Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung der Abwärme eines Anoden-Ringofens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der im Betrieb eines zumindest eine Aufheizzone, eine Feuerzone und eine Kühlzone umfassenden Anoden-Ringofens entstehenden Abwärme, bei dem eine aus dem Anoden-Ringofen abgeführte Heißgasströmung zur Temperierung einer einem thermischen Kraftwerk zugeführten Wasserströmung verwendet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

Das vorliegende Verfahren findet Anwendung bei der Herstellung von Anoden, die für die Schmelzflusselektrolyse zur Herstellung von Primäraluminium benötigt werden. Diese Anoden werden aus Petrolkoks unter Zusatz von Pech als Bindemittel in einem Formungsverfahren als so genannte „grüne Anoden" oder „Rohanoden" hergestellt, die nachfolgend dem Formungsverfahren in einem Anoden-Ringofen gesintert werden. Dieser Sintervorgang findet in einem definiert ablaufenden Wärmebe- handlungsprozess statt, bei dem die Anoden drei Phasen, nämlich eine Aufheizphase, eine Sinterphase und eine Abkühlphase, durchlaufen. Dabei befinden sich die Rohanoden in der Aufheizzone eines aus der

Aufheizzone, der Feuerzone und der Kühlzone zusammengesetzten, umlaufend am Anoden-Ringofen ausgebildeten „Feuers" und werden durch die aus der Kühlzone stammende Abwärme von bereits fertig gesinterten Anoden vorgeheizt, bevor die vorgeheizten Anoden in der Brenn- oder Feuerzone auf die Sintertemperatur von etwa 1050 ⁰ C aufgeheizt werden.

Entsprechend dem Stand der Technik, wie er beispielsweise aus der EP 1 785 685 Al bekannt ist, werden dabei die verschiedenen, vorgenannten Zonen durch eine wechselnd umlaufende Anordnung unterschiedlicher Aggregate oberhalb von Ofenkammern definiert, die die Anoden aufnehmen und als Wärmtauscher fungieren. Durch die Positionierung der Brennereinrichtung oberhalb der ausgewählten Ofenkammern ist die Brenner- oder Feuerzone definiert, die zwischen der Aufheizzone und der Kühlzone angeordnet ist. In der Kühlzone befinden sich unmittelbar zuvor gebrannte, also auf Sintertemperatur aufgeheizte, fertiggestellte Anoden. Oberhalb der Kühlzone ist eine Gebläseeinrichtung angeordnet, vermittels der Luft in die Kammern der Kühlzone eingegeben wird, welche durch eine oberhalb der Aufheizzone angeordnete Absaugeinrichtung durch die Kammern untereinander verbindende Heizkanäle von der Kühlzone durch die Feuerzone hindurch in die Aufheizzone und von dieser als Rauchgas durch eine Rauchgasreinigungsanlage geleitet und in die Umgebung abgegeben wird.

In der EP 1 785 685 Al wird vorgeschlagen, die vermittels einer Absaugeinrichtung der Aufheizzone entnommene Rauchgasströmung, die immer noch eine Temperatur zwischen 150 ⁰ C und 250 ⁰ C aufweist, einem Wärmetauscher zuzuführen, der vor Formung der „grünen Anoden" in einem Misch- und Formaggregat eine Erwärmung des Petrolkoks auf ca. 150 ⁰ C ermöglichen soll, um eine Verbesserung der Benetzbarkeit mit flüssigem Pech in dem nachfolgenden Mischvorgang zu gewährleisten

Lediglich ein Teil der zur Kühlung von Ofenkammern und Anoden in die Kühlzone eingeblasenen Kaltluft, die in der Kühlzone auf ca. 950 ⁰ C

aufgeheizt wird, wird als vorgewärmte Verbrennungsluft für die Feuerzone benötigt. Der Rest der Kühlwärme wird bislang über Abluftöffnungen in der Kühlzone an die Umgebung, also die Ofenhalle, abgegeben. Die in der Abluft enthaltene Wärmeenergie kann ebenfalls zur Erwär- mung des Petrolkokses im Rahmen der Rohanodenherstellung genutzt werden.

