[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.
[0001] The invention relates to a method and apparatus for optimizing pitch steam combustion in a carbon electrode furnace, in particular anodes for molten aluminum electrolysis, which comprises at least one cassette enclosed by porous walls of adjacent firebases for green, pitch-containing electrodes embedded in filler powder in which a gaseous or liquid fuel is introduced into the vacuum-operated fireboxes under constant control of negative pressure and temperature.
For the large-scale production of primary aluminum petroleum coke, recirculated anode material and pitch are used as binders for today still common technology.
The final process step in anode fabrication consists of a heat treatment, wherein the anodes are heated at a fixed heating rate to a final temperature in the range of 1050 to 1200 deg. C be heated. For an undisturbed electrolysis operation, the anodes must meet the following requirements in particular:
sufficient mechanical strength
adequate resistance to thermal shock
low electrical resistance
Resistance to attack by CO2
Resistance to attack by ambient air
as identical as possible properties of all anodes.
All these listed requirements are significantly influenced by the firing process as the last step in the anode production.
An optimally controlled firing process, in which both the heating rate and the maximum firing temperature for all anodes can be kept as identical as possible, is therefore indispensable for the production of high-quality anodes.
The technological background is shown schematically with reference to an open annular chamber furnace 10 shown in Fig. 1 for burning anodes for the Aluminiumschmelzflusselektrolyse according to FIG. 1 and described as an example. The open annular chamber furnace 10 comprises chambers 12 arranged in two parallel rows. These chambers 12 extending transversely to the longitudinal direction L are also called sections. At the front end of the furnace, in each case the last chamber 12 of the one row is connected to the first chamber 12 of the other row via a deflection channel 14.
Each chamber 12 consists of a plurality, usually six to ten, fire chambers 16 (fire chambers), between each of which a cassette 18 is arranged, in which the green electrodes to be fired, in this case anodes 20, are used. The individual chambers 12 are separated from each other by a belt wall 22 described later (shown in FIG. 3).
A cassette 18 is about 5 m high, 5 m long and 0.8 m wide. The width of a corresponding firing shaft 16 is about 0.5 m. Each firing pit 16 or each cassette 18 comprises two walls 98 (FIG. 6), which extend in the direction L, made of refractory bricks. In the combustion chamber 16 baffles 24 are arranged so that an optimal guidance of the flue gases 62 (Figure 3) takes place.
The annular chamber furnace 10 is arranged in a concrete tub 26, around which an exhaust pipe 28 is guided.
This present U- or annular exhaust pipe 28 is equipped with a riser 30 for each chamber 12, it is also referred to briefly as a loop, even if it is U-shaped, that is missing on one end face of the furnace 10. About the exhaust pipe 28 is permanently maintained in the annular chamber furnace 10 via external fans, not shown, a negative pressure, which ensures the necessary to maintain the process train.
For the burning of the electrodes 20, in the present case unfired, that is green, anodes are packed in the cassettes 18. The intermediate space between the anode stack and the refractory masonry of the walls 98 (FIG. 6) is filled up with filling powder 32, in particular with petroleum coke, anthracite and / or hard coal granules (FIG. 6) of suitable grain size.
By means of a riser 30 with an opening 34, an aspirator 36 can be connected to the exhaust pipe 28. In each riser 30, a flap, not shown, or the like. Be mounted, with which the negative pressure in the aspirator 36 can be adjusted.
There are two equivalent in operation, but different in design furnace types. In one type, there is no flap in the riser 30 from the loop 28 for connection to the aspirator 36. In this type of furnace, the negative pressure desired in the aspirator 36 is set in the flue gas purification system, i. in the ring line 28 there is the same negative pressure as in the suction body 36. In the other type of furnace, a flap is mounted in each riser 30 of the ring line 28 for connection to the suction device 36.
Here you have two options: either, the desired negative pressure in the aspirator 36 is also set in the flue gas cleaning system, the flap in the riser 30 is only used as a shut-off, it is either completely closed (if there is no aspirator 36 at this position) , or completely open (if there is an aspirator 36). Alternatively, the oven is driven so that in the ring line 28, a higher negative pressure prevails, as required or desired in the aspirator 36. In this case, each aspirator 36 is equipped with a manometer, the flap in the riser 30 is opened only after the positioning of the aspirator 36 when changing the fire until the desired negative pressure prevails in the aspirator 36.
