Yüksek fırın cürufundan elektrik üretimi: Santrifüj kuru granülasyon sistemine entegre süperkritik CO2 çevrimlerinin termo-ekonomik analizleri
Electricity generation from blast furnace slag: Thermo-economic analyzes of supercritical CO2 cycles integrated into centrifugal dry granulation system
Yazar: AHMET CAN BEKTAŞ
Danışman: PROF. DR. ALİ VOLKAN AKKAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Ulusal ekonomilerin temel endüstrilerinden biri olan demir-çelik endüstrisi, dünya enerji tüketiminin %6-7'sini oluşturmaktadır. Tüketilen enerjinin bir kısmı, yüksek fırın cürufunda ısı enerjisi olarak depolanmakta ve bu enerji geri kazanılmamaktadır. Son yıllarda artan enerji ihtiyacı sebebiyle yüksek fırın cürufunun taşıdığı yüksek atık ısı enerjisi ile araştırmacılar tarafından iyi bir potansiyel bir enerji kaynağı olarak görülmektedir.
Bu çalışma kapsamında yüksek fırın cürufunun, çimento üretiminde hammadde olarak kullanılması ve atık ısı enerjisini geri kazanılması için santrifüj kuru granülasyon yöntemi incelenmiştir. Cürufun sahip olduğu enerjinin geri kazanımı ile elektrik üretim potansiyeli teknik ve ekonomik olarak araştırılmıştır. Cüruftan enerji geri kazanımı için santrifüj kuru granülasyon yöntemi dikkate alınırken elektrik üretimi için dört farklı sCO2 Brayton çevrimi incelenmiştir. sCO2 Brayton çevrimleri, belirlenen tasarım aşamalarına göre parametrik performans ve ekonomik analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçlarına göre, birim elektrik üretim maliyetleri minimize edilerek çevrimlerin uygun çalışma koşulları belirlenmiştir. Bu koşullar altında S-sCO2 çevriminin birim elektrik üretim maliyeti 0,02048 $/kWh ile en düşük çıkarken, en yüksek olan KI-sCO2 çevrimi ile arasında fark sadece 0,00085 $/kWh'tır.
Son olarak, yüksek fırın cürufundan santrifüj granülasyon sistemiyle atık ısı enerjisini geri kazanarak sCO2 güç çevrimleri ile elektrik üretecek entegre sistemler tasarlanmıştır. Sistemlerin cüruf işleme kapasitesi 35 t/sa olarak belirlenmiştir. Belirlenen çalışma koşulları altında ÇGK-sCO2 çevriminin kullanıldığı entegre sistemde, 2509 kW ile en fazla güç çıkışı elde edilmiştir. Belirli bir geri ödeme süresinde yapılan ekonomik analizler sonucunda, entegre sistemler ve santrifüj granülasyon sistemi için yapılabilecek yatırımın en üst limitleri belirlenmiştir. Bu noktada yıllık gelir miktarı en yüksek olan ÇGK-sCO2 entegre sistemine, geri ödeme süresi 3 ve 5 yıl olması durumunda yapılabilecek yatırımın en üst değerleri 8.037.000 $ ve 12.919.000 $ olarak hesaplanmıştır. Santrifüj granülasyon sistemine yapılabilecek yatırımın en üst değerleri ise 4.112.000 $ ve 8.994.000 $ olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Iron and steel industry, which is one of the main industries of national economies, accounts 6-7% of the world's energy consumption. Some of the consumed energy is stored as heat energy in the blast furnace slag and this is not recovered. Due to the increasing energy requirement in recent years, blast furnace slag is seen as a good potential energy source by researchers with its high amount of waste heat energy.
In this study, centrifugal dry granulation method was investigated in order to use blast furnace slag as raw material in cement production and to recover waste heat energy. The energy recovery and electrical potential of blast furnace slag were investigated technically and economically. Centrifugal dry granulation method was considered for energy recovery from slag and four different sCO2 Brayton cycles were investigated for electricity generation. Parametric performance and economic analyzes of sCO2 Brayton cycles were made according to the determined design parameter. According to the results of the analysis, suitable operating conditions of the cycles were determined by minimizing the unit electricity production costs. Under these conditions, the unit electricity production cost of the S-sCO2 cycle is the lowest at 0.02048 $/kWh, while the difference with the highest KI-sCO2 cycle is only 0.00085 $/kWh.
Finally, systems to generate electricity from the waste heat energy recovery of blast furnace slag were designed by integrating sCO2 power cycles into the centrifugal granulation system. The slag processing capacity of the systems has been determined as 35 t/h. In the integrated system in which the ÇGK-sCO2 cycle is used under the determined operating conditions, the highest power output was obtained with 2509 kW. As a result of the economic analyzes made within a certain payback period, the upper limits of the investment that can be made for the integrated systems and centrifugal granulation system have been determined. At this point, the ÇGK-sCO2 integrated system, which has the highest annual income, if the payback period is 3 and 5 years, the maximum investment values are calculated as 8,037,000 $ and 12,919,000 $. The upper limits of the investment that can be made in the centrifugal granulation system were determined as 4,112,000 $ and 8,994,000 $.