Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem für Drehöfen, auf einen Drehofen mit einem solchen Kühlsystem sowie auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlsystems.
Drehöfen werden für kontinuierliche Prozesse in der Verfahrenstechnik verwendet. Ein Drehofen besteht in der Regel aus einem zum Teil viele Meter oder einige zehn Meter langen zylinderförmigen Drehrohr mit einem Ofenmantel in der Regel aus Metall. Hierbei ist der Ofenmantel leicht geneigt, um mit dem Umlauf des Ofenmantels einen Transport des Materials innen längs der Drehachse des Ofenmantels im Ofen von der höheren Einlaufseite zur niedrigeren Auslaufseite herbeizuführen. Das zu bearbeitenden Material kann unterschiedlich sein, beispielsweise Feststoffe, Gesteine, Schlämme oder Pulver. Die benötigte Prozesstemperatur kann in den Drehöfen direkt oder indirekt erzeugt werden. Bei Materialien, die eine hohe Prozesstemperatur benötigen, wird der Drehofen direkt, beispielsweise durch eine Lanze als Brenner an der Auslaufseite des Drehofens, die in etwa mittig im Drehrohr angeordnet ist, beheizt. Direkt beheizte Drehöfen werden beispielsweise für die Zementherstellung, für ein Kalkbrennen, das Schmelzen von keramischen Gläsern, Erschmelzen von Metallen, Eisenerzreduktion, Aktivkohleherstellung und andere Anwendungen verwendet. Die direkt beheizten Drehöfen werden dabei bei sehr heißen Temperaturen betrieben. Beispielsweise werden bei der Zementherstellung die Rohstoffe, umfassend Kalkstein und Ton, gemahlen und im Drehofen bei ca. 1450° C zu sogenanntem Klinker gebrannt und anschließend nach Verlassen des Drehofens abgekühlt und weiter verarbeitet.
Drehöfen, die diesen hohen Temperaturen ausgesetzt sind, haben einen Ofenmantel aus Edelstahl oder Hochtemperaturstahl, der Temperaturen bis zu 550° C beziehungsweise 950° C ausgesetzt werden kann. Da die Temperaturen im Bereich der direkten Heizung deutlich höher sind, ist der Ofenmantel aus Stahl an seiner Innenseite mit einer Hochtemperaturkeramik ausgekleidet. Die Dicke der Auskleidung bestimmt dabei die Temperatur, die der Stahlmantel während des Prozesses spürt. Damit der Ofenmantel sich nicht im Laufe des Betriebs aufgrund der Temperaturbelastung verzieht oder Schäden an der inneren Verkleidung nicht zu einem Verbiegen oder gar Schmelzen des Ofenmantels führen, wird der Ofenmantel gegenwärtig von außen mit Luftgebläsen, die über die gesamte Ofenmantellänge außen am Drehofen angeordnet sind, gekühlt.
Diese Kühlung ist aufwändig und nimmt einen großen Platz um den Ofen herum ein. Außerdem ist eine solche Gebläsekühlung sehr laut und verbraucht viel elektrische Energie, die teuer ist. Sollte aus Lärmschutzgründen die Lärmbelastung der Umgebung gesenkt werden müssen, müssten die Drehöfen in einer schalldämmenden Halle betrieben werden, was wegen der hohen Prozesstemperaturen nicht vorteilhaft und wegen der Gebäudekosten auch sehr kostenintensiv wäre. Außerdem kann eine solche Gebläsekühlung starke lokale Erwärmungen des Ofenmantels weder erkennen noch individuell kühlen.
