DE19950981B4 - Rotary kiln arrangement for reacting a substance under heat supply and method for its control - Google Patents
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Abstract
Drehrohrofenanordnung
zum Umsetzen einer Substanz unter Wärmezufuhr, umfassend
einen
Drehrohrofen (1), in dem die Substanz umgesetzt wird,
einen
Brenner (2), der den Endabschnitt des Drehrohrofens (1) durchsetzt
und mit dem der Drehrohrofen (1) durch eine von dem Brenner (2)
ausgehende Flamme befeuerbar ist,
wenigstens eine Glasfaser
(3), die auf einen Bereich der Substanz gerichtet ist, der von der
Flamme noch wenigstens teilweise überstrichen ist, wobei mit
der wenigstens einen Glasfaser (3) spektroskopische Daten der umzusetzenden
Substanz erfassbar sind, und
ein mit der wenigstens einen Glasfaser
(3) gekoppeltes Spektrometer,
dadurch gekennzeichnet,
dass
mit der wenigstens einen Glasfaser (3) spektroskopische Daten der
Flamme des Brenners (2) erfaßbar
sind,
dass die spektroskopischen Daten der umzusetzenden Substanz
und der Flamme mittels des Spektrometers darstellbar sind, und
dass
eine Steuerung für
den Drehrohrofen vorgesehen ist, mit der mindestens ein Ofenparameter
aufgrund der erfassten spektroskopischen Daten der Flamme...Rotary kiln assembly for reacting a substance under heat, comprising
a rotary kiln (1) in which the substance is reacted,
a burner (2) penetrating the end portion of the rotary kiln (1) and capable of firing the rotary kiln (1) through a flame emanating from the burner (2),
at least one glass fiber (3) which is directed to a region of the substance which is at least partially swept by the flame, wherein spectroscopic data of the substance to be reacted can be detected with the at least one glass fiber (3), and
a spectrometer coupled to the at least one glass fiber (3),
characterized,
in that spectroscopic data of the flame of the burner (2) can be detected with the at least one glass fiber (3),
that the spectroscopic data of the substance to be reacted and the flame can be represented by means of the spectrometer, and
that a control is provided for the rotary kiln, with the at least one furnace parameter based on the detected spectroscopic data of the flame ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Drehrohrofenanordnung Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer Drehrohrofenanordnung.The The invention relates to a rotary kiln arrangement claim 1. The invention further relates to a method of controlling a rotary kiln assembly.
Aus der Praxis ist bekannt, daß beim Brennen oder Kalzinieren von Produkten erst nach Abschluß des Prozesses im Wege einer chemischen Analyse oder einer zerstörenden Prüfung Proben einer Charge untersucht werden, um deren Güte bzw. Übereinstimmung mit Spezifikationen zu überprüfen. So wird beispielsweise bei der Herstellung von Zement versucht, ausgehend von analysierten Proben den Prozeß des Kalzinierens und hier wieder insbesondere die Regelung der Prozeßparameter Beladung des Ofens, Intensität der Flamme, Luftzufuhr, Drehgeschwindigkeit und andere mehr optimal einzustellen. Dies erfordert oft bereits eine zusätzliche sehr genaue und aufwendige Analyse der Ausgangsstoffe. Zwischen der Herstellung des fertigen Zements und einem möglichen Stelleingriff in Reaktion auf die Analyse vergeht soviel Zeit, daß eine Regelung an sich gar nicht möglich ist. Geringe Qualitätsabweichungen des Zements, z.B. eine Graufärbung, ziehen aber bereits erhebliche Preisabschläge nach sich.Out practice is known that in Burning or calcining of products only after completion of the process by means of a chemical analysis or destructive testing samples a batch to determine their quality or conformity with specifications to check. So is tried, for example, in the manufacture of cement, starting from analyzed samples the process of calcining and here again especially the regulation of the process parameters loading of the furnace, intensity the flame, air supply, rotational speed and other more optimal adjust. This often requires an extra very much accurate and complex analysis of the starting materials. Between the production of the finished cement and one possible Actuation intervention in response to the analysis takes so much time that a regulation not possible at all is. Low quality deviations of the cement, e.g. a gray color, pull but already significant discounts.
