Biyokütle kaynaklı yakma sistemlerinin baca gazından kükürt dioksit giderimi
Sulfur dioxide removal from flue gas of biomass-based combustion systems
Yazar: ÖZGÜ YÖRÜK
Danışman: PROF. DR. BEKİR ZÜHTÜ UYSAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Enerji üretimi amacıyla fosil yakıtların ve biyokütlenin yanması sonucu açığa çıkan kükürt dioksit, hava kirliliğinde rol oynayan en önemli kirleticilerden biridir. Hava kirliliğinin kontrolü için belirlenen yasal emisyon sınır değerlerinin düşürülmesiyle birlikte baca gazlarından gideriminin önemi artmıştır. SO2'in baca gazından tutulması için yaş ve kuru birçok teknoloji geliştirilmiştir.  Yaş sistemlerin kuru sistemlere göre daha yüksek verimli olması ve partikül emisyonunu azaltma hususunda da etkin olması gibi avantajlarından dolayı bu çalışmada yaş sistem seçilmiştir. Çalışmada ilk olarak demir(II) hidroksit bulamacının kükürt dioksit tutulmasında kullanılabileceği ön deneylerle incelenmiş ve uygun olduğu kanıtlanmıştır. Demir(II) hidroksitin seçilmesinde en büyük etken, kükürt dioksit tutulması ile oluşan demir sülfatın sodyum hidroksit ile kolayca demir(II) hidroksite tekrar dönüştürülebilmesidir. Böylece rejenerasyonu mümkün bir kimyasal sistem elde edilmiştir. Devamında yapılan deneysel çalışmalarda demir(II) hidroksitin kükürt dioksit tutulmasında etkinliği kabarcıklı kolonda, dört farklı aşamada denenerek gerçekleştirilmiştir. Gaz olarak, biyokütle kaynaklı yakma sistemlerinin baca gazı içeriğine uygun 500 ppm kükürt dioksit içeren hava kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan kolon 80 mm çaplı ve 585 mm aktif sıvı yüksekliğine sahiptir. Deneyler atmosferik şartlarda ve oda sıcaklığında yürütülmüştür. Kütlece %0,4'lük demir(II) hidroksit süspansiyonu kullanılmıştır. Tüm deney sistemlerinde gaz akış hızları 1,58-11,60 L/dk, sıvı akış hızları 0,54-1,5 L/dk aralığında değiştirilmiştir.  Deneysel veriler kullanılarak kütle transfer katsayıları hesaplanmıştır. İlk deney aşamasında sıvıya göre kesikli kabarcıklı kolonda kimyasal reaksiyonlu absorpsiyon incelenmiştir. Bu sistemde %80'lere varan kükürt dioksit tutma verimlerine ulaşılmıştır. Çalışmanın sonraki aşamalarında gaz ve sıvıya göre sürekli sisteme geçilmiştir. İkinci aşamada sürekli kabarcıklı kolon deneyleri, üçüncü aşamada raflı kabarcıklı kolon denemeleri yürütülmüştür. Demir(II) hidroksitin yapısındaki Fe+2 iyonunun elektrik yüklü olmasından dolayı manyetik alanın etkisinde kalacağı öngörülmüş, bu nedenle dördüncü aşamada raflı kabarcıklı kolonda manyetik alan uygulanarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Her sistem için gaz ve akış hızlarına bağlı kütle transfer katsayısı için korelasyonlar geliştirilmiştir.

Abstract:
Sulfur dioxide, which is emitted from the combustion of fossil fuels and biomass for energy production, is one of the most important air pollutants. The importance of its removal from flue gases has increased with lowered legal emission limit values specified for air pollution control. Many wet and dry technologies have been developed to remove sulfur dioxide from flue gases. Because of the advantages such as the fact that wet systems are more efficient than dry systems and are also effective in reducing particulate emissions, the wet flue gas desulfurization (WFGD) was selected in this study. Firstly, the possibility of utilization of iron (II) hydroxide slurry for sulfur dioxide capture was investigated with preliminary experiments and its suitability was proven. The most important feature for selecting iron (II) hydroxide was that iron sulfate formed by sulfur dioxide capture can easily be converted back into iron (II) hydroxide with sodium hydroxide. Thus, a regenerable chemical system is obtained. In the subsequent experimental studies, the effectiveness of iron (II) hydroxide on sulfur dioxide removal was investigated in the bubble column at four different stages. Air containing 500 ppm sulfur dioxide was used as the gas phase in accordance with the flue gas content of biomass-based combustion systems. An 80 mm diameter column with active liquid height of 585 mm was used in the experimental study.  Experiments were carried out at atmospheric pressure and room temperature. Iron (II) hydroxide slurry of 0.4% by weight was used as the liquid phase. The gas flow rate was varied from 1.58 to 11.60 L/min and the liquid flow rates from 0.54 to 1.5 L/min in the experiments. Mass transfer coefficients were calculated using experimental data. In the first stage of the experiments, the absorption with chemical reaction in the bubble column operated batchwise with respect to liquid was investigated. In this system, up to 80% sulfur dioxide capture efficiencies were achieved. In the next stages of the work, continuous system was employed with respect to both gas and liquid. In second stage, continous bubble column experiments, in third stage, experiments with bubble column with plates were carried out. It was anticipated that the flow of iron(II) hydroxide slurry could be affected under magnetic field because of the presence of electric charge of the Fe+2 ions, the magnetic field was applied to bubble column with plates in fourth stage of the experiments. For each system, correlations have been developed for the mass transfer coefficient in terms of gas and liquid flow rates.