DE102009046937B4

DE102009046937B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Anoden

Info

Publication number: DE102009046937B4
Application number: DE102009046937.0A
Authority: DE
Inventors: Domenico Di Lisa; Dr. Heinke Frank; Peter Krieg; Detlef Maiwald; Hans-Peter Mnikoleiski; Wolfgang Uhrig
Original assignee: Innovatherm Prof Dr Leisenberg GmbH and Co KG
Current assignee: Innovatherm Prof Dr Leisenberg GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2029-11-21
Also published as: US9328960B2; EP2502014B1; CA2780844C; AU2010320998A1; EP2502014A1; US20120295208A1; CA2780844A1; DE102009046937A1; WO2011061159A1; AU2010320998B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Anoden in einem Anoden-Ringofen (10), umfassend zumindest eine Ofeneinheit („Feuer“) (11) mit einer Aufheizzone (13), einer Feuerzone (14) und einer Kühlzone (15), mit jeweils einer Mehrzahl von mit Heizkanälen (17) untereinander verbundenen Ofenkammern (12), die als Wärmetauscher ausgebildet sind und zur Aufnahme von Anoden dienen, bei dem zur Luftführung durch die Ofeneinheit vermittels einer Primärluft-Zuführeinrichtung (21) Primärluft in die Kühlzone eingeleitet wird und nach Passieren der Feuerzone vermittels einer Absaugeinrichtung (22) aus der Aufheizzone als Rauchgas abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufheizzone in Richtung der Primärluft-Strömung der Absaugeinrichtung vorgeordnet vermittels einer Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) eine Zuführung von Sekundärluft zur gezielten Beeinflussung des Aufheizgradienten erfolgt, wobei eine Positionierung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Anoden in einem Anoden-Ringofen, umfassend zumindest eine Ofeneinheit mit einer Aufheizzone, einer Feuerzone und einer Kühlzone mit jeweils einer Mehrzahl von mit Heizkanälen untereinander verbundenen Ofenkammern, die als Wärmetauscher ausgebildet sind und zur Aufnahme von Anoden dienen, bei dem zur Luftführung durch die Ofeneinheit vermittels einer Luftzuführeinrichtung Primärluft in die Kühlzone eingeleitet wird und nach Passieren der Feuerzone vermittels einer Absaugeinrichtung aus der Aufheizzone als Rauchgas abgeführt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Luftzuführvorrichtung für einen Anoden-Ringofen sowie einen mit einer derartigen Luftzuführvorrichtung versehenen Anoden-Ringofen.
Das vorliegende Verfahren findet Anwendung bei der Herstellung von Anoden, die für die Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Primäraluminium benötigt werden. Diese Anoden werden aus Petrolkoks unter Zusatz von Pech als Bindemittel in einem Formungsverfahren als so genannte „grüne Anoden“ oder „Rohanoden“ hergestellt, die nachfolgend dem Formungsverfahren in einem Anoden-Ringofen gesintert werden. Dieser Sintervorgang findet in einem definiert ablaufenden Wärmebehandlungsprozess statt, bei dem die Anoden drei Phasen, nämlich eine Aufheizphase, eine Sinterphase und eine Abkühlphase durchlaufen. In der Aufheizzone erfolgt eine Aufheizung bzw. Vorwärmung der Rohanoden, bevor diese nach Ablauf der Aufheizphase in der Brenn- oder Feuerzone auf Sintertemperaturen von etwa 1100 °C aufgeheizt werden.
Aus dem Stand der Technik ist aus der WO 2004/0 27 332 A1 eine Zugabe von Sekundärluft bekannt, um eine vollständige Pechdampfverbrennung ohne Bildung von Rußpartikeln zur erreichen. Diese Sekundärluftzufuhr dient ausschließlich der Optimierung der Pechdampfverbrennung.
Die Offenlegungsschrift DE 2 008 206 A zeigt ein Verfahren zum Brennen von Kohlenstoff-Formkörpern in Kammerringöfen, bei dem eine den Feuerkammern nachgeschaltete Kammer durch Einleiten von kalten Gasen oder Dämpfen gekühlt wird, um den Temperaturanstieg zu begrenzen, sodass eine Ausbildung von Rissen oder anderer Strukturfehler in dem Brenngut vermieden werden kann.
