Ekserji Analizinde Uygulanacak Yöntem

3.3. Ekserji Analizinde Uygulanacak Yöntem

İlk olarak belirtilen bölümlerde uygun çalışma sistemini belirlenmiştir. Bu bölümlerde devamlı bir kütle girişi olduğu için sürekli akışlı açık bir sistem olarak kabul edilmiştir. Sisteme enerji girişi yalnızca kütle ve elektrik ile olmaktadır. Sisteme dışarından bir ısı girişi olmadığı kabul edilip sistemin kinetik ve potansiyel enerji değişimi ihmal edilmiştir. Ayrıca, bağlantı elemanlarındaki kayıplar da ihmal edilmiştir. Bölümlerde yapılan enerji ve ekserji analizini detaylandırırsak:

Otoklavlar ve Kırmızı Çamur Bölüm‘ünde, otoklavlar ünitesinde ısıtma ve tepkimenin gerçekleştiği bölge mercek altına alınarak, sisteme giren ve çıkan kütle, enerji, fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri mevcut durumdaki işletme verileri kullanılarak hesaplanmıştır. Enerji ve ekserji verim değerleri bulunduktan sonra, bu bölümde yapılan direkt ısıtma işlemini endirekt ısıtma işlemine dönüştürecek gerekli süreç adımlarının atılması sonucunda ortaya çıkacak yeni sisteminde giren ve çıkan kütle, enerji, fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri tekrar hesaplanıp, enerji ve ekserji verimlerindeki artış sayesinde yapılan enerji tasarrufu ortaya konulacaktır. Otoklavlar ve Kırmızı Çamur Bölümü akım şeması Şekil 3.7‘de görülmektedir.

Otoklavlar ve Kırmızı Çamur Bölümü‘nde, Hammadde Hazırlama, Kırma ve Yaş Öğütme Bölümü‘nden gelen boksit hamuru önce ikincil (sekonder) buharla ön

62

ısıtma işlemine tabi tutulur. Daha sonra taze kızgın buharla yüksek sıcaklık ve basınç altında otoklavların içerisinde tepkimeye tabi tutulur. Bu sayede katı fazdaki alümina (Al2O3) sıvı faza alınır ve geriye kalan kostikli kırmızı çamur atığı ters akım yıkama prensibiyle çalışan çöktürücü ve yıkayıcı tikinerlerden geçirilerek atık depolama barajına gönderilir. Sıvı faz ise dikey basınçlı filtre ile iyice berraklaştırıldıktan sonra Dekompozisyon, Kristalizasyon ve Hidrat Filtrasyon Bölümü‘ne gönderilir.

ġekil 3.7. Otoklavlar ve Kırmızı Çamur Bölümü akım şeması (Demir, 2015)

Buharlaştırma (Evaporasyon) Bölümü‘nde, Dekompozisyon, Kristalizasyon ve Hidrat Filtrasyon Bölümü‘nden çıkan zayıf kostik çözeltisi, içerisinden belirli bir miktar su uçurularak kuvvetli kostik çözeltisine dönüştürülür. Yükselen film teknolojisi ile çalışan bu ünitede buharla ısıtma yapılır ve vakum altında çözeltiden su Şekil 3.8‘de akım şeması verilen sistemde buharlaştırılır.

63

ġekil 3.8. Buharlaştırma (Evaporasyon) Bölümü akım şeması (Demir, 2015)

Kalsinasyon Bölümü‘nde ise kullanılan teknolojide değişiklik yapılacaktır. Bunun için mevcut döner fırın ve soğutucusuna giren ve çıkan kütle, enerji, fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri bulunacak ve enerji kaybı; enerji ve ekserji verimleri hesaplanacaktır. Döner fırın sistemine dışarından bir ısı girişi yoktur. Ancak soğutma bölümüne çok yüksek bir enerji girişi olduğu için bu durum hesaplamalara dâhil edilecektir. Döner fırın ve soğutucusu, dolaşımlı akışkan yataklı kalsinasyon sistemi ile değiştirildiği zaman, bu yeni sisteme giren ve çıkan kütle, enerji, fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri belirlenecek ve net olarak elde edilecek enerji tasarrufu ve ekserji verimindeki artış gözlenecektir. Kalsinasyon Bölümü Şekil 3.9‘da gösterilmiştir.

Kalsinasyon Bölümü‘nde, Dekompozisyon, Kristalizasyon ve Hidrat Filtrasyon Bölümü‘nden gelen hidratın (alüminyum tri hidroksit, Al(OH)3 veya Al2O3.3H2O ) 950- 1000 °C sıcaklık altında önce fiziksel sonrada kimyasal neminin (suyu) uzaklaştırılması sonucunda alfa (alpha) ve gama (gamma) fazlarına sahip alümina (Al2O3) elde edilir.

64

ġekil 3.9. Döner fırın kalsinasyon sistemi akım şeması (Demir, 2015)

Mevcut döner fırınların yerine Şekil 3.10‘da çalışma prensibi verilen sirkülasyonlu akışkan yataklı fırının tercih edilme sebebi hem birim ürün başına daha düşük yakıt tüketimi ile tasarruf yapmak hem de Hall-Héroult sürecinin ihtiyacı olan daha kaliteli alüminayı üretmek içindir.

