KHD Humboldt Wedag International AG’nin Baş Teknoloji Sorumlusu Matthias Mersmann Humboldt Wedag GmbH Ürün Müdürü Sven Schmitgen
Çimento endüstrisinde birlikte işlemenin geliştirilmesi
Atık kaynaklı yakıtların yakılması, orta Avrupa’da yetmiş yılı aşkın bir geleneğe sahiptir ve büyük ölçüde artan bilgi ve deneyime sahip çimento endüstrisinde belirli bir yetkinlik alanına dönüşmüştür. Çok çeşitli atıkların işlenerek çok çeşitli atıktan türetilmiş yakıtlara (ATY) dönüştürülmesi, pazar bölgelerinin yerel ekosistemlerinde çeşitli kolaylaştırıcı ve zorlayıcı faktörlerin bir araya gelmesiyle tetiklenen dalgalar halinde pazarlara hücum etmiştir. Çimento fabrikalarında birlikte işlemeyi mümkün kılan en temel faktör, çimento fabrikasının bulunduğu bölgede/ülkede yeterli atık malzemenin mevcut olmasıdır.
Şayet çimento fabrikalarında işlenecek bu atık malzemeler, kentsel katı atıklardan (KKA) elde ediliyorsa, bölge veya belediyenin, KKA’nın çimento üretiminde kullanılabilmesi için temel ancak zorunlu bir ön koşul olan ön işleme için merkezi toplamaya olanak tanıyan ilgili bir toplama sistemine sahip olması gerekir. Bu da sosyo-ekonomik sis- temin belirli bir aşamaya kadar gelişmiş olmasını gerektirir.
Diğer bir zorlayıcı faktör ise, daha gelişmiş ülkelerde daha katı çevre kurallarının bir sonucu olarak KKA’nın boşaltılması daha pahalı hale geldiğinden, KKA’nın daha büyük miktarlarda kullanımının kolaylaştırılmasıdır. Çimento fırınlarında fosil yakıtların alternatif yakıtlarla (AF) ikamesinin artırılmasının, toplumların atıkları yeniden kullanımı konusundaki farkındalığının ön ve ortak işleme teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte gittiği tüm dünyada kabul edilmektedir.
AF’nin özellikleri ve yanma davranışı
Alternatif yakıtlar (AF) kimyasal ve fiziksel özellikleri bakımından ne kadar farklılık gösteriyorsa, isimlendirilmeleri de o kadar farklılık göstermektedir: SRF, RDF, MSW, fluff alternatif yakıtlara takılan isimlerden sadece birkaçıdır. Bu arada standardizasyon için bazı girişimlerde bulunulmuştur, ancak şimdiye kadar bunların hiçbiri daha geniş, küresel ölçekte benimsenememiştir.
Teknik açıdan bakıldığında, AF’nin kimyasal ve fiziksel özellikleri bu isimlendirmelerden çok daha önemlidir. Bazı ATY’lerin fosil yakıtların yerini alma kabiliyetine baktığımızda, çok temel bir anlayışı kabul etmeliyiz: Bir çimento fırınında yakılan ATY malzemelerinin hiçbiri yakıt olarak kullanılmak amacıyla üretilmemiştir. Bu da kimyasal, fiziksel ve partikül özelliklerinin yakıt olarak kullanılmak üzere üretilmiş ya da işlenmiş malzemelerin özelliklerine uymaktan çok uzak olduğu anlamına gelmektedir.