Es wäre daher ein Kühlsystem für Drehöfen wünschenswert, das einfach und zuverlässig bei niedrigem Geräuschpegel betreibbar ist, eine lokale Kühlungssteuerung zulässt und den Energieaufwand verringert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem für Drehöfen bereitzustellen, das einfach und zuverlässig bei niedrigem Geräuschpegel betreibbar ist, eine lokale Kühlungssteuerung ermöglicht und den Energieaufwand reduziert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem für Drehöfen zur Kühlung zumindest eines Abschnitts eines Ofenmantels, umfassend eine Anordnung von einem oder mehreren Kühlmodulen zur Aufbringung von Kühlflüssigkeit von außen auf den Ofenmantel in einem Auftreffbereich der Kühlflüssigkeit auf dem Ofenmantel, wobei die Kühlmodule für den zu kühlenden Abschnitt des Ofenmantels zumindest entlang der Drehachse des Ofenmantels beabstandet zum Ofenmantel angeordnet sind, jedes Kühlmodul ein ansteuerbares Schaltventil und eine Fächerdüse zur Abgabe eines gepulsten fächerförmigen Kühlflüssigkeitsstrahls umfasst und bei mehreren Kühlmodulen die benachbarten Kühlmodule in einem Abstand parallel zur Drehachse des Ofenmantels zueinander so angeordnet sind, dass die Auftreffbereiche den Ofenmantel entlang dessen Drehachse zumindest im zu kühlenden Abschnitt lückenlos kühlen und wobei jedes Kühlmodul mindestens einen mit einer Kühlsystemsteuerung verbundenen ersten Wärmesensor zur Messung einer ersten lokalen Temperatur des Ofenmantels in Drehrichtung des Ofenmantels gesehen vor dem Auftreffbereich der Kühlflüssigkeit und zur Übermittlung der ersten lokalen Temperatur an die Kühlsystemsteuerung umfasst, und die Kühlsystemsteuerung dazu ausgestaltet ist, das Schaltventil eines jeden Kühlmoduls entsprechend einer Differenz zwischen der jeweiligen ersten lokalen Temperatur und einer Solltemperatur so anzusteuern, dass mittels Einstellung der Pulslänge und/oder Pulsfrequenz des Kühlflüssigkeitsstrahls nach der Umdrehung des Ofenmantels die Stelle des Ofenmantels, an der eine Umdrehung zuvor die erste lokale Temperatur gemessen wurde, dann eine erste lokale Temperatur aufweist, die näher an der Solltemperatur liegt als bei der vorangegangenen Messung, sofern in der betreffenden Umdrehung Kühlflüssigkeit auf den jeweiligen Auftreffbereich aufgebracht wurde, wobei die Differenz zwischen den ersten lokalen Temperaturen dieser beiden Messungen aber weniger als 30K, vorzugsweise weniger als 15K, beträgt.
Das Kühlsystem ist dabei ein System aus Kühlmodulen und einer Kühlsystemsteuerung, die mit den einzelnen Kühlmodulen über eine oder mehrere Datenleitungen, vorzugsweise einen Datenbus, verbunden ist, um die jeweiligen Schaltventile anzusteuern. Dabei sind die einzelnen Kühlmodule durch eine oder mehrere Medienleitungen mit einer Kühlflüssigkeitsversorgung des Kühlsystems verbunden. Die Medienleitungen können separat zu den einzelnen Kühlmodulen ausgeführt sein oder über eine zentrale Medienleitung die Kühlmodule parallel mit Kühlflüssigkeit versorgen. Zur Steuerung der Pulslängen und Pulsfrequenzen des Kühlflüssigkeitsstrahls sind die Schaltventile innerhalb der Kühlmodule vor der jeweiligen Fächerdüse in den jeweiligen Medienleitungen an geeigneter Position angeordnet. Die einzelnen Komponenten des Kühlsystems wie Daten- oder Medienleitung(en) sowie die ansteuerbaren Schaltventile können vom Fachmann für die jeweilige Anwendung geeignet gewählt werden, insbesondere auf die benötigte Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit angepasst werden. Die Schaltventile können dabei durch die Kühlsystemsteuerung beispielsweise so betrieben werden, dass zwischen einem voll geöffnetem und einem vollständig geschlossenem Zustand hin- und her geschaltet wird, so dass die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit durch die Fächerdüse hindurch idealisiert ein Rechteckprofil aufweist. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahlen wird in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ein gepulster Strahl von Kühlflüssigkeit verwendet, wo sich Kühlflüssigkeitspulse mit Ruhephasen ohne Kühlflüssigkeit zwischen den Pulsen abwechseln. Dies ist vorteilhaft, um einerseits eine gute Kühlwirkung lokal zu erreichen, ohne dass die Abkühlung über dem Ofenmantel entlang eines Umfangs zu schnell vorgenommen werden kann. Eine zu schnelle Abkühlung beispielsweise aufgrund eines kontinuierlichen Strahls an Kühlflüssigkeit würde nicht tolerierbare Spannungen im Material des Ofenmantels hervorrufen und den Ofenmantel verziehen oder verbiegen, so dass der Drehofen funktionsuntüchtig wird. Aber auch Schichtspannungen, die zwar den Drehofen nicht verbiegen, aber zu einem Ablösen der Wärmeschutzmaterialien an der Innenseite des Ofenmantels führen, können für den Betrieb des Drehofens sehr negative Folgen haben, da das Ofenmantelmaterial an den Stellen, an denen es innen ungeschützt der Prozesstemperatur im Ofen ausgesetzt ist, sogar schmelzen kann. Letzteres führt auch zu einer Zerstörung des Drehofens. Solche Pulse an Kühlflüssigkeit haben eine Pulslänge pro Puls und eine Frequenz an Pulsen pro Zeiteinheit. Hierbei kann die durchschnittliche Durchflussmenge sowohl über die Pulslänge als auch über die Frequenz der Pulse (Pulsfrequenz) gesteuert werden. Innerhalb eines Pulses wird mit der Kühlflüssigkeit kontinuierlich gekühlt, während in der Zeit zwischen den jeweiligen Pulsen keine Kühlflüssigkeit auf dem Ofenmantel auftrifft. Erst die Kühlflüssigkeit des nächsten Pulses kühlt den Ofenmantel weiter herab. So kann über die Pulslänge einerseits die kurzzeitig verfügbare maximale Kühlleistung eingestellt werden, während über die Pulsfrequenz relativ zur Pulslänge die zeitlich gemittelte Kühlleistung eingestellt wird. Über Variation dieser Größen können unterschiedliche Stellen auf dem Ofenmantel unterschiedlich stark gekühlt werden, so dass die gewünschte Abkühlung an jeder Stelle des Ofenmantels, auf die innerhalb einer Ofenmantelumdrehung Kühlflüssigkeit aufgebracht wird, individuell und in Abhängigkeit von den lokalen Temperaturen und der vom Ofenmantelmaterial mechanisch kompensierbaren Spannungen aufgrund der Abkühlung eingestellt und kontrolliert werden. Als Kühlflüssigkeiten können dabei jegliche Flüssigkeiten verwendet werden, die mittels Auftreffen und Verdampfen auf einer heißen Oberfläche die Oberflächentemperatur verringern können und die hinreichend kleine Viskosität besitzen, damit diese durch eine Düse versprüht werden können. Ein Ausführungsbeispiel für geeignete Kühlflüssigkeiten ist dabei Wasser.
