Akışkan yatak gazlaştırıcılar

Akışkan yatak teknolojisi gazlaştırma işleminde kullanılan en yaygın teknolojilerden biridir. Akışkan yatak, reaktör içinde belirli bir yükseklikteki katı tanecikler (yatak malzemesi) içinden gazlaştırma ajanı geçirilerek oluşturulmaktadır. Burada gazlaştırma ajanı hızının yatak içerisinde akışkanlaşmayı sağlayacak mertebede olması gerekmektedir. Akışkan yatak teknolojisinin biyokütle gazlaştırmada daha üstün olduğu kanıtlanmıştır. Akışkan yatak gazlaştırıcılardaki katran üretimi aşağı akışlı gazlaştırıcılardaki katran üretimi (1 g/Nm3) ile yukarı akışlı gazlaştırıcılardaki katran üretimi (50 g/Nm3) arasında (10 g/Nm3) bir değer almaktadır [12].

Akışkan yatak gazlaştırma, yüksek dönüşüm yatkınlığı, gelişmiş ısı ve kütle transferi, kayda değer ölçüde karışım, yüksek ısıl değer, yakıt besleme esnekliği ve ölçeklenebilirliği gibi artılarından dolayı en umut verici biyokütle gazlaştırma işlemidir [13–15]. Çizelge 2.1’de akışkan yatak ve sabit yatak gazlaştırıcıların güçlü ve zayıf yönleri karşılaştırılmaktadır [6].

Kabarcıklı akışkan yatak ve dolaşımlı akışkan yatak olmak üzere iki farklı akışkan yatak türü vardır. Kabarcıklı akışkan yatak gazlaştırıcılar (KAYG) ticari olarak en eski akışkan yatak uygulamasıdır ve uzun yıllardan beri kömür ve biyokütle gazlaştırma işleminde kullanılmaktadır. Farklı tasarımlarda oldukça fazla sayıda KAYG geliştirilmiştir ve bunlar günümüzde kullanılmaktadır [16, 17]. KAYG’ler özellikle orta ölçekli uygulamalarda daha elverişli olduğu için birçok biyokütle gazlaştırıcı kabarcıklı akışkan yatak düzeninde çalışmaktadır. Çalışma koşullarına bağlı olarak kabarcıklı yatak gazlaştırıcılar yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. Bu gazlaştırıcılar ayrıca, hem atmosferik basınçta hem de yüksek basınçta çalışabilmektedir. En yaygın olarak kullanılan akışkan yatakta 10 mm’den

8

daha küçük olan biyokütle, sıcak yatak malzemesine beslenir. Bu yatak malzemesi gazlaştırma ajanına (hava, buhar, oksijen veya karbon dioksit) bağlı olarak akışkanlaştırılır. Reaktör içerisinde üretilen kül kolay bir şekilde yatağın alt kısmından boşaltılır. Yatak sıcaklığı, külün ergimesini önlemek amacıyla genellikle kömür gazlaştırma için 980 C’nin altında tutulurken, biyokütle gazlaştırma işleminde 900 C’nin altında tutulmaktadır [6].

Çizelge 2.1 : Farklı gazlaştırıcıların güçlü ve zayıf yönlerinin karşılaştırılması [6]. Gazlaştırıcı Türü Güçlü/Zayıf Yönleri Güç Üretimi

Sabit yatak

Aşağı akışlı ^{Düşük ısıl değer, makul toz} _{miktarı, düşük tar.}

Küçük ölçek (10 kWth-10 MWth) Yukarı akışlı ^{Yüksek ısıl değer, makul toz}

miktarı, yüksek tar.

Çapraz akışlı ^{Düşük ısıl değer, makul toz} _miktarı.

Akışkan yatak Kabarcıklı

Sabit yatağa göre daha fazla üretim, yakıttan daha iyi kütle ve ısı transferi, daha yüksek ısıl değer, daha yüksek verim.

Orta ölçek (5-100 MWth)