Fosil yakıtlar için genel kabul gören husus, yani istenilen özelliklere ulaşması için ön işleme tabi tutulması gerekliliği, çimento üretim uzmanları arasında yoğun bir şekilde tartışılmaktadır. Kömür çok ince toz haline getirilirken, ATY topaklı parçacıklar halinde yakılmaya çalışılır. Kömürler kül içeriği, nem, uçucu madde içeriği ve ısı içeriği gibi ana yanma özellikleri açısından uluslararası kabul görmüş kategorilere sınıflandırılırken, (şu anda) ATY’yi oluşturan heterojen malzeme karışımları için bu özellikleri genel olarak sınıflandırmanın bir yolu yoktur. Malzemeler (örneğin ah- şap, plastik, tekstil, kauçuk, kağıt, cam, mineral vb.); boyut (küçük, orta veya büyük) ve şekil (düz, yuvarlak, silindirik, kübik vb.) ve yukarıda belirtildiği gibi kimyasal özelliklerin tümü kendi kategorileri arasında karışır ve çok farklı tutuşma ve yanma değerlerine yol açan özel yanma davranışlarını oluşturur. Söylenebilecek tek güvenli şey, katı yakıtların fosil yakıtlardan daha büyük partikül boyutlarına sahip olması ve sıvı ATY’nin her zaman daha düşük ısı veya daha yüksek kirletici içeriğine sahip olması nedeniyle AF’nin yakılmasının her zaman daha zor olduğudur.
ATY karışımlarının bazı tipik bileşenlerinin tutuşma ve yanma davranışı üzerine yapılan araştırmalar, boyut, şekil ve malzemeye bağlı olarak, AF’nin tek tek parçalarının yanmasının birkaç dakikaya kadar sürebileceğini göstermiştir. (ZKG Dergisi 7/8, 2019)
Ön işleme ve birlikte işlemenin etkileşimi
Atık malzeme kaynağından çimento fırınında yakıt olarak nihai kullanımına kadar tüm işleme rutinine bakmak önemlidir. Bu zincirin tamamının en iyi ön işleme (pre-processing) ve birlikte işleme (co- processing) terimleriyle tanımlandığı görülmüştür. Ön işleme teri- mi, malzemenin fırına enjekte edilmesine kadar olan tüm hazırlık adımlarını tanımlar. Öte yandan birlikte işleme terimi, malzemenin klinker üretim sürecindeki enerji ve kütle entegrasyonunu kapsar.
Ön ve birlikte işleme arasındaki etkileşim hem maliyetleri hem de uygulanabilirliği etkilediğinden, ATY’yi çimento üretiminde başarılı bir şekilde kullanmak için hayati önem taşımaktadır. Ön işlemede yaygın olarak kullanılan bir yol, örneğin, yüksek kaliteli kalıntı türevi yakıt üretmek için sıralama ve boyut küçültmedir. Yüksek kaliteli ATY, ağırlıklı olarak hafif, kuru ve yüksek kalorifik değere sahip küçük parçacıklardan oluşabilir. Bu ATY, ortak işleme teknolojisine (fırın alev borusu veya kalsinatör) çok fazla teknolojik adaptasyon olmadan alev borusuna veya kalsinatöre enjekte edilebilir. Bu yol da ön işlemede yüksek çaba gerektirirken, birlikte işleme sürecinde çok fazla çaba gerektirmez.
Diğer uç nokta, sadece inert maddeyi ayırarak ön işleme için çok az çaba harcamak ve daha sonra bu düşük kaliteli ATY’yi düşük kaliteli ATY’yi bile verimli bir şekilde birlikte işleyebilen özel bir reaktörde kullanmak olacaktır.
Optimum ön işleme derinliği, sırasıyla ön işlemeden ortak işle- meye geçiş için ideal nokta, duruma özgü bir dizi etkiye bağlıdır, bunlardan en önemlileri de çimento fabrikasında mevcut olan atık işleme teknolojisi, mevcut ATY arzı ve ATY fiyatlandırmasıdır.
Birçok çimento üreticisi, kullanılabilirlik, fiyat ve kaliteye bakıl-dığında ATY pazarlarının zamanla değiştiğini deneyimlemiştir. Çimento fabrikalarında, değişen kalitelerdeki çok sayıda farklı ATY’nin öngörülebilir ve süreklilik arz eden iyi sonuçlarla birlikte işlenmesine olanak tanıyan daha çok yönlü ve sağlam özel ekipmanlara yönelik bir eğilim söz konusudur. Günümüzde tüm büyük OEM ekipman tedarikçileri, özellikle düşük ön işlem seviyelerine sahip ATY kullanmayı amaçlayan ürünler ve teknolojiler sunmaktadır. İyi teknolojiler, AF’nin tam veya en azından yeterli yanmasını, temiz yanmasını, iyi yanma koşullarını ve uzun yakıt tutma süresini (retention time) sağlamak için operasyonel sorunları önleyen sağlam bir tasarım sunmalıdır.
