INVESTIGATION OF USING KALINA CYCLE FOR WASTE HEAT RECOVERY IN A CEMENT PLANT

Abstract

The cement industry is considered one of the most energy intensive industrial processes in the world. The energy cost average is about 55% of the total cost of cement production. Massive energy cost is due to both heat consumption in kiln operations and electrical power consumption for different operations of grinding mills, fans, and motors. Waste heat recovery is a way to reduce the total power consumption for the cement production process by using a heat recovery system to generate electrical energy with no more fuel or electrical power consumption. In a typical cement plant, 25% of the total energy is electrical energy, and 75% is thermal energy. About 35-40% of the total process heat is lost through waste heat streams. In a cement plant, 26% of heat input is lost through the kiln, preheater surfaces, convection from the kiln, and preheaters. This article reports on waste heat recovery from a typical cement plant in Egypt. Measurements and analyses have been performed to determine the waste heat from different stages of the cement manufacturing lines. The annual heat losses from the kiln surface, preheater, and the cooler are estimated as 79.23, 44.32, and 43.6 GWh at average temperatures of about 314, 314, and 254℃, respectively. Analysis and optimization of using the Kalina cycle for Waste Heat Recovery (WHR) from the kiln shell, cooler, and preheater to produce electricity have been carried out using ASPEN software. A parametric study has been carried out to determine the design parameters for the Kalina cycle including turbine inlet pressure, mass flow rate, and ammonia water concentration. Two design alternatives have been investigated using separate and combined WHR from the kiln, cooler, and preheater. The value of net power output using combined WHR is about 7.35 MW as compared to 6.86 using a separate WHR design with a total cost saving of about 23%. تعتبر صناعة الأسمنت من أکثر العمليات الصناعية کثافة في استخدام الطاقة في العالم. يبلغ متوسط ​​تکلفة الطاقة حوالي 55٪ من التکلفة الإجمالية لإنتاج الأسمنت. ترجع تکلفة الطاقة الهائلة إلى کل من استهلاک الحرارة في عمليات الفرن واستهلاک الطاقة الکهربائية للعمليات المختلفة لعمليات الطحن للمواد الخام والتبريد عن طريق المراوح نقل الخامات. يعد استرداد الحرارة المهدرة طريقة لتقليل إجمالي استهلاک الطاقة لعملية إنتاج الأسمنت باستخدام نظام استرداد الحرارة لتوليد الطاقة الکهربائية دون مزيد من استهلاک الوقود أو الطاقة الکهربائية. في مصنع الأسمنت النموذجي، يتم فقدان حوالي 35-40 ٪ من إجمالي الطاقة الحرارية خلال تيارات الحرارة المهدرة. يفقد الغبار، وتصريف الکلنکر، والإشعاع من الفرن، وأسطح التسخين المسبق، والحمل الحراري من الفرن، وهذا يمثل ما يقرب من 26٪ من مدخلات الحرارة. نتناول في هذا البحث طرق استرداد الحرارة المهدرة من مصنع أسمنت نموذجي في مصر عن طريق دورة کالينا. تم إجراء القياسات والتحليلات لتحديد الحرارة المفقودة من المراحل المختلفة لخطوط تصنيع الأسمنت. تقدر الخسائر الحرارية السنوية من سطح الفرن والتسخين المسبق والمبرد بـ 79.23 و44.32 و43.6 جيجاوات ساعة بمتوسط ​​درجات حرارة حوالي 314 و314 و254 درجة مئوية على التوالي. تم إجراء تحليل وتحسين استخدام دورة کالينا لاستعادة الحرارة المفقودة من الفرن والمبرد والتسخين المسبق لإنتاج الکهرباء باستخدام برنامج اسبين تم إجراء دراسة بارا مترية لتحديد معايير تصميم دورة کالينا بما في ذلک ضغط مدخل التوربينات، ومعدل التدفق الکتلي، وترکيز نسبة الماء والأمونيا. تم فحص بديلين للتصميم لاستعادة الحرارة المفقودة باستخدام برنامج اسبين من خلال فصل ودمج الطريقتين وتطبيقهم في مرحلة الفرن والمبرد والتسخين المسبق. تبلغ قيمة صافي خرج الطاقة باستخدام مجتمعة حوالي 7.35 ميجاوات مقارنة بـ 6.86 باستخدام تصميم منفصل لتوليد الطاقة مع توفير إجمالي في التکلفة يبلغ حوالي 23٪.