Polietilen atığın ve ceviz kabuğunun birlikte su buharı gazlaştırmasıyla hidrojence zengin sentez gazı üretimi
Production of hydrogen-rich syngas from steam co-gasification of polyethylene waste and walnut shell
Yazar: ELSHAN NADIROV
Danışman: PROF. DR. ÖZKAN MURAT DOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Günümüzde her ne kadar enerjinin büyük bir kısmı fosil kökenli kaynaklardan karşılanıyor olsa da, bu kaynakların tükenir ve çevre sorunlarına neden olması alternatif ve temiz enerji kaynakları arayışını gündeme getirmiştir. Alternatif enerji kaynakları arayışı kapsamında yapılan çalışmalarda atıkların, özellikle plastik ve biyokütle atıklarından farklı dönüşüm teknolojileri ile daha temiz enerji üretilmesinin ve ekonomiye katkı sağlayabileceğinin mümkün olduğu görülmüştür. Bu teknolojiler içerisinde gazlaştırma teknolojisi önemli bir yere sahiptir. Gazlaştırma sonucunda üretilen sentez gazından değerli kimyasal maddelerin de (hidrojen, amonyak ve metanol gibi) üretilmesi mümkündür. Bu amaçla polietilen atığı ve ceviz kabuğunun gazlaştırma işlemi ile hidrojen üretimine yönelik olarak bu çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada, dolaylı olarak ısıtılan ve gazlaştırma ajanı olarak su buharı kullanılan, kuartz'dan yapılmış 40 mm çapında sabit yataklı reaktör sistemi kullanılmıştır. Gazlaştırma için gerekli sıcaklık bir fırın yardımı ile, su buharı ise buhar jeneratörü vasıtası ile sağlanmıştır. Çalışmada plastik atık olarak polietilen (PE) atık ve biyokütle atık olarak ceviz kabuğu (CK) kullanılarak gazlaştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Gazlaştırma işlemi yapılacak plastik ve biyokütle atığı ilk önce öğütülerek kaba ve elementel analizleri yapılmıştır. Ortalama çapı 1,15 mm olan polietilen atık ve ceviz kabuğu kütlece değişik yüzde oranlarda, farklı sıcaklık (600oC, 650oC, 700oC, 750oC, 800oC ve 850oC), farklı su buharı akışı (5, 10 ve 15 g su/dk ) ve farklı katalizörler (MgO, CaO ve K2CO3) kullanılarak gazlaştırma işlemine tabi tutulmuştur. Atık karışım oranının, sıcaklığın, su buharı akış hızının ve katalizörlerin gazlaştırma sonucu oluşan sentez gazı bileşimi üzerine etkileri araştırılmıştır. Gaz bileşimi gaz kromatografi cihazında analiz edilmiş ve hidrojen, metan, karbonmonoksit ve karbondioksit için gaz verimliliği belirlenmiştir. Deneyler sonucunda, gaz ürün içerisinde bulunan H2 ve CO hacimce yüzdeleri katalizörsüz çalışmalarda H2: %13 – %69, CO: %14 –76, katalizörlü çalışmalarda ise H2: %2 – %70, CO: %18 - %64 aralığında bulunmuştur. H2/CO mol oranı ise 0,05 – 4,6 aralığında değiştiği görülmüştür. Çalışma şartlarına göre en verimli gazlaştırmanın %100 ceviz kabuğunun K2CO3 katalizörüyle 800oC sıcaklıkta, 15 g su/dk buhar akış hızında yapılan deneyde olduğu gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Gazlaştırma, polietilen, ceviz kabuğu, sentez gazı

Abstract:
Nowadays, although big part of our energy demands are meet by fossil-based sources, due to the facts that these kind of sources are exhaustible and cause environmental problems, investigating alternative and clean energy sources has been major concern. Researches carried out within the scope of investigating alternative energy sources show that from wastes particularly from plastic and biomass wastes, with the help of different conversion technologies production of new and cleaner energy, which will contribute economy in great extent, is possible. The gasification technology as one of these technologies has specific importance, as it is possible to produce valuable chemicals such (as hydrogen, ammonia and methanol) from syngas which is the product of that technology. For this purpose these studies were performed for hydrogen production with gasification proses of polyethylene waste and walnut shell. In this study, fixed bed reactor system with 40 mm diameter is used which is made of quartz and heated indirectly and where the water vapor is used as the gasification agent. The temperature required for gasification is supplied by furnace and the steam is provided by steam generator. Gasification was performed using polyethylene as a plastic waste and walnut shell as a biomass waste. First these wastes were grinded, then quartz and elemental analyses were carried out. Polyethylene waste and walnut shell mass in which average diameter of pieces were 1,15 mm, were subjected to different percentages, different temperatures (600oC, 650oC, 700oC, 750oC, 800oC and 850oC), different steam flow (5, 10 and 15 g water/min) and different catalysts (MgO, CaO, K2CO3) during gasification process. Effects of waste mixture ratio, temperature and steam flow rate on syngas, product of gasification, were investigated. The gas composition was analyzed in gas chromatography equipment and gas efficiency was determined for hydrogen, methane, carbon monoxide and carbon dioxide. As a result of the experiments, volume percentages of H and CO that were in the gas products, were within the range of H2: %13 – %69, CO: %14 – %76 and H2: %2 – %70, CO: %18 – %64, in studies without catalysts and with catalysts, respectively. H2 / CO molar ratio was found to range from 0,05 to 4,6. According to conditions of this study, most efficient gasification was observed in experiment which 100% of walnut shell was used, in 800oC temperature and 15 g water/min steam flow ratio, with the presence of K2CO3 as a catalyst.

Key Words: Gasification, polyethylene, walnut shell, syngas