ġekil 3.10. Sirkülasyonlu akışkan yataklı fırının çalışma prensibi (Perander ve ark., 2013)

Sirkülasyonlu akışkan yataklı fırındaki alümina kalsinasyon sisteminde iki kademe ön ısıtma sistemi kullanılmaktadır. Bu süreç aşamasında oluşan baca gazlarının atık ısısı fırına beslenen alüminyum hidroksitin fiziksel neminin uzaklaştırılması ve ön ısıtılmasında kullanılır. İlerleyen süreç kademesinde alüminyum hidroksitin alümina dönüştüğü yer olan akışkan yataklı reaktöre yakıt doğrudan beslenmektedir. Elde edilen

65

yüksek sıcaklıktaki alüminanın enerjisi fırına beslenen yanma havasının ısıtılmasında kullanmak için siklonlar ve akışkan yataklı soğutucudan oluşan çift kademe soğutma sistemi vasıtasıyla geri kazanılmış olur. Alümina kalsinasyon sürecinin toplam enerji tüketimi sirkülasyonlu akışkan yataklı kalsinasyon fırını sayesinde 2,8 GJ/t Al2O3 olmaktadır. Ayrıca bu tip fırına ait kütle ve enerji giriş ve çıkış değerleri mercek altına alınarak söylenen oranda enerji tüketiminin gerçekleşeceği teyit edilmiştir. Aşağıda Şekil 3.11‘de sirkülasyonlu akışkan yataklı kalsinasyon fırın sistemine ait akım şemasında sisteme giren ve çıkan materyaller gösterilmiştir.

ġekil 3.11. Sirkülasyonlu akışkan yataklı kalsinasyon sistemi akım şeması (Perander ve ark., 2013)

Buhar Kazanında, Otoklavlar ve Kırmızı Çamur Bölümünde, Buharlaştırma Bölümünde, ortam ısıtmada ve kazanın kendi iç tüketimini karşılamak amacıyla 120 ton/h kapasite ile 46 bar 440 °C kızgın buhar üretilmektedir. Bu ünitede yakıt olarak yerli kömür olan ortalama 1279 kcal/kg alt ısıl değere sahip Bayavşar kömürü kullanılmaktadır. Mevcut üretim sürecinin buharsız kalmaması için kömür besleme sisteminde yaşanacak bir sıkıntıda bu ünitenin doğalgaz ile buhar üretimine devam edebilme özelliği bulunmaktadır. Buhar kazanının termal verimi % 89 civarındadır ve 1 ton buhar üretimi için yaklaşık 0,61 ton kömür tüketimi söz konusudur. Üretilen buharın büyük bir kısmı alümina üretim sürecinde kullanılmaktadır. Bu sebeple gönderilen

66

buharın kondesatı geri alınamamakta ve sürekli taze besi suyu kullanımı vardır. Aşağıda Şekil 3.12‘de buhar üretimi ve dağıtımına ilişkin tüm detaylar blok diyagramda verilmiştir.

ġekil 3.12. Buhar üretimi ve dağıtımına ilişkin blok akış diyagramı

Ayrıca, buhar kazanına ilişkin proses akım şeması detaylı olarak aşağıda Şekil 3.13‘te detaylı olarak verilmiştir.

67

ġekil 3.13. Buhar üretim süreci akış şeması

Birincil alüminyum, Hall-Héroult Prosesi sayesinde alüminanın alüminyum elektroliz hücrelerinde yüksek akım (100-400 kA) altındaki 960-970 °C sıcaklıkta elektrolit adı verilen kriyolit (Na3AlF6) ergimiş tuz eriği içinde çözünmesi, ayrışması ve indirgenmesi sonucu yüksüzleşen alüminyum metalinin tabanda birikmesi ile elde edilmektedir.

Alüminyum, 'hücre' olarak adlandırılan elektrolitik sistemlerde alüminanın (Al2O3) elektroliz yoluyla metalik alüminyuma indirgenmesi sonucunda elde edilir. Hücreler elektriksel olarak birbirine seri bağlanarak ―elektroliz serilerini‖ bu serilerde bir araya gelerek ―elektrolizhaneleri‖ meydana getirirler (Yıldırım, 2012). Yeni yapılan yatırımla Eti Alüminyum A.Ş. 60.000 t/yıl sıvı alüminyum üretim kapasitesine sahip Soderberg anotlu hücrelerden oluşan elektrolizhanelerin yerine 94 hücreden oluşan ve

68

toplam alüminyum üretim kapasitesi 75.000 t/yıl olan modern Prebaked anotlu hücrelerin kurulumunu gerçekleştirmiştir. Aşağıda sırasıyla Şekil 3.14‘te Soderberg anotlu hücre ve Şekil 3.5‘te verilen Prebaked anotlu hücreye kütle ve enerji giriş ve çıkışları mercek altına alınarak birincil alüminyum üretiminin ekserji analizi yapılmıştır.

ġekil 3.14. Soderberg (kendi kendine pişen) anotlu hücre (Yıldırım, 2012)

69