TEKNOFEST
HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ
ÇEVRE VE ENERJİ TEKNOLOJİLERİ YARIŞMASI PROJE DETAY RAPORU
PROJE ADI: ATIKTAN TÜRETİLMİŞ
YAKITLARIN(ATY/RDF) ALTERNATİF ENERJİ KAYNAĞI OLARAK DEĞERLENDİRİLMESİ
TAKIM ADI: ZEROWASTE TAKIM ID: T3-21069-162
TAKIM SEVİYESİ: Üniversite-Mezun
DANIŞMAN ADI: Doç. Dr. Atakan ÖNGEN
İÇİNDEKİLER
Sayfa No
İÇİNDEKİLER...2
1. Proje Özeti(Proje Tanımı) ...3
2. Problem/Sorun...3
3. Çözüm ...4
4. Yöntem...4
5. Yenilikçi(İnovatif) Yönü ...6
6. Uygulanabilirlik...6
7. Tahmini Maliyet ve Proje Zaman Planlaması ...7
8. Proje Fikrinin Hedef Kitlesi(Kullanıcılar)...7
9. Riskler ...7
10. Proje Ekibi ...8
11. Kaynaklar ...8
12. Ekler ...9
12.1.Şekil 1- Reaktör Düzeneği ...9
12.2.Tablo 1- Atık Karakterizasyonu Karşılaştırılması ...9
12.3.Şekil 2- Deney Düzeneğinin Şematik Gösterimi ...9
12.4.Tablo 2- Deney Kodları Açıklaması ...9
12.5.Şekil 3- Maksimum Kalorifik Değerler ...9
12.6.Şekil 4-700 ̊C, 0,05 L/dk ’e Ait Gaz Analiz Değerleri Grafiği ...9
12.7. Şekil 5- Isıl Değerin Hacimsel CH4Yüzdesine Bağlı Değişimi ...10
12.8. Şekil 6-Isıl Değerin Hacimsel CH4Yüzdesine Bağlı Değişimi ...10
elde etmektir. Gazlaştırma teknolojisinde atıklara herhangi bir ön proses uygulamadan reaktörde gazlaştırılarak hem atıklar bertaraf edilirken hem de açığa çıkan enerji elektrik ve ısı üretiminde kullanılabilir. Bu amaçla laboratuvarda (RDF/AYT) (Atıktan Türetilmiş Yakıt) gazlaştırma çalışmaları yapılmıştır.
Atıktan türetilmiş yakıt(RDF/ATY) evsel ve endüstriyel kaynaklı atıklardan oluşan organik - inorganik materyallerden türetilir. Sürdürülebilirliğin sağlanması adına atık/artıklardan enerji eldesi için değerlendirilmesi gerekir. Bunun için alternatif prosesler geliştirmek gerekmektedir. Bu alternatif proseslerden bir tanesi de gazlaştırmadır. Bu proseste atıklardan maksimum enerji verimi elde edebilmek için deneysel çalışmalar yapılmalıdır. Evsel veya endüstriyel kaynaklı kalorifik değeri olan işlenmiş atıklar(RDF/ATY) laboratuvar şartlarında kül, nem, kuru madde, ısıl değeri ve karbon içeriği yapılan analizlerle belirlenmiş olup bu doğrultuda RDF/ATY’den elde edilecek enerji üretiminin derecesine dair spesifik tahminlerde bulunulmuştur. Bu süreçten sonra gazlaştırma reaktöründe RDF/ATY’nin analizi sonucu alınabilecek en verimli sonuçlar için optimum sıcaklık, kuru hava veya oksijen debisi, RDF/ATY miktarı, belirlenmiş ve alınan sonuçlar değerlendirilmiştir.Gazlaştırma işlemi sırasında sıvılaştırıcı olarak buhar ve oksijenin eklenmesi, düşük katran içeriği ve yüksek karbon dönüşümünün elde edilmesini mümkün kılmaktadır. Çalışmada, termokimyasal prosesler uygulanarak, seçilen yakıtlarda (RDF/ATY) hem atık minimizasyonu hem de enerji geri kazanımına yönelik denemeler yapılmıştır.