Unabhängig davon, ob die Abwärme aus der Rauchgasströmung oder aus der der Kühlzone entnommenen Heißgasströmung stammt, die gegebenenfalls zur Erwärmung des Petrolkokses im Rahmen der Rohanodenher- Stellung genutzt wird, bleibt ein erheblicher Anteil der in der Rauchgasströmung bzw. Heißgasströmung enthaltenen freien thermischen Energie ungenutzt. Dies gilt insbesondere deswegen, weil die meisten Aluminiumwerke in Regionen, wie dem mittleren Osten, Indien, China und Südamerika installiert sind bzw. errichtet werden, in denen vergleichs- weise hohe Lufttemperaturen die Regel sind. Eine Nutzung der zur

Verfügung stehenden freien thermischen Energie für Heizzwecke scheidet demnach im Wesentlichen aus.

Andererseits gilt für die vorgenannten Länder bzw. Regionen, dass die dort betriebenen Aluminiumwerke regelmäßig mit einem thermischen Kraftwerk zur Stromerzeugung kombiniert sind. Diese Kraftwerke benötigen große Mengen von Kessel-Speisewasser, das zur Stromerzeugung erhitzt werden muss, so dass ein entsprechender Verbrauch von häufig fossilen Energieträgern die Folge ist. Die Bereitstellung der Energieträger ist mit entsprechendem Kostenaufwand verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung vorzuschlagen, das bzw. die eine erhebliche Reduzierung des Energiebereitstellungs- und des damit verbundenen Kostenaufwands ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An- spruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10

gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die aus dem Anoden- Ringofen abgeführter Heißgasströmung zur Temperierung einer einem thermischen Kraftwerk zugeführten Wasserströmung verwendet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Kessel-Speisewasser, das zum Betrieb eines thermischen Kraftwerks benötigt wird eine niedrige Ausgangstemperatur hat und somit eine im Verhältnis zur nutzbaren Abwärme des Anoden-Ringofens nahezu unbegrenzte Wärmesenke darstellt. Eine überschlägige Rechnung zeigt, dass bei Durchleitung der gesamten Kesselwassermenge bei Nutzung aller Abwärmepotentiale, also sämtlicher freien Energie, eine Erwärmung des Wassers um lediglich etwa 2 ⁰ C erfolgt.

Erfindungsgemäß wird daher die für die Rohanodenherstellung nicht benötigte Abwärme des Anoden-Ringofens zur Aufheizung des Kessel- wassers verwendet. Dadurch kann nicht nur der Energiebedarf zum Betrieb des Kraftwerks erheblich reduziert werden, sondern darüber hinaus wird eine um den Feuerungswirkungsgrad höhere effektive Einsparung erzielt werden.

Gemäß einer vorteilhafteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Temperierung der Wasserströmung eine aus der Feuerzone oder der Aufheizzone abgeführte Rauchgasströmung verwendet. Die Rauchgasströmung verlässt mit 250 ⁰ C bis 350 ⁰ C den Ofen und muss zur Konditionierung einer Rauchgasreinigungsanlage mit zersträubtem Wasser auf etwa 1 10 ⁰ C herunter gekühlt werden. Dies ist insbesondere in heißen Ländern, wie den Golfstaaten, ein aufwendiger und kostenträchtiger Prozess, da häufig Meerwasser unter großem Energieeinsatz zur weiteren Verwendung zuvor entsalzt werden muss. Durch die Verwendung der Rauchgasströmung zur Temperierung der Wasserströmung wird daher nicht nur der Energiebedarf zur Temperierung der Wasser- Strömung reduziert, sondern darüber hinaus erfolgt durch die nicht mehr

bestehende Notwendigkeit einer Wasserkühlung der Rauchgasströmung eine Nutzung anstatt einer Vernichtung der im Rauchgas enthaltenen Wärmemenge.

Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Rauchgasströmung durch eine einer Rauchgasreinigungseinrichtung vorgeordnete Wärmetauschereinrichtung geleitet wird.

