Energy and Exergy Analysis of an Industrial Annealing Furnace

Abstract

The industry sector is one of the sectors with the highest energy input in Turkey. When these sectors are analyzed, it is seen that iron and steel sector is in the first place. In this iron and steel sector, where there is high energy need, it is necessary to ensure the maximum efficient use of energy. Exergy is a term that expresses the availability of energy to the forefront in this industry. In this study, energy and exergy analysis of annealing furnace which has high energy input is done. Analysis showed that the ideal flue gas pressure was 40 kPa. Furthermore, the highest Exergy destruction occurred in annealing furnace with 63%. It was found that there is an energy need of 565 kj/kg per annealed billet. It has been proposed that the flue gas at about 200 ℃ ejected from the flue can be produced with an ideal rankine cycle of about 3 MW. In addition, it is stated that this waste gas thrown from the chimney can be used to meet the heating and hot water (domestic water) needs of the factory.

Keywords

• Energy
• Exergy
• Annealing furnace
• CH4
• Steel

Endüstriyel Bir Tav Fırının Enerji ve Ekserji Analizi

Abstract

Türkiye’de en yüksek enerji girdisine sahip sektörlerin başında endüstri sektörü gelmektedir. Bu sektörler içerisine bakıldığında, demir çelik sektörünün ilk sıralarda olduğu görülmektedir. Yüksek enerji ihtiyacının olduğu bu demir çelik sektöründe enerjinin maksimum düzeyde verimli kullanılmasını sağlamak gerekmektedir. Enerjinin kullanılabilirliğini ifade eden ekserji terimi bu sektörde ön plana çıkmaktadır. Bu çalışmada yüksek enerji girdisine sahip olan, yanma havası fanı, havanın ön ısıtılmasını sağlayan reküpertör, kütüğün tavlandığı tav fırını, yakma havasının ortamdan uzaklaştırıldığı baca gazı fanı ve sistemdeki kütük taşıyıcı ve rölelerin ısıl deformasyonunun önlenmesini sağlayan gövde soğutma sistemi bileşenlerinden oluşan bir tav fırınının enerji ve ekserji analizi yapılmıştır. Yapılan analizlerde ideal baca gazı basıncının 40 kPa olduğu görülmüştür. Ayrıca en yüksek ekserji yıkımının % 63 ile tav fırınında gerçekleştiği görülmüştür. Tavlanan kütük başına 565 kj/kg’lık bir enerji ihtiyacının olduğu görülmüştür. Baca dan atılan yaklaşık 200℃’deki baca gazının ideal bir rankine çevrimi uygulamasıyla yaklaşık 3 MW’lık bir güç üretiminin sağlanabileceği önerilmiştir. Ayrıca bacadan atılan bu atık gazın fabrikanın ısınma ve sıcak su (kullanım suyu) ihtiyacını karşılamasında kullanılabileceği ifade edilmiştir.

Keywords

• Enerji
• Ekserji
• Tav fırını
• CH4
• Çelik

References

1. [1] TOBB, 2016. Türkiye Demir ve Demirdışı Metaller Meclisi Raporu. https://www.tobb.org.tr/Documents/yayinlar/2017/T%C3%9CRK%C4%B0YE%20DEM%C4%B0R%20VE%20DEM%C4%B0R%20DI%C5%9EI%20METALLER%20MECL%C4%B0S%C4%B0%20SEKT%C3%96R%20RAPORU%202016_e-kitap/files/assets/common/downloads/publication.pdf (Access Date: 10.02.2020).
2. [2] TCUD, 2019. Türkiye Çelik Üreticileri Derneği http://celik.org.tr/harita/#! (Access Date 01.08.2019)
3. [3] Manatura, K., Tangtrakul, M. 2010. A study of specific energy consumption in reheating furnace using regenerative burners combined with recuperator. Silpakorn U Science & Tech J, 4(2), 7-13.
4. [4] Ertem, G., Çelik, B., Yeşilyurt, S. 2008. Endüstriyel tav fırınlarında ısı denkliği hesaplamaları ve enerji verimliliğinin belirlenmesi. IV. Ege Enerji Sempozyumu, İzmir, 1-8.
5. [5] Si, M., Thompson, S., Calder, K. 2011. Energy efficiency assessment by process heating assessment and survey tool (PHAST) and feasibility analysis of waste heat recovery in the reheat furnace at a steel company. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(1), 2904-2908.
6. [6] Hasanuzzaman, M., Saidur, R., Rahim, N. A. 2011. Energy, exergy and economic analysis of an annealing furnace. International Journal of the Physical Sciences, 6(6), 1257-1266.
7. [7] Kılınç, E. 2012. Endüstriyel fırınlarda enerji analizi ve verim arttırıcı yöntemler”, Karabük University Institute of Science and Technology, Master's Thesis, 90p. [8] Tütünoğlu, Y., Güven, A., Öztürk, İ. T. 2012. Cam temperleme fırınında enerji analizi. TMMOB MMO Mühendis ve Makina Dergisi, 53(629), 55-62.
8. [9] Tontu, M., Bilgili, M., Sahin, B. 2018. Performance analysis of an industrial steam power plant with varying loads. International Journal of Exergy, (27)2, 231-250.

9. [10] Eyidogan, M., Kaya, D., Dursun, Ş., Taylan, O. 2014. Endüstriyel tav fırınlarında enerji tasarrufu ve emisyon azaltım fırsatları. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Dergisi, 29(4), 735-743.
10. [11] Feng, H., Chen, L., Xie, Z., Sun, F. 2014. Constructal entransy dissipation rate minimization for variable cross-section insulation layer of the steel rolling reheating furnace Wall. International Communications in Heat and Mass Transfer, 52, 26-32.
11. [12] Caglayan, H., Caliskan, H. 2018. Energy, exergy and sustainability assessments of a cogeneration system for ceramic industry. Elseiver, 136, 504-515.
12. [13] Turgutlu, G. A., Yurddaş, A. 2015. Bir ısıl işlem fırınının termodinamik analizi. Celal Bayar Üniversitesi Fen Bilimleri. Dergisi, 12(1), 75-92.
13. [14] Vatandaş, S. 2016. Sanayi fırınlarında enerji ve ekserji verimliliği; örnek çalışma emaye pişirme fırını verimlilik projesi enerji ve ekserji analizlerinin gerçekleştirilmesi. Uludağ University Institute of Science and Technology, Master's Thesis, 94p.
14. [15] Remus, R., Monsonet, A. A., M. Roudier, S. Sancho D. L. 2013. Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Best Available Techniques Reference Document on the Production of Iron and Steel. European Union, Spain, 597s.
15. [16] Dincer, I., Zamfirescu, C. 2012. Sustainable energy systems and applications, Springer New York, NY, 816s.
16. [17] Dincer, I., Rosen, M. A. 2013. Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development. Elseiver, USA, 547s.
17. [18] Akkaş, M., Çulha, O. 2018. Sıcak haddelenmiş düşük karbonlu gemi inşa çeliklerinin farklı ortamlarda soğutulmasının mekanik özelliklerin değişimine tesirinin incelenmesi. El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 5(3), 862-874.
18. [19] Klein, S. A., Engineering Equation Solver, version 9.022-3D, F-Chart Software, 2011.
19. [20] U.S Departmant of Energy, 2014. Waste Heat Reduction and Recovery for Improving Furnace Efficiency, Productivity and Emissions Performance. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f15/35876.pdf (Access Date: 14.02.2020).
20. [21] Sezer, Ö.F., Coşkun, E. 2016. Energy saving in continuous annealing line using heating optimization. Alphanumeric Journal, 4(1), 73-83.