Die zur Steuerung verwendete Kühlsystemsteuerung kann einen oder mehrere geeignete Prozessoren zur Auswertung des Messdaten und zur Berechnung der benötigten Pulsfrequenzen und Pulslängen in Abhängigkeit von Ort und Zeit der Kühlmodule und der Ofenpositionen auf den jeweiligen Umfängen, ein oder mehrere Mikrokontroller zur Ansteuerung der Schaltventile und ein geeignetes Speichermedium zur zeit- und positionsabhängigen Speicherung der Temperaturdaten umfassen. Der Fachmann ist in der Lage, die entsprechend geeigneten Hardwarekomponenten für die Kühlsystemsteuerung auszuwählen. Die Solltemperatur wird dabei in der Kühlsystemsteuerung zur weiteren Steuerung hinterlegt und kann gegebenenfalls von dem Betreiber des Drehofens geändert werden. Die Solltemperatur stellt dabei eine gewünschte Temperatur des Ofenmantels dar, bei dem mechanische Veränderungen des Ofenmantels aufgrund der Materialerwärmung für die vorgesehene Betriebszeit ausgeschlossen oder sehr unwahrscheinlich sind.
Zur Erzielung einer Kühlwirkung durch Verdampfung muss die Kühlflüssigkeit möglichst reproduzierbar auf den Ofenmantel auftreffen. Den bei einem eingestellten Abstand zwischen Fächerdüse und Ofenmantel benötigten Leitungsdruck, damit der Kühlflüssigkeitsstrahl ohne Störung von äußeren Einflüssen wie beispielsweise Wind auf den vorgesehenen Auftreffbereich auftreffen kann, wird durch den Fachmann geeignet gewählt. Die Fächerdüse kann beispielsweise in einem Abstand von 1 m bis 1,5m zum Ofenmantel angeordnet werden. Bei Leitungsdrücken in den Kühlflüssigkeitsleitungen von 3 bar - 6 bar trifft der Kühlflüssigkeitsstrahl gut justierbar auf den Ofenmantel. In einer Ausführungsform sind die Fächerdüsen im Wesentlichen senkrecht zum Auftreffbereich auf dem Ofenmantel ausgerichtet. In anderen Ausführungsformen können auch andere Ausrichtungs- und damit Kühlflüssigkeitsstrahlwinkel gewählt werden. Fächerdüsen bezeichnen hierbei Düsen, die zumindest in einer Ebene einen Strahl mit einem von der Düse abhängigen Öffnungswinkel aufweiten.
Der zu kühlende Abschnitt auf dem Ofenmantel kann in einer Ausführungsform nur den Bereich um die Feuerlanze herum betreffen, in anderen Ausführungsformen kann aber auch der Ofenmantel auf seiner gesamten Länge entlang der Drehachse des Drehofens gekühlt werden. Der Ofenmantel bezeichnet hierbei die äußere Hülle des sich drehenden Ofens und ist in der Regel aus temperaturbeständigem Stahl, Edelstahl oder Hochtemperaturstahl gefertigt. Der Drehofen wird durch das Kühlsystem zwar nur lokal im Auftreffbereich gekühlt, allerdings führt die kontinuierliche Drehung des Drehofens und damit des Ofenmantels dazu, dass alle Punkte auf dem Umfang des Ofenmantels, die während einer Drehung den Auftreffbereich der Kühlflüssigkeit eines jeden Kühlmoduls durchlaufen, gekühlt werden. Typische Umdrehungszeiten sind 0,5 min - 1,0 min pro Umdrehung. Da die Umdrehungsgeschwindigkeit bei Drehöfen konstant gehalten wird, ist die jeweilige Position einer Stelle auf dem Ofenmantel aus der Umdrehungsgeschwindigkeit und der jeweiligen Zeit (beispielsweise Messzeit der ersten Temperatur, Aufbringungszeit der Kühlflüssigkeit etc.) eindeutig gegeben und somit als Grundlage für die positionsabhängige Kühlsystemsteuerung verwendbar.
