Atık su arıtma çamuru gazlaştırma reaktör tasarımı ve sistemin tekno-iktisadî analizi
Reactor design and techno-economic analysis of sewage sludge gasification system
Yazar: CEVDET DOĞAN
Danışman: DOÇ. MURAT DOĞRU
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Evsel atıksu arıtımında oluşan kaçınılmaz nihaî atık arıtma çamurudur. Evsel atıksu arıtma çamurlarının bertarafı mevcut durumda çevresel açıdan problem teşkil etmektedir. Ayrıca mevcut bertaraf yöntemleri arıtma tesis işletmeleri için yüksek maliyetler oluşturmaktadır. Yüksek maliyetleri azaltabilmek için çamurun değerlendirilme yöntemlerinden biri gazlaştırma işlemidir. Gazlaştırma işlemi, termokimyasal bir işlem olmakla birlikte uygun bir tasarım ile arıtma çamurlarının bertarafı için uygulanabilir. Bu çalışmada öncelikle 50 kg/saat kapasiteli hem aşağı hem de yukarı akışlı çalışabilecek "birleşik sabit yataklı gazlaştırıcı" tasarımı yapılmıştır. Daha sonrasında farklı gazlaştırma maddesi (hava, oksijen ve su buharı), farklı enerji çevrim sistemleri (ORC türbini ve gaz motoru) ve farklı kapasiteler (50 kg/saat, 1 ton/saat ve 2 ton/saat) için senaryolar oluşturulmuştur. Her bir senaryo için ilk yatırım maliyetleri, işletme maliyetleri ve işletme gelirleri hesaplanıp bu sistemlerin kurulmasının iktisadi açıdan uygun olup olmadığı araştırılmıştır. Gelecekte arıtma çamurlarının bertaraf maliyetlerinin değişmesi durumunda geri dönüş süresinin değişimi incelenmiştir. Arıtma çamurları nüfusun sosyoekonomik durumu, coğrafi şartlar ve arıtma sistemlerinin bileşenleri gibi birçok parametreye bağlı olduğundan kesin bir yakıt özelliğinden bahsetmemiz mümkün değildir. Bundan dolayı bu tez için kabul edilen ısıl değerlerin altındaki arıtma çamurlarının daha yüksek ısıl değerli biyokütleler ile birlikte gazlaştırılması durumunda geri dönüş süresinin değişimi incelenmiştir. Ayrıca 3. Senaryo için kabul edilen gaz arıtım maliyetinin değişmesi durumunda geri dönüş süresinin değişimi incelenmiştir.
Sonuç olarak; yapılan hesaplamalarda 1 ton/saat ve 2 ton/saat kapasitedeki arıtma çamur bertarafı için 1. senaryodaki (gazlaştırma maddesi olarak hava kullanılması ve ORC türbin ile elektrik enerjisi eldesi) ve 3. Senaryodaki (gazlaştırma maddesi olarak hava kullanılması ve ORC türbin ile elektrik enerjisi eldesi) sistemlerin kurulması ve işletilmesi iktisadî açıdan uygun olarak bulunmuştur.

Abstract:
Sewage sludge is the final inevitable by-product of domestic wastewater treatment. Current applications for the disposal of sewage sludge might be harmful to environment. Besides, sewage sludge causes high cost to waste water treatment plants. In order to reduce the high cost, sludge can be utilized in several ways, one of which is gasification. Gasification is a thermochemical process which could be used to dispose of sewage sludge. In this study, firstly a gasifier that has capacity of 50 kg/hour was designed as up and downdraft gasifier. It could be operated as both updraft and downdraft. After this design, different scenarios were created according to energy conversion equipment (ORC turbine, gas engine), gasification agent (air, oxygen and water vapor) and fuel load capacity (50 kg/hour, 1 tone/hour, 2 tones/hour). Initial investment costs, operation costs and operating revenue were calculated for all scenarios. The aim of this work is the investigation of scenarios being feasible from an economic perspective. Changing the cost of sludge disposal is also considered and changing payback time versus varying the cost of sludge disposal was also investigated. In case the sewage sludge has a lower thermal value than the assumption, co-gasification of the sewage sludge and refuse derived fuel is also considered. For this co-gasification process, changing fuel price versus changing payback time was investigated. For the 3rd scenario, in case of using innovative and more effective syngas treatment systems, altering syngas treatment cost versus payback time was also evaluated.
Finally according to assumption of all revenue is coming from waste disposal cost and electricity sales, in this study for 1st scenario (air as gasification agent and using ORC turbine as energy energy conversion equipment) and 3rd scenario (air as gasification agent and using gas engine as energy conversion equipment) with capacity for 1 tone/hour and 2 tones/hour were found feasible from tecno-economical perspective.