Termik santrallerde karbondioksit yakalama ve buhar yoğuşturma için sürdürülebilir, yenilikçi bir sistem tasarımı
A sustainable and innovative system design for carbon dioxide capture and steam condensation in thermal power plants
- Tez No: 932071
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MAHNAZ GÜMRÜKÇÜOĞLU YİĞİT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Karbondioksit Yakalama, Termik Santral, Pasif Soğutma, Çevresel Sürdürülebilirlik, Enerji Verimliliği, Çürük Buhar Yoğuşturma için CO₂ Kullanımı, Carbon Capture, Thermal Power Plant, Passive Cooling, Environmental Sustainability, Energy Efficiency, CO₂ Utilization for Exhaust Steam Condensation
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 291
Özet
Bu doktora tezi, kömür yakan termik santrallerde baca gazı emisyonlarının azaltılması ve karbon emisyonlarının çevresel ve ekonomik değer taşıyan yenilikçi yöntemlerle yeniden değerlendirilmesini amaçlamaktadır. Bu kapsamda, termik santral baca gazlarından kaynaklanan karbondioksit (CO₂) emisyonlarını azaltmak ve atıksız bir teknoloji geliştirmek üzere yeni bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistemin performansı, mevcut literatürdeki solvent bazlı karbon yakalama teknolojileri ve membran sistemleriyle karşılaştırılmış; enerji verimliliği, çevresel etkiler ve uzun vadeli ekonomik faydalar açısından detaylı analizler gerçekleştirilmiştir. Bu yenilikçi sistem, düşük sıcaklık ve yüksek basınç koşullarında çalışan CO₂ sıvılaştırma teknolojilerinin, termik santral baca gazlarından CO₂ yakalama ve sıvılaştırma süreçlerine entegre edilmesi üzerine tasarlanmıştır. Sistem, baca gazında bulunan CO₂'nin sıkıştırılarak sıvı hale dönüştürülmesini sağlamakta ve soğuk ortam koşullarını oluşturmak için sıvılaştırılmış CO₂'nin kapalı bir döngüde yeniden kullanılmasını mümkün kılmaktadır. Sistemde baca gazını soğutmak için ayrı bir cooler sistemi kullanmak yerine, sistemden elde edilmiş ve sıcaklığı -56,4 oC'ye düşürülmüş CO2nin direkt olarak baca gazı içine verilmesinin avantajları ve dezavantajları irdelenmiştir. CO2nin bu şekilde kullanılması, yakalanan CO2 için yeni bir kullanım alanı sağlamaktadır. Sistemde baca gazı sıcaklığı (95 oC), CO2 sıvılaştırma işlemi için kritik sıcaklık noktası olan 31,1 oC'nin altına (31 oC'ye) düşürülmektedir. Baca gazının soğutulması için gerekli CO2 debisi 713,5 kg/s olarak hesaplanmıştır. CO2'nin, baca gazı soğutulması için kullanılması ve sıcaklığının 31 oC'ye düşürülmesi sırasında, baca gazı içinde bulunan su buharı da ayrı bir yoğuşturucuya ihtiyaç duyulmaksızın yoğuşacaktır. Yoğuşmuş su, baca gazı soğutma ve CO2 yakalayarak sıvılaştırma sistemine entegre edilen yoğuşmuş su toplama, tahliye ve depolama sistemi ile ayrıştırılacaktır. Baca gazından yoğuşturularak elde edilen bu suyun debisi 13,28 kg/s , elde edilen yıllık su miktarı 418.798,08 tondur. Depolanan su yine termik santralden yakalanan uçucu külün ıslatılmasında kullanılacaktır. Termik santral bacasından yakalanan uçucu külün debisi 9,6 kg/s ve yıllık yakalanan kül miktarı 302.745,6 ton olarak hesaplanmıştır. Çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri bulunan uçucu külün yakalanması, bu etkilerin giderilmesine katkı sağlamakla birlikte, belirli sanayi sektörlerine hammadde temini için de önemli bir fırsat sunmaktadır. Özellikle çimento ve yapı malzemeleri gibi