atiktan enerjİye yakma, piroliz ve gazlaştırma uygulamaları

Prof.Dr. Hasancan OKUTANProf.Dr. Hasancan OKUTAN

İTÜ Kimya-Metalurji FakültesiKimya Mühendisliği Bölümü

Ayazağa/İstanbul

okutan@itu.edu.tr

ATIKTAN ENERJİYE ATIKTAN ENERJİYE Yakma, Piroliz ve Gazlaştırma UygulamalarıYakma, Piroliz ve Gazlaştırma Uygulamaları

5. Uluslararası Geri Dönüşüm, 5. Uluslararası Geri Dönüşüm, Çevre Teknolojileri ve Atık Yönetimi Fuarı Çevre Teknolojileri ve Atık Yönetimi Fuarı

18 – 21 Haziran 200918 – 21 Haziran 2009

Atık YönetimiAtık Yönetimi

Avrupa Birliği (AB) Yaklaşımı• AB müktesabatının başlıca konularından biri ÇEVRE

konusudur.• AB düzeyinde yaklaşık 300 tüzük ve direktif• Bütünleşik bir “Atık Yönetim Politikası”• Atık Yönetim Hiyerarşisi:

• Atık minimizasyonu ve kaynakta önleme• Atıkların yeniden kullanımı, geri dönüşü ve enerji geri

kazanımı• Atıkların nihai bertarafı

Avrupa Birliği Atık MevzuatıAvrupa Birliği Atık Mevzuatı

• Atık Çevre Direktifi (WD) 2006/12/EC• Atık Listesi (EWL) 2000/532/EC• Atık Yakma Direkfi (WID) 2000/76/EC• Tehlikeli Atık Direktifi (HWD) 91/689/EC• Bütünleşik Kirlilik Önleme ve Kontrol Direktifi

(IPPC) 96/61/EC• Atık Yakma BREF Dokümanı (IPPC-BAT) 2006

Ulusal Atık MevzuatıUlusal Atık Mevzuatı• Atık Yönetimi Genel Esaslarına İlişkin Yönetmelik

(05.07.2008 – R.G. 26927)• Katı Atıkların Kontrolü Yönetmeliği

(14.03.1991 – RG 20814)• Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği

(14.03.2005 – RG 25755)• Tıbbi Atıkların Kontrolü Yönetmeliği

(22.07.2005 – RG 25883)• Ambalaj Atıklarının Kontrolü Yönetmeliği

(24.06.2007 – RG 26562)• Atık Yağların Kontrolü Yönetmeliği

(30.07.2008 – RG 26952)

Ulusal Atık MevzuatıUlusal Atık Mevzuatı

• Atık Pil ve Akümülatörlerin Kontrolü Yönetmeliği(31.08.2004 – RG 25569)

• Bitkisel Atık Yağların Kontrolü Yönetmeliği (19.04.2005 – RG 2579)

• Ömrünü Tamamlamış Lastiklerin Kontrolü Yönetmeliği • Hafriyat Toprağı, İnşaat ve Yıkıntı Atıklarının Kontrolü

Yönetmeliği• Atıkların Ek Yakıt Olarak Kullanılmasında Uyulacak Genel

Kurallar Hakkında Tebliği

KÜRESEL İKLİM DEĞİŞİKLİĞİ KÜRESEL İKLİM DEĞİŞİKLİĞİ KÜRESEL ISINMAKÜRESEL ISINMA

• 1997 Birleşmiş Milletler – Kyoto Protokolü• AB üye devletlerin 2008-2012 yılları arasında sera gazları

emisyonu %8 oranında azaltılması kararlaştırılmıştır.• Enerji kullanımının iklim değişikliği üzerindeki etkisini

azaltmak için programlar oluşturulmuştur.- Enerji verimliliği- Yenilenebilir enerjiler (güneş, rüzgar, biyokütle)- Temiz enerji teknolojileri- Atıkların değerlendirilmesi (geri dönüşüm ve enerji)

AVRUPA BİRLİĞİ AVRUPA BİRLİĞİ 6. ve 7. ÇERÇEVE PROGRAMLARI6. ve 7. ÇERÇEVE PROGRAMLARI

“Atıklan Değerlendirilmesi ve Enerji Elde Edilmesi” öncelikli konular arasında kabul edilmiştir.

