EP1543283A1 - Optimierung der pechdampfverbrennung in einem brennofen für kohlenstoffelektroden - Google Patents

Optimierung der pechdampfverbrennung in einem brennofen für kohlenstoffelektroden

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Publication number
EP1543283A1
EP1543283A1 EP03797134A EP03797134A EP1543283A1 EP 1543283 A1 EP1543283 A1 EP 1543283A1 EP 03797134 A EP03797134 A EP 03797134A EP 03797134 A EP03797134 A EP 03797134A EP 1543283 A1 EP1543283 A1 EP 1543283A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
furnace
fire
pitch
soot particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03797134A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mauritz Lustenberger
Felix Keller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
R & D Carbon Ltd
Original Assignee
R & D Carbon Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by R & D Carbon Ltd filed Critical R & D Carbon Ltd
Publication of EP1543283A1 publication Critical patent/EP1543283A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B13/00—Furnaces with both stationary charge and progression of heating, e.g. of ring type, of type in which segmental kiln moves over stationary charge
    • F27B13/06—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of this type
    • F27B13/14—Arrangement of controlling, monitoring, alarm or like devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0006—Monitoring the characteristics (composition, quantities, temperature, pressure) of at least one of the gases of the kiln atmosphere and using it as a controlling value
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0006—Monitoring the characteristics (composition, quantities, temperature, pressure) of at least one of the gases of the kiln atmosphere and using it as a controlling value
    • F27D2019/0018—Monitoring the temperature of the atmosphere of the kiln

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for optimizing the combustion of pitch vapor in a furnace for carbon electrodes, in particular anodes for aluminum melt flow electrolysis, which furnace comprises at least one cassette for green, pitch-containing electrodes embedded in fill powder from adjacent fire ducts. a gaseous or liquid fuel being introduced into the fire ducts operated with negative pressure while continuously monitoring negative pressure and temperature.
  • anodes For the large-scale production of primary aluminum, petroleum coke, recirculated anode material and pitch are used as binders according to the technology that is still common today.
  • the last process step in anode production consists of a heat treatment, the anodes being heated to a final temperature in the range from 1050 to 1200 ° C. at a fixed heating rate.
  • the anodes For an undisturbed electrolysis operation, the anodes must meet the following requirements in particular:
  • the technological background is shown schematically on the basis of an open annular chamber furnace 10 shown in FIG. 1 for burning anodes for the aluminum melt flow electrolysis according to FIG. 1 and is described as an example.
  • the open annular chamber furnace 10 comprises chambers 12 arranged in two parallel rows. These chambers 12, which run transversely to the longitudinal direction L, are also called sections.
  • the last chamber 12 of one row is connected to the first chamber 12 of the other row via a deflection channel 14 at the front ends of the furnace.
  • Each chamber 12 consists of a plurality, usually six to ten, fire shafts 16 (fire chambers), between each of which a cassette 18 is arranged, into which the green electrodes to be burned, in the present case anodes 20, are inserted.
  • the individual chambers 12 are separated from one another by a belt wall 22 (see also FIG. 3) which is described and illustrated later.
  • a cassette 18 is approximately 5 m high, 5 m long and 0.8 m wide.
  • the width of a corresponding fire pit 16 is approximately 0.5 m.
  • Each fire shaft 16 or each cassette 18 comprises two walls 98 (FIG. 6) made of refractory bricks running in the direction L.
  • Baffles 24 are arranged in the combustion chamber 16 in such a way that the smoke gases 62 (FIG. 3) are optimally guided.
  • the annular chamber furnace 10 is arranged in a concrete trough 26, around which an exhaust pipe 28 is guided.
  • This presently U-shaped or ring-shaped exhaust pipe 28 is equipped with a riser 30 for each chamber 12, it is also referred to for short as a ring pipe, even if it is U-shaped, that is to say missing on one end face of the furnace 10.
  • a negative pressure is permanently maintained in the annular chamber furnace 10 by means of the exhaust line 28 via external fans (not shown), which is necessary for maintaining the Process required train ensures.
  • a suction device 36 can be connected to the exhaust pipe 28 by means of a riser pipe 30 with an opening 34. In each riser 30, a flap or the like, not shown, can be attached, with which the negative pressure in the suction device 36 can be set.
  • furnace types There are two furnace types that are equivalent in operation but different in construction.
  • one type there is no flap in the riser 30 from the ring line 28 for connection to the suction device 36.
  • the negative pressure desired in the aspirator 36 is set in the flue gas cleaning system, ie the same negative pressure prevails in the ring line 28 as in the suction body 36 .
  • each suction device 36 is equipped with a manometer; the flap in the riser 30 is only opened after the suction device 36 has been positioned when the fire is changed until the desired negative pressure prevails in the suction device 36.
  • This negative pressure is a multiple (in the order of approximately 800-2000 Pa) of the negative pressure of approximately 100 Pa in the chamber 12 in front of the suction device 36.
  • the distance between the openings 34 in the direction L corresponds to the length of a chamber 12 in this direction and thus approximately the length of a fire shaft 16 and a belt wall 22.
  • the individual fire shafts 16 of the various chambers 12 are in the longitudinal direction with the corresponding shafts of the adjacent chambers L connected, ie connected in series.
  • a suction nozzle 38 branches off from the tubular suction device 36 to each fire shaft 16, each of these nozzles preferably having a motor-operated flap or the like, not shown, which allows the vacuum in the fire shafts 16 to be regulated individually.
  • the individual fire shafts 16 of the various chambers 12 are connected in series with the corresponding shafts of the adjacent chamber.
  • the outermost fire shaft 16 located directly next to the concrete trough 26 is connected to the same shaft of the next chamber.
  • a vacuum control only on the suction device 36 consequently affects all fire shafts 16 of the chambers 12 which are connected in series in the direction of fire F and are involved in the process.
  • a production unit displaceable in the longitudinal direction L in the present case consisting of the suction device 36, the vacuum measuring bridge 40, three burner bridges 42 and two coolers 44, extends over a plurality of chambers 12, two units extending over eleven chambers 12 are shown.
  • a vacuum measuring bridge 40 for measuring vacuum and temperature is arranged on the third chamber 12, a burner bridge 42 each on the fourth, fifth and sixth chamber 12 and a cooler 44 on the ninth and eleventh chamber 12 ,
  • the air is sucked into the cooling zone in such a way that the covers on the burner holes 34 and, if appropriate, belt wall holes 52 (FIG. 2) are removed.
  • the lids are generally kept closed in at least one chamber 12 behind the last burner bridge 42. Viewed in the longitudinal direction L, the pressure zero point is where the first burner cover or belt wall cover is removed; from there the negative pressure drops uniformly to, for example, about 100 Pa in the chamber 12 in front of the suction device 36.
  • the first cooler 44 (ie the cooler 44 adjacent to the rearmost burner bridge 42 can be integrated into the system as a "blower” in terms of control technology. If the system requires more oxygen, not only is the flap position in the corresponding riser 30 of the suction device 36 regulated, but also the fan is raised in the corresponding "blower” foot. The system between the "blower" and the suction device is closed.
  • a heat wave in the furnace in the form of a fire area or fire movement migrates from the burner bridges 42 in the direction of the suction device 36.
  • the production unit mentioned is opened by an opening 34, i.e. H. Chamber length offset in the direction of the advancing heat wave.
  • the time interval is usually in the range of 24 to 32 hours.
  • the air required to burn the heating medium usually natural gas or atomized, drop-shaped or thread-like heavy oil, is passed through the chambers
  • ring chamber furnaces 10 are controlled by means of computers. A time / temperature curve is specified. By regulating the vacuum and the amount of fuel, an attempt is made to maintain a predetermined target curve as well as possible. It is also known that compliance with all objectives - the highest possible production, identical heat treatment of all anodes and complete combustion - cannot be guaranteed in all circumstances with the usual means today. Incomplete combustion leads to the soot formation mentioned and thus to an increased opacity of the flue gases, in other words there is a clouding which reduces the light or radiation permeability.
  • a known weak point of all known processes is an incomplete pitch combustion that occurs again and again. If at any time the accumulated burner output in the fire shafts 16 connected in series and / or the current pitch steam transfer 102 (FIG. 6) from an anode cassette 18 into the fire shafts 16 is too high, an oxygen Shortage of substances occur. As a result, soot particles are formed with the disadvantages mentioned above.