Die weitere Offenlegungsschrift DE 2 010 372A modifiziert das vorgenannte Verfahren der DE 2 008 206 A , indem die Kühlung vorzugsweise durch Einsprühen von Wasser in die jeweilige Kammer erfolgt.
Die DE 31 19 517 C2 schließlich beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Ringkammerofens, bei dem aus der Ringleitung ungewaschenes Rauchgas abgenommen und der Brennzone zugeführt wird. Das zurückgeführte Rauchgas wird in einer oder mehreren Kammern in der Brennzone der Primärluft für die Verbrennung zugemischt.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass für die Qualität der letztendlich durch Sintern hergestellten Anoden dem Verlauf des Aufwärmens der Rohanoden während der Aufheizphase eine entscheidenden Bedeutung zukommt. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass für die Qualität der Anoden der sich während der Aufheizphase einstellende Aufheizgradient entscheidend ist. Insbesondere ein hoher Aufheizgradient, insbesondere ein Aufheizgradient > 14°K/h, kann im Ergebnis zur Ausbildung von Rissen in der Anode führen. Da bei Anoden mit hoher Dichte eine besonders große Rissneigung feststellbar ist und es in der Praxis bislang nicht gelungen ist, den für das Aufwärmen von Rohanoden mit relativ hoher Dichte im Vergleich zum Aufwärmen von Rohanoden mit relativ geringer Dichte zur Rissvermeidung erforderlichen, wesentlich kleineren Aufheizgradienten, insbesondere Aufheizgradienten < 8°K/h, zu realisieren, hat man in der industriellen Praxis daher bislang darauf verzichtet, Anoden mit relativ hoher Dichte in so genannten „offenen Anoden-Ringöfen“ herzustellen, die in einer Unterdruckatmosphäre ohne Abdeckung des Ofenraums betrieben werden. Stattdessen werden Anoden mit hoher Dichte bislang im Wesentlichen ausschließlich in so genannten „gedeckten“ Brennöfen gebrannt, die jedoch im Vergleich zu offenen Anoden-Ringöfen eine wesentlich geringere Effizienz aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung vorzuschlagen, das bzw. die es ermöglicht Anoden hoher Dichte mit hoher Produktqualität in einem Anoden-Ringofen herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 13 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in der Aufheizzone der Absaugeinrichtung vorgeordnet vermittels einer Sekundärluft-Zuführeinrichtung eine Zuführung von Sekundärluft. Aufgrund der Zuführung von Sekundärluft in die Aufheizzone ist es möglich, den ansonsten allein durch die Luftführung im Ofen von der Physik des Ofengefäßes, insbesondere von der Beschaffenheit und der Geometrie der Heizkanäle des Ofengefäßes abhängigen und somit kaum beeinflussbaren Aufheizgradienten in der Aufheizzone gezielt zu beeinflussen. Insbesondere ist es möglich, durch die Zuführung der Sekundärluft in die Aufheizzone die zur Aufwärmung von Rohanoden hoher Dichte gewünschte Reduzierung des Aufheizgradienten zu erreichen.
Durch die Zugabe eines zusätzlichen Luftvolumenstroms durch die Sekundärluft-Zuführeinrichtung innerhalb der Aufheizzone wird diese Beeinflussung des Aufheizgradienten möglich, ohne dass damit gleichzeitig das für das Sintern ideale Luft-Brennstoffverhältnis in der Feuerzone verändert wird.
Gleichzeitig mit dem vorstehenden Vorteil einer Reduzierung des Aufheizgradienten in der Aufheizzone wird durch die Zuführung von Sekundärluft in der Aufheizzone der Sauerstoffanteil im Rauchgas erhöht, so dass auch bei Anoden hoher Dichte, die einen höheren Anteil an Pech aufweisen, eine vollständige Verbrennung des Pechs erzielbar ist, was ohne die Zuführung von Sekundärluft nicht möglich wäre. Hieraus resultiert eine entsprechende Reduzierung der Emissionen, insbesondere betreffend CO, paH 16 und Benzol. Dadurch wird außerdem ein geringerer Energieverbrauch des Ofens ermöglicht.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Positionierung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter erfolgt, so dass beispielsweise zu Beginn des Feuerzyklusses eine Positionierung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung möglichst weit entfern von der Feuerzone innerhalb der Aufheizzone erfolgt, oder zum Ende des Feuerzyklusses eine entsprechend dicht benachbarte Anordnung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung zur Feuerzone erfolgt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn vermittels der Sekundärluft-Zuführeinrichtung eine Beaufschlagung mehrerer Ofenkammern der Aufheizzone erfolgt, wobei diese Beaufschlagung wahlweise gleichzeitig oder sequentiell erfolgen kann.
