DE2654971B2 - Verfahren zur Herstellung von kalziniertem Koks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalzinieren von Koks mit einem Anteil an flüchtigen Bestandteilen in einem geneigten Drehofen, bei dem durch Zufuhr von Koks am oberen Ofenende ein wanderndes Koksbett erzeugt wird, welches am unteren Ofenende ausgetragen wird, wobei in den Ofen zwischen dessen beiden Enden Luft eingeblasen wird.

Bei der Kalzinierung von Petrolkoks wird z. B. zerkleinerter grüner Petrolkoks bei hoher Temperatur kalziniert, um flüchtige Stoffe abzutreiben und um die Kristallstruktur des Kokses zu reorientieren. Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren, bei dem der Koks oder das andere kohlenstoffhaltige Material in einem Drehofen kalziniert wird.

Das Ausmaß der Kalzinierung und der Schrumpfung der Koksbestandteile hängen von der Temperatur ab, auf welche die Koksbestandteile erhitzt werden. Diese Hitze wird dem Koksbett von der heißen gasförmigen Atmosphäre innerhalb des Ofens und der erhitzten Ofenwand zugeführt, so daß die Gefahr besteht, daß das Koksbett in seiner Mitte weniger erhitzt wird als an seinem Rand. Außerdem führt das Kalzinieren des Kokses zu großen Mengen von Kohlenstoffpartikeln im Abgas, die aus diesem vor dem Austreten in die freie Atmosphäre durch Verbrennung oder andere Behandlung entfernt werden müssen.

Aus US-PS 28 13 822 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Koks bereits im oberen Ofendrittel stark erhitzt wird, so daß bereits dort etwa zwei Drittel seiner flüchtigen Bestandteile entweichen. Im Hinblick darauf wird am unteren Ende dieses oberen Ofendrittels Luft zugeführt, um diese flüchtigen KoksbestandteiL vollständig verbrennen zu können. Im Bedarfsfall kann etwa am unteren Ende des mittleren Drittels der Ofenlänge nochmals Luft zugeführt werden, um die in diesem mittleren Ofenbereich eventuell noch entweichenden flüchtigen Koksbestandteile ebenfalls vollständig verbrennen zu können. In jedem Fall wird jedoch bei diesem bekannten Verfahren der Hauptteil der zwischen den beiden Ofenenden zwangsweise zugeführten Luft in der oberen Ofenhälfte eingeblasen, wo der Großteil der flüchtigen Koksbestandteile aus dem Koksbett entweicht und verbrannt werden soll.

Zwar erfolgt bei diesem bekannten Verfahren eine intensive und. vollständige Verbrennung der flüchtigen Koksbestandteile, trotzdem wird die dabei entstehende Wärme noch nicht optimal für das Kalzinierungsverfahren ausgenutzt. Einerseits muß zur zufriedenstellenden Durchführung des Verfahrens noch Fremdwärme durch Verbrennen von Freradbrennstoff am unteren Austragsende des Ofens verwendet werden, was in der Nähe des Ofenendes erfolgt, was zu starkem Koksbrand und damit zu einer Reduzierung der Ausstoßmenge an kalziniertem Koks führt. Andererseits treten die verbrannten Ofengase am oberen Ofenende mit einer relativ hohen Temperatur in den Abzugskamin aus mit den Folgen einer schlechten Energieverwertung.

Ein Kalzinierungsverfahren, bei dem man eine verbesserte und gleichmäßigere und wirtschaftliche Erhitzung des Koksbettes bis zur Kalzinierungstemperatur durch einen verbesserten Wärmeübergang erreicht, wird in der DE-OS 25 20 132 beschrieben. Bei dem dortigen Verfahren gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 sind die wesentlichen beiden Verfahrensparameter die maximale Ofentemperatur T_c in der regellosen Zone und die Position der regellosen Zone Pc- Eine direkte Messung von T_c ist nicht möglich, aber gemäß dem bekannten Verfahren kann man, unter der Voraussetzung, daß P_c einigermaßen konstant gehalten wird, aus der Temperatur 7rfden Wert für die Temperatur T₁ durch die Kristallitdicke des Produkts errechnen. Dies heißi mit anderen Worten, daß, unter der Voraussetzung, daß P₁- konstant ist, eine vorhersehbare Beziehung zwischen 7"</ und der Kristallitdicke besteht.

AiIe Änderungen in P_c und Td, die beim Betrieb des Ofens auftreten, können durch Veränderung von Variablen korrigiert werden, z. B. durch die Veränderung der Zuführungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft, durch die Drehgeschwindigkeit des Drehofens oder die Beschickungsgeschwindigkeit des kohlenstoffhaltigen Materials. Letzteres ist jedoch unerwünscht, weil dadurch die Produktionsrate des Ofens verändert wird.

Bei dem bekannten Verfahren wurde der Wert Td gemessen, während die Überwachung der Position der Zone P_c lediglich durch ein Fenster im Ofen möglich ist. Wegen der hohen Temperaturen im Ofeninneren muß eine solche Beobachtung durch eine Reihe von optischen Filtern oder durch eine Fernsehkamera erfolgen, und dies erschwert eine solche Beobachtung.

Außerdem ist das Beobachtungsfenster in der Regel in einer Entfernung von etwa 20 m vom unteren Ende der regelloseii Zone P_c angebracht, so daß diese Zone nur sehr schwierig beobachtet werden kann. Dies bedeutet, daß es sehr schwer ist, einen numerischen Wert der Zone P_c zuzuordnen, und daß es deshalb in der Praxis nicht praktikabel ist, die Zone P_c kontinuierlich zu beobachten und daraus folgt, daß es ebenso schwierig ist, festzustellen, ob eine Veränderung der Zone P_c im Laufe von nacheinander folgenden Beobachtungen erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine ständige visuelle Beobachtung der Zone P_c zu vermeiden und einen anderen Weg zu finden, um eine Kontrolle der Zone P_c zu bewirken. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß man den Wert für 7} mißt und aufzeichnet, ebenso die Werte für die Temperaturen Td. Da man Ta und Tt leicht messen kann, ist es ein großer Vorteil beim erfindungsgemäßen Verfahren, diese beiden Werte als Kontrollwerte für die maximale Kalzinierungstemperatur T_c in der regellosen Kalzinierungszone P_c einzusetzen.

