Header

Alçı Üretim Prosesi ve Enerji

05 Şubat 2013 Dergi: Şubat-2013
Özet
Bu çalışmada, inşaat sektörünün önemli yapı elemanlarından biri olan alçı üretim prosesinde enerji verimliliği üzerinde durulmaktadır ve çimento sektörüyle kıyaslaması yapılarak sektörün enerji tüketimi bakımından değerlendirilmesi yapılmaktadır. Enerji tüketimi yoğun olan bir alçı fabrikasının ısıl işlemlerinin gerçekleştiği prosesler belirlenerek, bu prosesler üzerinde enerji verimliliği açısından bir ön değerlendirme yapılmıştır. Buna göre, enerji tüketimi yüksek olan proseslerdeki tespit edilen parametreler iyileştirildiği takdirde elde edilecek enerji verimliliği değerleri belirlenmiştir. 
Anahtar kelimeler 
Enerji verimliliği, Alçı, Alçı sektörü. 
 
1. Giriş
Gelişmekte olan bir ülke konumunda olan ülkemizde sanayinin gelişmesi, artan nüfus ile doğru orantılı olarak enerji tüketimi ve ihtiyacı da gün geçtikçe artmaktadır. Bu nedenle, enerji verimliliği yeni bir enerji kaynağı olarak önemi göz önüne alınması gereken hayati bir konudur. Ülkemizde nükleer enerji santrallerinin kurulumuna ilişkin çalışmalar ve bu konuda tecrübeli, ileri teknolojiye sahip ve bilgi birikimi olan ülkelerle (Rusya Federasyonu ile Mersin-Akkuyu’da ve Japonya, Güney Kore ile Sinop’taki nükleer enerji santrali yapımı) görüşmeler ve anlaşmalar yapılmaktadır. Birçok bilim adamı, yeni enerji kaynaklarının bulunması için harcanacak para ile halkın enerjiyi daha verimli kullanması ve enerji tasarrufu yapmaları konusunda bilinçlendirilmesinde, sanayide enerji verimliliğinin artırılmasına yönelik destekler, düşük verime sahip ve eski teknolojilerin kullanımlarına kısıtlamalar getirecek yasal düzenlemeler ve temel eğitim düzeyinde enerji verimliliği kavramının benimsetilmesinin daha etkin bir çözüm olacağı görüşündedir. Böylece daha kısa sürede geri dönüş alınması ve gelecek nesillerin bilinçli olarak yetiştirilmesine katkı sağlayacağı tahmin edilmektedir. Herhangi bir maddeyi enerjiye çevirme yeteneğimiz olsa bile, enerji verimliliği ve tasarrufu kavramlarını benimsemedikçe insanoğlunun enerjiye olan ihtiyacı ve bağımlılığı hiçbir zaman bitmeyecektir. 
Enerji verimliliği konusunda farklı sektörlerde çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmaların bir özeti, Gürtürk ve Öztop [1] tarafından sunulmuştur. Bu çalışmaya göre, enerjiyi kullanan hemen her sektörde enerji verimliliği ile yeni çalışmalar yapmak mümkündür. Daloğlu [2], endüstriyel enerji verimliliği metodolojisi ve çimento sektörüne uygulanmasını incelemiştir. Bu çalışmada çimento sektörünün enerji verimliliği modelini oluşturmuştur. Mevcut 40 klinker üretim tesisi, bu tesislerin kümesel davranışını hammadde-enerji kullanımını ve emisyon özelliklerini veren ve buna eşdeğer bir referans klinker üretim tesisi ile tanımlamıştır. Yapılan çalışmanın sonucu olarak, çimento sektörünün 1990 - 2004 yılları arasında almış olduğu bazı rehabilitasyon ve enerji tasarrufu önlemleriyle, 1990 yılı referans alınarak 2004 yılı itibariyle toplam birincil enerji tüketiminde 12,9 PJ/yıl (PJ; 1 Petajul = 1 milyar Megajul) tasarruf sağlamış ve bunun parasal karşılığı 52,8 milyon $/yıl olarak hesaplamışlardır.
Engin ve Arı [3], kuru tip bir çimento döner fırın sistemlerinin enerji kazanımı ve etüdü üzerine bir çalışma yapmıştır. Çimento sektöründe enerjinin en yoğun olarak kullanıldığı ünitelerden biri olan döner fırın proseslerinin enerji geri kazanımı ve etüdü yapılmıştır. Döner fırın prosesinin kütle ve enerji dengesi kurulmuştur. Elde edilen veriler ile kayıplar belirlenmiştir. Bu kayıpların, döner fırın prosesine giren toplam enerjinin % 19,15’i baca gazından çevreye atıldığı, döner fırın prosesinin yetersiz yalıtımından dolayı çevreye olan ısı kaybı ise, % 15,11’dir. Döner fırın prosesinden işlenmiş olarak çıkan maddenin soğutulması amacı ile kullanılan soğutma havası ile çevreye atılan ısı değerini ise, % 5,61 olarak tespit etmişlerdir. Yapılan çalışma ile çevreye atılan bu atıl enerjinin % 15,6’sının geri kazanılabilir olduğu belirlenmiş. Aynı zamanda, geri kazanım için yapılacak yatırımın geri dönüşü 1,5 yıl gibi bir süre içinde gerçekleşeceğini hesaplamışlardır. Türközü vd. [4], Çumra Şeker Fabrikası şeker üretim süreci sürekli akışlı açık sistem olarak kabul edilerek ve 2006 / 2007 yılının işletme verileri kullanılarak, sistemin termodinamiğin birinci ve ikinci kanun verimlerini hesaplamışlardır. Yapılan çalışma neticesinde sistemdeki önemli kayıplar, sayısal olarak ortaya konmuş ve enerji tasarrufu yapılabilecek prosesleri tespit etmişlerdir. Tesis, yedi ana üniteye bölünerek detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu üniteler; şerbet üretim ünitesi, şerbet arıtım ünitesi, buharlaştırma (şerbet koyulaştırma) ünitesi, rafineri ünitesi, barometrik kondenserler (yoğuşturucular), fabrika su sistemi ve enerji üretim ünitesi olarak belirlemişlerdir. Yapılan bu analizde, tersinmezlikler (yok olan ekserji) üzerinde durulmuştur. En fazla tersinmezlik oranı, 7. ünitede (enerji üretim ünitesi) 70,4 olarak bulunmuştur. 