Da auch nach dem Verlassen der Rauchgasreinigungsanlage die Rauchgasströmung immer noch eine Temperatur von ca. 100 ⁰ C und somit ein nutzbares Wärmepotential aufweist, ist es vorteilhaft, die Rauchgasströ- mung durch eine der Rauchgasreinigungseinrichtung nachgeordnete Wärmetauschereinrichtung zu leiten, um auch dieses Wärmepotential noch zu nutzen.

Wenn die Wärmetauschereinrichtung in einer ersten Wärmeübergangsphase einen Wärmeübergang von der Rauchgasströmung auf ein Wärme- trägermedium ermöglicht und erst in einer zweiten Wärmeübergangsphase ein Wärmeübergang von dem Wärmeträgermedium auf die Wasserströmung erfolgt, kann auch bei großer Temperaturdifferenz zwischen der Rauchgasströmung und dem Wasser sichergestellt werden, dass die Taupunkttemperatur von sauren Rauchgasbestandteilen, die zu einer Korrosion im Bereich der Wärmetauschereinrichtung führen können, verhindert wird. Bei diesen Bestandteilen handelt es sich regelmäßig um Schwefel und Fluor, wobei die Taupunkttemperatur im Rohgas, also vor Eintritt in die Rauchgasreinigungseinrichtung etwa bei 120 ⁰ C und beim Reingas, also nach dem Austritt aus der Rauchgasreinigungseinrichtung, bei etwa 50 ⁰ C liegt.

Durch die zweiphasige Temperaturabsenkung wird ein Zwischenkreis definiert, so dass Wärmetauscherflächen innerhalb der Wärmetauschereinrichtung oberhalb der Taupunkttemperatur der Rauchgasbestandteile gehalten werden können und erst in einer zweiten Wärmeübergangsphase die Wärme an das Kesselwasser übertragen wird.

Gemäß einer vorteilhaften Variante des Verfahrens erfolgt in der zweiten Wärmeübergangsphase der Wärmeübergang lediglich auf eine veränderbare Teilmenge der Wasserströmung, so dass es nicht in jedem Fall notwendig ist, die gesamte Kesselwassermenge durch den Wärmetauscher zu leiten, sondern nur eine zur notwendigen Temperaturerhöhung des Kesselwassers ausreichende Teilmenge.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Teilmenge der Wasserströmung so eingestellt wird, dass die Temperatur an Wärmeübergangsflächen der Wärmetauschereinrichtung oberhalb der Taupunkttemperaturen von sauren Rauchgaskomponenten liegt, um das Entstehen von Korrosion weitestgehend verhindern zu können.

Wenn zur Temperierung der Wasserströmung eine aus der Kühlzone abgeführte Heißgasströmung verwendet wir, kann die aus der Kühlzone stammende Abwärme unmittelbar zur Temperierung des Kesselwassers genutzt werden, da die der Kühlzone entstammende Heißgasströmung im Gegensatz zur Rauchgasströmung im Wesentlichen frei von Kontaminierungen ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Heißgasströmung durch eine Wärmetauschereinrichtung geleitet wird, die einer zur Temperierung einer Einrichtung zur Herstellung von Rohanoden dienenden Wärmetauschereinrichtung nachgeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, die aus der Kühlzone entstammende Heißgasströmung nicht nur zur Temperierung des Kesselwassers zu verwenden, sondern darüber hinaus auch zur Temperierung einer Einrichtung zur Herstellung von Rohanoden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die Merkmale des Anspruchs 10 auf und ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den sich daraus ergebenden Vorteilen.

Besondere Ausführungsformen sind Gegenstand der nachfolgenden Unteransprüche, wobei sich deren Vorteile bereits aus den hierdurch

ermöglichten, vorstehend erörterten Varianten der Verfahrensdurchführung ergeben.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung und Erläuterung des durchführbaren Verfahrens anhand der Zeichnung näher dargestellt.

In der Zeichnungsfigur ist eine Ofeneinheit eines Anoden-Ringofen 10 dargestellt, der eine Aufheizzone 1 1 , eine Feuerzone 12 und eine Kühlzone 13 aufweist.