endüstrilerde geniş kullanım alanına sahip olan uçucu kül, termik santraller için ek bir gelir kaynağı oluşturabilir. Bu durum, çevresel sürdürülebilirliğin desteklenmesinin yanı sıra ekonomik faydaların artırılmasına da olanak tanımaktadır. Sistemde kullanılan kompresörün enerji ihtiyacının yüksek olduğu tespit edilmiştir (306,6 MW). Ancak, membran teknolojisinin entegrasyonu ile baca gazı soğutma işlemi için yüzey soğutmalı bir boylerin ABG soğutma haznesine eklenmesi, enerji tüketimini önemli ölçüde azaltma potansiyeline sahiptir (14 MW). Bu entegrasyon, elde edilen CO₂'nin %100 saflıkta olması sayesinde yeniden kullanım alanlarının genişlemesi ve piyasaya arz edilmesiyle sağlanacak ekonomik kazançların yalnızca sistem maliyetlerini dengelemekle kalmayıp, aynı zamanda önemli ölçüde kârlılık sağlayabileceğini göstermektedir. Bu durum, sistemin ekonomik sürdürülebilirliğini artırarak yenilikçi bir yatırım modeli olarak öne çıkmasına katkıda bulunmaktadır. Çalışma kapsamında, termik santral baca gazlarından kaynaklanan yıllık 10.596.096 ton CO₂ emisyonunun yakalanması için yaklaşık 481 milyon ağaç ve 1.059.610 hektar orman alanına ihtiyaç duyulduğu hesaplanmıştır. Bu alan, Türkiye'nin toplam orman varlığının %4,56'sına ve toplam yüzölçümünün %1,4'üne tekabül etmektedir. Böyle bir alanın yalnızca karbon emisyonlarını dengelemek için tahsis edilmesinin ekolojik ve ekonomik açıdan sürdürülebilir bir alternatif olmadığı ortaya konmuş; bu durum, karbon yakalama teknolojilerinin gerekliliğini güçlü bir şekilde vurgulamıştır. Tezin ikinci bölümünde, termik santral baca gazından elde edilen CO₂'nin çürük buharın yoğuşturulması için kullanımı analiz edilmiştir. Termik santrallerde çürük buhar yoğuşturma işleminde kullanılan soğutma suyu, genellikle iki farklı yöntemle yönetilmektedir. Kapalı döngü sistemlerde soğutma suyu, soğutma kuleleri veya havuzlarda soğutularak yeniden kullanılmak üzere sisteme geri döndürülür. Bu yöntem, su kaynaklarının sınırlı olduğu bölgelerde tercih edilmektedir. Açık döngü sistemlerde ise soğutma suyu, sıcaklığı arttıktan sonra doğrudan kaynağına (deniz, göl veya nehir) deşarj edilmektedir. Bu işlem, özellikle su kaynaklarının bol olduğu bölgelerde yaygın olmakla birlikte, termal kirlilik ve ekosistem üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle çevresel düzenlemelerle sınırlandırılmaktadır. Her iki yöntem de çevresel etkiler ve sürdürülebilirlik açısından dikkatle değerlendirilmesi gereken süreçlerdir. Deniz suyunun çürük buhar yoğuşturma sürecindeki rolü incelenmiş ve bu işlem için yıllık 1.823.231.064 ton deniz suyuna ihtiyaç duyulduğu belirlenmiştir. Termik santrallerin soğutma suyu kullanımına bağlı olarak ortaya çıkan çevresel etkiler, su ve atmosfer üzerinde ciddi sonuçlar doğurmaktadır. Kullanılan soğutma suyunun yaklaşık %5'i atmosfere su buharı olarak salındığında, hem ısı adası etkisinin şiddetlenmesine neden olmakta hem de güçlü bir sera gazı olan su buharının atmosferde birikimi nedeniyle sera etkisini artırmaktadır. Atmosferdeki su buharı birikimi, yerel sıcaklık artışlarına ve iklim dengesizliklerine yol açarken, atmosferik nem oranındaki artış ise aşırı hava olaylarının sıklığını ve şiddetini artırarak ekosistemler ve insan yaşamı üzerinde önemli olumsuz sonuçlara neden olmaktadır. Soğutma suyunun kalan %95'i ise sıcaklığı artmış bir şekilde