High temperature pyrolysis of composite wastes for syngas production
Kompozit atıklardan yüksek sıcaklık pirolizi ile sentez gazı üretimi
- Tez No: 827864
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Küresel ölçekte enerjiye olan talebin hızlı bir şekilde artması, alternatif enerji kaynaklarına ve enerji üretim yöntemlerine olan ihtiyacın daha da önemli hale gelmesine sebep olmaktadır. Mevcut enerji arzında fosil yakıtların sahip olduğu yüksek orandaki pay göz önüne alındığında, alternatif enerji kaynklarının enerji arzına dahil edilmesi sürdürülebilirlik noktasında büyük önem arz etmektedir. Alternatif enerji kaynakları arasında atıklar son yıllarda öne çıkan en önemli kaynaklardan birisidir. Avrupa Birliği Yeşil Mutabakat'ta da bahsedildiği üzere atık yönetimi sisteminin yeniden ele alınması, başta evsel ve endüstriyel olmak üzere, atıkların uygun teknolojiler ile değerlendirilmesi ve katma değeri yüksek ürünler elde edilmesi sürdürülebilir kalkınma ve döngüsel ekonomi açısından büyük öneme sahiptir. Atıkların enerji üretiminde değerlendirilmesi konusunda öne çıkan seçenekler arasında termal dönüşüm yöntemleri bulunmaktadır. Yakma, gazlaştırma ve piroliz termal dönüşüm yöntemleri olarak adlandırılmaktadır. Bu üç farklı yöntem arasındaki temel fark reksiyon ortamında oksijenin bulunma durumudur. Günümüzde atıklar yaygın olarak yakma teknolojisi ile değerlendirilmekte ve elektrik/ısı enerjisi üretilmektedir. Mevcut emisyon seviyeleri göz önüne alındığında, yakma teknolojisi atıkların enerji arzına dahil edilmesi noktasında sürdürülebilir bir yöntem olarak değerlendirilmemektedir. Diğer termal dönüşüm yöntemleri olan gazlaştırma ve piroliz ise yakma ile kıyaslandığında daha sürdürülebilir ve çok yönlü teknolojiler olarak değerlendirilmektedir. Gazlaştırma ve piroliz teknolojileri yardımıyla atıklardan ikincil enerji taşıyıcıları elde edilebilmektedir. Gaz, sıvı veya katı formda olabilen bu ikincil enerji taşıyıcılarından farklı sıvı yakıtlar, kimyasallar ve elektrik enerjisi üretilebilmktedir. İkincil enerji taşıyıcılarından biri olan sentez gazı, içeriğinde yüksek oranda karbon monoksit, metan ve hidrojen bulunan bir gaz karışımıdır. Gazlaştırma ve piroliz teknolojilerinin gaz ürünü olan sentez gazı, doğrudan elektrik enerjisi üretiminde kullanılabildiği gibi, farklı teknolojiler yardımıyla sıvı ve gaz yakıtlara dönüştürülebilmektedir. Bu çalışmada hidrojen ve metanca zengin sentez gazı üretimine yönelik olarak piroliz teknolojisi ile kompozit etiket atıkları ve benzer bileşimine sahip ticari peletlerin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Kompozit etiket atıkları Frimpeks A.Ş.'den rulolar halinde temin edilmiştir. Yapılarında boya, kaplama maddesi ve tutkal gibi katkılar bulunan bu atıklar, kompozit atık olarak sınıflandırılmaktadır. Selüloz ve plastik olmak üzere iki farklı türde bulunan kompozit etiket atıkları çeşitli ön işlemlere tabi tutulmuştur. Ön işlem amacıyla rulolar önce parçalanmış ve daha sonrasında peletleme makinası yardımıyla peletlenmiştir. İhtiva ettikleri tutkal ve sebebiyle peletleme işleminde herhangi bir katkı maddesi ilave edilmemiştir. İkinci olarak karşılaştırma için ABD'den benzer bileşimdeki ticari peletler temin edilmiştir. ABD'den temin edilen ticari pelet örneği için herhangi bir ön işlem uygulanmamıştır. Yerli olarak temin edilen kompozit etiket atıklarına ait peletler ve ticari pelet örneği çeşitli karakterizasyon işlemlerine tabi tutulmuştur. Karakterizasyon amacıyla pelet örnkeleri ile kısa analiz, elementel analiz, kalorifik değer tayini, termal gravimetrik analiz, X-ışını floresansı ve endüktif olarak eşleşmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi gibi iyi bilinen tekniklerle işlemler gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon işlemlerinin ardından bu atıklar ile piroliz testleri gerçekleştirilmiştir. Piroliz testlerinde sisteme beslenecek kompozit atıklara ait karışım oranları için Frimpeks A.