Çimento üretim prosesinde döner fırın baca gazı CO2 emisyonunun azaltılması için yöntem geliştirilmesi
Development of a method to reduce the rotary kiln flue gas CO2 emission in cement manufacturing process
Yazar: DİDEM BENZER
Danışman: PROF. DR. ABİDİN TEMEL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeokimya ve Maden Yatakları Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Bentonit = Bentonite ; Karbondioksit salınımı = Carbondioxide emission ; Zeolitler = Zeolites ; Çimento üretimi = Cement production

Özet:
Bu tez çalışmasında, çimento döner fırın baca gazlarından, adsorpsiyon yoluyla CO2 tutulmasına çalışılmıştır. Adsorban olarak geliştirilen karışımlarda, zeolitli doğal puzolan (tras), genleştirilmiş perlit, bentonit kili ve endüstriyel kireç hammadde olarak kullanılmışlardır. Ayrıca, zeolit fazların sentezlenmesi ve katalizör etkisinin gözlemlenmesi amacıyla, bir karışıma NaOH katılmıştır. Adsorbanların; alternatif hammadde, mineral katkı ve/veya beton katkı olarak prosese geri beslenebilir olmaları da hedeflenmiştir. Deney kolonlarına; 50, 100, 150 ve 200°C sıcaklıklarda ve 3,7, 2,7 ve 1,7 lt/dk debilerde, % 80 N2 ile seyreltik % 20 konsantrasyondaki adsorbat CO2 gazları beslenmiştir. Verimler ve adsorpsiyon süreleri birlikte dikkate alındığında en iyi performansları gösteren adsorban gruplarında, ortalama % 37-46 arası verimler hesaplanmıştır. Deneysel verileri en iyi tanımlayan izoterm modelleri, Freundlich ve Redlich-Peterson; kinetik açıdan hız sınırlayıcı adımlar da, Elovich modeli ve Bangham gözenek difüzyonu olarak belirlenmiştir. 100°C sıcaklıkta, 3,7 lt/dk debi ile kolona beslenen CO2 gazları ile etkileşime giren hammaddeler de benzer sonuçlar vermişlerdir. Hammaddelerin; yüzey gözeneklilikleri, kristal kafes yapıları ve yüksek katyon değişim kapasiteleri ile çoklu katman adsorpsiyonuna uygun malzemeler oldukları anlaşılmıştır. En iyi performansı gösteren dört karışım içinde, NaOH katılan adsorban, yüksek alkali içeriği nedeniyle hammadde ya da mineral katkı olarak değerlendirilebilir değildir. Buna karşılık, bentonit ve perliti birlikte içeren diğer üç adsorban, hem alternatif hammadde hem de mineral katkı olarak kullanılabilir özelliktedir. Tüm bu açılardan, adsorban numunelerinin, çimento üretim prosesinden kaynaklı CO2'in yakalanmasında alternatif malzemeler olarak değerlendirilebilecekleri sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler: CO2 yakalama, adsorban, adsorpsiyon, döner fırın baca gazı, zeolit, bentonit, perlit

Abstract:
In this thesis, capturing CO2 from rotary kiln flue gas through adsorption was studied. In mixtures invented as adsorbent, zeolitic natural pozzolana (trass), expanded perlite, bentonite clay and industrial lime were used as raw materials. Besides, in order to synthesize zeolitic phases and to observe the catalysis effect, NaOH was added to one mixture. It was aimed that the adsorbents could be recycled to the process as alternative raw material, mineral additive and/or concrete additive. Adsorbate CO2 gases with the concentration of 20 %, diluted with 80 % N2 were fed into the experimental columns. Being considered efficiencies and adsorption times together, mean efficiencies between 37-46 % were calculated in the adsorbent groups showing the best performances. The isotherm models to which the experimental data fitted best were determined as Freundlich and Redlich-Peterson and rate limiting kinetic steps as Elovich model and Bangham pore diffusion. Raw materials coming into contact with the CO2 gases given into the column at 100°C and with a flow rate of 3,7 lt/min presented the same results, as well. It was understood that the raw materials were suitable materials for multi layer adsorption due to their surface porosities, crystal framework structures and high cation exchange capacities. Among the four mixtures showing the best performances, the adsorbent to which NaOH was mixed up can not be used as a raw material or mineral additive, because of its high alkali content. However, the other three adsorbents, containing bentonite and perlite together can be consumed up as both alternative raw material and mineral additive. As a result, it was concluded that the adsorbent samples could be presumed as alternative materials for capturing the CO2 from cement manufacturing.

Keywords: CO2 capture, adsorbent, adsorption, rotary kiln fue gas, zeolite, bentonite, perlite