Gazlaştırma deneylerini gerçekleştirebilmek amacıyla, paslanmaz çelikten sabit yataklı bir reaktör kullanılmıştır. Çalışmada, termokimyasal prosesler uygulanarak, seçilen yakıtlarda (RDF/ATY) hem atık minimizasyonu hem de enerji geri kazanımına yönelik denemeler yapılmıştır. Gazlaştırma ajanları olarak farklı debilerde kuru hava ve %99,5 saflıkta oksijen gazı ile sabit yataklı reaktörde çalışmalar yürütülmüştür. (12.Ekler-12.1.Şekil 1-Reaktör Düzeneği)
2. Problem/Sorun:
Her geçen gün hızla artan nüfus ve değişen yaşam standartlarına bağlı olarak üretilen atığın miktarı artmakta ve buna bağlı olarak atığın yönetilmesi ve kontrolü zorlaşmaktadır. Katı atıkların artması ile oluşturduğu çevresel kirlilik risklerini arttırmakta, bu risklere bağlı olarak doğal kaynakların azalması ekonomide problemler yaratmaktadır. Atıktan enerji kazanım süreci doğal kaynakların korunmasını sağlasa da yönetimi doğru bir şekilde gerçekleştirilmediği takdirde önemli çevresel sorunlara yol açar.
RDF, yüksek nem ve uçucu içerik ve gözenekli kırılgan bir yapı ile karakterizedir. RDF'deki yüksek miktarda kül ve uçucu madde, termal çıktıda bir düşüş sağlayabilir, yüksek kül klinker oluşturabilir, katran ve CO2 emisyonunu artırabilir, böylece endüstriyel ölçekte temiz sentezleme jenerasyonu için çalışabilirliği etkileyebilir.
3. Çözüm
Artan üretim ihtiyacı ile birlikte katı atık miktarındaki artış çevresel kirlilik risklerini artırırken ihtiyaç duyulan hammadde miktarını da artırmaktadır. Atıkların geri dönüştürülemez olduğu durumda; yakma, gazlaştırma, piroliz ve düzenli depolama sahası gazı elde edilmesi prosesleriyle ısıya, elektriğe veya yakıta dönüştürülmesi sonucu atıklardan enerji geri kazanımı uygulanabilir.
Gazlaştırma işlemi, uygulamalarda çeşitli tesislere oranla nispeten iyi kurulmuş bir teknolojidir. Yakma ile kıyaslandığında atık bertarafı için çevre dostu olup sentetik gaz temizlendiği için NOx ve SOx gibi kirleticilerin salım miktarları daha azdır. Gazlaştırma prosesi sonucunda elde edilen char yani aktif karbonu atıksu arıtma tesislerinde veya baca gazı arıtımında kullanırken yakma prosesinde ortaya çıkan kül ve cüruf ise depolama sahalarına götürülür. Bu da gazlaştırma prosesinin sıfır atık teknolojisi yani gerçekleşen temiz üretimin göstergesidir. Oluşan bu gaz; gaz motorları ve türbinlerinde, elektrik üretiminde veya içten yanmalı motorlarda katı biyokütlenin gazlaştırılma prosesi sayesinde enerji kaynağı olarak kullanılmasının yanı sıra ayrıca sentetik gazın yüksek sıcaklıklarda yanması, enerjinin elektrik enerjisine dönüşümü sırasında yüksek verimde sağlamaktadır. Sentez gazlar, kojenerasyon tesislerinde buhar türbinleri ile elde edilen verimlerden daha yüksek bir verimde gaz türbinleri veya motorlarında da yanabilmektedir.
Geri dönüştürülebilen malzemelerin ayrıştırılmasıyla daha iyi kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip RDF üretilebilir, bu da malzemenin geri kazanım süreci nedeniyle gazlaştırma işleminde kullanılması gereken RDF ürün yelpazesinde daha yüksek performanselde edilmesini sağlar. Geri kazanılan atık depolama atıkları, belediye atıkları, ticari ve endüstriyel atıklar gazlaştırma prosesinde RDF yakıt olarak kullanmak için uygun hammadde formudur.
4. Yöntem
RDF, yüksek nem ve uçucu içerik ve gözenekli kırılgan bir yapı ile karakterizedir.