Bei dem bekannten Verfahren gemäß DE-OS 25 20 132 wurde 7} zwar überwacht, jedoch wurde 7} nicht als Kontrolltemperatur gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden bei dem Verfahren gemäß Gattungsbegriff die Betriebsbedingungen des Drehofens so gesteuert, daß man zunächst Sollwerte der Temperaturen Td und Tr festlegt, bei welchen Temperaturen der gewünschte Wert der maximalen Kalzinierungstemperatur T_c in der regellosen Kalzinierungszone P_c und deren gewünschten Position vorliegen. Dann stellt man die Temperaturen Td und Tt und die Betriebsbedingungen so ein, daß sie Abweichungen von den tatsächlichen Werten für Td und Tr entgegenwirken. Dies bewirkt eine beachtliche Vereinfachung des Verfahrens gemäß DE-OS 25 20 132.

Obgleich die maximale Temperatur T_c von kritischer Bedeutung für das effektive Ausmaß der Kalzinierung ist, werden weder tatsächliche Ablesungen dieses Wertes vorgenommen, noch werden diese gebraucht. Eine zufriedensteilende Kalzinierung eines gegebenen Kokses, entweder gemessen anhand der Kristallitdicke, der wirklichen Dichte oder sonst, hängt spezifischerweise davon ab, daß dieser eine bestimmt;· Maximaltemperatur erreicht.

Periodisch wird die Position P_c der regellosen Zone (z. B. durch visuelle Beobachtung oder durch Fernsehüberwachung) und Beobachtungen die physikalische Konstitution des Produktes (z. B. der Kristallitdicke, L_n durch Röntg°nbeugung, oder der wirklichen Dichte) die für den Wert von 7^ repräsentativ sind, durchgeführt, um eine Revision der Sollwerte von 7} und Td im erforderlichen Ausmaß zu ermöglichen.

Ein wesentliches Betriebsmerkmal des Verfahrens besteht darin, daß mindestens die Hauptmenge der Verbrennungsluft, und vorzugsweise die gesamte oder nahezu gesamte Verbrennungsluft durch eine Reihe von in Längsrichtung im Abstand angeordneten Düsen oder Winddüsen (z. B. 3 bis 10) eingeführt wird, weiche durch die Wand des Drehrohrofens in Richtung auf die Achse des Drehofens vorspringen. Die weiteste Stromabwärts-Winddüse kann bei mindestens 1/4 der Drehofenlänge vom Austragungsende des Kokses angeordnet sein. Die weiteste Stromaufwärts-Winddüse sollte bei mindestens 1/4, vorzugsweise bei mindestens 1/3, der Drehofenlänge von dem Koksbeschickungsende angeordnet sein. Die Ljft wird beispielsweise durch ein Gebläse oder durch Gebläse oder dergleichen, die auf der Außenseite des Drehofens angeordnet sind, eingeblasen und die Luftzuführungsgeschwindigkeit ist in der Weise steuerbar, daß man das Gebläse oder seinen Einlaß oder Auslaß einstellt oder daß man den Luftaustritt an dem Austragungsende des Drehofens durch Einstellung bzw. Handhabung des Drehofen(ab)zuges reguliert Die hier verwendeten Bezeichnungen »stromaufwärts« und »stromabwärts« beziehen sich auf die Längswanderungsrichtung des Kokses.

Bei der Betrachtung der Verfahrensweise der Erfindung sollte in Betracht gezogen werden, daß eine Zunahme von T_c zu einer Zunahme von Td und möglicherweise auch zu einer Zunahme von Tt führt, obgleich in manchen Fällen Ti sehr wenig auf Änderungen von T_c ansprechen kann. Eine Stromaufwärtsbewegung der regellosen Zone P_c bewirkt eine Erhöhung von 7>, jedoch eine Verminderung von Td-Entgegengesetzte Veränderungen v.~>n T_c und P_c ergeben im allgemeinen entgegengeseirte Veränderungen von 7rfund 7>.

Die Variablen, die vorzugsweise gesteuert werden, nämlich die Luftzuführung für die Verbrennung der flüchtigen Bestandteile und die Drehgeschwindigkeit des Ofens haben auf T_c und P_c grundsätzlich die folgenden Auswirkungen·.

Bei Erhöhung der Luftzufuhr ergibt sich infolge erhöhter Verbrennung der flüchtigen Bestandteile ein Anstieg für T₀. Wenn die Luftzufuhr vermindert wird, ergibt sich die umgekehrte Erscheinung. Gleichzeitig können diese Luftveränderungen die regellose Zone P_c sowohl hinsichtlich der allgemeinen Anordnung bzw. Lage dieser Hochtemperaturzone in dem Drehofen als auch hinsichtlich des »Brennpunktes« oder der Konzentrationsabgrenzung dieser regellosen Hochtemperaturzone beeinflussen.

