DE19827361A1 - Verfahren zur Prozeßführung eines Anodenbrennofens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prozeßführung eines Anodenbrenn- Ofens, aus dem ein einstellbarer Rauchgasstrom in mindestens eine Brennkammer geführt wird.

Bei derartigen Anodenbrennöfen wird der Gasstrom in einem Feuerschacht an unter Luftabschluß gelagerten Anoden vorbeigeführt und dabei durch die gebrannten Anoden aufgeheizt. Als vorgewärmte Verbrennungsluft wird der Gasstrom sodann durch die Feuerzone geleitet und heizt als Rauchgas die kalten Anoden auf. Nach dem Ringofen-Prinzip wandert die Feuerzone um den aus ringförmig angeordneten Kammern bestehenden Ofen, wohingegen die Anoden stationär gelagert sind. Der Ofen kann dabei aus einzelnen Großkammern für die Anoden bestehen und einen einzigen Rauchgasstrom aufweisen oder aus einer Reihe nebeneinanderliegender Anoden- und Feuerschächte gebildet sein.

Solche Öfen werden verwendet, um große Mengen von Kohleanoden zu brennen, die in der Elektrolyse zur Herstellung von Aluminium mittels Reduktion von Tonerde verwendet werden.

Dabei bestehen die Kohleanoden aus Potrolkoks und Pech, die im Brennofen unter Sauerstoffabschluß einem Wärmebehandlungsprozeß unterzogen werden. Der Ablauf des Wärmebehandlungsprozesses ist derart, daß zunächst die Anode gemäß eines definierten Temperatur-Zeit-Gradienten auf etwa 1000°C erhitzt und anschließend nach dem Sinterprozeß abgekühlt wird.

Zur Durchführung des Wärmebehandlungsprozesses werden offene oder gedeckte Ringöfen verwendet, die aus Anodenbrennkammern bestehen, in die die ungebrannten Anoden eingeladen und mit Anthrazit gegen Sauerstoffzutritt versiegelt werden.

Der Wärmebehandlungsprozeß für die Anoden muß definiert ablaufen, um die Qualität der gebrannten Anoden vorherbestimmen zu können. Zu diesem Zweck sind auf dem Ofen bewegliche "Feuer" angeordnet, die aus mobilen Rauchgasabsaug-, Meß-, Brenner- und Kühlrampen bestehen.

Durch einen vorgegebenen zeitabhängigen Sollwertverlauf an den Brennrampen und den Rauchgasabsaugrampen wird in den zwischen den Feuerschächten angeordneten Anodenschächten ein vorgegebener Temperatur-Zeitverlauf erreicht. Während die dadurch erzeugte Hitze an unterschiedlichen Stellen über die Anoden geführt wird, herrscht in den zwischen den Anodenschächten angebrachten Feuerschächten ein vorgegebener Temperatur-Zeitverlauf.

Die Einstellung des Temperatur-Zeitverlaufes erfolgt während der Aufheizperiode mittels eines gesteuerten Rauchgasstromes, der aus der Feuerzone abgesaugt wird. Gleichzeitig kann in der Feuerzone mittels einer gesteuerter Brennstoffzufuhr der Temperatur-Zeitverlauf eingestellt werden. In der Kühlzone erfolgt die Regulierung des Temperatur-Zeitverlaufes durch Einblasen von Kaltluft.

Ausgehend von der herrschenden Temperatur an der Anode während des Brennprozesses, wird die Qualität der Anode von der Temperatur-Zeit-Fläche im Sinterbereich bestimmt, die auch mit Brennindex bezeichnet wird.

Um nun einen definierten Brennindex zu erzielen, ist ein bestimmter Temperatur- Zeitverlauf in den Feuerschächten notwendig.

Ein derartiges Temperaturprogramm wird bei den eingesetzten Anlagen als Sollwert vorgegeben und die Anlagenregler fahren dieses Programm als Sollwert möglichst exakt nach.

Bei der Aufheizung der Anode entweicht das als Bindemittel eingesetzte Pech als brennbares Gas.

Eine Begrenzung der Konsistent für die Anoden ist dadurch bewerkstelligt, daß in der Aufheizphase mehrere in Strömungsrichtung des Rauchgases liegende Anodenschächte von der gleichen Rauchgasmenge durchströmt werden. Die Ausgasgeschwindigkeit hängt von der Temperatur an der Anode ab und erfolgt über ein größeres Temperaturintervall.

Dadurch sind mehrere in Reihe liegende Kammern an der Ausgasung beteiligt. Dies kann jedoch zu teilweise unkontrollierbaren Temperaturverläufen in den Feuerschächten führen, oder wenn die Temperatur unterhalb der Zündtemperatur liegt, ist mit der Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu rechnen.