In einer weiteren Ausführungsform kann die aktuelle Umdrehungsgeschwindigkeit des Drehofens von einem Mikrocontroller beispielsweise mittels Marken auf dem Ofenmantel oder mit Hilfe von Drehgebern als Sensor für den Drehwinkel des Ofenmantels, die der Fachmann geeignet auswählt, am Drehofen gemessen werden und die jeweilige Position einer zu kühlenden Stelle daraus berechnet werden. Die Marken oder Signale des oder der Drehgeber können beispielsweise von einer Drehofensteuerung erkannt und die daraus berechnete Ofenmantelposition an die Kühlmittelsteuerung übermittelt werden. In einer alternativen Ausführungsform werden die Marken auf dem Ofenmantel oder die Signale der Drehgeber von entsprechenden optischen oder elektronischen Mitteln des Kühlsystems, beispielsweise angeordnet an einem oder mehreren Kühlmodulen oder ausgeführt als eine von den Kühlmodulen separate Drehwinkelerkennungseinheit angeschlossen an die Kühlsystemsteuerung erkannt und die daraus resultierende Ofenmantelposition an die Kühlsystemsteuerung über die Datenleitungen übermittelt.
Die für die Messungen der ersten (und/oder zweiten Temperatur) verwendeten Wärmesensoren können jede dafür geeignete Sensoren sein. Beispielsweise werden im erfindungsgemäßen Kühlsystem Infrarotsensoren verwendet. Der durch Verdampfung der Kühlflüssigkeit auf dem Ofenmantel entstehende Dampf beeinflusst die Temperaturmessung nur geringfügig, da durch die Wahl der Pulsfrequenz des Kühlflüssigkeitsstrahls die zeitliche Entwicklung des Dampfes gesteuert werden kann.
Im Gegensatz zu derzeit verwendeten Luftkühlsystemen ist das erfindungsgemäße Kühlsystem durch Verwendung einer Kühlflüssigkeit sehr geräuscharm zu betreiben, da die Aufbringung von Kühlflüssigkeit auf dem Ofenmantel nahezu geräuschlos vorgenommen werden kann und die Verdampfungsgeräusche im Vergleich zu den übrigen Betriebsgeräuschen des Drehofens vernachlässigbar sind. Außerdem erreicht man beispielsweise mit Wasser als Kühlflüssigkeit eine Kühlleistung von 1 MW abgeführter Leistung mit lediglich einer Wassermenge unter 1,8 m3 pro Stunde. Für eine größere Kühlleistung müsste die Menge an Kühlflüssigkeit pro Zeiteinheit entsprechend erhöht werden, was bei der geringen benötigten Menge ohne Schwierigkeiten möglich wäre. Für die gleiche Kühlleistung müsste man bei einer Luftkühlung pro Stunde mehr als 30.000 m3 Luft umwälzen. Somit ist das erfindungsgemäße Kühlsystem ressourcen- und energieschonend betreibbar. Durch die leichte und präzise Dosierbarkeit der Menge der aufgebrachten Kühlflüssigkeit mit entsprechend an die gemessenen Temperaturen angepassten Mengenprofilen als Funktion der Zeit können die durch die Abkühlung entstehenden Spannungen im Ofenmantel unterhalb kritischer Werte für die mechanische Stabilität des Ofenmantels gehalten werden. Beispielsweise würde eine Abkühlung eines Ofenmantels aus Stahl um 100K gegenüber seiner Umgebung zu einer Schrumpfung von 1 mm pro Meter Umfang führen. Bei Umfängen von 15 Metern oder mehr könnte dies zu einer Durchmesserschrumpfung von 6 mm führen. Dies wäre aus mechanischen Gründen unbedingt zu vermeiden. Bei einer Temperaturdifferenz von unterhalb 30K wäre die Schrumpfung des Umfangs dagegen kleiner als 0,3 mm pro Meter Umfang. Hier kommt zusätzlich, dass die Abkühlung im erfindungsgemäßen Kühlsystem nicht gleichzeitig über den gesamten Umfang stattfindet, sondern entlang des Umfangs über eine Umdrehung, also über 0,5 min - 1,0 min verteilt ist, was die Schichtspannungen weiter zu reduzieren hilft.
Durch das erfindungsgemäße Kühlsystem lassen sich Drehöfen einfach und zuverlässig kühlen, wobei das Kühlsystem bei niedrigem Geräuschpegel betreibbar ist, eine lokale Kühlungssteuerung ermöglicht und den Energieaufwand reduziert.
