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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur von Heizzügen der Koksöfen einer Koksofenbatterie sowie eine entsprechende Vorrichtung.
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Koksofenbatterien bestehen in Längsrichtung aus einer Vielzahl (z.B. bis zu 90) nebeneinander angeordneter Koksöfen. Jeder Koksofen weist eine Ofenkammer auf, wobei jede Ofenkammer beidseitig von jeweils einer Heizkammer eingerahmt wird. Die Heizkammern setzen sich in Querrichtung gesehen wiederum aus einer Vielzahl (z.B. bis zu 42) einzelnen, aneinander gereihten Hohlkanälen zusammensetzen. In diesen als Heizzüge bezeichneten Hohlkanälen der Heizkammern wird Wärme durch Verbrennung von Heizgasen zur Beheizung der benachbarten, mit Kohle gefüllten Ofenkammern erzeugt. In Summe wird die Beheizung einer Koksofenbatterie also aus individuellen Verbrennungsprozessen in bis zu ca. 3800 Heizzügen pro Koksofenbatterie gewährleistet.
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Die abwechselnde Anordnung von Ofenkammer und Heizkammer innerhalb einer Koksofenbatterie erzeugt große Bauwerkdimensionen mit Längen von bis zu 140 m und Tiefen von bis zu 25 m. In der Höhe sind Koksofenbatterien mit eine Tiefe der Ofenkammern und der Heizkammern von bis zu 20 m bekannt.
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In der Inbetriebnahmephase dieser Bauwerke ist es die Aufgabe des Fachpersonals, die Beheizung der Heizzüge einer Batterie individuell so einzustellen, dass sich die Kohleschüttungen in den dazwischenliegenden Ofenkammern gleichmäßig erwärmen und so durchgängig ein qualitativ hochwertiges Koksendprodukt erzeugt wird.
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Der fertige Koks wird nach dem Garprozess mittels einer Drückmaschine aus dem Ofenkammer gedrückt und zur Weiterverarbeitung transportiert. Die Seite der Koksofenbatterie, auf der sich die Drückmaschinen befinden, wird als „Maschinenseite“ bezeichnet. Die Seite der Koksofenbatterie, auf der der fertige Koks aus der Ofenkammer austritt, wird als „Koksseite“ bezeichnet.
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Um den Koks problemlos aus der Ofenkammer herausdrücken zu können, weist die Ofenkammer ausgehend von ihrem maschinenseitigen Ende hin zu ihrem koksseitigen Ende einen sich konisch erweiternden Querschnitt auf. Diese konische Erweiterung der Ofenkammer führt dazu, dass sich ausgehend von der Maschinenseite in Richtung Koksseite in der Ofenkammer eine zunehmende Menge an Kokskohle befindet, weshalb die Heizzüge einer Heizkammer in Batteriequerrichtung gesehen nicht mit derselben Temperatur beheizt werden können, wenn ein über die gesamte Ofenkammer gleichmäßig gegartes Koksprodukt erzeugt werden soll. Vielmehr erfordert jeder Heizzug in Batteriequerrichtung eine individuelle Beheizungseinstellung.
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Gleichzeitig muss die Beheizung der Heizkammern so eingestellt werden, dass die bestehenden strengen emissionstechnischen Anforderungen erfüllt werden. Um dies zu erreichen müssen z.B. Temperaturspitzen vermieden werden, um die thermische Stickoxidbildung zu minimieren.
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Eine nicht optimal eingestellte bzw. nicht optimal geregelte Beheizung der Ofenkammern in Ofenquer- und/oder -längsrichtung führt zu einer unerwünschten heterogenen Verteilung der Koksqualität über der Grundfläche der Koksofenbatterie. Gleichzeitig ist eine uneinheitliche, nicht an die konische Erweiterung der Ofenkammern angepasste und damit fehlerhafte thermische Beheizungseinstellung der Koksofenbatterie mit einer hohen Emissionsbelastung verbunden. Hier ist vor allem die temperaturabhängige Stickoxidemission von großer Bedeutung, für die strenge Grenzwerte vorgegeben sind.
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Aus den genannten Gründen ist es für die Erzeugung einer gleichmäßigen, hohen Koksqualität und die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bei dem Betrieb von Koksofenbatterien erforderlich, die Beheizung der Ofenkammern optimal zu steuern bzw. zu regeln. Um dies erreichen zu können, muss der Betreiber der Koksofenbatterie die tatsächlich in den Heizkammern und den Heizzügen einer Heizkammer vorhandene Temperatur möglichst genau bestimmen.
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Aus der Praxis ist es bekannt, die Temperatur der Heizkammern manuell mit Hilfe optischer Pyrometer zu messen. Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass eine manuell durchgeführte Messung qualitative Einschränkungen durch Messungenauigkeiten mit sich bringt, da es bei dieser Messmethode keinen eindeutigen Fixpunkt als Messfleck gibt. Erhebliche Messungenauigkeiten resultieren auch daraus, dass die Erfassung des theoretischen Mess-Referenzpunkts aufgrund der Geometrie des Heizzugs und des Schaulochs in einer Höhe von bis zu 10m und mehr über der Messstelle schwierig und sehr schlecht reproduzierbar ist.