Şahin vd. [5], Kayseri Şeker Fabrikasının, 2002 - 2003 yılı kampanya verileri kullanılarak şeker üretim süreçleri için termodinamiğin birinci kanun (enerji analizi) ve ikinci kanun (ekserji analizi) analizlerini yapmışlardır. Bu analizler, endüstrideki üretim tesislerinin enerji verimliliğini artırmak ve atık enerjinin geri kazandırılmasını sağlamaktadır. Açık sistem olarak ele alınan şeker üretim süreçlerine giren ve çıkan madde miktarı, her bir durum için enerji ve ekserji analizi sonuçlarını elde etmişlerdir. Bu sonuçlara bağlı olarak, şeker üretim süreçlerinin birinci ve ikinci kanun verimleri tespit edilmiştir. Bir şeker fabrikasında şeker üretimi dört ana süreçte elde edilir. Çalışmalarında; pancar kıyımı ve ham şerbet üretimi, şerbet arıtma, şerbetin koyulaştırılması ve şeker kristalleştirme süreci kontrol hacim olarak alan araştırmacılar, bu süreçlerdeki enerji ve ekserji analizlerini gerçekleştirmişlerdir. 
Bu makalenin amacı, enerji verimliliği ve tasarrufu açısından bir alçı fabrikasının ön değerlendirmesidir. Alçı sektörünün alçı üretimindeki enerji verimliliği üzerinde durulacak tesisin enerji verimliliğini artırmaya yönelik olarak bir ön çalışma gerçekleştirilmiştir. 
2. Enerji verimliliği
Enerji verimliliği ve enerji tasarrufu birbirine yakın kavramlar olsa da, toplumda birçok alanda aynı kavramı ifade ediyormuş gibi değerlendirilir. Fakat enerji verimliliği ve enerji tasarrufu arasında belirgin bir fark olduğu, hem enerji verimliliğinin hem de enerji tasarrufunun tanımını yaptığımız zaman ortaya çıkmaktadır. Tasarrufun hayatın her alanında, çok geniş bir yelpazede uygulamaları mevcuttur. Enerji tasarrufunun tanımını yapacak olursak; lüzumsuz ve de gereksiz yere kullanılan bir sistemin, motorun, lambanın vb. enerji harcayan cihazların kapatılması anlamına gelir. 
Enerji verimliliği ise, daha az enerji kullanılarak aynı veya daha iyi hizmetlerin elde edilmesiyle ilgilidir. Yaşamımızda az değişimler gerektiren, basit ve gider bakımından etkin önlemlerin alınmasıyla sağlanabilir. Çok basit anlamda, enerji verimliliği, aynı işlemi yapmak için daha az enerji kullanımı demektir [6]. Enerji verimliliği, basit bir içeriğe sahip olmadığı, hayatın akışında ve her alanda daha az enerji kullanılarak hedeflenen işi gerçekleştirmek için gereksiz enerji kullanımını engelleyerek enerjiyi verimli bir şekilde amaca yönelik olarak tüketmeyi belirtir. Enerji verimliliği, enerjinin daha etkin kullanımı ile de özetlenebilir. Bu iki kavram göz önüne alındığı zaman, endüstride enerji verimliliğinin öneminin daha fazla olduğunu söyleyebiliriz. Endüstride enerji verimliliğini artırmaya yönelik birçok çalışma ve ar-ge çalışmaları yapılmaktadır. 
Gelişmiş ülkelerin, enerji verimliliğinde birçok girişimleri mevcuttur. Buna örnek olarak; elektrik motoru sistemleri; dünyadaki elektriğin % 40’ını, endüstri tarafından tüketilen elektriğin ise % 70’ini kullanmaktadır. Endüstride, altyapıda ve binalarda kabaca her yıl 300 milyon motor kullanımdayken, 30 milyon yeni elektrik motoru da endüstriyel amaçlı olarak satılmaktadır. Elektrik motorlarının belirli standartlar ölçüsünde kullanılmasını sağlayan kuruluşlar sayesinde, daha az enerji harcayan elektrik motorlarının kullanılması teşvik edilmiş ve de zorunlu hale getirilmiştir. Avrupa Birliği Minimum Enerji Performans Standardı (Minimum Energy Performance Standards-MEPS) Rehberi’nin amacı; yüksek verime sahip elektrik motorlarının kullanımını artırmak, bu yönde piyasayı yönlendirmek ve bilinçlendirmektir [7].  
Enerjinin hayatın her alanında vazgeçilmez bir unsur olarak karşımıza çıkması ve aynı zamanda enerjiyi verimli bir şekilde değerlendireceğimiz birçok alanın olduğu anlamına gelir. Bununla ilgili Tablo 1’de verilen değerler araştırmacıları ve tüketicileri çok yakından ilgilendiren çarpıcı sonuçlar ortaya koymaktadır.  

