Axial transport behavior and thermal treatment of polydisperse materials in direct heated rotary kilns

Abstract

Rotary kilns are industrial reactors which are widely used in the chemical, metallurgy, food and pharmaceutical industry for the thermal process of granular materials. Due to the high process temperatures and limited access of measuring technology, the industrial operation of the system is characterized by empiricism. As a result, the potential for optimizing process in terms of energy efficiency, product quality and safety is in a limited extent. Therefore, mathematical process models could be implemented to counteract this. In the present work, an existing process model is further developed with a discrete description of the axial particle transport. In particular, the transport behavior of polydisperse particle system in the rotary kiln is analyzed numerically and experimentally. On the one hand, the transient behavior on an industrial scale is experimentally investigated on a pilot rotary kiln with a length of 5 m and a diameter of 400 mm. For this purpose, a new video analysis method is implemented, with which bulk bed profiles can be continuously recorded for the first time. A mathematical model to describe the transient flow of the bulk material is validated with the help of the results obtained with varying operating and bulk material parameters. On the other hand, a new mathematical model based on the ring-core structure is developed to describe the steady state axial transport and the residence time of each particle size in the polydisperse system. This model is also validated on the pilot rotary kiln mentioned above, whereby the influence of the bulk material and operating parameters on the particle-discrete residence time distributions is determined. This stationary model will be implemented in an existing thermal process model for directly fired rotary kilns. The influence of particle dispersity and size on product quality is demonstrated using the reference process of quartz sand calcination. The axial temperature profiles, as well as the local heat transfer coefficients and heat flows are presented and compared.

Drehrohröfen sind Industriereaktoren, die in der Chemie-, Metallurgie-, Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie zur thermischen Aufbereitung von granularen Stoffen breite Anwendung findet. Aufgrund der meist hohen Prozesstemperaturen und nur bedingt messtechnischen Zugänglichkeit ist der industrielle Betrieb solcher Anlagen von Empirie geprägt. Das Potential zur Optimierung der Prozesse hinsichtlich Energieeffizienz, Produktqualität und Sicherheit ist somit nur bedingt möglich. Dem entgegenzuwirken können mathematische Prozessmodelle genutzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein bereits bestehendes Prozessmodell um eine diskrete Beschreibung des axialen Partikeltransportes weiterentwickelt. Insbesondere das Transportverhalten polydisperser partikulärer Systeme im Drehrohr wird hierfür numerisch und experimentell analysiert. Zum einen wird das transiente Verhalten im technischen Maßstab an einem Pilotdrehrohrofen mit einer Länge von 5m und einem Durchmesser von 400 mm experimentell untersucht. Hierfür wird eine neuartige Videoanalysemethode implementiert, mit der erstmalig die Dynamik der Schüttgutprofile kontinuierlich erfasst werden kann. Mit Hilfe der bei variierenden Betriebs- und Schüttgutparametern ermittelten Ergebnisse wird ein mathematisches Modell zur Beschreibung des transienten Schüttgutverlaufes validiert. Andererseits wird ein neues mathematisches Modell entwickelt, das auf der Ring-Kern-Struktur basiert, um den stationären axialen Transport und die Verweilzeit jeder Partikelgröße im polydispersen System zu beschreiben. Dieses Modell wird ebenfalls an dem zuvor erwähnten Pilotdrehohrofen validiert, wobei der Einfluss der Schüttgut- und Betriebsparameter auf die partikeldiskreten Verweilzeitverteilungen bestimmt wird. Dieses stationäre Modell wird in ein bestehendes Thermoprozessmodell für direkt befeuerte Drehrohröfen implementiert. An dem Referenzprozess der Quarzsandkalzination wird der Einfluss der Partikeldispersität und des Größenanteils auf die Produktqualität aufgezeigt. Die axialen Verweilzeit-Temperaturverläufe, sowie die lokalen Wärmeübergangskoeffizienten und Wärmeströme werden hierfür gegenübergestellt.