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Dadurch ergeben sich bereits Unterschiede in der Messwertaufnahme zwischen zwei ausführenden Personen und auch zwischen zwei zeitlich voneinander beabstandeten Messungen derselben Person. Auch der zeitliche Verzug der Messwertaufnahme sorgt für eine Ungenauigkeit und schränkt die Vergleichbarkeit der Messwerte von einer Messstelle zur anderen stark ein. Selbstverständlich ist die manuelle Messung der Temperatur durch das Schauloch in der Ofendecke auch unter dem Gesichtspunkt der Arbeitssicherheit mit vielen Nachteilen behaftet.
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Aufgrund der großen Anzahl der Heizkammern und insbesondere der Heizzüge ist es einem Betreiber einer Koksofenbatterie weder zeitlich noch unter Kostengesichtspunkten möglich, alle Heizzüge der gesamten Koksofenbatterie für den Betrieb und die Einstellung der Beheizung der Ofenkammern dauerhaft mit der manuellen Messmethode zu vermessen. Gängige Praxis ist es daher, so genannte Längsmessungen zur Ermittlung einer mittleren Batterietemperatur mit der voranstehend beschriebenen manuellen Messmethode durchzuführen. Diese Messungen werden ca. 3-6 Mal pro Tag durchgeführt. Dafür werden nur definierte Messheizheizzüge (Kontrollheizzüge) in Längsrichtung der Koksofenbatterie vermessen.
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In der Druckschrift
DE 32 05 924 C2 wird die voranstehend beschriebene manuelle Messmethode mit optischen Pyrometern ebenfalls als Stand der Technik beschrieben. Darüber hinaus beschreibt die
DE 32 05 924 C2 auch nicht-manuelle Messmethoden als bekannten Stand der Technik. So wird angegeben, dass zur Messung der Temperatur in der Heizkammer anstelle eines optischen Pyrometers auch ein Thermoelement verwendet werden könne. Das Thermoelement könne in einem oberen Bereich der Heizkammer angeordnet sein, oder im oberen Bereich einer Trennwand zwischen benachbarten Heizkammern, oder in einer feuerfesten Auskleidung im oberen Bereich der Heizzüge. Jedoch wird allen diesen Möglichkeiten in der
DE 32 05 924 C2 eine nicht ausreichende Messgenauigkeit zugeschrieben.
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Die in der
DE 32 05 924 C2 offenbarte Erfindung sieht eine Temperaturmessvorrichtung für Verkokungsöfen vor, die jeweils mit mehreren Heizkammern in einer Reihe zu einer Koksofenbatterie zusammengefasst sind, wobei jede Heizkammer eine Mehrzahl von Schaulöchern an der Oberseite aufweist, wobei die Temperaturmessvorrichtung einen auf Schienen laufenden Messwagen mit einem Temperaturfühler für von den Heizkammern durch die Schaulöcher abgestrahlte Wärmestrahlung aufweist. Diese Temperaturmessvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebsvorrichtung zur kontinuierlichen Bewegung des Messwagens auf den Schienen in Batterielängsrichtung, ein drahtloser Sender zur Aussendung von Messwerten des Temperaturfühlers und eine Empfangsvorrichtung in einem Steuerraum zur Umwandlung des Empfangssignals in ein die gemessene Temperatur darstellendes Signal vorgesehen sind. Die Temperaturmessung soll dabei nur für bestimmte zu messende Heizkammern erfolgen. Der Temperaturfühler kann gemäß der konkreten Offenbarung der
DE 32 05924 C2 als optisches Pyrometer, als thermisches Strahlungspyrometer oder als Infrarotpyrometer ausgebildet sein.
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Nachteilig bei dieser Messvorrichtung ist, dass die Temperaturmessungen für jede Heizkammer sukzessive nacheinander erfolgen, wobei jeder Messvorgang inklusive Öffnen und Schließen des Schaulochs einige Zeit in Anspruch nimmt und auch das Verfahren des Messwagens von Schauloch zu Schauloch einige Zeit in Anspruch nimmt. Dadurch erstrecken sich die Messungen über einen längeren Zeitraum. Die Temperaturmesswerte werden zu unterschiedlichen Zeiten mit erheblichem zeitlichen Abstand zueinander erhoben. Die Gesamtheit aller Messwerte liegt erst nach einer längeren Zeit vor.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur von Heizzügen der Koksöfen einer Koksofenbatterie zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. mit der die Temperatur der Heizkammern sehr genau und sehr schnell gemessen werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den auf den unabhängigen Verfahrensanspruch rückbezogenen Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den auf den unabhängigen Vorrichtungsanspruch rückbezogenen Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Temperatur von Heizzügen der Koksöfen einer Koksofenbatterie sieht vor, dass die Temperaturmessungen an ausgewählten, über die Koksofenbatterie verteilt angeordneten Kontrollheizzügen mit Hilfe von Infrarotpyrometern die Infrarotstrahlung eines Düsensteins jedes Kontrollheizzugs gemessen und aus den Strahlungsmesswerten die Temperatur des Düsensteins des jeweiligen Kontrollheizzugs bestimmt wird.