Tablo 1. Çeşitli Tüketici Gruplarının Enerji Verimliliği Potansiyelleri [8]

Tüketici

Enerji Verimliliği Potansiyeli ( % )

Büro binası

30 - 40

Otel ve restoranlar

20 - 25

Alışveriş merkezleri

20 - 25

Çimento sanayi

30 - 35

Demir çelik sanayi

35 - 40

Ağaç işleme sanayi

25 - 35

Deri sanayi

20 - 25

Tekstil sanayi

30 - 35

Küçük atölyeler

15 - 25

Konutlar

15 - 20

Bu verilerden yola çıkarak, bir ülkenin ne kadar büyük bir enerji verimliliği potansiyeline sahip olduğunu söyleyebiliriz. Bu veriler Almanya gibi gelişmiş bir ülkede deneyimler ile elde edilen rakamlardır [8]. Bizim ülkemiz için daha yüksek değerlerde enerji verimliliği ve tasarrufu potansiyeli olacaktır. Gelişmiş ülkelerin ileri teknolojiye sahip olmaları, enerji verimliliği ve tasarruf planlamaları, eski teknolojilerin kullanılmasındaki kısıtlamalar ve emisyon değerlerinin düşürülmesine yönelik çalışmalara büyük hassasiyet göstermelerine rağmen Tablo 1’deki değerler elde edilmiştir. Bu da ülkelerin enerji verimliliği ve tasarruf konusunda kat etmesi gereken uzun bir yolun olduğunu göstermektedir. Üretime dayalı büyük işletmelerde enerji verimliliği söz konusu olduğunda; kojenerasyon ya da birleşik ısı güç sistemleri, enerji üreten ve tüketen sistemlerde mevcut uygulama alanları ile birlikte çok yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu konunun temel amacı; bir sistemden olabildiğince çok yararlanılarak enerji verimliliği açısından üzerinde çalışılan sistemin daha etkin bir şekilde kullanılmasını sağlamaktır. Büyük ölçekteki sistemlerde, genel olarak ısıtma, soğutma ve elektrik (trijenerasyon) üretimi uygulamalarında kullanılmaktadır. Isıtma, soğutma ve elektrik ihtiyaçları için yeni bir tesisin kurulması yerine, mevcut sistemde analizler ile belirlenerek sistemde yapılacak tasarım ve değişiklikler ile bu ihtiyaçların karşılanabileceği bir uygulamadır. Yoğun enerji tüketen sektörlerde, atık ısı geri kazanım sistemlerinin, enerji verimliliği açısından yeri çok önemlidir. Çevreye atılan baca gazının bünyesinde bulundurduğu ısının, çevre ortama atılmadan başka bir amaç doğrultusunda kullanılması, enerji verimliliği açısından çok büyük faydalar sağlayacaktır. Kâğıt üzerinde basit bir analizin bile çevreye, ülke ekonomisine ve bir şirketten bahsedecek olursak, şirket sahip ya da ortaklarına sağlayacağı kâr muazzamdır. Birçok şirket, satış yaparak kâr oranlarını artırmak için çeşitli stratejiler ve planlamalar yapmaktadır. Enerjinin tanımını bu perspektifte yapacak olursak, enerji eşittir para demektir. Sistemlerin iyileştirilmesi ve enerji verimliliğinin artırılması için yapılacak yatırımlar, kendini çok kısa bir sürede amorti edecektir. Daha sonra ise yapılan enerji verimliliği çalışmasının sonuçları, doğrudan kâr olarak işletmenin hesabına işleyecektir. Ülkemizde alçı sektörü ve alçının bir yapı malzemesi olarak kullanılması, enerji verimliliği kapsamında değerlendirilebilir. Enerji verimliliği konusunda alçı, çok önemli bir yapı malzemesi olarak karşımıza çıkmaktadır. Büro binaları, oteller, restoranlar, konutlar, alışveriş merkezlerinde yapılacak alçı uygulamaları, alçının ısı yalıtım özelliği ile enerjiyi verimli bir şekilde kullanılmasına olanak sağlayacaktır. Bu durum, alçının ne kadar önemli bir yapı malzemesi olduğunun yanı sıra iyi bir yalıtım malzemesi olması, enerji verimliliğinde önemli bir rol üstlendiğini ortaya koymaktadır. 
Alçı üretimi yapılan tesisin ön değerlendirmesi; ısıl kayıplar, ısıl işlemlerin gerçekleştiği proseslere giren maddelerin ön ısıtma işlemi yapılıp yapılmadığı ve tesisin dışarıdan bir gözlemci açısından eksiklerinin belirlenmesi ve de giderilmesi üzerine yapılmıştır. Ön değerlendirme öncesi, alçının ve alçı sektörünün enerji verimliliği açısından ve ülke ekonomisindeki yeri bakımından incelenmesi yararlı olacaktır.  


2.1 Alçı ve Alçının İşlenmesi
Alçı taşı (jips), doğal olarak oluşan ve bileşiminde iki molekül su bulunduran bir Kalsiyum Sülfat (CaSO4.2H2O) mineralidir. Alçı taşının bünyesinde bulundurduğu su molekülünün % 15’i buharlaştırılacak şekilde, ısıtılması ve öğütülmesi ile alçı elde edilir. Alçı, suyla karıştırılınca tekrar katılaşarak bağlayıcılık özelliği taşıyan bir yapı malzemesine dönüşür. Günümüzde alçı taşı kullanımında, genel toplamın % 5’i zirai amaçlı, % 10 - 15 kadarı ise endüstriyel kullanım olarak adlandırılabilecek uygulamalarda tüketilmektedir. Geri kalan alçı taşının tamamı inşaat sektöründe kullanılan sıva alçısı, kartonpiyer alçısı, saten perdah alçısı ve makine sıva alçısı gibi toz alçı ürünleri ile yapı malzemesi olarak tüketilmektedir [9]. Alçı taşının işlenmesindeki moleküler formülü denklem 1 ile verilmektedir [10].

CaSO4.2H2O   CaSO4.1/2H2O+3/2H2O kütle kaybı = %15,71 (1)           

Alçı taşı tabiatta Anhidrit, Bassanit, Jips, Albatr, İpek Jipsi ve Selenit olmak üzere 6 şekilde bulunur. Doğal anhidrit susuz kalsiyum sülfattır. Doğada genellikle alçı taşı ile birlikte yataklandığı görülür. Bazı ülkelerdeki sülfürik asit üretimi dışında yakın tarihlere kadar fazla bir kullanım alanı bulunamamıştır. Ancak 30 yıldan bu yana kimya endüstrisinde ve inşaat malzemeleri yapımında önem kazanmış bulunmaktadır [11]. Alçı taşının işlenmesi (alçı taşının dehidrasyonu) esnasında kullanılan yakıtın cinsi önemlidir. Alçının sağlık, dekoratif amaçlı kullanımı gibi alanlarda tüketilmesinden dolayı renk kalitesi, yani alçının beyazlığı çok önemlidir. Bu yüzden alçı taşının işlenmesinde, alçı üzerinde yakıt atıklarının oluşturacağı kirliliğin söz konusu olmaması gerekir. Bu yüzden çimento sektöründen farklı olarak, kullanılan yakıt çeşitliliği bakımından alçı sektörüne kısıtlamalar getirmektedir. Bu bakımdan alçı taşının işlenmesinde doğalgaz ideal bir yakıttır. 
Doğalgaz; havadan hafif, renksiz ve kokusuz bir gazdır. Yeraltında, petrolün yakınında bulunur. Yeryüzüne çıkarılışı petrolle aynıdır, daha sonra büyük boru hatları ile taşınır. Doğalgaz rezervlerinin 76 trilyon metreküpü (% 41) Ortadoğu ülkelerinde, 59 trilyon metreküpü (% 33) Rusya ve BDT ülkelerinde, 31 trilyon metreküpü (% 17) Afrika / Asya Pasifik ülkelerinde bulunmaktadır [12]. Türkiye bu enerjiyi ithal ettiği gibi yurtiçi kaynaklardan da elde etmektedir. Ülkemizde 2010 yılı itibarıyla üretilen doğalgaz miktarı 726 milyon m3, yurtiçi üretilebilir doğalgaz rezervi 6,2 milyar m3’tür [13]. Türkiye’nin yıllara göre yurtiçi kaynaklardan üretilen doğalgaz miktarı Şekil 1’de gösterilmiştir. Doğalgaz rezervlerinin neredeyse yarısına yakınının istikrarın olmadığı Ortadoğu ülkelerinde olması, meydana gelen teknik aksaklıklar, boru hatlarına yapılan sabotaj ve savaşların, doğalgaz fiyatları ve temininde problemlere neden olması, doğalgazı ithal eden ülkeleri olumsuz bir şekilde, ülke ve küresel ekonomileri ise doğrudan etkilemektedir. 