RDF/ATY'lere ait nem ve kuru madde miktarı, yanma kaybı ve kül miktarı, elementel analiz, ısıl değer analizi ve gaz analizi tayin sonuçları (12.Ekler-12.2.Tablo 1-Atık Karakterizasyonu Karşılaştırılması)’ da verilmiştir.
Tabloda farklı RDF/ATY’lere ait ulaşılan bazı analizlerin atık karakterizasyonu verileri bulunmaktadır. Bu veriler arasında ilk sırada deney esnasında kullandığımız yakıta ait sonuçlar yer alırken diğer satırlarda literatürden alınan sonuçlar bulunmaktadır. Literatürdeki sonuçlar, kullanılan RDF/ ATY'ye ait sonuçlarla karşılaştırıldığında düşük nem, uçucu madde, kül, sabit karbon, C, S, N; yüksek ısıl değer H ve O değerleri içermektedir yani kullanılan yakıttan elde edilebilecek gaz oldukça verimlidir.
Gazlaştırma işlemi, yakıtın (katı veya sıvı besleme stoku) bir oksitleyici madde (hava, O2, H2O buharı, CO2 veya bunların karışımı) ile kısmi oksidasyon yoluyla gaz yakıtına dönüştürülmesi işlemidir. Kısmi yanma ve piroliz ile sınırlı bir termokimyasal işlem olarak da tanımlanabilir. Deneylerde siklon ünitesi ile sirkülasyonu sağlanmış, iç çapı 7 cm olan, yukarı akışlı, sabit yataklı çelik reaktör kullanılmıştır. Yukarı akışlı reaktörde yakıt üstten verilirken
sonra reaksiyon bölgesinde yakıt, uçucu gazlar ve katı madde olarak ayrışır. Gazın verildiği yerin üst kısmında ızgaralar bulunur. Oksidasyon ve gazlaştırma reaksiyonları bu ızgaralar üzerinde meydana gelir. Sıcak gaz aşağıdan yukarıya hareket ederek reaktöre giriş sıcaklığından daha düşük bir sıcaklıkta üst kısmından gazlaştırıcıyı terk eder. Gazlaştırıcıyı terk eden gaz, gaz analiz cihazında CH4, CO, CO2, H2 ve O2 ölçülerek veriler bilgisayara iletilir ve sonuçlar değerlendirilir. Kalan kül, gazlaştırıcının alt kısmından alınır. (12.Ekler- 12.3.Şekil 2-Deney Düzeneğinin Şematik Gösterimi)
RDF/ATY’ nin analizi sonucu alınabilecek en verimli sonuçlar için optimum sıcaklık, kuru hava veya oksijen debisi, RDF/ATY miktarı belirlenerek, alınan sonuçlar değerlendirilmiştir.
Deney normal şartlar altında (25˚C, 1 atm basınç altında), 15 gram yakıt belirlenmiş, kısıtlı kuru hava / saf oksijen verilerek kuru hava için; 0,05 L/dk, 0,1 L/dk, 0,2 L/dk, 0,3 L/dk debileri kullanılarak 600-700 ˚C’lerde: 0,01 L/dk ve 0,02 L/dk debileri kullanılarak 700 ˚C’de deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneyler değişen koşullar altında 30 - 120 dakika sürmüştür.
Tablo2’de deneysel açıklamalar kapsamında yapılan deneylere ait kullanılan deney kodları açıklanmaktadır. (12.Ekler-12.4.Tablo 2-Deney Kodları Açıklaması)
Yapılan deneylerde elde edilen verilere bağlı olarak farklı ısıl değerler tespit edilmiş ve ısıl değerler 2500 – 3000 kcal/m3 aralığında değişmiştir. Elde edilen verilerden de görüldüğü üzere en iyi sonucu 700KH0,05 kodlu deney ortaya koymuştur. (12.Ekler-12.5.Şekil 3- Maksimum Kalorifik Değerler) Elde edilen verileri anlamlandırılabilmek amacıyla istatistiksel değerlendirme yazılımı SPSS 21.0 kullanılmış ve ANOVA (ANalysis Of VAriance) testi ile sonuçlar karşılaştırıp doğrulanmıştır.