This vacuum is a multiple (order of magnitude of about 800-2000 Pa) of the negative pressure of about 100 Pa in the chamber 12 in front of the aspirator 36th
The distance between the openings 34 in the direction L corresponds to the length of a chamber 12 in this direction and thus about the length of a fire shaft 16 and a belt wall 22nd
The individual fire shafts 16 of the various chambers 12 are connected to the corresponding shafts of the adjacent chambers in the longitudinal direction L, i. connected in series.
From the tubular aspirator 36 branches off to each fire shaft 16, a suction nozzle 38, wherein each of these nozzles preferably not shown, a motor-operated flap or the like. Has, which allows to regulate the negative pressure in the fire shafts 16 individually.
The individual fire shafts 16 of the various chambers 12 are, as mentioned, connected in series with the corresponding shafts of the adjacent chamber. For example, the outermost fire chute 16 lying directly next to the concrete tub 26 is connected to the same shaft of the next chamber.
A negative pressure control alone on the aspirator 36 consequently has an effect on all fireboxes 16 of the chambers 12 connected in series in the firing direction F and involved in the process.
A displaceable in the longitudinal direction L production unit, in the present case consisting of the aspirator 36, the vacuum measuring bridge 40, three burner bridges 42 and two radiators 44, extends over a plurality of chambers 12, there are two eleven chambers 12 extending units located.
Expected from the aspirator 36, a vacuum measuring bridge 40 for measuring negative pressure and temperature is arranged on the third chamber 12, one burner bridge 42 each on the fourth, fifth and sixth chambers 12 and one cooler 44 on the ninth and eleventh chambers 12.
The suction of the air in the cooling zone is carried out such that the lid on the burner holes 34 and optionally Gurtwandlöchern 52 (Fig. 2) are removed. However, it must be ensured at all times that there is always a vacuum at the location of the burner. Even a slight back pressure has a disadvantageous effect. In order to ensure the negative pressure, the covers are kept closed in at least one chamber 12 behind the last burner bridge 42 in the rule.
Viewed in the longitudinal direction L, the zero pressure point is where the first burner cover or belt cover is removed; from there the negative pressure drops evenly to e.g. about 100 Pa in the chamber 12 in front of the aspirator 36.
The first radiator 44 (ie, the radiator 44 adjacent to the rearmost burner bridge 42 may be integrated into the system as a "blower.") If the system requires more oxygen, then not only the damper position in the corresponding riser 30 of the aspirator 36 is regulated but the fan in the corresponding "blower" foot is raised, the system between the "blower" and the aspirator is closed.
Through the train applied via the exhaust pipe 28 and the suction 36 train moves a heat wave in the furnace in the form of a fire area or Feuerzugs of the burner bridges 42 in the direction of the aspirator 36th
At predetermined time intervals, the mentioned production unit is opened by an opening 34, i. Chamber length offset in the direction of the progressive heat wave. The time interval is usually in the range of 24 to 32 hours.
Between the rearmost radiator 44 of the one and the foremost aspirator 36 of the next production unit to follow some chambers 12, usually three to five, in which the baked anodes are unpacked and new green, to be fired anodes are inserted into the cassette 18.
If necessary, maintenance work on the refractory masonry is also performed.
The burning of the heating medium, usually natural gas or atomized, drop or filamentary heavy oil, necessary air is sucked through the chambers 12 between the rearmost burner bridge 42 and the rearmost radiator 44, whereby this air is preheated, which the process efficiency improved. It should also be noted that only a portion of the oxygen may be consumed for the fuel supplied via the burner bridges 42.
In front of the torch bridges 42, volatile components of the pitch used as binders in the anodes 20 exit into the fire wells 16, which are separated from the cassettes 18 by porous walls 98 (Figure 6), in order to migrate the pitch vapors from the anodes 20 to allow the filling powder 32 (FIG. 6) into the fire shafts 16. Depending on the thickness of the filling powder layer 32 and the walls 98, the escape of the pitch vapors takes place sooner or later.
