TüBİtak-mam esçAE

Manyas Pilot Bölgesi Gazlaştırma Sistemi

1. Hayvansal kökenli atıkların gazlaştırılması

Gazlaştırma, katı hayvansal ve biyokütle kökenli atıkların kısmi oksijen ortamında gaz yakıta dönüştürme işlemi olup üretilen gaz, gaz motoru veya gaz türbini sistemlerinde kullanılarak elektrik enerjisine dönüştürülür. Şekil 4.3'de bir gazlaştırıcı sisteminin temel çalışma prensibi basit olarak verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi gazlaştırıcıdan çıkan gaz temizlenip kurutulduktan sonra bir gaz türbini veya motor ünitesine gönderilerek elektrik enerjisine çevrilmektedir. Egzost gazlarından ise termal güç elde edilmektedir. Üretilen gazın ısıl değeri kullanılan atık kaynağına bağlı olarak 4000-4600 kJ/kg arasında değişmektedir. Günümüzde, 4-10 kW güce sahip gazlaştırıcılar su pompalama için, 15-300 kW kapasiteli sistemler termal uygulamalar için, 300kW'dan büyük sistemler elektrik ve ısı üretimi için yaygın biçimde kullanılmaktadır (Olgun, 2001).

Şekil 4.3. Gazlaştırma sisteminin temel çalışma prensibi

4.3.2. Atıkların yakıt karakteristikleri

Gazlaştırma sistemlerinin tasarımında atıkların bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri çok iyi belirlenmelidir. Bu özellikler yakıtın (Reed, 1996):

• 
  Isıl değeri,
  
• 
  Nem miktarı,
  
• 
  Parça boyutu ve dağılımı,
  
• 
  Sıkıştırılmış yoğunluğu,
  
• 
  Uçucu madde miktarı,
  
• 
  Sabit karbon miktarı,
  
• 
  Kül miktarı ve içeriği,
  
• 
  Yakıt reaktivitesi,
  
• 
  Elementel analiz değerleri,
  
• 
  Kirletici emisyonları
  

olmaktadır.

Yakıtın ısıl değeri bomba kalorimetresi ile tayin edilir. Bir çok biyokütle kökenli atığın ısıl değeri 10-16 MJ/kg arasında değişmektedir.

Nem miktarı ise atığa bağlı olarak değişir. Gazlaştırma için yakıtta % 20 'nin altında nem tercih edilir. Yüksek nem; termal verimi ve ısıl değeri düşürür. Ayrıca yakıtın ateşlenmesini de güçleştirir.

Yakıt boyutu ve dağılımı gazlaştırıcı içinde basınç düşümü üzerine etki eder. Sistem içindeki büyük basınç düşüşleri sıcaklıkta düşmeye ve yüksek katran oluşumuna neden olur. Büyük ve düzensiz yakıt parçacıkları prosesin başlamasını geciktirerek gaz kalitesini düşürür. İdeal boyut, gazlaştırıcı için 80x40x40 ile 10x5x5 mm arasında değişmektedir.
Sıkıştırılmış yoğunluk birim hacim başına kütle olarak tanımlanır ve yakıtın nem miktarı ve parça boyutuna bağlı olarak büyük değişiklik gösterir. Ayrıca gaz kalitesi üzerine de etki yapar.
Gazlaştırıcıya yüklenen yakıtın formu da gazlaştırma prosesi üzerine etki eden önemli bir faktördür. Burada yoğunluğu artırılmış biyokütle yakıtı daha fazla tercih edilmektedir. Bu nedenle biyokütle yakıtı, küçük topaçlar (biriket) haline getirilerek hem yoğunluğu artırılır hem de homojen bir boyut kazandırılır. Bu işlemin ek bir enerji maliyeti getireceği de açıktır.
Yüksek uçucu madde içeren yakıtların katran, yağ ve çeşitli organik buharları piroliz bölgesinde açığa çıkar. Bu açığa çıkan bileşimler gaz türbini veya içten yanmalı motorlara zarar verir. Bu nedenle gaz temizleme çok önemli olmaktadır.
Yakıtın sabit karbon miktarı ısıl değeri etkiler. Yakma prosesi sonucu kalan maddeler kül olarak adlandırılır. Pratikte kül içerisinde bazı yanmamış yakıtta bulunabilmektedir.
Kül miktarı ve bileşimi gazlaştırıcının problemsiz çalışması üzerine etki yapar. Külün gazlaştırıcı içinde ergimesi cüruflaşmaya ve gazlaştırıcı yüzeylerinde tabakalaşmaya neden olur. Bu da zaman içerisinde reaktörde tıkanmasına yol açar. Genelde %2'den daha düşük kül oranına sahip biyokütlenin gazlaştırılmasında bu problem fazla oluşmaz.
Reaktivite, gazlaştırıcı içerisinde CO'in CO₂ 'e indirgenmesi olarak tanımlanır. Yakıtın tipine bağlı olarak reaktivite değişir. Örneğin odun kömüre göre daha reaktif bir yakıttır.
Elementel analizle de yakıtın bünyesinde bulunan C, H, O, N, S oranları belirlenir. Bu değerler; çıkan gazın bileşimi, ısıl değeri ve sıcaklık limitleri hakkında bilgi verir. Böylece enerji ve kütle denkliklerinin kurulmasına yardım eder.
Biyokütle atıklarının yakılması ile ilgili önemli problemlerden birisi de yakıtta bulunan sülfür, nitrojen, klorin ve diğer bileşenlerin gaz içerisinde SO₂, NO_X, N₂O, HCl, dioksin ve furan'a dönüşmesidir. Biyokütle yakma sistemlerinde yakma prosesinin kül ergime sıcaklığının altında olması nedeniyle yüksek miktardaki yanmamış kirleticiler beklenebilir. Bununla beraber bu kirleticileri kontrol etmek daha kolaydır. Bu da uygun bir reaktör tasarımı ve çok geçişli yakma uygulanarak sağlanabilir. Biyokütle içinde N ve S kömüre göre göreceli olarak oldukça düşük olduğundan SO₂, NO_X ve N₂O gibi emisyonlar fosil kökenli yakıtların yanmasından çıkan değerlere göre oldukça düşüktür (http://www.members.tripod.de/cturate.fue.html, 2000).

