物(燃油或气或来自沥青的挥发性材料)充分抽出烟气。如果真空度过高，则由于渗透作用，低压区会吸入过多的空气。在这两种情况下，炉子的热平衡表受到严重破坏，在这两种情况下，还会由未燃烧的材料生成烟气(由于前一种情况下的空气不足和由于在第二种情况下燃烧区过分地朝冷区扩展)。
因此用于优化炉子性能的通风调校关系到综合因素，这取决于炉子操作者的经验和频繁的观察。
为了避免阳极温度升高到预热操作值的任何延迟(补偿这种延迟是困难和昂贵的)，操作者往往采用明显超过必需值的真空度。另一方面，由于燃料供给是周期性的(挥发性材料的放出和燃油或气体的输送)，这使燃烧所需要的空气发生变化，应当调节流量和真空度值，但实际上这是不可能以最佳和可重复的方式由人工方法实现的。
第EP-A-133842号欧洲专利申请描述了一种用于控制烘焙碳素阳极的分室炉的方法，它包括至少两个平行的排，其端部通过气体分配管道相连，气体分配管道装有马达驱动的流速控制风门片，用它可控制炉中的温度和真空度，但这实际上不会构成永久性的优化燃烧方法。
本发明的主题是靠控制吸入各排隔墙的烟气的流速调节燃烧的装置和方法，烟气的吸入隔墙是依靠设置在吸管的各输送管上的阀门，吸管设置在燃烧器的下游，燃烧的调节还依靠限制设在全燃烧区上游的室的隔墙中的增大的压力，和靠调节由吹管吹入的燃烧空气的流速。
本申请人发现，主要的最可靠的对调节操作提供伺服控制的参数是通过悬浮于烟气中的固体颗粒对光源的反射测得的烟气的暗度，而不是如传统的暗度测定法那样，依靠光通过烟气的简单透射测定暗度。
更确切地说，本发明的第一主题是在烘焙碳块的分室炉中调节燃烧的装置，其中吸管的各输送管和吹管装有由马达控制的可移动封闭风门片，用于测量预热区的相应加热隔墙中的真空度的装置、用于通过各种热隔墙产生的烟气的反射测量暗度的装置、用于测量温度的装置(该测量装置与用于燃烧器的伺服控制的自动装置是分离的)、用于控制吸管的封闭风门片的位置并从而依据烟气暗度、温度和真空度的综合测量值控制各隔墙中流速的装置。
此外，为了优化燃烧调节，装备一个用于测量室的隔墙中增大的压力的装置，该装置设置在全燃烧区的上游，与用于比较测量结果和基准值的装置相联，另一方面，还装备有一个用于改变燃烧空气流速的装置，燃烧空气的流速与向吹管吹入燃烧空气的风机速度有关，还装备有用于测量所述空气流速的装置。
本发明的第二主题是在使用上述装置的分室炉中烘焙阳极的优化燃烧方法，其中吸管的可移动封闭风门片的位置是根据预热室中的烟气暗度和真空度的测量结果控制的，以便能以最小的真空度以及良好的燃烧和循序浙进的燃烧气体温升曲线操作，并保持最小的烟气暗度。
此外，为了同样的优化燃烧目的一方面，设置在全燃烧区后面(下游)的室的隔墙中保持受控的增大的压力，以不致影响由燃烧器喷射的燃料(液体或气体);为此目的，操纵吹管的封闭风门片。
另一方面，调节由吹管吹入的(由可控流量风机输送的)助燃气体的流速，以使可燃材料完全燃烧，可燃材料的一部分由燃烧器喷入的燃料构成，一部分由沥青的挥发性成分构成，沥青的挥发性成分是碳块在烘焙过程中放出的。
附图的说明图1至图8图示了本发明图1(剖视图)和图2(部分切除)表示带有“前进燃烧”式开口室的炉子的总体结构，以帮助充分理解本发明;
图3是根据本发明的开室炉的结构的平面示意图;
图4是在实际使用本发明的第一实施例中涉及吸管的剖视图;
图5表示测量烟气暗度的装置;