VİZYON 2023VİZYON 2023Enerji ve Çevre Teknolojileri StratejisiEnerji ve Çevre Teknolojileri Stratejisi

• Hidrojen Teknolojileri ve Yakıt Pilleri• Yenilenebilir Enerji Tekolojileri• Enerji Depolama Teknolojileri ve Güç Elektroniği• Nükleer Enerji Teknolojileri• Çevreye Duyarlı ve Verimli Yakıt ve Yakma Teknolojileri

• Akışkan Yatak Teknolojisi• Gazlaştırma Teknolojisi• Biyokütleden Tarımsal ve Endüstriyel Atıklardan Enerji

Eldesi• Kojenerasyon Teknolojisi

• Atık Değerlendirme Teknolojileri

Küresel Enerji TalebiKüresel Enerji Talebi

• Yeni Elektrik Talebi – 5000 GW• Her Üç Günde Yeni Bir 1000 MW Santral• Veya Yılda 2650 km2 Yeni Güneş Pilleri

• 9 milyar Kişiye Temiz Su• Karbon Emisyonu 7 GTC/yıl dan 26 GTC/yıl a Çıkacak

ATIKLARATIKLAR

• Evsel Katı Atıklar• Kanalizasyon Çamurları• Biyokütle• Endüstriyel Atıklar

• Tehlikeli Atıklar• Tıbbi Atıklar• Atık Pil ve Akümülatörler• Elektronik Atıklar

Türkiye İmalat Sanayi Atık Türkiye İmalat Sanayi Atık EnvanteriEnvanteri

• İmalat sanayi tarafından yılda 20 milyon ton atık üretilmektedir.

• Yaklaşık 1,2 milyon ton tehlikeli atık.Geri kazanım: % 8Bertaraf: % 47Yeniden kullanım: % 45

Mevcut Bertaraf TesisleriMevcut Bertaraf Tesisleri

• İZAYDAŞ (Yakma) 35.000 ton/yıl• PETKİM (Yakma) 17.500 ton/yıl• TÜPRAŞ (Yakma) 7.750 ton/yıl• EKOLOJİK ENERJİ (Gazlaştırma) 29.000 ton/yıl• ÇİMENTO FABRİKALARI (Döner Fırın) 450.000 ton/yıl• İZAYDAŞ (Depolama) 790.000 m3 (% 20 dolu)• ERDEMİR (Depolama) 6.000 ton/yıl• İSKEN (Depolama) 115.000 m3

T.C. Çevre ve Orman Bakanlığı T.C. Çevre ve Orman Bakanlığı Endüstriyel Atıklar için Bertaraf PlanıEndüstriyel Atıklar için Bertaraf Planı

• Atık toplama sistemi• Nihai bertarafa yönelik tesisler

• Trakya, Doğu Marmara, Ege, İç Anadolu ve Akdeniz Bölgelerinde en az 1 adet entegre tesis kurulması

• Endüstrileşmenin daha az olduğu bölgelerde fiziksel/kimyasal ön işlemlerin bulunduğu ara depolama tesisleri kurulması

Planlanan Endüstriyel Atık Entegre Planlanan Endüstriyel Atık Entegre Bertaraf TesislerBertaraf Tesisler

• Tarsus-Mersin: Yakma, Düzenli Depolama, Önişlem• Gebze OSB: Yakma• Kula-Manisa: Yakma, Düzenli Depolama• Çatalca-İstanbul: Yakma, Düzenli Depolama,