Wenn sich P_c in der richtigen Sollstellung oder höher aufwärts des Drehofens befindet, dann bringt eine Erhöhung der Luft(zuführung) eine Neigung zu dessen Aufw?rtsbewegung innerhalb des Drehofens und dessen »Defokussierung« mit sich. Wenn P_c zu niedrig ist (was relativ selten vorkommt), dann unterstützt eine Erhöhung der Luft(zufuhr) die Wiedereinstellung der gewünschten Stellung. Wenn P_c zu hooh und/oder defokussiert ist, dann bringt die Abnahme der Luft(zufuhr) eine Neigung zur Bewegung dieser Zone in Abwärtsrichtung des Drehofens und zu ihrer »Refokussierung« mit sich. Manchmal trägt dies zu einer Erhöhung von 7"_cbei (was ein entgegengesetzter Effekt ist, als er durch eine Verminderung der Luft(zufuhr) bewirkt wird, wenn sich P_c in korrekter Stellung befindet). Wenn P₁- den Sollwert oder einen niedrigeren Weit aufweist, kann eine Verminderung der Luft(zufuhr) dessen weitere Verschiebung im Drehofen nich unten zu einer weniger günstigen Stellung bewirken. Wie nachstehend beschrieben ist, können diese und andere unerwünschte Bewegungen der Zone durch eine korrekte Einstellung der Drehofengeschwindigkeit, UPM kompensiert werden.

Es ist zu beachten, daß die Konzentration oder der »Brennpunkt« der regellosen Zone einen Faktor darstellen, der bei der Steuerung des Prozesses in Betracht gezogen werden muß. Es wird angestrebt, daß die regellose Zone ziemlich konzentriert oder brennpunktartig angeordnet ist, anstatt daß sie über einen weiten Abstand entlang des Drehofens ausgebreitet ist. Es ist besonders zu beachten, daß eine Beziehune

zwischen T_c und der Konzentration der regellosen Zone besteht. Eine Erhöhung der Temperatur T_c der regellosen Zone ist von einer rascheren Freisetzung flüchtiger Stoffe und folglich einer konzentrierteren (kleineren) Zone, in der die Freisetzung der flüchtigen Stoffe erfolgt, begleitet. Veränderungen der Geschwindigkeit des Koksstroms in Abwärtsrichtung des Drehofens, die durch Variationen der Drehgeschwindigkeit des Drehofens (UPM) erhalten werden, führen in erster Linie zu einer Verschiebung der regellosen Zone. Wenn die regellose Zone anfänglich, bezogen auf die Winddüsen, zu groß ist, so bewirkt eine geringe Zunahme der UPM eine Bewegung der regellosen Zone in Abwärtsrichtung des Drehrohrofens zu einem geeigneteren Ort, wo sie sich konzentriert. Wenn sich die regellose Zone in Sollstellung befindet oder zu niedrig liegt, ist eine Erhöhung der UPM unerwünscht, da dies zu einem Zusammenbruch der aufgewirbelten, rptjpllnspn 7nnp fiihrpn kann Finp AKnahmp rlpr I IPM

verschiebt die regellose Zone den Drehrohrofen hinauf. Eine solche Verschiebung führt zur Wiederausbildung einer anfänglich zu niedrigen regellosen Zone und zur Ausdehnung oder Ausbreitung einer Zone, die sich am Anfang beim Sollwert befand oder zu hoch lag.

Wenn die Veränderung der Beschickungsgeschwindigkeit des Kokses als Steuerparameter verwendet wird, bewegt sich die regellose Zone bei einer Erhöhung der Beschickungsgeschwindigkeit in Abwärtsrichtung des Ofens, während sie sich bei einer Verminderung der Beschickungsgeschwindigkeit in dessen Aufwärtsrichtung bewegt. Eine derartige Veränderung der Beschikkungsgeschwindigkeit kann mit einer Ausbreitung oder Verkürzung der regellosen Zone verbunden sein. Insbesondere hängt eine solche Ausbreitung oder Verkürzung von der Anfangsstellung der Zone ab und sie ist derjenigen p''i<-h, die bei einer Veränderung der UPM auftritt. Setzt man voraus, daß P_c am Sollwert gehalten wird, so führt eine Erhöhung der Beschikkungsgeschwindigkeit zu einer Verminderung von 7Ό, da mehr Koks erhitzt werden muß, während eine Verminderung der Beschickungsgeschwindigkeit zu einer Erhöhung von T_c führen kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Drehofens, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeordnet isi,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Veränderung der Kokstemperatur während des Durchlaufes durch den Drehofen (in Richtung des Beschickungsendes des Drehofens) und die Veränderung der Gastemperatur zeigt,

F i g. 3 ein Diagramm, das die Art und Weise zeigt, in der die verschiedenen Messungen bzw. Meßwerte durch Veränderungen der Bedingungen im Inneren des Drehofens beeinflußt werden,

F i g. 4 ein Diagramm, das die Art und Weise zeigt, in der die verschiedenen Steuervorgänge die Bedingungen innerhalb des Drehofens beeinflussen können,

F i g. 5 eine schematische Ansicht, die den Bettungswinkel des Kokses in den verschiedenen Zonen des Drehofens zeigt

In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 einen Drehofen 10, in den kornförmiger Petrolkoks durch eine Leitung 12 am oberen Beschickungsende eingespeist wird, während der kalzinierte Koks am unteren Ende des Drehofens durch einen Auslaß 15 in einen Abzug 16 ausgetragen wird. Der Drehofen ist mit einer nach unten genchteten Neigung, gewöhnlich von 2 bis 8%, angeordnet, so daO sich der Koks als kontinuierliches Bett entlang des Drehofens bewegt, wenn der Drehofen durch ein herkömmliches Ritzel- und Ringgetriebe 18 und durch

, einen Motor 19 mit variierbarer Geschwindigkeit gedreht wird. Die Drehung des Drehofens kann in geeigneter Weise zwischen 0,5 und 3,75 UPM variiert werden.

Gase strömen den Drehofen hinauf und sie werden

id durch eine Einfassung 20 ausgetragen, aus der diese Gase durch einen Auslaß 21, vorzugsweise unter Zuhilfenahme einer Zugsteuerung 22 strömen.

