Türkçe
Çimento Fabrikalarında Uygulanmakta Olan Atık Isıdan Enerji Üretimi (WHPG ) Sistemlerinin Değerlendirilmesi
SİSTEMİN TANIMLANMASI
Buharlı Sistem
Çimento Fabrikası klinker üretim hattında kurulan WHPG (Waste Heat Power Generation) sisteminin ana bileşenleri:
- Önısıtıcı kule atık kazanı (SP – Suspension Preheater- boiler),
- Klinker soğutma kazanı (AQC – Air quenching cooler- boiler ),
- Buhar Türbini ve jeneratör,
- Kondenser devresidir.
BUHAR SİSTEMİNİN ÖZELLİKLERİ
- Çimento endüstrisinde en çok kullanılan sistemdir.
- Sıcaklık değeri 300°C üstündeki atık ısı kaynakları için ekonomiktir.
- Güvenilirliği kanıtlanmış teknolojiye dayanır, işletmesi genel olarak kolaydır.
- Dünya çapında yaygın çok sayıda tedarikçiden sağlanabilir.
- Yatırım maliyeti USD/kW bazında diğer sistemlerden daha uygundur.
- Optimal çalışma sıcaklığı 260°C üstüdür.
- Daha düşük sıcaklıklarda üretim verimliliği önemli ölçüde düşer.
- Düşük basınç ve sıcaklıktaki buharın, türbin çıkışında çiğlenmesi türbin kanatlarında aşınmaya sebep olur.
- Soğutma ünitesinde genellikle yüksek sıcaklıkta gaz almak için orta kısımdan gaz alınır, bundan dolayı soğutma atık ısısının bir kısmı kullanım dışı kalır.
- Genellikle bir veya daha fazla tam zamanlı operatör ihtiyacı vardır.
- Besleme suyu şartlandırma ünitesi kurulmasını ve sürekli işletilmesini gerektirir.
- Genel olarak su soğutmalı kondenser kullanılır. (bu durum ilave su kaybına yol açar)
- Ham madde rutubet oranı düşük olan, büyük kapasiteli fırınlar için uygundur.
BUHARIN ALTERNATİFİ OLAN SİSTEMLER
Çimento fabrikalarında buhar sistemine alternatif olarak kullanılmakta olan iki sistem mevcuttur.
1.KALİNA Çevrimi
- Su yerine su – amonyak karışımından oluşan akışkan kullanılır.
- Mevcut uygulama sayısı çok azdır.
2.Organik Rankine Çevrimi (ORC)
- Suya göre daha düşük sıcaklıklarda buharlaşan organik bir akışkan kullanılmaktadır.
- Buhardan enerji üretmek için yeterli olmayan atık ısıların değerlendirilmesi için uygundur.
- Atık ısının sıcaklığına ve miktarına göre karar verilen 5 değişik akışkan bulunmaktadır.
Bu sunumda, çimento sektörü dışında da enerji üretiminde yaygın olarak kullanılmakta olan ORC sisteminin Buhar sistemi ile karşılaştırması yapılmaktadır.
ORC Sisteminin Özellikleri
Buhar çevrimindeki ana prensip geçerlidir;
- Isı ile buharlaşan akışkan türbinden geçirilerek enerji üretilir,
- Türbinden çıkan akışkan kondenserde yoğuşturulur ve buharlaşması için tekrar buhar jeneratörü/ısı eşanjörüne gönderilir.
ORC sisteminde kullanılan akışkan:
- Meloküler ağırlığı suya göre daha yüksektir.
- Kaynama noktası daha düşük ve buhar basıncı daha yüksektir.
- Bütan, Pentane, Cyclo-Pentan gibi organik bir akışkandır.
- Çevrimde kullanılan akışkan direkt olarak ısı kaynağı ile karşılaşmaz arada ısı transfer yağı devresi bulunur.
- 150°C’ye kadar düşük olan sıcaklıktaki kaynaklar kullanılabilir.
ORC Sisteminin Buhar Sistemine Göre Avantajları
- Buhar sistemine göre daha düşük sıcaklıkta ısı kaynaklarını, değerlendirebilir.
- Soğutma ünitesinde geri kazanılabilecek tüm ısı enerjisinin değerlendirilmesini sağlar.
- Kondens sistemi buhar çevriminde vakum altında çalışırken, ORC de atmosfer basıncının üstündeki değerde çalışır. Dolayısı ile sisteme hava kaçağı riski azalır ve de-aerator ihtiyacı olmaz
- Donmaya karşı su gibi hassas durumda değildir.
- Operatör gereksinimi olmadan çalışabilir.
- Hava soğutmalı kondenser ile çalışabilir.
- Daha düşük devirli türbin, jeneratöre direk bağlamaya imkan sağlar. Redüktör gerektirmez.
- Türbin, boru tesisatı, kondenser ünitesi, eşanjörler aynı güçteki buhar sistemine göre daha küçük ölçülerde olup daha az yer kaplar.
- Türbin kademe sayısı genellikle daha azdır.
ORC Sisteminin Buhar Sistemine Göre Dezavantajları
- Genel olarak düşük sıcaklıktaki ısı kaynaklarında ve daha düşük güç değerlerinde elverişlidir.
- İki aşamalı ısı transfer sistemi bir miktar ilave verim kaybına yol açar.
- Uygulamaya bağlı olmakla birlikte, sıklıkla yatırım maliyeti (USD/kW) daha yüksektir.
- Organik akışkanı ve ısı transfer yağı yanıcıdır. Yangın güvenlik önlemleri gerekir.
- Çevresel etki açısından da yönetmeliklere uygun tedbirler alınmalıdır.
- Akışkan ile transfer yağı belli periyodlarla yenilenir.
Kaynakça
- “Waste Heat Recovery for the Cement Sector: Market And Supplier Analysis”
- IFC International Finance Corporation
- Institute for Industrial productivity
Değerlendirme
Aşağıda belirtilen şartlar için ORC sisteminin buhar sistemine göre daha avantajlı olacağı bildirilmektedir:
- küçük ve orta ölçekli fırınlarda,
- yüksek verimli fırınlarda,
- ham madde su içeriği yüksek olarak çalışan fırınlarda,
Fırın rejiminin bozulduğu durumlarda atık ısı enerjisindeki azalmaya karşı buhar sistemine göre ORC sisteminin toleransının daha yüksek olduğu açıklanmıştır.
Buhar sisteminin devreden çıkmak zorunda olduğu noktalarda nominal verim seviyesine yakın değerlerde çalışmaya devam edebileceği belirtilmektedir.
Buhar sisteminin ekonomik olmayacağı düşük ısı miktarı, düşük sıcaklık ve düşük debi değerinde ORC sistemi daha avantajlı olduğu hesaplanmıştır.
Buhar sisteminin sürekli çalışmasında kesintiye yol açan, kısmi değişikliklerin olduğu ısı kaynaklarının değerlendirilmesinde ORC sistemi kesintisiz çalışabilme özelliği nedeniyle daha iyi bir alternatif olarak önerilmektedir.