Önişlem• Sincan-Ankara: Gazlaştırma

Atık Bertaraf TeknikleriAtık Bertaraf Teknikleri

• Gömme (Deponil Alanı)

• Yakma (Incineration)• Gazlaştırma (Gasification)• Piroliz (Pyrolysis)

Termal İşlemlerTermal İşlemler

Yakma: Oksijen Fazlalığı

Gazlaştırma: Oksijen Eksikliği

Piroliz: Oksijen Yokluğu (Havasız Ortam)

YAKMAYAKMA

• Combustion (Katı, sıvı, gaz yakıtların yakılması)• Incineration (Atıkların yakılması, bertarafı)• 3 T Prensibi: Temperature (Sıcaklık)

Turbulence (Karışım) Time (Zaman)

• Stokiyometrik Oksijen Gereksinimi• Hava Fazlalık Katsayısı

Yanma ReaksiyonlarıYanma Reaksiyonları

CHONS + O2 → CO2 (Tam Yanma)

H2O (Tam Yanma)

NOx (Tam Yanma)

SO2 (Tam Yanma)

PM CO (Kısmi Yanma) HC (Kısmi Yanma) PAH (Kısmi Yanma)

Halojenli Bileşikler + O2 → HCl, HF

Dioksin, Furan

Atık YakmaAtık Yakma

• Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği (2005)• Atıkların Ek Yakıt Olarak Kullanılmasında Uyulacak Genel

Kurallar Hakkında Tebliğ (2005)• Atıkların Yakılmasına İlişkin Yönetmelik (Taslak)Yönetmelik Şartları• Yanma odasına bağlı son yanma bölümü• İlk bölme sıcaklığı en az 900 0C• Son yanma bölümü ek brülör• %1’den fazla halojenli bileşik olma durumunda sıcaklık 1100 0C

ve en az iki saniye kalma süresi• Emisyon sınırları• Emisyonların sürekli ölçümü ve izlenmesi

Yakma TeknolojileriYakma Teknolojileri

• Katı Atıklar: Sabit Yatak – Izgaralı Sistemler Akışkan Yatak – Dolanımlı Sürüklemeli/Püskürtmeli

• Sıvı Atıklar: Brülör ve Bek Sistemleri• Gaz Atıklar: Brülör ve Bek Sistemleri

Yanma Gazlarının Temizlenmesi Yanma Gazlarının Temizlenmesi (Gaz Arıtım Teknolojileri)(Gaz Arıtım Teknolojileri)

• Toz (PM)• Kükürtlü Bileşikler (SO2)• Azot Oksitler (NOx)• Asidik Gazlar (HCl, HF, HCN)• Ağır Metaller• Hidrokarbonlar• PAH, Dioksin, Furan

Yanma Gazlarının Temizlenmesi Yanma Gazlarının Temizlenmesi (Gaz Arıtım Teknolojileri)(Gaz Arıtım Teknolojileri)

• Torbalı Filtreler• Siklon Ayırıcılar• Venturi Yıkayıcılar• Islak Yıkayıcılar (Gaz Absorpsiyon Kolonları)• Elektrostatik Çöktürücüler (CSP, WESP)• SNCR ve SCR (NOx Giderici)• Katalitik Yakıcılar

İZAYDAŞ Tesis Akım ŞemasıİZAYDAŞ Tesis Akım Şeması

www.envirotherm.de

Çimento Fabrikalarında Atık YakılmasıÇimento Fabrikalarında Atık Yakılması

GazlaştırmaGazlaştırma

Karbon içeren malzemelerin ana bileşenleri CO, H2 ve CH4 olacak şekilde sentez gazına dönüştürülmesi prosesi