Alçı taşı potansiyeli barındıran bölgelerde doğalgazın bulunmamasından dolayı, doğalgazın çoğunlukla ithal edilen bir yakıt olması, sektörün büyümesini ve yapılması gereken yatırımların gecikmesine veya yapılmamasına neden olmuştur. Buna rağmen doğalgazın, alçı taşı bakımından zengin olan bölgelerde olmaması, bu bölgelerde doğalgaz yerine sıvılaştırılmış doğalgazdan (LNG) yararlanılmaktadır. LNG, Afrika ülkelerinden ithal edilen ve gemiler vasıtasıyla taşınan sıvılaştırılmış doğalgazdır.

Alçı fabrikalarında sadece alçı üretimi gerçekleştirilmemektedir. Alçının yanı sıra perlitli sıva alçısı üretimi içinde perlit genleştirme üniteleri kullanılmaktadır. Perlit, magmanın asit fazında oluşan, lavların soğuyup gözle ve mikroskopla görülebilecek bir yapıda kırılmasının meydana getirdiği, kütle bünyesinde su damlacıkları bulunan volkanik bir cam türünü ifade eder. Ticari kullanımda ise perlit, elverişli bir sıcaklığa kadar ısıtıldığında genleşen ve gözenekli bir hale gelen volkanik doğuşumsu (menşeli) ve doğal olarak oluşan asidik bir camdır. Perlit belirli bir tane iriliğinde özel formlarda 900 – 1100 °C arasında ısıtıldığında hacmini yaklaşık 20 kat genleştirmekte ve mısır gibi patlayarak yoğunluğu çok hafif bir hale gelmektedir. İnşaat perliti; duvarlarda, çatılarda, taban ve tavanlarda, ara bölmelerde, kısaca ısı ve ses izolasyonu gereken her alanda muhtelif yöntemlerle kullanılmaktadır. Isı izolasyonu olarak kullanıldığı alanlarda sahiplerine ve ülke ekonomisine büyük katma değer sağlamaktadır [15]. Perlit aynı zamanda tank ve fırınların yalıtımında, döküm sanayiinde ve tarım sektöründe de kullanılmaktadır. Tablo 2’de önemli perlit üreticilerinin 2010 yılı verileri gösterilmiştir.

Tablo 2. Önde gelen perlit üreticilerinin 2010 yılı perlit üretimi [16]

Ülke

Üretim (ton)

Yunanistan

500

ABD

375

Japonya

220

Türkiye

220

Macaristan

65

Meksika

50

Diğer Ülkeler

230

Toplam

1700


Enerji tüketiminde alçı sektörünün tanımını, çimento sektöründen yararlanarak yapabiliriz. Ülkemizde dünya çapında ilk 10 içerisinde yer alan çimento sektörü, 2009 yılında üretim kapasitesi artırılarak 90 milyon tona ulaşmış, üretim 58,0 milyon tonu bulmuştur. 2010 yılında üretim 62,0 milyon tondur. 2011 yılı ilk dört ayın üretim toplamı ise 14,5 milyon tondur [17]. Dünyada söz sahibi olduğumuz bu sektör üzerine birçok analiz gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sayesinde sektörün enerji verimliliği, tasarruf potansiyeli, sera gazı ve çevreyi kirletici etkileri, çimento sektörünün tükettiği enerji belirlenerek daha çevreci ve daha az enerji tüketen bir sektör konumuna getirilmesi için çaba harcanmaktadır. Aynı perspektif de alçı sektörü üzerine gidilmemektedir. Bunun nedeni ise çimento sektöründe tüketilen enerji miktarının çok yüksek, alçıda ise çimento sektörüne nazaran düşük miktarlarda gerçekleştiği düşünülmektedir. Aynı zamanda alçının ülkemizde hak ettiği değeri görmemesi de başka bir problemdir. Bu konuda, ülkemizde alçıyı tanıtmak amacı ile yola çıkan bazı kuruluşlar mevcuttur. Bu kuruluşlar içerisinde en aktif olarak öne çıkan, Türkiye Alçı Üreticileri Derneğidir. Türkiye, 2010 yılında 3,4 milyon ton alçı üretimi gerçekleştirmiştir [18]. Tablo 3, önemli alçı üreticilerinin yıllara göre alçı üretimini göstermektedir. 

Tablo 3. Dünyada ülkelere göre alçı üretimi (milyon ton) [18]

Ülke

2006

2007

2008

2009

2010

Kanada

9,5

9,5

9,7

9,9

10

Çin

7,5

7,7

7,8

7,9

8

Mısır

2

2

2,2

2,2

2,2

Fransa

4,8

4,8

5

5

5

Almanya

1,65

1,7

1,8

1,8

1,8

Yunanistan

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

İran

13

13

13

13

13

İtalya

1,2

1,2

1,4

1,4

1,4

Japonya

5,9

6

6

6,1

6,2

Meksika

7

7,4

7,5

7,7

7,8

Rusya

2,2

2,4

2,5

2,6

2,6

İspanya

13,2

13,2

13,4

13,5

13,5

Suriye

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

Tayland

8,35

8,4

8,5

8,5

8,6

İngiltere

2,9

2,9

3,1

3,1

3,2

A.B.D.