  • known smoke density measuring devices are not intended for mobile use.
  • the extractor is a component weighing several tons, which after each fire cycle, i.e. about every 28 hours with which the crane has to be moved around a combustion chamber.
  • the adjustment of the smoke density measuring device is adversely affected by this transport process, which often results from accelerations being too high when the suction device is set down. Incorrect measurements result with all the undesirable consequences that result, such as incorrect process control actions.
  • the inventors have set themselves the task of creating a method and a device for carrying it out of the type mentioned at the outset which prevent the formation and existence of soot particles in the furnace atmosphere.
  • the object is achieved according to the invention in that the process flow in the area of visible pitch-damping combustion is continuously monitored optically and the formation of soot particles is optically detected, a quasi-real-time evaluation of the results and, if necessary, a corrective action for furnace monitoring and process optimization is carried out automatically is initiated by removing the soot particles by adapting at least one process parameter in the fire pit in question on the basis of available data.
  • Special and further embodiments of the method are the subject of dependent claims.
  • any soot formation can be recorded directly in each fire shaft, which enables direct automatic process control. This is done by - as mentioned - changing at least one of the process parameters vacuum, fuel supply and secondary air metering according to stored experience and / or calculated data.
  • the temperature is preferably measured simultaneously with the monitoring of the combustion process using an optical sensor, in particular at the same location.
  • the opacity absorbs radiation, which is measured with an optical sensor.
  • the use of a two-color pyrometer, which simultaneously measures the temperature and any radiation absorption by soot particles, is particularly advantageous. Such two-color pyrometers are available on the market.
  • the combustion process can be monitored using a commercially available camera.
  • the image evaluation takes place in quasi real time. We speak of quasi real time because the evaluation unit detects the combustion process in the affected fire shafts sequentially, which takes place in fractions of a second. If the evaluation unit detects a deviation from the desired situation in the course of monitoring the pitch vapor combustion with regard to the formation of soot particles, an automatic corrective action takes place in the desired sense.
  • the combustion process is recorded using a pyrometer with a very short response time and recorded as signal noise. If a different signal noise is detected due to the formation of soot particles, an automatic correction action is also carried out by changing at least one of the parameters vacuum, fuel supply and metering of secondary air by means of stored data.
  • the combustion process is monitored continuously, with the sensor signals being queried cyclically, and the cycle time being freely configurable. It is preferably carried out in cycle times of one to several seconds, for example 5-10 seconds.
  • the object is achieved according to the invention in that one or more optical sensors for continuously monitoring the combustion and the formation of soot particles in the flue gas are arranged in at least one fire shaft in the region of the vacuum measuring bridge.
  • one or more optical sensors for continuously monitoring the combustion and the formation of soot particles in the flue gas are arranged in at least one fire shaft in the region of the vacuum measuring bridge.
  • Deviations from the normal course of combustion and automatic corrective actions are appropriately signaled on a screen and registered in a database. This gives the operating personnel a complete overview of the process at all times and the data is available for subsequent analysis.
  • An optical sensor is preferably arranged in the area of the vacuum measuring bridge in each fire shaft. Temperature-sensitive and / or corrosion-prone optical sensors can be protected, for example, by a pyrex insert.
  • soot particles can not only be detected as a whole immediately, but also localized and eliminated.
  • Complete pitch steam combustion without the formation of soot particles is achieved again by automatically initiating corrective actions.
  • secondary air can be metered in, if necessary, by appropriate means, ie the oxygen content of the flue gases can be increased.
  • the addition of secondary air in the area of pitch combustion is not necessary. Secondary air is even undesirable since it is more energetically advantageous to maintain combustion with preheated primary air rather than cold secondary air. However, if the primary air is insufficient, it is better to work with secondary air than to accept incomplete combustion.
  • An open annular chamber furnace is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the method and device are described on the basis of the production of anodes for aluminum melt flow electrolysis.
  • the same or analogous means are used for burning other anodes and cathodes.
  • FIG. 1 represents an open ring chamber furnace known per se
  • FIG. 2 shows the oxygen content, the anode temperature, the temperature in the fire shaft and the negative pressure over several chambers of an open annular chamber furnace
  • FIG. 3 shows a partial longitudinal section through the fire shafts of an annular chamber furnace
  • FIG. 5 shows the arrangement of a camera in the area of a burner hole
  • FIG. 6 shows a vertical partial section through a chamber area transverse to
  • Fire direction. 2 are seven on the abscissa. Chambers 12 of an annular chamber furnace 10 (these and the reference numerals following with reference to FIG. 2 refer to FIG. 1), the direction of fire F runs from right to left. An aspirator is arranged above chamber 1, a vacuum measuring bridge above chamber 3 and three burner bridges above chambers 4 to 6. With regard to the three ordinates, the negative pressure p is dashed, the temperature Ti ⁇ of the fire pit 16 is punctured, the anode temperature T 2u is dashed and the curve of the oxygen content O 2 is shown with a solid line.
  • the combustion air is drawn in via the chambers 12 between the rearmost burner bridge 42 and the cooler 44, whereby the air is preheated, which improves the process efficiency.
  • the oxygen content gradually decreases in the direction F of the flue in the area of the burner bridges, each burner consumes part of the oxygen.
  • the area of the vacuum measuring bridge there is a continuous drop in the oxygen content due to the pitch combustion.
  • the volatile components of the binder diffused into the fire shaft 16 ignite and make a contribution of 30 to 50% to the total energy consumption of the annular chamber furnace 10. The remaining 50 to 70% of the energy supply takes place via the burner bridges 42.
  • a dotted curve T ⁇ 6 shows the heating of the flue gases in the fire shafts 16 against the direction of fire F.
  • the temperature profile depends on the given process parameters and on the furnace design. There is a striking rise in temperature in the area of visible pitch combustion, immediately before the vacuum measuring bridge 40. A peak is reached immediately after reaching chamber 3 with the vacuum measuring bridge, after which the temperature T- ⁇ 6 drops slightly and then rises in the area of Burner bridges 42 above the chambers 4 to 6 up to the maximum. After these burner bridges 42, the temperature T- ⁇ 6 gradually drops in the fire ducts 16. In the area of the cooler 44 which is not shown, air is blown into the fire ducts 16 at room temperature The anode temperature T 20 rises continuously during the firing process and is delayed compared to the fire pit temperature. The maximum firing temperature of about 1050 - 1200 ° C is reached at the last burner bridge 42 or directly behind it.
  • the negative pressure p drops in the direction of fire F from the value 0 Pa at the beginning of the cooling zone to about 100 Pa at the extractor 36 in chamber 1. Via the flap in the extractor connector 38, the negative pressure p increases to the value in the extractor 36 or in the ring line 28.
  • a partial longitudinal section through the fire shafts 16 in the direction L through an open annular chamber furnace 10 shows four chambers 12 in FIG. 3, which are partially separated by belt walls 22.
  • the flue or furnace gases 62 can pass from the fire shaft to the fire shaft 16 in the direction of fire F.
  • the temperature distribution can be optimized by arranging baffles 24 in the fire shafts 16.
  • the furnace cover 50 carries a burner bridge 42, a vacuum measuring bridge 40 and an aspirator 36 as attached equipment. There are also 50 openings left in the oven cover.
  • a shut-off element 54 in the form of a slide is introduced through belt wall openings 52 or burner holes 58 dimensioned for this purpose.
  • the opening between the belt wall 22 and cover 50 is closed in the area of the suction device 36 in such a way that a negative pressure can be generated in the heating zone.
  • Openings in the furnace cover 50 are generally round or rectangular. There are ovens with and without belt wall openings 52.
  • the burner holes 58 adjacent to the belt wall 22 are dimensioned so large that the shut-off element 54 can be inserted through a burner hole 58.
  • Adjustable shut-off device 54 are introduced.
  • the opening between the belt wall 22 and cover 50 is closed in the area of the suction device 36 in such a way that a negative pressure can be generated in the heating zone.
  • the remaining belt wall openings 52 are closed.
  • the belt wall openings 52 are drawn and at least one burner hole 58 is dimensioned so large that a shut-off element 54 can be inserted there.
  • the suction nozzle 38 of the suction device 36 is placed on the openings 56 adjacent to the shut-off device 54.
