Bir tesisin termodinamik ve teknolojik parametrelerine göre oluşturulan üretim akış diyagramları, enerji tüketimini azaltmak için optimize edilmelidir. Ekserji verimi süreç adımlarındaki kapsamlılığın bir göstergesidir. Ekserji, belirli bir durumda verilen bir enerjinin yararlı iş potansiyelini belirleyen bir özelliktir. Ekserji analizi sayesinde tesislerin üretim kademelerinde sistemin ısı kullanan elemanlarının, oldukça yüksek tersinmezlik ile tanımlanan bazı adımları ortaya çıkarılmaktadır. Ekserji analizi, sistemin ısı akış diyagramını seçmeye ve optimize etmeye olanak sağlamaktadır. Literatürde çeşitli tesislerde yapılan enerji ve ekserji analizlerinin bazıları aşağıda özetlenmiştir.
Çamdalı (2001) ―Termodinamik Analizlerde Çevre Sıcaklığının Değişiminin Etkisi ve Endüstriyel Uygulamalar‖ adlı makalesinde, döner fırında ekserji kaybı için matematiksel eşitlikler elde etmiştir. Döner fırında bir saatlik üretim esnasında kaybolan maksimum ve minimum ekserji miktarları 116.305 MJ ve 114.758 MJ olarak hesaplanmıştır. Araştırmacı döner fırının çevre sıcaklığı arttıkça sistemden kaybolan ısının ekserjisinin azaldığını rapor etmiştir (Çamdalı, 2001).
Çamdalı ve arkadaşları (2004) kuru tip çimento üretilen bir tesiste, ön ısıtıcılı döner fırınının kütle, enerji ve ekserji analizlerini termal ve kimyasal yönden incelemiş ve verimlilik değerlerini hesaplamışlardır. Döner fırında iletim, dağıtım ve ışınımdan kaynaklanan ısı kayıpları % 3 olarak bulunmuştur. Toplam ekserji kayıpları % 36,5 olup bu kayıpların büyük kısmının baca gazları yoluyla, bir kısmının klinkerin üretimindeki kimyasal tepkimelerin sonucu meydana gelen endotermik tepkimelerden kaynaklandığı belirtilmiştir. Sistemin enerji verimliliği % 97 olmasına karşın ekserji verimliliği % 64,4 olarak bulunmuştur (Çamdalı ve ark., 2004).
Songqing ve diğerleri (2007) Bayer Prosesi'ndeki enerji tüketimini incelemişlerdir. Bayer Prosesi'nin termodinamik analizinin sonucunda diaspore mineralojik fazına sahip boksitlerin gibbsite mineralojik fazına sahip boksitlerden daha fazla enerjiye gereksinim duyduğunu vurgulamışlardır. Bayer Prosesi‘nin ana kademelerinden olan otoklavlar, evaporasyon ve kalsinasyon bölümlerini enerjinin en yoğun olarak kullanıldığı yerler olduğu tespitinde bulunmuşlardır. Bu bağlamda Bayer Prosesi ile çalışan farklı fabrikaların değişkenlerini değerlendirerek süreçte enerjinin kullanımını ve tüketimini göstermeye çalışmışlardır. Bayer Prosesi genelinde, üretkenliğe, döngü verimine ve derişim sistemine bağlı olarak sistematik enerji
41
tüketimi, ısı geri kazanma verimi ve kalsinasyon esnasında ısı kullanımından dolayı etkilenen ısı kaybı, evaporasyondan çıkan çözeltinin ve boksit hamuru veya çözeltisinin sıcaklık değişimleri, ön ısıtıcıların ısı aktarım verimleri ve yüksek sıcaklık altında çalışan tank ve hatların dış ortama karşı yalıtımı, karıştırıcılar, pompa ve fanları vb. ekipmanların elektrik verimleri ve özgül enerji tüketimlerine dair enerjinin kullanım biçimini ve tüketildiği noktaları belirtmişlerdir (Songqing ve ark., 2007).