Ş.'den bu atıklara ait yıllık oluşum miktarı bilgisi temin edilmiştir. Yıllık oluşum miktarları göz önüne alınarak dört farklı hammadde reçetesi hazırlanmıştır. Farklı oranlarda selüloz ve plastik içeren bu reçetelere ilave olarak sadece ticari pelet örneğini içeren bir reçete de çalışmalarda kullanılmıştır. Kompozit atıkların piroliz davranımlarının tespit edilmesi amacıyla bir dizi piroliz testi gerçekleştirilmiştir. Bu piroliz testleri için hem kesikli reaktör hem de pilot ölçek sürekli reaktör sistemleri kullanılmıştır. Kesikli reaktörde dört farklı reçete için elde edilen sonuçlar sentez gazı veriminin peletlerin plastik içeriği ve piroliz sıcaklığı ile arttığını göstermiştir. Kesikli reaktörde plastik içeren reçeteler ile gerçekleştirilen çalışmalarda vaks oluşumu gözlemlenmiştir. Öte yandan, kesikli reaktör ünitesinde plastik içeren peletler için nispeten yüksek piroliz sıcaklıklarında vaks oluşum miktarının azaldığı da tespit edilmiştir. Aynı reçeteler ile pilot ölçek sürekli reaktör sisteminde gerçekleştirilen piroliz testlerinde ise vaks oluşumu gözlemlenmemiştir. Vaks oluşumu noktasında sürekli sistemde elde edilen bu sonucun daha uzun ikincil parçalanma reaksiyonları ve sistemde bulunan ikincil termal parçalama ünitesi ile bağlantılı olduğu sonucuna varılmıştır. Ek olarak, pilot ölçek sürekli piroliz sitemi bünyesinde bulunan Auger tipi piroliz reaktörünün sahip olduğu konfigürasyonun daha etkin bir ısı transfer mekanizması sağladığı ve bu sayede piroliz işlemi esnasında meydana gelen parçalanma reaksiyonlarının veriminin arttığı sonucuna varılmıştır. Farklı oranlarda selüloz ve plastik içeriğine sahip reçetler ile gerçekleştirilen piroliz testlerinde elde edilen sonuçlar, piroliz sıcaklığına, reaktör konfigürasyonuna ve reaksiyon moduna (kesikli veya sürekli) bağlı olarak piroliz ürünlerine ait verimlerin değiştiğini göstermiştir. Çalışmanın amacı yüksek verim ile hidrojen ve metanca zengin sentez gazı elde etmek olduğundan, yüksek piroliz sıcaklığında yani 900 °C'de sürekli piroliz reaktörü üzerinden çalışmalara devam edilmiştir. Bu koşullar altında ikincil termal parçalanma reaksiyonları sayesinde hammaddenin %66 ila %76'sı piroliz gazlarına dönüştürülmüştür. Hidrojen ve metan içerikleri sırasıyla %32-35 ve %21-32 aralığında olan bir gaz ürün elde edilmiştir. Oldukça düşük miktarda pirolitik sıvı ürün (yaklaşık ağırlıkça %10) ile birlikte bakiye çar oluşumu gözlemlenmiştir. Çar miktar ve verimleri ile ilgili elde edilen deneysel sonuçlar ve kısa analiz ile hesaplanan teorik sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sürekli sistemde elde edilen çar miktarının, teorik miktardan ortalama %30 daha fazla olduğu gözlemenmiştir. Bu sonucun, meydana gelen ikincil piroliz reaksiyonlarındaki artıştan kaynaklandığı sonucuna varılıştır. Kesikli piroliz reaktöründe elde edilen sonuçlar ile karşılaştırıldığında, sürekli sistemde pirolitik yağ oluşumu minimize edilerek sentez gazı verimi olabildiğince yüksek değerlere ulaştırılmıştır. Piroliz işlemi esnasında oluşan sıvı buharlarının termal parçalanma ünitesi yardımıyla ikincil bir termal işleme tabi tutulmasının sentez gazı verimini arttırdığı sonucuna varılmıştır. Öte yandan, sisteme beslenen reçete içerisindeki plastik oranı artışının sentez gazı içerisindeki hidrojen ve metan gazlarına ait hacimsel konsantrasyonlar üzerinde pozitif etkiye sahip olduğu tespit edilmiştir. Sürekli reaktörde 900°C'de gerçekleştirilen piroliz testlerinde, besleme içeriğindeki plastik oranı artışı ile birlikte sentez gazı içeriğindeki CO gazına ait konsantrasyonun azaldığı, hidrojen ve metan gazlarına ait konsantrasyonların ise arttığı gözlemlenmiştir. Ticari pelet örneği ile gerçekleştirilen piroliz testlerinde elde edilen sonuçların, yerli kompozit etiket atıklarını içeren ve %30 plastik %70 selüloz içeriğine sahip reçeteye ait sonuçlar ile sentez gazı içeriği ve verimi noktasında benzerlik gösterdiği tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
