Enhanced thermodynamic analysis and assessment of a cogeneration system for a ceramic factory

Abstract

Kurutma, pişirme, ısıtma gibi enerji yoğun proseslere sahip olan seramik sektöründe, enerji maliyeti, toplam üretim maliyetinin %35'in üzerine çıkabilmektedir. Özellikle doğalgaz, petrol gibi yakıtların tamamına yakınının ülkemize ithal edilmesine bağlı olarak artan enerji maliyetleriyle birlikte ülkedeki şirketlerin küresel piyasalarda rekabet etme gücü azalmaktadır. Ayrıca bu prosesler de kullanılan inorganik hammadde ve tüketilen doğalgazın, çevreye olan etkileri her geçen gün artmaktadır. Genel olarak bu endüstride etkin bir enerji etüt çalışmaları yapılmadığı için verimsizliğe yol açan komponentlerin tespit edilemediği gözlenir. Böylesi bir maliyet ve çevresel etkiyle karşı karşıya kalan şirket yöneticileri, fabrikaları bir bütün olarak değerlendirdikleri için, komponent bazında tersinmezlikleri göz ardı etmektedirler. Günümüzde, özellikle kurutma proseslerine sahip olan seramik sektörü için çeşitli enerji geri kazanım sistemleri uygulanmaktadır. Fakat bunların içerisinde gaz türbinli kojenerasyon sisteminin uygulanması hakkında termodinamiksel ve ekonomik açıdan hala kesin bir yargıya varılmış değildir. Bu tezde, Uşak Organize Sanayi Bölgesinde yer alan bir seramik fabrikası için modellenen kojenerasyon sisteminin ekserji, eksergoekonomik ve ekserjoçevresel analizlerinin yanında, ileri ekserji, ileri eksergoekonomik ve ileri çevresel analizlerinin uygulaması, beş farklı ölü durum sıcaklığı için gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, yatırımı yapılacak olan kojenerasyon sistemi için `Net Şimdiki Değer` yöntemi kullanılarak, karlılık analizi yapılmış ve yatırımın başabaş noktası tespit edilmiştir.Geleneksel ekserji, eksergoekonomik ve eksergoçevresel analizine göre, komponentler arasında sırasıyla en yüksek ekserji yıkım, ekserji maliyet oranı ve eksergetik çevresel etki oranına sahip olan yanma odasının iyileştirme potansiyeli, diğer komponentlere göre daha yüksek olduğu kabul edilir. Fakat ileri ekserji, eksergoekonomik ve eksergoçevresel analizine göre, duvar karosu ve yer karosu kurutucuların kaçınılabilir ekserji yıkım değeri, ekserji yıkım maliyet oranı ve çevresel etki oranı, diğer komponentlerden daha yüksek bulunmuştur. Bu yüzden duvar ve yer karosu kurutucularının iyileştirme potansiyeli her üç analizde de yanma odasından daha fazla olduğu söylenebilir. Ayrıca duvar ve yer karosu kurutucuların üzerine daha çok odaklanılması gerektiği anlaşılır. Bunun yanında kojenerasyon sisteminin toplam ekserji yıkım değerinin %90'nından, toplam ekserji yıkım maliyet oranının %96'sından ve toplam çevresel etki oranının %96'sından fazlası komponentlerde meydana gelen tersinmezliklerden kaynaklanmaktadır. Bu yüzden komponentler arasındaki etkileşimin ekserjetik, ekonomik ve çevresel açıdan zayıf olduğu söylenebilir. Net şimdiki değer yöntemine göre gaz türbinli kojenerasyon sistemi, 13. yılında başa baş noktasına ulaşırken, yaşam ömrü boyunca sağladığı toplam kazanç 562148$'dır.

In the ceramic industry, which has energy-intensive processes such as drying, firing, heating, the energy cost can exceed 35% of the total production cost. Especially with rising energy costs due to the import of almost all fuels such as natural gas and petroleum, the power of companies in the country to compete in global markets is decreasing. In addition, the effects of inorganic raw materials used in these processes and natural gas consumed on the environment are increasing every day. In general, it is observed that the components that lead to inefficiency cannot be detected because energy studies are not carried out effectively in this industry. Faced with such a cost and environmental impact, company executives ignore component irreversibilities, as they evaluate industry as a whole. Today, various energy recovery systems are applied, especially for the ceramic industry, which has drying processes. However, there is still no conclusive decision regarding the implementation of the gas turbine cogeneration system thermodynamically and economically.In this thesis, besides the exergy, exergoeconomic and exergoeconomic analysis of the cogeneration system modeled for a ceramic factory located in Uşak Organized Industrial Zone, the application of advanced exergy, advanced exergoeconomic and advanced environmental analysis is carried out for five different dead state temperatures. In addition, using the `Net Present Value` method for the cogeneration system to be invested, profitability analysis is made and the breakeven point of the investment is determined. According to conventional exergy, exergoeconomic and exergoeconomic analysis, the improvement potential of the combustion chamber, which has the highest exergy destruction, exergy cost rate and exergetic environmental impact rate among components, respectively, is considered to be higher than other components. However, according to advanced exergy, exergoeconomic and exergoeconomic analysis, the avoidable exergy destruction value, avoidable exergy destruction cost rate and avoidable environmental impact rate of wall tile and ground tile dryers are found to be higher than other components. Therefore, the improvement potential of wall and floor tile dryers can be said to be higher than that of the combustion chamber in all three analyses. It is also understood that more focus should be placed on wall and floor tile dryers. In addition, more than 90% of the total exergy destruction value of the cogeneration system, more than 96% of the total exergy destruction cost rate and more than 96% of the total environmental impact rate are due to irreversibilities occurring in the components themselves. Therefore, it can be said that the interaction between the components is exergetic, economical and environmentally weak. According to the Net Current Value method, the gas turbine cogeneration system reaches breakeven point in 13 years, while the total gain it provides over its life time is $562148.