  • the temperature of the flue gas 62 flowing into the chamber 16 is measured with a thermocouple 60 and evaluated, stored, forwarded and in the present case visualized with a display in a microprocessor 64.
  • a vacuum measuring bridge 40 with a vacuum probe 66 and a two-color pyrometer 68 according to the invention is arranged as an optical measuring probe, which simultaneously measures the temperature door measurement is used.
  • the vacuum measuring bridge 40 also includes a microprocessor 70. Furthermore, the vacuum measuring bridge 40 shows a valve 72 for adding secondary air if formation of soot particles is detected. Another valve 74 for secondary air is arranged on the belt wall cover, this serves the same purpose.
  • a burner bridge 42 is arranged adjacent to the vacuum measuring bridge 40 on the fire shaft 16 opposite the direction of fire F.
  • the fuel is injected in gaseous form or as a liquid via burners in the burner holes 58 in the fire shaft 16.
  • two ignited flames 76 are shown; in the direction of view one behind the other, six flames 76 are fed through six burner holes 58, which extend in fire direction F over a plurality of fire shafts 16.
  • a thermocouple 78 is assigned to each fired fire shaft 16 and feeds the measured values into a microprocessor 80.
  • the three microprocessors 64, 70, 80 are connected autonomously or expediently to a central computer (not shown). After all sections involved in the process, i.e. the sections in the heating system, which are connected to each other via the common combustion air flow and are also dependent on each other, optimum process control is only possible if a higher-level control system takes into account all information from all the sections involved and uses this to calculate the optimal correction strategy.
  • the autonomous operation of the microprocessors on the respective furnace equipment is a second best approach in the event that the data transmission from the furnace equipment to the central computer does not work.
  • three burner bridges 42 each with twelve burners, a measuring bridge 40 directly adjoining the firing direction F, each with six measuring points for the temperature and the negative pressure, can be seen in the top view of an end face of an open annular chamber furnace.
  • a further tere bridge arranged, which is equipped with six cameras 82, more precisely electronic miniature cameras, which are arranged above six openings 56 (Fig. 3).
  • the cameras are “in-line” with the fire shafts 16 of the burner bridges 42 and the measuring devices of the vacuum measuring bridge 40 and are shown in more detail in FIG. 5.
  • the cameras 82 are in the area of the pitch vapor combustion 84 characterized by parallel lines.
  • the camera 82 also an optical sensor, continuously checks the pitch vapor combustion. If an image is detected that does not deviate from the stored standard image or deviates only minimally, no corrective action is taken. If, on the other hand, an image is detected that deviates significantly from the standard image, an automatic correction action is initiated:
  • a chamber upstream of the suction device 36 with respect to the direction of fire F is preferably filled with green anodes and is then referred to as the sealing chamber 86.
  • a camera 82 shown in FIG. 5 for monitoring the pitch vapor combustion is arranged on a burner block 90 via a support 88.
  • the camera 82 is protected from damaging effects by means of a transparent insert 92 made of heat-resistant and resistant material, for example Pyrex glass.
  • FIG. 6 shows the embedding of green electrodes 20, in the present case anode for the aluminum melt flow electrolysis.
  • the alternating cassettes 18 and fire ducts 16 of a chamber of an open annular chamber furnace are separated by a porous wall 98 made of refractory bricks 96.
  • the porosity of the wall is achieved by applying mortar only in the horizontal joints between the stone layers. There is no mortar in the vertical joints between the stones, for example a piece of cardboard can be inserted as a spacer, which causes the porosity of the wall 98.
  • the space between the stacked anodes 20 and the refractory walls 98 is filled with a filling powder 32, for example made of petroleum coke, anthracite or hard coal granulate.
  • the anodes 20 themselves consist of petroleum coke and about 13-16% by weight of pitch as a binder. A portion of the binder emerges in gaseous form when the anodes are heated and is drawn off via the porosity of the filling powder 32 and the walls 98 into the fire shafts 16, in which a negative pressure is maintained via the ring line and the suction device. This diffusion process of pitch vapor is indicated by dashed arrows 102. If the furnace is correctly dimensioned and operated, the volatile components of the binder ignite and burn completely, which is referred to as pitch vapor combustion.
  • soot particles 104 is detected by an optical sensor, in the present case a two-color pyrometer 68, the advised computer immediately initiates an automatic correction action.
  • an optical sensor in the present case a two-color pyrometer 68
  • soot particles regulated as follows:
  • the system compares the actual and the target temperature at all measuring points. To determine the control action, the respective deviations in all relevant fire ducts 16 are taken into account. Furthermore, the value of the temperature rise (actual gradient) is calculated and compared with the corresponding target gradient. As a control variable, the suppression p on the aspirator 36 and the amount of fuel in the burners in the considered fire train are available for each fire train.
  • the system calculates the optimal control action based on the measured temperature deviations and gradients.
  • the system checks the pitch burning situation before executing it. If this is OK, the corrective action is carried out as calculated. If, on the other hand, an incomplete pitch combustion is detected, then the correction action is adjusted in such a way that a complete pitch combustion is achieved again. Soot formation is preferably displayed to the operating personnel on a monitoring monitor. All relevant data are stored in a database. Suitable evaluation algorithms allow statements to be made about defective fire ducts 16 and about any adaptation that may be necessary, ie optimization of the target combustion curve to the material to be fired.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Waste-Gas Treatment And Other Accessory Devices For Furnaces (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zur Optimierung der Pechdampfverbrennung in einem Brennofen für Kohlenstoffelektroden (20), insbesondere Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse, umfasst wenigstens eine durch poröse Wände (98) von benachbarten Feuerkammern (16) getrennte Kassette (18) für in Füllpulver (32) eingebettete grüne, pechhaltige Elektroden (20). In die mit Unterdruck (p) betriebenen Feuerschächte (16) wird unter laufender Kontrolle von Unterdruck (p) und Temperatur ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff eingeleitet. Der Prozessablauf im Bereich der sichtbaren Pechdampfverbrennung (84) wird laufend optisch überwacht und die Bildung von Russpartikeln (104) optisch detektiert. Eine Quasi-Echtzeitauswertung der Resultate erfolgt, wenn notwendig wird eine Korrekturaktion zur Ofenüberwachung und Prozessoptimierung automatisch eingeleitet. Dabei werden die Russpartikel durch Anpassung von wenigstens einem Prozessparameter im betreffenden Feuerschacht (16) anhand von vorliegenden Daten beseitigt. Ein offener Ringkammerofen (10) zur Durchführung des Verfahrens umfasst im wesentlichen in Serie angeordnete Kammern (12) mit alternierenden Feuerschächten (16) und dazwischenliegenden Kassetten (18) und eine sich über mehrere Kammern (12) erstreckende, in der Längsrichtung (L) verschiebbare Produktionseinheit aus einem Absauger (36), einer Unterdruck-Messbrücke (40), wenigstens einer Brennerbrücke (42) und wenigstens einem Kühler (44). In wenigstens einem Feuerschacht (16) im Bereich der Unterdruck-Messbrücke (40) sind ein oder mehrere optische Sensoren (68, 82) zur laufenden Überwachung der Verbrennung und der Bildung von Russpartikeln (104) im Rauchgas (62) angeordnet.

Description

Optimierung der Pechdampfverbrennung in einem Brennofen für Kohlenstoffelektroden
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung der Pechdampfverbrennung in einem Brennofen für Kohlenstoffelektroden, insbesondere Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse, welcher Brennofen wenigstens eine durch poröse Wände von benachbarten Feuer- schachten getrennte Kassette für in Füllpulver eingebettete grüne, pechhaltige Elektroden umfasst, wobei in die mit Unterdruck betriebenen Feuerschächte unter laufender Kontrolle von Unterdruck und Temperatur ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff eingeleitet wird.
Für die grosstechnische Produktion von Primäraluminium werden nach noch heute üblicher Technologie Petrolkoks, rezirkuliertes Anodenmaterial und Pech als Binder eingesetzt. Der letzte Verfahrensschritt bei der Anodenherstellung besteht aus einer Wärmebehandlung, wobei die Anoden mit einer festgelegten Aufheizgeschwindigkeit auf eine Endtemperatur im Bereich von 1050 bis 1200 °C aufgeheizt werden. Für einen ungestörten Elektrolysebetrieb müssen die Anoden insbesondere folgenden Forderungen genügen:
- ausreichende mechanische Festigkeit
- ausreichende Festigkeit gegenüber Thermoschocks - niedriger elektrischer Widerstand
- Resistenz gegen den Angriff von CO2
- Resistenz gegen Angriffe durch Umgebungsluft
- möglichst identische Eigenschaften aller Anoden.
