Oksi yanma şartlarında oluşan karbondioksidin soğutma/sıkıştırma yöntemiyle tutulması üzerine deneysel çalışmalar
Experimental studies on cooling/compressing of carbon dioxide captured from oxy combustion
Yazar: BERK ÇELİKTAŞ
Danışman: PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son yıllarda artan enerji ihtiyacı, petrol ve doğalgaz kaynaklarının sınırlı olması ve kömür rezervlerinin petrol ve doğalgaz gibi diğer enerji kaynaklarına göre daha geniş bir yayılım gösteriyor olması, kömüre gittikçe daha büyük önem kazandırmaktadır. Ancak fosil yakıtların yakılması, atmosferdeki sera gazlarının da artmasına sebep olmaktadır. Sera gazları içinde en büyük paya sahip olan karbondioksit diğer endüstri kollarında da atmosfere verilse de, en büyük pay enerji sektörüne aittir. Karbondioksit emisyonlarının birim enerji üretiminde miktarını azaltmak için geçmiş yıllardan beri çalışmalar sürdürülmektedir. İklim değişikliğiyle mücadelede etkili olabilmek için karbondioksidi tutma, taşıma ve depolama konusunda yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Karbondioksit tutmanın amacı yüksek basınçta yüksek konsantrasyonda bir depolama sahasına nakledilebilecek bir karbondioksit akışı elde etmektir. 
Fosil yakıtların yakılması sonucu oluşan karbondioksit konsantrasyonlarının amaçlanan emisyon değerlerinde tutulması için farklı teknolojiler kullanılmaktadır. Ancak temel olarak karbondioksit tutulmasında üç farklı yöntem mevcuttur. Bunlar; yanma sonrası yakalama, yanma öncesi yakalama ve oksi yakma sistemleri için yakalamadır. Yakıtların oksijence zengin ortamda yakılması, karbondioksit emisyonlarının azaltılmasında gelecek vaad eden yeni bir teknoloji olarak ortaya çıkmaktadır. Bu teknoloji, normal hava yerine oksijence zengin hava, ya da saf oksijen ile yakma yaparak baca gazındaki karbondioksit konsantrasyonunun artırılması esasına dayanmaktadır. Bu yolla, hava içinde yüksek oranda bulunan azot  (hacimce %79) büyük ölçekte bertaraf edilmekte ve yakıt azotun azaltıldığı atmosferde yakılmaktadır.  Karbondioksit oranın yüksek, azot oranın düşük olduğu bir baca gazının elde edilmesi, karbondioksit tutma teknolojisinde enerji ve yatırım maliyetlerinin önemli ölçüde düşmesini ve karbondioksidin kolayca tutulabilmesini sağlamaktadır. 
Düşük sıcaklıklarda karbondioksit tutulması, oksi yanma sonucu oluşan karbondioksitce zengin baca gazlarından karbondioksidin ayrılmasında yeni bir teknoloji olarak karşımıza çıkmaktadır. Karbondioksidin kriyojenik olarak tutulması, baca gazındaki karbondioksidin faz değiştirmesi için gerekli olan gazların sıkıştırılması ve soğutulmasını içermektedir. Operasyon koşullarına göre karbondioksit katı veya sıvı halde tutulabilmektedir. Kriyojenik karbondioksit ayırma prosesinin en önemli avantajlarından biri, karbondioksidin saf olarak sıvı formda elde edilmesi ve dolayısıyla sıvı formdaki karbondioksidin taşınma işleminin kolaylığıdır. 
Karbondioksidin tutulmasının ardından depolama bölgesine taşınması gerekmektedir. Karbondioksit sıkıştırılmış gaz olarak boru hatlarıyla taşındığı gibi sıvılaştırılmış olarak izole tanklarla gemilerle, karayolu tankerleriyle veya demiryoluyla da taşınabilmektedir. Depolama için farklı yöntemler (petrol ve doğal gaz yatakları, tuzlu su akiferleri, işlenemeyen kömür yatakları) mevcuttur ancak tuzlu su akiferlerinde depolamanın daha kapasiteli, ucuz olduğu ve diğer yöntemlere göre daha az teknolojik ve çevresel risk barındırdığı belirtilmektedir. Depolamanın yapılamadığı durumda karbondioksit çok yönlü özellikleri ile, ürün kalitesini ve verimliliği arttıran bir madde olması nedeniyle birçok endüstride geniş kullanım alanına sahiptir. Karbondioksit doğrudan kullanılabilmekte veya kimyasallara dönüştürülebilmektedir.
Tezin ikinci ve üçüncü bölümlerinde, prosesin işleyişinin tam olarak anlaşılabilmesi için oksi yanma teknolojisi ve karbondioksit tutma ve depolama sistemleri ile ilgili yapılmış çalışmalar detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu bölümden yola çıkarak tezin dördüncü bölümünde tasarım ve imalatı gerçekleştirilen laboratuvar ölçekli deney sistemi tanıtılmıştır.