4.3.3. Gazlaştırıcı tipleri
Gazlaştırma birbirini takip eden üç adımda gerçekleşir. Bunlar:

• 
  kurutma: nemin uzaklaştırılması işlemi,
  
• 
  piroliz: gaz, katran, yağ ve katı char oluşturma işlemi,
  
• 
  gazlaştırma: car ve piroliz ürünlerinin gazlaştırılması işlemi,
  

olmaktadır.
Biyokütle ve hayvansal atıklar başlangıçta bir katı yakıt olup, çeşitli modifikasyonlar yapılmadan enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılması zordur. Biyokütleyi, gaz ve sıvı enerji taşıyıcıları haline getirerek değerlendirmek uygulamalarda büyük avantajlar sağlar. Bu da ancak gazlaştırıcılarla mümkün olmaktadır. Biyokütle yakıtlı gazlaştırıcı sistemlerinin tasarımında güç için bir çalışma bölgesi bulunur. Kurulacak yere ve yakıta bağlı olarak bu sistemlerin 1-100MWe arasında tasarlanması ekonomik açıdan tercih edilir. Şekil 4.4'de farklı güç bölgeleri için en uygun gazlaştırıcı tipleri verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi 1.3 MW yakıt gücüne kadar olan sistemlerde ''Downdraft'' gazlaştırıcılar seçilirken, 1-25 MW yakıt güçlerinde hem ''Updraft'' hem de ''Bubbling akışkan yatak'' gazlaştırıcılar tercih edilebilmektedir. 100MW yakıt gücünün üzerinde ise ''basınçlı akışkan yatak'' gazlaştırıcılar kullanılır(Rensfelt, 1999).


Şekil 4.4. Yakıt kapasitesine göre gazlaştırıcı seçimi
Tablo 4.25'de gazlaştırma için çeşitli gazlaştırıcı reaktör tipleri verilmiştir. Temel olarak sabit yatak, akışkan yatak, hareketli yatak ve diğerleri olmak üzere 4 tip gazlaştırıcı tasarlanabilmektedir. Tablo 4.26’da ise seçilmiş gazlaştırıcılar için reaksiyon sıcaklığı ve güç bölgeleri verilmiştir (Bridgwater, 1995).
Tablo 4.25. Gazlaştırıcı tipleri

1.Sabit yatak

Downdraft: katı akışı ve gaz çıkışı aşağı doğrudur

Updraft: katı akışı aşağı doğru, gaz akışı ise yukarı doğrudur.

Concurrent: katı ve gaz akışı aynı doğrultudadır (downdraft)

Counterrurrent: katı ve gaz akışı ters yöndedir (updraft)

Cross-current: katı akışı aşağı doğru, gaz akışı dik doğrultuda sağa veya sola doğrudur

Variations: karışık yatak, iki kademeli gazlaştırma

2. Akışkan yatak

Bubling akışkan yatak: düşük gaz hızı, inert katı reaktörde kalır

Circulating akışkan yatak: inert katı yıkatılır, ayrıştırılır ve yeniden gazlaştırıcıya gönderilir, bazen hızlı akışkan yatak veya ikiz reaktör sistemleri olarak da tanımlanır

3. Hareketli yatak

Katının mekanik taşınması genellikle düşük sıcaklık prosesinde olur, yatay hareketli bir yatak, eğimli ocak, vidalı/burgulu ocak

4. Diğerleri

Rotary kiln: iyi gaz katı teması vardır, katıların da taşınmasından sakınmak için dikkatli bir tasarım gerekir

Cyclonic reaktors: yüksek parçacık hızı ve yüksek reaksiyon oranı verir

Vortex reaktör: siklon reaktöre benzer şekilde çalışır.