Evsel arıtma çamurları ve atık yağlardan termokimyasal yöntemlerle hidrojen gazı üretimi
Hydrogen gas production by thermochemical processes from treatment sludge and waste oil
Yazar: EMİRHAN KAYA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ATAKAN ÖNGEN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, termokimyasal işlemler ile İSKİ Ataköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi'nden temin edilen evsel atıksu arıtma çamuru ve gıdada kullanılan kızartmalık atık yağların termokimyasal proseslerle değerlendirilmesi araştırılmıştır. H2 gazı üretiminin yanısıra atık minimizasyonu kapsamında termokimyasal proseslerin uygulanabilirliği incelenmiştir. Öncelikle, deneysel çalışmalarda kullanılacak çamur numunesinin karakterizasyonu yapılmıştır. Böylece, çamur numunesinin kimyasal içeriği belirlenmiş ve Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği Ek-11A ile karşılaştırılarak kullanılan atığın tanımlaması yapılmıştır.
Arıtma çamuru ile bitkisel atık yağ belirlenen oranlarda karıştırılıp havasız ortamda, kuru hava eşliğinde ve saf oksijen eşliğinde termal işlemlere tabi tutulmuşlardır. Oluşan sentez gazların kompozisyonları (H2, CH4, CO, CO2, O2) belirlenerek ısıl değerler hesaplanmıştır. Ayrıca, katı maddelerdeki kütlesel ve hacimsel azalmalar tespit edilmiş; bomba kalorimetre ve elementel analizleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölüm laboratuvarında yürütülmüştür. Üniversite bünyesinde gerçekleştirilemeyen deneyler AKÇANSA ve AEM Çevre ve Analiz AŞ. akredite laboratuvarlarında gerçekleştirilmiştir.
Piroliz ve gazlaştırma deneyleri siklon ünitesi ile sirkülasyonu sağlanmış, iç çapı 7 cm yüksekliği 80 cm olan, yukarı akışlı, sabit yataklı çelik reaktör içerisinde gerçekleştirilmiştir.
Piroliz deneyleri 1 ve 5 saatlik sürelerde 300 °C sıcaklıkta, 1L/dk N2 eşliğinde gerçekleştirilerek en uygun piroliz süresi belirlenmiştir. İki denemeye ait sonuçlarda önemli farklılıklar tespit edilmediği için 1 saatlik piroliz uygulamasının gazlaştırma öncesi yeterli piroliz süresi olduğu kanısına varılmıştır.
Gazlaştırma işleminde kuru hava ve saf O2 (%99 saflık) ajanları kullanılıp, proses 750 °C'de yürütülmüştür. Kuru hava debisi 0,05-0,3 L/dk arasında denenerek en uygun debi belirlenmiştir. Elde edilen verilen anlamlandırılabilmesi için SPSS 21 yazılımı kullanılarak ANOVA testi yürütülmüştür.
Deneysel çalışmaların sonuçları değerlendirildiğinde, ham arıtma çamuru ve bitkisel atık yağ ile karıştırılan arıtma çamuruyla 0,05 L/dk kuru hava eşliğinde gerçekleştirilen gazlaştırma deneylerinde H2 açısından zengin ve ısıl değeri yüksek bir sentez gaz elde edilmiştir. Çalışmada ulaşılan en yüksek ısıl değere (3183 kcal/m3) bitkisel atık yağ ile çamurun karıştırılması sonucu elde edilen karma numune ile ulaşılmıştır. Elde edilen sentez gaz içerisindeki H2 gazı yüzdesi ise hacimsel olarak %24-25 mertebelerinde tespit edilmiştir.
Istanbul'da 42.000 ton/yıl evsel atık olduğu ve bitkisel yağ ile belirlenen oranda karıştırılması durumda toplamda 60.000 ton/yıl kadar bir atık söz konusu olduğu düşünülürse, bu atığın prosese alınması sonucu elde edilecek sentez gazın, gaz motorlarında yakılması ile yaklaşık 5,27 MW'lık kurulu güce ulaşması öngörülmektedir. Bu değer yaklaşık 12.600 kişinin yaşadığı bir yerleşim bölgesinin günlük elektrik ihtiyacını karşılayabilecek kapasitededir.

Abstract:
In the study, investigation of thermochemical treatment of domestic wastewater treatment sludge from ISKI Atakoy Advanced Biological Wastewater Treatment Plant and waste vegetable oil was investigated. Thermal processes were performed within the waste minimization concept as H2 production was also monitored. Firstly, characterization of waste samples were conducted. Hence, the Chemical contents of the samples were determined and the values were compared to the limits given in National Hazardous Waste Management Regulation-Annex11A in order to identify the wastes.
Wastewater treatment sludge and waste vegetable oil samples were mixed in specified ratios and thermochemically treated in the presence of dried air, pure oxygen and in the absence of air. The composition of produced gas (H2, CH4, CO, CO2, O2) was monitored and the calorific values of each produced syngas were calculated. Meanwhile, both mass and volumetric reductions of solid residues were determined and elemental and calorific value analysis of those samples were performed. The experiments were carried out in the laboratories of Istanbul University, Environmental Engineering Department. The experiments, which could not be performed in the University, were carried out in the accredited laboratories of AKÇANSA and AEM Laboratory.
Pyrolysis and gasification experiments were carried out in a circulated updraft fixed bed steel reactor with a cyclone seperator which has 7 cm inner diameter and 80 cm length.
The pyrolysis experiments were applied for 1 to 5 hours at 300°C in the presence of 1 L/min pure N2 in order to determine optimum pyrolysis time. Since the results did not show considerable differences, 1 hour of pyrolysis was found to be enough for pretreatment before gasification.
The gasification experiments were performed in the presence of both dried air and pure oxygen (99% purity) at 750°C. The dried air flow rate was applied in the range of 0,05-0,3 L/min for determination of optimum flow rate for gasification.
SPSS 21 software was used to evaluate the results and Analysis Of Variance (one-way ANOVA) tests were performed to evaluate the differences among variables affecting process performance.
Gasification of waste mixture with 0,05 L/min dried air flow rate achieved the highest calorific value and H2 level in produced gas. The highest calorific value achieved in the study was calculated as 3183 kcal/m3 by the gasification of waste mixture. H2 volumetric content in the produced gas was about 25%.
The domestic wastewater treatment sludge amount is around 42.000 tonnes/year in İstanbul. The total waste amount is predicted to be around 60.000 tonnes/year after preparing waste mixture with waste vegetable oil with respect to the specified mixing ratio. Power generated by gasification of this amount of waste mixture is predicted to be about 5.27 MW which can supply electricty demand of a district with a population of 12.600 people.