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Erfindungsgemäß sind die Infrarotpyrometer als Mehrwellenlängenpyrometer, auch abgekürzt als MWL bezeichnet, ausgebildet, wobei an jedem Kontrollheizzug eine Messeinrichtung fest installiert ist, welche ein Quotientenpyrometer, eine Auswerteeinheit zur Erzeugung von Temperaturdaten aus den gemessenen Strahlungsmesswerten und zumindest eine Übertragungseinheit zur Weiterleitung der Temperaturdaten umfasst, wobei die Bestimmung der Temperaturdaten auf Basis von kontinuierlich gemessenen Strahlungsmesswerten in jeder Messeinrichtung kontinuierlich erfolgt, wobei die Temperaturdaten von allen Messeinrichtungen simultan ermittelt werden, wobei die Temperaturdaten jeder Messeinrichtung von der jeweiligen Übertragungseinheit an mindestens einen Übergabepunkt gesendet werden, und wobei die Temperaturdaten von dem Übergabepunkt an eine Weiterverarbeitungsvorrichtung übermittelt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur von Heizzügen der Koksöfen einer Koksofenbatterie mit Hilfe von Infrarotpyrometern, wobei die Koksofenbatterie definierte Kontrollheizzüge aufweist, bei denen die Infrarotstrahlung eines Düsensteins des Kontrollheizzugs gemessen und aus den Strahlungsmesswerten die Temperatur des Düsensteins des jeweiligen Kontrollheizzugs bestimmt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Infrarotpyrometer als Mehrwellenlängenpyrometer, auch abgekürzt als MWL bezeichnet, ausgebildet, wobei an jedem Kontrollheizzug eine Messeinrichtung fest installiert ist, welche ein Mehrwellenlängenpyrometer, eine Auswerteeinheit zur Erzeugung von Temperaturdaten aus den gemessenen Strahlungsmesswerten und zumindest eine Übertragungseinheit zur Weiterleitung der Temperaturdaten umfasst, wobei die Auswerteeinheit für eine kontinuierliche Bestimmung der Temperaturdaten auf Basis der kontinuierlich gemessenen Strahlungsmesswerte in jeder Messeinrichtung konfiguriert ist, wobei die Temperaturdaten von allen Messeinrichtungen simultan ermittelt werden, wobei mindestens ein Übergabepunkt vorgesehen ist, der die von den Übertragungseinheiten der Messeinrichtungen simultan übermittelten Temperaturdaten entgegennimmt, und wobei eine Weiterverarbeitungsvorrichtung vorgesehen ist, an welche die Temperaturdaten von dem Übergabepunkt übermittelbar sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen somit spezielle Mehrwellenlängenpyrometer zum Einsatz. Der wesentliche Unterschied zwischen Mehrwellenlängenpyrometern und herkömmlichen Infrarotpyrometern, die aus dem Stand der Technik (vgl.
DE 32 05 924 C2 ) für den hier in Rede stehenden Einsatzzweck bekannt sind, besteht darin, dass die bekannten Infrarotpyrometer als so genannte Teilstrahlungspyrometer ausgebildet sind, deren spektrale Empfindlichkeit durch entsprechende Filter auf einen bestimmten Wellenlängenbereich beschränkt ist, während Mehrwellenlängenpyrometer mehrere Messkanäle zur Messung der Strahlungsintensität von nah beieinander liegenden Wellenlängenbereichen aufweisen. Durch Quotientenbildung der Intensitäten werden dabei erfindungsgemäß Einflussfaktoren auf die Signaldämpfung wie Rauch, Staub oder verschmutzte Messoptiken, wie sie in dem rauen und schmutzigen Umfeld bei Temperaturmessungen an Heizkammern von Koksöfen vorliegen, in einem signifikanten Umfang eliminiert. Dadurch wird die Messgenauigkeit sehr deutlich erhöht und die tatsächliche Temperatur der Heizkammer kann wesentlich genauer bestimmt werden.
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Gleichzeitig wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht, dass die Gesamtheit aller Temperaturmesswerte, die an verschiedenen, über die Koksofenbatterie verteilt angeordneten Kontrollheizzügen bestimmt werden, zeitgleich, d.h. in einem einzigen Zeitpunkt vorliegen und ausgewertet werden können. Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der Temperaturdaten in jeder Messeinrichtung kontinuierlich, indem jede Messeinrichtung kontinuierlich die Strahlungsmesswerte mit einem Quotientenpyrometer misst und diese Strahlungsmesswerte dann mittels der Auswerteeinheit in Temperaturdaten umwandelt. Somit erfolgt die Ermittlung der Temperaturdaten in allen Messeinrichtungen simultan, also zeitgleich. Mit der Übertragungseinheit einer jeweiligen Messeinrichtung werden die Temperaturdaten dann ebenfalls gleichzeitig von allen Messeinrichtungen an einen Übergabepunkt gesendet und von diesem an eine Weiterverarbeitungsvorrichtung übermittelt. Auf diese Weise werden die Temperaturdaten verschiedener, über die Koksofenbatterie verteilt angeordneter Kontrollheizzüge gleichzeitig ermittelt, und sie liegen alle gleichzeitig zur Weiterverarbeitung in der Weiterverarbeitungsvorrichtung vor. Es vergeht daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kein längerer Zeitraum mehr, bis alle erforderlichen Temperaturdaten vorliegen, damit sie gemeinsam verarbeitet werden können.
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Erfindungsgemäß können die einzelnen Messsysteme jeweils eine Schnellspannvorrichtung aufweisen. Mithilfe der Schnellspannvorrichtung kann das Messsystem an der Messstelle montiert werden, ohne am Einbauort Veränderungen an dem Messsystem vornehmen zu müssen.
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Zur Ausrichtung des Messsystems kann erfindungsgemäß eine optische Visiereinrichtung zur Verfügung gestellt werden, die durch ein Fadenkreuz den Messfleck genauestens kennzeichnet, um eine absolute Positionierung vorzunehmen.