Bu çalışmada 15 g atıktan türetilmiş yakıt numunesi kullanılmıştır. Çalışma sonucunda gaz analizöründen alınan verilere göre CH4 gazının hacimsel yüzdesinin ilk yirmi beş dakika içerisinde en yüksek değerine ulaştığı görülmektedir ve bu değer %20’dir. H2 gazının hacimsel yüzdesi ilk otuz beş dakika içerisinde %22 ile en yüksek değerine ulaşmıştır. CO gazının en yüksek hacimsel yüzdesi %13 olup bu değere deney başlangıcından kırk dakika sonra ulaşmıştır. Herhangi bir yakıt ilavesi olmadığı için gaz kompozisyonu zamanla azalmış ve mevcut sıcaklık reaktör içerisinde kalan katıyı parçalayamadığı için deney sonlandırılmıştır. Çalışma sonucunda, kullanılan 15 g numunenin katıya dönüşen kısmı 4,22 g olarak ölçülmüştür. (12.Ekler-12.6.Şekil 4-700 ̊ C, 0,05 L/dk ’e Ait Gaz Analiz Değerleri Grafiği)
Deney sonucu oluşan gaz, gaz torbasında toplanmış ve ölçümü yapılmıştır. Ölçüm sonucu alınan ve deney verilerine bağlı gaz miktarı 148,2x102m3ve ölçülen gazın ısıl değeri 406.068 x 106 kcal olarak hesaplanmıştır. Enerji üretimi için kullacağımız CH4 gazına ait sonuçlara bağlı SPSS 21.0’da oluşturulan (12.Ekler-12.7.Şekil 5- Isıl Değerin Hacimsel CH4Yüzdesine Bağlı Değişimi) grafikte görüldüğü üzere oluşan CH4 gazının hacimsel yüzdesiyle ısıl değer arasında doğrusal bir ilişki olduğu gözlemlenmiştir. Ajan türü ve debiye bağlı olarak gaz kompozisyonlarında artış gözlendiğinde ısıl değerin de arttığı anlaşılmaktadır.
700 ̊C, 0,05 L/dk deney üzerinde mezüre ile ölçümler gerçekleştirilmiş olup ilk olarak deney
başlamadan önce yapılan ilk ölçüm yani ham RDF/ATY ve deney sonrası elde edilen son yani kalıntı (char) arasındaki fark bize gazlaştırma işlemi aracılığıyla atıkta minimizasyonu gerçekleştirebildiğimizi göstermektedir. Yapılan hesaplara göre RDF/ATY numunesi için minimizasyon yüzdesi %47,5 olarak belirlenmiştir. Bu sonuca göre gazlaştırma işlemiyle ATY/RDF alternatif yakıtımızda proses sonrası kütlece önemli bir azalış görülmektedir.
Sonuç olarak hem kalorifik değeri yüksek olan atıkların ayrıştırılması hem de gazlaştırma prosesi ile hacminin azaltılması ülkede atık minimizasyonu ve enerji ihtiyacının bir kısmının atıktan sağlanması gerektiğini bize göstermektedir.
Deneylerden alınan sonuçlara bağlı SPSS 21.0’da oluşturulan (12.Ekler-12.8.Şekil 6- Isıl Değerin Hacimsel H2 Yüzdesine Bağlı Değişimi) grafikte görüldüğü üzere H2 gazının hacimsel yüzdesindeki artış çalışma sonucunda elde edilen ısıl değeri arttırmaktadır. H2
gazının hacimsel yüzdesinin %30 olarak ölçüldüğü anlarda ısıl değer daha düşük iken H2
gazının %20 olarak ölçüldüğü anlarda ısıl değer daha yüksektir. Bu durum ısıl değer hesaplamasında kullanılan diğer gazların etkisini göstermektedir. Bu çalışmalara bağlı olarak ATY’ nin gazlaştırma prosesi ile değerlendirilmesi sonucunda hem sentez gaz üretilebileceği hem de tercih durumunda H2 gazının da sentez gaz içerisinden ayrılarak H2 üretimi prosesi olarak da kullanılabileceğini göstermiştir.