Wenn die Sekundärluft-Zuführung, also beispielsweise das pro Zeiteinheit zugeführte Sekundärluftvolumen, in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter erfolgt, können die Prozessparameter zur Einstellung der Sekundärluft-Zuführung genutzt werden, um beispielsweise empirisch gewonnene Erkenntnisse betreffend den Zusammenhang zwischen bestimmten Prozessparametern und dem sich einstellenden Aufheizgradienten in der Vorwärmzone zu nutzen.
Beispielsweise kann die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit von der Ofentemperatur in einer oder mehreren Ofenkammern der Aufheizzone erfolgen.
Alternativ oder ergänzend kann die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit vom Unterdruck in der Aufheizzone erfolgen.
Auch ist es möglich die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit von der Zyklusdauer der Wärmebehandlung der Anoden in der Ofeneinheit durchzuführen, also in Abhängigkeit von der Zeitdauer des sich aus Aufwärmphase, Brennphase und Abkühlphase zusammensetzenden Gesamtzyklus.
Eine besonders unmittelbare Steuerung der Sekundärluft-Zuführung wird möglich, wenn die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit von einer Messwertbestimmung für den Aufheizgradienten erfolgt.
Die erfindungsgemäße Luftzuführvorrichtung weist die Merkmale des Anspruchs 8 auf.
Bei der erfindungsgemäßen Luftzuführvorrichtung ist zusätzlich zu der Primärluft-Zuführeinrichtung für die Zuführung von Primärluft in der Kühlzone eine Sekundärluft-Zuführeinrichtung zur Anordnung in der Aufheizzone vorgesehen.
Wenn die Sekundärluft-Zuführeinrichtung der Luftzuführvorrichtung eine Positionierungseinrichtung zur veränderbaren Positionierung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung in der Aufheizzone aufweist, können in Abhängigkeit von den Prozessparametern Änderungen in der Positionierung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung vorgenommen werden.
Eine Luftzuführvorrichtung deren Sekundärluft-Zuführeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie eine Beaufschlagung mehrerer Ofenkammern ermöglicht, kann die Effektivität der Beeinflussung des Aufheizgradienten noch weiter erhöhen.
Wenn die Luftzuführvorrichtung so aufgebaut ist, dass der Sekundärluft-Zuführeinrichtung zumindest eine Messeinrichtung zugeordnet ist, die eine Messung eines Prozessparameters als Eingangsgröße für eine Steuereinrichtung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung generiert, kann ein mit allen notwendigen Einrichtungen versehenes autarkes System geschaffen werden, das beispielsweise an einem bestehenden Anoden-Ringofen leicht nachgerüstet werden kann.
Der erfindungsgemäße Anoden-Ringofen weist die Merkmale des Anspruchs 11 auf.
Erfindungsgemäß ist der Anoden-Ringofen mit einer Luftzuführvorrichtung versehen, die das Brennen bzw. Sintern von Anoden hoher Dichte mit derselben Produktivität ermöglicht wie das Sintern von Anoden niedriger Dichte.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung und der Erläuterung des durchführbaren Verfahrens anhand der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Anoden-Ringofens;
2: eine isometrische Teildarstellung des in 1 dargestellten Anoden-Ringofens.

1 zeigt einen Anoden-Ringofen 10, der regelmäßig aus einer Mehrzahl von Ofeneinheiten 11 besteht, die auch als so genannte „Feuer“ bezeichnet werden. Jede Ofeneinheit 11 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel 12 Ofenkammern 12 auf, die in unterschiedlicher Anzahl zu einer Aufheizzone 13, einer Feuerzone 14 und einer Kühlzone 15 zusammengefasst sind.