Beispielsweise als Vorstufe der Herstellung von Aluminium ist bekannt, das mittels Natronlauge aus Bauxit gewonnene Aluminiumhydroxid in einem Kalzinierofen in Aluminiumoxid, auch als Tonerde bezeichnet, umzusetzen.For example as a precursor of the production of aluminum is known by means of Caustic soda bauxite-derived aluminum hydroxide in a calcination furnace in alumina, also referred to as alumina, implement.
Beispielsweise aus der Herstellung von Glas ist bekannt, ein Gemisch von Pulvern, das als wesentlichen Bestandteil Siliziumoxid enthält, in großen Wannen mittels Gasflamme oder Elektrodenheizung zu schmelzen.For example from the manufacture of glass is known a mixture of powders, containing silicon oxide as an essential ingredient in large pans to melt by means of gas flame or electrode heating.
Beispielsweise
aus
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Drehrohrofenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung einer Drehrohrofenanordnung anzugeben, die eine optimierte Umsetzung einer Substanz sowie eine on-line Regelung der Güte des Umsetzprodukts zuläßt.It the object of the invention is a rotary kiln arrangement according to the The preamble of claim 1 and a method for controlling a rotary kiln assembly indicate an optimized implementation of a substance as well as a on-line regulation of the quality of the conversion product.
Diese Aufgabe wird durch eine Drehrohrofenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei dem Verfahren wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.These Task is by a rotary kiln arrangement with the features of claim 1. In the method, this object is achieved by the features of the claim 9 solved.
Ein Verfahren zur Steuerung der erfindungsgemäßen Drehrohrofenanordnung ermöglicht vorteilhaft einen on-line Betrieb dadurch, daß die von der Substanz oder ihrem Umsetzprodukt während des Umsetzens ausgehende Strahlung einer Spektralanalyse unterworfen wird, daß Banden des Spektrums von ausgewählten selektiven Strahlern, welche für die Substanz oder das Umsetzprodukt repräsentative Atome oder Moleküle enthalten, in ihrer Intensität erfaßt werden, und daß die erfaßten Intensitäten für eine Regelung herangezogen werden.One Method for controlling the rotary kiln arrangement according to the invention advantageously allows an on-line operation in that of the substance or their conversion product during the conversion outgoing radiation subjected to a spectral analysis will that gangs of the spectrum of selected ones selective radiators, which for the Substance or the reaction product contain representative atoms or molecules, in their intensity detected be, and that the detected intensities for one Regulation are used.
Es kann sich beim Umsetzen im Drehrohrofen um einen chemischen Prozeß handeln, aber auch um Kalzination, Sintern, Brennen von Keramiken, Schmelzen von Glas oder dergleichen. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Technologie für das Umsetzen von festen Substanzen in Öfen, bei denen ein im Wesentlichen kontinuierlicher Durchsatz der Substanz beeinflußbar ist.It may be a chemical process during the reaction in the rotary kiln, but also calcination, sintering, burning of ceramics, melting of glass or the like. In particular, the technology of the invention is suitable for the Reacting solid substances in furnaces where a substantially continuous throughput of the substance is influenced.