The increasing demand for energy on a global scale has led to the need for alternative energy sources and alternative energy production methods becoming even more important. Among alternative energy sources, waste is one of the most important sources that have come to the fore in recent years. Evaluating wastes with appropriate technologies and obtaining products with high added value are of great importance in terms of sustainability and circular economy. In this study, it was aimed to evaluate composite label wastes and commercial waste pellets in similar content with pyrolysis technology towards syngas generation rich in hydrogen and methane. Composite label wastes were supplied from Frimpeks A.Ş. in rolls. These rolls were cellulosic or plastic materials. The rolls were shredded and pelleted in mixtures with different cellulose-plastic proportions. Secondly, commercial pellets in similar composition were supplied from USA for comparison. Commercial and in-house prepared pellets were characterized with the well-known techniques such as proximate and ultimate analysis, calorimetry, thermal gravimetric analysis, X-ray fluorescence, inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy. Pyrolysis tests were performed in both the batch reactor and continuous reactor at pilot scale. Experimental results have shown that that syngas yield was improved at increasing plastic content of the pellets and also with pyrolysis temperature. Moreover, wax formation was observed for plastic containing pellets in batch reactor unit but in a less amount at comparatively high temperatures. On the other hand, wax formation was disappeared for the same pellets pyrolyzed in continuous reactor unit, possibly due to the more extended secondary cracking reactions. When the pellets contained some portion of plastics, higher yields of pyrolysis oil and waxes were obtained depending on the pyrolysis temperature, reactor configuration and reaction mode, batch or continuous. Since the objective of study was to obtain high syngas yields rich in hydrogen and methane, studies were continued over continuous pyrolysis reactor at high pyrolysis temperature, namely at 900 °C. Thanks to the secondary thermal cracking reactions under these conditions, 66% to 76% of the feedstock was converted into pyrolysis gases. Hydrogen and methane contents of the gas were in the ranges of 32-35% and of 21-32%, respectively. Quite low pyrolysis liquids were obtained, namely at around 10 %, together with the char as the remaining part.
Benzer Tezler
- Atıkların yüksek sıcaklıkta sürekli pirolizi için yarı-pilot ölçek yeni bir vidalı reaktör geliştirilmesi
Development of a new semi-pilot scale screw reactor for continuous pyrolysis of wastes at high temperature
ANIL ÜNSAÇ
Doktora
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
- Kompozit ambalaj atıklarının pirolizi ve gaz üründen karbon nanotüp eldesi
Pyrolysis of composite packaging wastes and obtaining carbon nanotube from gas product
ECE YAPICI
Doktora
Türkçe
2022
Çevre MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYSUN ÖZKAN
- Sera atıklarından hızlı piroliz ile elde edilen biyoyağın cevap yüzey yöntemi ile optimizasyonu
Optimization of bio-oil obtained from fast pyrolysis of greenhouse wastes by response surface methodology
CANTEKİN ÇORBACIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
EnerjiAkdeniz ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN MERDUN
- Atık tetra pak aseptik ambalajlarından karton, düşük yoğunluklu polietilen, alüminyum bileşenlerinin geri kazanımı
Recycling of paperboard, low density polyethylene, aluminium components from waste tetra pak asepti̇k packages
ILGIM BALTACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Zeytin ve mermer işleme atıkları simbiyozu ile ileri dönüşüm yaklaşımları
Upcycling approaches with olive and marble processing wastes symbiosis
GAMZE GÖKTEPELİ
Doktora
Türkçe
2023
Çevre MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA YEL