21,1

22

22

22,2

22,5

Türkiye

2,3

2,5

2,3

2,3

2,5

Diğer Ülkeler

21,4

21,3

20,8

21,8

23,7

TOPLAM

125

127

128

130

131

Alçı, tuğla üretiminde kullanılan enerjinin yarısı, çimento üretiminde kullanılan enerjinin ise 1/5’i kullanılarak elde edilmektedir. Alçının üretimi aşamasında alternatif ürünlere kıyasla çok daha az enerji kullanılır. 1 ton alçı üretmek için 30 litre fuel-oil gerekirken, 1 ton tuğla üretmek için 60 litre, 1 ton çimento için 150 litre fuel-oil’e ihtiyaç vardır. Alçı düşük enerji ile üretilir. Emsali olan diğer inşaat malzemelerinden, örneğin kireç 900 °C, çimento 1000 °C’de, alçı ise 90 - 120 °C’de elde edilir [9]. Alçı taşının dehidrasyon işlemi esnasında, alçının 90 - 120 °C’de elde edilmesi, alçının işlendiği ünitenin (döner fırın prosesleri) tasarımına bağlı olarak ve alçı taşının her bölgede farklı özellikler göstermesi (alçı taşının bünyesinde bulunan kristal su miktarının, istenilen düzeyde buharlaştırılması için daha yüksek sıcaklıklara çıkarılabilir) ile değişebilir. Çimento sektöründe de kullanılan döner fırın prosesleri 50 metre uzunluğuna kadar ulaşırken, alçı sektöründe kullanılan döner fırınların uzunlukları 14 - 16 metre kadardır. Fırınların uzunluk parametresi, yanma odasında açığa çıkan ısının, döner fırında işlenen malzemeyi ısıtması için iyi bir karıştırma işlemine sahip olması göz önüne alınarak belirlenir. Böylece malzemenin istenilen sıcaklıklara çıkması daha az bir süre ve enerji ile gerçekleşir. Alçı sektörünün çimento sektörüne nazaran daha az enerji tüketmesi, enerji kayıplarının önemsenmeyecek derecelerde olacağı anlamına gelmemektedir. Türkiye’de, 2010 yılında çimento sektörü 62 milyon ton çimento üretimi için, 4.629 bin TEP enerji tüketerek gerçekleştirmiştir [19]. Alçıda ise, 2010 yılın da 3,4 milyon ton alçı üretimi için, 68.000.000 m3 doğalgaz tüketilmektedir. 68.000.000 m3 doğalgaz (yoğunluğu 0,717 kg/ m3 ) 48.756 ton doğalgaz demektir, buda 40.227,7 TEP’e eşdeğerdir. Alçı üretiminde elektrik tüketim değerleri göz önüne alınmamıştır. Bunun nedeni ise bu verilerin çimento sektöründeki gibi sağlıklı bir istatistiğin mevcut olmamasıdır. Alçı sektörü, eğer 62 milyon ton alçı üretimi gerçekleştirmiş olsaydı, 733,491 TEP enerji harcanması gerekecektir. Buradan yola çıkarak çimento ve alçı üretimi için tüketilen enerji miktarı kıyaslandığı zaman, alçı üretmek için harcanan enerjinin 6,31 katı fazla enerji ile çimento üretimi gerçekleştirileceği ortaya çıkmaktadır. Sonuç olarak alçı sektörünün 2010 yılında tükettiği enerji değeri belirlenmiştir. 

