DE19513547A1 - Verfahren zum Steuern des Wärmebehandlungsprozesses in einer Pelletieranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Wärmebe­ handlungsprozesses in einer Pelletieranlage, in der ein aus Pellets bestehender Materialstrom mit vorgebbarer Schicht­ dicke und Durchlaufgeschwindigkeit eine Einrichtung zur Wärmebehandlung der Pellets mittels erhitzter Gase durch­ läuft, wobei die Gastemperatur und der Gasdurchsatz einstell­ bar sind.

In Pelletieranlagen werden Feinsterze unter Zugabe von Wasser und Zuschlagstoffen zu kugelförmigen Packungen, sogenannten Grünpellets, gerollt, anschließend getrocknet und schließlich bei hohen Temperaturen gebrannt oder geröstet. Beim Wander­ rostverfahren werden die Grünpellets unter Zwischenlage einer Schutzschicht aus gebrannten Pellets auf einem Wanderrost aufgebracht und anschließend durch eine Trocknungs-, Erwär­ mungs-, Brenn- und Kühlzone eines Ofens gefördert. Beim Banddrehrohrofenverfahren erfolgt das Brennen der Pellets in einem Drehrohrofen. Die Wärmebehandlung der Pellets erfolgt bei beiden Verfahren mit einem gasförmigen Wärmeträger (Luft), der durch Verbrennung von Brennstoffen erhitzt und im Sinne einer möglichst optimale Wärmeausnutzung je nach Tempe­ ratur auf die unterschiedlichen Ofenzonen verteilt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optimale Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses in einer Pelletier­ anlage zu ermöglichen, wobei die gewünschte Qualität der ge­ brannten Pellets bei einem minimalen Brennstoffeinsatz und Abgasausstoß erzielt wird.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei den Verfahren der eingangs angegebenen Art in einem mathematischen Modell der Schichterwärmung die Temperaturver­ teilung in der Pelletschicht aufgrund von für die Pelleter­ wärmung relevanten vorgegebenen und gemessenen Prozeßgrößen, wie insbesondere der Gastemperatur vor und nach dem Passieren der Pelletschicht, dem Gasdruck, der Durchlaufgeschwindigkeit der Pellets, der Schichtdicke, der Korngröße der Pellets, der Packungsdichte der Pellets und/oder der Feuchte der Pellets berechnet wird, daß die berechnete Temperaturverteilung mit einer aufgrund von Qualitätsanforderungen an die Pellets nach ihrer Wärmebehandlung ermittelten gewünschten optimalen Tem­ peraturverteilung verglichen wird und daß mittels eines Opti­ mierungsalgorithmus auf der Grundlage des mathematischen Mo­ dells in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der von dem Modell berechneten Temperaturverteilung und der gewünschten optimalen Temperaturverteilung Sollwerte für Regeleinrich­ tungen berechnet werden, mit denen Stellglieder zur Beein­ flussung des Prozesses im Sinn einer Minimierung der Abwei­ chung gesteuert werden.

Maßgeblich für die optimale Wärmebehandlung der Pellets ist die Temperaturverteilung in der Pelletschicht, die in vor­ teilhafter Weise sowohl über die Länge des Materialstroms als auch über die Schichtdicke berechnet wird. Diese Temperatur­ verteilung wird mittels des mathematischen Modells aufgrund von vorgebbaren Prozeßgrößen, wie z. B. der Schichtdicke, und gemessenen Prozeßgrößen, wie z. B. die Temperatur des Gases nach Passieren der Pelletschicht, berechnet, wobei das Modell den Wärmebehandlungsprozeß nachbildet. Wenn die berechnete Temperaturverteilung, also die Temperaturverteilung, die sich aufgrund der aktuellen Einstellung des Prozesses ergeben würde, von der im Hinblick auf die Qualitätsanforderungen an die Pellets gewünschten optimalen Temperaturverteilung ab­ weicht, werden mittels eines Optimierungsalgorithmus unter Heranziehung des mathematischen Modells neue Sollwerte für die den Prozeß regelnden Regeleinrichtungen, also die Einzel­ regler beispielsweise zur Regelung der Brennstoffzufuhr oder des Gasdurchsatzes in den einzelnen Ofenzonen, berechnet. Da­ bei erfolgt die Berechnung der neuen Sollwerte in der Weise, das die Regelung des Prozesses mit den neuen Sollwerten zu solchen Änderungen der gemessenen Prozeßgrößen führt, die eine Verringerung und bei fortschreitendem Prozeßablauf eine Minimierung der Abweichung zwischen dem in dem mathematischen Modell berechneten Temperaturverlauf und dem vorgegebenen optimalen Temperaturverlauf bewirken.