In einer Ausführungsform ist die Kühlsystemsteuerung so mit den Schaltventilen verschiedener Kühlmodule verbunden und ausgestaltet, dass sie die Schaltventile verschiedener Kühlmodule unabhängig voneinander zur Einstellung individueller Pulslänge und/oder Pulsfrequenz für jedes Kühlmodul ansteuert. Dadurch kann nicht nur in einem Auftreffbereich für ein Kühlmodul die Kühlung für den jeweiligen Umfang des Ofenmantels positionsabhängig gesteuert werden, sondern die Kühlleistung verschiedener Kühlmodule je nach Ort der jeweiligen unterschiedlichen Auftreffbereiche an die Drehofengegebenheiten und Notwendigkeiten angepasst werden. Im Bereich der Feuerlanze werden beispielsweise andere Kühlleistungen benötigt als in der Nähe der Einlassöffnung für das im Ofen zu prozessierende Rohmaterial, das dort eine wesentlich niedrigere Temperatur aufweist. Somit lässt sich dasselbe erfindungsgemäße Kühlsystem individuell für verschiedene Drehöfen und Betriebsphasen verwenden beziehungsweise auf geänderte Betriebsparameter des Ofens anpassen.
In einer Ausführungsform ist die Kühlsystemsteuerung so ausgestaltet, dass sie die erste Temperatur entlang einer Ofenmanteldrehung durch den Auftreffbereich für einen Umfang des Ofenmantels positionsabhängig aufzeichnet und sie die Pulslänge und/oder Pulsfrequenz für das jeweilige Kühlmodul zumindest aufgrund der positionsabhängigen aufgezeichneten ersten Temperaturen so anpasst, dass die heißeste Position auf dem Umfang des Ofenmantels durch eine stärkere Kühlung durch das betreffende Kühlmodul in dem die heißeste Position umgebenden Umgebungsbereich zusätzlich gekühlt wird. Somit kann das erfindungsgemäße Kühlsystem nicht nur auf die gemessenen Temperaturen auf dem Ofenmantel nachfolgend reagieren, sondern bereits in Vorausschau in Abhängigkeit der Ofenmantelposition mittels der über den Umfang aufgezeichneten ersten Temperaturen mit einer verstärkten Umgebungskühlung auf besonders zu kühlende Stellen ergänzend reagieren.
In einer Ausführungsform unterbricht die Kühlsystemsteuerung nach Erreichen der Solltemperatur für ein Kühlmodul die Kühlung durch dieses Kühlmodul solange, bis die erste lokale Temperatur mindestens um einen einstellbaren Wert, vorzugsweise 30K, über der Solltemperatur liegt. Befindet sich der Ofenmantel auf oder nahe an der Solltemperatur, so kann aus wirtschaftlichen Gründen für ein gewisses Zeitintervall auf Kühlung verzichtet werden, um Ressourcen zu schonen.
In einer Ausführungsform sind die Fächerdüsen so ausgestaltet, dass sie einen fächerförmigen Kühlflüssigkeitsstrahl erzeugen, der einen ersten Öffnungswinkel von mindestens 40° entlang der Drehachse des Drehofens besitzt. Dadurch kann ein Kühlmodul einen größeren Bereich des Ofenmantels mit Kühlflüssigkeit besprühen, so dass die Anzahl der Kühlmodule für eine vollständige Kühlung des zu kühlenden Abschnitts begrenzt wird und das Kühlsystem dadurch mit einer geringeren Anzahl an Komponenten für eine vorgegebene Größe des zu kühlenden Bereichs auskommt. Gleichzeitig wird auch die Menge an Kühlflüssigkeit auf einen breiteren Auftreffbereich verteilt, so dass die Menge an Kühlflüssigkeit pro Flächeneinheit auf dem Ofenmantel leichter steuerbar ist und somit eine nicht gewollte zu starke Abkühlung eines kleinen Bereichs auf dem Ofenmantel verhindert wird. Die Auffächerung des Kühlflüssigkeitsstrahls kann dabei über die Wahl und Einstellung der Fächerdüse so gestaltet werden, dass benachbarte Auftreffbereiche leicht überlappen, da in den äußeren Bereichen der Auftreffbereiche in der Regel weniger Flüssigkeitsmenge pro Fläche aufgebracht wird als in dem zentralen Bereich des Auftreffbereichs einer jeden Fächerdüse. Somit können sich benachbarte Fächerdüsen in den äußeren Bereichen der Auftreffflächen beim Aufbringen der Kühlflüssigkeit ergänzen. Selbst wenn die Auftreffbereiche nicht überlappen, so überlappen dennoch die Bereiche benachbarter Kühlmodule, in denen eine Kühlwirkung auf dem Ofenmantel erreicht wird, da sich diese mittels Wärmeleitung über den reinen Auftreffbereich hinaus erstreckt. Ein solcher in der Ebene der Längsrichtung des Drehofens aufgefächerte Kühlflüssigkeitsstrahl kann in der Richtung senkrecht dazu (senkrecht zur Drehachse des Drehofens) beispielsweise einen zweiten Öffnungswinkel kleiner als 10° besitzen.