Wie 2 zeigt, weisen die Ofenkammern 12 Gruben 16 auf, die jeweils beidseitig von in Längsrichtung der Ofeneinheit 11 (1) sich erstreckenden Heizkanälen 17 begrenzt werden. Die Gruben 16 dienen zur Aufnahme von Anoden 30, die in einer Reihenanordnung in den Gruben 16 aufgenommen sind. Die Heizkanäle 17 der Ofenkammern 12 sind in Längsrichtung der Ofeneinheit 11 durch Strömungskanäle 31 strömungstechnisch untereinander verbunden.
Wie insbesondere 1 zeigt, befindet sich oberhalb der Ofenkammern 12 eine Anzahl unterschiedlicher Einrichtungen, die in ihrer Positionierung gegenüber den Ofenkammern 12 in Umlaufrichtung 18 veränderbar sind und - wie nachfolgend erläutert wird - durch ihre jeweilige Zuordnung die Lage der Aufheizzone 13, Feuerzone 14 und Kühlzone 15 definieren, die zusammen mit den Einrichtungen in Umlaufrichtung 18 vorbewegt werden.
In der in 1 dargestellten Konfiguration ist die Ofeneinheit 11 in der Feuerzone 14 mit drei Brennereinrichtungen 19 versehen. Die Brennereinrichtungen 19 sind jeweils einer Ofenkammer 12 zugeordnet, deren Gruben 16 mit Rohanoden bestückt sind, die vermittels der durch die Brennereinrichtungen 19 erfolgenden Temperaturbeaufschlagung auf ca. 1100 °C aufgeheizt und zur Herstellung von zur Schmelzflusselektrolyse verwendbaren Anoden gesintert werden. Dabei werden die Anoden nicht unmittelbar über die Brennereinrichtungen 19 mit Temperatur beaufschlagt, sondern es erfolgt eine Wärmeübertragung von der in den Heizkanälen 17 geführten Luft über Heizkanalwandungen 20 auf die in den Gruben 16 angeordneten Anoden. Die Ofenkammern 12 fungieren demnach als Wärmetauscher.
In 1 rechts von der Feuerzone 14 befindet sich die Kühlzone 15, die im vorliegenden Fall sechs Ofenkammern 12 umfasst, in denen in zwei vorhergehenden Brennphasen, in denen sich die Brennereinrichtungen 19 in entsprechender Positionierung befanden, unter Hochtemperaturbeaufschlagung die Rohanoden gesintert worden sind. Über einer äußeren Ofenkammer 12 der Kühlzone 15 befindet sich in der in der Zeichnungsfigur dargestellten Konfiguration eine Primärluft-Zuführeinrichtung 21, vermittels der die Heizkanäle 17 mit Frisch- bzw. Umgebungsluft beaufschlagbar sind.
Links von der Feuerzone 14 ist in der Aufheizzone 13 eine Absaugeinrichtung 22 (siehe auch 2) für die Rauchgase oberhalb der Ofenkammern 12 angeordnet, in denen sich noch nicht durch die Brennereinrichtungen 19 mit Hochtemperatur beaufschlagte, ungesinterte Rohanoden befinden.
Im Betrieb des Anoden-Ringofens 10, bei dem die Anoden in der Feuerzone 14 mit Hochtemperatur beaufschlagt werden, erfolgt gleichzeitig eine Abgabe der in den Anoden gespeicherten Wärmemenge, die in der Abkühlzone 15 angeordnet sind und zuvor von den Brennereinrichtungen 19 mit Hochtemperatur beaufschlagt wurden. Die entsprechende Abwärme wird unter Zuführung von Frischluft durch die Primärluft-Zuführeinrichtung 21 vermittels der in der Aufheizzone 13 angeordneten Absaugeinrichtung 22 bis in die Aufheizzone 13 geführt und dient dort zur Vorwärmung der Anoden, bevor diese nachfolgend mit den Brennereinrichtungen 19 beaufschlagt werden. Durch geeignete Drossel- und Regeleinrichtungen wird dabei die Funktion der Primärluft-Zuführeinrichtung 21 und der Absaugeinrichtung 22 so aufeinander abgestimmt, dass sich in den zwischen den Gruben 16 verlaufenden Heizkanälen ergänzt durch eine gesteuerte Brennstoffzufuhr der Brennereinrichtungen 19 ein vorgegebener Temperatur-Zeitverlauf einstellt.