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Ferner kommt die erfindungsgemäße Messeinrichtung ohne Hilfs-/Betriebsmittel aus und garantiert eine sehr lange Standzeit. Dafür sind spezifische Vorbereitungen hinsichtlich der Abschlusseinheit des Messkanals vorgesehen. Je nach Applikation und Örtlichkeit kann in dieser Abschlusseinheit ein auswechselbares Saphirglas eingebracht werden, um störende Einflüsse von der Messeinrichtung fern zu halten.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Saphirglas zur Vermeidung einer Kondensatbildung beheizt wird.
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Die einzelnen Messeinrichtungen fungieren bei der Datenübertragung als Verstärker und bilden bei der drahtlosen Übertragung ein so genanntes Mesh-Netzwerk.
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Jede Messeinrichtung bietet eine Schnittstelle für ein mobiles Auswertegerät, um über die aktuellen Messwerte und den Systemzustand zu informieren. Dafür werden Übertragungstechnologien für den Nahfeldbereich, wie Bluetooth oder NFC (Near Field Communication) eingesetzt. Die Konfiguration aller Messeinrichtungen kann zentral über einen Zugangspunkt oder an jedem Einzelgerät mit standardisierten Endgeräten vorgenommen werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Messung der Strahlungsmesswerte mit dem Mehrwellenlängenpyrometer in einem Kontrollheizzug einer Heizkammer dann, wenn der Brenner dieses Kontrollheizzuges abgeschaltet ist.
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Üblicherweise ist jeweils eine Hälfte der Brenner in den Heizkammern, die neben und in Längsrichtung einer Ofenkammer angeordnet sind, in Betrieb. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer werden diese Brenner abschaltet, während gleichzeitig die andere Hälfte der Brenner in Gang gesetzt wird. Beide Hälften der Brenner werden abwechselnd in Gang gesetzt und abgeschaltet. Wenn während der Verbrennung die Verschlussklappe eines Schauloches geöffnet wird, würde die Temperatur der Flamme innerhalb der Heizkammer anstelle der Temperatur des Düsensteins am Boden der Heizkammer gemessen werden. Die Temperatur innerhalb einer Heizkammer steigt von der Maschinenseite gegen die Koksseite an. Der Mittelteil innerhalb der Länge der Ofenkammer befindet sich auf einer mittleren Temperatur. Wenn die Temperatur des Ofens durch ein Schauloch nahe dem Zentrum der Koksofenbatterie in einem ruhenden oder nichtbrennenden Kontrollheizzug gemessen wird, wird das Ergebnis der Messung nicht durch Verbrennungseinflüsse verfälscht bzw. beeinflusst. Dieses ist vorteilhaft, da auf diese Weise die mittlere Temperatur innerhalb der Heizkammer gemessen werden kann. Erfindungsgemäß ist es daher vorteilhaft, die Temperatur durch Schaulöcher von abgeschalteten, nicht brennenden Kontrollheizzügen zu messen.
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Im Rahmen der Erfindung wurde überraschend gefunden, dass - zusätzlich zu der Genauigkeitsverbesserung der Temperaturdaten durch die Verwendung von Mehrwellenlängenpyrometern - auch die Maßnahme der simultanen Ermittlung der Temperaturdaten in den Messeinrichtungen und die gleichzeitige Übermittlung der Temperaturdaten aller Messeinrichtungen an eine Weiterverarbeitungsvorrichtung zu einer weiteren signifikanten Erhöhung der Genauigkeit der ermittelten Heizkammertemperatur führt. Denn es hat sich herausgestellt, dass die Temperatur eines Heizzuges in der Phase, in welcher der Brenner dieses Heizzuges abgeschaltet ist, über die Zeit gesehen deutlich abfällt. Der Heizzug kühlt also bei abgeschaltetem Brenner in gewissem Umfang ab. Werden die Temperaturdaten an verschiedenen Kontrollheizzügen nacheinander und mit zeitlichem Abstand zueinander ermittelt (wie dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren/Vorrichtungen der Fall ist), so fließt der Temperaturabfall in dem Kontrollheizzug in die ermittelten Temperaturdaten ein und des wird aus den Temperaturdaten eine mittlere Heizkammertemperatur ermittelt, die geringer ist als die tatsächliche mittlere Heizkammertemperatur. Werden dagegen gemäß der vorliegenden Erfindung die Temperaturdaten an allen Messeinrichtungen gleichzeitig, zu einem gegebenen Zeitpunkt, ermittelt und gleichzeitig an die Weiterverarbeitungsvorrichtung übermittelt, dann fließt der Effekt einer Abkühlung der Temperatur des Kontrollheizzuges in einer Phase mit abgeschaltetem Brenner nicht in die Temperaturdaten ein. Die ermittelte mittlere Heizkammertemperatur ist höher und liegt näher an der tatsächlichen Heizkammertemperatur, als im Falle der Ermittlung der Temperaturdaten mit aufeinanderfolgenden, zeitversetzten Messungen.
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Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Übergabepunkt als stationäres Speichermedium oder als Online-Datenablage (auch als Cloud bezeichnet) ausgebildet ist und die Weiterverarbeitungsvorrichtung ein Automatisierungssystem zur Steuerung oder Regelung der Beheizung der Koksöfen umfasst, wobei die Temperaturdaten auf dem Speichermedium oder in der Online-Datenablage gespeichert und zur Weitergabe an das Automatisierungssystem bereitgehalten werden (bzw. - im Fall der erfindungsgemäßen Vorrichtung - wobei das Speichermedium oder die Online-Datenablage und das Automatisierungssystem dazu eingerichtet sind, dass die Temperaturdaten auf dem Speichermedium oder der Online-Datenablage bereitgehalten und an das Automatisierungssystem übertragen werden können.