çevredeki su kaynaklarına, genellikle denizlere, göllere ve nehirlere, deşarj edilmektedir. Bu durum, termal kirlilik olarak bilinen bir etkiye yol açmakta ve yalnızca deniz ekosistemlerini değil, aynı zamanda tatlı su ekosistemlerini de olumsuz etkilemektedir. Denizlerde ve tatlı sularda doğal sıcaklık dengesinin bozulması, balık, amfibi ve plankton gibi birçok türün metabolik oranlarını etkileyerek büyüme hızlarını ve üreme kapasitelerini azaltmakta, oksijen çözünürlüğünü düşürerek oksijene bağımlı türlerin yok olmasına neden olmaktadır. Ayrıca, termal kirlilik istilacı türlerin yayılmasına zemin hazırlamakta ve biyoçeşitliliğin azalmasına yol açmaktadır. Tasarlanan sistemde, deniz suyu yerine kapalı devrede CO₂ kullanımı önerilmektedir. Bu yöntem, santralin mevcut çürük buhar yoğuşturma sisteminin kullanılmaya devam etmesini sağlayarak ek yatırım maliyetlerini önlemektedir. Mevcut sistemin yalnızca modifiye edilmesiyle, yoğuşturma boylerinde soğutucu akışkan olarak su yerine CO₂ kullanımı mümkün hale getirilecektir. Bu yenilikçi yaklaşım, yakalanan CO₂'nin yeniden kullanım alanlarını genişletmekte ve çevresel faydalarını artırmaktadır. Sistem analizleri, çürük buharın yoğuşturulması için gerekli olan CO₂ debisini 7.823,8 kg/s olarak hesaplamıştır. Sistemin CO₂'yi kapalı devrede döngüsel olarak kullanması, bu gazın çevreye veya insan sağlığına herhangi bir olumsuz etkisinin bulunmamasını garanti etmektedir. Bu yaklaşım, CO₂'nin kontrol altında tutulmasını sağlayarak hem çevresel sürdürülebilirliği desteklemekte hem de insan sağlığına yönelik riskleri tamamen ortadan kaldırmaktadır. Bu yöntem, yalnızca çevresel etkileri azaltmakla kalmayıp, su tüketimini ve termal kirliliği önemli ölçüde düşürme potansiyeline sahiptir. Deniz ve tatlı su kaynakları üzerindeki baskının azaltılması, ekosistemlerin korunmasına katkı sağlarken, aynı zamanda suyun sürdürülebilir kullanımını desteklemektedir. Bu yaklaşım, termik santrallerde su kaynaklarına bağımlılığı azaltarak, enerji üretiminde çevre dostu bir paradigma değişikliği sunmaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, termik santrallerde karbon emisyonlarını ortadan kaldırmaya yönelik yenilikçi ve uygulanabilir bir çözüm sunmaktadır. Önerilen sistem, karbon ayak izinin azaltılması, enerji maliyetlerinin düşürülmesi ve doğal kaynakların korunması gibi kritik alanlarda uygulanabilir bir model oluşturmanın yanı sıra, çevresel sürdürülebilirlik hedeflerine de katkı sağlamaktadır. Tasarlanan CO₂ yakalama ve sıvılaştırma sistemi, yalnızca termik santrallerde değil, aynı zamanda baca gazıyla CO₂ salınımı gerçekleştiren çimento fabrikaları, çelik üretim tesisleri ve petrokimya endüstrisi gibi çeşitli sanayi dallarında da uygulanabilecek geniş bir potansiyele sahiptir. Ayrıca, çürük buhar yoğuşturma sisteminin sunduğu çözüm, yalnızca enerji santralleriyle sınırlı kalmayıp, endüstriyel tesislerdeki yoğuşturma ihtiyaçlarını karşılamak için de etkin bir alternatif sunmaktadır. Bu çalışma, karbon yakalama ve yeniden kullanım süreçlerinin enerji sektörü dışındaki uygulamalarını da kapsayarak, çevresel sürdürülebilirliğe katkı sağlayacak öncü bir teknoloji olabileceğini kanıtlamaktadır. Bu yönüyle, önerilen sistem, küresel ölçekte karbon yönetimi ve kaynak verimliliği hedeflerine ulaşmada yenilikçi bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır.
