CH695870A5 - Optimierung der Pechdampfverbrennung in einem Brennofen für Kohlenstoffelektroden. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung der Pechdampfverbrennung in einem Brennofen für Kohlenstoffelektroden, insbesondere Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse, welcher Brennofen wenigstens eine durch poröse Wände von benachbarten Feuerschächten getrennte Kassette für in Füllpulver eingebettete grüne, pechhaltige Elektroden umfasst, wobei in die mit Unterdruck betriebenen Feuerschächte unter laufender Kontrolle von Unterdruck und Temperatur ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff eingeleitet wird.

[0002] Für die grosstechnische Produktion von Primäraluminium werden nach noch heute üblicher Technologie Petrolkoks, rezirkuliertes Anodenmaterial und Pech als Binder eingesetzt.

   Der letzte Verfahrensschritt bei der Anodenherstellung besteht aus einer Wärmebehandlung, wobei die Anoden mit einer festgelegten Aufheizgeschwindigkeit auf eine Endtemperatur im Bereich von 1050 bis 1200 deg. C aufgeheizt werden. Für einen ungestörten Elektrolysebetrieb müssen die Anoden insbesondere folgenden Forderungen genügen:
 ausreichende mechanische Festigkeit
 ausreichende Festigkeit gegenüber Thermoschocks
 niedriger elektrischer Widerstand
 Resistenz gegen den Angriff von CO2
 Resistenz gegen Angriffe durch Umgebungsluft
 möglichst identische Eigenschaften aller Anoden.

[0003] Alle diese aufgeführten Forderungen werden durch den Brennprozess als letztem Verfahrensschritt bei der Anodenherstellung wesentlich mitbeeinflusst.

   Ein optimal geregelter Brennprozess, bei welchem sowohl die Aufheizgeschwindigkeit als auch die maximale Brenntemperatur für alle Anoden möglichst identisch eingehalten werden können, ist demzufolge für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Anoden unerlässlich.

[0004] Der technologische Hintergrund wird anhand eines in Fig. 1 dargestellten offenen Ringkammerofens 10 zum Brennen von Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse gemäss Fig. 1 schematisch dargestellt und als Beispiel beschrieben. Der offene Ringkammerofen 10 umfasst in zwei parallelen Reihen angeordnete Kammern 12. Diese quer zur Längsrichtung L verlaufenden Kammern 12 werden auch Sektionen genannt. An den stirnseitigen Ofenenden ist jeweils die letzte Kammer 12 der einen Reihe mit der ersten Kammer 12 der anderen Reihe über einen Umlenkkanal 14 verbunden.

   Jede Kammer 12 besteht aus einer Mehrzahl, in der Regel sechs bis zehn, Feuerschächten 16 (Feuerkammern), zwischen welchen je eine Kassette 18 angeordnet ist, in welche die zu brennenden grünen Elektroden, im vorliegenden Fall Anoden 20, eingesetzt werden. Die einzelnen Kammern 12 sind durch eine später beschriebene und dargestellte Gurtwand 22 (siehe auch Fig. 3) voneinander getrennt.

[0005] Eine Kassette 18 ist etwa 5 m hoch, 5 m lang und 0,8 m breit. Die Breite eines entsprechenden Feuerschachtes 16 beträgt etwa 0,5 m. Jeder Feuerschacht 16 bzw. jede Kassette 18 umfasst zwei in Richtung L verlaufende Wände 98 (Fig. 6) aus feuerfesten Steinen. Im Feuerraum 16 sind Schikanen 24 so angeordnet, dass eine optimale Führung der Rauchgase 62 (Fig.3) erfolgt.

[0006] Der Ringkammerofen 10 ist in einer Betonwanne 26 angeordnet, um welche eine Abgasleitung 28 geführt ist.

   Diese vorliegend U- oder ringförmige Abgasleitung 28 ist mit einer Steigleitung 30 für jede Kammer 12 ausgerüstet, sie wird auch kurz als Ringleitung bezeichnet, selbst wenn sie U-förmig gestaltet ist, also auf einer Stirnseite des Ofens 10 fehlt. Über die Abgasleitung 28 wird im Ringkammerofen 10 über externe, nicht dargestellte Ventilatoren permanent ein Unterdruck aufrechterhalten, welcher für den zur Aufrechterhaltung des Prozesses erforderlichen Zug sorgt.

[0007] Für das Brennen der Elektroden 20 sind, im vorliegenden Fall ungebrannte, also grüne, Anoden in die Kassetten 18 eingepackt. Der Zwischenraum zwischen dem Anodenstapel zum feuerfesten Mauerwerk der Wände 98 (Fig. 6) wird mit Füllpulver 32, insbesondere mit Petrolkoks-, Anthrazit- und/oder Steinkohlegranulat (Fig. 6), geeigneter Körnung, aufgefüllt.

   Mittels einer Steigleitung 30 mit einer Öffnung 34 kann ein Absauger 36 an die Abgasleitung 28 angeschlossen werden. In jeder Steigleitung 30 kann eine nicht dargestellte Klappe oder dgl. angebracht sein, mit welcher der Unterdruck im Absauger 36 eingestellt werden kann.

