Рекуперация отходящего тепла: использование отходящего тепла для декарбонизации цемента и стали

Цементная и сталелитейная промышленность, как известно, трудно декарбонизировать, однако их производственные предприятия предлагают решение: отходящее тепло. Объясняет Тобиас Пансе из Siemens Energy.

Лишь немногие промышленные процессы выделяют столько CO2, сколько производство цемента.

Он берет известняк, измельчает, сжигает и измельчает его, используя огромное количество энергии, пока он не превращается в порошок, который является самым распространенным строительным материалом в мире. В основе этого процесса лежат подогреватель и вращающаяся печь, обрабатывающие молотый известняк и глину при температуре более 1300°C.

Это очень много тепла… однако на многих цементных заводах большая часть его по-прежнему уходит через дымовые газы и рассеивание поверхности – целых 40–45 % от того, что выделяется. Именно здесь на помощь приходит рекуперация отходящего тепла (WHR). Отходящее тепло печи и других помещений завода можно использовать повторно, обеспечивая до трети потребности завода в электроэнергии.

В промышленности существует множество применений для рекуперации отходящего тепла, включая производство электроэнергии или технологического пара, отопление и охлаждение помещений или централизованное теплоснабжение. Тем не менее, он, возможно, имеет самый большой потенциал в трудно поддающихся сокращению отраслях, таких как цементная, сталелитейная или нефтехимическая промышленность.

Но тем не менее, многие цементные заводы по всему миру не используют этот энергоэффективный способ сокращения выбросов, несмотря на необходимость декарбонизации при сохранении энергоэффективности и прибыльности.

Эта статья входит в серию «Перспективы энергетики будущего», в которой эксперты Siemens Energy делятся своим мнением о том, как мы можем двигаться к декарбонизированной энергетической системе.

У цементной промышленности нет работы: она является третьим по величине промышленным потребителем энергии и на ее долю приходится около 7% промышленных выбросов CO2 в мире.

Несмотря на то, что страна добилась прогресса в сокращении выбросов углекислого газа, потребуются более решительные действия для достижения промежуточных целей по выбросам и обеспечения успешного энергетического перехода. И хотя WHR не является единственным инструментом сокращения выбросов CO2 в цементной промышленности (еще одним вариантом является улавливание углерода), это одна из мер, которая окупается быстрее всего.

В 2021 году Глобальная ассоциация цемента и бетона (GCCA) опубликовала официальную дорожную карту по достижению нулевых выбросов углекислого газа к 2050 году.

Дорожная карта устанавливает промежуточную цель по сокращению выбросов парниковых газов на 25% к 2030 году, что потребует агрессивных действий со стороны производителей в ближайшие два-три года.

В целом лучшим местом для улавливания отходящего тепла на цементном заводе являются потоки дымовых и отходящих газов из башни предварительного нагревателя и охладителя клинкера. Однако не существует универсального решения, подходящего для всех: для каждого цементного завода – как и в других отраслях, где уровень выбросов трудно поддается сокращению – решения WHR должны быть адаптированы к потребностям клиента. Это связано с тем, что утилизация отходящего тепла зависит от различных факторов: температуры отходящего тепла, состава, мощности печи и влажности сырья.

Поэтому перед внедрением любого решения необходим детальный анализ.

Чтобы определить наиболее эффективный способ выработки электроэнергии из WHR для цементных, а также сталелитейных и нефтехимических заводов, Siemens Energy провела несколько исследований, рассматривая различные технические варианты.

Все они используют одинаковую установку: они состоят из котла с жидкостью, которая нагревается за счет отходящего тепла до тех пор, пока не образуется горячий пар, который затем приводит в движение паровую турбину. После этого пар поступает в конденсатор для охлаждения, прежде чем снова прокачиваться через котел.

Что больше всего отличает эти варианты, так это используемый носитель. Наши испытания показывают, что традиционный метод цикла перегретого пара с его более высокими температурами и более высокой выходной мощностью лучше всего подходит для большинства применений на цементных и даже сталелитейных заводах.

Однако альтернативные варианты не следует сбрасывать со счетов. Например, все больше и больше установок также используют органический цикл Ренкина (ORC) с использованием органических жидкостей. Его главным преимуществом является высокая эффективность при более низких температурах и отсутствие необходимости в воде.