图6和图7表示烟气暗度测定的另外两个实施例;
图8是表示阳极在烘焙过程中的温度TA相对于时间的变化、阳极放出的挥发性材料的生成和燃烧由燃烧器喷射的燃料加上挥发性材料的能量消耗的示意图。
参见剖视图1，图1中表示出了隔墙1，隔墙1的上部通过输送管或喷嘴2连接到管3，管3本身连接到总集流腔4。吹管和吸管的结构实际上是相同的，它们可根据具体情况连接到室的开口孔或横向壁的开口孔，如我们已在第2535834号法国专利(相应英国书第2129918号)中所描述的那样。分隔间5中放置碳块，例如，埋入碳粒材料(未示出)的阳极6(在局部剖切图2的左部可看到)。
加热隔墙的挡板7用于增加热气体的流动通路的长度，以使分隔间5中的产品温度均匀。
室(或横向壁)的上部的可封闭孔8可使燃烧器组件(未示出)、空气吹管和吸管以及(在某些情况下)测量装置(热电偶和真空度测量装置)定位。
室依次由横向壁9分隔。炉子的主轴线由线X-X′表示。
根据本发明，可移动风门片11设置在吸管3和对应的开口孔8之间的各输送管2中，风门片11由马达12控制(此处使用的“马达”一词是广义的，例如，包括用液压缸或用机动的机构控制)。吸管3设置在第一室，该室用于自然预热(图2和图3)。吹管25的输送管也装有可自动移动的风门片，其目的下文将详细描述。
从理论上说，可在输送管2中直接测量烟气暗度。但是，由于烟气的局部紊流，使得难以进行稳定和可复现的测量。经过选择，采用了把欲进行暗度测定的烟气从一个专门的孔13引出的方式，孔13是用于引导温度或真空度测量探头14的。引出的烟气进入测量室15，测量室15通过隔板16连接到吸管10，隔板16开有通孔17，形成遮光板(见图4)。
另一种避免烟气中紊流的不利影响的方式包括用一个附加室18(如图6中所示)作为测量室;若进口连接到对应于上升气流区的开孔8A，出口连接到对应于下降气流的开孔8B，则烟气流的一部分以旁路关系转向。
图7表示另一个实施例，其中输送管2是一段长的直管，足以使其中的紊流受到相当程度的限制，而不会影响暗度测量。
测量探头设置在测量室上部的刚性板上。
暗度测量装置包括发射器探头19;
接收探头20;
测量盒21;
各探头19、20和测量盒21之间由光导纤维22连接的连接件。
发射器探头19由光导纤维22A连接到发射调制可见光的光源，光源设置在盒21中。
照射室中的烟气的发射器探头19的轴线与室18的壁面约成45°角。设置在距发射器探头19约10厘米处的接收探头20也与室18的壁面成45°角。
两个探头的轴线相互成约80°角。这样，探头19发射的光不能直接到达探头20，探头20仅能接收到悬浮在烟气(未燃烧材料和灰尘)中的固体颗粒所反射的光，图5中以小黑点示意性地表示了烟气(也表示了上述的80°角度值)。
反射光通过光导纤维22B传送到盒21，并在其中由光电二极管检测。调制电信号不含任何连续寄生分量，调制信号被线性地转换成模拟(或数字)输出信号，经过处理并设定在需要的电平，用于马达12的伺服控制，以控制设置在输送管2中的可移动风门片11的位置。此外，同样的信号还可由预定的标准转换成每立方米烟气所包含的固体颗粒的毫克数。
基于上述原理对整个分室炉的调节，意味着这种装置安装在加热隔墙的各个出口，举例说，加热隔墙的数目可以是七个(即图2和图3所示情况)。
测量盒21可为所有暗度计所通用，但每条线路或通道可各自装有独立的检测放大器，或装有一个多路检测放大器。