Alle diese aufgeführten Forderungen werden durch den Brennprozess als letztem Verfahrensschritt bei der Anodenherstellung wesentlich mitbeeinflusst. Ein optimal geregelter Brennprozess, bei welchem sowohl die Aufheizgeschwindig- keit als auch die maximale Brenntemperatur für alle Anoden möglichst identisch eingehalten werden können, ist demzufolge für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Anoden unerlässlich.
Der technologische Hintergrund wird anhand eines in Fig. 1 dargestellten offenen Ringkammerofens 10 zum Brennen von Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse gemäss Fig. 1 schematisch dargestellt und als Beispiel beschrieben. Der offene Ringkammerofen 10 umfasst in zwei parallelen Reihen angeordnete Kammern 12. Diese quer zur Längsrichtung L verlaufenden Kam- mern 12 werden auch Sektionen genannt. An den stirnseitigen Ofenenden ist jeweils die letzte Kammer 12 der einen Reihe mit der ersten Kammer 12 der anderen Reihe über einen Umlenkkanal 14 verbunden. Jede Kammer 12 besteht aus einer Mehrzahl, in der Regel sechs bis zehn, Feuerschächten 16 (Feuerkammern), zwischen welchen je eine Kassette 18 angeordnet ist, in wel- ehe die zu brennenden grünen Elektroden, im vorliegenden Fall Anoden 20, eingesetzt werden. Die einzelnen Kammern 12 sind durch eine später beschriebene und dargestellte Gurtwand 22 (siehe auch Fig. 3) voneinander getrennt.
Eine Kassette 18 ist etwa 5 m hoch, 5 m lang und 0,8 m breit. Die Breite eines entsprechenden Feuerschachtes 16 beträgt etwa 0,5 m. Jeder Feuerschacht 16 bzw. jede Kassette 18 umfasst zwei in Richtung L verlaufende Wände 98 (Fig. 6) aus feuerfesten Steinen. Im Feuerraum 16 sind Schikanen 24 so angeordnet, dass eine optimale Führung der Rauchgase 62 (Fig.3) erfolgt.
Der Ringkammerofen 10 ist in einer Betonwanne 26 angeordnet, um welche eine Abgasleitung 28 geführt ist. Diese vorliegend U- oder ringförmige Abgasleitung 28 ist mit einer Steigleitung 30 für jede Kammer 12 ausgerüstet, sie wird auch kurz als Ringleitung bezeichnet, selbst wenn sie U-förmig gestaltet ist, also auf einer Stirnseite des Ofens 10 fehlt. Über die Abgasleitung 28 wird im Ringkammerofen 10 über externe, nicht dargestellte Ventilatoren permanent ein Unterdruck aufrecht erhalten, welcher für den zur Aufrechterhaltung des Prozesses erforderlichen Zug sorgt.
Für das Brennen der Elektroden 20 sind, im vorliegenden Fall ungebrannte, also grüne Anoden, in die Kassetten 18 eingepackt. Der Zwischenraum zwi- sehen dem Anodenstapel zum feuerfesten Mauerwerk der Wände 98 (Fig. 6) wird mit Füllpulver 32, insbesondere mit Petrolkoks-, Anthrazit- und/oder Steinkohlegranulat (Fig. 6), geeigneter Körnung, aufgefüllt. Mittels einer Steigleitung 30 mit einer Öffnung 34 kann ein Absauger 36 an die Abgasleitung 28 angeschlossen werden. In jeder Steigleitung 30 kann eine nicht dargestellte Klappe oder dgl. angebracht sein, mit welcher der Unterdruck im Absauger 36 eingestellt werden kann.
Es gibt zwei im Betrieb gleichwertige, aber in der Konstruktion unterschiedliche Ofentypen. Beim einen Typ gibt es in der Steigleitung 30 von der Ringleitung 28 zum Anschluss an den Absauger 36 keine Klappe. Bei diesem Ofentyp wird der im Absauger 36 erwünschte Unterdruck in der Rauchgasreinigungsanlage eingestellt, d.h. in der Ringleitung 28 herrscht der gleiche Unterdruck wie im Absaugerkörper 36. Beim anderen Ofentyp wird in jeder Steigleitung 30 von der Ringleitung 28 zum Anschluss an den Absauger 36 eine Klappe angebracht. Hier hat man nun zwei Möglichkeiten: Entweder, der im Absauger 36 erwünschte Unterdruck wird ebenfalls in der Rauchgasreinigungsanlage eingestellt, die Klappe in der Steigleitung 30 wird nur als Absperrorgan benützt, sie ist entweder ganz geschlossen (wenn sich an dieser Position kein Absauger 36 befindet), oder ganz offen (wenn dort ein Absauger 36 steht). Alternativ wird der Ofen so gefahren, dass in der Ringleitung 28 ein höherer Unterdruck herrscht als im Absauger 36 erforderlich bzw. erwünscht ist. In diesem Fall wird jeder Absauger 36 mit einem Manometer ausgerüstet, die Klappe in der Steigleitung 30 wird nach der Positionierung des Absaugers 36 beim Feuerwechsel nur soweit geöffnet, bis im Absauger 36 der erwünschte Unterdruck herrscht. Dieser Unterdruck ist ein Vielfaches (Grössenordnung etwa 800 - 2000 Pa) des Unterdrucks von etwa 100 Pa in der Kammer 12 vor dem Absauger 36. Der Abstand der Öffnungen 34 in Richtung L entspricht der Länge einer Kammer 12 in dieser Richtung und damit etwa der Länge eines Feuerschachtes 16 und einer Gurtwand 22. Die einzelnen Feuerschächte 16 der verschiedenen Kammern 12 sind mit den entsprechenden Schächten der benachbarten Kam- mern in Längsrichtung L verbunden, d. h. in Serie geschaltet.
Vom rohrförmigen Absauger 36 zweigt zu jedem Feuerschacht 16 ein Absaugstutzen 38 ab, wobei jeder dieser Stutzen vorzugsweise eine nicht dargestellte, motorisch bediente Klappe oder dgl. hat, welche es gestattet, den Unterdruck in den Feuerschächten 16 individuell zu regeln.
Die einzelnen Feuerschächte 16 der verschiedenen Kammern 12 sind, wie erwähnt, mit den entsprechenden Schächten der benachbarten Kammer in Serie geschaltet. Beispielsweise ist der äusserste, unmittelbar neben der Betonwanne 26 liegende Feuerschacht 16 mit dem gleichen Schacht der nächsten Kammer verbunden. Eine Unterdruckregelung allein am Absauger 36 wirkt sich demzufolge auf alle in Feuerrichtung F in Serie geschalteten und am Prozess beteiligten Feuerschächte 16 der Kammern 12 aus.
Eine in Längsrichtung L verschiebbare Produktionseinheit, im vorliegenden Fall bestehend aus dem Absauger 36, der Unterdruck-Messbrücke 40, drei Brennerbrücken 42 und zwei Kühlern 44, erstreckt sich über mehrere Kammern 12, es sind zwei sich über elf Kammern 12 erstreckende Einheiten eingezeichnet. Vom Absauger 36 aus gerechnet ist auf der dritten Kammer 12 eine Unter- druck-Messbrücke 40 zur Messung von Unterdruck und Temperatur angeordnet, auf der vierten, fünften und sechsten Kammer 12 je eine Brennerbrücke 42 und auf der neunten und elften Kammer12 je ein Kühler 44.
Das Ansaugen der Luft in der Kühlzone erfolgt derart, dass die Deckel auf den Brennerlöchern 34 und gegebenenfalls Gurtwandlöchern 52 (Fig. 2) entfernt werden. Es muss jedoch jederzeit gewährleistet sein, dass am Ort der Brenner jederzeit Unterdruck herrscht. Ein auch nur geringer Gegendruck wirkt sich nachteilig aus. Um den Unterdruck sicherzustellen, werden in der Regel die Deckel in mindestens einer Kammer 12 hinter der letzten Brennerbrücke 42 geschlossen gehalten. In Längsrichtung L betrachtet ist der Drucknullpunkt dort, wo der erste Brennerdeckel oder Gurtwanddeckel entfernt ist; von dort sinkt der Unterdruck gleichmässig auf z.B. etwa 100 Pa in der Kammer 12 vor dem Absauger 36.
