Projekt 14736/01

Steuerung eines Reaktors zur Aufbereitung von Abfällen mit biogenen Bestandteilen

Projektträger

Technische Universität DresdenInstitut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Helmholtzstr. 14
01069 Dresden
Telefon: 0351-463 32982

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die mechanisch-biologische Aufbereitung von Restabfällen (MBA) hat sich zu einem Systembaustein innerhalb der Restabfallentsorgung entwickelt. Das Hauptanwendungsziel besteht darin, durch die Kombination von biologischer Trocknung mit mechanischen Stofftrennverfahren eine heizwertreiche und schadstoffentfrachtete Fraktion mit Brennstoffeigenschaften, sowie verwertbare anorganische Fraktionen aus dem Restabfall zu gewinnen. Die Ausgangssituation zeigte, dass, abgesehen von einigen prototypischen Anlagen, in der MBA-Technologie hauptsächlich statische, aerob arbeitende Reaktoren ( Rottetunnel und Rotteboxen ) für den biologischen Schritt eingesetzt werden. Für feuchte Restabfälle erscheint es interessant, dynamische Reaktoren einzusetzen, die die Kopplung thermischer und mechanischer Prozesse erlauben, die also die biologische Trocknung und den mechanischen Aufschluss parallel zulassen. Im Rahmen des Projektes wurde die Steuerung eines diskontinuierlich betriebenen Drehrohrreaktors zur biologischen Trocknung von Restabfällen entwickelt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Lösung der Aufgabe verfolgt für die Aufbereitung von Restabfällen zwei neue Ansätze: Das entwickelte Steuerungskonzept basiert auf der Anwendung von Methoden der Situationserkennung; diese Methoden wurden bei biotechnologischen Massenprozessen bisher noch nicht umfassend angewandt. Zum zweiten führt der Einsatz des dynamischen Drehrohrreaktors in der biologischen Trocknung über den Stand der Technik hinaus. In einer theoretischen Untersuchung wurden die Grenzen und Möglichkeiten der biologischen Trocknung beschrieben. Aufbauend auf diesen Resultaten wurde das Untersuchungsobjekt, eine kleintechnische Versuchsanlage, zu einer rechnergesteuerten, automatischen Pilotanlage umgerüstet. Die dazu notwendige Software ist während der Projektbearbeitung erstellt worden. Die realisierte Datenerfassung und -auswertung ermöglichte das Erkennen der signifikanten Klassen von Prozesszuständen. Weiterhin wurde eine Möglichkeit geschaffen, mit einer leistungsfähigen Simulationsumgebung prozessbegleitend zu kommunizieren. Damit konnten komplexe Steuerungsstrukturen flexibel gestaltet und auch während eines Versuches verändert werden. Orientierungsversuche waren notwendig, da das im Vorfeld der Untersuchungen angesammelte Wissen über die Teilprozesse des dynamischen Behandlungsverfahrens sich für den Entwurf einer intelligenten Steuerung als nicht ausrei-chend erwies.