[0008] Es gibt zwei im Betrieb gleichwertige, aber in der Konstruktion unterschiedliche Ofentypen. Beim einen Typ gibt es in der Steigleitung 30 von der Ringleitung 28 zum Anschluss an den Absauger 36 keine Klappe. Bei diesem Ofentyp wird der im Absauger 36 erwünschte Unterdruck in der Rauchgasreinigungsanlage eingestellt, d.h. in der Ringleitung 28 herrscht der gleiche Unterdruck wie im Absaugerkörper 36. Beim anderen Ofentyp wird in jeder Steigleitung 30 von der Ringleitung 28 zum Anschluss an den Absauger 36 eine Klappe angebracht.

   Hier hat man nun zwei Möglichkeiten: Entweder, der im Absauger 36 erwünschte Unterdruck wird ebenfalls in der Rauchgasreinigungsanlage eingestellt, die Klappe in der Steigleitung 30 wird nur als Absperrorgan benützt, sie ist entweder ganz geschlossen (wenn sich an dieser Position kein Absauger 36 befindet), oder ganz offen (wenn dort ein Absauger 36 steht). Alternativ wird der Ofen so gefahren, dass in der Ringleitung 28 ein höherer Unterdruck herrscht, als im Absauger 36 erforderlich bzw. erwünscht ist. In diesem Fall wird jeder Absauger 36 mit einem Manometer ausgerüstet, die Klappe in der Steigleitung 30 wird nach der Positionierung des Absaugers 36 beim Feuerwechsel nur so weit geöffnet, bis im Absauger 36 der erwünschte Unterdruck herrscht.

   Dieser Unterdruck ist ein Vielfaches (Grössenordnung etwa 800-2000 Pa) des Unterdrucks von etwa 100 Pa in der Kammer 12 vor dem Absauger 36.

[0009] Der Abstand der Öffnungen 34 in Richtung L entspricht der Länge einer Kammer 12 in dieser Richtung und damit etwa der Länge eines Feuerschachtes 16 und einer Gurtwand 22.

   Die einzelnen Feuerschächte 16 der verschiedenen Kammern 12 sind mit den entsprechenden Schächten der benachbarten Kammern in Längsrichtung L verbunden, d.h. in Serie geschaltet.

[0010] Vom rohrförmigen Absauger 36 zweigt zu jedem Feuerschacht 16 ein Absaugstutzen 38 ab, wobei jeder dieser Stutzen vorzugsweise eine nicht dargestellte, motorisch bediente Klappe oder dgl. hat, welche es gestattet, den Unterdruck in den Feuerschächten 16 individuell zu regeln.

[0011] Die einzelnen Feuerschächte 16 der verschiedenen Kammern 12 sind, wie erwähnt, mit den entsprechenden Schächten der benachbarten Kammer in Serie geschaltet. Beispielsweise ist der äusserste, unmittelbar neben der Betonwanne 26 liegende Feuerschacht 16 mit dem gleichen Schacht der nächsten Kammer verbunden.

   Eine Unterdruckregelung allein am Absauger 36 wirkt sich demzufolge auf alle in Feuerrichtung F in Serie geschalteten und am Prozess beteiligten Feuerschächte 16 der Kammern 12 aus.

[0012] Eine in Längsrichtung L verschiebbare Produktionseinheit, im vorliegenden Fall bestehend aus dem Absauger 36, der Unterdruck-Messbrücke 40, drei Brennerbrücken 42 und zwei Kühlern 44, erstreckt sich über mehrere Kammern 12, es sind zwei sich über elf Kammern 12 erstreckende Einheiten eingezeichnet.

   Vom Absauger 36 aus gerechnet ist auf der dritten Kammer 12 eine Unterdruck-Messbrücke 40 zur Messung von Unterdruck und Temperatur angeordnet, auf der vierten, fünften und sechsten Kammer 12 je eine Brennerbrücke 42 und auf der neunten und elften Kammer 12 je ein Kühler 44.

[0013] Das Ansaugen der Luft in der Kühlzone erfolgt derart, dass die Deckel auf den Brennerlöchern 34 und gegebenenfalls Gurtwandlöchern 52 (Fig. 2) entfernt werden. Es muss jedoch jederzeit gewährleistet sein, dass am Ort der Brenner jederzeit Unterdruck herrscht. Ein auch nur geringer Gegendruck wirkt sich nachteilig aus. Um den Unterdruck sicherzustellen, werden in der Regel die Deckel in mindestens einer Kammer 12 hinter der letzten Brennerbrücke 42 geschlossen gehalten.

   In Längsrichtung L betrachtet ist der Drucknullpunkt dort, wo der erste Brennerdeckel oder Gurtwanddeckel entfernt ist; von dort sinkt der Unterdruck gleichmässig auf z.B. etwa 100 Pa in der Kammer 12 vor dem Absauger 36.

[0014] Der erste Kühler 44 (d.h. der der hintersten Brennerbrücke 42 benachbarte Kühler 44 kann als "Blower" regeltechnisch in das System eingebunden sein. Verlangt das System mehr Sauerstoff, dann wird nicht nur die Klappenstellung in der entsprechenden Steigleitung 30 des Absaugers 36 geregelt, sondern auch der Ventilator im entsprechenden "Blower"-Fuss hochgefahren. Das System zwischen "Blower" und Absauger ist geschlossen.