Bei einem optimalen Temperaturverlauf in der Pelletschicht ergibt sich auch die gewünschte optimale Qualität der ge­ brannten Pellets. Um den Betreiber der Pelletieranlage lau­ fend über die zu erwartende Pelletqualität informieren zu können, wird in vorteilhafter Weise in einem weiteren mathe­ matischen Modell in Abhängigkeit von der berechneten Tempera­ turverteilung in der Pelletschicht und Kenngrößen über die chemische Zusammensetzung der Pellets deren Qualität, insbe­ sondere Festigkeit, nach dem Wärmebehandlungsprozeß vorausbe­ rechnet.

Umgekehrt läßt sich das weitere mathematische Modell dazu be­ nutzen, auf der Grundlage der gewünschten optimalen Qualität der gebrannten Pellets den optimalen Temperaturverlauf in der Pelletschicht zu bestimmen und für die Steuerung des Wärmebe­ handlungsprozesses vorzugeben. Hierzu ist vorgesehen, daß die in dem weiteren mathematischen Modell in Abhängigkeit von den aktuellen Prozeßgrößen und dem daraus resultierenden Tempera­ turverlauf in der Pelletschicht berechnete Qualität der Pel­ lets mit einer gewünschten optimalen Qualität verglichen wird und daß in Abhängigkeit von der Qualitätsabweichung der ge­ wünschte optimale Temperaturverlauf in der Pelletschicht er­ mittelt wird.

Wie bereits erwähnt, bildet das mathematische Modell den Wär­ mebehandlungsprozeß in der Pelletieranlage nach. Damit diese Nachbildung so genau wie möglich ist, werden das mathemati­ sche Modell und/oder das weitere mathematische Modell in Ab­ hängigkeit von Abweichungen zwischen im Rahmen der Berech­ nungsvorgänge erzeugten Berechnungsgrößen und entsprechenden gemessenen Prozeßgrößen im Sinne einer Minimierung dieser Ab­ weichungen adaptiv an das reale Prozeßgeschehen angepaßt. So ist vorgesehen, daß im Rahmen der Adaption des mathematischen Modells die vorgegebene, d. h. zunächst vorausberechnete, Packungsdichte der Pellets in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den Stellen, an denen die Temperatur des Gases nach Passieren der Pelletschicht gemessen wird, und den Stellen, an denen die berechnete Temperatur des Gases nach Passieren der Pelletschicht jeweils den gleichen Wert wie die gemessene Gastemperatur aufweist, korrigiert wird.

Die Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses in der Pelletier­ anlage mittels des mathematischen Modells erfolgt vorzugswei­ se aus der Bedien- und Beobachtungsebene eines Prozeßfüh­ rungssystems für die Pelletieranlage. Dabei wird der über die Bedien- und Beobachtungsebene des Prozeßführungssystems opti­ mierte Wärmebehandlungsprozeß in der prozeßnahen Ebene des Prozeßführungssystems auf der Grundlage vereinfachter Modell­ annahmen im Sinne einer Stabilisierung der gewünschten Soll-Temperaturverteilung in der Pelletschicht geregelt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnungen Bezug genommen, im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Prozeßführungssystems zur Steuerung einer Pelletieranlage entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren und