It has already been sought in the prior art to completely burn the pitch vapors. Through the pitch steam combustion can be covered up to about 50% of the energy requirement. Incomplete combustion of the pitch vapors produces soot particles and / or condensed pitch vapors.
Both components form a fire risk and an increased burden on the downstream flue gas cleaning.
In modern facilities Ringkammeröfen 10 are controlled by computer. Here, a time / temperature curve is specified. By controlling negative pressure and fuel quantity, an attempt is made to keep a predetermined setpoint curve as well as possible. It is also known that compliance with all objectives - highest possible production, identical heat treatment of all anodes and complete combustion - can not be guaranteed under all circumstances with today's usual means. An incomplete combustion leads to the mentioned soot formation and thus to an increased opacity of the flue gases, in other words, a light or
Radiation permeability reducing turbidity.
A known weak point of all known processes is a recurrent incomplete pitch combustion. At any point in time, if the cumulative burner power in the series fireboxes 16 and / or the instant pitch steam transfer 102 (FIG. 6) from an anode cassette 18 into the fire chambers 16 are too high, a deficiency in the sourcer may occur. As a result, soot particles having the above-mentioned disadvantages are formed.
It is also known to monitor the pitch combustion by measuring the smoke density in the aspirator 36 or in the exhaust pipe 28. A disadvantage of a measurement in the exhaust pipe 28 is that only a statement about the Pechdampfverbrennung can be made on a furnace side or in the annular furnace 10 as a whole.
If too high an opacity is detected, it must be determined by visual inspection on the furnace 10 which fire and which fire shaft 16 or which fire shafts are affected.
In the arrangement of a smoke density meter on the aspirator 36 can be made for each individual, extending over several chambers 12 fire, a statement. In contrast, in turn must be visually determined by the operator in which fire shaft 16 may be produced soot.
Finally, a method for measuring the oxygen or carbon monoxide content in the flue gas 62 is known (FIG. 3).
However, there is no measurement method which allows continuous analysis of the flue gas under the conditions prevailing on a furnace. Moreover, a statement about soot formation based on flue gas analyzes is possible only with considerable uncertainty.
Investigations have shown that the pitch steam combustion reacts immediately to the respective oxygen content in the combustion chamber.
The pitch vapors ignite and go out in time with the amount of oxygen offered, which in turn is determined by the switch-on cycle of the upstream fuel supply.
The inventors have set themselves the task of providing a method and an apparatus for carrying out the aforementioned type, which prevent the formation and the existence of soot particles in the furnace atmosphere.
With regard to the method, the object is achieved in that the process flow in the field of visible pitch vapor continuously monitored optically and the formation of soot particles is optically detected, a quasi-real-time evaluation of the results, and if necessary, a correction action for furnace monitoring and process optimization is initiated automatically,
by removing the soot particles by adapting at least one process parameter in the relevant firebox on the basis of available data. Specific and further embodiments of the method are the subject of dependent claims.
With the inventive method, any soot formation can be detected directly in each firebox in the field of visible pitch combustion, creating a direct automatic process control is possible.
This is done by - as mentioned - at least one of the process parameters negative pressure, fuel supply and Sekundärluftzudosierung is changed according to stored experience and / or calculated data.
Preferably, with the monitoring of the combustion process with an optical sensor, the temperature is measured simultaneously, in particular in the same place.
Upon onset of formation of soot particles, turbidity results, opacity absorbs radiation, which is measured with an optical sensor. Particularly advantageous is the use of a two-color pyrometer, which simultaneously measures the temperature and any radiation absorption by soot particles, such two-color pyrometer are offered on the market.
According to a variant, the monitoring of the combustion process can be done with a commercially available camera.
The image analysis is done in quasi-real time. Quasi-real-time is spoken of because the evaluation unit sequentially detects the combustion process in the relevant fire shafts, which takes place in fractions of seconds. If, in the course of monitoring pitch steam combustion, a deviation from the desired situation is detected by the evaluation unit with respect to the formation of soot particles, an automatic correction action takes place in the desired direction.
According to another variant, the combustion process is detected by a pyrometer with a very short response time and recorded as signal noise.
If a different signal noise is detected by the formation of soot particles, an automatic correction action also takes place by a change of at least one of the parameters negative pressure, fuel supply and addition of secondary air by means of stored data.
