TY - THES

T1 - Analyse und Modellierung eines Drehrohrofen-Prozesses zur Verbrennung von Sonderabfällen

AU - Jagersberger, Lukas

N1 - gesperrt bis 31-01-2024

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die fortschreitende Digitalisierung, die in der Industrie Einzug hält, bietet die Möglichkeit, Prozesse effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. Die beiden Drehrohröfen in der Müllverbrennungsanlage Simmeringer Haide werden zur Verbrennung von Sondermüll verwendet. Die Möglichkeiten der Digitalisierung sollen hierbei genutzt werden, um eine bessere Kenntnis über die Brennstoffeigenschaften zu erlangen und aufbauend darauf eine verbesserte Verbrennungsregelung zu erreichen. Diese Arbeit soll die Basis dafür liefern. Dafür wird der Prozess analysiert und ein mathematisches Modell gebildet, welches den Prozess beschreibt. Auf Basis dieses stationären Modells basierend auf Massen- und Energiebilanzen werden konkrete Maßnahmen zur Verbesserung des Prozesses abgeleitet und aufgezeigt, in welchen Bereichen die Datenlage verbessert werden muss. In einer einführenden Literaturrecherche wird zunächst der Aufbau moderner Drehrohöfen in der Müllverbrennung beschrieben und aus einer Vielzahl von Modellierungsmöglichkeiten eine passende Möglichkeit aufgezeigt. Konkret wird die Modellierung mittels linearen Gleichungssystemen in Verbindung mit Open Source Software, als zielführend ausgemacht. Als geeignete Lösungsmöglichkeit wird ein Solver für gewichtete Fehlerquadratoptimierung mit Grenzen für die Variablen herangezogen. Nach der Evaluierung der Datenlage des Prozesses, wird im ersten Schritt der Modellierung der Prozess in mehrere Bilanzgebiete unterteilt, auf deren Basis ein Fließbild des Prozesses mit den wichtigsten Stoff- und Energieströme erstellt wird. Im Anschluss werden vereinfachende Annahmen getroffen und die Wärmeverluste abgeschätzt. Basierend auf Erhaltungsgleichungen für Masse und Energie und weiteren beschreibenden Gleichungen wird dann ein überbestimmtes Gleichungssystem aufgestellt. Danach wird der Programmcode verfasst, welcher die Daten einliest, die Bilanzgleichungen erstellt, löst und die Ergebnisse aufbereitet ausgibt. Die Funktionstüchtigkeit des Codes wird anhand zweier verschiedener Betriebszustände überprüft. Wesentliches Ergebnis der Arbeit ist die Erkenntnis, dass ein nicht zu vernachlässigender Teil der Verbrennungsluft ungeregelt als Falschluft in den Prozess eintritt. Darüber hinaus wird vor allem die Installation von Wassergehalts- und Kohlendioxidmessungen im Rohgas als notwendige Verbesserungsmaßnahme im Bereich der Datenlage aufgezeigt. Das Modell soll in einem Folgeprojekt um dynamische Terme ergänzt werden. So kann das Modell die Basis für eine modellbasierte Regelung, bzw. einen Digital-Twin des Prozesses bilden, um den Prozess umweltschonender zu betreiben und die Weichen in Richtung digitaler Zukunft stellen.

AB - Die fortschreitende Digitalisierung, die in der Industrie Einzug hält, bietet die Möglichkeit, Prozesse effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. Die beiden Drehrohröfen in der Müllverbrennungsanlage Simmeringer Haide werden zur Verbrennung von Sondermüll verwendet. Die Möglichkeiten der Digitalisierung sollen hierbei genutzt werden, um eine bessere Kenntnis über die Brennstoffeigenschaften zu erlangen und aufbauend darauf eine verbesserte Verbrennungsregelung zu erreichen. Diese Arbeit soll die Basis dafür liefern. Dafür wird der Prozess analysiert und ein mathematisches Modell gebildet, welches den Prozess beschreibt. Auf Basis dieses stationären Modells basierend auf Massen- und Energiebilanzen werden konkrete Maßnahmen zur Verbesserung des Prozesses abgeleitet und aufgezeigt, in welchen Bereichen die Datenlage verbessert werden muss. In einer einführenden Literaturrecherche wird zunächst der Aufbau moderner Drehrohöfen in der Müllverbrennung beschrieben und aus einer Vielzahl von Modellierungsmöglichkeiten eine passende Möglichkeit aufgezeigt. Konkret wird die Modellierung mittels linearen Gleichungssystemen in Verbindung mit Open Source Software, als zielführend ausgemacht. Als geeignete Lösungsmöglichkeit wird ein Solver für gewichtete Fehlerquadratoptimierung mit Grenzen für die Variablen herangezogen. Nach der Evaluierung der Datenlage des Prozesses, wird im ersten Schritt der Modellierung der Prozess in mehrere Bilanzgebiete unterteilt, auf deren Basis ein Fließbild des Prozesses mit den wichtigsten Stoff- und Energieströme erstellt wird. Im Anschluss werden vereinfachende Annahmen getroffen und die Wärmeverluste abgeschätzt. Basierend auf Erhaltungsgleichungen für Masse und Energie und weiteren beschreibenden Gleichungen wird dann ein überbestimmtes Gleichungssystem aufgestellt. Danach wird der Programmcode verfasst, welcher die Daten einliest, die Bilanzgleichungen erstellt, löst und die Ergebnisse aufbereitet ausgibt. Die Funktionstüchtigkeit des Codes wird anhand zweier verschiedener Betriebszustände überprüft. Wesentliches Ergebnis der Arbeit ist die Erkenntnis, dass ein nicht zu vernachlässigender Teil der Verbrennungsluft ungeregelt als Falschluft in den Prozess eintritt. Darüber hinaus wird vor allem die Installation von Wassergehalts- und Kohlendioxidmessungen im Rohgas als notwendige Verbesserungsmaßnahme im Bereich der Datenlage aufgezeigt. Das Modell soll in einem Folgeprojekt um dynamische Terme ergänzt werden. So kann das Modell die Basis für eine modellbasierte Regelung, bzw. einen Digital-Twin des Prozesses bilden, um den Prozess umweltschonender zu betreiben und die Weichen in Richtung digitaler Zukunft stellen.

KW - Müllverbrennung

KW - Drehrohrofen

KW - Digital-Twin

KW - waste combustion

KW - rotray kiln

KW - digital twin

M3 - Masterarbeit

ER -