[0015] Durch den über die Abgasleitung 28 und den Absauger 36 angelegten Zug wandert eine Wärmewelle im Ofen in Form eines Feuerbereichs bzw. Feuerzugs von den Brennerbrücken 42 in Richtung des Absaugers 36.

   In vorgegebenen Zeitintervallen wird die erwähnte Produktionseinheit um jeweils eine Öffnung 34, d.h. Kammerlänge in Richtung der fortschreitenden Wärmewelle versetzt. Das Zeitintervall liegt meistens im Bereich von 24 bis 32 Stunden.

[0016] Zwischen dem hintersten Kühler 44 der einen und dem vordersten Absauger 36 der nächsten Produktionseinheit folgen einige Kammern 12, in der Regel drei bis fünf, in welchen die gebrannten Anoden ausgepackt und neue grüne, zu brennende Anoden in die Kassetten 18 eingesetzt werden.

   Falls erforderlich werden ebenfalls Instandhaltungsarbeiten am feuerfesten Mauerwerk durchgeführt.

[0017] Die zum Verbrennen des Heizmediums, in der Regel Erdgas oder zerstäubtes, tropfen- oder fadenförmiges Schweröl, notwendige Luft wird über die Kammern 12 zwischen der hintersten Brennerbrücke 42 und dem hintersten Kühler 44 angesaugt, wodurch diese Luft vorgewärmt wird, was den Prozesswirkungsgrad verbessert. Zu beachten ist auch, dass für den über die Brennerbrücken 42 zugeführten Brennstoff nur ein Teil des Sauerstoffs verbraucht werden darf.

   Vor den Brennerbrücken 42 treten flüchtigen Komponenten des in den Anoden 20 als Bindemittel eingesetzten Pechs in die Feuerschächte 16 aus, welche durch porös ausgebildete Wände 98 (Fig. 6) von den Kassetten 18 getrennt sind, um die Migration der Pechdämpfe aus den Anoden 20 durch das Füllpulver 32 (Fig. 6) in die Feuerschächte 16 zu ermöglichen. Je nach Dicke der Füllpulverschicht 32 und der Wände 98 erfolgt das Austreten der Pechdämpfe früher oder später.

[0018] Es ist schon nach dem bekannten Stand der Technik angestrebt worden, die Pechdämpfe vollständig zu verbrennen. Durch die Pechdampfverbrennung können bis etwa 50% des Energiebedarfs gedeckt werden. Bei unvollständiger Verbrennung der Pechdämpfe entstehen Russpartikel und/oder kondensierte Pechdämpfe.

   Beide Komponenten bilden ein Brandrisiko und eine erhöhte Belastung der nachgeschalteten Rauchgasreinigung.

[0019] In modernen Anlagen werden Ringkammeröfen 10 mittels Computer gesteuert. Dabei wird eine Zeit-/Temperaturkurve vorgegeben. Durch die Regelung von Unterdruck und Brennstoffmenge wird versucht, eine vorgegebene Sollkurve so gut wie möglich einzuhalten. Bekannt ist auch, dass die Einhaltung aller Zielsetzungen - höchstmögliche Produktion, identische Wärmebehandlung aller Anoden und vollständige Verbrennung - mit den heute üblichen Mitteln nicht unter allen Umständen gewährleistet sein kann. Eine unvollständige Verbrennung führt zu der erwähnten Russbildung und damit zu einer erhöhten Opazität der Rauchgase, mit anderen Worten entsteht eine die Licht- bzw.

   Strahlungsdurchlässigkeit herabsetzende Trübung.

[0020] Eine bekannte Schwachstelle aller bekannten Prozesse ist eine immer wieder auftretende unvollständige Pechverbrennung. Wenn zu einem beliebigen Zeitpunkt die kumulierte Brennerleistung in den in Serie geschalteten Feuerschächten 16 und/oder der momentane Pechdampftransfer 102 (Fig. 6) aus einer Anodenkassette 18 in die Feuerschächte 16 zu hoch ist, kann ein Sauersstoffmangel auftreten. Dies hat zur Folge, dass Russpartikel mit den vorstehend erwähnten Nachteilen gebildet werden.

[0021] Es ist auch bekannt, die Pechverbrennung durch die Messung der Rauchdichte im Absauger 36 oder in der Abgasleitung 28 zu überwachen. Nachteilig bei einer Messung in der Abgasleitung 28 ist, dass nur eine Aussage über die Pechdampfverbrennung auf einer Ofenseite oder im Ringkammerofen 10 als Ganzes gemacht werden kann.

   Wenn eine zu hohe Opazität festgestellt wird, muss durch visuelle Kontrolle auf dem Ofen 10 festgestellt werden, welches Feuer und welcher Feuerschacht 16 bzw. welche Feuerschächte betroffen sind.

[0022] Bei der Anordnung eines Rauchdichtemessgerätes am Absauger 36 kann für jedes einzelne, sich über mehrere Kammern 12 erstreckende Feuer, eine Aussage gemacht werden. Dagegen muss wiederum durch das Bedienungspersonal visuell festgestellt werden, in welchem Feuerschacht 16 gegebenenfalls Russ produziert wird.

[0023] Bekannt ist schliesslich ein Verfahren zur Messung des Sauerstoff- oder Kohlenmonoxidgehaltes im Rauchgas 62 (Fig 3).