Der erste Kühler 44 (d.h. der der hintersten Brennerbrücke 42 benachbarte Kühler 44 kann als „Blower" regeltechnisch in das System eingebunden sein. Verlangt das System mehr Sauerstoff, dann wird nicht nur die Klappenstellung in der entsprechenden Steigleitung 30 des Absaugers 36 geregelt, sondern auch der Ventilator im entsprechenden „Blower"-Fuss hochgefahren. Das System zwischen „Blower" und Absauger ist geschlossen.
Durch den über die Abgasleitung 28 und den Absauger 36 angelegten Zug wandert eine Wärmewelle im Ofen in Form eines Feuerbereichs bzw. Feuerzugs von den Brennerbrücken 42 in Richtung des Absaugers 36. In vorgegebenen Zeitintervallen, wird die erwähnte Produktionseinheit um jeweils eine Öffnung 34, d. h. Kammerlänge in Richtung der fortschreitenden Wärmewelle ver- setzt. Das Zeitintervall liegt meistens im Bereich von 24 bis 32 Stunden.
Zwischen dem hintersten Kühler 44 der einen und dem vordersten Absauger 36 der nächsten Produktionseinheit folgen einige Kammern 12, in der Regel drei bis fünf, in welchen die gebrannten Anoden ausgepackt und neue grüne, zu brennende Anoden in die Kassetten 18 eingesetzt werden. Falls erforderlich werden ebenfalls Instandhaltungsarbeiten am feuerfesten Mauerwerk durchgeführt.
Die zum Verbrennen des Heizmediums, in der Regel Erdgas oder zerstäubtes, tropfen- oder fadenförmiges Schweröl, notwendige Luft wird über die Kammern
12 zwischen der hintersten Brennerbrücke 42 und dem hintersten Kühler 44 angesaugt, wodurch diese Luft vorgewärmt wird, was den Prozesswirkungsgrad verbessert. Zu beachten ist auch, dass für den über die Brennerbrücken 42 zugeführten Brennstoff nur ein Teil des Sauerstoffs verbraucht werden darf. Vor den Brennerbrücken 42 treten flüchtigen Komponenten des in den Anoden 20 als Bindemittel eingesetzten Pechs in die Feuerschächte 16 aus, welche durch porös ausgebildete Wände 98 (Fig. 6) von den Kassetten 18 getrennt sind, um die Migration der Pechdämpfe aus den Anoden 20 durch das Füllpulver 32 (Fig. 6) in die Feuerschächte 16 zu ermöglichen. Je nach Dicke der Füllpulverschicht 32 und der Wände 98 erfolgt das Austreten der Pechdämpfe früher oder später.
Es ist schon nach dem bekannten Stand der Technik angestrebt worden, die Pechdämpfe vollständig zu verbrennen. Durch die Pechdampfverbrennung können bis etwa 50 % des Energiebedarfs gedeckt werden. Bei unvollständiger Verbrennung der Pechdämpfe entstehen Russpartikel und/oder kondensierte Pechdämpfe. Beide Komponenten bilden ein Brandrisiko und eine erhöhte Be- lastung der nachgeschalteten Rauchgasreinigung.
In modernen Anlagen werden Ringkammeröfen 10 mittels Computer gesteuert. Dabei wird eine Zeit-/Temperaturkurve vorgegeben. Durch die Regelung von Unterdruck und Brennstoffmenge wird versucht, eine vorgegebene Sollkurve so gut wie möglich einzuhalten. Bekannt ist auch, dass die Einhaltung aller Zielsetzungen - höchstmögliche Produktion, identische Wärmebehandlung aller Anoden und vollständige Verbrennung - mit den heute üblichen Mitteln nicht unter allen Umständen gewährleistet sein kann. Eine unvollständige Verbrennung führt zu der erwähnten Russbildung und damit zu einer erhöhten Opazität der Rauchgase, mit anderen Worten entsteht eine die Licht- bzw. Strahlungsdurchlässigkeit herabsetzende Trübung.
Eine bekannte Schwachstelle aller bekannten Prozesse ist eine immer wieder auftretende unvollständige Pechverbrennung. Wenn zu einem beliebigen Zeit- punkt die kumulierte Brennerleistung in den in Serie geschalteten Feuerschächten 16 und/oder der momentane Pechdampftransfer 102 (Fig. 6) aus einer Anodenkassette 18 in die Feuerschächte 16 zu hoch ist, kann ein Sauer- Stoffmangel auftreten. Dies hat zur Folge, dass Russpartikel mit den vorstehend erwähnten Nachteilen gebildet werden.
Es ist auch bekannt, die Pechverbrennung durch die Messung der Rauchdichte im Absauger 36 oder in der Abgasleitung 28 zu überwachen. Nachteilig bei einer Messung in der Abgasleitung 28 ist, dass nur eine Aussage über die Pechdampfverbrennung auf einer Ofenseite oder im Ringkammerofen 10 als Ganzes gemacht werden kann. Wenn eine zu hohe Opazität festgestellt wird, muss durch visuelle Kontrolle auf dem Ofen 10 festgestellt werden, welches Feuer und welcher Feuerschacht 16, bzw. welche Feuerschächte betroffen sind.
Bei der Anordnung eines Rauchdichtemessgerätes am Absauger 36 kann für jedes einzelne, sich über mehrere Kammern 12 erstreckende Feuer, eine Aussage gemacht werden. Dagegen muss wiederum durch das Bedienungsperso- nai visuell festgestellt werden, in welchem Feuerschacht 16 gegebenenfalls Russ produziert wird.
Nachteilig ist auch, dass bekannte Rauchdichtemessgeräte nicht für einen mobilen Einsatz vorgesehen sind. Beim Absauger handelt es sich um ein mehrere Tonnen schweres Bauteil, das nach jedem Feuerzyklus, d.h. etwa alle 28 Stunden, mit dem Kran um eine Brennkammer versetzt werden muss. Durch diesen Transportvorgang, oft resultierend aus zu hohen Beschleunigungen beim Absetzen des Absaugers, wird die Justierung des Rauchdichtemessgerätes nachteilig beeinflusst. Es resultieren Fehlmessungen mit allen daraus resultie- renden unerwünschten Folgen, wie falsche Prozessregelaktionen.
Bekannt ist auch ein Verfahren aus der US 4859175 A, wobei an einem Absauger für jeden einzelnen Feuerschacht ein eigenes Rauchdichtemessgerät vorgesehen wird. Damit wird die Möglichkeit geschaffen automatisch festzustellen, in welchem Feuerschacht bzw. in welchen Feuerschächten eine Russbildung auftritt. Durch die grosse Anzahl der Messgeräte, beispielsweise 6 bis 10 pro Absauger, multipliziert sich allerdings auch der vorstehend oben beschriebene Nachteil der falschen Prozessbeeinflussung bei Fehlmessungen, als Folge der genannten mechanischen Beschleunigungen. Aus diesem Grund wird das beschriebene System der US 4859175 A als zu wenig zuverlässig beurteilt.
Bekannt ist schliesslich ein Verfahren zur Messung des Sauerstoff- oder Koh- lenmonoxidgehaltes im Rauchgas 62 (Fig 3). Es gibt jedoch keine Messmethode, welche bei den auf einem Ofen herrschenden Bedingungen eine kontinuierliche Analyse des Rauchgases gestattet. Überdies ist eine Aussage über Russbildung basierend auf Rauchgasanalysen nur mit erheblicher Unsicherheit möglich.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Pechdampfverbrennung unverzüglich auf den jeweiligen Sauerstoffgehalt im Brennraum reagiert. Die Pechdämpfe zünden und erlöschen im Takt der angebotenen Sauerstoffmenge, die ihrerseits vom Einschaltzyklus der vorgeschalteten Brennstoffversorgung bestimmt wird.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Bildung und das Bestehen von Russpartikeln in der Ofenatmosphäre ver- hindern.
In Bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Prozessablauf im Bereich der sichtbaren Pechdämpfverbrennung laufend optisch überwacht und die Bildung von Russpartikeln optisch detektiert wird, eine Quasi-Echtzeitauswertung der Resultate erfolgt, und wenn notwendig eine Korrekturaktion zur Ofenüberwachung und Prozessoptimierung automatisch eingeleitet wird, indem die Russpartikel durch Anpassung von wenigstens einem Prozessparameter im betreffenden Feuerschacht anhand von vorliegenden Daten beseitigt werden. Spezielle und weiterführende Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann im Bereich der sichtbaren Pech- Verbrennung eine allfällige Russbildung direkt in jedem Feuerschacht erfasst werden, wodurch eine direkte automatische Prozessbeeinflussung möglich wird. Dies erfolgt, indem - wie erwähnt - wenigstens einer der Prozessparameter Unterdruck, Brennstoffzufuhr und Sekundärluftzudosierung nach gespei- cherten Erfahrungs- und/oder berechneten Daten geändert wird.
Vorzugsweise wird mit der Überwachung des Verbrennungsvorganges mit einem optischen Sensor gleichzeitig die Temperatur gemessen, insbesondere am gleichen Ort.
Beim Einsetzen einer Bildung von Russpartikeln entsteht eine Trübung, durch die Opazität wird Strahlung absorbiert, was mit einem optischen Sensor gemessen wird. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Zweifarbenpyrometers, welches gleichzeitig die Temperatur und eine allfällige Strahlenabsorption durch Russpartikel misst, solche Zweifarbenpyrometer werden auf dem Markt angeboten.
Nach einer Variante kann die Überwachung des Verbrennungsvorganges mit einer marktüblichen Kamera erfolgen. Die Bildauswertung erfolgt in Quasi-Echt- zeit. Von Quasi-Echtzeit wird gesprochen, weil die Auswerteeinheit den Verbrennungsvorgang in den betroffenen Feuerschächten sequentiell detektiert, was in Bruchteilen von Sekunden erfolgt. Wird im Verlauf der Überwachung der Pechdampfverbrennung von der Auswerteeinheit bezüglich der Bildung von Russpartikeln eine Abweichung von der gewünschten Situation festgestellt, er- folgt eine automatische Korrekturaktion im gewünschten Sinne.
Nach einer weiteren Variante wird der Verbren nungsprozess über ein Pyrometer mit sehr kurzer Ansprechzeit erfasst und als Signalrauschen aufgezeichnet. Wird durch die Bildung von Russpartikeln ein unterschiedliches Signalrauschen detektiert, erfolgt ebenfalls eine automatische Korrekturaktion durch eine Änderung wenigstens eines der Parameter Unterdruck, Brennstoffzufuhr und Zudo- sierung von Sekundärluft mittels gespeicherter Daten. Die Überwachung des Verbrennungsvorganges erfolgt dauernd, wobei die Sensorsignale zyklisch abgefragt werden, und wobei die Zykluszeit frei paramet- rierbar ist. Sie erfolgt vorzugsweise in Zykluszeiten von einer bis mehreren Se- künden, z.B. 5 - 10 sec.
Mit einem offenen Ringkammerofen wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in wenigstens einem Feuerschacht im Bereich der Unterdruck-Messbrücke ein oder mehrere optische Sensoren zur laufenden Überwa- chung der Verbrennung und der Bildung von Russpartikeln im Rauchgas angeordnet sind. Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen des offenen Ringkammerofens sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
Abweichungen vom normalen Verbrennungsverlauf und automatische Korrektu- raktionen werden zweckmässig auf einem Bildschirm signalisiert und in einer Datenbank registriert. Das Bedienungspersonal hat damit jederzeit eine vollständige Übersicht über den Prozessverlauf und die Daten stehen für nachträgliche Analysen zur Verfügung.
Vorzugsweise ist im Bereich der Unterdruck-Messbrücke in jedem Feuerschacht ein optischer Sensor angeordnet. Temperaturempfindliche und/oder korrosionsanfällige optische Sensoren können beispielsweise durch einen Pyr- exeinsatz geschützt sein.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren bzw. dem offenen Ringkammerofen kann die Bildung von Russpartikeln nicht nur sofort gesamthaft detektiert, sondern auch lokalisiert und beseitigt werden. Eine vollständige Pechdampfverbrennung ohne Bildung von Russpartikeln wird wieder erreicht, indem automatisch Korrekturaktionen eingeleitet werden. Neben der bekannten Regelung des Unterdrucks und/oder der Brennstoffzufuhr kann durch entsprechende Mittel am benötigten Ort falls erforderlich Sekundärluft zudosiert, d. h. der Sauerstoffgehalt der Rauchgase erhöht werden. Bei geeigneter Ofenauslegung ist die Zugabe von Sekundäriuft im Bereich der Pechverbrennung nicht erforderlich. Sekundärluft ist sogar unerwünscht, da es energetisch vorteilhafter ist, die Verbrennung mit vorgewärmter Primärluft statt mit kalter Sekundärluft aufrechtzuerhalten. Wenn jedoch die Primärluft nicht ausreicht ist es besser, mit Sekundäriuft zu arbeiten, als eine unvollständige Verbrennung zu akzeptieren.
Für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist insbesondere ein offener Ringkammerofen geeignet.
Das Verfahren und Vorrichtung werden stellvertretend mit Blick auf die Herstellung von Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse beschrieben. Für das Brennen von anderen Anoden und von Kathoden werden gleiche oder analoge Mittel eingesetzt.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Ansprüchen sind, näher erläutert. In Ergänzung der einen an sich bekannten offenen Ring- kammerofen darstellenden Fig.1 zeigen schematisch:
- Fig. 2 den Sauerstoffgehalt, die Anodentemperatur, die Temperatur im Feuerschacht und den Unterdruck über mehrere Kammern eines offenen Ringkammerofens, - Fig. 3 einen teilweisen Längsschnitt durch die Feuerschächte eines Ringkammerofens,
- Fig. 4 eine Draufsicht auf einen offenen Ringkammerofen im Stirnbereich,
- Fig. 5 die Anordnung einer Kamera im Bereich eines Brennerlochs, und - Fig. 6 einen vertikalen Teilschnitt durch einen Kammerbereich quer zur
Feuerrichtung. In der Grafik gemäss Fig. 2 sind auf der Abszisse sieben . Kammern 12 eines Ringkammerofens 10 (diese und die bezüglich Fig. 2 folgenden Bezugsziffern beziehen sich auf Fig.1 ) dargestellt, die Feuerrichtung F verläuft von rechts nach links. Über der Kammer 1 ist ein Absauger angeordnet, über der Kammer 3 eine Unterdruck-Messbrücke und über den Kammern 4 bis 6 drei Brennerbrücken. Bezüglich der drei Ordinaten wird der Unterdruck p gestrichelt, die Temperatur Tiβ des Feuerschachtes 16 punktiert, die Anodentemperatur T2u strichpunktiert und der Verlauf des Sauerstoffgehaltes O2 mit einer ausgezogenen Linie dargestellt.
Die Verbrennungsluft wird über die Kammern 12 zwischen hinterster Brennerbrücke 42 und Kühler 44 angesaugt, wodurch die Luft vorgewärmt wird, was den Prozesswirkungsgrad verbessert. Der Sauerstoffgehalt nimmt in Richtung F des Feuerzugs im Bereich der Brennerbrücken stufenweise ab, jeder Brenner konsumiert einen Teil des Sauerstoffs. Im Bereich der Unterdruck-Messbrücke erfolgt ein kontinuierlicher Abfall des Sauerstoffgehalts, bedingt durch die Pechverbrennung. Hier entzünden sich die in den Feuerschacht 16 diffundierten flüchtigen Komponenten des Bindemittels und leisten einen Beitrag von 30 bis 50 % zum gesamten Energieverbrauch des Ringkammerofens 10. Die übrigen 50 bis 70 % der Energiezufuhr erfolgt über die Brennerbrücken 42.
