Increasing the energy efficiency of metallurgical production by using low-potential heat
DOI:
https://doi.org/10.34031/es.2025.3.04Keywords:
metallurgy, low-grade heat, organic Rankine cycle, secondary energy resources, energy conservation, phase diagram, thermodynamic model of the cycleAbstract
This article examines the pressing issue of increasing energy efficiency in metallurgical production by utilizing low-grade heat from waste energy resources. It is shown that, despite the widespread use of recuperative heat exchangers and waste heat boilers, a significant portion of thermal energy is lost in the exhaust flue gases, whose temperature after the main units often reaches 300–400°C. It is demonstrated that the organic Rankine cycle (ORC) is the most promising technology for efficiently converting this temperature potential into electrical energy. An analytical review of modern ORC solutions is provided, including an analysis of the thermodynamic characteristics of an organic working fluid cycle compared to a classical steam cycle. Based on a summary of international and domestic experience, real-world examples of ORC implementation in the metallurgical industry are analyzed, particularly for heat recovery from electric arc furnaces. Key equipment manufacturers are identified, and the economic efficiency of these projects is assessed. According to literature, the payback period for these projects can range from 3 to 6 years. It is noted that implementing such solutions will not only reduce specific fuel consumption and production costs, but also improve the energy security of enterprises by generating electricity for their own needs.
References
[ГОСТ Р 7.0.5–2008]
1. Федун Л., Сонин А. Перспективы развития мировой и российской энергетики: сценарии до 2050 года // Энергетическая политика. – 2022. – № 1(167). – С. 6-19.
EDN: DREUIL (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48137155).
DOI: https://doi.org/10.46920/2409-5516_2022_1167_6.
2. Мильман О.О., Перов В.Б. Теплоутилизационные установки на базе органического цикла Ренкина. – М.: ПАО «Мосэнерго», 2024. – 40 с. (Экология, энергетика, энергосбережение: бюллетень / под ред. акад. РАН А.В. Клименко; Вып. № 3/2024).
URL: https://www.mosenergo.ru/d/textpage/45/837/mosenergo_3_2024.pdf
3. Бирюков А.Б., Лебедев А.Н., Каминский К.Д. Методика определения температуры точки росы продуктов сгорания природного газа // Вестник ИГЭУ. – 2023. – № .6. – С. 43-49.
EDN: IDVGNG (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=57741924).
DOI: https://doi.org/10.17588/2072-2672.2023.6.043-049.
4. Киндра В.О. Низкоуглеродные тринарные энергетические комплексы // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2025. – № 2. – С. 65-80.
EDN: SIRKJE (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=80647921).
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002331025020055.
5. Тимофеев В.Н., Салахов И.Р. Утилизация тепловой энергии судовой энергетической установки на основе органического цикла Ренкина // Актуальные проблемы и перспективы развития системы отраслевого транспортного образования: Сб. статей VI Всеросс. научно-практ. конф. – Казань: ВГУВТ, 2024. – С. 123-129.
EDN: IQSUSD (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=68573544).
6. Карабарин Д.И. Совершенствование методики выбора рабочего тела и расширителя для установок органического цикла Ренкина // Вестник Московского энергетического института. – 2024. – № 6. – С. 83-91.
EDN: LEPZGS (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=75207713).
DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-6-83-91.
7. Organic Rankine Cycle (ORC) Market Size - By Power Output, By Application, Analysis, Share, Growth Forecast, 2025 – 2034 [Сайт]: Selbyville: Global Market Insights [December 2024]. URL: https://www.gminsights.com/industry-analysis/organic-rankine-cycle-market (дата обращения: 17.08.2025).
8. Карабарин Д.И., Михайленко С.А. Использование низкопотенциальных источников энергии на основе органического цикла Ренкина // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. – 2018. – Т. 11, № 7. – С. 867-876.
EDN: YPMTCP (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36528936).
DOI: https://doi.org/10.17516/1999-494X-0101.
9. Thermodynamic Modeling and Optimal Operating Conditions of Organic Rankine Cycles (ОRC) Independently of the Working Fluid / E. Saloux, M. Sorin, H. Nesreddine, A. Teyssedou // International Journal of Green Technology. – 2019. – Vol. 5(1). – P. 9-21.
DOI: https://doi.org/10.30634/2414-2077.2019.05.02.
10. Карабарин Д.И., Михайленко С.А. Особенности проектирования установок органического цикла Ренкина // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. – 2019. – Т. 12, № 6. – С. 733-745.
EDN: BRLSVE (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41105286).
DOI: https://doi.org/10.17516/1999-494X-0173.
11. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems / S. Quoilin , M. Van Den Broek, S. Declaye et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2013. – Vol. 22. – P. 168-186.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.01.028.
12. Karnaukh V.V., Mazur V.A. Tailored working fluid selection for Organic Rankine Cycle // Оборудование и технологии пищевых производств: Тематический сб. тр. – Донецк: ДонНУЭТ, 2016. – Вып. 33. – С. 42-51.