Darüber hinaus wird der Zustand der einzelnen Feuerschächte durch die thermische Belastung, also die ständige Aufheizung und Abkühlung im Laufe der Zeit immer schlechter. Dies führt zwangsläufig zu einem Anstieg des Strömungswiderstandes in den Feuerschächten, so daß der Anteil der einströmenden Falschluft größer wird. Dieser zusätzliche Luftanteil beeinflußt die zu erzielenden Anodentemperaturen ebenfalls, so daß der gewünschte Temperaturverlauf nicht erzielt wird.

Ferner werden die Brennerbrücken während des Umsetzens mehr oder weniger lange abgeschaltet, oder es kommt zu Situationen, in denen nicht genügend Sauerstoff im Feuerschacht vorhanden ist, so daß eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes nicht stattfindet und somit die Solltemperaturen nicht erreicht werden.

All diese Störungen des Brennverlaufes führen dazu, daß eine Streuung des Brennindexes nicht vermieden werden kann, so daß die Qualität der einzelnen Anoden unterschiedlich ist.

Die Qualität der gebrannten Anode ist bei gleicher Zusammensetzung maßgeblich abhängig von der erzielten Brenn-Temperatur und der Brenn-Dauer. Diese Qualität ist umso besser, je höher die Temperatur ist und je länger diese gehalten wird. Bei einer hohen Brenn-Temperatur sowie -Dauer steigen jedoch die Brennkosten und die Lebensdauer der Feuerschächte sinkt auf Grund der höheren thermischen Belastungen.

Zu berücksichtigen bei der Herstellung von Anoden ist darüber hinaus auch, daß der Elektrolyseprozeß zur Gewinnung von Aluminium davon abhängig ist, welche Anode während der Elektrolyse die kürzeste Lebensdauer aufweist, denn die kürzeste Lebensdauer einer Anode bestimmt die Standzeit der Elektrolysezellen.

Es ist dem zu Folge bei der Herstellung der Anoden darauf zu achten, daß sämtliche Anoden, die in einer Elektrolyse verwendet werden sollen, eine möglichst gleiche Qualität aufweisen. Daher sind bei verschiedenen Brennprozessen möglichst gleiche Brennindizes zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Brenn-Prozeßführung zur Verfügung zu stellen, das einen optimalen Brennprozeß gewährleistet, und zwar dahingehend, daß die gebrannten Anoden eine möglichst gleiche Konsistenz in der Qualität aufweisen, um somit bei gleicher Anodenqualität die Brennkosten sowie die Kosten für die Elektrolyse zu minimieren.

Über die dem Stand der Technik entsprechende Messungen der Rauchgastemperaturen und der Einstellung der Brenner- und der Rauchgasvolumina in Abhängigkeit von dem gewünschten Temperatur-Zeitverlauf hinaus wird diese Aufgabe mittels der folgenden Verfahrensschritte gelöst:

• - Messen der Rauchgastemperatur in jeder Brennkammer als IST-Temperatur,
• - Erfassen des Sauerstoffgehaltes oder der Kohlenwasserstoff,
• - Einstellen der Leistung der Brenner in Abhängigkeit von der Feuerschachttemperatur und/oder dem verfügbaren Sauerstoffgehalt im Feuerschacht,
• - Vergleichen der IST-Temperatur in der Brennkammer mit einer vorgegebenen Solltemperatur und/oder
• - Ermitteln des Sauerstoffangebotes im Feuerschacht durch direkte Messung oder durch ein empirisches Modell, in das die zugeführte Brennstoffmenge und die äquivalente Brennstoffmenge aus der Pech-Ausgasung sowie der Rauchgasstrom eingeht,
• - Ermitteln eines Abweichungsindexes als Zeitintegral der Temperaturabweichung,
• - fortlaufende Modifizierung des Sollwertverlaufes, um das Abweichungsintegral am Ende der Prozeßführung auf Null zurückzuführen und/oder
• - Ermitteln eines Brennindexes oder eines Abweichungsintegrals in jedem Anodenschacht und
• - Regeln der IST-Temperatur, um das Abweichungsintegral am Ende der Prozeßführung auf Null zurückzuführen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gibt zwei Stufen an, mit denen die Konsistenz der Anoden und damit der Brennindex verbessert und der Energieverbrauch für den Brennprozeß gesenkt werden kann.