Alçı fabrikalarında, perlitli sıva alçısı üretimi için perlit genleştirme prosesi ve alçı taşının işlendiği döner fırın prosesleri, ısıl işlemlerin gerçekleştiği ünitelerdir. Perlit genleştirme veya patlatma ünitesi olarak adlandırılan bu proseslerde perlit işlenmektedir. Perlit genleştirme proseslerinde yakıt olarak doğalgaz kullanılmaktadır. Bu doğalgaz miktarı, alçı sektöründe üretilen perlitli sıva alçısı miktarı bilinmediğinden dolayı hesaplamalara dâhil edilmemiştir. Aynı zamanda her alçı üretimi yapan tesiste bu proses mevcut değildir. İşletmeci ya perlitli sıva alçısı üretimi yapmıyor ya da genleştirilmiş perlit satışı yapan başka bir firmadan temin etmektedir. Perlit; magmanın asit fazında oluşan, lavların soğuyup gözle ve mikroskopla görülebilecek bir yapıda kırılmasının meydana getirdiği, kütle bünyesinde su damlacıkları bulunan volkanik bir cam türünü ifade eder. Ticari kullanımda ise perlit, elverişli bir sıcaklığa kadar ısıtıldığında genleşen ve gözenekli bir hale gelen volkanik doğuşumsu (menşeli) ve doğal olarak oluşan asidik bir camdır. Perlit belirli bir tane iriliğinde özel formlarda 900 – 1100 °C arasında ısıtıldığında hacmini yaklaşık 20 kat genleştirmekte ve mısır gibi patlayarak yoğunluğu çok hafif bir hale gelmektedir. İnşaat perliti; duvarlarda, çatılarda, taban ve tavanlarda, ara bölmelerde, kısaca ısı ve ses izolasyonu gereken her alanda muhtelif yöntemlerle kullanılmaktadır. Isı izolasyonu olarak kullanıldığı alanlarda sahiplerine ve ülke ekonomisine büyük katma değer sağlamaktadır [20]. Perlit aynı zamanda tank ve fırınların yalıtımında, döküm sanayiinde ve tarım sektöründe de kullanılmaktadır. 
2.2 Alçı üretimi yapan bir tesisin enerji verimliliği açısından ön değerlendirilmesi
Bu çalışmada, bir alçı fabrikasının üretim tesisindeki ısıl işlemlerin gerçekleştiği ünitelerde meydana gelen ısıl kayıpların miktarları belirlenmiştir. Döner fırın prosesinin baca gazı ile çevreye atılan ısı ve perlit patlatma ünitesinin yetersiz yalıtımından meydana gelen ısı kayıpları göz önüne alınmıştır. Bu kayıpların sisteme tekrardan kazandırılması ya da önlenmesi üzerine araştırmalar yapılmıştır. Ayrıca, kayıpların giderilmesi durumunda yakıttan yapılacak enerji verimliliği ve bunun parasal karşılığı belirlenmiştir. Döner fırın prosesine giren hammaddenin parçacık boyutunun düşürülmesi ve fırının bazı bölgelerindeki yetersiz yalıtımdan kaynaklanan ısıl kayıpların belirlenmesi için termal kamera görüntüleri alınmıştır. Fırın ünitesinde temel hedef, baca gazı ile çevreye atılan ısının, fırına giren doğalgaz yakma havasının ön ısıtılmasıdır. Perlit genleştirme ünitesindeki temel hedef ise, eski teknolojiye sahip sistemin sadece yakma ve genleştirme bölgesinin değiştirildiği ya da alternatif bir tasarım ile sisteme müdahale edildiği takdirde, yapılabilecek enerji verimliliği ve bunun parasal karşılığı hesaplanmıştır.
-Hesaplamalarda kullanılan değerler 0 oC ve 1 atm’de olduğu kabul edilerek belirlenmiştir.
-Yoğunluğun sıcaklıkla değişmediği kabul edilmiştir. 
2.3 Döner Fırının Baca Gazı Isısının Değerlendirilmesi
Baca gazı debisi, döner fırının kütle dengesinin kurulması sonucu elde edilmiştir.  Hammadde girişi 20.000 kg/h’dir. Hammaddenin yapısında bulunan su kristallerinin buharlaştırılması ile alçı taşı işlenir. Bu su kristalleri hammaddenin elde edildiği kaynağa göre değişkenlik gösterebilir. Genellikle hammaddede bulunan su kristallerinin oranı % 20’dir. Hammaddenin işlenmesi sırasında bu su kristallerinin % 75’lik kısmı fırında buharlaştırılır. Geri kalan % 25’lik kısmının ise alçı taşının içerisinde kalması istenir. Hammaddenin nem yüzdesi, işletmenin laboratuvarlarında yapılan ölçüm sonucunda % 1,44 olarak tespit edilmiştir. Hammaddeden buharlaşan su buharı bacadan çevre ortama atılmaktadır. Döner fırın prosesine giren hammaddenin ısıtılması sonucu 0,91 kg/s su buharı debisi oluşmaktadır. Buna ilave olarak, hava (2,77 kg/s) ve doğalgazın (0,079 kg/s) kütlesel debileri hesaplanması sonucu olarak, baca gazı debisi yaklaşık olarak 3,75 kg/s bulunmuştur. Baca gazı ısısı, bacanın yalıtım kısmının bittiği yerden yapılan sıcaklık ölçümü göz önüne alınarak, ölçüm alınan noktadaki ısı değeri hesaplanmıştır. Baca uzunluğu 18 m ve çapı 1,2 m olup, baca içerisinden geçen gazların sıcaklıkları 114 oC’dir.

                                                                      
Burada,  (kg/s) kütle debisini, Cp akışkanın özgül ısı kapasitesini (1 kj / kgK olarak alınmıştır), T (K) baca gazı sıcaklığını ifade etmektedir. Yapılan hesaplama ile bu noktadaki ısı miktarı 1451,25 kW olarak belirlenmiştir. Belirlenen bu değerin kullanılabilirliği, ısı enerjisinin ekserji olarak ifade edilmesi gerektiğini vurgulamamız gerekmektedir. Bacadan çevreye atılan ısının yalıtımın bittiği yerdeki değerin göz önüne alınmasındaki amaç ise, doğalgazın yanması için çevre ortamdan alınan havanın ön ısıtılması için kullanılacak reküperatörün bu bölüme yerleştirilmesi düşünülmüştür. Döner fırın prosesinden yakılan doğalgazın hacimsel debisi 400 m3/h’dir. Doğalgazın alt ısıl değeri 45.000 kj/kg’dir. 

                                                                            
Yapılan hesaplama sonucu olarak, döner fırın prosesinde 3.585 kW ısı enerjisi üretilmektedir. Baca gazından çıkan suyun buhar fazında olmasından dolayı, doğalgazın alt ısıl değeri hesaplamalarda göz önüne alınmıştır. Üretilen enerjinin % 40,48’i baca gazından çevreye atılmaktadır. Atıl durumdaki ısının üretimi için gerekli doğalgazın debisi 116,1 kg/h’dir. Sistemde, bacaya yerleştirilmesi planlanan reküperatörün, döner fırın prosesine çevre şartlarında giren havayı, baca gazı ısısı ile ısıtılması planlanmaktadır. Sistem yalıtımlı olacaktır. Alttan ve üstten kanallar olacak ve bu kanallar tekrar bacaya bağlanacak. Giriş ve çıkışta klapeler kullanılacaktır. Reküperatörün özelliklerinden biri de duman tarafındaki direncin az olması, fazladan bir cebri çekiş uygulamasına gerek olmayacağını göstermektedir.
2.4 Döner Fırının Yalıtım Açısından Değerlendirilmesi
Döner fırın prosesinin bazı kısımlarında yetersiz yalıtımından dolayı ısı transferi ile enerji kaçağı da söz konusudur. Prosesin en uygun açıdan çekilen termal kamera görüntüleri göstermiştir ki döner fırın prosesinin bazı bölgelerinde yalıtım yetersizdir. 

2.5 Perlit Patlatma Sistemi
Yapılan hesaplamalarda, sadece yanmanın ve karışımın gerçekleştiği bölüm göz önüne alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Göz önüne alınan bölgenin alanı 10,88 m2 ve yüzey sıcaklığı ortalama olarak 675 oC’dir. Isı taşınım katsayısı 2 W/m2K olarak alınmıştır. Perlit patlatma prosesinden taşınılma çevreye olan ısı transferi Eşitlik 4 ile hesaplanmıştır.