Çalışmada ülkemizde bolca bulunan linyitlerin oksi yanma prosesinde verimli bir şekilde yakılması sonucu açığa çıkacak olan karbondioksitce zengin baca gazından soğutma/sıkıştırma yöntemiyle karbondioksidi tutma ve depolama sistemlerine ait deneysel bir alt yapının tasarlanıp kurulması amaçlanmıştır. Karbondioksidin soğutma/sıkıştırma yöntemiyle tutulduğu bu teknolojide kriyojenik karbondioksit tutma teknolojisinin aksine, yüksek basınç ve çok düşük olmayan sıcaklıklarda çalışılmaktadır. Laboratuvar ölçeğinde kurulumu gerçekleştirilen deney düzeneği; simülasyon gazları karıştırma ve hazırlama sistemi, simülasyon gazları ile hazırlanan karbondioksitce zengin baca gazından su ayırma ünitesi, karbondioksit tutma ve depolama ünitesi, proglamlanabilir lojik kontrol (PLC) sistemi ve gaz kromatografi cihazı olmak üzere 5 ana bölümden meydana gelmiştir.
Gerçekleştirilen ön deneyler sonucu simülasyon gazları ile hazırlanan karbondioksitce zengin baca gazından su ayırma ve karbondioksit tutma ve depolama ünitelerinde bazı revizyonlar yapılmıştır. Yapılan revizyonlarla"Laboratuvar Ölçekli CO2 Tutma ve Depolama Deney Düzeneği" güvenilir deneyler yapılabilir duruma gelmiştir.
Tezin beşinci bölümünde, karbondioksit gazının yüksek basınçta sıvılaştırılıp baca gazından ayrılmasına baca gazı bileşiminde ana bileşenler olarak bulunan oksijen, azot ve su buharının etkilerinin araştırıldığı deneysel çalışmaların sonuçları ve değerlendirmeleri verilmiştir. Soğutma ve yüksek basınçta sıkıştırma yöntemiyle baca gazından karbondioksidin sıvılaştırılıp ayrılması deneyleri beş grupta tasarlanmıştır. Bunlar; sıvılaştırılmış saf karbondioksidin azot ve oksijen ortamında davranımı, karbondioksit gazının yüksek basınçta sıvılaştırılmasına azot ve oksijenin ayrı ayrı etkileri, karbondioksidin ayrılmasında azot ve oksijenin birlikte etkisi ve sisteme gönderilen su buharının yoğuşturulma performansının incelenmesidir. 
Deneylerin sonuçları; oksijenin yüksek basınçta sıvı karbondioksitte çözünmesiyle tutulan karbondioksidin saflığını düşürdüğünü ve karbondioksidin saflığını düşürmede oksijenin baca gazındaki mol yüzdesindeki artışın etkisinin azota göre daha fazla olduğunu göstermiştir. Karbondioksit-oksijen durumunda ayrılma verimlerinin karbondioksit-azot durumuna göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca karbondioksidin baca gazındaki konsantrasyonun artması ayrılma verimini de arttırmıştır. Su buharı eklenerek yapılan deneylerde beslenen suyun % 95'inden fazlası yoğuşturulabilmiştir.

Abstract:
The importance of coal in energy generation is becoming highly essential. Due to its broad availability, safe and secure supply, low cost, coal is very popular. Among fossil fuels, the world's coal reserves remain the largest in terms of energy content. One of the most important challenge in environmental protection is global warming, which is caused by large amounts of greenhouse gas emissions, especially carbon dioxide. As known, carbon dioxide amount in the atmosphere is increasing rapidly as a result of use of primary fossil fuels in various fields. Precautions must be taken to reduce carbon dioxide emissions and consequently prevent global warming. Therefore, carbon capture and storage (CCS) is considered to be one of the most significant methods in carbon dioxide reduction, since it is reported that 90% of carbon dioxide emissions are generated by the combustion of fossil fuels. There are three main technology options exist for carbon dioxide capture: post-combustion, pre-combustion and oxy-combustion.
Among post and pre-combustion carbon dioxide capture from industrial processes, chemical or physical sorption and membrane separation are prevailing fields of research. However, oxy-combustion is starting to take attentions currently for carbon capture. Oxy-combustion process includes the removal of nitrogen from the air with an air separation unit (ASU). In oxy-combustion, the fossil fuel is combusted with near-pure oxygen using recycled flue gas stream that is highly enriched in carbon dioxide to control the combustion temperature and to ensure proper heat transfer. In the oxy-fuel combustion system, high concentration of carbon dioxide (80–90%, dry basis) in the flue gas makes it easy and economical to capture it with the flue gas compression train. It also emits some major pollutants (SOx, NOx, trace metals including mercury and particulate matter) as well as conventional air-fired combustion.