Es ist zu bemerken, daß auch das Umsetzprodukt vorzugsweise als festes Schüttgut oder als Schmelze ausgetragen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich z.B. dadurch von solchen Verfahren, bei denen Substanzen verbrannt werden und in erster Linie im Hinblick auf ihre stöchiometrische Zusammensetzung in einem Abgas untersucht werden.It should be noted that the reaction product preferably as a solid bulk material or as Melt is discharged. The process according to the invention differs, for example, from those processes in which substances are burned and are examined primarily in terms of their stoichiometric composition in an exhaust gas.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein Ofenparameter in Abhängigkeit von spektroskopischen Daten gesteuert oder geregelt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß von der thermisch behandelten Substanz selbst ausgehende Strahlung charakteristisch für den Prozeßverlauf oder das Ergebnis der Umsetzung sein kann. Die Erfindung schlägt vor, mindestens eine solche charakteristische Spektrallinie zum Steuern oder Regeln mindestens eines Ofenparameters auszuwerten.According to the invention, at least a furnace parameter depending controlled or regulated by spectroscopic data. The invention underlying the knowledge that of the thermally treated Substance self-emanating radiation characteristic of the process or the result of the implementation can be. The invention proposes, at least such a characteristic spectral line for controlling or regulating evaluate at least one furnace parameter.
Besonders überraschend ist, daß die Spektrallinien von umgesetzten Produkten, die durch direkte Befeuerung aufgeheizt werden, auch durch die Flamme hindurch erfaßbar sind und daß somit die Regelung der Umsetzung und die Regelung der Verbrennung aufgrund unterschiedlicher erfaßter und für jeweils eines repräsentativer Spektrallinien unabhängig voneinander möglich ist, wobei die Verbrennung als einer der durch die Werte der Umsetzung beeinflußbaren Parameter nutzbar ist. Dies ermöglicht es vorteilhaft, eine gemeinsame Erfassung der Strahlung der Substanz bzw. des Umsetzprodukts einerseits und der Verbrennung andererseits vorzusehen.Especially surprising is that the Spectral lines of reacted products by direct firing be heated, are also detectable through the flame and that, therefore the scheme of implementation and the regulation of combustion due different detected and for each a representative one Spectral lines independent possible from each other is, where the combustion as one of the values of the implementation influenced Parameter is usable. this makes possible It is advantageous to collectively detect the radiation of the substance or the conversion product on the one hand and combustion on the other provided.
Die Emissionsspektroskopie eignet sich für die Überwachung von Flammen deswegen, weil sie aus einem Spektrum sowohl Temperatur als auch angeregte Spezies und deren quantitative Veränderung gleichzeitig detektieren kann. Die Eigenstrahlung, die von einem Verbrennungsprozeß ausgesendet wird, ist in der Regel eine Überlagerung von Strahlungskomponenten verschiedener Entstehungsursachen, z.B. Rotation und Schwingungen von Molekülen oder Energiezustandsänderungen, beispielsweise Quantensprünge von Elektronen in Atomen.The Emission spectroscopy is therefore suitable for the monitoring of flames, because it excited both temperature and spectrum from a spectrum Detect species and their quantitative change simultaneously can. The own radiation emitted by a combustion process is usually an overlay of radiation components of different causes, e.g. Rotation and vibrations of molecules or changes of energy state, for example, quantum leaps of electrons in atoms.
Anhand des Spektralverlaufs, der von einem Spektrometer geliefert wird, werden verschiedene Strahlungsarten wie Kontinuumsstrahler und selektive Strahler sowie gemischte Strahler unterschieden. Die Kontinuumsstrahler senden ein kontinuierliches Spektrum aus, z.B. Partikel, Ruß, usw. Die selektiven Strahler sind angeregte Teilchen und senden ein Linien- oder Bandenspektrum aus. Diese Strahlung wird sowohl von Molekülen, z.B. H2O, CO2, als auch von Radikalen, z.B. OH, CN, als auch von Ionen, z.B. Fe, Na, K erzeugt. Die gemischten Strahler, z.B. die Flamme einer Verbrennung, überlagern Kontinuums- und selektive Strahler, wobei der kontinuierliche Anteil im visuellen Spektralbereich sehr dominierend ist, so daß die selektiven Anteile nur bei entsprechend hoher Konzentration detektiert werden können. Alternativ müßten Messungen im tieferen UV-Bereich erfolgen. Die Identifikation der von einem Spektrometer erfaßten Spezies ergibt sich aus der Lage im Spektrum, die Konzentration aus der Intensität der Bandenstrahlung.The spectral response provided by a spectrometer distinguishes between different types of radiation such as continuum and selective emitters and mixed emitters. The continuum emitters emit a continuous spectrum, eg particles, soot, etc. The selective emitters are excited particles and emit a line or band spectrum. This radiation is generated both by molecules, eg H 2 O, CO 2 , as well as by radicals, eg OH, CN, as well as by ions, eg Fe, Na, K. The mixed emitters, eg the flame of a combustion, superimpose continuum and selective emitters, whereby the continuous component in the visual spectral range is very dominant, so that the selective components can only be detected at a correspondingly high concentration. Alternatively, measurements should be made in the lower UV range. The identification of the species detected by a spectrometer results from the position in the spectrum, the concentration from the intensity of the band radiation.
