Çimento Tesislerinde Kullanılacak Olan Atıktan Türetilmiş Yakıtların Özelliklerinin Belirlenmesinde Proses, Çevre ve Malzeme Kalitesini Güvence Altına Alacak Bir Erken Uyarı Sisteminin Geliştirilmesi İçin Kimyasal Girdi Odaklı Hiper Spektral Görüntüleme ve Derin Öğrenme Yöntemlerinin Kullanımı


Banar M.(Yürütücü), Özkan K., Özkan M., Özkan A., Günkaya Z.

TÜBİTAK Projesi, 2018 - 2021

  • Proje Türü: TÜBİTAK Projesi
  • Başlama Tarihi: Aralık 2018
  • Bitiş Tarihi: Mart 2021

Proje Özeti

Atıkların çimento fabrikalarında alternatif yakıt olarak kullanılması, özellikle endüstriyel ve tehlikeli atıkların bertarafı açısından oldukça güvenli bir yöntemdir. Ancak, atıkların herhangi bir ön işleme tabi tutulmadan yakılması halinde, homojen bir fiziksel/kimyasal atıktan türetilmiş yakıt (ATY) bileşimi sağlanamamakta, dolayısıyla çeşitli kullanım zorlukları, etkin yakma verimi ve istenilen ürün kalitesinin elde edilememesi gibi sorunlar ortaya çıkmaktadır. Dolayısıyla bu atıkların çimento fırınına doğrudan besleme yerine bir ön parçalama, karıştırma ve presleme işleminden geçirilerek, sürdürülebilir, homojen ve yüksek ısıl değerli, stabilize edilmiş bir malzeme haline getirilmesi gereklidir.  

Atıklar, alternatif yakıt olarak kullanılmadan önce içeriğin belirlenmesi ve yakma sırasında ortaya çıkabilecek problemlerin önceden öngörülmesi gerekir. Bunun için, ATY fırına beslenmeden önce çimento fabrikalarında bantlar üzerinden saatlik örnekler alınmakta ve bu örnekler karıştırılarak günde 1-2 defa analiz edilmektedir. Ancak, çimento üretimi sürekli bir işlem olduğundan, atığın yanma işlemi, henüz analiz sonuçları alınamadan tamamlanmakta bu nedenle uygun olmayan atık yakma işlemine müdahalede geç kalınabilmektedir. Bu tür sorunlara yol açabilecek en önemli parametreler klor, kükürt ve ısıl değerdir. Yüksek ısıl değere sahip atıklar öncelikle tercih sebebi olmakla beraber, klor ve kükürt içeriğinin de düşük olması gerekmektedir.  Çünkü, atıktaki fazla klor özellikle fırınlarda bulunan refrakter malzemede korozyona neden olmakta bu durum refrakter malzemenin daha kısa zamanda değişmesini gerektirdiğinden, maliyetin artması anlamına gelmektedir. Refrakter malzeme değişme zamanının kısa olması üretimin daha sık durdurulmasına da neden olmaktadır. Diğer yandan atıktaki klor, baca gazında dioksin ve furan bileşiklerinin, kükürt ise SO2’nin artmasına neden olurken, düşük ısıl değer ise fırın rejimini bozmaktadır. 

Bu proje, ATY’lerin klor, kükürt ve ısıl değer içeriğinin yakma öncesinde anlık ve otomatik olarak belirlenmesi ve uygunsuzluk durumunda gerekli müdahelenin zamanında yapılmasına olanak verecek bir erken uyarı sisteminin tasarlanması amacıyla, beş aşamalı olarak planlanmıştır. Projenin ilk aşamasında, anlık, sürekli ve otomatik analiz yapacak hiper spektral görüntüleme tekniklerinden (yakın kızıl ötesi (near infrared, NIR)) oluşan sistemin mekanik tasarımı yapılarak bir prototip oluşturulacak ve laboratuvar ortamında çalıştırılacaktır. İkinci aşamada, ATY üretimi yapan bir tesisten, farklı özelliklere sahip atıklar temin edilecek ve laboratuvarda hazırlanmış olan prototip sistem ile spektral veriler alınacaktır. Spektral veri alınmış atıklarda klor, kükürt, karbon, azot ve hidrojen içeriği ve ısıl değer parametrelerinin kimyasal analizleri ile bu analizlerin doğruluklarının test edilmesi için validasyon çalışmaları  gerçekleştirilecektir. Üçüncü aşamada, karbon, azot, kükürt, hidrojen ve klor sonuçları kullanılarak, ısıl değerin belirlenebilmesi için bir model türetilecektir. Elde edilen bu model, dördüncü aşamada yapılacak olan hiper spektral kameralı sistemin eğitilmesi için kullanılacaktır. Dördüncü aşamada, önceki aşamalarda belirlenen kimyasal analiz sonuçları ve model değerleri (ısıl değer) ile hiperspektral görüntüleme verileri ilişkilendirilerek, kurulan prototip sistem derin öğrenme yöntemleriyle eğitilecektir. Böylece, söz konusu parametrelerin otomatik ölçümü yapılarak, erken uyarı sistemi için yazılım geliştirilecektir. Son aşamada ise, tasarlanan sistemin maliyet analizi gerçekleştirilerek, çimento tesisleri tarafından kullanılması durumundaki ekonomik boyutun ne olabileceği hesaplanacaktır. 

Özetle projede, atıktan türetilmiş yakıtların çimento tesislerinde kullanımı esnasında ortaya çıkabilecek problemlerin giderilmesi ve böylelikle işgücü, zaman ve hem çevresel hem de ekonomik açıdan önemli kazançların elde edileceği bir sistemin kurulması planlanmaktadır. Projenin başarıyla yürütülmesi ve beklenen çıktıların elde edilmesi durumunda, ATY kullanımıyla ilgili lisans almış çimento fabrikalarının yararlanabileceği bir sistemin kurulacağına inanılmaktadır. Bunun yanında, gerek ulusal gerekse uluslararası bilimsel literatür anlamında da elde edilecek bulgular özgün değere sahip olup, katma değeri yüksek çıktıların elde edilebilirliği, projenin ticari uygulama potansiyeli yönünü kuvvetlendirmektedir.