13. Крупин Д.Ф., Суворов Д.М. Общие вопросы использования установки на базе органического цикла Ренкина // Общество, наука, инновации (НПК2016): сб. статей; 2-е изд., испр. и доп. – Киров: ВГУ, 2016. – C. 1662-1665.
EDN: WXHUYX (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=27203792).
14. Ильичев, В.Ю., Ганков М.С. Анализ автоматизации выбора рабочих тел для органического цикла Ренкина с учетом современных тенденций // Вопросы науки. – 2025. – № 1. – С. 58-62.
EDN: STPWIU (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=80556023).
15. Trade-off working fluid selection for heat pumps / V.V. Karnaukh, V.A. Mazur, A.B. Biryukov, К.A. Rzhesik // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2019. – Vol. 791. – P. 012066.
DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/791/1/012066.
16. Комбинированные газопаровые установки с органическими рабочими телами для единой системы газоснабжения России / А.В. Лыков, Н.А. Забелин, В.А. Рассохин, А.М. Тюхтяев // Научно-технические ведомости Cанкт-Петербургского государственного политехнического университета. – 2014. – № 3(202). – C. 35-44.
EDN: SUFIFX (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22309773).
17. Тарасов С.А., Фомин В.А. Газотурбинная установка малой мощности с утилизацией теплоты в контуре с низкокипящим рабочим телом // Научно-технические ведомости Cанкт-Петербургского государственного политехнического университета. – 2017. – Т.23, № 1. – С. 61-68.
EDN: YMAIEV (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=29064227).
18. Овсянник А.В., Ключинский В.П. Выбор, расчет и термодинамический анализ турбоустановок на органическом цикле Ренкина // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. – 2022. – Т. 65, № 1. – C. 76-88.
EDN: NYAILV (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=47919193).
DOI: https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-76-88.
19. Модернизация котельного агрегата ПТВМ-30М путем глубокой утилизации теплоты дымовых газов/ А.Б. Бирюков, А.Н. Лебедев, С.А. Онищенко, A.В. Ибатуллина // Вестник Академии гражданской защиты. – 2020. – Вып. 2(22). – С.27-35.
20. Бисикало А.Д., Феррари Т. Цикл Ренкина для повышения энергоэффективности объектов нефтепереработки и нефтехимии // Neftegas.RU. – 2018. – №8. – C. 94-98.
21. Waste energy recovery and energy efficiency improvement in China’s iron and steel industry / Q. Zhang, X. Zhao, H. Lu et al. // Applied Energy. – 2017. – Vol. 191. – C. 502-520.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.01.072.
22. Паровые турбины малой и средней мощности производства КТЗ (Базовые) [Сайт]: Калуга: ОАО «КТЗ»: URL: https://www.paoktz.ru/customers/products/steam-turbine/ (дата обращения: 17.08.2025).
23. Экономическая эффективность утилизации низкопотенциальных вторичных энергетических ресурсов посредством установки турбины на низкокипящем рабочем теле / А.Л. Шубенко, Н.Ю. Бабак, М. И. Роговой, А. В. Сенецкий // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. –2010. – №6(76). – С. 18-26.
[References, APA (7th ed.)]
1. Fedun, L., & Sonin, A. A. (2022). Prospects of development of Global and Russian Energy: scenarios to 2050. Energy policy, 1(167), 6-19. https://doi.org/10.46920/2409-5516_2022_1167_6 [In Russian].
2. Milman, O. O., & Perov, V. B. (2024). Teploutilizatsionnye ustanovki na baze organicheskogo tsikla Renkina [Heat recovery plants based on the organic Rankine cycle]. PAO «Mose`nergo». https://www.mosenergo.ru/d/textpage/45/837/mosenergo_3_2024.pdf [In Russian]
3. Biryukov, A. B., Lebedev, A. N., & Kaminskiy, K. D. (2023). Method for determining the dew point temperature of natural gas combustion products. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta, 6, 43-49. https://doi.org/10.17588/2072-2672.2023.6.043-049. [In Russian]
4. Kindra, V. О. (2025). Low-carbon trinary energy complexes. Izvestiya Rossiyskoy academii nauk. Energetika, 2, 65-80. https://doi.org/10.31857/S0002331025020055 [In Russian].
5. Timofeev, V. N., & Salaxov, I. R. (2024). Utilizaciya teplovoj e`nergii sudovoj e`nergeticheskoj ustanovki na osnove organicheskogo cikla Renkina [Utilization of thermal energy from a ship's power plant based on the organic Rankine cycle]. In Proc. of Aktual`ny`e problemy` i perspektivy` razvitiya sistemy` otraslevogo transportnogo obrazovaniya (pp.123-129). VGUVT. [In Russian]
6. Karabarin, D. I. (2024). Improving the methodology for selecting the working fluid and expander for organic Rankine cycle units. Bulletin Of Moscow Power Engineering Institute, 6, 83-91. https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-6-83-91 [in Russian].
