Mathematical Modeling and Experimental Investigation of the Pyrolysis of Waste in Rotary Kilns

Für die Optimierung eines bereits bestehenden Prozesses, z.B. im Hinblick auf den maximal möglichen Durchsatz bei gleich bleibender Qualität der Pyrolyseprodukte oder für die Einstellung der Betriebsparameter bei einem unbekannten Einsatzstoff, kann ein mathematisches Modell eine erste Abschätzung für die Einstellung betrieblicher Parameter, wie z.B. Temperaturprofile im Gas und Feststoff, geben. Darüber hinaus kann man mit einem Modell für neu zu konzipierende Anlagen konstruktive Parameter ermitteln oder überprüfen. In dem hier dargestellten vereinfachten Modellansatz werden u. a. die Umsatzvorgänge für ein Partikelkollektiv mit Hilfe von Summenparametern aus Untersuchungen an einer Thermowaage und ergänzend 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 für Solid und Gas sowie Ansätzen zur Trocknung und zum Umsatz. Im Hinblick auf die Verfügbarkeit von stoffspezifischen Daten von Abfällen sind insbesondere zur Berechnung des Verweilzeitverhaltens und des Umsatzes im Heißbetrieb vereinfachende Ansätze durch die Bildung von Summenparametern hilfreich. Das Prozessmodell wurde schrittweise validiert: Zunächst wurde in Kaltversuchen ein Summenparameter, der u.a. die unbekannten Reibungsverhältnisse im Drehrohr berücksichtigt, durch Vergleich von Experiment und Rechnung für Sand ermittelt. Für heterogene Abfallgemische kann dieser Materialfaktor zwar für Kaltversuche bestimmt werden (soweit dies für Abfälle möglich ist), im Heißbetrieb ändern sich jedoch alle wesentlichen Stoffparameter wie Partikeldurchmesser, Schüttdichte und Schüttwinkel sowie die Reibungsverhältnisse. Für diesen Fall wird der Materialfaktor zu Eins gesetzt und die wesentlichen Stoffgrößen umsatzabhängig modelliert. Dazu ist die Kenntnis der Schüttdichten, statischen Schüttwinkel und mittleren Partikeldurchmesser vom Abfall und Koks aus dem Abfall notwendig. Die mit diesen Stoffdaten berechnete Verweilzeit wurde in einem Heißversuch bei der Pyrolyse von Brennstoff aus Müll- (BRAM) Pellets mit einem Fehler von ca. 20 % erreicht. Das Basismodell wurde zunächst 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 können. Im nächsten Schritt wurde der Sand angefeuchtet, um die Teilmodelle der Trocknung unterhalb und bei Siedetemperatur zu validieren. Die Mess- und Modellierungsergebnisse stimmen gut miteinander überein. Für ein Abfallgemisch aus BRAM-Pellets konnte der Verlauf der Solidtemperaturen unter der Berücksichtigung variabler Stoffwerte des Solids und eines Verschmutzungsfaktors, der den Belag des Drehrohres mit anklebendem Pellets bis zur Verkokung berücksichtigt, gut wiedergegeben werden. Die Gastemperaturen können in erster Näherung 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 Verfügung, um bei einem neuen Einsatzstoff mit Daten aus experimentellen Basisuntersuchungen, die Temperaturverläufe im Feststoff und Gas sowie die Gaszusammensetzung in Abhängigkeit der wesentlichen Einflussgrößen abzuschätzen.Pyrolysis processes are used in the field of the thermal treatment of waste e.g. as a process unit in combination with a gasification or combustion unit realized in the RT21 process in Japan from Mitsui. Furthermore, pyrolysis processes are used for specially prepared waste fractions as a thermal pre-treatment unit, e.g. before a power station in the Con-Therm process in Germany or in the steel and cement industry. In principle there is also the possibility to use pyrolysis for the direct recycling of materials such as Plexiglass or plastics reinforced with carbon fibres. Rotary kilns are often used in the field of pyrolysis. The lumpy starting material is mixed due to the rotation of the rotary kiln. The energy for the pyrolysis can be given to the starting material indirectly, e.g. through radiant tubes from an external heater, to the rotary kiln wall or directly through a hot gas flow. The starting material is converted through the steps of drying, release and conversion of volatile components to a pyrolysis coke and pyrolysis gas. To optimize existing plants or to design new ones, mathematical models are important tools to minimize the experimental effort. In order to be able to describe the pyrolysis process in a rotary kiln using a mathematical model, the transport of the solid and the specific conversion processes dependent upon the construction parameters such as diameter and length of the rotary kiln as well as operating parameters such as angle of inclination, rotational frequency, throughput and course of the temperature over the length in the rotary kiln must be described. For process models which describe such processes in a reactor, it can usually be distinguished between a reactor model and a so-called basic model. The behavior of the solid in the reactor (residence time behavior) is described using the reactor model and the material and heat transfer as well as the conversion process with the help of the basic model. The mathematical model was evaluated for homogeneous materials (sand and polyethylene) as well as for mixed wastes. For both a good accordance between the experimental and mathematically determined data could be reached. With this simplified mathematical model and experimental data it is possible to show the dependency of the temperature profiles of the solid and gas phase and the gas species distribution of the main influencing parameters in for the practice suitable way for homogenous and heterogenous materials. To design a new rotary kiln for pyrolysis processes in industrial scale for a special input material, in general several investigations in a pilot scale plant are necessary. Based on these material and operational information (e.g. static bottoming angle and bulk density of the input material and its char, the pyrolytic gas composition etc.) a scale-up to the industrial plant and optimizing calculations could be done with the help of the mathematical model to estimate e.g. the maximum feed, a potential staging of the wall temperatures and the average residence time