Energy and exergy analysis of renewable energy utilization in cement production

Abstract

Geleneksel çimento üretim yöntemlerine kıyasla daha yeşil enerji sistemleri alternatiflerini keşfetmek için çimento üretiminin enerji ve ekserji analizi çalışılmıştır. İki farklı yeşil enerji senaryosu dikkate alınmıştır. Temel senaryo geleneksel çimento üretimidir. İlk senaryoda atık rüzgar türbini kanatlarının pirolizi ve gaz türbini çimento fabrikasına entegre edilmiştir ve elektrik ihtiyacı gaz türbini tarafından karşılanmıştır. Aynı zamanda hammadde piroliz ünitesinin katı ürününden sağlanmıştır. Bu senaryo için sıcak akımları kullanmak üzere bir ön ısıtma sistemi düşünülmüştür. İkinci senaryoda, PEM elektrolizörü de çimento fabrikasına dahil edilmiştir. Burada kömürle değiştirilmek üzere PEM elektrolizöründen hidrojen üretilmiştir. Tüm senaryoların termodinamik modellemesi Engineering Equation Solver (EES) yazılımı aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Temel senaryonun enerji ve ekserji verimliliği sırasıyla % 61,60 ve % 20,21 olarak bulunmuştur. Termodinamik analiz dışında, özgül enerji tüketimi (SEC) ve CO2 emisyonları hesaplanmıştır. En düşük SEC, 1704 kJ/kg olan senaryo 1 ile elde edilmiştir. CO2 emisyonları, 0,219 kg CO2/kg çimento ile senaryo 2 için minimum olarak sonuçlanmıştır. Tüm bunlar göz önüne alınarak, daha yeşil ve daha az enerji tüketen bir sistem oluşturulmaya çalışılmıştır.

The energy and exergy analysis of cement production was investigated to explore greener energy system alternatives in contrast to traditional cement production methods. Two different greener energy systems scenarios were considered. The base scenario was conventional cement production. In the first scenario, the pyrolysis of waste wind turbine blades and the gas turbine were integrated with the cement factory, where electricity demand was met by the gas turbine. At the same time, the raw material was provided from the solid residue of the pyrolysis unit. For this scenario a preheating system was considered to harness hot streams. In the second scenario, PEM electrolyzer was also included in the cement factory. In here hydrogen was produced from PEM electrolyzer to be replaced with coal. The thermodynamic modeling of all scenarios was conducted via Engineering Equation Solver (EES) software. The energy and exergy efficiency of the base scenario were found to be 61.60% and 20.21%, respectively. Other than thermodynamic analysis, specific energy consumption (SEC) and CO2 emissions were calculated. The lowest SEC was obtained with scenario 1 which was 1704 kJ/kg. CO2 emissions resulted minimum for scenario 2 with 0.219 kg CO2/kg cement. Considering all of this, an attempt has been made to find a greener and less energy-consuming system.