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An investigation for energy sustainability in cement industries in Tanzania
the case of Mbeya cement
John, John Pius
Für Zement-Produktionsprozesse stellen sich einige entscheidende Nachhaltigkeitsfragen, zum Beispiel in Zusammenhang mit ineffizientem Energie- und Rohmaterialeinsatz, Produktversorgung, Produktionskosten sowie sozialen und ökologischen Auswirkungen. Der hohe Energie- und Materialeinsatz bedingt durch Ineffizienzen in Produktionsprozessen von Zement führt wiederum zur Erschöpfung nicht-erneuerbarer Ressourcen, erhöhten Produktionskosten sowie Umweltschäden durch erhöhten Emissionsausstoß.
Hauptziel dieser Studie ist es, die Leistungsfähigkeit der Zementindustrie in Tansania in Relation zur nachhaltigen Energienutzung zu untersuchen. Die meisten bisherigen Analysen, bewerteten die Leistung von Zement-Produktionsprozessen in Tansania ausschließlich anhand des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik (Massen- und Energiebilanzen) mit dem Ziel, die Energieeffizienz zu steigern. Dieser Ansatz kann zwar Fragen der verbesserten Energienutzung in diesen Prozessen näher beleuchten, ist aber mit einigen Einschränkungen verbunden. Diese Einschränkungen ergeben sich aus der internen Irreversibilität aufgrund der Verbrennung und anderer physikalisch-chemischer Charakteristika von Reaktionen, die den gesamten Prozess dominieren. Mit dem Ansatz der Exergieanalyse lassen sich diese Einschränkungen, die dem ersten Hauptsatz inhärent sind, überwinden. Die Anwendung der Exergieanalyse auf Zement-Produktionsprozesse ist relativ neu. Aufgrund der Komplexität der Zementproduktion ist die manuelle Anwendung der Exergieanalyse sehr schwierig und komplex.
Diese Arbeit schlägt einen kombinierten Ansatz von Exergieanalyse und Modelierung und Simulation vor. Das Model wurde erfolgreich entwickelt und mit realen Anlagedaten validiert und im Anschluss dazu verwendet, um die Leistung der Produktionsprozesse von Mbeya Cement vorherzusagen.
Die durch Modellierung und Simulation gewonnenen Daten wurden weiterhin verwendet, um mit Hilfe der Exergieanalyse die Leistung von Prozessen, einzelnen Komponenten, Teilsystemen und des Drehofens als Ganzem zu bewerten. Dieser Ansatz vereinfacht nicht nur die Analyse, sondern gibt auch einen detaillierten Einblick in die realen Prozesse, die Quellen und Typen der realen Unvollkommenheiten, ihr Ausmaß und die Frage, wie diese Unvollkommenheiten minimiert werden können. Darüber hinaus können die vorgeschlagenen Maßnahmen für Verbesserungen leicht geprüft werden, um zu sehen, ob sie die Effizienz der Anlage wirklich zunimmt.
Die zentralen Ergebnisse der Arbeite weisen auf eine schwache exergetische Leistung der Teilsysteme des Drehofens und auch des gesamten Drehofen-Systems hin und zeigen dass Verbesserungspotential besteht. Die Gesamt-Exergieeffizienz des Ofensystems beträgt etwa 33 %. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass die Drehöfen mit 14 % den niedrigsten exergetischen Wirkungsgrad haben, gefolgt von den Klinkerkühler mit einem exergetischen Wirkungsgrad von etwa 41 %. Die höchste Quelle von Irreversibilität waren chemische Reaktionen, vor allem Klinkerbrennverfahren mit einer Exergievernichtung von etwa 1,148.17 kJ·kgcl-1. Die Ergebnisse einer Sensitivitätsanalyse legten nah, dass durch Maßnahmen zur Verbesserung der Prozesse, Komponenten und Teilsysteme erhebliche Mengen an Kraftstoff und spezifischer Energie eingespart werden können. Weiterhin wurde bestätigt, dass durch die Minimierung vermeidbarer Exergievernichtung die Leistung der Prozesse, Systemkomponenten und Subsystemen aus exergetischer Sicht verbessert werden können.
Cement production processes are facing crucial sustainability issues such as inefficient energy and raw material use, product supply, production cost and environmental pollution. High energy and material use dominated by inefficient characteristics of cement production processes, in turn, lead into depletion of non-renewable resources, increased production costs as well as environmental degradation due to emissions.
The main objective of the study was to investigate performance of cement industry in Tanzania relative to sustainable energy utilization. Most of past researches have evaluated the performance of cement production processes using first law of thermodynamics alone (mass and energy balances) with the objective of improving energy efficiency. Although this approach sheds light on the question of improvement of energy use in the processes, it has some limitations. The limitations are imposed by the internal irreversibility due to combustion and other physico-chemical nature of reactions dominating the whole processes. The current emerging approach, which overcomes limitations imposed to the first law approach is exergy-based method, relatively new in evaluation of performance of cement production processes. However, owing to complexity of cement production processes, applying an exergy-based method manually is very difficult and complex.
The current study proposes combined approach of exergy based method and modeling as well as simulation. The model was successfully developed, validated using real plant data and was used to predict the performance of the cement dry rotary kiln system of Mbeya Cement production processes. Data obtained from modeling and simulation were further used to evaluate the performance of processes, individual components, sub-systems and overall kiln system at large using exergy based method. The approach not only simplifies the analyses but also gives detailed insight of real processes, source and type of real imperfections, its magnitudes and how imperfections can be minimized.
Major findings indicated that the rotary kiln sub-systems and the overall kiln system have poor exergetic performance, suggesting that potential for improvement exists. The overall exergy efficiency of the kiln system is around 33 %. Also results indicated that the rotary kilns have the lowest exergetic efficiency of about 14 % followed by the clinker cooler with exergetic efficiency of about 41.11 %. The highest source of irreversibility encompassed chemical reactions, especially calcination and clinker burning processes with exergy destruction of 2,813.75 kJ·kgcl-1 and 1,148.17 kJ·kgcl-1. Results from parametric analysis suggested that if measures for improvements of processes, components and sub-systems are taken, a significant amount of fuel and specific energy could be saved. Furthermore, it was confirmed that if the avoidable exergy destruction is minimized, processes, system components and sub-systems performance could be improved from exergetic point of view.