In der ersten Stufe des Verfahrens wird davon ausgegangen, daß der Brennindex unmittelbar von dem Verlauf der Feuerschacht-Temperatur abhängig ist. Von Bedeutung ist dabei nicht ein spezifischer Temperaturverlauf, sondern vielmehr der äquivalente Temperaturverlauf, der nämlich den Wärmefluß zur Anode gewährleistet. Es kann in einer ersten Näherung davon ausgegangen werden, daß in einem begrenzten Temperaturintervall die Wärmeleitung in etwa konstant ist. Das bedeutet, daß eine Abweichung von der Sollkurve, also dem Solltemperaturverlauf, in Kauf genommen werden kann, wenn das Zeitintegral der Abweichung durch eine entsprechend lange und große gegenläufige Abweichung der Temperatur gegenüber dem Sollwert am Ende des Brennprozesses auf Null zurückgeführt wird.

Auf diese Weise ist also ein Maß verfügbar, das einen Mangel oder ein Überangebot an Wärmefluß zur Anode innerhalb der Brennkammer angibt, so daß bewußt eine Abweichung der Solltemperatur zugelassen werden kann.

Wird beispielsweise versucht, während der Aufheizphase einen vorgegebenen Temperaturverlauf einzuhalten, so muß bei der Verbrennung der Pechausgasung der Volumenstrom des Rauchgases zurückgenommen werden. Diese Brennsituation führt zu einem Mangel an Sauerstoff im Feuerschacht, so daß eine zu niedrige Brenntemperatur entsteht und unverbrannte Kohlenwasserstoffe freigesetzt werden.

Diese unerwünschte Situation wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß bereits vor Beginn dieses Zustandes der Rauchgasstrom erhöht wird, so daß die Zündtemperatur erreicht wird und dadurch auch genügend Sauerstoff zur Verbrennung vorhanden ist.

Es hat sich auch als vorteilhaft gezeigt, die Übertemperatur während der Aufheizphase zu zulassen und nicht zu regulieren, so daß sich die Temperatur eigenständig auf einen entsprechenden Wert einstellt.

Die Verbrennung erfolgt somit vollständig und schädliche Emissionen von unverbranntem Kohlenwasserstoff entsteht nicht.

Bei dieser Vorgehensweise ist der Abweichungsindex von der bekannten Solltemperatur zu messen und im Verlauf der weiteren Prozeßführung zu kompensieren, um eine gleichmäßige Konsistens für alle gebrannten Anoden zu gewährleisten.

Die Absenkung der Feuerschachttemperatur wird dadurch bewerkstelligt, daß im späteren Verlauf des Brennprozesses geringere Rauchgasmengen und/oder eine niedrigere Brennstoffzufuhr zugeführt werden.

Eine weitere Brennsituation ist dann gegegeben, wenn in einem Feuerschacht zu wenig Sauerstoff vorhanden ist, da die Brenner keine eigene Luftversorgung besitzen. Die zur Verbrennung notwendige Luft wird den Brennern vielmehr durch die vorgewärmte Luft aus der Kühlzone zugeführt, die in die Feuerzone gezogen wird.

Dies führt jedoch dazu, daß für diese Brennsituation mehr Brennstoff eingesetzt werden muß, um den Temperatur-Sollwert zu erreichen. Es ist aber auch möglich, daß dieser Sollwert nicht erreicht wird, obwohl der Brenner mit maximaler Leistung betrieben wird. Der Brennstoff verläßt wiederum unverbrannt den Feuerschacht, so daß schädliche Kohlenwasserstoffe freigesetzt werden.

Bei einem ausreichenden Sauerstoffangebot wird also in einem bestimmten Temperaturintervall eine bestimmte Menge an Brennstoff benötigt, um einen vorgegebenen Temperatur-Gradienten zu erreichen, so daß aus dem Vergleich dieser meßbaren Werte, insbesondere der erforderlichen Brennerleistung auf die Effizienz der Verbrennung Rückschlüsse gezogen werden können.

Unterschreitet nunmehr ein Brenner eine untere Grenze der Effizienz, so wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Brennstoffmenge so weit reduziert bis das vorhandene Sauerstoffangebot mit dieser Brennerleistung vollständig verbrannt wird, so daß die untere Effiziensschwelle des Verbrennungsprozesses nicht unterschritten wird.

Auf das Erreichen des Temperatur-Sollwertes wird also bewußt verzichtet, da diese Brennsituation lediglich in der Aufheizphase auftritt und erfindungsgemäß im weiteren Verlauf des Brennprozeß korregierbar ist.

Die Messungen des Sauerstoffgehaltes und/oder der Kohlenwasserstoffe als flüchtige Bestandteile im Rauchgasstrom erfordern einen großen apparativen Aufwand, so daß für das erfindungsgemäße Verfahren diese Werte mittels einer Schätzung bestimmt werden, ohne daß hierfür zusätzliche Meßwertaufnehmer erforderlich sind.