The monitoring of the combustion process takes place continuously, wherein the sensor signals are polled cyclically, and wherein the cycle time is freely parameterizable. It is preferably carried out in cycle times of one to several seconds, e.g. 5-10 sec.
With an open annular chamber furnace, the object is achieved in that one or more optical sensors for continuous monitoring of combustion and the formation of soot particles in the flue gas are arranged in at least one fire shaft in the field of vacuum bridge.
Special and further embodiments of the open annular chamber furnace are the subject of dependent claims.
Deviations from the normal combustion process and automatic correction actions are conveniently signaled on a screen and registered in a database. The operator has a complete overview of the process at any time and the data is available for subsequent analyzes.
Preferably, an optical sensor is arranged in the region of the vacuum measuring bridge in each fire shaft.
Temperature-sensitive and / or corrosion-susceptible optical sensors can be protected, for example, by a Pyrex insert.
With the inventive method or the open annular chamber furnace, the formation of soot particles can not only be detected as a whole immediately, but also localized and eliminated. Full pitch steam combustion without formation of soot particles is again achieved by automatically initiating corrective actions. In addition to the known regulation of the negative pressure and / or the fuel supply can be added by appropriate means at the required location, if necessary, secondary air, d. H. the oxygen content of the flue gases are increased.
With a suitable furnace design, the addition of secondary air in the area of pitch combustion is not required.
Secondary air is even undesirable since it is more energetically advantageous to maintain combustion with preheated primary air rather than with cold secondary air. However, if the primary air is insufficient, it is better to work with secondary air than to accept incomplete combustion.
For the implementation of the inventive method, in particular an open annular chamber furnace is suitable.
The method and apparatus will be described as representative of the production of anodes for aluminum melt electrolysis. For the burning of other anodes and cathodes, the same or analogous means are used.
The invention will be explained in more detail with reference to concrete embodiments illustrated in the drawings, which are also the subject of dependent claims.
In addition to a known per se open annular chamber furnace Fig.1 show schematically:
<Tb> FIG. 2 <sep> the oxygen content, the anode temperature, the temperature in the firebox and the negative pressure across several chambers of an open-hearth furnace,
<Tb> FIG. 3 <sep> a partial longitudinal section through the fireboxes of an annular chamber furnace,
<Tb> FIG. 4 <sep> a plan view of an open annular chamber furnace in the forehead area,
<Tb> FIG. 5 <sep> the arrangement of a camera in the area of a burner hole, and
<Tb> FIG. 6 <sep> a vertical partial section through a chamber area transverse to the firing direction.
In the graph according to FIG. 2, seven chambers 12 of an annular chamber furnace 10 (these and the reference numerals following FIG. 2 refer to FIG. 1) are shown on the abscissa, the fire direction F runs from right to left. Above the chamber 1, a suction device is arranged above the chamber 3 a vacuum measuring bridge and above the chambers 4 to 6 three burner bridges.
With respect to the three ordinates, the negative pressure p is dashed, the temperature T16 of the firing pit 16 is dotted, the anode temperature T20 is dot-dashed and the course of the oxygen content O2 is shown with a solid line.
The combustion air is drawn via the chambers 12 between the rear burner bridge 42 and radiator 44, whereby the air is preheated, which improves the process efficiency. The oxygen content gradually decreases in direction F of the firebox in the area of the burner bridges, each burner consumes part of the oxygen. In the area of the vacuum measuring bridge there is a continuous drop in the oxygen content due to the pitch combustion.
Here ignite the diffused into the fire shaft 16 volatile components of the binder and make a contribution of 30 to 50% to the total energy consumption of the annular chamber furnace 10. The other 50 to 70% of the energy was supplied through the burner bridges 42nd
A dotted curve T16 shows the heating of the flue gases in the fire shafts 16 against the fire direction F. The temperature profile depends on the specified process parameters and the furnace construction. In this case, a marked increase in temperature occurs in the area of visible pitch combustion, immediately before the vacuum gauge bridge 40.