Ergebnisse und Diskussion

In der ersten theoretischen Untersuchung zur biologischen Trocknung im dynamischen Reaktor konnten wesentliche Maßstabsabhängigkeiten aufgedeckt werden, die die Übertragbarkeit der Resultate der kleintechnisch durchgeführten Experimente auf andere Anlagengrößen erlauben. Dies ist wichtig, weil die praktischen Versuche nur an der vorhandenen kleintechnischen Versuchsanlage durchführbar waren. Mit dem gewonnenen Wissen wurde die kleintechnische Versuchsanlage umgerüstet. In ihr können Chargen bis zu tausend Kilogramm Abfall behandelt werden. Die im Rahmen des Projektes entwickelte Steuersoftware ermöglicht, unter Beachtung der Anforderungen der Bediener- und Anlagensicherheit, einen vollautomatischen Betrieb. Wegen der durch die Drehbewegung bestimmten Dynamik des Prozesses wurde eine hohe Taktfrequenz bei der Datenerfassung und -verarbeitung realisiert. Die Auswertung großer Datenmengen erfolgte mit einem offline-Auswerteprogramm, das ebenfalls im Rahmen des Projektes implementiert wurde. Dabei wurde zugleich eine Möglichkeit geschaffen, mit der Simulationsumgebung MATLAB/SIMULINK prozessbegleitend Daten austauschen zu können. Diese Kopplung war die Voraussetzung dafür, dass die Reaktionen des Steuerprogramms in unterschiedlichen Prozess-Situationen überprüft werden konnten. Als ein weiteres wichtiges Entwurfswerkzeug erwies sich das Prozessmodell, das auf der Basis des theoretischen Wissens und der in den Experimenten gewonnenen empirischen Erkenntnisse hergeleitet werden konnte. Trotz seiner begrenzten Genauigkeit gestattete es, die entworfene Steuerung zu analysieren, zu bewerten und damit adaptiv zu verbessern.
Durch die realisierten Versuche konnte gezeigt werden, dass die gezielte Kombination von biologischen und mechanischen Prozessen innerhalb des Reaktors zu Eigenschaften des Outputmaterials führt, die sich mit statischen Reaktoren nicht erreichen lassen. Während der Versuchsphase musste festgestellt werden, dass das vorhandene Wissen für den Entwurf einer intelligenten Steuerung nicht ausreichend war. Deshalb wurde die Versuchsphase wesentlich erweitert. Dabei konnten wesentliche Zusammenhänge aufgedeckt werden, die sich auch für die ökologische und ökonomische Bewertung des Verfahrens als grundlegende erwiesen. Es konnte gezeigt werden, dass die kontinuierliche Rotation des Reaktors nicht notwendig ist; vielmehr ist ein minimaler Drehzeitanteil, der 2-3% der Gesamtzeit beträgt, ausreichend, um die theoretisch begründeten Grenzen der biologischen Trocknung zu erreichen. Insbesondere liegt der Vorteil in der optimalen Ausnutzung der zugeführten Frischluft zur Sauerstoffzufuhr und zum Wasseraustrag. Daraus resultiert ein optimierter Energieaufwand. Dies sollte die Akzeptanz der Technologie erhöhen, zumal bei nur geringen Ansprüchen an die Inputqualität eine wesentliche Verbesserung der Qualität des Zielproduktes zu erreichen ist. Auf der Grundlage der vorhandenen Experimente soll ein großtechnischer Einsatz vorbereitet werden. Es hat sich gezeigt, dass die entwickelte Kombination aus Versuchs- und Steuerungstechnik als Grundbaustein für weiterführende Untersuchungen geeignet ist. Der Einsatz der Fuzzy-Klassifikation als Grundlage für den Steuerungsentwurf hat sich als der richtige Weg erwiesen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Untersuchungen am diskontinuierlich betriebenen Drehrohrreaktor wurden auf der GVC/GET/KRdL-Sitzung Trennen, Verwerten und Beseitigen von Abfällen am 6. Mai 2002 in Düsseldorf vorgestellt. Geplant sind zwei Fachartikel mit den Schwerpunkten Steuerung biotechnologischer Prozesse und Biologische Trocknung in Drehrohrreaktoren für die Zeitschriften Umweltpraxis und/oder Müll und Abfall.


Fazit

Mit den Untersuchungen konnte ein erster Schritt auf dem Weg zur Entwicklung einer optimalen Prozessführung für dynamische Reaktoren zur mechanisch-biologischen Aufbereitung von Abfällen ausgeführt werden. Das bei der Projektbearbeitung erschlossene Potenzial des Verfahrens zeigt, dass sich bei einer Lösung aller Teilprobleme neue Möglichkeiten für die MBA ergeben. Die gewonnenen Ergebnisse lassen sich, wie durch theoretische Untersuchungen gezeigt werden konnte, auf andere technische Maßstäbe übertragen. Die methodischen Erkenntnisse, insbesondere der verfolgte Weg beim Entwurf der Steuerung, lassen sich, bei entsprechender Berücksichtigung der prozessspezifischen Unterschiede, auch auf andere Problemfelder der biologischen Abfallbehandlung anwenden.