A Thermodynamic Modeling Approach for Environmentally Optimized Prospective Design of Spherical Porous Reactive Aggregates
Authors:   , Torelli Michelle , Spatari Sabrina , Billen Pieter 
Published: July 2021

Predictive modeling enables the minimization of time, effort and cost in product and process design. This study identifies a comprehensive predictive model design methodology that focuses on environmental optimization through thermodynamic simulation. Herein, we apply the method to the processing of coal ash via high temperature sintering by combining thermodynamic and life cycle assessment (LCA) simulation tools to optimize processing conditions. Specifically, waste glass is benchmarked against prior study of NaOH, as a viable fluxing agent for two different coal bottom ash (CBA) melts to yield spherical porous reactive aggregates (SPoRA). This research demonstrates thermodynamic simulation as a primary tool to achieve an optimal operating temperature, above the solidus temperature where enough (critical) liquid phase ([chi]min = 50 wt%) is present to promote a glass exterior without compromising the critical total system viscosity ([mu]min = 8000 Pa-s), and design of high quality SPoRA in building materials. A predictive ideal glassy and near-spherical SPoRA product is calculated by applying these design criteria ([chi]min and [mu]min), from completely recycled waste glass and CBA feedstock materials, as a function of alternative glass type (soda lime glass and end-of-life fluorescent lamp glass) and varying concentration of fluxing agent glass:ash ratio. This methodology developed serves as a design guide for producing high quality SPoRA while optimizing select life cycle environmental impacts. Moreover, by applying the predictive methodology, this work tests fluxing agent behavior over a wide operating temperature range (800°C-1400°C) and optimizes the quantity of fluxing agent as input parameters to LCA to identify respective environmental impacts. Thus, this thermodynamic simulation approach applied to CBA and alternative fluxing agents enables a viable design model according to ideal characteristics of final SPoRA product and allows integrating environmental life cycle evaluation at an early-stage of design for lightweight aggregates. The general design framework can be applied to other design systems where the engineering properties and environmental performance of a final product can be optimized together prior to experimentation as well as scale-up process design. [Dutch abstract] Voorspellend modelleren maakt het minimaliseren van tijd, moeite en kosten in product- en procesontwerp mogelijk. Dit onderzoek identificeert een omvattende voorspellende modelontwerpmethodologie, die gericht is op milieuoptimalisatie door middel van thermodynamische simulatie. Hierbij passen we de methode toe op het verwerken van steenkoolas via sintering bij hoge temperatuur, waarbij we simulatietools voor thermodynamische en levenscyclusanalyse (LCA) combineren om de verwerkingscondities te optimaliseren. Specifiek wordt gerecycleerd afvalglas vergeleken met een eerdere studie van natriumhydroxide (NaOH), als een potentieel fluxmiddel voor twee verschillende steenkool-bodemas (CBA) samensmeltingen om sferische poreuze reactieve aggregaten (SPoRA) te verkrijgen. Dit onderzoek wijst uit dat thermodynamische simulatie een primair hulpmiddel kan zijn om een optimale verwerkingstemperatuur te bereiken, boven de solidustemperatuur, waar voldoende (kritische) vloeistoffase ([chi]min = 50 m%) aanwezig is om een glazige buitenkant te kunnen vormen zonder de kritische totale systeemviscositeit ([mu]min) aan te tasten (8000 Pa.s); dit stelt ons daarnaast in staat om SPoRA van hoge kwaliteit te ontwerpen voor bouwmaterialen. De voorspelling voor een ideaal, glasachtig en bijna bolvormig SPoRA-product, wordt berekend door deze ontwerpcriteria ([chi]min en [mu]min) toe te passen op volledig gerecycled afvalglas en CBA-basismaterialen, als een functie van alternatieve glastypes (natronkalkglas en glas van fluorescentielampen waarvan de levensduur ten einde loopt) en variërende concentraties aan glas:as verhouding. Deze ontwikkelde methodologie dient als een ontwerpgids voor het produceren van SPoRA van hoge kwaliteit, en voor het optimaliseren van geselecteerde milieueffecten gedurende de levenscyclus. Bovendien test dit onderzoek, door toepassing van de voorspellende methodologie, het gedrag van fluxmiddelen in een breed bereik aan verwerkingstemperaturen (800°C-1400°C) en optimaliseert het de hoeveelheid fluxmiddel die als invoerparameter voor LCA dient, om de respectievelijke milieueffecten hiervan te identificeren. Deze thermodynamische simulatiebenadering, toegepast op CBA en alternatieve fluxmiddelen, maakt dus een levensvatbaar ontwerpmodel mogelijk dat overeenkomstig is met de ideale kenmerken van het uiteindelijke SPoRA product, en maakt het mogelijk om de milieu-levenscyclusevaluatie in een vroeg stadium van het ontwerpproces voor lichtgewichtaggregaten te integreren. Het algemene ontwerpkader kan overigens ook worden toegepast op andere ontwerpsystemen; ook hier kunnen de technische eigenschappen van een eindproduct, evenals de milieuprestaties, worden geoptimaliseerd middels thermodynamische simulaties, voorafgaand aan het uitvoeren van experimenten in het laboratorium of aan het verder opschalen van een bepaald procesontwerp.