Wie der Zeichnungsfigur zu entnehmen ist, weist der Anoden-Ringofen 10 bzw. die beispielhaft dargestellte Ofeneinheit 11 eine Luftzuführvorrichtung 23 auf, die zusätzlich zu der Primärluft-Zuführeinrichtung 21 eine in der Aufheizzone 13 angeordnete Sekundärluft-Zuführeinrichtung 24 umfasst. Die Sekundärluft-Zuführeinrichtung 24 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Messeinrichtung 25 versehen, mit der Prozessparameter, wie beispielsweise die Temperatur und/oder der Unterdruck, in der Aufheizzone 13 erfasst und als Eingangsgrößen an eine Steuereinrichtung 26 der Sekundärluft-Zuführvorrichtung 24 übermittelt werden, die den über die Sekundärluft-Zuführeinrichtung 24 in die Aufheizzone 13 eingeleiteten Luftvolumenstrom regelt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Anoden in einem Anoden-Ringofen (10), umfassend zumindest eine Ofeneinheit („Feuer“) (11) mit einer Aufheizzone (13), einer Feuerzone (14) und einer Kühlzone (15), mit jeweils einer Mehrzahl von mit Heizkanälen (17) untereinander verbundenen Ofenkammern (12), die als Wärmetauscher ausgebildet sind und zur Aufnahme von Anoden dienen, bei dem zur Luftführung durch die Ofeneinheit vermittels einer Primärluft-Zuführeinrichtung (21) Primärluft in die Kühlzone eingeleitet wird und nach Passieren der Feuerzone vermittels einer Absaugeinrichtung (22) aus der Aufheizzone als Rauchgas abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufheizzone in Richtung der Primärluft-Strömung der Absaugeinrichtung vorgeordnet vermittels einer Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) eine Zuführung von Sekundärluft zur gezielten Beeinflussung des Aufheizgradienten erfolgt, wobei eine Positionierung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vermittels der Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) eine Beaufschlagung mehrerer Ofenkammern der Aufheizzone erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit von der Ofenraumtemperatur in einer oder mehreren Ofenkammern (12) der Aufheizzone (13) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit vom Unterdruck in der Aufheizzone (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit von der Zyklusdauer der Wärmebehandlung der Anoden erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft-Zuführung in Abhängigkeit von einer Messwertbestimmung des Aufheizgradienten erfolgt.
Luftzuführvorrichtung für einen Anoden-Ringofen zur Herstellung von Anoden, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einer Primärluft-Zuführeinrichtung (21) zur Einleitung von Primärluft in eine Kühlzone (15) einer Ofeneinheit (11) eine Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) zur Einleitung von Sekundärluft in eine Aufheizzone (13) der Ofeneinheit für eine gezielte Beeinflussung des Aufheizgradienten vorgesehen ist, wobei die Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) mit einer Positionierungseinrichtung zur veränderbaren Positionierung der Sekundärluft-Zuführeinrichtung in der Aufheizzone (13) versehen ist.
Luftzuführvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) derart ausgebildet ist, dass eine Beaufschlagung mehrerer Ofenkammern (12) möglich ist.
Luftzuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärluft-Zuführeinrichtung (24) zumindest eine Messeinrichtung (25) zugeordnet ist, die einen Messwert eines Prozessparameters als Eingangsgröße für eine Steuereinrichtung (26) der Sekundärluft- Zuführeinrichtung generiert.
Anoden-Ringofen zur Herstellung von Anoden, umfassend zumindest eine Ofeneinheit („Feuer“) (11) mit einer Aufheizzone (13), einer Feuerzone (14) und einer Kühlzone (15), mit jeweils einer Mehrzahl von mit Heizkanälen (17) untereinander verbundenen Ofenkammern (12), die als Wärmetauscher ausgebildet sind und zur Aufnahme von Anoden dienen und mit einer erfindungsgemäßen Luftzuführvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10.