   Es gibt jedoch keine Messmethode, welche bei den auf einem Ofen herrschenden Bedingungen eine kontinuierliche Analyse des Rauchgases gestattet. Überdies ist eine Aussage über Russbildung basierend auf Rauchgasanalysen nur mit erheblicher Unsicherheit möglich.

[0024] Untersuchungen haben gezeigt, dass die Pechdampfverbrennung unverzüglich auf den jeweiligen Sauerstoffgehalt im Brennraum reagiert.

   Die Pechdämpfe zünden und erlöschen im Takt der angebotenen Sauerstoffmenge, die ihrerseits vom Einschaltzyklus der vorgeschalteten Brennstoffversorgung bestimmt wird.

[0025] Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Bildung und das Bestehen von Russpartikeln in der Ofenatmosphäre verhindern.

[0026] In Bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Prozessablauf im Bereich der sichtbaren Pechdampfverbrennung laufend optisch überwacht und die Bildung von Russpartikeln optisch detektiert wird, eine Quasi-Echtzeitauswertung der Resultate erfolgt, und wenn notwendig eine Korrekturaktion zur Ofenüberwachung und Prozessoptimierung automatisch eingeleitet wird,

   indem die Russpartikel durch Anpassung von wenigstens einem Prozessparameter im betreffenden Feuerschacht anhand von vorliegenden Daten beseitigt werden. Spezielle und weiterführende Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

[0027] Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann im Bereich der sichtbaren Pechverbrennung eine allfällige Russbildung direkt in jedem Feuerschacht erfasst werden, wodurch eine direkte automatische Prozessbeeinflussung möglich wird.

   Dies erfolgt, indem - wie erwähnt - wenigstens einer der Prozessparameter Unterdruck, Brennstoffzufuhr und Sekundärluftzudosierung nach gespeicherten Erfahrungs- und/oder berechneten Daten geändert wird.

[0028] Vorzugsweise wird mit der Überwachung des Verbrennungsvorganges mit einem optischen Sensor gleichzeitig die Temperatur gemessen, insbesondere am gleichen Ort.

[0029] Beim Einsetzen einer Bildung von Russpartikeln entsteht eine Trübung, durch die Opazität wird Strahlung absorbiert, was mit einem optischen Sensor gemessen wird. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Zweifarbenpyrometers, welches gleichzeitig die Temperatur und eine allfällige Strahlenabsorption durch Russpartikel misst, solche Zweifarbenpyrometer werden auf dem Markt angeboten.

[0030] Nach einer Variante kann die Überwachung des Verbrennungsvorganges mit einer marktüblichen Kamera erfolgen.

   Die Bildauswertung erfolgt in Quasi-Echtzeit. Von Quasi-Echtzeit wird gesprochen, weil die Auswerteeinheit den Verbrennungsvorgang in den betroffenen Feuerschächten sequentiell detektiert, was in Bruchteilen von Sekunden erfolgt. Wird im Verlauf der Überwachung der Pechdampfverbrennung von der Auswerteeinheit bezüglich der Bildung von Russpartikeln eine Abweichung von der gewünschten Situation festgestellt, erfolgt eine automatische Korrekturaktion im gewünschten Sinne.

[0031] Nach einer weiteren Variante wird der Verbrennungsprozess über ein Pyrometer mit sehr kurzer Ansprechzeit erfasst und als Signalrauschen aufgezeichnet.

   Wird durch die Bildung von Russpartikeln ein unterschiedliches Signalrauschen detektiert, erfolgt ebenfalls eine automatische Korrekturaktion durch eine Änderung wenigstens eines der Parameter Unterdruck, Brennstoffzufuhr und Zudosierung von Sekundärluft mittels gespeicherter Daten.

[0032] Die Überwachung des Verbrennungsvorganges erfolgt dauernd, wobei die Sensorsignale zyklisch abgefragt werden, und wobei die Zykluszeit frei parametrierbar ist. Sie erfolgt vorzugsweise in Zykluszeiten von einer bis mehreren Sekunden, z.B. 5-10 sec.

[0033] Mit einem offenen Ringkammerofen wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in wenigstens einem Feuerschacht im Bereich der Unterdruck-Messbrücke ein oder mehrere optische Sensoren zur laufenden Überwachung der Verbrennung und der Bildung von Russpartikeln im Rauchgas angeordnet sind.

   Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen des offenen Ringkammerofens sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.

[0034] Abweichungen vom normalen Verbrennungsverlauf und automatische Korrekturaktionen werden zweckmässig auf einem Bildschirm signalisiert und in einer Datenbank registriert. Das Bedienungspersonal hat damit jederzeit eine vollständige Übersicht über den Prozessverlauf und die Daten stehen für nachträgliche Analysen zur Verfügung.

[0035] Vorzugsweise ist im Bereich der Unterdruck-Messbrücke in jedem Feuerschacht ein optischer Sensor angeordnet.

   Temperaturempfindliche und/oder korrosionsanfällige optische Sensoren können beispielsweise durch einen Pyrexeinsatz geschützt sein.