Bei Abwärtsbewegung des Koksbetles im Drehofen wird dieses einer hohen Temperatur unterworfen

r. indem seine verbrennbaren, flüchtigen Bestandteile mit Luft verbrannt werden, die durch ein Gebläse 25 zugeführt wird. Dieses liefert die Luft zu einem Verteiler 2b, von wo sie durch eine Reihe von Winddüsen 27a-n in den Drehofen ein"edüs! wird. Die Winddüse" sind axial

>ii entlang des Drehofens im Abstand angeordnet und richten die Luft stromaufwärts in Richtung auf das Gasauslaßende. Die Luftzuführung durch die Winddüsen 27 ist mengenmäßig durch Variierung der Geschwindigkeit des Gebläses 25 oder durch andere

j-, Fließ-Steuereinrichtungen in dem Zuführungssystem einstellbar.

Beim Anfahren des Drehofens wird zusätzliche Hitze durch ein τ Brenner 30 am Austragungsendc zugeführt, um die Temperatur des Koksbettes auf die Kalzinie-

JM rungstemperatur anzuheben, und um die Freisetzung von verbrennbaren flüchtigen Stoffen einzuleiten. Wenn eine solche Temperatur erreicht L:i und die freigesetzten flüchtigen Stoffe entzündet worden sind, kann der Brenner abgeschaltet werden. Danach kann während

j-, des gesamten Kalzinierungsvorgangs die Wärme durch die Verbrennung der flüchtigen Stoffe aufgebracht werden.

Beim Betrieb des Drehofens wird das Koksbett in einer Zone P_c durch die rasche Freisetzung von flüchtigen Stoffen regellos gemacht. Diese rasche Freisetzung ist das Ergebnis des raschen Anstiegs der Kokstemperatur, der vom Verbrennen der freigesetzten flüchtigen Stoffe in der Luft herrührt, welche durch die Winddüsen 27 eingedüst wird.

4-, Ein optisches Pyrometer 32 ist gegen eine Stellung 33 des Koksbettes oder der angrenzenden Oberfläche des Drehofens in der Nähe des Austragungsendes gerichtet. Die durch das Pyrometer 32 gemessene Temperatur wird als Temperatur Td des Austragungsendes bezeichnet, und zwar ungeachtet, ob sie beim Austragungspunkt oder tatsächlich etwas stromaufwärts innerhalb jes Drehofens abgelesen wird. Es hat sich gezeigt, daß Td eine direkte Beziehung zu der Kalzinierungstemperatur Tc am unteren Ende der regellosen Zone hat, wenn das Stromabwärtsende A der regellosen Kalzinierungszone P_c sich in der vorgewählten Stellung befindet oder auf diese zurückgeführt wird. Anders ausgedrückt, es wurde gefunden, daß, wenn alle anderen Bedingungen des Drehofens konstant gehalten werden, die Veränderung von Td einen Indikator für die Veränderung von T_c darstellt und dementsprechend Veränderungen des physikalischen Zustandes des Produktes anzeigt

Der Ort der regellosen Kalzinierungszone P_c ist gewöhnlich vom unteren Ende des Ofens entweder durch eine direkte visuelle Untersuchung oder durch eine Fernsehkamera 35 beobachtbar. Letztere ist an dem Koksbett in der Nähe der untersten Luftzuführungswinddüse 27a angeordnet.

Der Ort und die Existenz der regellosen, aufgewirbelten bzw. fluidiertcn Zone /',des Koksbettes kann durch die Fernsehkamera 35 festgestellt werden, aus der Videosignale auf einem Schirm abgespielt werden, welcher vom Betriebspersonal des Drehofens beobachtet wird. Die physikalische Regellosigkeit bzw. Störung, die durch den aufgewirbelten Zustand, bzw. den WirbeL'j/lichtzustand des Bettes gebildet wird, kann im Inneren des Drehofens deutlich gesehen werden. In dieser Gegend ist das Koksbett annähernd horizontal, was im Gegensatz zu dem Aussehen des Bettes weiter unten im Drehofen steht, wo die obere Oberfläche des Bettes durch die Drehung des Ofens scharf geneigt ist.

Manchmal sind die Bedingungen (z. B. in sehr großen und/oder Drehofen die mit niedriger Kapazität arbeiten) derart, daß eine visuelle Erkennung dieses regellosen, aufgewirbelten Trils des Bettes erschwert ist. In solchen Fällen kann gewöhnlich eine Wand aus Flammen am Stromabwäriscndc des regellosen Teiis des Koksbettes dazu herangezogen werden, um zu bestimmen, ob die regellose Kalzinicrungs/onc /'hoch, niedrig oder im wesentlichen in Sollstcllung liegt, z. B. mit seinem Stromabwärtsendc an die unterste Winddüse 27a angrenzt.

Bei der Erfindung wird die Gastemperatur Ti am oberen Ende des Drehofens in häufigen Intervallen gemessen. Die Temperatur Ti wird vorzugsweise durch ein Thermo(meter)element 37 in der Einfassung 20 in einer Stellung nahe an der Achse des Drehofens gemessen. Das Thermo(meter)element 37 kann ein Thermepaar darstellen, oder es kann sich um einen anderen Typ eines Pyrometers handeln.

Eine Grundaufgabe der Kalzinierung von kohlenstoffhaltigem Material besteht darin, einen erheblich höheren Wert der wirklichen bzw. Realdichte zu erreichen, als sie für das nicht-kalzinierte Material charakteristisch ist. Mehrere verschiedene Messungsarten können herangezogen werden, um das tatsächl.che Ergebnis des Kalzinierungsprozesses in dem ausgetragenen Koks zu bestimmen. Man kann sagen, daß die Messungen bestimmter anderer Charakteristika den Dichtewerten entsprechen, und daß sie das Ausmaß oder die Wirksamkeit der Kalzinierung des Kokses anzeigen.