In der Feuerzone 12 werden vermittels hier nicht näher dargestellter Brennereinrichtungen so genannte „Rohanoden" auf ca. 1050 ⁰ C aufgeheizt und zur Herstellung von zur Schmelzflusselektrolyse verwendbaren Anoden gesintert. In der Zeichnung rechts von der Feuerzone 12 befindet sich die Kühlzone 13 , in der sich bereits zuvor in einer Feuerzone einer benachbarten, hier nicht dargestellten Ofeneinheit gesinterte Anoden befinden. In die Kühlzone wird Umgebungs- bzw. Frischluft 14 eingeleitet und teilweise durch eine hier nicht näher dargestellte Absaugeinrichtung als durch die Abwärme der Anoden aufgeheizte Heißgasströmung 15 aus der Kühlzone 13 herausgeführt. Die übrige in die Kühlzone 13 eingeführte Umgebungs- oder Frischluft 14 wird durch die Feuerzone 12 hindurch in die Aufheizzone 1 1 eingeleitet, in der sich Rohanoden zur Vorwärmung befinden, und als Rauchgasströmung 16 aus der Aufheizzone abgeführt.

Die Rauchgasströmung 16 wird durch eine Rauchgasreinigungseinrich- tung 17 geleitet und schließlich in die Umgebung abgeführt. Zwischen dem Anoden-Ringofen 10 und der Rauchgasreinigungseinrichtung 17 wird die Rauchgasströmung 16 durch eine erste Wärmetauschereinrichtung 18 geleitet, die eine erste Wärmetauschereinheit 19 und eine zweite Wärmetauschereinheit 20 umfasst. Die Wärmetauschereinheiten 19 und 20 sind über einen Thermalölkreis 21 verbunden, so dass in der ersten Wärmetauschereinheit 19 ein Wärmeübergang von der Rauchgasströmung

16 auf ein im Thermalölkreis 21 als Wärmeträgermedium zirkulierendes Thermalöl 22 und in der zweiten Wärmetauschereinheit 20 ein Wärmeübergang von dem Thermalöl 22 auf eine durch die zweite Wärmetauschereinheit 21 hindurch geleitete Kesselwasserströmung 23 erfolgt.

In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich nachgeordnet der Rauchgasreinigungseinrichtung 17 eine zweite Wärmetauschereinrichtung 24. Die Wärmetauschereinrichtung 24 weist ebenfalls eine erste Wärmetauschereinheit 25 und eine zweite Wärmetauschereinheit 26 auf, die über einen Thermalölkreis 21 unter einander verbunden sind und somit unter Zwischenschaltung des Thermalölkreises 21 einen Wärmeübergang von der Rauchgasströmung 16 auf die Kesselwasserströmung 23 ermöglichen. Die Wärmetauschereinheiten 20 und 26 sind jeweils mit einer Bypass-Einrichtung 27 versehen.

Durch die Bypass-Einrichtungen 27 wird eine geregelte Aufteilung der Kesselwasserströmung 23 in eine Hauptströmung 28 und eine Nebenströmung 29 derart ermöglicht, dass die regelmäßig in Metall ausgeführten Wärmeübertragungsflächen der Wärmetauschereinheiten auf eine Temperatur gehalten werden können, die oberhalb der Taupunkttemperaturen der im Rauchgas enthaltenen sauren Bestandteile lieget.

In der der Kühlzone 13 entnommenen Heißgasströmung 15 befindet sich nachgeordnet einer Wärmetauschereinrichtung 30, die zur Temperierung einer Thermalölströmung 31 dient, welche für den Betrieb einer hier nicht näher dargestellten Einrichtung zur Herstellung von Rohanoden verwendet wird, eine weitere Wärmetauschereinrichtung 32. über die Wärmetauschereinrichtung 32 erfolgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ohne Zwischenschaltung eines zirkulierenden Wärmeübertragungsmediums eine unmittelbare Wärmeübertragung auf die Kesselwasserströmung 23.