Kabarcıklı akışkan yatak gazlaştırma reaktörü, altı dağıtıcı plaka, üstü ise siklon geçişi ile kapalı olan düşey bir boru içerisinde, akışkanlaşmayı sağlayan yatak malzemesi, gazlaştırma ajanı ve yakıtın termo-kimyasal dönüşüm reaksiyonlarının gerçekleştiği bir hacimden oluşmaktadır (Şekil 2.3). Gazlaştırma reaktöründe yatak malzemesi önceden reaktöre yüklenmiş haldeyken, yakıt yatak üstüne düşecek şekilde reaktöre beslenmekte; gazlaştırma ajanı ise dağıtıcı plakanın altındaki bir giriş yolu ile reaktör içerisine gönderilmektedir. Reaktör içerisinde, yakıt ile gazlaştırma ajanı arasında meydana gelen termo-kimyasal reaksiyonlar sonucu ortaya çıkan ürün gazı, reaktörün üst kısmından siklon içine girmektedir. Siklonda, gazın içerisinde bulunan katı parçacıklar ayrıştırılarak toplanmaktadır. Siklon içinde katı parçalarından ayrıştırılan ürün gazı, siklonun dalma borusundan dışarı iletilmektedir. Buna paralel olarak, dönüşüm reaksiyonları tamamlanmamış ve hali hazırda içerisinde karbon bulunan büyük tanecikler yatak üzerindeki kuvvetlerin dengesine bağlı olarak alt kısımlara düşerek yatak içindeki akışkanlaşma hareketine (hidrodinamik mekanizmaya) ve reaksiyonlara katılmaktadır.

9

Şekil 2.3 : Kabarcıklı akışkan yatak gazlaştırıcı [18].

Dolaşımlı akışkan yatak gazlaştırıcı (DAYG), sağladığı uzun gaz kalış süresi nedeniyle biyokütle gazlaştırma için dikkat çeken diğer bir akışkan yatak gazlaştırma teknolojisidir. Bu gazlaştırıcılar özellikle yüksek uçucu içeriğine sahip biyokütleler için uygundur. Dolaşımlı akışkan yatakta akışkanlaşma hızı kabarcıklı akışkan yatağa göre daha yüksektir. Kabarcıklı akışkan yatak ile dolaşımlı akışkan yatak sistemleri hidrodinamik açıdan birbirlerinden tamamen farklıdır. Şekil 2.4’de bir DAYG gösterilmektedir. Burada yakıt KAYG’de olduğu gibi akışkanlaşmış yatak içerisine beslenir. Akışkan hızı çok yüksek olduğu için bir miktar katı taneciği reaktör dışına doğru sürüklenir. Daha sonra bu tanecikler siklondan geçirilerek gaz akımından ayrılır ve reaktör içerisine tekrar beslenir. Böylece karbon dönüşümü iyileştirilmiş olur.

10 2.1.3 Sürüklemeli akış gazlaştırıcılar

Bir sürüklemeli akış gazlaştırıcıda yakıt (0.1-1 mm tanecikler) ve gazlaştırma ajanı eş akışlı olacak şekilde birlikte beslenir (Şekil 2.5). Bu gazlaştırıcılarda yüksek sıcaklık (1300-1500 ºC) ve basınç (25-30 bar) söz konusudur ve sulu çamur veya kuru yakıtlar ham madde olarak kullanılabilmektedir. Basınçlandırılmış toz katı yakıtlar genellikle pnömatik sistemler kullanılarak reaktöre beslenirken, sulu çamur ise atomize edilir ve toz haline getirilmiş katı yakıt şeklinde reaktöre beslenir. Yakıt olarak küçük biyokütle taneciklerinin kullanıldığı durumda genellikle biyokütlenin yığın yoğunluğunu ve nemini azaltmak için kavurma esaslı bir ön işlem uygulanmaktadır [20–22]. Sürüklemeli akış gazlaştırıcıların, yakıt esnekliği, eş dağılımlı sıcaklık, yüksek karbon dönüşümü ve çok düşük katran oluşumu gibi pek çok üstün yönleri bulunmaktadır. Bununla birlikte, soğuk gaz veriminin düşük olması ve tesis kurulum, onarım ve sistem bileşenleri maliyetlerinin yüksek olması bu gazlaştırıcıların en önemli olumsuz yönleridir.

11 2.2 Deneysel Çalışmalar

Literatürde biyokütlenin bir kabarcıklı akışkan yatak reaktöründe gazlaştırılması ile ilgili yapılmış pek çok deneysel çalışma yer almaktadır. Bunlar, ya laboratuvar ölçeğinde ya da pilot ölçekteki bir KAYG esas alınarak gerçekleştirilmiş çalışmalardır. Bu çalışmalarda genel itibariyle, eşdeğerlik oranı (EO), buhar/biyokütle (B/Y) oranı gazlaştırma sıcaklığı ve yakıtın nem içeriği gibi çalışma parametrelerinin ürün gazı bileşimi, ürün gazının alt veya üst ısıl değeri (AID veya ÜID), soğuk gaz verimi (SGV), karbon dönüşüm verimi, ürün gazı üretim miktarı ve katran oluşumu üzerindeki etkileri incelenmektedir.