          
Bu eşitlik de  , taşınılma çevreye olan ısı transferini, H (W/m2K) ısı taşınım katsayısı, A (m2) göz önüne alınan bölümün alanı ve   (K) çevre ve proses yüzeyi sıcaklığını ifade etmektedir.
Prosesinden çevreye olan ısı kaybı en fazla ışınım ile gerçekleşmektedir. Çevredeki hava hareketi çok yüksek değerlerde olmadığından dolayı, yetersiz yalıtım olduğu bölgelerde ısı ışınım ile çevreye geçmektedir. Hesaplamalarda prosesin yüzeyi koyu gri yüzey olarak göz önüne alınmıştır. Buna karşılık gelen ışınım yayma oranı 0,78 olarak alınmıştır. Prosesten çevreye olan ışınımla ısı transferi Eşitlik 5 ile hesaplanmıştır. 

    
Eşitlik de   (kW) ışınım ile çevreye olan ısı transferini,    (W/ m2K4) Stefan-Boltzmann sabitini, A (m2) göz önüne alınan bölümün alanı,   ışınım yayma oranını, T  (K) çevre ile proses yüzeyi arasındaki sıcaklığı ifade etmektedir. 

2.6 İşletmenin içerisindeki toz faktörü
Alçı ve benzeri işletmelerde toz faktörü önemli bir problemdir. İşletmelerde bağlantı elemanları arasındaki kopukluk, sızdırmazlığın sağlanamaması veya filtreleme işleminin kötü olmasından dolayı işletmede toz oluşumuna neden olmaktadır. Alçı fabrikalarında hammaddenin döner fırın prosesine girişinde ortalama 10 mm çapındadır. Bu değer işletmenin ön kırma ünitesine bağlı olarak değişebilir. Hammaddenin fırın ünitesinden paketleme ünitesine kadarki yolculuğunda çok küçük boyutlar düzeyindedir. Hammadde fırından yüksek sıcaklıklarda çıktığından dolayı, hammaddenin geçtiği taşıyıcı, boru, depo gibi sistem bileşenleri üzerinde ve bağlantılarında termal gerilmelere yol açmaktadır. Aynı zamanda bu sistemlerin çoğunda, özellikle taşıyıcı elemanlarda meydana gelen titreşimler bağlantı elemanları arasında sızdırmaya yol açacaktır. İşlenmiş ve çok küçük çaplardaki madde veya maddeler bağlantı elemanları arasından işletme içerisinde serbestçe dolaşacaktır. Bu durum birçok probleme neden olacaktır.
-İşletmede toz kirliliğine,
-Çalışanların bu küçük boyutlardaki parçacıkları solunum yolu ile akciğerlerine absorbe etmeleri sonucu oluşacak sağlık problemlerine,
-Çalışanların veriminde düşüşe,
-İşletmedeki iş akışını engellemesine ve aksamasına,
-İşletmede temizliğe ayrılan sürenin artmasına,
-Tozun, makineler ve ekipmanlarına zarar vermesine, yorulmasına ve çalışma ömrünü tamamlamasına,
-İşletmenin bakım ve onarım maliyetinin artmasına neden olmaktadır.
İşletmelerin baca gazlarından çevreye atılan toz emisyonu ise ayrı bir şekilde değerlendirilmelidir. Hammaddenin belirli bir kısmı fırında işlendikten sonra baca gazı ile birlikte çevreye atılması durumunu engellemek için filtre sistemleri kullanılmaktadır. Toz tutucu bu filtreler çok küçük boyutlardaki hammaddenin çevre ortama atılmasına engel olmaktadırlar. Bunun yanı sıra, filtrede tutulan tozlar tekrardan sisteme entegre edilir.  Aynı zamanda katı yakıt ve fuel-oil ile çalışan ve ısıl kapasitesi 100 Gj/h (27.778 kW) ve üstünde olan yakma sistemleri ile 15 kg/h ve üstünde toz emisyonu yayan (bu emisyona yanıcı parçacıklar da dahil) tesislerin toz emisyonu konsantrasyonunu sürekli ölçen, yazıcılı bir ölçüm cihazı ile donatılırlar. Bu gibi tesislerde emisyon değerlerinin düşürülmesi için fazladan önlemler alınması gerekmektedir. Örnek olarak; elektrostatik filtre kullanımı emisyon değerlerinin düşürülmesinde faydalı ve yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Alçı fabrikalarında kullanılan yakıtın doğalgaz olmasından dolayı, alçı sektöründeki emisyon değerleri düşüktür. Fakat toz emisyonu için önlemlerin alınması şarttır. Aynı şekilde eğer işletme perlitli sıva alçısı üretimi de yapıyorsa, perlit patlatma ünitelerinde, filtre veya siklon ekipmanları ile toz oluşumu engellenmeye çalışılır. Doğalgazın perlit patlatmada kullanılmasından dolayı yine emisyon değerleri düşük olmaktadır. 

3. Örnek çalışma
Döner fırının 24 saat çalıştığı ve fırına giren yanma havasının her 50 oC sıcaklığının artırılmasında, % 1 ile % 5 arasında yakıtta verimlilik sağlanabilir. Bu havanın 50 oC ısıtılması ile % 2,5 enerji verimliliği sağladığı ön görülebilir. Bu durumda, harcanan yakıt miktarındaki % 2,5’lik verimlilik saatte 10 m3/h yakıta eşdeğerdir. Tablo 4’te tesisin saat, gün, ay ve yıllık olarak elde edeceği yakıt miktarı verilmiştir. Bu değerler tesisin yıl boyunca 7 / 24 çalıştığı varsayımı ile belirlenmiştir. Bu bakımdan aylık olarak elde edilecek yakıt verimliliğinin göz önüne alınması daha sağlıklı olacaktır. 

Tablo 4. Döner fırından elde edilecek doğalgaz miktarı

Saat

Gün

Ay

Yıl

10 m3

240 m3

7.200 m3

86.400 m3


Tablo 5’te yapılan uygulama ile elde edilecek kazanç miktarı verilmiştir. 