[0036] Mit dem erfindungsgemässen Verfahren bzw. dem offenen Ringkammerofen kann die Bildung von Russpartikeln nicht nur sofort gesamthaft detektiert, sondern auch lokalisiert und beseitigt werden. Eine vollständige Pechdampfverbrennung ohne Bildung von Russpartikeln wird wieder erreicht, indem automatisch Korrekturaktionen eingeleitet werden. Neben der bekannten Regelung des Unterdrucks und/oder der Brennstoffzufuhr kann durch entsprechende Mittel am benötigten Ort falls erforderlich Sekundärluft zudosiert, d. h. der Sauerstoffgehalt der Rauchgase erhöht werden.

[0037] Bei geeigneter Ofenauslegung ist die Zugabe von Sekundärluft im Bereich der Pechverbrennung nicht erforderlich.

   Sekundärluft ist sogar unerwünscht, da es energetisch vorteilhafter ist, die Verbrennung mit vorgewärmter Primärluft statt mit kalter Sekundärluft aufrechtzuerhalten. Wenn jedoch die Primärluft nicht ausreicht ist es besser, mit Sekundärluft zu arbeiten, als eine unvollständige Verbrennung zu akzeptieren.

[0038] Für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist insbesondere ein offener Ringkammerofen geeignet.

[0039] Das Verfahren und Vorrichtung werden stellvertretend mit Blick auf die Herstellung von Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse beschrieben. Für das Brennen von anderen Anoden und von Kathoden werden gleiche oder analoge Mittel eingesetzt.

[0040] Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Ansprüchen sind, näher erläutert.

   In Ergänzung der einen an sich bekannten offenen Ringkammerofen darstellenden Fig.1 zeigen schematisch:
<tb>Fig. 2<sep>den Sauerstoffgehalt, die Anodentemperatur, die Temperatur im Feuerschacht und den Unterdruck über mehrere Kammern eines offenen Ringkammerofens,


  <tb>Fig. 3<sep>einen teilweisen Längsschnitt durch die Feuerschächte eines Ringkammerofens,


  <tb>Fig. 4<sep>eine Draufsicht auf einen offenen Ringkammerofen im Stirnbereich,


  <tb>Fig. 5<sep>die Anordnung einer Kamera im Bereich eines Brennerlochs, und


  <tb>Fig. 6<sep>einen vertikalen Teilschnitt durch einen Kammerbereich quer zur Feuerrichtung.

[0041] In der Grafik gemäss Fig. 2 sind auf der Abszisse sieben Kammern 12 eines Ringkammerofens 10 (diese und die bezüglich Fig. 2 folgenden Bezugsziffern beziehen sich auf Fig. 1) dargestellt, die Feuerrichtung F verläuft von rechts nach links. Über der Kammer 1 ist ein Absauger angeordnet, über der Kammer 3 eine Unterdruck-Messbrücke und über den Kammern 4 bis 6 drei Brennerbrücken.

   Bezüglich der drei Ordinaten wird der Unterdruck p gestrichelt, die Temperatur T16 des Feuerschachtes 16 punktiert, die Anodentemperatur T20 strichpunktiert und der Verlauf des Sauerstoffgehaltes O2 mit einer ausgezogenen Linie dargestellt.

[0042] Die Verbrennungsluft wird über die Kammern 12 zwischen hinterster Brennerbrücke 42 und Kühler 44 angesaugt, wodurch die Luft vorgewärmt wird, was den Prozesswirkungsgrad verbessert. Der Sauerstoffgehalt nimmt in Richtung F des Feuerzugs im Bereich der Brennerbrücken stufenweise ab, jeder Brenner konsumiert einen Teil des Sauerstoffs. Im Bereich der Unterdruck-Messbrücke erfolgt ein kontinuierlicher Abfall des Sauerstoffgehalts, bedingt durch die Pechverbrennung.

   Hier entzünden sich die in den Feuerschacht 16 diffundierten flüchtigen Komponenten des Bindemittels und leisten einen Beitrag von 30 bis 50% zum gesamten Energieverbrauch des Ringkammerofens 10. Die übrigen 50 bis 70% der Energiezufuhr erfolgten über die Brennerbrücken 42.

[0043] Eine punktiert gezeichnete Kurve T16 zeigt die Erwärmung der Rauchgase in den Feuerschächten 16 entgegen der Feuerrichtung F. Der Temperaturverlauf ist abhängig von den vorgegebenen Prozessparametern und von der Ofenkonstruktion. Dabei erfolgt ein markanter Temperaturanstieg im Bereich der sichtbaren Pechverbrennung, unmittelbar vor der Unterdruckmessbrücke 40.

   Eine Spitze wird unmittelbar nach dem Erreichen von Kammer 3 mit der Unterdruck-Messbrücke erreicht, nachher fällt die Temperatur T16 leicht ab und steigt dann im Bereich der Brennerbrücken 42 über den Kammern 4 bis 6 bis zum Maximum. Nach diesen Brennerbrücken 42 fällt die Temperatur T16 in den Feuerschächten 16 allmählich ab. Im nicht gezeigten Bereich der Kühler 44 wird Luft mit Raumtemperatur in die Feuerschächte 16 eingeblasen

[0044] Die Anodentemperatur T20 steigt während des Brennprozesses kontinuierlich und gegenüber der Feuerschachttemperatur verzögert an. Die maximale Brenntemperatur von etwa 1050-1200 deg.

   C wird bei der letzten Brennerbrücke 42 oder direkt dahinter erreicht.

