ISBN 978-3-8439-0651-7

978-3-8439-0651-7, Reihe Energietechnik

Tobias Bluhm-Drenhaus
Numerische Simulation der thermischen Zersetzung von Kunststoffen am Beispiel von Ersatzbrennstoffen in Calcinatoren der Zementindustrie

204 Seiten, Dissertation Ruhr-Universität Bochum (2011), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In den großvolumigen Calcinatoren der Zementindustrie, die der energieintensiven Entsäuerung des eingesetzten Kalksteins dienen, werden sehr häufig flugfähige Ersatzbrennstoffe verwendet. Diese enthalten – neben biogenen Materialien – zu großen Anteilen Kunststoffabfälle, die als Stücke von Folien oder anderen Verpackungsmaterialien mit unregelmäßiger Form und in Größen bis zu mehreren Zentimetern vorliegen. Zur Beurteilung der Auswirkungen des Einsatzes dieser Stoffe auf den Anlagenbetrieb spielen das strömungsmechanische Förderverhalten und die thermochemischen Prozesse der Zersetzung und Entgasung eine wesentliche Rolle. Ziel dieser Arbeit ist deshalb die numerische Untersuchung des Zersetzungsverhaltens von thermoplastischen Kunststoffen in diesem Kontext.

Bekannte chemische Reaktionsmechanismen der Zersetzung von Polymeren können nicht ohne weiteres auf den Prozess der Flugstromverbrennung angewendet werden. Die Brennstoffpartikel sind im Vergleich zu fossilen Regelbrennstoffen deutlich größer, so dass die Gültigkeit verfügbarer Simulationsmethoden hier zu überprüfen ist. Untersuchungen der Brandschutztechnik berücksichtigen Phänomene des Wärme- und Stofftransports auf großen Längenskalen. Diese Erkenntnisse werden in dieser Arbeit auf die Verbrennung von grobstückigen Einzelpartikeln übertragen.

Zur Untersuchung dieser Aspekte werden mathematische Modelle erprobt, mit Laborversuchen verglichen und am Beispiel eines industriellen Calcinators angewendet. Die Versuchsbedingungen wurden zwischen mikroskopischen und makroskopischen Partikelgrößen sowie inerten und oxidierenden Umgebungsatmosphären variiert. Dabei wird der Einfluss der Partikelgeometrie auf den Aufheiz- und Zersetzungsprozess von Kunststoffpartikeln aus Polyethylen untersucht.

Mit Hilfe der Simulationsmethodik ist es möglich unter Beachtung der Modellierungsunsicherheiten Rückschlüsse auf das Temperaturprofil und das Betriebsverhalten von Calcinatoren der Zementindustrie zu ziehen, um hier zu einer sicheren, ökonomischen und umweltverträglichen Nutzung von Ersatzbrennstoffen beizutragen.