Als angeregte Teilchen, die der Spektralanalyse unterworfen werden, kommen sowohl Ionenstrahler wie z.B. Natrium, Kalium, und andere Alkali- und Erdalkaliionen in Betracht als auch strahlende Radikale, die z.B. im Bereich von UV-Licht ihre charakteristische Strahlung aussenden.When excited particles subjected to spectral analysis both ion beams, e.g. Sodium, potassium, and others Alkali and alkaline earth ions as well as radiant radicals, the e.g. in the range of UV light their characteristic radiation send out.
Die detektierbare Strahlung der angeregten Teilchen ist je nach beobachtetem Strahler unter anderem abhängig von der Temperatur der Umsetzung, z.B. der Flamme einer Verbrennung, aber auch von den eingebrachten Konzentrationen und Mengen der Umsetzungsparameter. Es ist daher zweckmäßig, die Intensitäten zu normieren. Um den Einfluß der Temperatur zu eliminieren ist es besonders vorteilhaft, wenn zum Normieren das Verhältnis zweier Intensitäten herangezogen wird. Da sich bei Temperaturschwankungen von wenigen zehn Grad Celsius, wie sie bei kontinuierlichen Prozessen, wie z.B. Verbrennung oder Verschwelung, maximal auftreten, die Intensitäten weitestgehend proportional verändern, kann hierdurch vorteilhaft der Temperatureinfluß auf die für die Regelung herangezogenen Werte unberücksichtigt bleiben. Alternativ kann die Normierung auch im Verhältnis zu der Temperatur erfolgen, was z.B. während des Anfahrens des Prozesses vorteilhaft sein kann oder in denjenigen Fällen, in denen ohnehin eine Temperaturmessung vorgenommen wird, z.B. eine pyrometrische Temperaturmessung.The detectable radiation of the excited particles is depending on observed Emitter dependent among other things from the temperature of the reaction, e.g. the flame of a burn, but also from the introduced concentrations and amounts of the conversion parameters. It is therefore appropriate that intensities to normalize. To the influence of the temperature To eliminate it is particularly advantageous when normalizing The relationship two intensities is used. As with temperature fluctuations of a few ten degrees Celsius, as used in continuous processes, such as Combustion or smoldering, maximum occur, the intensities as much as possible can change proportionally This advantageously the influence of temperature on the used for the control Values disregarded stay. Alternatively, normalization can also be relative to temperature, which is e.g. during startup of the process may be advantageous or in those cases in which anyway Temperature measurement is made, e.g. a pyrometric temperature measurement.