Zu diesem Zweck werden die Brennerleistungen als Stellgröße im Leitsystem sowie die Stellung der Rauchgasschieber bestimmt. Zusätzlich dazu ist der Unterdruck im Brennkanal zu messen, so daß sich mittels dieser auf einfache Art und Weise zu erfaßenden Größen die Gesamtbrennstoffmenge als auch der Volumenstrom des Rauchgases mit der erforderlichen Genauigkeit abschätzen lassen.

Die derart gewonnenen Größen sind miteinander in Verhältnis zu setzen, so daß mittels dieser normierten Werte Rückschlüsse auf die Brennstoffbeladung des Feuerschachtes als Maß des freien Sauerstoffgehaltes möglich sind.

Zur Abschätzung der flüchtigen Bestandteile im Rauchgasstrom ist es erforderlich, die brennbaren Bestandteile der Anode mit einzubeziehen, da diese Bestandteile in der Ausgaszone einen Temperaturanstieg verursachen, dessen Gradient ein Maß für die Brennstoffmenge darstellt. Die im Feuerschacht als Brennstoffmenge vorhandenen flüchtigen Bestandteile sind folglich aus Kohlenwasserstoffen, Schwelgasen und den brennbaren Bestandteilen der Anode gebildet.

Aufgrund dieser empirisch gewonnen Daten läßt sich eine Brennstoffmenge berechnen, die mit der tatsächlich an den Brennern zugegebenen Brennstoffmenge äquivalent ist.

Somit ist ohne zusätzlichen Meßgeräten eine im gesamten Feuerschacht vorhandene Brennstoffmenge und damit der verfügbare Sauerstoff ermittelbar.

Die konventionelle Ofenführung weist einen Temperaturanstieg und anschließend ein Halten dieser Temperatur auf. Auf Grund der thermischen Trägheit der Anodenschächte erreicht die Anodenschachtwand erst mit erheblicher zeitlicher Verzögerung die Feuerschachttemperatur.

Diese thermische Trägheit nützt die Erfindung dahingehend vorteilhaft aus, daß eine dynamische Optimierung des Temperaturverlaufes erzielbar ist, da die Temperatur der ersten Haltephase über die Solltemperatur angehoben wird, ohne daß die Anodenschachtwand überhitzt und somit zerstört wird.

Die Temperatur kann dann in der zweiten und folgenden Haltephasen allmählich abgesenkt oder im Bereich der Solltemperatur gehalten werden, so daß das Abweichungsintegral der Feuerschacht- oder der Anodentemperatur zwischen der Ist-Temperatur und der Solltemperatur im Verlauf der Prozeßführung auf Null zurückgeführt wird.

Mit dieser ersten Stufe des Verfahrens ist also gewährleistet, daß bei gleichbleibendem Wärmeübergang der Wärmefluß zur Anode am Ende jedes Brennprozesses gleich ist, auch wenn es zwischenzeitlich für jeden Brennprozeß zu unterschiedlichen Abweichungen kommt.

Diese vorgenannten Verfahrensschritte verbessern zwar die Konsistenz der Anoden und somit auch deren Qualität, es ist jedoch noch nicht gewährleistet, daß an jeder Anode tatsächlich der richtige Brennindex erreicht wird.

Mit Hilfe der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur an der Anode erfaßt, denn durch den Verschleiß des feuerfesten Materials im Verlauf des Brennprozesses ändert sich der Wärmeübergang.

Um den Verschleiß von Anoden-Thermoelementen möglichst gering zu halten, kann die zweite Stufe des Verfahrens dahingehend ergänzt werden, daß ein dynamisches adaptives Modell des thermischen Verhaltens erstellt wird.

Zu diesem Zweck wird von einer Grundstruktur ausgegangen, die aus der Identifikation des Brennprozesses gewonnen wird, und zwar mittels der Messung der Temperaturen in den beiden Feuerschächten, zwischen denen der Anodenschacht angeordnet ist, sowie der Messung der Anodentemperatur.

Eine automatische Adaption der Parameter erfolgt dadurch, daß alle Anodenschächte bis zu einer Temperatur von etwa 500°C mit Thermoelementen bestückt sind. Dieses Zeitintervall ist ausreichend, um anhand der gemessenen Temperaturen das Grundmodell an die spezifische Dynamik der Wärmeübertragung eines Anodenschachtes anzupassen.