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Auf diese Weise können die Temperaturdaten direkt über das Automatisierungssystem zur Steuerung oder Regelung der Beheizung der Koksöfen verwendet werden.
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Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Automatisierungssystem ein Prozessleitsystem zur Steuerung und Regelung der gesamten Koksofenbatterie umfasst. Dadurch können die Temperaturdaten über standardisierte Schnittstellen direkt in dem Prozessleitsystem verarbeitet werden, mit dem nicht nur die Beheizung einzelner Koksöfen gesteuert oder geregelt wird, sondern mit dem der Betrieb der gesamten Koksofenbatterie gesteuert oder geregelt wird.
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Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Weiterverarbeitungsvorrichtung ein Computersystem zum Betreiben eines Rechenmodells umfasst, mit dem eine einzubringende Wärmemenge und daraus abgeleitet Soll-Temperaturwerte für einen optimierten Betrieb der Heizzüge der Koksofenbatterie berechnet werden, wobei die von den Messeinrichtungen an den Kontrollheizzügen ermittelten Ist-Temperaturen mit den über das Rechenmodell für diese Kontrollheizzüge berechneten Soll-Temperaturwerten verglichen werden, und wobei von der Weiterverarbeitungsvorrichtung Warnmeldungen erzeugt werden, wenn der Ist/Soll-Vergleich eine über ein festgelegtes Maß hinausgehende Abweichung ergibt.
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Analog ist nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgehen, dass die Weiterverarbeitungsvorrichtung ein Computersystem zum Betreiben eines Rechenmodells umfasst, mit dem eine einzubringende Wärmemenge und daraus abgeleitet Soll-Temperaturwerte für einen optimierten Betrieb der Heizzüge der Koksofenbatterie berechenbar sind, wobei die Weiterverarbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet ist die von den Messeinrichtungen an den Kontrollheizzügen ermittelten Ist-Temperaturen mit den über das Rechenmodell für diese Kontrollheizzüge berechneten Soll-Temperaturwerten zu vergleichen, und wobei die Weiterverarbeitungsvorrichtung dazu eingerichtet ist Warnmeldungen oder Nachregelungen zu erzeugen, wenn der Ist/Soll-Vergleich eine über ein festgelegtes Maß hinausgehende Abweichung ergibt.
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Dabei wird kontinuierlich der Gesamtwärmebedarf der Koksofenbatterie über Berechnungsmodelle ermittelt und die Ergebnisse dem übergeordneten Prozessleitsystem in Form von Sollwerten für einen ausgewählten Regler zur Verfügung gestellt. Zu beeinflussende Regler-Sollwerte können die Menge des zuzuführenden Beheizungsmediums (Druck) sein, die Qualität des zugrundeliegenden Beheizungsmediums (Heizwertanpassung), die Brenndauer oder weitere Regler zur Beeinflussung des Temperaturverhaltens der Koksofenbatterie. Das Berechnungsmodell überwacht das Prozessverhalten über den Vergleich der Soll-/Ist-Temperaturen der Kontrollheizzüge kontinuierlich.
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Eine solche Vorgehensweise wird auch als „Level 2 Automation“ und die zugrundeliegenden Modelle als „Digitaler Zwilling“ bezeichnet. bezeichnet. Der Vorteil dieser Vorgehensweise gegenüber einer Direktverarbeitung der Temperaturdaten in einem Automatisierungssystem oder einem Prozessleitsystem besteht darin, das eine komplexe mathematische Berechnung (unter Berücksichtigung von Stoffdaten und Thermodynamik) außerhalb des Prozessleitsystems zuverlässiger und besser zu implementieren ist.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung stehen der Modelltechnik alle notwendigen Parameter und Messdaten für eine autarke und mannlose Beheizung der Kokereianlage zur Verfügung. Eine zusätzliche Temperaturmessung des Endprodukts unterstützt den Betreiber bei der Qualitätsbeurteilung und schließt die Lücke der fehlenden Informationen zur vertikalen Temperaturverteilung im Ofen und im Heizzug. Ferner stellt der Einsatz einer Kammerwandtemperaturmessung zur Bewertung der vertikalen Temperaturverteilung und der Ofenzustände eine weitere nützliche Datenquelle dar.
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Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass als Reaktion auf eine Warnmeldung derjenige Heizzug, auf den sich die Warnmeldung bezieht, einer Wartungs- oder Instandhaltungsmaßnahme unterzogen wird. So können aus den Temperaturdaten wartungs- oder reparaturbedürftige Heizzüge identifiziert und im Rahmen einer geplanten Wartungs- oder Instandhaltungsmaßnahme repariert werden. Auf diese Weise können kostenintensive Ausfälle von Heizkammern bzw. Koksöfen einer Koksofenbatterie, die z.B. einen Produktionsstopp erforderlich machen, vermieden werden und das Ausbringen der Gesamtanlage kann erhöht bzw. optimiert werden.
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Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Übertragungseinheiten in den Messeinrichtungen und der mindestens eine Übergabepunkt zur kabellosen Übertragung der Temperaturdaten eingerichtet sind. Die kabellose Übertragung der Temperaturdaten hat den Vorteil, dass eine flexiblere Nutzung der Messeinrichtung erreicht werden kann, da diese sehr einfach demontierbar und versetzbar ist.