Pyrorotor® – en çok yönlü AF-reaktörü
KHD Pyrorotor®, düşük yanma özelliklerine sahip atık malzemeleri çimento üretim sürecinde yakıt olarak sürdürülebilir ve verimli bir şekilde kullanabilen döner bir yanma reaktörüdür.
Görsel 1: Pyrorotor®’a Genel Bakış
Çimento üretim sürecinde AF’nin birlikte işlenmesi için çözümler yelpazesinde Pyrorotor®, en düşük kaliteli AF için bile en yüksek termal ikame oranları (TSR) taleplerini karşılar. Görsel 2’de, KHD’nin AF kullanımına yönelik ürün serisi karşılaştırılmıştır. Pyrorotor®, işlenebilecek alternatif yakıt boyutu ve türleri açısından en yüksek esnekliği sunar. Bütün lastikler, lastik parçacıkları, kaba ve topaklı malzemeler, tutuşması zor malzemeler, hatta kontamine ve tehlikeli maddeler sürdürülebilir bir şekilde yanabilir. Kaynaklı AF’nin karmaşık ve pahalı ön işlenmesi önemli ölçüde en aza indirilebilir ve hatta tamamen önlenebilir.
Görsel 2: Bir fırın alev borusunda ve farklı Pyroclon® Kalsinatör eklentilerinde kullanılacak tipik AFR’nin basitleştirilmiş sınıflandırması ve gereksinimleri
Bir Pyrorotor® yeni bir üretim hattına kurulabilir veya mevcut bir üretim hattına kolayca uyarlanabilir, çünkü Pyrorotor® mevcut ön ısıtıcı kulesinde yer gerektirmez, ayrıca bu kuleye ek yük eklemez. Pyrorotor®’un mekanik konsepti, çimento endüstrisinde yüzyıllardır bilinen ve güvenilen en sağlam ekipman olan döner fırına dayanmaktadır.
Dönen tambur, AF’nin sıcak tersiyer hava ile yoğun bir şekilde karıştırılmasına ve kullanılan atık malzemelerin tamamen yanmasını sağlamak için uzun tutma süresine (retention time) olanak tanır. Aynı zamanda, sürekli hareket birikmeleri ve tıkanmayı önler. Tüm mekanik parçalar yüzlerce fırın kurulumunda denenmiş ve doğrulanmıştır. Döner tambur, iki istasyon üzerinde güvenli bir şekilde desteklenir ve dengelenir. Tamburun dönmesi için gereken tork, iki sürtünme tahrikli gale tarafından sağlanır. Kurulu tahrikler, çok çeşitli yük ve dönüş gereksinimleri için hazırlanacak büyük bir tork rezervi sunar.
Tambur dönüş hızı, tutma süresini belirli malzemenin ihtiyaçlarına uyarlamak için 0.3 rpm ila 3.0 rpm aralığında ayarlanabilir. AF, kaçak havanın sisteme girmesini önlemek için döner hava kilitleri veya çift pandüllü klapeler gibi önleyici sistemler yoluyla Pyrorotor®’a beslenir.
Görsel 3: Pyrorotor® bileşenleri
Görsel 4, döner fırın ve kalsinatör arasına yerleştirilen Pyrorotor®’u gösteren bir gaz akış şemasıdır. Tersiyer havanın kontrollü bir kısmı, Pyrorotor®’a gereken sıcak hava akışını sağlamak için kollara ayrılır. Yakıt türüne ve arzu edilen yanmaya bağlı olarak, Pyrorotor® içindeki yanma işlemi değişen lambda seviyeleri ile çalıştırılabilir, böylece enerji tasarruflu ve azaltılmış emisyon optimize edilmiş yanma için belirgin bir yanma prosesi elde edilebilir. Dönen tamburun içinde yeterli tutma süresinden sonra, küller doğrudan fırın giriş beslemesinin bir parçasını oluşturdukları fırın yükseltici kanalına (riser duct) bırakılır. Yanma çıkış gazları ve sürüklenen küçük yakıt parçacıkları, normal kalsinatörde ikinci bir yanma aşaması oluşturmak için dönen tamburdan ayrılır. Geniş bir lambda aralığında çalıştırılabilen bu aşamalı konsept, enerji verimliliğini ve NO× azaltımını büyük ölçüde kolaylaştırır.
