Bir ferrokrom tesisinin eksergoekonomik analiz yöntemiyle verimliliğinin değerlendirilmesi
Evaluation of the efficiency of a ferrochrome plant with exergoeconomic analysis method
Yazar: SİNAN KAPAN
Danışman: PROF. DR. NEVİN ÇELİK ; PROF. DR. ÜNAL ÇAMDALI
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Elektrik ark fırını = Electric arc furnace ; Enerji = Energy ; Termal enerji = Thermal energy ; Yüksek karbonlu çelik = High carbon steel ; Üretim metalurjisi = Production metallurgy

Özet:
Demir-çelik endüstrisi, dünyanın en büyük enerji tüketen üretim endüstrisidir. Doğalgaz ve elektrikte, tekel konumundaki tedarikçilere bağımlılık sektörün zayıf yönleri arasında yer almaktadır.  Bu sektörde enerjinin daha verimli kullanılması, endüstrinin rekabetçiliğini güçlendirmek ve sera gazı emisyonları gibi çevresel etkileri en aza indirmek için oldukça önemlidir.
Bu tez kapsamında, yüksek karbonlu ferrokrom üretimi yapan bir tesiste maden ergitme işlemlerinin yapıldığı elektrik ark fırınının termodinamik analizleri ile maliyet bazlı kütle optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Enerji, ekserji ve eksergoekonomik analiz yöntemleri, söz konusu işletmede bulunan elektrik ark fırınına uygulanmıştır. Bu analizlere ilave olarak, elektrik ark fırınının çevresel etki analizleri de gerçekleştirilmiştir. 
Tesiste bulunan elektrik ark fırınının enerji verimi %50,69, ekserji verimi ise % 46,49 olarak hesaplanmıştır. Elektrik ark fırınında meydana gelen enerji kayıpları, kontrol hacmine giren toplam enerjinin % 5,85'ini, ekserji kayıpları ise toplam giren ekserjinin ise % 20,39'ni oluşturmaktadır. Literatürde ferrokrom üretim sürecine uygulanan benzer çalışmalar bu tip fırınların ekserji veriminin % 40 ila % 60 arasında değiştiğini göstermektedir. Ferrokromun birim ekserji maliyeti 125,74 $/GJ, kayıp ekserjinin birim ekserji maliyeti ise 69,32 $/GJ olarak belirlenmiştir. Çevresel etki analizleri sonucunda, kaynak geri kullanım oranı %84,26, karbondioksit üretim oranı ferrokrom ton başına 958,12 kg,  sürdürülebilirlik indeksi ise 1,86 olarak elde edilmiştir. 
Elektrik ark fırınının ekserji analizlerinden elde edilen sonuçlar, eksergoekonomik analizden elde edilen sonuçlar ve çevresel etki analizi sonuçları ile de desteklenmiştir. Eksergoekonomik analiz ile elektrik ark fırınının ekserji ve maliyet kavramları birleştirilerek, iyileştirmeye yönelik çalışmaların hangi alanda yoğunlaşması gerektiği hakkında fikir sunulmuştur. Elektrik ark fırın enerji verimliliği açısından ele alındığında yapılan analizler sonucunda iyileştirmeye yönelik alanlar olduğu açıkça görülmektedir.

Abstract:
The iron and steel industry is the world's largest energy consuming manufacturing industry. Dependence on monopoly suppliers in natural gas and electricity is among the weaknesses of the sector. More efficient use of energy in this sector is very important to strengthen the competitiveness of the industry and to minimize environmental impacts such as greenhouse gas emissions.
Within the scope of this thesis, cost-based mass optimization was carried out by thermodynamic analyzes of the electric arc furnace in which the metal smelting processes are carried out in a plant producing high carbon ferrochrome. Energy, exergy and exergoeconomic analysis methods were applied to the electric arc furnace in the mentioned facility. In addition to these analyzes, environmental impact analyzes of the electric arc furnace were also carried out.
The energy efficiency of the electric arc furnace in the facility was calculated as 50,69% and the exergy efficiency as 46.49%. The energy losses in the electric arc furnace constitute 5.85% of the total energy entering the control volume, and the exergy losses constitute 20.39% of the total exergy input. Similar studies in the literature applied to the ferrochrome production process show that the exergy efficiency of this type of furnace varies between 40% and 60%. The unit exergy cost of ferrochrome was determined as 125.74 $/GJ, and the unit exergy cost of lost exergy was determined as 69.32 $/GJ. As a result of the environmental impact analysis, the resource reuse rate was 84.26%, the carbon dioxide production rate was 958.12 kg per ton of ferrochrome, and the sustainability index was 1.86.
The results obtained from the exergy analyzes of the electric arc furnace were also supported by the results obtained from the exergoeconomic analysis and the results of the environmental impact analysis. By combining the exergoeconomic analysis and the exergy and cost concepts of the electric arc furnace, an idea is presented about which area the improvement studies should focus on. When the electric arc furnace is considered in terms of energy efficiency, it is clearly seen that there are areas for improvement as a result of the analyzes made.