Demir çelik sektöründe tav fırını atık ısısını ısı kaynağı olarak kullanan organik rankine çevriminin termodinamik analizi

Abstract

Endüstriyel işletmelerde yapılan prosesler sonucu ortaya çıkan ısı bacadan atık gaz olarak atmosfere atılmaktadır. Atılan bu ısılar, başlıca Eşanjör, Reküperatör, Ekonomizer ve Organik Rankine Çevrimi gibi sistemler ile geri kazanımı söz konusu olmaktadır. Mevcut atık ısı geri kazanım sistemleri içerisinde hem teknolojik açıdan hem de enerji ihtiyacı açısından, düşük ve orta sıcaklıktaki baca gazları için Organik Rankine Çevrimi diğer sistemlere kıyasla ön plana çıkmaktadır. Organik Rankine çevrimlerinin klasik buharlı Rankine çevrimlerinden en önemli farkı organik akışkan kullanarak çevrimi sağlamasıdır. Bu çalışmada, demir çelik fabrikasındaki haddehane Tav Fırınının bacasından atmosfere atılan egzoz gazı atık ısısının sıcaklık verileri ve buna bağlı olarak atık baca gazının kaynağı olan Tav Fırınındaki bölge sıcaklıkları incelendikten sonra, organik Rankine çevrimi tasarımı tolüen akışkanı kullanılarak yapılmıştır. Sistemin analitik tasarımında ve hesaplamalarda Excel ve EES (Engineering Equation Solver) programları kullanılmıştır. ORC tasarımı için enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Yapılan çalışma neticesinde, Tav Fırının çalışma sırasındaki ısı performansını etkileyen faktörler tespit edilmiş ve çözüm önerileri belirtilmiştir. Yapılan analiz sonucunda tasarlanan ORC sisteminin Enerji verimi %21,76, Ekserji verimi %46,02 olarak hesaplanmış olup sisteme giren ekserjinin %53,98’i kaybolmaktadır. Bu hesaplamalar sonucunda atmosfere atılan orta sıcaklıktaki baca gazı ile yaklaşık 370 kW iş üretilebileceği ve yılda yaklaşık 3.470 MWh elektrik elde edilebileceği hesaplanmıştır. Diğer sistemlere kıyasla ekstra giderleri düşük olan ORC sistemleri için ekstra giderler göz ardı edildiğinde yaklaşık geri ödeme sürelerinin 5 ile 6 yıl arasında olduğu görülmektedir. Kurulan ORC sisteminin ekonomik getirisinin yanı sıra, atmosfere daha düşük sıcaklılarda gönderilen baca gazının çevreye olan olumsuz etkilerinin azalacağı, atık ısı geri dönüşüm sistemleri ile ORC çevriminde yıllık ortalama 3.000 ton-CO2 salınımı önlenmiş olmaktadır.

The heat generated as a result of the operations carried out in the industry is discharged to the atmosphere as waste gas. The waste heat is mainly recovered by systems such as Heat Exchanger, Recuperator, Economizer and Organic Rankine Recycling. Within the existing waste heat recovery systems, the Organic Rankine Cycle for technologically low and medium temperature flue gases is at the foreground compared to other systems. The most important difference between organic Rankine cycles and classical steam Rankine cycles is the use of organic fluids instead of water. In this study, the organic Rankine cycle design was performed using toluene fluid using waste heat temperature data. Excel and EES (Engineering Equation Solver) programs were used in the analytical design of the system and calculations. Energy and exergy analyzes were done for ORC design. As a result of the study, the factors affecting the heat performance of the annealing furnace were determined and the solution suggested. As a result of the analysis, the energy consumption of the designed ORC system was calculated as 21.76% and the exergy yield was calculated as 46.02%, and 53.98% of the exergy entering the system is lost. As a result of these calculations, it is estimated that about 370 kW of electricity can be generated and about 3.470 MWh of electricity can be generated annually with the medium temperature flue gas. Approximate payback periot for ORC systems with low operating costs compared to other systems appear to be between 5 and 6 years. In addition to the economic impact of the installed ORC system, waste heat recovery systems prevent an annual average of 3,000 tonnes of CO2 emissions from the ORC cycle, which would reduce the environmental impact of the flue gas sent at lower temperatures.