Kolip ve Savaş (2008) ―Dört Kademeli Paralel Akışlı ve Önısıtıcı Siklonlu bir Çimento Fabrikasında Kütle ve Enerji Denkliklerinin Matematik Modellenmesi‖ isimli çalışmalarında sistemin her kademesindeki enerji ve kütle denkliklerini otomatik olarak hesaplamak için bir bilgisayar programı geliştirmişlerdir. Programda CaO, CaCO3, MgCO3 (veya MgO) ve diğer oksitler, sisteme giriş yapan dört farklı bileşen olarak kabul edilmiştir. Siklon kademelerinde sirküle eden hammadde, baca tozu ve döner fırın çıkışına ilişkin kütleler belirlenmiştir. Bunun yanında siklon grubu kademelerindeki su buharı ve kalsinasyon esnasında açığa çıkan CO2‘i içeren baca gazı kütlesi de hesaplanmıştır. Her bir proses adımındaki sıcaklıklar enerji denkliği yardımıyla bulunmuştur. Verilere göre 1 kg klinker başına gereken tozsuz hammadde miktarı 1,47 kg, paralel siklon grubundan çıkan baca tozu miktarı ise 0,203 kg‘dır. Ayrıca, her bir kademedeki tepkime enerjileri de hesaplanmıştır. Çalışmayla birlikte sunulan program sayesinde, kullanılan çeşitli yakıt ve hammaddelerin enerji ve kütle denkliklerine etkileri hem sistem bazında hem de üniteler bazında incelenmiştir (Kolip ve Savaş, 2008).
Türközü (2008) Çumra Şeker Fabrikası‘nın ekserji analizi üzerine çalışmıştır. Çalışma kapsamında araştırmacı, enerji üretim ünitesinde ilgili hesapları yaptıktan sonra, yakıtın ve yanma sonucu oluşan baca gazlarının ekserji hesaplarını da gerçekleştirmiştir (Türközü, 2008).
Kazakov ve Lipin (2009) alümina üretimi akış diyagramının teknolojik ve termodinamik parametrelerinin enerji tüketimini düşürmek için optimize edilmesi gerektiğini vurgulamışlardır. Ayrıca ekserji analizinin boksitten alümina özütleme sürecinin ısı akış diyagramını optimize etmeye olanak sağlayacağını belirtmişlerdir (Kazakov ve Lipin, 2009).
Tuomala ve arkadaşları (2009) enerji verimi konusunun son yıllarda en önemli gündem maddesi haline geldiğini ve bunun en önemli sebebinin dünyamızda hızla azalan fosil yakıtlarının olduğunu belirtmişlerdir. Bununla birlikte en son yürürlüğe giren ve girecek olan çevresel düzenlemelerin enerji tüketimini ve çevreyi tehdit eden
42
toz ve gazların emisyonlarını azaltmaya zorladığını ve bu nedenle de son yıllardaki enerji tüketimini azaltmaya yönelik eğilimin yeni yöntem ve süreçler bulmaya doğru olduğunu vurgulamışlardır. Bu kapsamda başta kimya endüstrisi olmak üzere endüstrideki enerji verimliliği göstergelerini incelemişlerdir (Tuomaala ve ark., 2009).
Balomenos ve arkadaşları (2011) Yunanistan‘daki Alumina De Greece fabrikasının süreç verilerini kullanarak boksitten başlayarak alümina üretimi, oradan da birincil alüminyum üretiminin enerji ve ekserji analizlerini gerçekleştirmişlerdir (Balomenos ve ark., 2011).
Ustaoğlu (2011) yaş yöntemle üretim yapan bir çimento fabrikasının döner fırın ve soğutucu bölümünde, tras kurutucu ve kömür kurutma ünitelerinde kütle, enerji ve ekserji analizlerini yaparak sürecin mevcut verilerinin birbiriyle ilişkisini, enerji ve ekserji verimliliğini ortaya koymuştur (Ustaoğlu, 2011).
Afşar (2011) tez çalışmasında seramik fabrikasındaki fırının, sprey ve dikey kurutucunun enerji ve ekserji analizlerini yapmıştır. Bu çalışmayı yaparken termodinamiğin birinci ve ikinci kanunlarından sistemin enerji kayıpları bulunarak bu kayıpları minimuma indirmek ve sistem verimini artırmak için gereken iyileştirme yöntemleri ortaya çıkarılmıştır (Afşar, 2011).
Koroneos ve arkadaşları (2011) konut sektörü için 1990-2004 verilerini kullanarak enerji ve ekserji analizlerini yapmışlardır. Bulgular daha önce bu tür bir enerji ve ekserji analizi yapılan Yunan ulaşım sektöründeki çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Araştırmacılar çalışma sonucunun çeşitli ekonomik sektörlerdeki enerjiyi verimli kullanma standartlarını oluşturmada önemli roller üstleneceği hususuna parmak basmışlardır (Koroneos ve ark., 2011).