Özet (Çeviri)
This doctoral thesis aims to reduce flue gas emissions and reevaluate carbon emissions from coal-fired thermal power plants through innovative methods with environmental and economic value. Within this scope, a novel system has been proposed to mitigate carbon dioxide (CO₂) emissions from thermal power plant flue gases and to develop a zero-waste technology. The performance of the proposed system has been analyzed in comparison with solvent-based carbon capture technologies and membrane systems in the literature, focusing on energy efficiency, environmental impacts, and long-term economic benefits. This innovative system is designed based on CO₂ liquefaction technologies operating under low temperatures and high pressures, integrating these processes into carbon capture and liquefaction systems for thermal power plant flue gases. The system enables the compression and liquefaction of CO₂ present in the flue gas and facilitates its reuse in a closed-loop cycle to create cold ambient conditions. Instead of using a separate cooler system for flue gas cooling, the system utilizes CO₂ cooled to -56.4°C directly within the flue gas. The advantages and disadvantages of this approach have been examined. This method provides a new utilization pathway for captured CO₂. The flue gas temperature (95°C) is reduced to 31°C, which is below the critical temperature for CO₂ liquefaction (31.1°C). The required CO₂ flow rate for flue gas cooling has been calculated as 713.5 kg/s. During the cooling of the flue gas with CO₂ and its reduction to 31°C, the water vapor in the flue gas will condense without requiring an additional condenser. The condensed water will be separated via a water collection, discharge, and storage system integrated into the flue gas cooling and CO₂ capture-liquefaction system. The flow rate of condensed water recovered from the flue gas is 13.28 kg/s, yielding an annual water recovery of 418,798.08 tons. The stored water will be reused for wetting the fly ash captured from the thermal power plant. The fly ash capture rate has been calculated as 9.6 kg/s, corresponding to an annual capture of 302,745.6 tons. Capturing fly ash, which has adverse effects on human health and the environment, not only mitigates these impacts but also provides a significant opportunity for supplying raw materials to certain industrial sectors. Particularly in industries such as cement and building materials, fly ash has a broad range of applications, potentially creating an additional revenue stream for thermal power plants. This contributes to both environmental sustainability and increased economic benefits. The energy requirement of the compressor used in the system has been identified as high (306.6 MW). However, integrating membrane technology and incorporating asurface-cooled boiler into the flue gas cooling chamber (ABG cooling chamber) holds the potential to significantly reduce energy consumption (by 14 MW). This integration enables the production of CO₂ with 100% purity, facilitating the expansion of its reuse areas and economic gains from market supply. These advantages not only offset the system costs but also demonstrate significant profitability, enhancing the economic sustainability of the system as an innovative investment model. As part of this study, the annual CO₂ emissions of 10,596,096 tons from thermal power plant flue gases have been analyzed. It has been calculated that approximately 481 million trees and 1,059,610 hectares of forest area would be required to offset this carbon emission. This area corresponds to 4.56% of Turkey's total forest assets and 1.4% of its total land area. Dedicating such an area solely to balance carbon emissions has been demonstrated to be neither ecologically nor economically sustainable, emphasizing the necessity of carbon capture technologies. In the second part of the thesis, the use of CO₂ captured from thermal power plant flue gases for condensing low-pressure steam (exhaust steam) has been analyzed. Cooling water management in thermal power plants has been categorized into two main methods. In closed-loop systems, cooling water is recirculated back into the system after being cooled in towers or ponds. This method is commonly preferred in regions with limited water resources. In open-loop systems, heated cooling water is discharged directly into its source (sea, lake, or river). Although prevalent in areas with abundant water resources, open-loop systems are limited by environmental regulations due to their thermal pollution and negative effects on ecosystems. Both methods require careful consideration of environmental impacts and sustainability. The role of seawater in the condensing process of low-pressure steam has been examined, revealing an annual requirement of 1,823,231,064 tons of seawater for this purpose. The environmental impacts of cooling water usage in thermal power plants have severe consequences for both water and atmospheric systems. Approximately 5% of the used cooling water is released into the atmosphere as water