Gazlaştırma Prosesi KademeleriGazlaştırma Prosesi Kademeleri

a. Kurutmab. Uçucuların çıkışıc. Gazlaştırmad. Yanmae. Kül

Temel ReaksiyonlarTemel ReaksiyonlarSu gazı tepkimesiC+H2O → CO + H2

Boudouard tepkimesiC+CO2 → 2 CO

Hidrojenle gazlaştırmaC+2H2 → CH4

Kısmi yanmaC+1/2 O2 → CO

Tam YanmaC+O2 → CO2

CO + H2O → H2 + CO2

MetanlaştırmaCO + 3 H2 → CH4 + H2O

Isıl bozunma tepkimeleriC1HxOy → (1-y) C +yCO + x/2H2

C1HxOy → (1-y-x/8)C +yCO + x/4 H2 + x/2H2

Dünya’ daki UygulamalarDünya’ daki Uygulamalar

İşletme Sayısı : 117

Gazlaştırıcı Sayısı : 385

Toplam Güç : ~ 45.000 MWth

%49 Kömür%36 Pet-Kok%15 Biyokütle ve Atıklar

Ürünler

Elektrik %27Kimyasallar %37Yakıt (sıvı, gaz) %36

Gazlaştırma Teknolojisinin Gazlaştırma Teknolojisinin 4 Temel İşlemi4 Temel İşlemi

1) Ön Hazırlık – Besleme2) Sentetik Gaz Üretmek – Gazlaştırma3) Gaz Temizleme4) Enerji veya Kimyasal Madde Üretmek

Gazlaştırma TeknolojileriGazlaştırma Teknolojileri

1) Sürüklemeli Yatak (Entrained Bed)Küçük Taneli (0,2 mm)

2) Akışkan Yatak (Fluidized Bed)Orta Büyüklükte Taneli (0,2 – 3 mm)

3) Sabit Yatak (Fixed Bed)Daha İri Taneli (5 – 50 mm)3.1. Aşağı Akışlı (Downdraft)3.2. Yukarı Akışlı (Updraft)

4) Plazma Gazlaştırma

Updraft Gasifier

Downdraft Gasifier

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Westinghouse Plasma Gasification Reactor

GAZ TEMİZLEMEGAZ TEMİZLEME

Katran ve Partiküllerin giderilmesi Kükürtlü bileşiklerin giderilmesi (H2S) Asit gazlarının giderilmesi Ağır metallerin giderilmesi

Torbalı filtreler Siklon ayırıcılar Islak yıkayıcılar Elektrostatik Çöktürücüler

Examples of tar-related fouling of process equipment

Tar classification systemTar classification system

The tar dewpoint of the different tar classes in relation to the concentration

Gazlaştırma ile Ne Yapılır?Gazlaştırma ile Ne Yapılır?

1. Elektrik Üretimi– IGCC – Yüksek verim– Doğalgaz yanmasına paralel emisyonlar

2. Sıvı Yakıt Üretimi– SASOL : Güney Afrika’ da 1950’ den beri

3. Sentetik Doğal Gaz Üretimi– Dakota Gasification Company : A.B.D. 1980’ den beri

4. Kimyasalların Üretimi– Eastman Chemicals : A.B.D. 1980’ den beri

5. Amonyak ve Gübre– Kütahya Azot Sanayi

6. Hidrojen Üretimi - Yakıt Pilleri

Elektrik Üretimi: IGCCElektrik Üretimi: IGCC

PİROLİZ

• Karbonlu malzemenin oksijensiz ortamda ısıtılarak gaz, sıvı ve katı ürünlere ayrılması işlemidir.

• Karbonlu malzemenin ısıl parçalanmasıdır.• Karbonizasyon

• Düşük Sıcaklık Karbonizasyonu: 600 0C• Orta Sıcaklık Karbonizasyonu: 900 0C• Yüksek Sıcaklık Karbonizasyonu: 900 0C’den yüksek

• Sıvı ve katran çıkışı 300 0C’den başlar 550 – 600 0C’y kadar devam eder.

• Gaz çıkışı 900 – 1000 0C’ye kadar devam eder.

PİROLİZ

Gaz Ürün:• Karbonlu malzemenin yapısındaki bağların kırılması ile oluşur.