Carbon dioxide capture with cryogenic separation is a unique separation method which separates carbon dioxide under low temperatures. Separation of carbon dioxide from flue gas of oxy-fuel combustion by liquefaction method also condenses the carbon dioxide from the flue gas but uses higher pressures and temperatures than cryogenic distillation. According to the carbon dioxide phase transition properties, by manipulating both temperature and pressure, liquid carbon dioxide could be easily obtained. Therefore, liquefied carbon dioxide could be separated from other non-condensable gases such as oxygen and nitrogen. 
Once carbon dioxide is captured, with the high pressures it can be transported to the storage area by pipeline, ship, rail or road. The choice of transport depends on the quantity of carbon dioxide that needs to be transported, the distance and terrain to be travelled. Transporting carbon dioxide via pipeline is the most cost effective method of transport. Transporting by ship may be more economical if carbon dioxide needs to be transported over very large distances (>1000 km) while transporting by rail or road is expected to be economical for moving carbon dioxide on a small scale. Transporting carbon dioxide as a solid is not currently cost-effective method. 
Carbon dioxide can be stored into deep saline aquifers or depleted oil and gas reservoirs. Also, it can be used to enhance recovery of valuable fossil fuels, such as oil, natural gas, and coalbed methane. The use of oil or gas reservoirs, whether producing or depleted, has an economic advantage if injection can enhance hydrocarbon recovery.
Once geologic storage may not be an optimal solution, carbon dioxide utilization efforts novel approaches for reducing carbon dioxide emissions. Carbon dioxide can be used in applications that could generate significant benefits. Captured carbon dioxide can be used or converted to useful products such chemicals, cements, or plastics. 
The aim of this work is to develop a novel lab-scale experimental set-up for separation carbon dioxide from flue gas of oxy-fuel combustion by liquefaction method which is based on pressurizing. In the second and third chapter, in order to understand the process completely, several studies about oxy fuel combustion and carbon capture and storage have been investigated in detail. Based on the studies which had been carried out and recorded the literature, designing of process forms the beginning of the fourth chapter of the study. Fourth chapter also refers manufacturing of experimental set up, encountered problems, modifications on the units. Experimental setup installed in the laboratory consists of five main units: Simulating flue gas composition, separation of water from highly enriched carbon dioxide simulated flue gas, carbon dioxide capture and storoge, PLC system and gas chromatography system. In the fifth chapter of the study, impact of the impurities on liquefaction of carbon dioxide are investigated and their results are presented. Nitrogen and oxygen are designated as the main impurities in the flue gas. Experiments based on cooling and compressing of the flue gas are designed in five groups. The behaviour of liquefied pure carbon dioxide in nitrogen and oxygen environment, the effects of nitrogen and oxygen on liquefaction of carbon dioxide separately and together and the performance of condensing water vapor fed to the system were tested. 
For using liquefaction method in our study, a specific compressor is designed and utilized to increase the pressure of simulated flue gas in three steps up to 150 bar. One active carbon and one demister column in addition to three heat exchangers have been used to remove the steam from the line. Owing to the experiments in our system, liquefaction of carbon dioxide have been successfully and noticeably carried out at 10°C and 46 bar at the final separation tank. The tank's temperature has been kept constant (about 10°C) by soaking in a waterbath. The water of waterbath is cooled by chiller continuously. 
Carbon dioxide-nitrogen-oxygen mixture, as well as steam, has been used as simulated flue gas which is common in oxy-fuel combustion. Generally, some impurities such as nitrogen and oxygen dissolve in the liquid carbon dioxide separated under high pressure. With higher separation pressures, more impurities could dissolve so that, the separation ratio can decrease. In order to investigate separation process deeply, the effect of impurities on the amount of "carbon dioxide separation ratio" have been studied. According to the experiments, by increasing the ratio of oxygen to nitrogen in the mixture, the carbon dioxide separation process seems to be getting harder than the case of using just nitrogen as impurity. It could be related to the different physical properties behavior of "oxygen with carbon dioxide" in comparison to "nitrogen with carbon dioxide". With the modifications in "Laboratory Scale Carbon Dioxide Capture and Storage Experimental Set-up" carbon dioxide can be liquefied from highly enriched flue gas successfully. Up to about 85% separation ratio has been recorded in single carbon dioxide separation unit for carbon dioxide-nitrogen mixture at an initial carbon dioxide concentration of 95%. Highest carbon dioxide separation ratios for both carbon dioxide-nitrogen and carbon dioxide-oxygen mixtures are obtained at same pressures for the same initial compositions.
The flue gas composition of oxy-fuel combustion test results which have been received from TUBITAK-MAM Energy Institute were used in experiments (85% CO2 / 8 N2 /7 O2). Test results determine that more than 67% of carbon dioxide is separated at 90 bar. With lower carbon dioxide concentration at the same pressure, separation efficiency of carbon dioxide has fallen to 52% while with the higher the concentration of carbon dioxide efficiency has increased to 77% at 65 bars. Therefore, it can be said that increased carbon dioxide concentration in the flue gas also increases the separation efficiency. Experiment which is conducted with water shows that more than 95% of steam has been condensed in the first water separation tank.