vapor, intensifying urban heat island effects and contributing to the greenhouse effect due to water vapor being a potent greenhouse gas. The accumulation of water vapor in the atmosphere leads to localized temperature increases, climate imbalances, and an uptick in extreme weather events, causing significant negative effects on ecosystems and human life. The remaining 95% of the cooling water is discharged, heated, into surrounding water sources, such as seas, lakes, and rivers. This results in thermal pollution, adversely impacting not only marine ecosystems but also freshwater ecosystems. The disruption of natural temperature equilibrium in these systems affects species like fish, amphibians, and plankton, reducing their growth and reproductive capacities while decreasing oxygen solubility, leading to the extinction of oxygen-dependent species. Thermal pollution also promotes the spread of invasive species, reducing biodiversity. The use of freshwater resources for cooling water supply, particularly in water-stressed countries like Turkey, exacerbates the challenges of sustainable water use. Strategic freshwater sources, such as lakes and rivers, face increased pressure from this usage, creating environmental, social, and economic issues. This underscores the importance of minimizing freshwater dependency in thermal power plants to ensure environmental sustainability. The proposed system recommends replacing seawater with a closed-loop CO₂ system. This approach allows the continued use of the existing low-pressure steam condensation system, avoiding additional investment costs. By modifying the currentsystem, CO₂ can replace water as the cooling medium in condenser coils. This innovative solution expands the reuse areas of captured CO₂ while amplifying its environmental benefits. System analyses determined the required CO₂ flow rate for low-pressure steam condensation as 7,823.8 kg/s. The closed-loop circulation of CO₂ ensures that it has no adverse impacts on the environment or human health. This approach maintains control over CO₂, supporting environmental sustainability while eliminating health risks. This method not only reduces environmental impacts but also significantly decreases water consumption and thermal pollution. By alleviating the pressure on marine and freshwater sources, it supports ecosystem preservation and the sustainable use of water resources. This approach offers an environmentally friendly paradigm shift in energy production by reducing water dependency in thermal power plants. In conclusion, this thesis presents an innovative and feasible solution for eliminating carbon emissions in thermal power plants. The proposed system establishes a practical model for reducing carbon footprints, lowering energy costs, and conserving natural resources while contributing to environmental sustainability goals. The designed CO₂ capture and liquefaction system has wide applicability, not only in thermal power plants but also in various industrial sectors, such as cement factories, steel production facilities, and petrochemical industries, where CO₂ emissions are generated. Furthermore, the low-pressure steam condensation system provides a viable alternative for condensation requirements in industrial facilities beyond energy plants. This study demonstrates that carbon capture and reuse processes can extend beyond the energy sector to support environmental sustainability, establishing the proposed system as a pioneering technology. This innovative approach offers a valuable contribution to global carbon management and resource efficiency goals.
Benzer Tezler
- Karbon yakalama ve depolama ile petrol geri kazanımı teknolojilerinin birlikte uygulanmasının fizibilitesi
Feasibility of co-application of carbon capture and storage and oil recovery technologies
EMİNE SIĞIRTMAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiKütahya Dumlupınar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZER AYDIN
- Termik santrallerin çevreye olumsuz etkileri ve alınabilecek önlemlerin değerlendirilmesi
Negative impacts of power plants on the environment and evaluation of possible precautions
BURCU ATAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET YUNUS PAMUKOĞLU
- Kül sınıflandırma tesisinde farklı akış kolları için çimento ve beton kalite değerlendirmesinin yapılması
Cement and concrete quality assessment for different streams in the ash classification plant
ERGİN SARP ZENCİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OKAY ALTUN
- Inconel x-750 nikel bazli alaşiminin tornalanmasinda kesme şartlarinin yüzey bütünlüğüne etkisinin i̇ncelenmesi
The effect of cutting conditions on surface ıntegrity when turning ınconel x-750 nickel based superalloy
MUHEMMED TAŞBAŞI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA AY
- CO2 akışkanlı transkritik bir güç çevriminin termodinamik analizi
Thermodynamic analysis of a transcritical power cycle using CO2
VOLKAN CEYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiIsparta Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARİF EMRE ÖZGÜR