考虑到炉区的温升，盒21设置在距炉子一定距离处，约可为十米或几十米。
用光导纤维传递信号容许温度达到350℃，如果需要，采用一些保护措施，容许达到400℃。发射和接收探头最好包括用于吹新鲜空气的辅助管路23，其目的是防止固体颗粒积聚在光导纤维的端部24。
炉子的调节作用是优化阳极的烘焙，就是说，强制碳块和气体的温升曲线，以使烘焙作业在最佳条件下进行，同时使燃料消耗减至最少，从而优化燃烧条件。
烘焙温度跟随基准曲线，调节(特别是各排燃烧器的调节)控制不同燃烧器(间断操作)的燃烧喷射频率和幅度。喷射操作由调节装置的自动系统所确定的预定时间和频率的脉冲进行。调节时所考虑到的温度是在燃烧器之后测得的气体温度。
按照自然预热区内的气体暗度测量值可以确定对欲达到的真空度的调节操作，以便把这两个参数设定在最佳值。优化作业是根据气体温度与同一区域的基准曲线对比的变化而实现的。与所要求的温度相差过大时，将对真空度进行调节。
经验表明，真空度的轻微变化会导致自然预热区内气体温度的快速和显著变化。
调节操作考虑到自然预热区的气体温度和该气体的暗度与真空度测量值两者的变化，根据特殊的算法对各排隔墙中的气体流速进行调节。
因此，必须在连接吸管3和各室的开口孔的各输送管2上装备机动风门片11。
虽然在理论上各排加热隔墙1是独立的并且是与其它隔墙排相隔离的，但是经验表明，隔墙1中的真空度的变化或多或少会对其它隔墙内的真空度有影响。因此，最好不要独立地调节各隔墙中的真空度，而不顾室内的其它隔墙中的真空度和测得的温度，应当一起比较这些值，并按照特殊的算法进行处理，以避免任何一个风门片的任何突然变化。
举例说，调节过程可在下列条件下进行A)通过调节风门片1，把真空度初始值设定在0～250pa之间，特别是在40～180pa之间，测得的暗度值能够稳定。
此时，重复下列过程B)搜索0～250pa，特别是40～180pa的全部真空度范围，以找到对应烟气最小暗度Y的最小真空度X，其中的参数是在至少稳定30秒以后测得的。
C)调节吸管3中的风门片11的位置，使真空度值落在X±△X范围内，暗度值保持在最小值Y上下的Y±△Y范围内。
D)比较自然预热区中气体温度TG上升的实际曲线和基准曲线。在对应于暗度Y的最小值的最小真空度值附近调节本系统，以使预热区气体温度TG保持在基准点上下的T±△T范围内(真空度的增加会使气体温度升高)。
此外，暗度在Y±△Y范围之外的增加有一个时间延迟，因此只有暗度值在延迟时间结束时仍在Y±△Y范围之外才会返回到B)过程。
最后，在暗度测量值Y和温度测量值TG都不合适时，会对风门片11起相反的作用，暗度将暂时不被考虑，将自然预热区中的气体温度TG正确升高作为优先措施。
此外，可进一步改进燃烧的优化效果。
一方面，优选助燃气体(即空气)的流速，该气体由吹管25吹入，控制风机26的流速，以吹入一定量的必需的氧，使可燃材料和挥发性材料完全燃烧，并使烟气暗度保持在最小值;
另一方面，借助对吹管25的风门片(与吸管的风门中11等同并以同样的方式驱动)的调节，使设置在全燃烧区(图2中的27)后部的室的隔墙中的剩余压力保持在0.5mm和5mm水柱之间，最好在1mm和2mm水柱之间(即分别为4.9～49pa，最好9.8～19.6pa，这些值可化成整数，即5～50pa，最好10～20pa)。
可进行检测以保证调节作用不会造成隔墙中的气体温度TG明显下降。