Eine punktiert gezeichnete Kurve Tι6 zeigt die Erwärmung der Rauchgase in den Feuerschächten 16 entgegen der Feuerrichtung F. Der Temperaturverlauf ist abhängig von den vorgegebenen Prozessparametern und von der Ofenkon- struktion. Dabei erfolgt ein markanter Temperaturanstieg im Bereich der sichtbaren Pechverbrennung, unmittelbar vor der Unterdruckmessbrücke 40. Eine Spitze wird unmittelbar nach dem Erreichen von Kammer 3 mit der Unterdruck- Messbrücke erreicht, nachher fällt die Temperatur T-ι6 leicht ab und steigt dann im Bereich der Brennerbrücken 42 über den Kammern 4 bis 6 bis zum Maxi- mum. Nach diesen Brennerbrücken 42 fällt die Temperatur T-ι6 in den Feuerschächten 16 allmählich ab. Im nicht gezeigten Bereich der Kühler 44 wird Luft mit Raumtemperatur in die Feuerschächte 16 eingeblasen Die Anodentemperatur T20 steigt während des Brennprozesses kontinuierlich und gegenüber der Feuerschachttemperatur verzögert an. Die maximale Brenntemperatur von etwa 1050 - 1200°C wird bei der letzten Brennerbrücke 42 oder direkt dahinter erreicht.
Der Unterdruck p sinkt in Feuerrichtung F vom Wert 0 Pa zum Beginn der Kühlzone auf etwa 100 Pa beim Absauger 36 in Kammer 1. Über die Klappe im Absaugerstutzen 38 steigt der Unterdruck p auf den Wert im Absauger 36 bzw. in der Ringleitung 28.
Fig. 2 zeigt einen optimalen Prozessablauf ohne Bildung von Russpartikeln.
Ein teilweiser Längsschnitt durch die Feuerschächte 16 in Richtung L durch ei- nen offenen Ringkammerofen 10 (Fig. 1 ) zeigt in Fig. 3 vier Kammern 12, welche durch Gurtwände 22 teilweise getrennt sind. Die Rauch- bzw. Ofengase 62 können in Feuerrichtung F von Feuerschacht zu Feuerschacht 16 durchtreten. Durch die Anordnung von Schikanen 24 in den Feuerschächten16 kann die Temperaturverteilung optimiert werden.
Die Ofenabdeckung 50 trägt im vorliegenden Fall eine Brennerbrücke 42, eine Unterdruck-Messbrücke 40 und einen Absauger 36 als aufgesetztes Equip- ment. Weiter sind in der Ofenabdeckung 50 Öffnungen ausgespart. Durch Gurtwandöffnungen 52 oder dafür dimensionierte Brennerlöcher 58 ist ein Ab- sperrorgan 54 in Form eines Schiebers eingeführt. Dadurch wird im Bereich des Absaugers 36 die Öffnung zwischen Gurtwand 22 und Abdeckung 50 so verschlossen, dass in der Aufheizzone ein Unterdruck erzeugt werden kann. Öffnungen in der Ofenabdeckung 50 sind in aller Regel rund oder rechteckig ausgebildet. Es gibt Öfen mit und ohne Gurtwandöffnungen 52. Hat die Gurtwand 22 keine Öffnungen 52, dann werden die der Gurtwand 22 benachbarten Brennerlöcher 58 so gross dimensioniert, dass das Absperrorgan 54 durch ein Brennerloch 58 eingeführt werden kann. Durch Gurtwandöffnungen 52 kann ein Schieber, eine Klappe oder dgl. regulierbares Absperrorgan 54 eingeführt werden. Dadurch wird im Bereich des Absaugers 36 die Öffnung zwischen Gurtwand 22 und Abdeckung 50 so verschlossen, dass in der Aufheizzone ein Unterdruck erzeugt werden kann. Die übrigen Gurtwandöffnungen 52 sind ver- schlössen.
Weitere Öffnungen grösseren Durchmessers 56 und/oder kleineren Durchmessers 58 werden für den Anschluss von Absauger 36, Kühler 44 oder Sensoren benutzt, sie sind in regelmässiger, von Kammer zu Kammer 12 exakt gleicher Verteilung angeordnet. Nur so kann die Produktionseinheit mit Absauger 36, Unterdruck-Messbrücke 40, Brennerbrücken 42 und Kühlern 44 stufenweise um Kammerbreite vorgeschoben werden.
Nach einer nicht dargestellten Variante wird auf Gurtwandöffnungen 52 ver- ziehtet und mindestens ein Brennerloch 58 so gross dimensioniert, dass dort ein Absperrorgan 54 eingeführt werden kann. Auf die Öffnungen 56 benachbart dem Absperrorgan 54 werden die Absaugstutzen 38 des Absaugers 36 aufgesetzt.
Mit einem Thermoelement 60 wird die Temperatur des in die Kammer 16 einströmenden Rauchgases 62 gemessen und in einem Mikroprozessor 64 ausgewertet, gespeichert, weitergeleitet und vorliegend mit einem Display visuali- siert.
Die nicht benutzten Öffnungen 52, 56, 58 aller Feuerschächte 16 des Ringkammerofens sind verschlossen soweit sie nicht für die Zufuhr von Sekundäriuft benötigt werden, damit ein hinreichender Unterdruck von z. B. etwa 100 Pa in der Kammer 12 beim Absauger erzeugt werden kann. Im Gebiet der Pechdampfverbrennung, hier dargestellt in der dritten Kammer gezählt vom Absau- ger und entgegen der Feuerrichtung, ist eine Unterdruck-Messbrücke 40 mit einer Unterdrucksonde 66 und einem erfindungsgemässen Zweifarbenpyrometer 68 als optische Messsonde angeordnet, welche gleichzeitig der Tempera- turmessung dient. Die Unterdruck-Messbrücke 40 umfasst ebenfalls einen Mikroprozessor 70. Weiter zeigt die Unterdruck-Messbrücke 40 ein Ventil 72 für eine Sekundärluftzugabe, falls eine Bildung von Russpartikeln detektiert wird. Ein weiteres Ventil 74 für Sekundäriuft ist auf dem Gurtwanddeckel angeordnet, dieses dient dem gleichen Zweck.
Benachbart der Unterdruck-Messbrücke 40 ist auf dem der Feuerrichtung F entgegengesetzten Feuerschacht 16 eine Brennerbrücke 42 angeordnet. Der Brennstoff wird gasförmig oder als Flüssigkeit über Brenner in den Brennerlö- ehern 58 in den Feuerschacht 16 gespritzt. In der vertikalen Schnittebene sind zwei gezündete Flammen 76 dargestellt, in Blickrichtung hintereinander werden durch sechs Brennerlöcher 58 sechs Flammen 76 gespeist, welche sich in Feuerrichtung F über mehrere Feuerschächte 16 erstrecken. Jedem befeuerten Feuerschacht 16 ist ein Thermoelement 78 zugeordnet, welches die Messwerte in einen Mikroprozessor 80 einspeist.
Die drei Mikroprozessoren 64, 70, 80 sind autonom oder zweckmässig mit einem nicht dargestellten zentralen Rechner verbunden. Nachdem alle am Pro- zess beteiligten Sektionen, d.h. die Sektionen in der Aufheizung, über den ge- meinsamen Verbrennungsluftstrom miteinander verbunden und auch voneinander abhängig sind, ist eine optimale Prozessregelung nur möglich, wenn ein übergeordnetes Leitsystem alle Informationen aus allen beteiligten Sektionen berücksichtigt und daraus die optimale Korrekturstrategie berechnet. Der autonome Betrieb der Mikroprozessoren auf dem jeweiligen Ofenequipment ist eine zweitbeste Annäherung für den Fall, dass die Datenübermittlung vom Ofenequipment zum Zentralrechner nicht funktioniert.
In der Draufsicht auf ein stirnseitiges Ende eines offenen Ringkammerbrennofens 10 gemäss Fig. 4 erkennt man drei Brennerbrücken 42 mit je zwölf Bren- nern, eine in Feuerrichtung F unmittelbar anschliessende Messbrücke 40 mit je sechs Messstellen für die Temperatur und den Unterdruck. Als Alternative zu der vorgehend beschriebenen und in Fig. 3 dargestellten Situation ist eine wei- tere Brücke angeordnet, die mit sechs Kameras 82, genauer gesagt elektronischen Miniaturkameras, ausgerüstet ist, welche oberhalb von sechs Öffnungen 56 (Fig. 3) angeordnet sind. Die Kameras liegen „In-Iine" mit den Feuerschächten 16 der Brennerbrücken 42 und den Messgeräten der Unterdruck-Mess- brücke 40 und werden in Fig. 5 näher dargestellt. Die Kameras 82 liegen im mit parallelen Strichen charakterisiertem Bereich der Pechdampfverbrennung 84.