Görsel 4: Pyrorotor® gaz akış şeması
Referanslar
2017’deki ilk kurulumundan bu yana, bugüne kadar toplam on Pyrorotor® kuruldu. Görsel 5’te, kurulu bir Pyrorotor® ’u ve gerçekleştirilmiş bir kapasite artış projesinde elde edilen performans değerleri tablosu yer almaktadır. Kalsinatörün toplam TSR’si %98 olarak gerçekleşmiş ve ek olarak fosil yakıtın yalnızca küçük bir kısmı kalmıştır. Bu Pyrorotor®’da, 3D olarak 300 mm’ye kadar kenar uzunluğuna sahip ham RDF yakılır.
Görsel 6’da, mevcut bir ön ısıtıcı kule yapısında bir Pyrorotor®’un tipik bir yerleşim düzenlemesi görülmektedir. Pyrorotor® doğrudan döner fırına paralel olarak yerleştirildiğinden, mevcut bir tesiste Pyrorotor®’un kurulumu için neredeyse hiçbir sınırlama yoktur. Mevcut ön ısıtıcı kulesinde yer olmasına veya buna ek yük eklenmesine gerek yoktur. Tersiyer hava kanalı ve malzeme beslemesi için tüm bağlantılar serbestçe yerleştirilebilir. Bu tarihe kadar, Pyrorotor® halihazırda çeşitli üreticilerin farklı tipte kalsinatörlerine uyarlanmıştır. Aynı zamanda bir kalsinatör modifikasyonu ile birleştirildiğinde daha da büyük bir fayda sağlayabilir. Böylece %85’in üzerindeki TSR seviyeleri ile birlikte üretim artışı ve emisyon azaltımı sağlanabilir.
Görsel 5: Pyrorotor® kurulum ve çalışma değerleri
Görsel 6: Pyrorotor®’un mevcut bir ön ısıtma kulesi yapısına uygulanması
Özet
Pyrorotor®’un çok yönlülüğü ve sağlamlığı çimento endüstrisinde benzersizdir ve diğer AF kullanım sistemlerinden daha iyi performans gösterir. Uzun tutma süresi ve sabit AF ve sıcak tersiyer hava karışımının kombinasyonu sayesinde mümkün olan en yüksek TSR değerleri elde edilebilir. Bu koşullar bir araya geldiğinde, herhangi bir yakıtın tamamen yakılmasını sağlar ve neredeyse her türlü hazırlanmamış atık malzemenin kullanılmasına izin verir. Geniş lambda değeri aralığı sayesinde, gazlaştırma, yüksek verimli bir termal dönüşüm ve aynı zamanda NO× azaltımı için yoğunlaştırılabilir.
Pyrorotor®, hem ekonomik hem de ekolojik olarak sürdürülebilir bir geleceğe yapılan tek seferlik bir yatırımdır. Bir çimento fabrikasını tekrar tekrar modifiye etmeye gerek kalmadan, bugün veya gelecekte mevcut olabilecek herhangi bir atıktan türetilmiş yakıtın alternatif yakıt seçeneği olarak kullanılmasını sağlar. Ayrıca, bir Pyrorotor®, atıkları çimentoya dönüştürdüğü için çimento ve klinker üretiminin ekolojik ayak izini azaltırken aynı zamanda NO× emisyonlarını da azaltır. Pyrorotor®, KHD’nin temsil ettiği şeyi temsil eder: hem sürdürülebilir ve uygun maliyetli bir çimento üretimi hem de daha temiz bir çevreyi mümkün kılan teknolojiler.