Direkte Bestimmungen der wirklichen Dichte des Produktes können zwar durchgeführt werden, sind aber etwas rsitaufwendig. Eine andere meßbare physikalische Eigenschaft stellt der elektrische Widerstand dar. In äußerst zweckmäßiger Weise können Bestimmungen, die im Zusammenhang mit dem Kalzinierungsergebnis stehen, bei Proben mittels Röntgenbeugungs-(XRDJ-Methoden zur Messung der mittleren Kristallitdicke durchgeführt werden. Die Messung der Kristallitdicke des Kokses wird gegenüber Dichtemessungen bevorzugt, weil sie genauer ist und eine fundamentalere Bewertung der Veränderungen in der Koksstruktur darstellen. Die Werte der mittleren Kristallitdicke werden hierin als Lcbezeichnet.

Es besteht eine Beziehung zwischen den Messungen von Lc und der wirklichen bzw. realen Dichte des Petrolkokses. Während der grüne Koks eine Dichte von weniger als 1,6, z. B. 1,4, haben kann, und die entsprechenden Lc-Werte weniger als 20 Ä sein können, können gewünschte Werte für kalzinierten Koks 2,0 bis 2,10 sein, was L₀-Werten von 22 bis 35 Ä entspricht.

Die Messungen der Werte von Lc oder der tatsächlichen Dichte zeigen an, ob die maximale Kalzinierungstemperatur T₀, der der Koks ausgesetzt worden ist, sich beim gewünschten Wen befindet. Ein Abweichen der Werte von l_v und/oder der tatsächlichen Dichte von den optimalen Werten weist auf die Notwendigkeit hin, den Wert für T₁-, setbst wenn der tatsächliche Wert für T_c selbst nicht bekannt ist, zu verändern.

Die f-'ig. 2 gibt ein Beispiel eines Temperaturprofils des in F i g. I gezeigten Drehofens an, von dem angenommen werden kann, daß er eine Lange von 61 m (200 ft), einen Durchmesser von 2,45 m (8 ft), eine Neigung von 4%, eine Drehgeschwindigkeit von etwa 2,5 UpM und eine Beschickung von grünem Petrolkoks von etwa 25 t/h besitzt. Die Winddüsen 27a-n sind über einen Abstand von 6,1 bis 18,3 m (20-60 ft) verteilt, wobei sich die erste Winddüse 27a bei einem Abstand C von etwa 18,3 bis 27,5 m (60-90 ft) vom Austragungsendc befindet. Die Gesamtluftzufuhrung kann, wie sie für das vorliegende Verfahren erforderlich ist, eingestellt werden, im angegebenen Beispiel liegt sie gewöhnlich im Bereich 200-450 m'/min.

Die Gesamtverweilzeit des Kokses in dem Drehofen beträgt gewöhnlich 45 Minuten oder mehr. Ein stabiles Koksbett ist unterhalb der regellosen Kalzinierungszone, d. h. in der Länge C der F i g. 2 erforderlich. Ohne diese Länge eines stabilen Bettes besteht die Gefahr, daß das Koksbett in ungesteuerter Weise den Drehofen hinunterrutscht. Um eine Stabilität in der Länge C aufrechtzuerhalten, beträgt der Zeitraum, der für den Durchlauf des Kokses erforderlich ist. mindestens 5 Minuten und üblicher 10 bis 15 Minuten.

Die Fi g. 5 zeigt in schematischer Weise in Perspektive die Stellung des Kokses in den verschiedenen Zonen in dem Drehofen, von dem unteren Austragungsende des Drehofens aus gesehen.

In dem unteren Ende des Drehofens (unterhalb des Punktes A in Fig. 1) befindet sich ein stabiles Bett 60 aus Koks, das im Drehofen langsam abwärts strömt, und das durch die Drehung des Drehofens bei einem Bettungswinkel in der Gegend von 30 — 40° gehalten wird.

Oberhalb des stabilen Bettes 60 befindet sich eine regellose Zone 61 (die der Zone zwischen den Punkten A und B der Fig. 1 entspricht). In dieser regellosen Zone befindet sich die obere Oberfläche lypischerweise in einem erheblich flacheren Winkel, und zwar in der Gegend von 5 bis 15° zu der Horizontalen. Obgleich der Übergang von der regellosen Zone 61 zu dem stabilen Bett 60 nicht so abrupt ist, wie es in dem Diagramm dargestellt ist, ist doch der Übergangsbereich 62 klar erkennbar, wenn das Innere vom Bodenende betrachtet wird.

Wenn vorstehend auf die Konzentration oder den »Brennpunkt« der regellosen Zone Bezug genommen wurde, bezog sich das auf die axiale Länge der Zone 61.

Wo die axiale Länge der regellosen Zone 61 abnimmt, ist dies darauf zurückzuführen, daß die Freisetzung flüchtiger Stoffe intensiver erfolgt.

Oberhalb der regellosen Zone 61 bildet der Koks ein stabiles Bett 63 vom oberen Ende in dem Bereich zwischen dem Beschickungsende und dem Punkt B der Fig.).

Es ist leicht, die Position im Drehofen der Übergangsgegend 62 (die dem unteren Ende der regellosen Zone P_c entspricht) durch visuelle Betrach-

f>5 tung festzustellen, da sie mit der Position der Winddüse 27a (in F i g. 5 nicht gezeigt) in Bezug gebracht werden kann. Es ist jedoch nicht einfach, die Länge (Konzentration) der regellosen Zone 61 durch visuelle Betrachtung

zu ermitteln. Fine Abnahme der Freisetzung flüchtiger Stoffe führt jedoch zu einer Erhöhung des Bettungswinkels. Eine Erhöhung des Bettungswinkels der regellosen Zone 61 deutet daher an, daß sich P, sowohl hinsichtlich der Konzentration als auch möglicherweise hinsichtlich der Längsstellung beim Sollwert befindet.