% 2 – 30 (Kuru temel)• CO, CO2, H2, CH4, C2H6, C3H8, H2S, NH3

Sıvı Ürün: Katran veya pirolitik yağlar (% 2 – 35 Kuru temel)• Hafif Yağlar: k.n. 220 0C’den düşük (benzen, toluen, ksilen)• Orta Yağlar: k.n. 220-375 0C (fenoller, kresoller, pridin, anilin)• Yüksek Yağlar: k.n. 375-450 0C (3-4 halkalı aromatikler, heterosiklik)

Katı Ürün: Karbonca zengin “char” ismi verilen katılar

Pirolize Etkileyen Değişkenler

• Karbon malzemenin özellikleri• Proses Parametreleri

• Sıcaklık• Isıtma hızı• Gaz ortamın özellikleri

İnert gaz (N2)

Reaktif gaz (H2O, H2)

Basınç• Reaktör Geometrisi• Reaktörde Kalma Süresi

Piroliz Teknolojisi

• Retortlama (Kesikli Reaktörler)• Sürekli Reaktörler

50 ton/gün kapasiteli atık piroliz proses akım şeması

Karbonlu Malzemenin Özelliklerinin Karbonlu Malzemenin Özelliklerinin Termal İşlemlere EtkileriTermal İşlemlere Etkileri

Nem Kül Sabit Karbon ve Elementel Analiz Uçucu Madde Isıl Değer Kül Ergime Sıcaklığı Tane Büyüklüğü Yığın Yoğunluğu Kekleşme Özelliği

Termal İşlemlerinTermal İşlemlerinKarşılaştırılması/DeğerlendirilmesiKarşılaştırılması/Değerlendirilmesi

1) Her üç teknolojiye de (Yakma, Gazlaştırma ve Piroliz) ihtiyacımız var.

2) Gazlaştırma ve Piroliz öne çıkan teknolojiler olmakla birlikte, Gazlaştırma ve Piroliz işlemleri sonucunda elde edilen “SynGaz”dan ısı ve elektrik enerjisi üretimi için “Yakma Teknolojilerine” gereksinim var.

Termal İşlemlerinTermal İşlemlerinKarşılaştırılması/DeğerlendirilmesiKarşılaştırılması/Değerlendirilmesi

3) Yakma ve Gazlaştırma Teknolojilerinin Karşılaştırılması Gazlaştırma’nın üstünlükleri:a. Üretilen SynGaz çok amaçlı kullanılabilmektedir.b. Endüstriyel ölçek H2 üretiminde en ekonomik yöntem:

Yakıt Pilleric. Emisyonlar:- NOx oluşumu yok veya düşük

- SO2 yerine H2S oluşur. H2S giderimi daha kolaydır.

d. IGCC Teknolojisi en gelişmiş Santral Teknolojisidir. En yüksek verim.e. CO2 tutunması daha ucuz.

Environmental Performance Environmental Performance Comparison - Pulverized Coal vs. Comparison - Pulverized Coal vs.

IGCCIGCC

Estimated emissions are based on current industry assumptions regarding a conventional pulverized coal plant with pollution control equipment and a generic IGCC plant.(Sulfur will vary with coal properties.)

Potential to Capture COPotential to Capture CO22 Economically in the FutureEconomically in the Future

Termal İşlemlerinTermal İşlemlerinKarşılaştırılması/DeğerlendirilmesiKarşılaştırılması/Değerlendirilmesi

4) Gazlaştırma-Piroliz Karşılaştırmasıa. Yapışkan, kolay kekleşebilen ve kül ergime sıcaklıkları düşük atıklar için piroliz işlemi gazlaştımaya tercih edilebilir.b. Piroliz işleminde reaktöre mutlaka dışarıdan enerji girdisine (ek bir yakıt yakılmasına) gereksinim vardır.