In einer weiteren Ausführungsform besitzen eine, mehrere oder alle Fächerdüsen zudem einen zweiten Öffnungswinkel in Drehrichtung des Ofenmantels (senkrecht zur Rotationsachse des Ofenmantels), der mindestens 30°, vorzugsweise mindestens 60°, beträgt. Dadurch können in Drehrichtung auf einem Umfang liegende benachbarte Bereiche durch denselben Auftreffbereich örtlich überlappend gekühlt werden, was einerseits die Kühlleistung über einen größeren Bereich verteilt und andererseits eine Vorkühlung nachfolgenden Bereiche, die erst danach den Auftreffbereich durchqueren, erreicht werden. Durch die überlappende Kühlung wird die örtliche Kühlleistung über eine längere Aufbringzeit verteilt und damit die lokalen Spannungen im Ofenmantel verringert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die Kühlsystemsteuerung dazu vorgesehen, die Pulslänge des Kühlflüssigkeitsstrahls bei gleicher Pulsfrequenz beim Durchlauf der Stellen des Ofenmantels mit geringen Differenzen zur Solltemperatur durch den Auftreffbereich kurz einzustellen und beim Durchlauf der Stellen des Ofenmantels mit größeren Differenzen zur Solltemperatur durch den Auftreffbereich länger einzustellen.
In einer Ausführungsform sind der Abstand zwischen den benachbarten Kühlmodulen und ein Druck der Kühlflüssigkeit für die Kühlmodule so eingestellt, dass sich die Auftreffbereiche der Kühlflüssigkeiten auf dem Ofenmantel für benachbarte Kühlmodule berühren, vorzugsweise ohne sich dabei zu überlappen. Hierdurch wird sichergestellt, dass der zu kühlende Bereich bei geringstmöglicher Anzahl an Kühlmodulen vollständig gekühlt werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst das Kühlmodul des Weiteren einen zweiten Wärmesensor zur Messung einer zweiten lokalen Temperatur des Ofenmantels in Drehrichtung des Ofenmantels hinter dem Auftreffbereich, der zur Übermittlung der zweiten lokalen Temperatur an die Kühlsystemsteuerung vorgesehen und dafür mit ihr verbunden ist, wobei die Kühlsystemsteuerung dazu vorgesehen ist, das Schaltventil eines jeden Kühlmoduls so anzusteuern, dass die Differenz zwischen erster und zweiter lokaler Temperatur während einer Umdrehung kleiner 10K, vorzugsweise kleiner 5K, beträgt. Der zweite Wärmesensor liefert einen Messwert für die lokale Ofenmanteltemperatur direkt nach dem Durchlauf dieses Punktes durch den Auftreffbereich der Kühlflüssigkeit. So erhält die Kühlsystemsteuerung einen direkten Wert für die Kühlwirkung. Das Abwarten einer vollständigen Umdrehung liefert dagegen nur den Wert nach typischerweise 30s - 60s (Zeit einer Ofenmanteldrehung), wodurch die Vergleich zwischen der ersten Temperatur bei der Umdrehung n und der ersten Temperatur eine Umdrehung später (Umdrehung n+1) durch die dazwischenliegende Erwärmung des Ofenmantel an nicht gekühlten Stellen den Wert ebenfalls beeinflusst wird. Mit der gemessenen zweiten Temperatur als ergänzender Messwert lässt sich die Ofenmantelkühlung noch präziser auf die Gegebenheiten zur Vermeidung von nachteiligen Abkühleffekten anpassen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Wärmesensoren im jeweiligen Kühlmodul an einer ersten Position angeordnet ist, wobei eine gedachte Verbindungslinie zwischen erster Position und Düsenmittelpunkt senkrecht zur Drehachse des Ofenmantels verläuft. Im Falle des Vorhandenseins eines zweiten Wärmesensors als zusätzlicher Wärmesensor im Kühlmodul ist dieser zweite Wärmesensor an einer zweiten Positionen ungleich der ersten Position angeordnet, wobei eine gedachte Verbindungslinie zwischen erster und zweiter Position senkrecht zur Drehachse des Ofenmantels verläuft und erste und zweite Positionen zumindest den gleichen Abstand zum Ofenmantel haben. Damit werden die Messwerte mit den ersten und zweiten Wärmesensoren unter gleichen räumlichen Bedingungen genommen beziehungsweise der erste Wärmesensor ist auf den Mittelpunkt des Auftreffbereichs gerichtet. Dieser Mittelpunkt ist der Punkt, an dem die größte Menge an Kühlflüssigkeit während eines Pulses auf den Auftreffbereich aufgebracht wird und der somit die größte Überwachung erfordert. Die erste und/oder zweite Position der Wärmesensoren können beispielsweise so gewählt werden, dass die auf dem Ofenmantel verdampfende Kühlflüssigkeit nicht oder nur unwesentlich durch den Bereich zwischen den Wärmesensoren und dem Ofenmantel zieht. Damit wird die Temperaturmessung von der Dampfentwicklung der verdampfenden Flüssigkeit nicht mehr beeinflusst.