A tip is reached immediately after reaching chamber 3 with the vacuum measuring bridge, after which the temperature T16 drops slightly and then rises in the region of the burner bridges 42 above the chambers 4 to 6 to the maximum. After these burner bridges 42, the temperature T16 in the fire shafts 16 gradually drops. In the region of the radiator 44, not shown, air at room temperature is blown into the fire shafts 16
The anode temperature T20 increases continuously during the firing process and delayed with respect to the firing shaft temperature. The maximum firing temperature of about 1050-1200 deg.
C is reached at the last burner bridge 42 or directly behind it.
The negative pressure p decreases in the direction of fire F from 0 Pa at the beginning of the cooling zone to about 100 Pa at the aspirator 36 in chamber 1. About the flap in the suction 38 increases the negative pressure p to the value in the aspirator 36 and in the loop 28th
Fig. 2 shows an optimal process flow without formation of soot particles.
A partial longitudinal section through the fire shafts 16 in the direction L through an open annular chamber furnace 10 (FIG. 1) shows in FIG. 3 four chambers 12, which are partially separated by belt walls 22. The smoke or furnace gases 62 can pass from the fire shaft to the fire shaft 16 in the direction of fire F.
The arrangement of baffles 24 in the fire shafts 16, the temperature distribution can be optimized.
The furnace cover 50 carries in the present case a burner bridge 42, a vacuum measuring bridge 40 and a suction device 36 as attached equipment. Further, 50 openings are recessed in the furnace cover. By Gurtwandöffnungen 52 or burner holes 58 sized therefor a shut-off device 54 is inserted in the form of a slider. As a result, the opening between the belt wall 22 and cover 50 is closed in the region of the aspirator 36 so that a negative pressure can be generated in the heating zone. Openings in the oven cover 50 are usually round or rectangular. There are ovens with and without belt wall openings 52.
If the belt wall 22 has no openings 52, then the belt holes 58 adjacent to the belt wall are sized so large that the shut-off device 54 can be inserted through a burner hole 58. By belt wall openings 52, a slide, a flap or the like. Adjustable obturator 54 are introduced. As a result, the opening between the belt wall 22 and cover 50 is closed in the region of the aspirator 36 so that a negative pressure can be generated in the heating zone. The remaining belt wall openings 52 are closed.
Other openings larger diameter 56 and / or smaller diameter 58 are used for the connection of suction 36, cooler 44 or sensors, they are arranged in regular, from chamber to chamber 12 exactly the same distribution.
Only in this way can the production unit with suction device 36, vacuum measuring bridge 40, burner bridges 42 and coolers 44 be advanced in stages by chamber width.
According to a variant, not shown is dispensed Gurtwandöffnungen 52 and at least one burner hole 58 dimensioned so large that there a obturator 54 can be introduced.
On the openings 56 adjacent to the obturator 54, the suction nozzle 38 of the aspirator 36 are placed.
With a thermocouple 60, the temperature of the flowing into the chamber 16 flue gas 62 is measured and evaluated in a microprocessor 64, stored, forwarded and visualized in the present case with a display.
The unused openings 52, 56, 58 of all fire shafts 16 of the annular chamber furnace are closed, unless they are needed for the supply of secondary air, so that a sufficient negative pressure of z. B. about 100 Pa in the chamber 12 can be generated at the aspirator.
In the field of pitch steam combustion, shown here in the third chamber counted by the suction and against the fire direction, a vacuum measuring bridge 40 with a vacuum probe 66 and a two-color pyrometer 68 according to the invention is arranged as an optical measuring probe which simultaneously serves for temperature measurement. The vacuum measuring bridge 40 also includes a microprocessor 70. Further, the vacuum measuring bridge 40 shows a valve 72 for a secondary air addition, if formation of soot particles is detected. Another valve 74 for secondary air is arranged on the belt cover, this serves the same purpose.
Adjacent to the vacuum measuring bridge 40 is on the fire direction F opposite firebox 16 a burner bridge 42 is arranged.
The fuel is injected in gaseous form or as a liquid via burners in the burner holes 58 into the firebox 16. Two ignited flames 76 are shown in the vertical sectional plane, and six flames 76 are fed through six burner holes 58 as viewed in succession, which flames extend in the firing direction F over a plurality of fire pits 16. Each fired firebox 16 is associated with a thermocouple 78, which feeds the readings into a microprocessor 80.