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim TesisiYönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi

• 1 ton/saat kapasiteli Aşağı Akışlı (Down-Draft) Gazlaştırma Reaktörünün tasarımı ve imalatı (2003)

• “Yenilenebilir Biyokütlelerin ve Katı Atıkların Gazlaştırılması, Gaz Temizleme ve Sürdürülebilir Enerji Üretimi” Projesi TÜBİTAK-TİDEB Proje No: 3040025 (2004-2005)

• Evsel Katı Atık ve Biyokütle Gazlaştırma Birinci Hattı Kurulumu ve Devreye Alınması

• EPDK Elektrik Enerjisi Üretim Lisansının Alınması (2006)

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim TesisiYönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi

• Endüstriyel ve Tehlikeli Atıkların Gazlaştırılarak Bertaraf Edilmesi Projesi- T.C. Çevre ve Orman Bak. Lisans Başvurusu- 300 ton endüstriyel atık ile ön çalışmalar, biriket formülasyonu- Deneme Gazlaştırmaları- İşletme lisansını alınması (Temmuz, 2007)

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim TesisiYönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi

• Gaz temizleme ünitelerinin iyileştirilmesi: 1250 Nm3/saat temizlenmiş gaz üretimi

• Atık Ön Hazırlık: Biriketleme Ünitesi kapasite artırımı (7 yeni biriketleme makinesi, her biri

8 ton/gün üretim kapasiteli) • 2. Gazlaştırma Reaktörü ve Gaz Temizleme

Ünitesinin tasarımı, imalatı ve devreye alınması: 2500 Nm3/saat temizlenmiş gaz üretimi

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim TesisiYönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi

• Geçici Atık Depolama sahalarının tamamlanması

• Kimyasal/Biyolojik Arıtma Çamurları Kurutma ünitesinin devreye alınması

• 2. TPA Atık Kırma Ünitesi• Kimyasal Arıtma Ünitesinin kurulması ve

devreye alınması

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim TesisiYönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi

• Endüstriyel ve Tehlikeli Sıvı Atıkların Susuzlaştırılarak Gazlaştırma Prosesine Kazandırılması Projesi: TÜBİTAK-TEYDEB Proje No: 7090004 (Ekim 2008 – Mart 2009)

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim TesisiYönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi

• Sentez Gazının Proses Isısı Olarak Değerlendirildiği Yakma Üniteleri Tasarımı ve İmalatları Projesi: - Kimyasal/Biyolojik Arıtma Çamurları Kurutma:

Yeni Yakma Kamarası tasarımı ve imalatı - Evaporasyon ve Seperasyon Ünitesi Kızgın Yağ

Kazanı Yakma Kamarası tasarımı ve imalatı - Buhar Kazanı Yakma Kamarası tasarımı imalatı - Refrakterli, Isı Geri Kazanımlı (Sıcak su ve mahal

ısıtma) Yeni Flare tasarım ve imalatı

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim TesisiYönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi

• Temizlenmiş düşük ısıl değerlikli sentez gazından Jenbacher Gaz Motorunda

400-500 kW/saat elektrik üretimi.• Entegre Tesisin ihtiyacı olan 350 Nm3/saat

debilik doğal gaz yerine tesiste üretilen sentez gazının kullanımı.

ATIK DAĞILIMLARI – 2008ATIK DAĞILIMLARI – 2008(SINIFLARA GÖRE)(SINIFLARA GÖRE)

ATIK DAĞILIMLARI – 2008ATIK DAĞILIMLARI – 2008(SEKTÖREL)(SEKTÖREL)

Temizlenmiş Sentez Gazı ÖzellikleriTemizlenmiş Sentez Gazı Özellikleri

% 15 – 20 Karbon Monoksit% 15 – 20 Hidrojen% 1 – 3 Metan + Etan% 1 (max.) Oksijen% 8 – 10 Karbon Dioksit% 40 – 50 Azot

Isıl Değeri: 1000 – 1300 kcal/Nm3