In einer Ausführungsform wird die Pulslänge und/oder Pulsfrequenz des Kühlflüssigkeitsstrahls so eingestellt, dass die zweite Temperatur für die Stelle des Ofenmantels, an der bereits die erste Temperatur während der gleichen Umdrehung detektiert wurde, eine um mindestens 2K kleinere Differenz zur Solltemperatur ausweist als die erste Temperatur. Damit wird sichergestellt, dass neben der Vermeidung von Spannungen im Ofenmantel dennoch eine hinreichende Kühlung des Ofenmantels erreicht wird.
In einer Ausführungsform ist die Kühlsystemsteuerung dazu ausgestaltet, ein Warnsignal auszusenden, sobald zumindest die Differenz zwischen Solltemperatur und erster Temperatur über einer Schwellentemperatur liegt, vorzugsweise wird das Warnsignal elektronisch zu einer Drehofensteuerung übermittelt. Somit kann bei einer nicht genügenden Kühlung des Drehofens dieser durch andere Prozesseinstellungen über die Drehofensteuerung geschützt werden. Sofern das Warnsignal automatisch und elektronisch übermittelt wird, kann die Drehofensteuerung gleichsam automatisch und ohne Zeitverzögerung reagieren. Die Schwellentemperatur kann ebenfalls in der Kühlsystemsteuerung hinterlegt und geändert werden. Sie ist von der jeweiligen Anwendung und vom Drehofen abhängig.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Drehofen mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem. Drehöfen sind beispielsweise direkt beheizte Drehöfen zum Kalkbrennen, zum Schmelzen von keramischen Gläsern, zum Erschmelzen von Metallen, zur Eisenerzreduktion, zur Aktivkohleherstellung und für andere Anwendungen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drehofen ein Zementdrehofen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Kühlsystems für Drehöfen zur Kühlung zumindest eines Abschnitts eines Ofenmantels umfassend eine Anordnung von einem oder mehreren Kühlmodulen, die für den zu kühlenden Abschnitt des Ofenmantels zumindest entlang der Drehachse des Ofenmantels beabstandet zum Ofenmantel angeordnet sind, jedes Kühlmodul ein ansteuerbares Schaltventil und eine Fächerdüse zur Abgabe eines gepulsten fächerförmigen Kühlflüssigkeitsstrahls und mindestens einen ersten Wärmesensor zur Messung einer ersten Temperatur umfasst, umfassend die Schritte
In einer Ausführungsform des Verfahrens steuert dabei die Kühlsystemsteuerung die Schaltventile verschiedener Kühlmodule unabhängig voneinander zur Einstellung individueller Pulslänge und/oder Pulsfrequenz für jedes Kühlmodul an.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zeichnet die Kühlsystemsteuerung die ersten Temperaturen entlang einer Ofenmanteldrehung durch den Auftreffbereich des Kühlflüssigkeitsstrahls des jeweiligen Kühlmoduls für einen Umfang des Ofenmantels positionsabhängig auf und passt Pulslänge und/oder Pulsfrequenz für das jeweilige Kühlmodul aufgrund der positionsabhängigen aufgezeichneten Temperaturen so an, dass die heißeste Position auf dem Umfang des Ofenmantels durch eine stärkere Kühlung durch das betreffende Kühlmodul in dem die heißeste Position (PH) umgebenden Umgebungsbereich zusätzlich gekühlt wird.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt:
Drehöfen 1, die diesen hohen Temperaturen ausgesetzt sind, haben einen Ofenmantel 2 aus Edelstahl oder Hochtemperaturstahl, der Temperaturen bis zu 550° C beziehungsweise 950° C ausgesetzt werden kann. Da die Temperaturen im Bereich der direkten Heizung deutlich höher sind, ist der Ofenmantel 2 aus Stahl an seiner Innenseite mit einer Hochtemperaturkeramik 7 ausgekleidet. Die Dicke der Auskleidung 7 bestimmt dabei die Temperatur, die der Stahlmantel 2 während des Prozesses spürt. Damit der Ofenmantel 2 sich nicht im Laufe des Betriebs aufgrund der Temperaturbelastung verzieht oder Schäden an der inneren Verkleidung nicht zu einem Verbiegen oder gar Schmelzen des Ofenmantels 2 führen, wird der Ofenmantel von außen gekühlt (hier nicht explizit gezeigt). Die Hochtemperaturkeramik 7 ist in der Regel aus Keramikkacheln 71 gebildet, die in Kontakt zueinander nebeneinander angeordnet werden.