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Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtungen energieautark betreibbar sind, indem die Vorrichtung mindestens eine Energieumwandlungseinheit aufweist, mit der die in der Koksofenbatterie anfallenden Energieformen Wärmeenergie, Licht und Strömungsenergie in elektrische Energie für den Betrieb der Messeinrichtungen umgewandelt werden kann. Auf diese Weise kann auf eine separate Energieversorgungseinheit verzichtet werden, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung externe Energie zuführt.
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Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtungen die für ihren Betrieb erforderliche Energie in Form von elektrischer Energie über ein Stromkabel erhalten. Das Verlegen von Kabeln auf der Ofendecke einer Koksofenbatterie ist ohne Probleme möglich. Daher kann hierdurch in einfacher und kostengünstiger Weise die Energieversorgung für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung sichergestellt werden.
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Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtungen temporär (mehrtägig) mit Batteriespannung betreibbar sind, indem die Vorrichtung über einen Energiespeicher verfügt. Auf diese Weise kann auf eine separate Energieversorgungseinheit verzichtet werden, die der erfindungsgemäßen Vorrichtung externe Energie zuführt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch
- 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Koksofenbatterie
- 2 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung
- 3 eine vergleichende Messwertaufschreibung, in der die mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren ermittelten Messwerte mit den nach dem erfindungsgemäßen Messverfahren ermittelten Messwerten verglichen werden.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer Koksofenbatterie 20. Die in einem Teilausschnitt dargestellte Koksofenbatterie 20 umfasst Koksofenkammern 30 und Heizkammern 40. Die Koksofenkammern 30 und die Heizkammern 40 sind in Längsrichtung L der Koksofenbatterie 20 abwechselnd nebeneinander angeordnet. Eine Heizkammer 40 weist eine Vielzahl einzelner Heizzüge 10 auf, die in Querrichtung Q der Koksofenbatterie 20 nebeneinander angeordnet sind. Die drei Punkte in den Heizkammern 40 deuten an, dass jede Heizkammer 40 eine größere Anzahl weiterer (in 1 nicht dargestellter) Heizzüge 10 aufweisen kann. So kann beispielweise in einer Heizkammer 40 in Querrichtung Q eine Anzahl von bis zu 42 Heizzügen vorgesehen sein. In Längsrichtung L kann eine Koksofenbatterie z.B. 90 Koksofenkammern aufweisen.
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Jeder Heizzug 10 weist einen am Boden der Heizkammer 40 angeordneten Düsenstein 12 auf. Über die Düsensteine 12 wird im Heizbetrieb brennbares Gas in die Heizzüge 11 geleitet. Das Gas entzündet sich und auf diese Weise werden die Heizzüge 10 und die gesamte Heizkammer 40 beheizt. Die durch die Beheizung entstehende Wärmemenge erhitzt die in den Koksofenkammern 30 enthaltene Kokskohle, so dass die flüchtigen Bestandteile der Kokskohle entfernt werden und am Ende der Garzeit ein fertig gegarter Koks in der Koksofenkammer 20 verbleibt.
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Am Ende der Garzeit wird der Koks von der Maschinenseite 21 her mittels einer (nicht dargestellten) Drückmaschine aus der Koksofenkammer 30 heraus in Richtung Koksseite 22 gedrückt. Um das Drücken des Kokses zu erleichtern sind die Koksofenkammern 30 so ausgebildet, dass sich ihr Querschnitt von der Maschinenseite 21 in Richtung Koksseite 22 konisch erweitert. Diese konische Erweiterung ist in der schematischen Darstellung gemäß 1 nicht zu erkennen.
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Durch die konische Erweiterung des Querschnitts der Koksofenkammern 30 nimmt die in den Kokskammern 30 enthaltene Menge an zu erhitzender Kokskohle in Richtung Koksseite 22 zu. Daher ist es erforderlich, die Beheizung der Heizzüge 10 an die Menge der Kokskohle anzupassen. Die in die Kokskohle einzubringende Wärmemenge muss in Richtung Koksseite 22 ansteigen, wenn über die gesamte Erstreckung der Koksofenbatterie in Querrichtung Q eine gleichbleibend hochwertige Koksqualität erzielt werden soll. Daher muss die Beheizung der einzelnen Heizzüge 10 gesteuert oder geregelt werden.
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Die in 1 mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneten Heizzüge 10 stellen beispielhaft ausgewählte Kontrollheizzüge 11 dar. An diesen Kontrollheizzügen 11 werden die erfindungsgemäßen Messeinrichtungen 1 installiert. Die Temperaturbestimmung wird aus Kosten- und Wirtschaftlichkeitsgründen auf diese Kontrollheizzüge 11 konzentriert.
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Im Rahmen der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Messeinrichtungen 1 an allen ausgewählten Kontrollheizzügen 11 installiert und die Bestimmung der Temperatur der Düsensteine der jeweiligen Kontrollheizzüge 11 erfolgt gleichzeitig. Die von der Auswerteeinheit 2 (vgl. 2) aus den Strahlungsmesswerten ermittelten Temperaturdaten werden von der Übertragungseinheit 3 (vgl. 2) kabellos oder kabelgebunden über ein Datenübertragungskabel an einen zentralen Übergabepunkt 50 oder mehrere Übergabepunkte 50 übermittelt. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein einzelner Übergabepunkt 50 vorgesehen. Dieser Übergabepunkt 50 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als stationäres Speichermedium ausgebildet.