Hasanbeigi ve Price (2012) tekstil endüstrisinde enerji kullanımı ve verimli enerji teknolojilerini incelemişler ve her bir tekstil fabrikası için enerji verimli fırsatların hala mevcut olduğunu ileri sürmüşlerdir. Ancak enerji verimliliğini ölçmek için kullanılan mevcut modası geçmiş yöntemler, sınırlı alt yapı ve yetersiz bilgi seviyesi bu tekniklerin endüstride kendilerine yer bulmasını engellemektedir. Ek olarak enerji- verimli teknolojilerin ve uygulamaların nasıl yapıldığını içeren yapma bilgilerinin (know-how) tekstil fabrikalarında yaygınlaştırılması gerektiğini vurgulamışlardır (Hasanbeigi ve Price, 2012).
Qiaopong ve arkadaşları (2012) birleşik proses (Bayer + Sinter) için enerji tüketimini ve ekserji analizini incelemişlerdir. Her bir ünitenin enerji tasarrufu sağlayacak teknolojik yeniliklerle donatılması için gereken yatırım tutarının üretim
43
artışı ile karşılanabileceğini belirtmişlerdir. Yazarlar ayrıca bir alümina fabrikasındaki ekserji kaybının dağılımını çalışmışlar ve bu çalışmanın sonucunun enerji tasarrufunun yapılabileceği noktalara ışık tutacağını dile getirmişlerdir (Qiaoping ve ark., 2012).
Kazakov ve Lipin (2012) nefel mineralinden alümina üretim prosesindeki ısı enerjisi tüketimini azaltacak tedbirleri açıklamıştır. Değişikliklerle birlikte termodinamik performansın (ekserji veriminin) %70‘ten %90‘a çıktığını ve buhar ihtiyacının ekipmanların en optimum çalışması nedeniyle düştüğü sonucuna varmışlardır (Kazakov ve Lipin, 2012).
Williams ve Schmidt (2012) alümina kalsinasyon sürecinde döner fırın teknolojisinin yerine geliştirilen ―şok (flash)‖ ve ―dolaşımlı akışkan yatak fırın‖ teknolojileri arasındaki farkları ve enerji tüketim değerlerini karşılaştırmışlardır. 1942 yılında Alcoa firması tarafından her iki teknolojiye ait pilot ölçekli veya küçük tonajlı kalsinasyon tesislerinde yapılan testlere göre geleneksel döner fırında 1 ton alümina başına harcanan enerji 9,3 GJ‘den önce 4,9 GJ‘a ve daha sonra yapılan detaylı çalışmalarla 3,3 GJ‘e kadar düşürülmüştür (Williams ve Schmidt, 2012).
Mahamud ve arkadaşları (2013) günümüzde enerji güvenliği ve CO2 emisyonunun azaltılmasının dünyanın en önemli iki problemi olduğunu belirtmişlerdir. Yazarlar enerji sistemlerinin verimlerinin iyileştirilmesinin bu iki problemin çözümü için atılması gereken birincil adım olduğunu dile getirmişlerdir. Güç üretiminde, ulaşımda ve endüstride fosil yakıtların temel enerji kaynağı olarak kullanımına halen devam edildiğini belirten araştırmacılar, yenilenemeyen yakıt türlerinin sınırlı kaynaklara sahip olunması yüzünden gelecekte enerji güvenliği açısından önemli riskler taşıdıklarına vurgu yapmışlardır. Aynı zamanda kömürle çalışan bir termik santralde yaptıkları ekserji balansı ile kazanda %81, türbinde %10, degazörde %1, düşük ve yüksek basınçlı ısıtmada %1 ekserji yıkımının olduğunu belirlemişlerdir (Mahamud ve ark., 2013).