[0045] Der Unterdruck p sinkt in Feuerrichtung F vom Wert 0 Pa zum Beginn der Kühlzone auf etwa 100 Pa beim Absauger 36 in Kammer 1. Über die Klappe im Absaugerstutzen 38 steigt der Unterdruck p auf den Wert im Absauger 36 bzw. in der Ringleitung 28.

[0046] Fig. 2 zeigt einen optimalen Prozessablauf ohne Bildung von Russpartikeln.

[0047] Ein teilweiser Längsschnitt durch die Feuerschächte 16 in Richtung L durch einen offenen Ringkammerofen 10 (Fig. 1) zeigt in Fig. 3 vier Kammern 12, welche durch Gurtwände 22 teilweise getrennt sind. Die Rauch- bzw. Ofengase 62 können in Feuerrichtung F von Feuerschacht zu Feuerschacht 16 durchtreten.

   Durch die Anordnung von Schikanen 24 in den Feuerschächten 16 kann die Temperaturverteilung optimiert werden. 

[0048] Die Ofenabdeckung 50 trägt im vorliegendem Fall eine Brennerbrücke 42, eine Unterdruck-Messbrücke 40 und einen Absauger 36 als aufgesetztes Equipment. Weiter sind in der Ofenabdeckung 50 Öffnungen ausgespart. Durch Gurtwandöffnungen 52 oder dafür dimensionierte Brennerlöcher 58 ist ein Absperrorgan 54 in Form eines Schiebers eingeführt. Dadurch wird im Bereich des Absaugers 36 die Öffnung zwischen Gurtwand 22 und Abdeckung 50 so verschlossen, dass in der Aufheizzone ein Unterdruck erzeugt werden kann. Öffnungen in der Ofenabdeckung 50 sind in aller Regel rund oder rechteckig ausgebildet. Es gibt Öfen mit und ohne Gurtwandöffnungen 52.

   Hat die Gurtwand 22 keine Öffnungen 52, dann werden die der Gurtwand 22 benachbarten Brennerlöcher 58 so gross dimensioniert, dass das Absperrorgan 54 durch ein Brennerloch 58 eingeführt werden kann. Durch Gurtwandöffnungen 52 kann ein Schieber, eine Klappe oder dgl. regulierbares Absperrorgan 54 eingeführt werden. Dadurch wird im Bereich des Absaugers 36 die Öffnung zwischen Gurtwand 22 und Abdeckung 50 so verschlossen, dass in der Aufheizzone ein Unterdruck erzeugt werden kann. Die übrigen Gurtwandöffnungen 52 sind verschlossen.

[0049] Weitere Öffnungen grösseren Durchmessers 56 und/oder kleineren Durchmessers 58 werden für den Anschluss von Absauger 36, Kühler 44 oder Sensoren benutzt, sie sind in regelmässiger, von Kammer zu Kammer 12 exakt gleicher Verteilung angeordnet.

   Nur so kann die Produktionseinheit mit Absauger 36, Unterdruck-Messbrücke 40, Brennerbrücken 42 und Kühlern 44 stufenweise um Kammerbreite vorgeschoben werden.

[0050] Nach einer nicht dargestellten Variante wird auf Gurtwandöffnungen 52 verzichtet und mindestens ein Brennerloch 58 so gross dimensioniert, dass dort ein Absperrorgan 54 eingeführt werden kann.

   Auf die Öffnungen 56 benachbart dem Absperrorgan 54 werden die Absaugstutzen 38 des Absaugers 36 aufgesetzt.

[0051] Mit einem Thermoelement 60 wird die Temperatur des in die Kammer 16 einströmenden Rauchgases 62 gemessen und in einem Mikroprozessor 64 ausgewertet, gespeichert, weitergeleitet und vorliegend mit einem Display visualisiert.

[0052] Die nicht benutzten Öffnungen 52, 56, 58 aller Feuerschächte 16 des Ringkammerofens sind verschlossen, soweit sie nicht für die Zufuhr von Sekundärluft benötigt werden, damit ein hinreichender Unterdruck von z. B. etwa 100 Pa in der Kammer 12 beim Absauger erzeugt werden kann.

   Im Gebiet der Pechdampfverbrennung, hier dargestellt in der dritten Kammer gezählt vom Absauger und entgegen der Feuerrichtung, ist eine Unterdruck-Messbrücke 40 mit einer Unterdrucksonde 66 und einem erfindungsgemässen Zweifarbenpyrometer 68 als optische Messsonde angeordnet, welche gleichzeitig der Temperaturmessung dient. Die Unterdruck-Messbrücke 40 umfasst ebenfalls einen Mikroprozessor 70. Weiter zeigt die Unterdruck-Messbrücke 40 ein Ventil 72 für eine Sekundärluftzugabe, falls eine Bildung von Russpartikeln detektiert wird. Ein weiteres Ventil 74 für Sekundärluft ist auf dem Gurtwanddeckel angeordnet, dieses dient dem gleichen Zweck.

[0053] Benachbart der Unterdruck-Messbrücke 40 ist auf dem der Feuerrichtung F entgegengesetzten Feuerschacht 16 eine Brennerbrücke 42 angeordnet.