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Der Übergabepunkt 50 dient dazu, die von den Übertragungseinheiten 3 der Messeinrichtungen 1 übermittelten Temperaturdaten entgegenzunehmen, abzuspeichern und zur Weitergabe an eine Weiterverarbeitungsvorrichtung 60 bereitzuhalten.
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Um die Temperaturdaten von dem Übergabepunkt an die Weiterverarbeitungsvorrichtung 60 zu übertragen können vorteilhaft standardisierte Schnittstellen zu Datenübertragung genutzt werden.
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Alternativ zu einem zentralen, stationären Speichermedium kann der Übergabepunkt 50 auch als Online-Datenablage (Cloud) ausgebildet sein.
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Die nachfolgend zu 2 noch näher erläuterten erfindungsgemäßen Messeinrichtungen 1 werden auf der Ofendecke der Koksofenbatterie 20 an den so genannten Schaulöchern, die in der Ofendecke 15 angeordnet sind, installiert. Die Messeinrichtungen 1 sind dann z.B. 10 oder 12 Meter über dem am Boden des Heizzuges 11 angeordneten Düsenstein 12 angeordnet.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Messeinrichtung 1. Die Messeinrichtung 1 weist ein in einem Gehäuse 13 angeordnetes Mehrwellenlängenpyrometer MWL auf. Die Messeinrichtung 1 ist über einen Anschlussflansch 9 in ein Schauloch eingesetzt, welches in der Ofendecke 15 der Koksofenbatterie 20 angeordnet ist. Mit Hilfe einer Schnellspannvorrichtung 14 kann die Messeinrichtung 1 schnell und standfest in dem Schauloch der Ofendecke 15 installiert werden. In vertikaler Richtung senkrecht zur Ofendecke 15 erstreckt sich die Messvorrichtung 1 nur so weit, dass der (in 2 nicht dargestellte) Füllwagen, der in horizontaler Richtung parallel zur Ofendecke 15 verfahren wird und über den die Koksofenkammern 30 mit Kokskohle befüllt werden, ungestört über den Messeinrichtungen verfahren werden kann. Die Messeinrichtungen 1 stellen somit keine Hindernisse für den Füllwagen dar.
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Über die Visiereinheit 4 wird der Messfleck des Mehrwellenlängenpyrometers exakt auf die Messstelle auf dem Düsenstein 12 (vgl. 1) ausgerichtet. Die von dem Düsenstein 12 ausgesendete Infrarotstrahlung wird über einen optischen Messkanal 5 in das Mehrwellenlängenspektrometer MWL geleitet und dort erfasst. Eine Auswerteeinheit 2 der Messeinrichtung 1 wandelt die Strahlungsmesswerte in Temperaturdaten um. Die Temperaturdaten werden von der Übertragungseinheit 3 an den Übergabepunkt 50 (vgl. 1) übermittelt.
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Die Justageeinheit 6 dient dazu, das Messsystem exakt und permanent mechanisch auf den gewünschten Messfleck mit Hilfe der Visiereinheit 4 auszurichten.
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Der optische Messkanal 5 umfasst die Abschlusseinheit 7, die dazu dient, das Messsystem gegenüber dem zu messenden Heizzug abzuschirmen. Diese Abschlusseinheit kann durch einen zu erzeugenden Gegendruck, eine austauschbare, ggf. beheizbare, Saphirglasscheibe oder durch andere Maßnahmen umgesetzt werden.
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Die Messeinrichtung 1 umfasst auch eine Energieumwandlungseinheit 8, die dazu ausgebildet ist, die in der Koksofenbatterie 20 anfallenden Energieformen Wärmeenergie, Licht und Strömungsenergie in elektrische Energie für den Betrieb der Messeinrichtung 1 umzuwandeln. Ziel ist es dabei, dass die Messeinrichtungen 1 energieautark betrieben werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Energieumwandlungseinheit 8 vorgesehen, mit der Wärmeenergie in elektrische Energie für den Betrieb der Messeinrichtung 1 umgewandelt werden kann. Die naheliegende Energiequelle = Wärmeenergie, kann z.B. mit Hilfe eines Thermogenerators, der mit Peltier-Elementen bestückt ist, realisiert werden. Je nach Einsatzzweck und Einsatzort wären auch weitere Sekundärenergiequellen wie Strömungsenergie (Wind) oder Strahlungsenergie der Sonne (Photovoltaik) denkbar.
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In 3 ist der Temperaturverlauf eines Kontrollheizzuges 11 über die Zeit dargestellt. Das erfindungsgemäß verwendete Mehrwellenlängenpyrometer MWL kann sowohl mit mehreren Wellenlängen als auch mit nur einer Wellenlänge betrieben werden. Daher konnten mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung vergleichende Messungen an denselben Kontrollheizzügen 11 durchgeführt werden.
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Die in
3 untere, gestrichelte Kurve gibt den Temperaturverlauf wieder, den man mit einem Teilstrahlungspyrometer misst, d.h. also mit einem aus dem Stand der Technik (z.B.
DE 32 05 924 C2 ) für die hier vorliegende Anwendung bekannten Pyrometer, welches mit nur einer einzigen Wellenlänge arbeitet. Die in
3 obere, gepunktete Kurve gibt den Temperaturverlauf wieder, den man erfindungsgemäß mit einem Mehrwellenlängen-Pyrometer MWL misst.
