廃熱回収：廃熱をセメントや鉄鋼の脱炭素化に利用

セメント産業と鉄鋼産業は脱炭素化が難しいことで知られていますが、その生産工場は廃熱という解決策を生み出しています。 シーメンス・エナジー社のトビアス・パンセ氏が説明する。

セメント生産ほど多くの CO2 を発生する工業プロセスはほとんどありません。

石灰石を粉砕、燃焼、粉砕し、世界で最も普及している建築材料である粉末になるまで、膨大なエネルギーを使用します。 このプロセスの中核には予熱器とロータリーキルンがあり、粉砕した石灰石と粘土を 1,300°C 以上の温度で処理します。

これは多量の熱です…しかし、多くのセメント工場では、その多くは依然として排ガスや表面放散によって、投入される熱量の 40% ～ 45% に達します。ここで廃熱回収 (WHR) が登場します。キルンや工場の他のエリアの廃熱を再利用することで、工場の電力要件の最大 3 分の 1 を賄うことができます。

産業界では、電力またはプロセス蒸気の生成、暖房および冷房、地域暖房など、廃熱回収の多くの用途があります。 しかし、セメント、鉄鋼、石油化学などの衰退が難しい業界においては、間違いなく最大の可能性を秘めています。

しかし依然として、世界中の多くのセメント工場は、エネルギー効率と収益性を維持しながら脱炭素化する必要があるにもかかわらず、このエネルギー効率の高い方法を利用して排出量を削減していません。

この記事は、シーメンス エナジーの専門家が脱炭素化エネルギー システムにどのように移行できるかについての洞察を共有する「将来のエネルギーの展望」シリーズの一部です。

セメント産業は仕事を削減されています。セメント産業は産業用エネルギーの第 3 位の消費国であり、世界の産業用 CO2 排出量の約 7% を占めています。

二酸化炭素排出量の削減は進んでいますが、中間排出目標を達成し、エネルギー転換を成功させるためには、より積極的な行動が必要となります。 また、WHR はセメント産業における CO2 排出量を削減する唯一のツールではありませんが、二酸化炭素回収も別の選択肢です。これは最も早く効果が見込める対策の 1 つです。

2021年、世界セメント・コンクリート協会（GCCA）は、2050年までに炭素排出実質ゼロを達成するための正式なロードマップを発表した。

このロードマップでは、2030 年までに温室効果ガス排出量を 25% 削減するという中間目標が設定されており、これには今後 2 ～ 3 年間で生産者による積極的な行動が必要となります。

一般に、セメント工場で廃熱を捕捉するのに最適な場所は、予熱塔とクリンカークーラーからの煙道と廃ガスの流れです。 ただし、すべてに適合する万能のソリューションはありません。他の削減が難しい業界と同様に、すべてのセメント工場で WHR ソリューションをカスタマイズする必要があります。 これは、廃熱回収は、廃熱の温度、組成、キルンの能力、原料の水分含有量などのさまざまな要因に依存するためです。

したがって、ソリューションを実装する前に詳細な分析が必要です。

セメント、鉄鋼、石油化学プラント向けに WHR から発電する最も効率的な方法を決定するために、シーメンス エナジーは、さまざまな技術的オプションを検討するいくつかの研究を実施しました。

それらはすべて同様のセットアップを使用しています。液体が入ったボイラーで構成されており、液体は廃熱によって加熱され、高温の蒸気が生成され、蒸気タービンが駆動されます。 その後、蒸気は凝縮器に流れて冷却され、その後再びボイラーに送られます。

これらのオプションの主な違いは、使用される媒体です。 当社のテストでは、高温と高出力を備えた過熱蒸気サイクルの従来の方法が、セメントや製鉄所のほとんどの用途に最適であることを示しています。

しかし、代替案を無視すべきではありません。 たとえば、有機液体を使用する有機ランキン サイクル (ORC) を使用する設備も増えています。 その主な利点は、低温での効率が高く、水を必要としないことです。