Fig. 2 ein Beispiel für den Verlauf der Temperatur des Gases nach Passieren der Pelletschicht über die Länge der Pelletieranlage.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Wanderrost 1, der mit einer Pelletschicht 2 vorgebbarer Schichtdicke belegt ist und diese Schicht 2 in Richtung des Pfeiles 3 durch eine Einrichtung 4 zur Wärmebehandlung der Pellets fördert. In hier nicht ge­ zeigten aufeinanderfolgenden Zonen der Einrichtung 4 werden die Pellets nacheinander durch erwärmtes bzw. erhitztes Gas getrocknet, vorgewärmt, gebrannt und schließlich mittels Kühlgas abgekühlt. Dabei wird das nach Passieren der Pellet­ schicht 2 erwärmte Kühlgas für die Trocknung und Vorerwärmung der Pellets herangezogen und nach Erhitzen durch Verbrennung von Brennstoff zum Brennen oder Rösten der Pellets benutzt.

Der Wärmebehandlungsprozeß in der Einrichtung 4 wird in einer prozeßnahen Ebene 5 des Prozeßführungssystems durch eine Re­ gelungseinrichtung 6 geregelt, die eine Vielzahl von Einzel­ reglern zur Regelung der Gastemperatur und des Gasdurchsatzes in den einzelnen Zonen der Einrichtung 4 umfaßt. Die Re­ gelungseinrichtung 6 bezieht die zur Prozeßregelung erforder­ lichen Meßwerte der Prozeßgrößen von einer Meßerfassungsein­ richtung 7, die unter anderem eine Vielzahl von Meßaufnehmern zum Messen der Gastemperatur vor und nach dem Passieren der Pelletschicht 2 und des Gasdrucks aufweist.

Von den gemessenen Prozeßgrößen wird eine vorgegebene Anzahl von für die Pelleterwärmung relevanten Prozeßgrößen einer Einrichtung 8 zugeführt, in der eine statistische Aufberei­ tung der gemessenen Prozeßgrößen sowie eine Berechnung von nicht unmittelbar meßbaren Prozeßgrößen in Abhängigkeit von anderen Prozeßgrößen erfolgt. Die so aufbereiteten gemessenen Prozeßgrößen werden zusammen mit weiteren, über einen Eingang 9 vorgegebenen Prozeßgrößen, wie z. B. der zunächst vorausberechneten Schichtdicke, einem mathematischen Modell 10 der Schichterwärmung zugeführt, das in der Bedien- oder Beobachtungsebene 11 des Prozeßführungssystems angeordnet ist. Das mathematische Modell 10 berechnet die Temperatur­ verteilung T sowohl über die Länge 1 der Pelletschicht 2 innerhalb der Wärmebehandlungseinrichtung 4 als auch über die Schichtdicke h, wobei die Berechnung der Temperaturverteilung individuell für jede einzelne Zone, insbesondere die Trock­ nungs-, Erwärmungs-, Brenn- und Kühlzone, der Wärmebehand­ lungseinrichtung 4 erfolgt. Die so auf der Grundlage der vor­ gegebenen und gemessenen Prozeßgrößen berechnete Temperatur­ verteilung T in der Pelletschicht 2 wird in einer Vergleichs­ einrichtung 12 mit einer gewünschten optimalen Temperaturver­ teilung T* verglichen, die in Form von Tabellen in einem Speicher 13 abgelegt ist. Wie untenstehend noch erläutert, kann die optimale Temperaturverteilung T* alternativ aus der gewünschten Qualität der gebrannten Pellets berechnet werden. In Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der für den momentanen Prozeßzustand berechneten Temperaturverteilung T und der vorgegebenen optimalen Temperaturverteilung T* werden mittels eines Optimierungsalgorithmus 14, gegebenenfalls un­ ter Zugriff auf das mathematische Modell 10, Sollwerte für die Regler in der Regelungseinrichtung 6 neu berechnet und dieser zugeführt. Die Neuberechnung der Sollwerte erfolgt da­ bei in der Weise, daß sich die von dem mathematischen Modell 10 auf der Grundlage der sich durch die Prozeßregelung mit den neuen Sollwerten ändernden Prozeßgrößen berechnete Tempe­ raturverteilung T an die vorgegebene optimale Temperaturver­ teilung T* annähert, wobei die Abweichung zwischen der be­ rechneten Temperaturverteilung T und der vorgegebenen opti­ malen Temperaturverteilung T* während des Prozeßablaufs mini­ miert wird.