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Die von links nach rechts gesehen ansteigenden Kurvenabschnitte kennzeichnen den Temperaturverlauf während einer Beheizung des Kontrollheizzuges 11, also während Brenngas durch den Düsenstein 12 in den Kontrollheizzug 11 eingeleitet wird. Die von links nach rechts gesehen abfallenden Kurvenabschnitte kennzeichnen den Temperaturverlauf während einer Abschaltphase des Kontrollheizzuges 11, also während kein Brenngas durch den Düsenstein 12 in den Kontrollheizzug 11 eingeleitet wird.
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In 3 wird sehr deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Mehrwellenlängenpyrometers an demselben Kontrollheizzug 11 deutlich höhere Temperaturen ermittelt werden als man bei Verwendung eines Einwellenlängenpyrometers erhält. Es wurde überraschend gefunden, dass die Temperaturen, die mit dem MWL ermittelt werden, um etwa 70°C höher liegen als die mit Hilfe eines Einwellenlängenpyrometers ermittelten Temperaturen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Mehrwellenlängenpyrometer im Vergleich zu klassischen Teilstrahlungspyrometern eine höhere Resistenz gegen Messwertverfälschungen aufweisen. Bei Teilstrahlungspyrometern wird eine signifikante Verschlechterung des Messsignals bereits innerhalb kürzester Zeit sichtbar. Dafür sind nicht nur oberflächliche Verschmutzungen verantwortlich, sondern auch Partikel im Brennraum können zu einer Beeinflussung des Messsignals führen und den Messwert verfälschen.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messverfahrens und der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wurde somit überraschend festgestellt, dass die tatsächliche Temperatur des Düsensteins 12 und damit auch die tatsächliche Temperatur des Kontrollheizzuges 11 deutlich höher ist, als der Fachmann dies auf Basis der mit einem Einwellenlängenpyrometer ermittelten Temperaturdaten erwartet hätte. Wird die Beheizung der Heizzüge 10 einer Koksofenbatterie auf Basis der Messungen mit einem Einwellenlängenpyrometer gesteuert oder geregelt, so werden die Heizzüge 10 regelmäßig überheizt werden, weil das Steuer- oder Regelungssystem von einer Temperatur ausgeht, die deutlich niedriger ist als die tatsächlich vorliegende Temperatur. Mit einer derartigen Überheizung der Heizzüge 10 geht nicht nur ein unnötig hoher Brenngasverbrauch und eine unnötig hohe thermische Belastung der Heizkammern einher, sondern es kommt aufgrund zu hoher Betriebstemperaturen auch zu einer unnötig hohen thermischen Stickoxidbildung.
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Werden einer Steuerung oder Regelung der Beheizung der Heizzüge 10 stattdessen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten höheren tatsächlichen Temperaturen zu Grunde gelegt, dann wird in erheblichem Umfang Brenngas eingespart, die thermische Belastung der Heizkammern und der damit einhergehende Reparaturbedarf wird deutlich verringert, und die thermische Stickoxidbildung wird reduziert, so dass die vorgegebenen Grenzwerte einfacher eingehalten werden können.
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Die an der unteren Kurve angetragenen Messunkte M1, M2, M3 und M4 sollen schematisch zeigen, wie z.B. mit der aus der
DE 32 05 924 C2 bekannten Temperaturmessvorrichtung zu zeitlich auseinanderliegenden Zeitpunkten an unterschiedlichen Kontrollheizzügen 11 unterschiedliche Temperaturen ermittelt werden. Diese unterschiedlich hohen Temperaturen werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten an ein Steuer- oder Regelsystem weitergegeben. Aus den unterschiedlich hohen Messwerten wird dann zum Zwecke der Steuerung oder Regelung der Koksofenbatterie 20 eine mittlere Temperatur gebildet. Diese liegt daher wiederum niedriger als ein einziger, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung an verschiedenen Kontrollheizzügen 11 gleichzeitig ermittelter Temperaturwert, der in
3 mit M gekennzeichnet ist. Auch dieser Effekt trägt dazu bei, dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten tatsächlichen Temperaturwerte höher sind als die nach dem Stand der Technik ermittelten Temperaturwerte.
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Im Rahmen der Erfindung trägt somit sowohl die Verwendung eines Mehrwellenlängenpyrometers MWL als auch die gleichzeitige Ermittlung verschiedener Temperaturmesswerte an unterschiedlichen ausgewählten Kontrollheizzügen 11 und die gleichzeitige Übermittlung der Temperaturmesswerte an einen Übergabepunkt 50 und eine Weiterverarbeitungsvorrichtung 60 dazu bei, dass die Steuerung oder Regelung der Heizzüge 10 der Koksofenbatterie 20 so erfolgen kann, dass der Brenngasverbrauch, der thermische Verschleiß und der Stickoxidausstoß reduziert bzw. minimiert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messeinrichtung
- 2
- Auswerteeinheit
- 3
- Übertragungseinheit
- 4
- Visiereinrichtung
- 5
- optischer Messkanal
- 6
- Justageeinheit
- 7
- Abschlusseinheit
- 8
- Energieumwandlungseinheit
- 9
- Anschlussflansch
- 10
- Heizzug
- 11
- Kontrollheizzug
- 12
- Düsenstein
- 13
- Gehäuse
- 14
- Schnellspannvorrichtung
- 15
- Ofendecke
- 20
- Koksofenbatterie
- 21
- Maschinenseite
- 22
- Koksseite
- 30
- Koksofenkammer
- 40
- Heizkammer
- 50
- Übergabepunkt
- 60
- Weiterverarbeitungsvorrichtung
- MWL
- Mehrwellenlängenpyrometer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3205924 C2 [0013, 0014, 0023, 0064, 0069]