Tablo 5. Döner fırından elde edilecek kazanç miktarı

Saat

Gün

Ay

Yıl

5,82 TL

139,68 TL

4.190,4 TL

50.284,8 TL


Perlit patlatma ünitesinin yetersiz yalıtımdan dolayı meydana gelen ısı kayıpları çok yüksek derecelerde olduğu hesaplanmıştır. Prosesten çevreye taşınım ile olan ısı transferi 14,688 kW olarak hesaplanmıştır. Taşınım ile çevreye olan ısı kaybına denk gelen doğalgaz miktarı 1,63 m3/h olarak hesaplanmıştır. Yapılan hesaplama sonucu olarak, prosesten çevreye ışınım ile olan ısı transferi 385,9 kW olarak hesaplanmıştır. Işınım ile çevreye olan ısı kaybına denk gelen doğal gaz miktarı 43,05 m3/h olarak hesaplanmıştır.
Toplam ısı kaybı 400,58 kW ve kayıp ısı değerlerine denk gelen doğalgazın hacimsel debisi 44.68 m3/h olarak belirlenmiştir. Perlit patlatma ünitesi günde 16 saat çalıştırılmaktadır. Prosesteki bu kayıpların giderilmesi için yalıtım uygulaması yapıldığı ve bu yalıtım ile kayıp ısının % 80’i kazanıldığı (320,46 kW) düşünülerek elde edilecek yakıt verimliliği Tablo 6’da gösterilmiştir.

Tablo 6. Perlit patlatma ünitesinden elde edilecek doğalgaz miktarı

Saat

Gün

Ay

Yıl

37,75 m3

572,09 m3

17.162,71 m3

205.952,53 m3


Prosesteki bu kayıpların giderilmesi için önlemler alındığı takdirde, elde edilecek kazanç miktarı Tablo 7’de gösterilmiştir.

Tablo 7. Perlit patlatma ünitesinden elde edilecek kazanç miktarı

Saat

Gün

Ay

Yıl

21,97 TL

351,52 TL

10.545,84 TL

126.550,08 TL


Yapılan çalışmanın verileri göstermiştir ki, fabrikanın sadece baca gazı ile havanın ön ısıtmasından yılda 86.400 m3 doğalgaz verimliliği sağlayabileceği belirlenmiştir. Eski bir teknolojiye sahip perlit ünitesinin değiştirilmesi ya da yalıtımının yapılması durumunda, yılda 205.952,53 m3 doğalgaz verimliliği sağlayabilecektir. 
Fırına giren hammaddenin ön ısıtması durumunda çok yüksek miktarlarda tasarruf sağlanabileceği öngörülmektedir. Aynı zamanda hammaddenin fırına girişteki parçacık boyutu da çok önemli bir parametredir. Fırından çıkan işlenmiş hammaddenin 154 oC’de ve saatte 16,712 ton hammaddeden alınan ısının, çevre şartlarında fırına giren hammaddenin ön ısıtmasında kullanıldığı takdirde, yakıttan yüksek miktarlarda enerji tasarrufu yapılabileceği de öngörülmüştür. Yapılan çalışmanın verileri göstermiştir ki, işletmenin sadece baca gazı ile havanın ön ısıtmasından yılda 86.400 m3 doğalgaz verimliliği sağlayabileceği belirlenmiştir. Eski bir teknolojiye sahip perlit ünitesinin değiştirilmesi durumunda, yılda 205.952,53 m3 doğalgaz verimliliği sağlayabilecektir. Her iki prosesten elde edilecek maliyetin karşılığı ise, yılda 176.834,88 TL olarak hesaplanmıştır. Elde edilen değerlerin aylık olarak değerlendirilmesi önemlidir. Yıllık olarak yapılan hesaplamalarda, 12 ay boyunca çalışıyormuş varsımı yapılarak elde edilmiş değerlerdir. Genellikle işletmelerin aylık üretim kapasiteleri değerlendirilir. Bunun nedeni ticaridir ve arz-talep çerçevesinde gerçekleşir. Ön analizleri gerçekleştirilen tesisten elde edilen sonuçların genellenmesi söz konusu değildir. Fakat bu çalışma gösteriyor ki, enerji yönetimi bakımından benzer şirketlerinde mevcudiyeti söz konusu olabilir ve şirketlerin enerji politikaları geliştirerek enerji yönetimine verilmesi gerek önemin üzerinde durulması gerekmektedir. 
Kaynaklar 
[1]M. Gürtürk, H.F. Öztop, Türkiye’de Yüksek Enerji Tüketen Sektörlerin Enerji ve Ekserji Analizleri Üzerine Bir Araştırma, Termodinamik Dergisi, Eylül, 241, 2012
[2]Daloğlu, Ş., 2007. Endüstriyel enerji verimliliği metodolojisi ve çimento sektörüne uygulanması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
[3]Engin, T. And Ari, V., 2005. Energy auditing and recovery for dry type cement rotary kiln system- Acase study, Energy Conversion And Management, 46, 551-562.
[4]Türközü, B., Özen, D.N. ve Altınışık, K., 2010. Çumra şeker fabrikası enerji verimliliğinin ekserji analiziyle değerlendirilmesi, Isı Bilimi Ve Tekniği Dergisi, 30, 77-83.
[5]Şahin, H.M., Acır, A. ve Koçyiğit., 2007. Enerji ve ekserji analiz metoduyla kayseri şeker fabrikasında enerji verimliliğinin değerlendirilmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 22, 111-119.
[6]Hepbaşlı, A., Enerji Verimliliği Ve Yönetim Sistemi (birinci baskı), Esen Ofset, İstanbul, 2010. 
[7]Erecek, A., Elektrik motorlarının enerji verimliliğinde uluslararası standartların ve anlaşmaların harmonizasyonu ve ülkelerin yaklaşımları, 2. Ulusal Enerji Verimliliği  Forumu ve Fuarı, İstanbul-Türkiye, 2010.
[9]Alçıdergi, Sayı:1, Ocak 2009. 
[10]Dweck J., Lasota, E.I.P., Quality control of commercial plasters by thermogravimentry, Thermochimica acta, 318, 137-142, 1998.  
[11]Dokuzuncu kalkınma planı 2007-2013, Taş ve Toprağa Dayalı Sanayiler, Ankara, 2008. 
[12]http://www.enerji.gov.tr/index.php?dil=tr&sf=webpages&b=dogalgaz&bn=221&hn=&nm=384&id=40694 Doğalgaz. 11 Mayıs 2012.
[14] www.pigm.gov.tr/istatistikler.php PİGM, İstatistikler. 11 Mayıs 2012.
[15] http://www.aralci.com/perlit.html Perlit. 11 Mayıs 2012.
[18]http://www.alcider.org.tr/dunya/ ,Aralık 2012’de Erişildi.
[20]http://www.aralci.com/perlit.html, Aralık 2012’de Erişildi.




Etiketler