5. Yenilikçi (İnovatif) Yönü
Atıklardan enerji eldesi, atık minimizasyonu, sıfır atık yaklaşımı ile temiz üretim, beşikten beşiğe yaklaşımı en önemli yenilikçi yaklaşımlarıdır. Projenin etkin olduğu teknoloji alanları ise; enerji geri kazanım teknolojileri atık/artık maddelerin geri dönüşüm/geri kazanım yaklaşımlarına yönelik teknolojiler, katı, sıvı ve gaz formlu ürünlerin değerlendirilmesi, proses/reaktör dizayn ve mühendisliği, kimya endüstrisi, yakıt teknolojileri olarak sıralanabilir.
6. Uygulanabilirlik
Gazlaştırma tarihçesi oldukça eski dönemlere dayanmaktadır. Yakıtla çalışan pek çok aracın gazlaştırma sonucu elde edilen sentez gaz ile çalıştığı bilinmektedir. Hatta İstanbul’da bile hava gazı olarak adlandırılan gaz yakıt uzun yıllar kullanılmıştır. Bu bağlamda, teknolojinin uygulanabilirliği ile ilgili büyük sıkıntılar yaşanmayacaktır. Gerek küçük gerekse büyük ölçekli kurulacak reaktörler ile bir evin enerji ihtiyacının bir kısmı karşılanabileceği gibi bir köy, bir kasaba veya daha büyük ölçekli uygulamalar yapılabilmektedir.
Her uygulamada riskler bulunduğu gibi böyle bir sistemde de riskler bulunmaktadır. Özellikle teknoloji geliştirme de ve sürdürülebilir bir sistem oluşturmada yaşanabilecek riskler mevcuttur ki bu durum ArGe çalışmalarıyla üstesinden gelinebilecek bir risk olarak görülmektedir. Ayrıca, uygulama aşamasında da reaktör verimi ve sıvı ürün oluşması gibi sistem verimini düşürebilecek durumlarla karşılaşılabilir. Bu durumda da gerek sahadaki tecrübeli bilim insanlarından fikir alınarak gerekse yine ArGe çalışmaları ile bu sürecin de üstesinden gelinebilecektir.
doğrudan etkilemektedir. Gazlaştırma prosesinde kapasite, reaktör malzemesi, sentez gaz temizleme, gaz analiz üniteleri gibi çok çeşitli basamaklarda maliyet kalemleri bulunmaktadır.
Bu bağlamda küçük/orta ölçekli bir prosesin 100.000TL civarında tamamlanabileceği ön görülmektedir.
Aşağıda proje zaman planı bulunmaktadır. Tahmini süre 1 yıldır.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Yapılan çalışmaların değerlendirilmesi, Literatür tarama Ön hazırlık çalışmaları, Laboratuvar hazırlığı Reaktör hazırlama
Analitik düzenek hazırlama
Denemeler Optimizasyon Verilerin
toplanması ve değerlendirilmesi Sonuç
8. Proje Fikrinin Hedef Kitlesi (Kullanıcılar):
Deney sonuçları hesapları ve yaptığımız istatiksel araştırmalar sonucunda Türkiye'nin enerji ihtiyacına bağlı olarak, Türkiye’de üretilen AYT/RDF’nin alternatif enerji kaynağı olarak kullanılması sonucunda Türkiye’nin enerji ihtiyacının yaklaşık %1’ini karşılayacağı ön görülmüştür. Bu da ülkenin enerji kaynağı olarak ATY/RDF’nin önemini göstermektedir.
Giderek artan enerji ihtiyacı, azalan fosil yakıtları buna bağlı oluşan küresel ısınmayı da göz önüne alacak olursak Türkiye’de oluşan katı atıkların ATY/RDF üretim tesislerinde daha fazla değerlendirilmesiyle bu tesislerin sayısının ve kapasitesinin artırılması ülkenin enerji ihtiyacının daha fazla karşılanmasına olanak sağlar.
9. Riskler
ATY’deki atık içeriğine göre çeşitli kirleticiler ve sera gazları oluşabilmektedir. Bu kirleticiler ve sera gazlarının başlıcaları; PM (partikül madde), çeşitli metaller, asit gazları (HCl, SOxvb.), karbonmonoksit ve dioksit (CO, CO2), azot oksit türevleri (NO, NO2, NOx) ve bazı zararlı organik türevleri (PCB) şeklindedir. Bu sorunu ise RDF/ATY yakıtımızın içeriğinin zenginleştililmesi ve gazlaştırma ünitesinden çıkan gazı ultrasonik nanofiltre ile çözebiliriz.