Beim Diagramm der F-' i g. 2 ist der Wert von 71/ in der Stellung 33 stromabwärts des unteren Endes A der regellosen Kalziiiierungszone P₁ gemessen. Der Sollwert von T₁/ würde in dieser Stellung etwa 980" betragen to und der Sollwert der Gasaustragungstemperatur Ti würde etwa 870ⁿC" beiragen.

Wenn Tj und Ί) ihre Sollwert'· hah'-n. und wenn die regellose Kalzinieriingszone P. entlang der I lache von A bis R angeordnet ist, und wenn das ausgetragenc Produkt auch einen /.,-Wert von mehr ,ils 22 hai, dann gibt das Diagramm der F i g. 2 den gewünschten Betrieb des crfindiingsgcmäßcn Verfahrens an. Ans anderen Untersuchungen kann errechnet werden, daß die Kal/inicrungsicmperatiir T. d. h der tatsächliche Wert. der bei der Spii/e der Kokstempeniiiirkurve bei oder etwa bei dem Punkt A der Fig. 2 erreicht wird, einen Wert von etwa I3OO°C haben kann, obgleich, wie oben bereits ausgeführt wurde, für das vorliegende Verfahren der tatsächliche Wert für T₁- niemals bestimmt werden kann.

Wenn der Koks sich den Drehofen hinunierbewegl, dann erreicht er eine Temperatur etwa beim Punkt .V stromaufwärts der sogenannten Kalzinicrungs/onc, wo die Freisetzung von flüchtigen Stoffen beginnt. Die intensive Kalzinierungswirkung. um die flüchtigen Stoffe herauszutreiben, und um die Dichte und die Kristallitteilchengröße des Kokses zu erhöhen, erfolgt innerhalb einer in gewünschter Weise zusammengedrängten Gegend AB, in der der Koks durch die rasche J5 Freisetzung von flüchtigen Stoffen regellos gemacht und aufgewirbelt wird.

Die Durchführung der Erfindung umfaßt die Stufen der Messung der verschiedenen Ofenbetriebsbedingungen, vorzugsweise in zwei Phasen und sodann der *o Stufen einer korrigierenden Einwirkung, wiederum vorzugsweise in zwei Phasen, wie sie durch die sogenannte »Grundslrategie« der Steuerung des Drehofens festgelegt wird. Das letztliche Ziel ist es, eine vorgewählte Stellung und einen vorgewählten Brennpunkt von P. d.h. der Kalzinierungszone und einen Sollwert von T,- aufrechtzuerhalten um in dem Produktkoks den gewünschten Wert für /_,. und die Dichte aufrechtzuerhalten.

Die oben dargelegten Meßstufen sind in dem so Diagramm der Fig. 3 veranschaulicht, welches sich auf die gemessenen Werte von T- und Tr bis Ti und P₁-bezieht. Es wird ersichtlich, daß die gemessenen Ofenendtemperaturen Tj und Tr durch T_c und P₁-bestimmt werden. Eine Erhöhung von T₁- ohne eine Veränderung von P₁- erhöht sowohl T- als auch Tp. Die Abwärtsbewegung von P im Ofen (die als positive Bewegung angesehen wird) erhöht Tt und vermindert Tj. Die Aufwärtsbewegung von P₁- in dem Ofen und die Erhöhung von T- kann Tj erhöhen oder vermindern, erhöht jedoch immer Tf.

Negative Veränderungen von T_c und/oder P_c ergeben Veränderungen von Tj und Ti, die entgegengesetzt sind zu derjenigen, die in F i g. 3 gezeigt werden.

Zusätzlich zu der Messung von Td und Tr, die sowohl von T_c als auch von P_c beeinflußt werden und die bequemerweise kontinuierlich gemessen werden, werden Messungen von Variablen, die nur durch eine der Größen T_c und P₁ beeinflußt werden, in Intervallen durchgeführt. Soniit gibt die XRD-Bestimmung von L₁-den Wert für T₁- an. Die Stellung von P₁. kann visuell durch das Instrument 35 gemessen werden. Bestimmungen von L₁- sind besonders wichtig, weil sie entweder angeben, ob der Koks der richtigen Kalzinierungstemperatur (71·) ausgesetzt worden ist oder wie die richtige Temperatur sein sollte. Die Eigenschaften des grünen Kokses (/. B. der Prozentgehalt an flüchtigen Stoffen, die Feuchtigkeit, die Teilchengröße) können von Zeit zu Zeit variieren und verändern in entsprechender Weise ilen Wert für T₁-, der zur Erzeugung eines optimal kalzinierten Kokses erforderlich ist. So können /.. B. zwei verschiedene Werte für T₁ erforderlich sein, um den gleichen gewünschten Wert von /,,. für zwei verschiedene Kokse zu ergeben. Die Ablesungen von L₁-/eigen daher, ob der vorliegende T₁--Wert korrekt ist, ohne daß eine tatsächliche Bestimmung des Wertes für T, erfolgt. Die Sollwerte für Tj und Ti können sodann revidiert werden, um den richtigen Λ,-Wert aufrechtzuerhalten. Beim normalen stabilen Betrieb des Ofens bei Beschickung mit Koks konstanter Eigenschaften und bei stabilen Umgcbungsbedingungen kann es nur sehr selten erforderlich sein, die Sollwerte von Tj und 7} auf den neuesten Stand zu bringen.

