Yukarı akışlı sabit yatak gazlaştırıcıda biyokütle gazlaştırılması
Biomass gasification in an updraft fixed bed gasifier
Yazar: KAMİLE ERTAŞ IŞIK
Danışman: PROF. DR. MURAT DOĞRU
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Yukarı Akışlı Sabit Yatak Gazlaştırma sistemi tasarlanıp kurulumu yapılarak biyokütle atıklarının gazlaştırılması gerçekleştirilmiş ve incelenmiştir. Yakıt olarak kullanılan biyokütle, MDF ve Yonga levha üretim tesisinden çıkan orman ürünleri esaslı biyokütle malzemeleridir. Bu biyokütleler, odun kabuğu, zımpara tozu, elek altı yongası, atık lif, kırık levhalar, emprenyeli kağıt atığı, arıtma çamuru gibi prosesten üretilen atıklardır. Ayrıca referans olması açısından, üretimde hammadde olarak kullanılan meşe odunu ile evsel atık tesisinden temin edilen RDF de analiz edilmiştir. Öncelikle, bu biyokütle atıklarının proximate (yakın) ve ultimate (kesin) analizleri yapılmış, kalorifik değerleri ölçülerek gazlaştırma açısından fiziksel ve kimyasal uygunlukları belirlenmiştir. Ayrıca, bu biyokütle atıklarının kül analizleri, halojen ve dökme yoğunluğu analizleri de yapılıp, gazlaştırma reaktöründe klinker oluşturma ihtimallerine karşı gazlaştırma proses koşullarının önceden belirlenmesi sağlanmıştır. Gazlaştırma sonucu açığa çıkan sentez gazı, temizleme ihtiyacı olmadan doğrudan içerdiği katran ile birlikte termal yağ kazanında direkt yakılarak ısı enerjisi elde edilmiş veya ORC türbin vasıtasıyla elektrik enerjisi üretiminde kullanılmıştır. 
Bu tezde,  yaklaşık 7 MW termal (1 MW elektrik) enerji üretim kapasitesine sahip olan yukarı akışlı sabit yatak gazlaştırıcı sisteminin tasarımı ile diğer tüm yardımcı ekipmanların detayları ve çalışma prensipleri incelenerek analizleri yapılmıştır. Gazlaştırma reaktörünün tasarım kapasitesi 2100 kg/saat ve sentez gazı üretimi 5335 Nm3/saat olarak ölçülmüştür. Gazlaştırma prosesi sonucu biyokütleden sentez gazına  dönüşüm oranı ortalama %88 olarak tespit edilmiştir. Ayrıca, yan ürün olarak gazlaştırma reaktöründen üretilen biyoçar, giren biyokütlenin ortalama %12'sini oluşturmuştur.
MDF ve YL üretim tesisinin üretim atığı olarak çıkan biyokütle esaslı atıklarla yapılan gazlaştırma prosesinin performansı deneysel çalışmalarla incelenmiştir.  Farklı yakıt kompozisyonları ile yapılan deneysel çalışmaların kütle ve enerji balansları çalışılmıştır.
Üretilen sentez gazı bileşimleri farklı yakıtlar için incelenmiş, bu amaçla MRU cihazı ile online ölçümler alınmıştır. Sentez gazı kompozisyonunda, H2, CO, CH4 (CxHy), CO2, N2, O2 gazları ölçülmüştür. Referans olması açısından meşe odunu ile yapılan gazlaştırma prosesi parametreleri de incelenmiştir. Ayrıca, gazlaştırma prosesi sonucu açığa çıkan sentez gazının termal yağ kazanında yanması sonucu oluşan baca gazı bileşimleri online baca gazı ölçüm cihazı vasıtasıyla belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, the Updraft Fixed Bed Gasification system was designed, installed, and the gasification of biomass waste was carried out and examined. The biomass used as fuel is forest products based on biomass materials from MDF and Particleboard production plant. These biomasses are wastes from the process such as wood bark, sanding dust, sub-sieve chips, waste fiber, broken boards, impregnated paper waste, and sewage sludge. For reference, oak wood used as raw material in production and RDF from the household waste facility were also analyzed. Firstly, proximate and ultimate analyses of these biomass wastes were carried out and their physical and chemical suitability for gasification was determined by measuring their calorific values. In addition, ash analysis, halogen, and bulk density analyses of these biomass wastes were also performed to determine the gasification process conditions in advance against the possibility of clinker formation in the gasification reactor. The synthesis gas released from gasification was directly burned in a thermal oil boiler with the tar it contains without the need for cleaning and heat energy was obtained or used in electricity generation utilizing ORC turbine. 
In this thesis, the design of an updraft fixed bed gasifier system with a thermal power generation capacity of about 7 MW (1 MW electric) and the details and operating principles of all other auxiliary equipment were investigated and analyzed. The design capacity of the gasification reactor was 2100 kg/h and the synthesis gas production was 5335 Nm3/h. As a result of the gasification process, the conversion rate of biomass to syngas was found to be 88% on average. In addition, the by-product biochar produced from the gasification reactor averaged 12% of the input biomass.
The performance of the gasification process with biomass-based wastes from the MDF and YL production plants was experimentally investigated.  Mass and energy balances of experimental studies with different fuel compositions were studied.
The produced syngas compositions were analyzed for different fuels and for this purpose online measurements were made with the MRU device. The gases H2, CO, CH4 (CxHy), CO2, N2, and O2 were measured in the syngas composition. For reference, the parameters of the gasification process with oak wood were also studied. In addition, the flue gas compositions resulting from the combustion of the synthesis gas released as a result of the gasification process in the thermal oil boiler were determined utilizing an online flue gas analyzer.