为达到上述目的1)在全燃烧区前面室27的一排开口孔设置一排真空度测量装置28，它包括的测量管嘴与炉子所包括的隔墙一样多(即7个)，剩余压力固定在一个基准值，例如2mm水柱(即约为20pa)，测得的值与基准值进行比较，对风门片进行机动控制以调节吹管20，从而将剩余压力调节到基准值。
2)按下列方式调节燃烧空气的流速由燃烧器排29喷射的气体或油形成第一部分燃料。喷射是由调节装置根据升温程序校准了频率和时间的脉冲实现的，各脉冲对应于预定的燃料量。因此，记录脉冲的数目和时间就能确定喷射的燃料量。燃料的另一部分来源于碳块在烘焙过程中放出的挥发性材料;实际上，碳块由碳粒料和粘接剂构成，在大多数情况下，粘接剂是沥青。
挥发性材料的数量可从以下方式得出测量自然预热室中的气体温度TG。借助数学模型(和实验验证)，已经确定了在隔墙中流通的燃烧气体温度TG和自然预热室中的阳极实际温度TA之间的相关曲线。
利用数学模型和实验测量值还确定了挥发性材料相对于阳极温度TA的生成曲线(图8)，最后，还确定了挥发材料中C和H的比例以及C燃烧形成CO2和H形成H2O所必需的氧量。
因此，通过测量温度TG和每单位时间所喷射的燃料量，能够减少完全燃烧所必需的氧量。因此，只需在保持设置在全燃烧区下游的燃烧室的隔墙中的压力稳定增加的同时调节风机26的流量，以不断地调节实现最佳燃烧所需要的氧量，最佳燃烧由按上述方法测得的最小烟气暗度值所确定。
本发明已应用于生产阳极的工业分室炉中，这种阳极用于280KA下作业的一系列电解槽。这种分室炉包括40个分为平行的两排的室，各室包括六个分隔间，六个分隔间与七道加热隔墙相间。
以旁路关系安装在第一和第三开口孔之间的暗度测量室是一个水平筒体，其直径为500mm，长度为900mm。进口通道25A和出口通道25B的直径为100mm(图6)。
两个探头相隔约100mm设置，并在其间形成约80°角(如图所示)。
风门片的调节由机动的缸体控制，机动的缸体本身由调节盒伺服控制。
用于测量温度的装置(热电偶)和测量真空度的装置都是传统使用的。
真空度的变化限制在40～180pa，初始值设定在80pa。
全燃烧区下游的最后的自然冷却室中的增加的压力保持在20pa。
经过六个月的运行以后，观测到烘焙阳极的能量消耗下降了约15～16%。
还应指出，本方法还有其它优点可实现烘焙过程控制的全自动化;
可即刻检测到燃烧器的故障和冷空气进口处的异常;
明显减小了用于处理炉子所排放气体的系统的尺寸;
此外，通过对吹入燃烧空气量的精确控制，本方法具有对暗度的双重调节作用靠调节吸管3的封闭风门片11处的真空度和调节由吹风机26吹入的空气流速。因此，不完全燃烧的可能性极小;
最后，能够可靠地延长炉子的使用寿命，或更确切地说，延长炉室修理周期的时间。
本发明适用于各种类型的碳块烘焙用于电解铝的阳极和阴极，用于电冶金的圆柱形电极以及石墨化的电极和其它形状的部件。


烘焙碳块的带开口室环形炉优化燃烧的方法和装置，炉子包括多个排列的预加热、烘焙和冷却室，各室由流通燃烧气体的空心加热隔墙和堆放烘焙碳块的分隔间构成，已燃气体由经输送管与第一自然预热室的各加热隔墙相连的吸管抽出。本装置的特征是吸管的各输送管装有马达控制的可动封闭风门、测量对应隔墙中温度和真空度的装置、通过反射测量各加热隔墙产生的烟气暗度的装置和控制风门位置并根据烟气暗度、温度和真空度的综合测量值控制各隔墙中流速的装置。