   Der Brennstoff wird gasförmig oder als Flüssigkeit über Brenner in den Brennerlöchern 58 in den Feuerschacht 16 gespritzt. In der vertikalen Schnittebene sind zwei gezündete Flammen 76 dargestellt, in Blickrichtung hintereinander werden durch sechs Brennerlöcher 58 sechs Flammen 76 gespeist, welche sich in Feuerrichtung F über mehrere Feuerschächte 16 erstrecken. Jedem befeuerten Feuerschacht 16 ist ein Thermoelement 78 zugeordnet, welches die Messwerte in einen Mikroprozessor 80 einspeist.

[0054] Die drei Mikroprozessoren 64, 70, 80 sind autonom oder zweckmässig mit einem nicht dargestellten zentralen Rechner verbunden.

   Nachdem alle am Prozess beteiligten Sektionen, d.h. die Sektionen in der Aufheizung, über den gemeinsamen Verbrennungsluftstrom miteinander verbunden und auch voneinander abhängig sind, ist eine optimale Prozessregelung nur möglich, wenn ein übergeordnetes Leitsystem alle Informationen aus allen beteiligten Sektionen berücksichtigt und daraus die optimale Korrekturstrategie berechnet.

   Der autonome Betrieb der Mikroprozessoren auf dem jeweiligen Ofenequipment ist eine zweitbeste Annäherung für den Fall, dass die Datenübermittlung vom Ofenequipment zum Zentralrechner nicht funktioniert.

[0055] In der Draufsicht auf ein stirnseitiges Ende eines offenen Ringkammerbrennofens 10 gemäss Fig. 4 erkennt man drei Brennerbrücken 42 mit je zwölf Brennern, eine in Feuerrichtung F unmittelbar anschliessende Messbrücke 40 mit je sechs Messstellen für die Temperatur und den Unterdruck. Als Alternative zu der vorgehend beschriebenen und in Fig. 3 dargestellten Situation ist eine weitere Brücke angeordnet, die mit sechs Kameras 82, genauer gesagt elektronischen Miniaturkameras, ausgerüstet ist, welche oberhalb von sechs Öffnungen 56 (Fig. 3) angeordnet sind.

   Die Kameras liegen "In-Iine" mit den Feuerschächten 16 der Brennerbrücken 42 und den Messgeräten der Unterdruck-Messbrücke 40 und werden in Fig. 5 näher dargestellt. Die Kameras 82 liegen im mit parallelen Strichen charakterisierten Bereich der Pechdampfverbrennung 84.

[0056] Die Kamera 82, ebenfalls ein optischer Sensor, prüft permanent die Pechdampfverbrennung. Wenn ein Bild detektiert wird, das vom gespeicherten Standardbild nicht oder nur minim abweicht, wird keine Korrekturaktion veranlasst.

   Wenn dagegen ein Bild detektiert wird, das deutlich vom Standardbild abweicht, wird eine automatische Korrekturaktion eingeleitet:

[0057] Eine bezüglich der Feuerrichtung F dem Absauger 36 vorgeschaltete Kammer ist vorzugsweise mit grünen Anoden gefüllt und wird dann als Dichtkammer 86 bezeichnet.

[0058] Eine in Fig. 5 dargestellte Kamera 82 zur Überwachung der Pechdampfverbrennung ist über einen Support 88 auf einem Brennerstein 90 angeordnet. Mittels eines transparenten Einsatzes 92 aus hitzebeständigem und resistentem Material, beispielsweise Pyrex-Glas, ist die Kamera 82 vor schädigenden Einwirkungen geschützt.

[0059] Fig. 6 zeigt die Einbettung von grünen Elektroden 20, im vorliegenden Fall Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse.

   Die alternierenden Kassetten 18 und Feuerschächte 16 einer Kammer eines offenen Ringkammerofens sind durch eine poröse Wand 98 aus feuerfesten Steinen 96 getrennt. Die Porosität der Mauer wird erreicht, indem nur in den horizontalen Fugen zwischen den Steinlagen Mörtel angebracht wird. In den vertikalen Fugen zwischen den Steinen hat es keinen Mörtel, als Abstandhalter kann z.B. ein Stück Karton eingebracht werden, was die Porosität der Mauer 98 bewirkt.

[0060] Der Zwischenraum zwischen den gestapelten Anoden 20 und den feuerfesten Wänden 98 ist mit einem Füllpulver 32, z.B. aus Petrolkoks-, Anthrazit- oder Steinkohlegranulat, ausgefüllt. Die Anoden 20 selbst bestehen aus Petrolkoks und etwa 13-16 Gew.-% Pech als Bindemittel.

   Ein Teil des Bindemittels tritt bei der Aufheizung der Anoden gasförmig aus und wird über die Porosität des Füllpulvers 32 und der Wände 98 in die Feuerschächte 16 abgezogen, in welchen über die Ringleitung und den Absauger ein Unterdruck aufrechterhalten wird. Dieser Diffusionsprozess von Pechdampf ist mit gestrichelten Pfeilen 102 angedeutet.

   Bei korrekter Ofendimensionierung und Ofenführung entzünden sich die flüchtigen Komponenten des Bindemittels und verbrennen vollständig, was als Pechdampfverbrennung bezeichnet wird.

[0061] Die unerwünschte Bildung von Russpartikeln 104 wird von einem optischen Sensor, im vorliegenden Fall ein Zweifarbenpyrometer 68, detektiert, der avisierte Rechner leitet sofort eine automatische Korrekturaktion ein.

