Dynamische Modellierung von Drehrohröfen

Ginsberg, Tobias; Modigell, Michael (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob das dynamische Verhalten industrieller Drehrohrofen-Anlagen durch mathematische Modelle mit quantitativer Genauigkeit beschrieben werden kann. Dazu werden die relevanten Wärme- und Stofftransportphänomene im Drehrohr identifiziert und physikalisch begründete Untermodelle angegeben, mit denen diese Phänomene abgebildet werden können. Ein Gesamt-Anlagenmodell ergibt sich durch Kombination dieser Untermodelle. Als Anwendungsfall wird ein Drehrohrofen zur Kalzinierung von Titandioxid-Weißpigment betrachtet. Das für diese Anlage entwickelte Modell wird anhand von Messdaten validiert, die im Rahmen einer mehrwöchigen Messkampagne erhoben wurden. Bei der Modellierung wird davon ausgegangen, dass die Festbettschüttung und die Gasphase in jedem Ofenquerschnitt ideal durchmischt sind. Die Temperaturen und Zusammensetzungen von Feststoff und Gas sind folglich nur von der axialen Koordinate abhängig. Der Wärmetransport durch Strahlung und Konvektion, der regenerative Wärmetransport in der Ofenwand und die Fließgeschwindigkeit des Festbettes werden mit Hilfe von Untermodellen beschrieben. Die chemischen Vorgänge im Ofen werden durch reaktionskinetische Gleichungen dargestellt, die in der Literatur verfügbar sind. Der Energiebedarf dieser Reaktionen wird durch kalorimetrische Messungen ermittelt. Das Modell wird anhand eines dynamischen Testfalls validiert, der den Ofenbetrieb über 15 aufeinanderfolgende Tage hinweg wiedergibt. Während dieser Zeit wechselt der Betriebszustand des Ofens aufgrund des Ausfalls einer Anlagenkomponente. Zur Bewertung des Modells werden unter anderem die Messwerte für die Temperaturen des festen Produktes und der Ofenabluft herangezogen. Eine Fehleranalyse ergibt, dass aufgrund unsicherer Modellparameter und Betriebsmesswerte eine Vorhersagegenauigkeit von +/-244°C bzw. +/-19°C für die beiden genannten Temperaturen zu erwarten ist. Tatsächlich wird die Produkttemperatur jedoch bei einem Mittelwert von etwa 920°C mit einer mittleren Abweichung von +/-35°C wiedergegeben. Für die Ablufttemperatur ergibt sich bei einem Mittelwert von ungefähr 370°C eine mittlere Abweichung von +/-12°C. Die Genauigkeit des Modells ist damit wesentlich besser als aus den Unsicherheiten der Modellparameter und Eingangsgrößen zu erwarten wäre. Die Fehleranalyse zeigt weiterhin, dass die im Modell benötigten Betriebsmessgrößen mehrheitlich durch die an der Anlage vorhandenen Messeinrichtungen, die dem üblichen Industrie-Standard entsprechen, ausreichend genau erfasst werden. Die genauere Messung der Einflussgrößen Falschluftmenge, Eduktzusammensetzung und -massenstrom sowie der Erdgasmenge bieten das größte Potential, um die Genauigkeit des Modells noch weiter zu steigern. Insgesamt deuten die Berechnungsergebnisse darauf hin, dass das dynamische Verhalten von industriellen Drehrohröfen durch rigorose mathematische Modelle mit moderatem Berechnungsaufwand zutreffend wiedergegeben werden kann.

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