Mathematische Modellierung und experimentelle Untersuchungen zur Pyrolyse von Abfällen in Drehrohrsystemen

Fur die Optimierung eines bereits bestehenden Prozesses, z.B. im Hinblick auf den maximal moglichen Durchsatz bei gleich bleibender Qualitat der Pyrolyseprodukte oder fur die Einstellung der Betriebsparameter bei einem unbekannten Einsatzstoff, kann ein mathematisches Modell eine erste Abschatzung fur die Einstellung betrieblicher Parameter, wie z.B. Temperaturprofile im Gas und Feststoff, geben. Daruber hinaus kann man mit einem Modell fur neu zu konzipierende Anlagen konstruktive Parameter ermitteln oder uberprufen. In dem hier dargestellten vereinfachten Modellansatz werden u. a. die Umsatzvorgange fur ein Partikelkollektiv mit Hilfe von Summenparametern aus Untersuchungen an einer Thermowaage und erganzend im Drehrohr ermittelt. Das Prozessmodell basiert auf einem Reaktormodell, das das Verweilzeitverhalten des Einsatzstoffes im Reaktor beschreibt und einem Basismodell, bestehend aus Massen- und Energiebilanzen fur Solid und Gas sowie Ansatzen zur Trocknung und zum Umsatz. Im Hinblick auf die Verfugbarkeit von stoffspezifischen Daten von Abfallen sind insbesondere zur Berechnung des Verweilzeitverhaltens und des Umsatzes im Heisbetrieb vereinfachende Ansatze durch die Bildung von Summenparametern hilfreich. Das Prozessmodell wurde schrittweise validiert: Zunachst wurde in Kaltversuchen ein Summenparameter, der u.a. die unbekannten Reibungsverhaltnisse im Drehrohr berucksichtigt, durch Vergleich von Experiment und Rechnung fur Sand ermittelt. Fur heterogene Abfallgemische kann dieser Materialfaktor zwar fur Kaltversuche bestimmt werden (soweit dies fur Abfalle moglich ist), im Heisbetrieb andern sich jedoch alle wesentlichen Stoffparameter wie Partikeldurchmesser, Schuttdichte und Schuttwinkel sowie die Reibungsverhaltnisse. Fur diesen Fall wird der Materialfaktor zu Eins gesetzt und die wesentlichen Stoffgrosen umsatzabhangig modelliert. Dazu ist die Kenntnis der Schuttdichten, statischen Schuttwinkel und mittleren Partikeldurchmesser vom Abfall und Koks aus dem Abfall notwendig. Die mit diesen Stoffdaten berechnete Verweilzeit wurde in einem Heisversuch bei der Pyrolyse von Brennstoff aus Mull- (BRAM) Pellets mit einem Fehler von ca. 20 % erreicht. Das Basismodell wurde zunachst ohne Umsatz an Messergebnisse mit Sand im Drehrohr unter Variation von Temperaturen und Massenstrom angepasst bevor mit diesem Modell die Pyrolyse von einem homogenen Einsatzstoff (Polyethylen mit Sand) im Drehrohr berechnet wurde. Hier konnte bereits gezeigt werden, dass mit diesem vereinfachten Modellansatz gute Ergebnisse beim Vergleich von Modell und Experiment erzielt werden konnen. Im nachsten Schritt wurde der Sand angefeuchtet, um die Teilmodelle der Trocknung unterhalb und bei Siedetemperatur zu validieren. Die Mess- und Modellierungsergebnisse stimmen gut miteinander uberein. Fur ein Abfallgemisch aus BRAM-Pellets konnte der Verlauf der Solidtemperaturen unter der Berucksichtigung variabler Stoffwerte des Solids und eines Verschmutzungsfaktors, der den Belag des Drehrohres mit anklebendem Pellets bis zur Verkokung berucksichtigt, gut wiedergegeben werden. Die Gastemperaturen konnen in erster Naherung ausreichend genau durch das mathematische Modell beschrieben werden. Mit diesem vereinfachten mathematischen Modellansatz steht nun ein Hilfsmittel zur Auslegung und Optimierung von indirekt beheizten Drehrohren zur Verfugung, um bei einem neuen Einsatzstoff mit Daten aus experimentellen Basisuntersuchungen, die Temperaturverlaufe im Feststoff und Gas sowie die Gaszusammensetzung in Abhangigkeit der wesentlichen Einflussgrosen abzuschatzen.