Eksergijska optimizacija rada rotacione peći za kalcinaciju dolomita

Abstract

Energetski bilans rotacione peći za kalcinaciju dolomita u preduzeću za proizvodnju magnezijuma identifikovao je plašt peći (26,35% od ulazne energije) i produkte sagorevanja (18.95%), kao glavne izvore toplotnih gubitka. Da bi se smanjio gubitak toplote, u zoni kalcinacije koristi se razmenjivač toplote koji formira strujni prostor prstenastog oblika između plašta peći i unutrašnje površine razmenjivača. Predloženo rešenje je: brzo primenljivo, profitabilno (prost period otplate je manji od 6 meseci), omogućava iskorišćenje konvektivnih i zračnih gubitaka toplote sa plašta peći, sprečava pregrevanje peći, ne narušava njene tehnološke parametre rada, ne zahteva povišeni pritisak vazduha i može se primeniti na različitim vrstama rotacionih peći sa sličnim površinskim raspodelama temperatura. Razvijeni matematički model omogućava da se dobije geometrija razmenjivača toplote tako da se od peći oduzima samo ona količina toplote koju rotaciona peć bez njega predaje okolini. Primena rekuperatora smanjuje potrošnju goriva za 12,00%, i povećava energetski za 7,35% i eksergijski stepen korisnosti za 3,81%. U radu je razvijen program na osnovu koga su dimenzionisani rekuperatori kontinualne geometrije za slučajeve kada se za sagorevanje u rotacionoj peći koristi vazduh obogaćen kiseonikom. Rezultati su pokazali da se rekuperator na ispitivanoj peći ne može primeniti ukoliko se za sagorevanje u njoj koristi vazduh obogaćen sa više od 24% kiseonika. Obogaćivanje vazduha za sagorevanje kiseonikom praćeno je blagim povećanjem energetskih i eksergijskih stepena korisnosti peći sa i bez rekuperatora toplote. Od analiziranih mogućnosti za korišćenje otpadne toplote u dimnim gasovima za: zagrevanje vazduha i vode, zagrevanje vode u kombinaciji sa rekuperatorom i proizvodnju električne energije u sistemu kogeneracije organskim rankinovim ciklusom, poslednje rešenje pokazalo se kao energetski, eksergijski i ekološki najprihvatljivije.

The energy balance of a rotary kiln used for calcination of dolomite in a magnesium production company identified the kiln shell (26.35% of the input energy) and exhaust gases (18.95%) as the major sources of heat losses. To decrease the heat loss, a heat exchanger that forms an annular duct over the calcination zone of the kiln is used to preheat combustion air. The exchanger uses both the convective and radiant heat loss from the mantle, prevents overheating, does not require air tightness, and could be implemented over rotary kilns with the similar surface temperature distribution. A mathematical model that defines the geometry of the heat exchanger so as the heat transfer from the kiln to the combustion air to be equal to the heat dissipated from the bare kiln is presented. The exchanger decreases fuel consumption of the kiln for 12.00%, and increases its energy and exergy efficiency for 7.35% and 3.81%, respectively. To obtain a better performance the airflow and geometry of the exchanger should be arranged to achieve the smallest possible temperature difference between the kiln surface and the preheating air, whose amount should always be kept at the optimal value for the used fuel. In the thesis, the software that determines the continual geometry of the recuperator was developed for the case when low oxygen-enriched air is used for fuel combustion inside the kiln. The recuperator can not be implemented over the kiln when the combustion air is enriched with more than 24 vol% of oxygen. The air enrichment causes a slight increase in energy and exergy efficiencies of the kiln whether it uses or not the recuperator. Several systems that utilize the sensible heat of the kiln exhaust gases for: (i) central heating, (ii) combustion air preheating, (iii) central heating for the case when the kiln operates with the recuperator, and (iv) cogeneration with the organic Rankine cycle were analyzed. Among these systems, the cogeneration system is energetically, exergetically, and ecologically the most suitable solution.