7. GMI. (2024, December). Organic Rankine Cycle (ORC) Market Size - By Power Output, By Application, Analysis, Share, Growth Forecast, 2025 – 2034. Global Market Insights. Retrieved August 17, 2025 from https://www.gminsights.com/industry-analysis/organic-rankine-cycle-market
8. Karabarin, D. I., & Mihailenko, S. A. (2018). The use of low-potential energy sources based on organic Rankine cycle. Journal of Siberian Federal University. engineering and Technologies, 11(7), 867-876. https://doi.org/10.17516/1999-494X-0101 [in Russian].
9. Saloux, E., Sorin, M., Nesreddine, H., & Teyssedou, A. (2019). Thermodynamic Modeling and Optimal Operating Conditions of Organic Rankine Cycles Independently of the Working Fluid. International Journal of Green Technology, 5(1), 9-21. https://doi.org/10.30634/2414-2077.2019.05.02
10. Karabarin, D. I., & Mihailenko, S. A. (2019). Features design of organic Rankine cycle. Journal of Siberian Federal University. engineering and Technologies, 12(6) 733-745. https://doi.org/10.17516/1999-494X-0173.
11. Quoilin, S., Van Den Broek, M., Declaye, S., Dewallef, P., & Lemort, V. (2013). Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 168-186. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.01.028.
12. Karnaukh, V. V., & Mazur, V. A. (2016). Tailored working fluid selection for Organic Rankine Cycle. In Oborudovanie i texnologii pishhevy`x proizvodstv: Temat. sb. trudov (Vol. 33, pp. 42-51). DonNUET [in Russian].
13. Krupin, D. F., & Suvorov, D. M. (2016). Obshhie voprosy` ispol`zovaniya ustanovki na baze organicheskogo cikla Renkina [General issues of using an organic Rankine cycle plant]. In Obshhestvo, nauka, innovacii (NPK2016): sb. statej. 2-e izd., ispr. i dop. (pp. 1662-1665). VGU. [in Russian]
14. Il`ichev, V. Yu., & Gankov, M. S. (2025). Analysis of automation of selection of working bodies for organic Rankine cycle taking into account current trends. Voprosy` nauki, 1, 58-62.
15. Karnaukh, V. V., Mazur, V. A., Biryukov, A. B., & Rzhesik, К. A. (2019). Trade-off working fluid selection for heat pumps. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 791, 012066. https://doi.org/10.1088/1757-899X/791/1/012066
16. Ly`kov, A. V., Zabelin, N. A., Rassoxin, V. A., & Tyuxtyaev, A. M. (2014). Combined-cycle plants with organic working fluids for unified gas supply system of Russia. Nauchno-texnicheskie vedomosti Cankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politexnicheskogo universiteta, 3(202), 35-44. [in Russian].
17. Tarasov, S. A., & Fomin, V. A. (2017). Gas-turbine installation of small capacity with heat utilization in a low boiling fluid circuit. Nauchno-texnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politexnicheskogo universita, 23 (1), 61-68. [in Russian].
18. Ovsyannik, A. V., & Klyuchinskij, V. P. (2022). Selection, calculation and thermodynamic analysis of turbine units based on the organic Rankine cycle. Energetika. proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations, 65 (1), 76-88. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-76-88
19. Biryukov, A. B., Lebedev, A. N., Onishhenko, S. A., & Ibatullina, A. V. (2020). Modernization of the PTVM-30M boiler unit by deep utilization of flue gas heat [Modernization of the PTVM-30M boiler unit by deep utilization of flue gas heat]. Vestnik Akademii grazhdanskoj zashhity`, 2(22), 27-35. [in Russian].
20. Bisikalo, A. D., & Ferrari, T. (2018). Rankine cycle for improving energy efficiency of oil refining and petrochemical facilities. Neftegas.RU, 8, 94-98. [in Russian].
21. Zhang, Q., Zhao, X., Lu, H., Ni, T., & Li, Y. (2017) Waste energy recovery and energy efficiency improvement in China’s iron and steel industry. Applied Energy, 191, 502-520. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.01.072
22. PJSC Kaluga Turbine Plant. (n.d.). Parovy`e turbiny` maloj i srednej moshhnosti proizvodstva KTZ (Bazovy`e) [Low and medium power steam turbines manufactured by KTZ (Basic)]. Retrieved August 17, 2025 from https://www.paoktz.ru/customers/products/steam-turbine/
23. Shubenko, A. L., Babak, N. Yu., Rogovoj, M. I., & Seneczkij, A. V. (2010). E`konomicheskaya e`ffektivnost` utilizacii nizkopotencial`ny`x vtorichny`x e`nergeticheskix resursov posredstvom ustanovki turbiny` na nizkokipyashhem rabochem tele [Economic efficiency of utilization of low-potential secondary energy resources by installing a turbine on a low-boiling working fluid]. E`nergosberezhenie. E`nergetika. E`nergoaudit, 6(76), 18-26. [in Russian].
Downloads
Published
Issue
Section
Categories
URN
License
Copyright (c) 2025 Бирюков Алексей Борисович, Лебедев Александр Николаевич, Карнаух Виктория Викторовна, Каминский Кирилл Дмитриевич
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