Krishnan ve arkadaşları (2012) Çin‘den sonra dünyanın en büyük ikinci çimento üretimine sahip olan Hindistan‘da, ekonomideki büyüme ile birlikte çimento sektörünün de hızla büyüdüğünü belirtmişlerdir. Hindistan‘daki çimento fabrikalarının birçoğunun düşük enerji tüketimleri sebebiyle dünyadaki pek çok benzerlerine kıyasla daha iyi durumda olduklarına değinmiştir. Buna rağmen Krishnan ve arkadaşları çimento sektörünün enerji tüketimini daha da düşürmek ve buna bağlı olarak da emisyonları azaltmak için hala önemli gelişmelere ihtiyaç duyulduğunu belirtmişlerdir. Bu çalışma kapsamında araştırmacılar sektörün mevcut durumu, enerji verimi ve performansı,
44
tesislere özgü işletme parametreleri, özgül enerji tüketimini azaltma çabaları ve değişik nedenlerden dolayı bu sektörde karşılaşılan zorlukları ortaya koymuşlardır. Enerji tasarrufu sağlamak ve verimli çalışmak için bir tesis tarafından benimsenebilecek teknoloji seçeneklerinin ve enerji verimliliği önlemleri ön plana çıkarmışlardır. Bu önlemlerin uygulanmasıyla temel hedeflere ulaşılabileceğini vurgulamışlardır. Örneğin, öğütme sistemlerinde bilyalı değirmen, merdaneli değirmen ve dik valsli değirmen arasında karşılaştırmalı bir çalışma yapmışlardır. Bunun sonucunda sisteme beslenen hammadde başına dik vasli değirmenin özgül enerji tüketimi 14-18 kWh/t iken bilyalı değirmenin 20-26 kWh/t olduğunu saptamışlar ve bilyalı değirmen yerine dik valsli değirmen kullanılarak yaklaşık %30 enerji tasarrufunun yapılabileceğini belirtmişlerdir (Krishnan ve ark., 2012).
Renó ve arkadaşları (2013) enerji ile ilgili sistemlerin performans değerlendirmesinde güçlü bir araç olan ekserji analizini klinker üretimi için yapmıştır. Çalışmada çimento endüstrisindeki ana tersinmezlik kaynağının klinkerleşme sürecinin gerçekleştiği döner fırın ve kalsinasyon sürecinin olduğunu göstermişlerdir. Bu bağlamda mineralizerlerin ve özellikle indirgeme fosil yakıtları ve atık yönetimi problemleri için alternatif yakıtların kullanımının önemini vurgulamışlardır. Farklı oranlardaki yakıt karışımlarından oluşan mineralizerli ve mineralizersiz olmak üzere yapılan iki farklı durum çalışmasında en büyük tersinmezliğin kalsinatör ve döner fırın etrafında olduğunu belirlemişlerdir. Bu göre sırasıyla 1. durum çalışmasında 2157 kW/kg klinker, 2. durum çalışmasında 2208 kW/kg klinker toplam ekserji yıkımı olduğunu belirleyerek 1. durum çalışmasında %30, 2. durum çalışmasında %47 toplam ekserji yıkımının olduğunu hesaplamışlardır. Yapılan bu iki durum çalışmasına göre sadece 1. durum çalışmasında kullanılan mineralizerin daha iyileştirilmiş bir ekserji verimi sağladığını ispatlamışlardır (Renó ve ark., 2013).
Taheri ve arkadaşları (2014) çalışmalarında enerjinin yoğun olarak kullanıldığı üretim kademelerinden olan termal sprey süreç tekniklerini (APS, SPS, HVOF, HVSFS) irdeleyerek enerji ve ekserji analizi yöntemine göre kıyaslamışlardır. Kapsamlı bir değerlendirme için enerji verimliliği yanında ekserji verimini ve ekserji yıkımını da bir gösterge olarak sunmuşlardır. Bir üretim sürecinin enerji değerlendirmesinde ekserji analizinin faydalarını doğrulamışlardır. Ekserji analizini enerji sistemlerinin değerlendirilmesi için pratik bir yöntem olarak tanıtmışlardır. Üretim noktalarındaki enerji kaybı ve ısı geri kazanım potansiyellerini büyüterek ve aynı zamanda belirli bir amaç için öngörülen alternatif süreçleri karşılaştırmak için güçlü bir araç olarak enerji
45
optimizasyonunu öncelikli hale getirmek için ekserji analizinin kapsamlı bir bilgi sağladığını vurgulamışlardır. Aynı zamanda termal sprey tekniklerinin içinde bulunduğu bir süreç analizi yapmak için 1 ve 100 dm2 yüzey alanına sahip iki farklı alt tabakayı (substrat) 100 µm alümina ile kaplanması sırasında yaşanan ekserji yıkımlarını irdelemişlerdir. Buna göre kaplama yüzey alanı büyüdükçe ekserji yıkımı da aynı oranda arttığını tespit ederek iki farklı alt tabaka kaplama çalışmasında 100 dm2 yüzeyi kaplarken 1 dm2 yüzeyin kaplanmasına göre 100 kat artmış ekserji yıkım değeri olduğunu belirlemişlerdir (Taheri ve ark., 2014).