Die regelbaren Umsetzungsparameter sind bei einer Verbrennung im wesentlichen die Zufuhr des Brennstoffs, die Zufuhr von Verbrennungsluft oder einer speziellen Verbrennungsatmosphäre, alle sowohl bezüglich der Menge, Zusammensetzung oder Volumengeschwindigkeit, sowie ggf. die Neigung der Flamme. Bei einer indirekten thermischen Umsetzung kann dies z.B. die Regelung der Lage von Strahlungsschutzschildern umfassen, die zur Steuerung der Energiezufuhr vorgesehen sind, oder z.B. der Grad der Vorwärmung der zugeführten Reaktionsluft. Bei einem Drehrohrofen kann auch die Drehgeschwindigkeit oder die Neigung des Ofens innerhalb bestimmter Grenzen geregelt werden, die den Durchsatz der Substanz bzw. des Umsetzprodukts beeinflussen. Ferner kann bei in Drehrohröfen eingesetzten sogenannten Drallbrennern die Drallintensität des Brenners durch ein axiales Verstellen der Lage eines äußeren Ringspalts angepaßt werden. Bei Schmelzprozessen mittels Elektroden kann z.B. die Regelung der Stromstärke vorgesehen werden.The Controllable conversion parameters are essentially at a combustion the supply of fuel, the supply of combustion air or a special combustion atmosphere, all in terms of both Quantity, composition or volume velocity, and possibly the Inclination of the flame. In an indirect thermal reaction can this e.g. include the regulation of the location of radiation shields, which are intended to control the power supply, or e.g. of the Degree of preheating the supplied Reaction air. In a rotary kiln, the rotational speed can also or the inclination of the oven is regulated within certain limits which affect the throughput of the substance or of the conversion product. Furthermore, when used in rotary kilns so-called swirl burners the swirl intensity of the burner by an axial Adjusting the position of an outer annular gap customized become. In melting processes by means of electrodes, e.g. the regulation the current strength be provided.
Die erfindungsgemäße Drehrohrofenanordnung hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn neben der Regelung des Prozesses der Umsetzung der Substanz ein Verbrennungsprozeß geregelt werden soll. Die Glasfaser kann so bestimmte sehr kurzfristig in der Flamme auftretende angeregte Teilchen erfassen. Bei einem Drehrohrofen ist so sichergestellt, daß stets das Bett beobachtet wird, und somit eine zuverlässige Erfassung der Strahlung des Betts in einem vorbestimmten Abstand und in einer vorbestimmten Orientierung zum Brenner gegeben ist. Hierdurch kann z.B. vorteilhaft derjenige Ofenbereich stets beobachtet werden, in dem kürzlich umgewälztes Material beispielsweise schwerkraftbedingt liegenbleibt und aktuelle Werte liefert, die nicht von an der Ofenwand anhaftendem Altmaterial bzw. Strahlern aus der Ausmauerung verfälscht werden. Hierzu wird wenigsten eine der Glasfasern, die vorzugsweise luft- und/oder wassergekühlt sind, gegenüber der Achse des Brenners und ggf. auch der Achse des Ofens geneigt.The rotary kiln arrangement according to the invention has proven to be particularly expedient if, in addition to the regulation of the process of the implementation of the substance, a combustion process is to be regulated. The glass fiber can thus detect certain excited particles occurring at very short notice in the flame. In a rotary kiln it is thus ensured that the bed is always observed, and thus a reliable detection of the radiation of the bed at a predetermined distance and in a predetermined orientation is given to the burner. In this way, for example, advantageously that furnace area can always be observed, in which recently circulated material, for example, remains due to gravity and supplies actual values which are not distorted by waste material adhering to the furnace wall or emitters from the lining. For this purpose, at least one of the glass fibers, which are preferably air- and / or water-cooled, with respect to the axis of the burner and possibly also the axis of the furnace inclined.
