Plazma gazlaştırma
Plasma gasification
Yazar: İBRAHİM YAYALIK
Danışman: PROF. DR. AHMET KOYUN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ülkemizde şehirleşmenin hızla artmasıyla birlikte enerji bağımlılığı gün geçtikçe daha da artmaktadır. Enerji ihtiyacı, büyük bölümü ithal edilen petrol, doğalgaz ve kömür gibi fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Evsel atıkların çevre kirliliği, küresel ısınma, düzenli depolama maliyetleri ile enerji ihtiyaçlarının ve maliyetlerinin artması nedeniyle enerjiye dönüştürme çalışmaları hız kazanmaktadır. Aşırı enerji ihtiyacı ve çevresel sorunlar; düşük kalorili kömürler, biyolojik atıklar ve evsel atıkların enerji kaynağı olarak kullanılmalarını sağlamak amacıyla araştırmacılar tekrar termik proseslerden gazlaştırma üzerine yoğunlaşmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, detaylı bir ayrıştırmaya ihtiyaç duymadan gazlaştırarak ve ergiterek atıkların değerlendirilmesine olanak sağlayan plazma gazlaştırma teknolojisi seçilmiştir. Evsel katı atıkların kimyasal bileşenleri ve gazlaştırma tepkimeleri incelenerek plazma gazlaştırma reaktörü dizaynı için gerekli parametrelerin büyüklüklerini tespit etmek için bir bilgisayar yazılımı gerçekleştirilmiştir. Yazılım sonuçlarına uygun olarak 10 Kg/h gazlaştırma kapasiteli, sürekli akışlı, atmosferik basınçlı ve 1600°C kadar çıkabilen bir plazma reaktörü boyutlandırılarak inşa edilmiştir. 
600 _1600°C arasında yapılan gazlaştırmalarda atıktaki bileşenler elementel düzeyde çok hızlı tepkimeler oluşturmuştur. Düşük sıcaklıklarda yüksek enerjili gazların oluşması yanında tepkimeye girmeyen karbonların siyah karbon olarak değerlendirilebilecektir. 1400°C'ye doğru oluşan gazın enerji değerinin düşmesi yanında siyah karbon oluşumunun da durduğu ve 1600°C'de farklı bir dönüşüm mekanizmasının gerçekleşmektedir. İlk aşamada oluşan gazların ikinci aşamada daha yüksek kalorili hidrokarbonlara dönüştüğü, dolayısıyla gaz veriminin artmasıyla diğer metotlara göre farklı ve avantajlı bir perspektif oluşturduğu görülmüştür.
Plazma, oksijenle plazma ve buharla plazma gazlaştırmaların en verimli olduğu parametreler, avantaj ve dezavantajları ile düşük ve orta sıcaklıklarda oluşan gaz ürünlerin kalori değeri yanında, hızlı tepkime sonucu oluşan ve bacada tutulan karbonun da endüstriyel değerinin olabileceği yöntemler çalışılmıştır. Sonuç olarak, düşük sıcaklıklarda plazma ve oksijenle plazma gazlaştırma verimli iken buharla plazma gazlaştırma verimsiz olduğu görülmüştür. Yüksek sıcaklıklarda ise her üç yöntem de yaklaşık olarak aynı verimliliğe gelmektedir. 1600°C ve üstü sıcaklıkta reaktör girişine oksijen ve gazlaştırma çıkış bölgesine buhar besleyerek daha kalori değeri yüksek gaz ürünlerin oluşumu gerçekleşebilir.

Anahtar kelimeler: Evsel katı atıklar, Plazma gazlaştırma, Ekserji, Enerji

Abstract:
Energy dependence is increasing day by day, with rapid increase in urbanization of our country. Main energy resources are fossil fuels such as oil, natural gas and coal, the majority of which is imported. Together with increasing environmental pollution and global problems, energy and its storage costs are becoming bigger concern. Increasing energy needs and above given problems had accelerated energy conversion researches. One of the methods that researchers are focused is employing gasification thermal process to use low-calorie coal, biological waste and municipal waste as an energy source. 
Plasma gasification technology, which does not need a detailed decomposition, has been chosen for the study. In this technology, wastes are converted to energy source with gasification and fusion.
A plasma gasification reactor is needed to examine chemical components and gasification reactions of municipal solid wastes. Software was written to determine the necessary parameters for correct design of the reactor. A plasma reactor was constructed according to the results of the software. The reactor has the following features: 10 kg/h gasification capacity, continuous flow, atmospheric pressure and ability to work up to 1600°C.
Gasification at 600-1600°C carried out. It has been observed that waste components created very fast reactions on elemental level. At low temperatures, non-reactive carbons which named as black carbons are formed as well as high energy gases. When the temperature is around 1400°C, energy value of the formed gas dropped and Black Carbon formation is stopped. At around 1600°C, a different mechanism of conversion was observed; the gases which are formed at the first stage are turned into higher calorie hydrocarbons in the second stage. Thus, increased gas efficiency generates a different and advantageous perspective compared with other methods.
Plasma, oxygen plasma and steam plasma gasification methods are examined. Advantages and disadvantages, the most efficient parameters, resulting gas products' calorific values in low and moderate temperatures, and potential industrial value of the black carbon held in the output channels have been studied.
As a result, plasma and oxygen plasma gasification are efficient, and steam plasma gasification is inefficient at low temperatures. All three methods has about the same efficiency at high temperatures. At temperatures of 1600°C and above, feeding oxygen to the reactor inlet and steam to gasification output might result in formation of higher calorific value gas products. This approach can be examined in the future works.

Keywords: Municipal solid waste, Plasma gasificiation, Exergy, Energy.