Zur Adaption des mathematischen Modells 10 an das reale Pro­ zeßgeschehen werden im Rahmen der Berechnungsvorgänge von dem mathematischen Modell 10 erzeugte Berechnungsgrößen mit ent­ sprechenden gemessenen Prozeßgrößen in einem Adaptionsalgo­ rithmus 15 verglichen, wobei in Abhängigkeit von den so er­ mittelten Abweichungen die Modellparameter des mathematischen Modells 10 im Sinne einer Minimierung dieser Abweichungen adaptiv verändert werden.

Die von dem mathematischen Modell 10 berechnete Temperatur­ verteilung T wird zusammen mit über einen Eingang 16 bereit­ gestellten Kenngrößen über die chemische Zusammensetzung der Pellets einem weiteren mathematischen Modell 17 zugeführt, das daraus die Qualität Q der Pellets nach dem Wärmebehand­ lungsprozeß, insbesondere deren Festigkeit, vorausberechnet. Die so erhaltenen Qualitätsinformationen werden für den Be­ treiber der Pelletieranlage auf einem Anzeigegerät 18 visua­ lisiert.

Die in dem Speicher 13 abgelegte gewünschte optimale Tempera­ turverteilung T* kann alternativ auf der Grundlage des weite­ ren mathematischen Modells 17 berechnet werden, indem die von dem weiteren mathematischen Modell 17 für den momentanen Prozeßzustand vorausberechnete Qualität Q der Pellets in einer Vergleichseinrichtung 19 mit einer gewünschten optima­ len Pelletqualität Q* verglichen wird und indem in Abhängig­ keit von der Qualitätsabweichung mittels eines auf das weite­ re mathematische Modell 17 zugreifenden Algorithmus 20 die gewünschte optimale Temperaturverteilung T* ermittelt wird.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Adaption des mathematischen Modells 10 in Abhängigkeit von der über die Länge 1 der Wär­ mebehandlungseinrichtung 4 berechneten Temperaturverteilung T₁ der aus der Pelletschicht 2 austretenden Gase und der ent­ sprechenden gemessenen Temperaturverteilung T₂. Wenn sich über die Länge 1 der Wärmebehandlungseinrichtung 4 eine Ver­ schiebung ΔL zwischen beiden Temperaturverteilungen T₁ und T₂ ergibt, so deutet dies darauf hin, daß der über den Eingang 9 dem Modell 10 zugeführte vorausberechnete Wert für die Packungsdichte ε₁ der Pellets in der Schicht 2 nicht korrekt war. Im Rahmen der Modelladaption wird daher ein neuer Wert ε₂ für die Packungsdichte nach der Beziehung

(1-ε₂)/ε₂³ = (L₂/L₁)² · (1-ε₁)/ε₁³

ermittelt, wobei L₂ einen Ort für ein Temperaturmeßelement in einer der Wärmebehandlungszonen der Einrichtung 4 bezeichnet und L₁ den Ort bezeichnet, an dem die berechnete Temperatur­ verteilung T₁ denselben Wert wie der Meßwert am Ort L₂ auf­ weist.

