Tıbbi atıkların plazma gazlaştırma yöntemi ile bertarafı
Medical waste disposal via plasma gasification method
Yazar: ALTUĞ ALP ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ZEKİ YILMAZOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, tıbbi atıkların, özgün bir tasarıma sahip yukarı akışlı plazma gazlaştırıcı içerisindeki gazlaşma karakteristiği, hem deneysel, hem de nümerik olarak incelenmiş olup, eşdeğerlik oranına (ER) göre optimizasyon çalışması hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) simülasyonları ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kullanılan tıbbi atık numunesi; nitril eldiven, kan torbası (flebotomi), pamuklu sargı bezi ve tıbbi atık torbasının granülize edilmiş haldeki hammaddeleri karıştırılarak hazırlanmıştır. Tasarlanan gazlaştırıcı için atık beslemesi 7,0 kg/sa olup, maksimum 2,5 kWh güç verebilen bir DC ark plazma torç ile çalıştırılmıştır. Gazlaştırıcının sıcaklık dağılımı, sentez gazı içerikleri, karbon dönüşüm oranı (KDO), soğuk gaz verimi (SGV) gibi performans parametreleri 0,1 , 0,2, 0,3 ve 0,4 olmak üzere 4 farklı eşdeğerlik oranı (ER) için ANSYS Fluent ortamında nümerik simülasyonlar ile incelenmiştir. Plazmanın kimyasal etkilerinin gözlemlenebilmesi için literatürden alınan plazma reaksiyonları nümerik modele entegre edilmiş olup, hava ile oluşturulan plazma jeti sıcak gaz olarak modellenmiştir. Gazlaştırıcının tasarım ve üretim aşamaları açıklanmış olup, deneysel çalışma esnasında ortaya çıkan tasarımsal ve deneysel hatalar detaylı olarak çözüm önerileriyle birlikte değerlendirilmiştir. ER=0,2 için gerçekleştirilen deney esnasında üretilen H2, CO ve N2 yüzdeleri sırasıyla %62,6  %3,2 ve %34,2 olarak ölçülmüş, sonuçlar literatürden alınan verilerle ve gerçekleştirilen nümerik simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, gazlaştırıcı tasarımına eklenen boğaz konfigürasyonunun sentez gazı içeriklerine ve sıcaklık dağılımına olumlu yönde etki ettiği gözlemlenmiştir. Gazlaştırıcının en optimum çalıştığı koşullar ER=0,4 için elde edilmiş olup, bu koşulda üretilen H2, CO ve CH4 yüzdeleri sırasıyla %54,7 , %17,1 ve %11,8 olmuştur. KDO ve SGV değerleri ise sırasıyla %15,5 ve %27,2 olarak elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, the gasification characteristics of medical wastes in an updraft plasma gasifier with a novel design are investigated both experimentally and numerically, and the optimization study respect to equivalence ratio (ER) is carried out with computational fluid dynamics (CFD) simulations. Medical waste sample used in the study is prepared by mixing the granulated raw materials of nitrile gloves, blood bags (phlebotomy), cotton bandages and medical waste bags. The waste feed for the designed gasifier is 7.0 kg/h and it is operated with a DC arc plasma torch with a maximum power of 2.5 kWh. Performance parameters such as temperature distribution inside the gasifier, syngas content, carbon conversion ratio (CCR), cold gas efficiency (CGE) are investigated via numerical simulations carried out in ANSYS Fluent environment for 4 different ER values as 0.1 , 0.2 , 0.3 and 0.4. To include the chemical effects of the plasma, the plasma reactions obtained from the literature are integrated into the numerical model, and the plasma jet formed by air is modeled as a hot gas. The design and production stages of the gasifier are explained, and the design and experimental errors that occurred during the experimental study are evaluated in detail with proposed solutions. The percentages of H2, CO and N2 produced during the experiment for ER=0.2 were measured as 62.6%, 3.2% and 34.2%, respectively, and the results were compared with the data from the literature and the numerical simulation results. As a result, it is observed that the throat configuration added to the gasifier design has a positive effect on the syngas content and the temperature distribution. The optimum operating conditions of the gasifier are obtained for ER=0.4, and the simulated percentages of H2, CO and CH4 produced in this condition are 54.7%, 17.1% and 11.8%, respectively. The CCR and CGE values are obtained as 15.5% and 27.2%, respectively.