Organic Rankine cycle for waste heat recovery in a cement plant. A case study

The cement industry is one of the largest sources of pollution in the world. The production process, in fact, requires significant amount of heat and high electricity consumption, used mainly to meet the energy requirements for the production of the clinker, the basic element of Portland cement. In order to increase production efficiency, which would not only save money but also benefit the environment, an organic Rankine cycle has been considered for the recovery of heat from the exhaust streams of a clinker production plant. By using mass and energy balances to the entire production process, the amount of heat currently wasted in the environment and to be used for electricity generation has been calculated. An energy analysis has been carried out on various organic fluids and Cyclopentane has been selected, since it is the one that best suits the present working conditions allowing to generate an electrical power of about 3.6 MW, that covers 40% of the current electricity consumption of production process. Subsequently, the exergy analysis carried out on the chosen fluid revealed the most critical components and therefore the highest efficiency losses. Finally, fluid machinery considerations have been made regarding the number of pump and turbine stages and the sizing of the heat exchangers present in the system. The latter considerations can provide a basis to carry out a more in-depth economic analysis in order to assess the payback time of the investment.

L’industria del cemento rappresenta una tra le più grandi fonti di inquinamento al mondo. Il processo produttivo, infatti, richiede un considerevole apporto di calore ed un elevato consumo elettrico, utilizzati soprattutto per far fronte al fabbisogno energetico della produzione del clinker, elemento di base del cemento Portland. Ai fini di una maggiore efficienza di produzione, che comporterebbe non solo un risparmio economico, ma anche un beneficio per l’ambiente, un ciclo Rankine con fluido organico è stato preso in considerazione per il recupero termico dai fumi di scarico di un impianto di produzione clinker. Con l’utilizzo di bilanci di massa ed energia estesi all’intero processo produttivo è stata calcolata la quantità di calore attualmente sprecata in ambiente e utile in vista di poter essere utilizzata per la generazione di energia elettrica. Un’analisi energetica è stata effettuata su diversi fluidi tra i quali è stato scelto il Ciclopentano, poiché è quello che meglio si adatta alle condizioni di lavoro presenti permettendo di generare una potenza elettrica di circa 3.6 MW, che copre il 40% del consumo elettrico attuale del processo produttivo. Successivamente l’analisi exergetica effettuata sul fluido scelto ha rivelato i componenti più critici e che comportano dunque le maggiori perdite di efficienza. Infine, sono state effettuate considerazioni macchinistiche riguardo al numero di stadi di pompa e turbina e al dimensionamento degli scambiatori di calore presenti nel sistema. Queste ultime considerazioni possono fornire una base sulla quale iniziare uno studio più approfondito di analisi economica al fine di individuare il tempo di pay-back per l’investimento.