Zweckmäßigerweise kann mittels einer Kamera auch die Flammposition ausgewertet werden. Optimal ist eine solche Flammposition, die die geringste Berührung mit der Oberfläche des Drehrohrs aufweist. Ferner kann durch Einsatz der Bildverarbeitung ein allmähliches Zusetzen der Brennernase detektiert und wirksam verhindert werden, da das Anwachsen der Verschmutzung sich aus den Videobildern ergibt. Es ist daher zweckmäßig, zur Regelung des Brenners eine kombinierte Lanze aus Kamera und mehreren Glasfasern vorzusehen.Conveniently, can also be evaluated by means of a camera, the flame position. Optimal is such a flame position that the slightest touch with the surface having the rotary tube. Furthermore, by using the image processing a gradual Adding the burner nose can be detected and effectively prevented because the buildup of pollution from the video images. It is therefore appropriate to Control of the burner a combined lance of camera and several Provide glass fibers.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung.Further Advantages and features of the invention will become apparent from the dependent claims and from the description below.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, nämlich dem Herstellen von Zement in einem Drehrohrofen, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment, namely making cement in a rotary kiln, with reference on the attached Drawings explained in more detail.
In
einen Drehrohrofen
Die
im Drehrohrofen
Die
Glasfaser
Insbesondere die erfaßte Intensität von CaOH korreliert sehr stark mit der aus den gezogenen Proben des gebrannten Klinkers ermittelten Klinkerzahl (auch als FCAO bezeichnet). Die Klinkerzahl ist eine in der Zementindustrie eingesetzte, zwischen Null und Eins liegende Maßzahl, die die Güte des erzeugten Klinkers wiedergibt. Diese Klinkerzahl dient bei bisherigen Prozessen zu einem manuellen Nachstellen der Umsetzparameter. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nun mit der Auswertung der Intensität der Strahlung von CaOH (bzw. des Quotienten von CaOH zu einem anderen Strahler oder der Temperatur zwecks Normierung) eine kontinuierliche on-line Regelung des Umsetzungsprozesses, hier also des vorstehend genannten Verfahrens zum Herstellen von Zementklinker. Dabei kann man die Drehzahl des Ofens und damit die Verweilzeit des Kalks, die Stöchiometrie von Brennstoff bzw. Verbrennungsluft oder andere Parameter steuern oder regeln. Darüber hinaus kann die Güte der Flamme als Randbedingung des Verfahrens zum Herstellen von Zementklinker ebenfalls optimiert werden, z.B. um eine rußfreie Verbrennung sicherzustellen. Hierfür wird z.B. die Intensität von K oder der Quotient, etwa im Verhältnis zu der Intensität von C2, genutzt.In particular, the detected intensity of CaOH correlates very strongly with the determined from the drawn samples of fired clinker clinker number (also referred to as FCAO). The number of clinker is a used in the cement industry, between zero and one lying measure, which reflects the quality of the clinker produced. This clinker number is used in previous processes for a manual adjustment of the conversion parameters. The method according to the invention now permits, with the evaluation of the intensity of the radiation of CaOH (or the quotient of CaOH to another radiator or the temperature for the purpose of normalization), a continuous on-line regulation of the reaction process, in this case of the above-mentioned method for producing cement clinker , Here you can control the speed of the furnace and thus the residence time of the lime, the stoichiometry of fuel or combustion air or other parameters or regulate. In addition, the quality of the flame as a boundary condition of the method for manufacturing be optimized by cement clinker, for example, to ensure a soot-free combustion. For example, the intensity of K or the quotient, approximately in relation to the intensity of C 2 , is used for this purpose.
Die Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen von u.a. Kalk zu Zementklinker unter Wärmezufuhr mittels einer Flamme beschrieben worden. Es versteht sich, daß entsprechend einem analogen Verfahren andere Substanzen in vergleichbaren Vorrichtungen kalzinierbar sind, beispielsweise Aluminiumhydroxid zu Al2O3. Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren aber auch einsetzbar bei anderen Prozessen, beispielsweise bei der Glasschmelze.The invention has been described above with reference to a method and apparatus for reacting, inter alia, lime to cement clinker under heat by means of a flame. It is understood that according to an analogous method, other substances can be calcined in comparable devices, for example aluminum hydroxide to Al 2 O 3 . Likewise, however, the method according to the invention can also be used in other processes, for example in glass melt.
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