Die Kamera 82, ebenfalls ein optischer Sensor, prüft permanent die Pechdampfverbrennung. Wenn ein Bild detektiert wird, das vom gespeicherten Stan- dardbild nicht oder nur minim abweicht, wird keine Korrekturaktion veranlasst. Wenn dagegen ein Bild detektiert wird, das deutlich vom Standardbild abweicht, wird eine automatische Korrekturaktion eingeleitet:
Eine bezüglich der Feuerrichtung F dem Absauger 36 vorgeschaltete Kammer ist vorzugsweise mit grünen Anoden gefüllt und wird dann als Dichtkammer 86 bezeichnet.
Eine in Fig. 5 dargestellte Kamera 82 zur Überwachung der Pechdampfverbrennung ist über ein Support 88 auf einem Brennerstein 90 angeordnet. Mittels eines transparenten Einsatzes 92 aus hitzebeständigem und resistentem Material, beispielsweise Pyrex-Glas, ist die Kamera 82 vor schädigenden Einwirkungen geschützt.
Fig. 6 zeigt die Einbettung von grünen Elektroden 20, im vorliegenden Fall An- öden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse. Die alternierenden Kassetten 18 und Feuerschächte 16 einer Kammer eines offenen Ringkammerofens sind durch eine poröse Wand 98 aus feuerfesten Steinen 96 getrennt. Die Porosität der Mauer wird erreicht, indem nur in den horizontalen Fugen zwischen den Steinlagen Mörtel angebracht wird. In den vertikalen Fugen zwischen den Stei- nen hat es keinen Mörtel, als Abstandhalter kann z.B. ein Stück Karton eingebracht werden, was die Porosität der Mauer 98 bewirkt. Der Zwischenraum zwischen den gestapelten Anoden 20 und den feuerfesten Wänden 98 ist mit einem Füllpulver 32, z.B. aus Petrolkoks-, Anthrazit- oder Steinkohlegranulat, ausgefüllt. Die Anoden 20 selbst bestehen aus Petrolkoks und etwa 13 - 16 Gew.-% Pech als Bindemittel. Ein Teil des Bindemittels tritt bei der Aufheizung der Anoden gasförmig aus und wird über die Porosität des Füllpulvers 32 und der Wände 98 in die Feuerschächte 16 abgezogen, in welchen über die Ringleitung und den Absauger ein Unterdruck aufrecht erhalten wird. Dieser Diffusionsprozess von Pechdampf ist mit gestrichelten Pfeilen 102 angedeutet. Bei korrekter Ofendimensionierung und Ofenführung entzünden sich die flüchtigen Komponenten des Bindemittels und verbrennen vollständig, was als Pechdampfverbrennung bezeichnet wird.
Die unerwünschte Bildung von Russpartikeln 104 wird von einem optischen Sensor, im vorliegenden Fall ein Zweifarbenpyrometer 68 detektiert, der avi- sierte Rechner leitet sofort eine automatische Korrekturaktion ein.
Grundsätzlich wird der Prozess bei Verfügbarkeit einer Pechverbrennungsde- tektion, d.h. der Bildung von Russpartikeln, wie folgt geregelt:
- Zuerst vergleicht das System an allen Messpunkten die Ist- mit der Solltem- peratur. Zur Bestimmung der Regelaktion werden die jeweiligen Abweichungen in allen relevanten Feuerschächten 16 berücksichtigt. Weiterhin wird der Wert des Temperaturanstieges (Ist-Gradient) berechnet und mit dem entsprechenden Soll-Gradient verglichen. Als Regelgrösse stehen für jeden Feuerzug der Unterdrück p am Absauger 36 und die Brennstoffmenge bei den Brennern im betrachteten Feuerzug zur Verfügung.
- Aufgrund der gemessenen Temperaturabweichungen und Gradienten errechnet das System die optimale Regelaktion.
- Vor deren Ausführung kontrolliert das System die Pechverbrennungssituation. Ist diese in Ordnung, wird die Korrekturaktion wie berechnet ausgeführt. Wird dagegen eine unvollständige Pechverbrennung detektiert, dann wird die Korrekturaktion derart angepasst, dass wieder eine vollständige Pechverbrennung erreicht wird. Eine Russbildung wird dem Bedienungspersonal vorzugsweise auf einem Überwachungsmonitor angezeigt. Alle relevanten Daten werden in einer Datenbank gespeichert. Geeignete Auswertungsalgorithmen erlauben Aussagen über defekte Feuerschächte 16 und über eine gegebenenfalls erforderliche Anpassung, d.h. Optimierung der Sollbrennkurve an das Brenngut.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Optimierung der Pechdampfverbrennung in einem Brennofen für Kohlenstoffelektroden (20), insbesondere Anoden für die Aluminium- schmelzflusselektrolyse, welcher Brennofen wenigstens eine durch poröse
Wände (98) von benachbarten Feuerkammern (16) getrennte Kassette (18) für in Füllpulver (32) eingebettete grüne, pechhaltige Elektroden (20) umfasst, wobei in die mit Unterdruck (p) betriebenen Feuerschächte (16) unter laufender Kontrolle von Unterdruck (p) und Temperatur ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff eingeleitet wird.
dadurch gekennzeichnet, dass
der Prozessablauf im Bereich der sichtbaren Pechdampfverbrennung (84) laufend optisch überwacht und die Bildung von Russpartikeln (104) optisch detektiert wird, eine Quasi-Echtzeitauswertung der Resultate erfolgt, und wenn notwendig eine Korrekturaktion zur Ofenüberwachung und Prozessoptimierung automatisch eingeleitet wird, indem die Russpartikel durch Anpassung von wenigstens einem Prozessparameter im betreffenden Feuer- schacht (16) anhand von vorliegenden Daten beseitigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung von Russpartikeln (104) und gleichzeitig die Temperatur (Tι6) gemessen werden, vorzugsweise auch am gleichen Ort.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang mittels Strahlungsabsorption überwacht wird, vorzugsweise mit einem Zweifarbenpyrometer (68).
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang mit einer Kamera detektiert und bei einer Abweichung von der gewünschten Situation eine Korrekturaktion eingeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang über ein Pyrometer mit sehr kurzer Ansprechzeit erfasst und als Signalrauschen aufgezeichnet wird, ein durch die Bildung von Russpartikeln (104) unterschiedliches Signalrauschen detektiert und eine Korrekturaktion eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung dauernd, in einer frei parametrierbaren Zykluszeit von vorzugsweise wenigstens 1 sec, insbesondere 5 bis 10 sec, durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturaktion durch Anpassung wenigstens eines Parameters der Gruppe bestehend aus Unterdruck, Brennmittelzudosierung und Sekun- därluftzudosierung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturaktionen auf einem Bildschirm gezeigt werden.
9. Offener Ringkammerofen (10) mit optimierter Pechdampfverbrennung zum Brennen von Kohlenstoffelektroden (20), insbesondere von Anoden für die Aluminiumschmelzflusselektrolyse, welcher Ringkammerofen (10) im wesentlichen in Serie angeordnete Kammern (12) mit alternierenden Feuerschächten (16) und dazwischenliegenden Kassetten (18) und eine sich über mehrere Kammern (12) erstreckende, in der Längsrichtung (L) verschiebbare Produktionseinheit aus einem Absauger (36), einer Unterdruck-Messbrücke (40), wenigstens einer Brennerbrücke (42) und wenigstens einem Kühler (44) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Feuerschacht (16) im Bereich der Unterdruck-Messbrücke (40) ein oder mehrere optische Sensoren (68, 82) zur laufenden Überwachung der Verbrennung und der Bildung von Russpartikeln (104) im Rauchgas (62) angeordnet sind.
10. Ringkammerofen (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren Zweifarbenpyrometer (68) sind.
11. Ringkammerofen (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren die Pechdampfverbrennung in Quasi-Echtzeit erfassende Kameras (82) sind, vorzugsweise elektronische Miniaturkameras mit Bildauswerteeinheit.
12. Ringkammerofen (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Feuerschacht (16) selbst und/oder auf der Unterdruck-Messbrücke (40) auf dem Feuerschacht (16) Ventile (72, 74) zur Zufuhr der Sekundäriuft angeordnet sind.
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