10. Proje Ekibi
Takım Lideri: Fatma BÜLBÜL
Adı Soyadı Projedeki Görevi Okul Bölüm Projeyle veya problemle ilgili tecrübesi Fatma BÜLBÜL Proje Yönlendirme
ve Araştıma
İstanbul Üniversitesi
Çevre
Mühendisliği
Üniversite de aldığı eğitim, yaptığı araştırmalar ve çevre laboratuvarı çalışmaları Tuğba Büşra ŞEREN Deney Koordinatörü İstanbul
Üniversitesi
Çevre
Mühendisliği
Üniversite de aldığı eğitim, yaptığı araştırmalar ve çevre laboratuvarı çalışmaları Çağla BURUS Proje Raporlama
Sorumlusu
İstanbul Üniversitesi
Çevre
Mühendisliği
Üniversite de aldığı eğitim, yaptığı araştırmalar ve çevre laboratuvarı çalışmaları
11. Kaynaklar
· Basu, P., Kaushal, P., 2009. Modeling of pyrolysis and gasification of biomass in fluidized beds: A review. Chem. Prod. Process Model. 4
· Cambridge, 2013, Klinghoffer NB, Castaldi MJ. Waste to energy conversion technology. Cambridge: Woodhead Publishing Limited
· EPA, 2014, Municipal solid waste
· Eurasian Journal of Environmental Research, Thermal Behavior of Waste-derived Fuels and Determination of Optimum Mixture Ratio for Gasification
· November, 2017;69:187-201. doi: 10.1016/j.wasman.2017.08.006. Epub 2017 Aug 7, Refuse Derived Fuel (RDF) production and gasification in a pilot plant integrated with an Otto cycle ICE through Aspen plus modelling: Thermodynamic and economic viability
· Ravelli ve ark., 2008, Ravelli, S., Perdichizzi, A., Barigozzi, G., 2008. Description, applications and numerical modelling of bubbling fluidized bed combustion in waste-toenergy plants. Prog. Energy Combust. Sci. 34, 224–253
· URL1= EİGM/ETKB 2016 Genel Enerji Denge Tablosu,
https://www.mmo.org.tr/sites/default/files/EnerjiGorunumu2018_1.pdf)
· Villetta ve diğ. 2017, Costa, M., Massaritti, N., 2017, Modeling approaches to biomass gasification: A review with emphasis on the stoichiometric method, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 74, 71- 88
12.1. Şekil 1-Reaktör Düzeneği
12.2. Tablo 1-Atık Karakterizasyon Karşılaştırması
12.3Şekil 2-Deney Düzeneğinin Şematik Gösterimi 12.4. Tablo 2 Deney Kodları Açıklaması
12.5. Şekil 3- Maksimum Kalorifik Değerler 12.6. Şekil 4-700 ̊C, 0,05 L/dk ’e Ait Gaz Analiz Değerleri Grafiği 0
100 200 300 400 500 600 700
0 5 10 15 20 25
0 50 100
Sıcaklık,˚C
Gaz Kompozisyonu, %Hacim
Zaman, dk
CO CO2 CH4
O2 H2 Sıcaklık
% Ağırlık Nem İçeriğiUçucu
MaddeKül Sabit
Karbon C H N S O Isıl Değer (kcal/kg) RDF/ATY 2 83 3 17 45,5 6,3 0,9 0,1 47 5546
RDF 1
(W,B,V) 3,2 84,7 0,8 21,3 46,7 6,2 1,2 0,5 44,1 - RDF 2
(W,B,V) 9,5 77 1,1 16,7 44 5,7 1,4 0,7 47,2 - RDF 3
(W,B,V) - 79,7 13,5 6,8 48,8 7,8 0,7 0 29,2 4748
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
600KH0,05 700KH0,05 600KH0,1 700KH0,1 600KH0,2 700KH0,2 700KH0,3 G+P700KH… 700SO0,01 700SO0,02
Max Isıl Değer, kcal/m3
Deney Kodları
12.7. Şekil 5- Isıl Değerin Hacimsel CH4Yüzdesine Bağlı Değişimi
12.8. Şekil 6- Isıl Değerin Hacimsel H2Yüzdesine Bağlı Değişimi