In dieser Ausführungsform ist das Kühlsystem 3 und die Kühlsystemsteuerung 32 dazu ausgestaltet, ein Warnsignal SW auszusenden, sobald zumindest die Differenz DT1 zwischen Solltemperatur ST und erster Temperatur T1 über einer Schwellentemperatur liegt. Dazu ist die Kühlsystemsteuerung 32 über eine gestrichelt dargestellte Datenleitung elektronisch mit der Drehofensteuerung 11 verbunden, um dieser das Warnsignal SW automatisch übermitteln zu können.
Die hier gezeigte Fächerdüse 312 ermöglicht für den Kühlflüssigkeitsstrahl 4 zusätzlich zum ersten Öffnungswinkel einen zweiten Öffnungswinkel W2 in Drehrichtung R des Ofenmantels 2, der mindestens 30°, vorzugsweise mindestens 60°, beträgt. Vorzugsweise ist dabei die Kühlsystemsteuerung 32 dazu vorgesehen, die Pulslänge des Kühlflüssigkeitsstrahls 4 bei gleicher Pulsfrequenz beim Durchlauf der Stellen des Ofenmantels 2 mit geringen Differenzen DT1 zur Solltemperatur ST durch den Auftreffbereich 41 kurz einzustellen und beim Durchlauf der Stellen des Ofenmantels 2 mit größeren Differenzen DT1 zur Solltemperatur ST durch den Auftreffbereich 41 länger einzustellen.
In dieser Ausführungsform ist beispielhaft für mögliche auftretende Problemfälle die Wärmeisolationsschicht 7, hergestellt aus keramischen Kacheln 71, auf der Innenseite des Ofenmantels 2 gezeigt, wobei an der Stelle 72 eine solche Keramikkachel 71 fehlt, so dass diese Stelle 72 der Temperatur im Inneren des Drehofens ohne Schutz ausgesetzt ist. Somit wird sich der Ofenmantel 2 außen an der Stelle PH deutlich mehr erhitzen als an den Stellen, wo auf der Innenseite weiterhin schützende Keramikkacheln 71 vorhanden sind. Um dennoch diese heiße Stelle PH ausreichend kühlen zu können, ist in dieser Ausführungsform die Kühlsystemsteuerung 32 so ausgestaltet, dass sie die erste Temperatur T1 entlang einer Ofenmanteldrehung 2Un+1 durch den Auftreffbereich 41 für einen Umfang des Ofenmantels 2 positionsabhängig aufzeichnet und sie Pulslänge und/oder Pulsfrequenz für das jeweilige Kühlmodul 31 zumindest aufgrund der positionsabhängigen aufgezeichneten ersten Temperaturen T1 so anpasst, dass die heißeste Position PH auf dem Umfang des Ofenmantels 2 durch eine stärkere Kühlung durch das Kühlmodul 31 in dem die heißeste Position PH umgebenden Umgebungsbereich PH-U zusätzlich gekühlt wird. Der Umgebungsbereich PH-U ist hier durch den Gestrichelten Pfeil entlang der Drehrichtung angedeutet. Natürlich erstreckt sich der Umgebungsbereich PH-U auch in die Richtung entlang der Drehachse, was hier nicht gezeigt ist.
In dieser Ausführungsform zeichnet die Kühlsystemsteuerung 32 die ersten Temperaturen T1 entlang einer Ofenmanteldrehung durch den Auftreffbereich 41 des Kühlflüssigkeitsstrahls 4 des jeweiligen Kühlmoduls 31, 31', 31" für einen Umfang des Ofenmantels 2 positionsabhängig auf, wodurch die Kühlsystemsteuerung 32 aus den Daten die heißeste Position PH auf dem Ofenmantel identifiziert (gegebenenfalls mehrere heiße Positionen PH auf dem Ofenmantel) und passt Pulslänge und/oder Pulsfrequenz für das jeweilige Kühlmodul 31, 31', 31", dessen Auftreffbereich 41 von der heißesten Stelle PH oder den heißen Stellen PH durchlaufen wird, aufgrund dieser positionsabhängig aufgezeichneten Temperaturen T1 so an, dass die heißeste Position PH auf dem Umfang des Ofenmantels 2 durch eine stärkere Kühlung durch das betreffende Kühlmodul 31, 31', 31" in dem die heißeste Position PH umgebenden Umgebungsbereich PH-U zusätzlich gekühlt wird.
In einer weiteren Ausführungsform unterbricht zusätzlich die Kühlsystemsteuerung 32 nach Erreichen der Solltemperatur ST für ein Kühlmodul 31, 31', 31" die Kühlung durch dieses Kühlmodul 31, 31', 31" solange, bis die erste lokale Temperatur T1 mindestens um einen einstellbaren Wert (Einschaltschwelle), vorzugsweise 30 K, über der Solltemperatur ST liegt. Beispielsweise liegt die Solltemperatur bei einem Zementdrehofen bei 210° C, die Einschaltschwelle zur erneuten Kühlung würde dann bei 240° C liegen.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.