Claims (8)

1. Verfahren zum Steuern des Wärmebehandlungsprozesses in einer Pelletieranlage, in der ein aus Pellets bestehender Materialstrom mit vorgebbarer Schichtdicke (h) und Durchlauf­ geschwindigkeit eine Einrichtung (4) zur Wärmebehandlung der Pellets mittels erhitzter Gase durchläuft, wobei die Gastem­ peratur und der Gasdurchsatz einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß in einem mathematischen Modell (10) der Schichterwär­ mung die Temperaturverteilung (T) in der Pelletschicht (2) aufgrund von für die Pelleterwärmung relevanten vorgegebe­ nen und gemessenen Prozeßgrößen, wie insbesondere der Gas­ temperatur vor und nach dem Passieren der Pelletschicht, dem Gasdruck, der Durchlaufgeschwindigkeit der Pellets, der Schichtdicke, der Korngröße der Pellets, der Packungsdichte der Pellets und/oder der Feuchte der Pellets berechnet wird,
• - daß die berechnete Temperaturverteilung (T) mit einer auf­ grund von Qualitätsanforderungen an die Pellets nach ihrer Wärmebehandlung ermittelten gewünschten optimalen Tempera­ turverteilung (T*) verglichen wird und
• - daß mittels eines Optimierungsalgorithmus (14) auf der Grundlage des mathematischen Modells (10) in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der von dem Modell (10) berech­ neten Temperaturverteilung (T) und der gewünschten optima­ len Temperaturverteilung (T*) Sollwerte für Regeleinrich­ tungen (6) berechnet werden, mit denen Stellglieder zur Beeinflussung des Prozesses im Sinne einer Minimierung der Abweichung gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverteilung (T) sowohl über die Länge (1) des Materialstroms als auch über die Schichtdicke (h) berech­ net wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren mathematischen Modell (17) in Abhängig­ keit von der berechneten Temperaturverteilung (T) in der Pel­ letschicht (2) und Kenngrößen über die chemische Zusammenset­ zung der Pellets deren Qualität (Q), insbesondere Festigkeit, nach dem Wärmebehandlungsprozeß vorausberechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem weiteren mathematischen Modell (17) in Ab­ hängigkeit von den aktuellen Prozeßgrößen und der daraus re­ sultierenden Temperaturverteilung (T) in der Pelletschicht (2) berechnete Qualität (Q) der Pellets mit einer gewünschten optimalen Qualität (Q*) verglichen wird und daß in Abhängig­ keit von der Qualitätsabweichung der gewünschte optimale Tem­ peraturverlauf (T*) in der Schicht (2) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell (10) und/oder das weitere mathe­ matische Modell (17) in Abhängigkeit von Abweichungen zwischen im Rahmen der Berechnungsvorgänge erzeugten Berech­ nungsgrößen und entsprechenden gemessenen Prozeßgrößen im Sinne einer Minimierung dieser Abweichungen adaptiv an das reale Prozeßgeschehen angepaßt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Adaption des mathematischen Modells (10) die vorgegebene Packungsdichte der Pellets in Abhängigkeit von dem Abstand (ΔL) zwischen den Stellen (L₂), an denen die Temperatur (T₂) des Gases nach Passieren der Pelletschicht (2) gemessen wird, und den Stellen (L₁), an denen die berech­ nete Temperatur (T₁) des Gases nach Passieren der Pellet­ schicht (2) jeweils den gleichen Wert wie die gemessene Gas­ temperatur (T₂) aufweist, korrigiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung aus der Bedien- und Beobachtungsebene (11) eines Prozeßführungssystems für die Pelletieranlage erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der über die Bedien- und Beobachtungsebene (11) des Pro­ zeßführungssystems optimierte Wärmebehandlungsprozeß in der prozeßnahen Ebene (5) des Prozeßführungssystems auf der Grundlage vereinfachter Modellannahmen im Sinne einer Sta­ bilisierung der gewünschten Soll-Temperaturverteilung in der Pelletschicht geregelt wird.