The three microprocessors 64, 70, 80 are autonomously or conveniently connected to a central computer, not shown.
After all the sections involved in the process, i. the sections in the heating, connected to each other via the common combustion air flow and also dependent on each other, an optimal process control is only possible if a higher-level control system takes into account all information from all sections involved and calculates the optimal correction strategy.
The autonomous operation of the microprocessors on the respective furnace equipment is a second best approximation in the event that the data transmission from the furnace equipment to the central computer does not work.
In the plan view of a front end of an open annular chamber furnace 10 as shown in FIG. 4 can be seen three burner bridges 42, each with twelve burners, a immediately adjacent in the direction of fire F measuring bridge 40, each with six measuring points for the temperature and negative pressure. As an alternative to the situation described above and illustrated in FIG. 3, another bridge is arranged, which is equipped with six cameras 82, more precisely electronic miniature cameras, which are arranged above six openings 56 (FIG. 3).
The cameras are "in-Iine" with the fire shafts 16 of the burner bridges 42 and the measuring devices of the vacuum measuring bridge 40 and are shown in more detail in FIG. The cameras 82 are located in the area of the pitch steam combustion 84 characterized by parallel lines.
The camera 82, also an optical sensor, permanently checks the pitch steam combustion. If an image is detected that does not differ from the stored standard image, or only minimally, no corrective action is initiated.
If, on the other hand, an image is detected that deviates significantly from the standard image, an automatic correction action is initiated:
A chamber upstream of the aspirator 36 with respect to the firing direction F is preferably filled with green anodes and is then referred to as a sealing chamber 86.
A camera 82 for monitoring the pitch steam combustion shown in FIG. 5 is arranged on a burner block 90 via a support 88. By means of a transparent insert 92 made of heat-resistant and resistant material, such as Pyrex glass, the camera 82 is protected from harmful effects.
FIG. 6 shows the embedding of green electrodes 20, in the present case anodes for the aluminum melt flow electrolysis.
The alternating cassettes 18 and firebases 16 of a chamber of an open-annulus furnace are separated by a porous wall 98 of refractory bricks 96. The porosity of the wall is achieved by mortar is applied only in the horizontal joints between the stone layers. In the vertical joints between the stones it has no mortar, as a spacer can e.g. a piece of cardboard is introduced, causing the porosity of the wall 98.
The gap between the stacked anodes 20 and the refractory walls 98 is filled with a filling powder 32, e.g. from petroleum coke, anthracite or hard coal granules. The anodes 20 themselves consist of petroleum coke and about 13-16 wt .-% pitch as a binder.
A part of the binder occurs in the heating of the anodes from gaseous and is withdrawn via the porosity of the filling powder 32 and the walls 98 in the fire shafts 16, in which a vacuum is maintained via the loop and the suction. This diffusion process of pitch steam is indicated by dashed arrows 102.
With proper furnace dimensioning and oven routing, the volatile components of the binder ignite and burn completely, referred to as pitch steam combustion.
The unwanted formation of soot particles 104 is detected by an optical sensor, in this case a two-color pyrometer 68, the advised computer immediately initiates an automatic correction action.
Basically, the process becomes available upon the availability of pitch combustion detection, i. the formation of soot particles, regulated as follows:
First, the system compares the actual and setpoint temperatures at all measuring points. To determine the control action, the respective deviations in all relevant fire shafts 16 are taken into account. Furthermore, the value of the temperature rise (actual gradient) is calculated and compared with the corresponding desired gradient.
As a controlled variable, the negative pressure p at the extractor 36 and the fuel quantity at the burners in the considered Feuerzug are available for each Feuerzug.
Based on the measured temperature deviations and gradients, the system calculates the optimal control action.
Before being executed, the system controls the pitch burning situation. If this is correct, the correction action will be executed as calculated. If, on the other hand, an incomplete pitch combustion is detected, then the correction action is adjusted so that a complete pitch combustion is again achieved. Soot formation is preferably displayed to the operator on a surveillance monitor. All relevant data is stored in a database.
Suitable evaluation algorithms allow statements about defective fireboxes 16 and about a possibly necessary adaptation, i. Optimization of the nominal burn curve to the kiln.