Fs gibt drei Hauptwirkungcn, die für die Kontrolle des Drehofens herangezogen werden können. Die Effekte dieser Wirkungen auf T₁- und P₁- sind in Fig.4 schema lisch angegeben. Diese zeigt (l)die Zunahme der Luftzuführung durch die Winddüsen 27, (2) die Erhöhung der Koksfließgeschwindigkeit, die durch eine Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Ofens bewirkt wird, und (3) die Erhöhung der Koksbeschickungsgcschwindigkeit. Die (positiven oder negativen) Auswirkungen dieser Vorgänge auf die Werte T₁- und P₁. sind in Fig. ί durch die markierten Kreise 40 und 41 zusammengefaßt.

Es wird ersichtlich, daß der sekundäre Effekt einer Modifizierung der Stellung von P₁ auf T₁- von der ursprünglichen Lage von P₁- abhängt. Wenn somit eine Veränderung von UPM oder der Beschickungsgeschwindigkeit P₁. von einer anfangs hohen Lage nach unten hin verschiebt, dann besteht auch die Neigung, daß die Kalzinierungszone sich konzentriert oder fokussiert, wodurch T, erhöht wird.

Wenn sich P₁ von seiner Sollstellung wegbewegt oder wenn es entfokiissiert wird, kann dies den 71-Wert vermindern. Veränderungen der Koksbeschickungsgeschwindigkeit ihrerseits beeinträchtigen unabhängig davon P₁.und T in der im Diagramm gezeigten Weise.

Das Grundmerkmal der Erfindung ist die Aufrechterhaltung des gewünschten Wertes der Kalzinierungstemperatur T₁- (ungeachtet ob dieser quantitativ bekannt ist oder nicht) und des gewünschten Ortes der regellosen Kalzinierungszone P₀. Zum Erhalt einer Steuerung werden die Sollwerte für die Endtemperaturen T^und Tf periodisch durch Messungen von L₁, der wirklichen bzw. Realdichte oder von anderen Eigenschaften des Kokses, die eine geeignete Kalzinierung ergeben und durch visuelle Überprüfung des Orts der regellosen Kalzinierungszone periodisch festgelegt.

Nach der Festlegung der Sollwerte von Td und Tt werden die Werte von Td und Tr kontinuierlich oder in häufigen Intervallen gemessen. Die tatsächlichen Werte für 7^ und Trwerden mit den Sollwerten verglichen, um tite erforderliche korrigierende Wirkung zu bestimmen, damit T_c und P_c auf ihre gewünschten Werte zurückgeführt werden.

Ein oder mehrere, vorzugsweise nicht mehr als zwei der drei Variablen, Luftzuführung, Umdrehungsgeschwindigkeit des Ofens (UPM) und Koksbeschickungsgeschwindigkeit, werden eingestellt, um Tj und 7} wieder auf die Sollwerte einzustellen. Vorzugsweise wird die Koksbeschickungsgeschwindigkeit konstant gehalten, und die Wiedereinstellung von Tj und 7} auf die Sollwerte wird durch Kontrolle der Luftzuführung und der Ofendrehung bewirkt. Wenn zufällig oder absichtlich eine Veränderung der Beschickungsgeschwindigkeit stattfinden sollte, dann kann die Luftzuführung und/oder die Ofendrehung herangezogen werden, um Tj und T/ auf Sollwerte zurückzuführen. Solche Einstellungen, die dazu vorgesehen sind, um trotz Verändci jngcn der Koksbeschickungsgeschwindigkeit 7",- und P, bei gewünschten Werten zu halten, stellen einen Kontrollvorgang dar, der als »Vorwärtsbeschickung« im Gegensatz zu einer »Rückkopplungssteucrung« bei der Einstellung der Luftzuführung und der Ofcndrehung als Reaktion auf Abweichungen der T₁/ und 7}von de¹¹ Sollwerten charakterisiert wird.

Die Kette der Beziehungen zwischen den Messungen und den Steueraktionen kann Zeitverzögerungsfunktionen einschließen. So kann sich z. B. beim Betrieb des oben beschriebenen speziellen Ofens eine Verzögerung von etwa 15 Minuten als Auswirkung einer Veränderung von T, ergeben, bevor eine entsprechende Veränderung des gemessenen Wertes von Ti erfolgt. Da weiterhin L,-erst nach dem Austragen des Produktkokses aus dem Ofen gemessen weiden kann, ergibt sich jo sugar noch eine längere Verzögerung, bevor eine entsprechende Veränderung des /.,-Wertes erkennbar wird. Für einen Vorgang, bei dem der Sollwert auf den laufenden Betrieb eingestellt wird, sollte Ti 15 Minuten vorher abgelesen werden, bevor die Probe zur Bestimmung der /.,-Messung abgenommen wird. 7} sollte abgelesen werden und P, sollte beobachtet werden 30 Minuten bevor man eine solche Probe abnimmt. Anders ausgedrückt, um Werte für Tr. Tj und L, zu erhalten, die einander entsprechen, müssen die Messungen in geeigneten Zeitintervallen durchgeführt werden, die die Fortschreitungsgeschwindigkeit des Kokses von der regellosen Kalzinierungszone zu der Austragung widerspiegeln. Eine Veränderung von T- in der Kalzinierzone zeigt sich jedoch nahezu augenblicklieh durch eine Veränderung der Gastemperatur Tran.