[0062] Grundsätzlich wird der Prozess bei Verfügbarkeit einer Pechverbrennungsdetektion, d.h. der Bildung von Russpartikeln, wie folgt geregelt:
 Zuerst vergleicht das System an allen Messpunkten die Ist- mit der Solltemperatur. Zur Bestimmung der Regelaktion werden die jeweiligen Abweichungen in allen relevanten Feuerschächten 16 berücksichtigt. Weiterhin wird der Wert des Temperaturanstieges (Ist-Gradient) berechnet und mit dem entsprechenden Soll-Gradient verglichen.

   Als Regelgrösse stehen für jeden Feuerzug der Unterdruck p am Absauger 36 und die Brennstoffmenge bei den Brennern im betrachteten Feuerzug zur Verfügung.
 Aufgrund der gemessenen Temperaturabweichungen und Gradienten errechnet das System die optimale Regelaktion.
 Vor deren Ausführung kontrolliert das System die Pechverbrennungssituation. Ist diese in Ordnung, wird die Korrekturaktion wie berechnet ausgeführt. Wird dagegen eine unvollständige Pechverbrennung detektiert, dann wird die Korrekturaktion derart angepasst, dass wieder eine vollständige Pechverbrennung erreicht wird. Eine Russbildung wird dem Bedienungspersonal vorzugsweise auf einem Überwachungsmonitor angezeigt. Alle relevanten Daten werden in einer Datenbank gespeichert.

   Geeignete Auswertungsalgorithmen erlauben Aussagen über defekte Feuerschächte 16 und über eine gegebenenfalls erforderliche Anpassung, d.h. Optimierung der Sollbrennkurve an das Brenngut.

Claims (12)

1. Verfahren zur Optimierung der Pechdampfverbrennung in einem Brennofen für Kohlenstoffelektroden (20), insbesondere Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse, welcher Brennofen wenigstens eine durch poröse Wände (98) von benachbarten Feuerkammern (16) getrennte Kassette (18) für in Füllpulver (32) eingebettete grüne, pechhaltige Elektroden (20) umfasst, wobei in die mit Unterdruck (p) betriebenen Feuerschächte (16) unter laufender Kontrolle von Unterdruck (p) und Temperatur ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff eingeleitet wird dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessablauf im Bereich der sichtbaren Pechdampfverbrennung (84) laufend optisch überwacht und die Bildung von Russpartikeln (104) optisch detektiert wird, eine Quasi-Echtzeitauswertung der Resultate erfolgt,

und wenn notwendig eine Korrekturaktion zur Ofenüberwachung und Prozessoptimierung automatisch eingeleitet wird, indem die Russpartikel durch Anpassung von wenigstens einem Prozessparameter im betreffenden Feuerschacht (16) anhand von vorliegenden Daten beseitigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Russpartikeln (104) und gleichzeitig die Temperatur (T16) gemessen werden, vorzugsweise auch am gleichen Ort.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang mittels Strahlungsabsorption überwacht wird, vorzugsweise mit einem Zweifarbenpyrometer (68).

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang mit einer Kamera detektiert und bei einer Abweichung von der gewünschten Situation eine Korrekturaktion eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang über ein Pyrometer mit sehr kurzer Anspruchzeit erfasst und als Signalrauschen aufgezeichnet wird, ein durch die Bildung von Russpartikeln (104) unterschiedliches Signalrauschen detektiert und eine Korrekturaktion eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung dauernd, in einer frei parametrierbaren Zykluszeit von vorzugsweise wenigstens 1 sec, insbesondere 5 bis 10 sec, durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturaktion durch Anpassung wenigstens eines Parameters der Gruppe bestehend aus Unterdruck, Brennmittelzudosierung und Sekundärluftzudosierung erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturaktionen auf einem Bildschirm gezeigt werden.

9. Offener Ringkammerofen (10) mit optimierter Pechdampfverbrennung zum Brennen von Kohlenstoffelektroden (20), insbesondere von Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse, welcher Ringkammerofen (10) im Wesentlichen in Serie angeordnete Kammern (12) mit alternierenden Feuerschächten (16) und dazwischenliegenden Kassetten (18) und eine sich über mehrere Kammern (12) erstreckende, in der Längsrichtung (L) verschiebbare Produktionseinheit aus einem Absauger (36), einer Unterdruck-Messbrücke (40), wenigstens einer Brennerbrücke (42) und wenigstens einem Kühler (44) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Feuerschacht (16) im Bereich der Unterdruck-Messbrücke (40) ein oder mehrere optische Sensoren (68, 82) zur laufenden Überwachung der Verbrennung und der Bildung von Russpartikeln (104) im Rauchgas (62) angeordnet sind.

10. Ringkammerofen (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren Zweifarbenpyrometer (68) sind.

11. Ringkammerofen (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren die Pechdampfverbrennung in Quasi-Echtzeit erfassende Kameras (82) sind, vorzugsweise elektronische Miniaturkameras mit Bildauswerteeinheit.

12. Ringkammerofen (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Feuerschacht (16) selbst und/oder auf der Unterdruck-Messbrücke (40) auf dem Feuerschacht (16) Ventile (72, 74) zur Zufuhr der Sekundärluft angeordnet sind.