Nach der Identifikation bei niedriger Temperatur können die Anoden-Thermoelemente entfernt werden. Die weiteren Anodentemperaturen werden anschließend aus einer Modellrechnung gewonnen.

Wenn diese Werte vorliegen, kann für jeden Anodenschacht ein Brennindex und/oder der Abweichungsindex berechnet werden. Bei Vorliegen des dynamischen adaptiven Modells für den Wärmeübergang an der Anode kann der Sollverlauf der Feuerschachttemperatur derart modifiziert werden, daß am Ende des Brennprozesses der optimale Brennindex erzielt wird.

Da sich Feuer- und Anodenschächte abwechseln, liegt jeder Anodenschacht zwischen zwei Feuerschächten, wird also von zwei Seiten erhitzt. Ebenso versorgt jeder Feuerschacht auch zwei Anodenschächte. Daher muß durch eine iterative Optimierung diejenige Temperatur für jeden Feuerschacht gefunden werden, die die niedrigste Maximaltemperatur gewährleistet.

Da die beiden äußeren Feuerschächte nur je einen Anodenschacht versorgen, ist das Optimierungsproblem lösbar.

Claims (12)

1. Verfahren zur Prozeßführung eines Anodenbrennofens, aus dem ein einstellbarer Rauchgasstrom in mindestens eine Brennkammer geführt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

• - Messen der Rauchgastemperatur in jeder Brennkammer als IST-Temperatur,
• - Erfassen des Sauerstoffgehaltes oder der Kohlenwasserstoffe,
• - Einstellen der Leistung der Brenner in Abhängigkeit von der Feuerschachttemperatur und/oder dem verfügbaren Sauerstoffangebot im Feuerschacht,
• - Vergleichen der IST-Temperatur in der Brennkammer mit einer vorgegebenen Solltemperatur,
• - Ermitteln eines Zeitintegrals der Temperaturabweichung und
• - Regeln der IST-Temperatur im Verlauf der Prozeßführung in Abhängigkeit von dem ermittelten Zeitintegral derart, daß dieses am Ende der Prozeßführung auf Null zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - vor Beginn der Ausgasung von flüchtigen Bestandteilen der Volumenstrom des Rauchgases derart angehoben wird, daß eine genügend hohe IST-Temperatur zur Zündung der Schwelgase und ausreichend Sauerstoff in der Brennkammer vorhanden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - bei zuwenig Sauerstoff in der Brennkammer die Leistung der Brenner durch eine Reduzierung der Brennstoffzufuhr auf einen einstellbaren feuerungstechnischen Mindestwirkungsgrad reduziert wird und
• - im weiteren Verlauf der Prozeßführung die Leistung des Brenners in Abhängigkeit von der vorhandenen Sauerstoffmenge derart erhöht wird, daß der Temperaturverlust während der sauerstoffarmen Phase ausgeglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des freien Sauerstoffgehaltes im Feuerschacht die Summe der Brennerleistungen und der flüchtigen Bestandteile im Verhältnis zum Rauchgasvolumen gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschätzung der flüchtigen Bestandteile der Temperaturgradient in der Ausgaszone bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Brenner erzeugte IST-Temperatur in einer ersten Phase der Sintertemperatur angehoben und in einer zweiten Phase unterhalb der Solltemperatur derart abgesenkt wird, daß über den Zeitraum der Prozeßführung der Abweichungsindex auf null reduziert wird.

7. Verfahren zur Prozeßführung eines Anodenbrennofens, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte,

• - Ermitteln eines Brennindexes an jeder Anode mittels Temperaturfühler im Anodenschacht zur Berechnung eines Temperatur-Zeitintegrals während der Sinterung und/oder
• - Ermitteln eines Abweichungsintegrales von einem vorgegebenen Temperaturverlauf der Anode.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der gemessenen Werte ein dynamisches adaptives Prozeßmodell des Temperatur-Zeit-Verhaltens während der ersten Aufheizphase im Anodenschacht erstellt wird, das während der Prozeßführung als Bezugsgröße zur tatsächlichen Anodenverlaufstemperatur einsetzbar ist, ohne Verwendung von Temperaturfühlern an der Anode und/oder im Anodenschacht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Solltemperaturverlauf im Feuerschacht derart modifiziert ist, daß am Ende der Prozeßführung ein vorgegebener Brennindex erzielt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des adaptiven Prozeßmodells in den Brennkammern eine niedrige Maximaltemperatur erreicht wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Verfahrensschritte beliebig kombinierbar sind.

12. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Temperaturkorrekturen der Sollwertverläufe derart optimiert werden, daß eine möglichst niedrige Maximaltemperatur aller Feuerschächte erreicht wird.