Die vorstehend angegebenen Beziehungeri, sowie der Meßvorgang, bei dem 7i/und T, abgelesen und mit den Sollwerten verglichen werden und gleichermaßen der Steuer-Aktionsvorgang, wo Veränderungen der Luft und von UPM, wie benötigt, errechnet werden, um Abweichungen von den Sollwerten zu korrigieren, werden vorzugsweise als dynamische Funktionen behandelt Bei strenger Betrachtung der Berechnungen kann sowohl eine reine Zeitverzögerung (in Zeiteinheiten) als auch eine exponentielle Zeitcharakteristik der Reaktion auftreten, die eine bestimmbare Zeitkonstante in sich einschließt. Andererseits kann, insbesondere bei einem Ofen, dessen Betrieb normalerweise ziemlich stabil ist, die Zeitverzögerungs- oder Zeit-Reaktionscharakteristik vereinfacht werden. Beispiele solcher Vereinfachung wurden oben angegeben. Eine geeignete Steuerung kann beispielsweise dann erhalten werden, wenn manuelle Steuerungsentscheidungen nicht häufiger als einmal pro Stunde ohne Bezugnahme auf die Zeitverzögerung oder exponentielle Zeitcharakteristik vorgenommen werden. Das heißt, daß dynamische Effekte für manuelle Kontrollzwecke durch die Anwendung einer geeigneten herkömmlichen Steuer-Rückkopplungsschleifenanordnung praktiscli vernachlässigbar werden. Der Veränderungen der Luft und der UPM, die erforderlich sind, um die Werte der Endtemperatur, die sich nicht beim Sollwert befinden, zu korrigieren, können leicht ohne Zeitbetrachtungen ermittelt werden.

Die Verfahrensweise kann manuell durchgeführt werden, indem man die Ablesungen abnimmt und die Korrektur-Aktionen bestimmt. Alternativ ist das Gesamtsystem auch für eine Automatisierung geeignet, wobei die Kalkulationen und die korrigierenden Größen durch einen Computer oder eine andere Einrichtung bestimmt werden und wobei man die dynamischen Erwägungen im System in volle Erwägung zieht. Während eine computergesteuerte Kontrolle im Betrieb relativ häufig erfolgen und bei der Ablesung der Endtemperatur und der Errechnung der Steueraktionen im wesentlichen kontinuierlich sein kann, ist gleichwohl ein manueller Betrieb, obgleich eine große Häufigkeit der Messungen und der Aktionen nicht durchführbar ist, hoch wirksam. So ist es z. B. ausreichend, solche Temperaturmessungen in Intervallen von '/: bis I¹/: Stunden durchzuführen und korrigierende Aktionen vorzunehmen.

Die Berechnungen im Hinblick auf die Interpretation der Messungen von Ti und Tr und der periodischen Anpassung der Sollwerte von Ti und Tr unJ der Endoperationen der Einstellung der Aktionsvariablen, d. h. der Luftzuführung, der Ofendrehung oder der Materialbeschickung und auch der Einstellung der Luft und der Ofendrehung als Reaktion auf die Beschikkungsveränderungen kann durch Versuche mit dem ausgewählten Ofen mit Reihen verschiedener stufenweiser Veränderungen der Aktionsvariablen und entsprechender Beobachtungen der gemessenen Mengen bestimmt werden.

Die Ergebnisse können gewünschtenfalls in tabellenförmiger, grafischer oder ähnlicher Form entwickelt werden, wobei Zeitfaktoren bezüglich der Sigi :"ikanz der Messungen und des Effekts der Einstellungen der Aktionsvariablen, in Betracht gezogen werden.

Diese Beziehungen können mathematisch entwickelt •werden, wodurch Formeln erhalten werden, in denen numerische Faktoren ausgebildet werden können. DieG kann beispielsweise von experimentell beobachteten oder theoretisch abgeleiteten Werten für Gleichungen geschehen, aus denen die Signifikanz der Messungen und die Natur der erforderlichen Aktionen entweder zur Anpassung (up dating) der Sollwerte oder zur Steuerung des Ofenbetriebs als Reaktion auf Abweichungen von Sollwerten leicht errechnet werden kann, wie es beim tatsächlichen Verhalten des Ofensteuerungsverfahrens der Fall ist. Die Anwendung von Beschreibungen in Matrizenform und von Adpationen der Matrix-Algebra-Analyse für lineare zeitinvariante dynamische Systeme würde besonders gut und vollständig für die vorliegenden praktischen Aufgaben und zur Messung und Steuerung von Drehkoksöfen geeignet sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche;

   1, Verfahren zur Herstellung von kalziniertem Koks durch Kalzinieren eines Bettes aus teilchenför-

   ~ migem kohlenstoffhaltigen Material während des Durchlaufs durch einen geneigten Drehofen, in den Verbrennungsluft in ein oder mehreren Positionen zwischen den Enden eingeführt und die maximale Temperatur des kohlenstoffhaltigen Materials in einer regellosen Zone P_e des Bettes erhalten wird, wobei mindestens 75% der Kalzinierungswärme durch Verbrennung der freigesetzten flüchtigen Stoffe erhalten werden, und das teilchenförmige Material durch die freigesetzten flüchtigen Stoffe aufgewirbelt wird, und die untere Grenze der regellosen Zone stromaufwärts der untersten Stellung der Einführung der Verbrennungsluft angeordnet ist, wobei man die Temperatur Td am Austragsende an einer Stelle stromabwärts der regellosen 2>>ne P_c und der Gastemperatur 7> am oberen Ende des Drehofens überwacht und die Betriebsbedingungen des Drehofens einstellt durch Änderung (1) der Zuführungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft, (2) der Drehgeschwindigkeit des Drehofens und/oder (3) der Beschickungsgeschwindigkeit des kohlenstoffhaltigem Materials in den Drehofen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Betriebsbedingungen des Drehofens steuert, indem man zunächst Sollwerte der Temperaturen Td und Tf festlegt, bei welchen Temperaturen der gewünschte Wert der maximalen Kalzinierungstemperatur T_c in der regel'asen K .Izinierungszone P_c und deren gewünschte Position vorliegen, und daß man die Temperaturen T^und 7}t; d die Betriebsbedingungen so einsteilt, daß sie Abweichungen der tatsächlichen Werte für 7^und 77entgegenwirken.
2. 2. Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß man die Sollwerte für T_d und T/ wiederholt zu vorgewählten Zeitintervallen erneut festlegt.