Start-up and scale-up of the thermally-driven air compressor

Waste heat recovery is a strategy aimed at reducing the energy consumption and the greenhouse gases emissions of process industry. This thesis studies an innovative system that produces compressed air recovering waste heat in energy-intensive industry, such as iron and steel industry: the Thermally-driven Air Compressor, namely ThermAComp. This technology is based on marine or automotive turbochargers where the air exiting the compressor is partially delivered to the compressed air user, while the remaining part is heated up in a heat exchanger to recover the sensible heat of hot gases and expanded in the turbine. Finally, the air at the exit of the turbine is used as oxidant in a combustion process. Specifically, a pilot plant installed in a steel mill in the North-East of Italy has been studied with particular attention to the start-up process of the turbocharger which is performed injecting high-pressure air upstream of the heat exchanger. The start-up has been simulated as a series of stationary points by means of a model built in Aspen Plus and based on the data provided by the manufacturers of the components. The software provides as results the positions of the control valves that guarantee a safe starting of the system following the ramp specified by the user. When the machine reaches the regime operation, it delivers approximately 0.15 kg/s of compressed air at 4 bar, corresponding to 436 normal cubic meters/hour at 20 °C and 101.3 kPa. Finally, this work reports a preliminary analysis of a full-scale plant which exports compressed air mainly at 8 bar, and it is fully integrated with a furnace that requires combustion air at 560 °C. The system is sized to be coupled with the furnace without changing its operation and with the existing recovery heat exchanger aimed at preheating the combustion air. Several configurations of turbomachinery and heat exchangers have been studied, and the results demonstrate that the optimal layout is a parallel configuration of the ThermAComp heat exchanger and the existing air preheater, with a single-stage turbocharger associated with an electrically-driven booster compressor or with a booster turbocharger to reach the target pressure. This configuration can produce up to 9000 normal cubic meters/hour of compressed air, with an electric power saving of 590 kW. On the contrary, the double-stage machine can produce up to 6800 normal cubic meters/hour of compressed air, with a similar overall energy saving, but it requires a larger heat transfer area, a greater cooling power and larger machines.

Il recupero di calore è una delle principali strategie volte a ridurre le emissioni di gas serra dell'industria di processo attraverso una riduzione dei consumi di energia. La presente tesi studia un innovativo sistema, denominato ThermAComp, per produrre aria compressa recuperando calore in settori industriali ad alta intensità energetica, come l'industria dell'acciaio. Questo sistema è basato su turbocompressori per la trazione marina o terrestre in cui l'aria in uscita dal compressore è in parte consegnata all'utenza di aria compressa, mentre la rimanente parte passa in uno scambiatore di calore per recuperare la potenza termica di un flusso di gas caldi ed espande nella turbina. Infine, l'aria calda scaricata dall'espansore può essere utilizzata come comburente in un processo di combustione. Nello specifico, è stato considerato un impianto pilota installato in un'acciaieria nel Nord-Est dell'Italia, con particolare attenzione al processo di avviamento realizzato con iniezione di aria compressa a monte dello scambiatore. L'avviamento è stato simulato come una sequenza di stati stazionari attraverso un modello dettagliato realizzato in Aspen Plus e basato sui dati messi a disposizione dai fornitori dei componenti. Il programma restituisce come risultati le aperture delle valvole che garantiscono un avviamento sicuro lungo una rampa specificata dall'utente. Raggiunto il punto di regime, la macchina consegna circa 0.15 kg/s d'aria compressa a 4 bar, corrispondenti a 436 metri cubi normali/ora a 20 °C e 101.3 kPa. Infine, è stata realizzata un'analisi preliminare su un impianto di larga scala che consegni l'aria compressa in massima parte a 8 bar, e che sia integrato con un forno che richiede aria comburente a 560 °C. Il sistema è dimensionato per integrarsi con il forno senza modificarne il funzionamento e con lo scambiatore a recupero preesistente per il preriscaldamento dell'aria comburente. Diverse configurazioni di scambiatori e turbomacchine sono state studiate, e i risultati hanno dimostrano che la disposizione ottimale è una configurazione in parallelo del recuperatore esistente e dello scambiatore del ThermAComp, con un turbocompressore monostadio associato ad un compressore elettrico di rilancio o ad un turbocompressore di rilancio per raggiungere la pressione richiesta. Questa configurazione può esportare fino a 9000 metri cubi normali/ora d'aria compressa, con un risparmio di potenza elettrica di circa 590 kW. Al contrario, la configurazione doppio stadio è in grado di consegnare fino a 6800 metri cubi normali/ora d'aria compressa, con un risparmio energetico simile, ma richiede una maggiore superficie di scambio termico, un maggior potere refrigerante, e macchine più grandi rispetto alla soluzione monostadio.