Shin ve arkadaşları (2015) doğal gaz sıvılarının geri kazanım sürecinin enerji verimini ve maliyet verimliliğini geliştirmek için tasarım temellerini oluşturmak amacıyla termodinamik analiz ve optimizasyon yöntemini uygulamışlardır. Bu çalışmada, doğal gaz sıvılarının geri kazanımı işleminde verimsiz tasarım veya ekipmanların neden olduğu tersinmezlikleri ve ekserji kayıplarını değerlendirmek için ekserji analizini bir termodinamik araç olarak kullanmışlardır. Doğalgaz sıvılarının süreçlerinin tasarımı ve optimizasyonu için ekserji analizinin kullanılmasının faydalarını göstermek ve önerilen tasarım yönteminin uygulanabilirliğini göstermek için örnek bir çalışma sunmuşlardır. Bu çalışmada 3 doğalgaz sıvısının süreçleri kolon kademe sayısı (tabla) ve besleme şartlarına göre önerilen optimizasyon yöntemleri kullanılarak optimize edilmiştir. Cılız besleme 10 ve 30 kademe kolon, bol besleme 10 ve 30 kademe kolon olmak üzere 4 farklı deneme yapmışlardır. Denemelere göre cılız besleme 10 kademe kolonda toplam 1534,4 kW, cılız besleme 30 kademe kolonda toplam 1309,4 kW, bol besleme 10 kademe kolonda toplam 2294,6 kW, bol besleme 30 kademe kolonda toplam 2077,94 kW ekserji kaybı sonuçlarını elde etmişlerdir. Buna göre kolon kademe sayısı arttıkça ekserji kaybı düşerken kolon maliyeti ve enerji giderlerinin buluştuğu optimum noktanın belirlenmesi gerektiği vurgulanmıştır. Ayrıca her cılız besleme denemelerinde bol besleme denemelerine göre daha düşük ekserji kaybının yaşanmasından ötürü bol besleme süreç adımları cılız besleme çalışmalarındaki gibi yüksek basınç ve sıcaklık şartları seçilerek iyileştirilmeye çalışılmıştır. Ancak kompresörde %10-12, genleşme tankında %14-31 oranında eksrji kaybı açısından bir iyileşme gözlemlenmesine rağmen besleme ısı değiştiricisi ve soğutma çevrimlerinde beslemeyi soğutma gereksinimleri mevcut duruma göre arttığından ekserji kaybında %18-23 oranında artış olmuştur (Shin ve ark., 2015).
Bu tez çalışmasında literatürde yer verilen çimento ve seramik fabrikalarındaki döner fırın sistemleri için yapılmış çalışmalara benzer bir yaklaşımla ETİ Alüminyum
46
A.Ş Alümina Fabrikası Kalsinasyon Bölümü‘nde döner fırın sistemine giren ve çıkan kütle, enerji, fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri incelenmiştir. Ayrıca enerji ve ekserji analizleri ETİ Alüminyum A.Ş Alümina Fabrikası Buharlaştırma (Evaporasyon) Bölümü için de yapılmıştır. Bunlara ek olarak Balomenos ve arkadaşları (2011)‘nın gerçekleştirmiş oldukları çalışmadaki gibi, ETİ Alüminyum A.Ş Alümina Fabrikası Otoklavlar Ünitesine giren boksit hamurunun katı ve sıvı fazının, boksit atığı kırmızı çamurun katı ve sıvı fazının enerji ve ekserji değerli detaylı olarak irdelenmiştir. Tez çalışması kapsamında enerji ve ekserji hesapları için kullanılan formüller Çengel ve Boles‘in (2008) ―Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik‖ isimli çalışmasından alınmıştır. Kömürün üst ısıl değerleri ile kimyasal ekserji verileri için ise literatürdeki çalışmaları baz alınmıştır (Bilgen ve Kaygusuz, 2008).
Bu tez çalışması ile birlikte ETİ Alüminyum A.Ş için enerji ve ekserji analizleri yerine getirilmiş olunacaktır. Çalışmada fabrikanın ilgili işletmelerinde enerjinin daha verimli kullanımına ve enerji tüketimini azaltmaya ışık tutacak bulgular sunulmuştur.
47