İçindekiler
Dergi Arşivi

Kimyasal Gübre ve Azot Bileşiklerinin Üretiminde Kaynak Verimliliği

Dr. Volkan PELİTLİ - Tuba BUDAK DUHBACI (TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Çevre ve Temiz Üretim Enstitüsü)

 

Kimyasal gübre üretimi, proses aşamalarından kaynaklanan girdi ve çıktılarının doğası gereği, çevresel etkilerin kademeli olarak azaltılmasını zorunlu kılmaktadır. Bu çalışma da, kimyasal gübre üretiminde uzun vadeli eğilimleri analiz ederek, kaynak verimliliği programlarının geliştirilmesi ve çevresel performans hedeflerinin belirlenmesi için üreticilerin benimseyebilecekleri temel bakış açıları sunmuştur.
Dünya genelinde küresel nüfus artışıyla birlikte gıda ve besin ihtiyaçlarının karşılanabilmesi amacıyla daha fazla tarımsal üretime ihtiyaç duyulmuştur. Bu sebeple insanoğlu giderek artan nüfus talepleri doğrultusunda daha verimli kaynaklar bulmaya çalışmış ve bunun sonucunda da bitkiler için gübrelerin kullanıldığı tarımsal sistemler geliştirilmiştir. Genel anlamıyla gübreler bitki gelişimini teşvik etmek amacıyla toprağa veya bitki yapraklarına doğrudan uygulanan kimyasal bileşikler olarak tanımlanmakta olup doğal (organik) ve kimyasal (inorganik) gübreler olarak iki sınıfa ayrılmaktadır (Şekil 1). Doğal gübreler, doğal proseslerle üretilen doğal bileşiklerdir; kimyasal gübreler ise doğal tortulların üretim tesislerinde kimyasal proseslerden geçirilerek, gerekli kompozisyonlarda üretilen yani kimyasal dönüşüme uğramış bileşiklerdir.


Şekil 1. Gübre Çeşitleri: Doğal ve Kimyasal Gübreler.

Ülkemizde kimyasal gübre üretimi uzun yıllar boyunca kamuya ait kurumlar tarafından gerçekleştirilmiştir. Ardından özel sektör tarafından yatırımlar yapılmış ve sektörün ülke ekonomisine olan katkısı giderek önem kazanmıştır. Kimyasal gübre üretimi, kimyasallar ve kimyasal ürünlerin imalatı sektörü içinde önemli bir alana sahip olup azotlu mineral veya kimyasal gübreler, fosfatlı mineral veya azotlu gübreler, potaslı mineral veya kimyasal gübreler ile azot (N), fosfor (P) veya potasyumum (K) her ikisi ya da üçünü de içeren mineral veya kimyasal gübrelerin üretimini kapsamaktadır. Kimyasal Gübre ve Azot Bileşikleri İmalatı, Avrupa Topluluğu’nda Ekonomik Faaliyetlerin İstatistiki Sınıflaması (NACE) sistemine göre 20.15 ile sınıflandırılmış olup alt kırılımları Şekil 2’de verilmiştir.


Şekil 2. Kimyasal Gübre ve Azot Bileşiklerinin İmalatı Sektörü NACE Sınıflaması

Ülkemizde kimyasal gübre üretimi son 10 yılda dalgalanmalar göstermekle birlikte, toplam tüketim miktarları 2016 yılında belirgin bir artış göstermiştir. 2007 yılında 3.114 milyon ton olan üretim değeri 2016 yılında 3.359 milyon tona yükselmiş ve tüketim miktarı da 2007 ile 2016 yılları arasında 5.148 milyon tondan 6.745 milyon tona yükselmiştir (Şekil 3) [1].


Şekil 3. Türkiye Kimyasal Gübre Üretim, Tüketim, İhracat ve İthalat Miktarları (Bin Ton)

Ülkemiz kimyasal gübre üretiminde kullanılan tüm ham madde kaynaklarına sahip değildir. Bu sebeple üretimindeki en önemli sorunu da bu ham maddelere ulaşımda dışa bağımlılık oluşturmaktadır. Doğal gaz, fosfat kayası, potasyum tuzları gibi ana girdilerin yaklaşık %95’i ithalatla karşılanmaktadır. Bundan dolayı üretim maliyetlerinde ham madde fiyatları oldukça belirleyicidir. Ayrıca ham madde kayıplarının önlenerek kaynak verimliliğinin artırılması da sektördeki üreticilerin rekabet güçlerini doğrudan etkilemektedir. Bu durum, kayıpların oluşmadan önlenmesi, katı ve sıvı atıkların yeniden kullanımı, geri dönüştürülmesi veya uygun şekilde bertaraf edilmesinin yanı sıra ambalaj malzemelerinin ve müşteri tarafından belirtilmeyen veya reddedilen herhangi bir ürünün doğru şekilde tekrar kullanımını kapsamaktadır.
Kimyasal gübre ve azot bileşiklerinin üretim süreçlerinin çeşitli aşamalarında birçok kaynak verimliliği potansiyeli bulunmaktadır. Kaynak verimliliği olanaklarının hayata geçirilmesi hususunda uygulanabilecek proses bazlı Mevcut En İyi Teknikler (MET)’den bazıları aşağıda özetlenmiştir [2].

? Amonyak Üretimi:
? İleri konvansiyonel prosesler kapsamında aşağıdaki uygulamaların bir ya da birden fazlasının gerçekleştirilmesi gerekmektedir:
• Düşük NOx brülörleriyle donatılmış sistemlerin kullanılması,
• Düşük enerjili CO2 uzaklaştırma sistemlerinin kullanılması,
• Yüksek verimli amonyak yoğuşturma ve soğutma işlemlerinin uygulanması.
? Birincil dönüştürmenin azaltılması amacıyla konvansiyonel proseslere aşağıdaki modifikasyonların yapılması gerekmektedir:
• Birincil dönüştürücünün fonksiyonunun bir kısmının ikincil dönüştürücüye
transfer edilmesiyle birincil dönüştürücüdeki yanmanın azaltılması,
• Make-up sentez gazından tüm safsızlıkların arıtılması ile purge akışının
azaltılması.
? Yanma havasına ön ısıtma işleminin uygulanması.
? Flaş ve purge gazlarından amonyağın ayrıştırılması.

? Üre ve Üre Amonyum Nitrat (UAN) Üretimi:
? Basıncın kademeli olarak azaltılmasıyla reaksiyon çözeltisinden NH3 ve CO2’in ayrıştırılması ve reaktöre (karbamet ya da NH3 olarak) geri beslenmesi.
? Yüksek basınçta NH3 ile sıyırma yapılarak reaksiyon çözeltisinde kalan karbamatın büyük bir kısmının çözeltiden ayrıştırılması.
? Üre tesisinde, prosesler esnasında açığa çıkan proses suyunun arıtılarak yeniden kullanılması.
? Sıyırma işlemine tabi tutulmuş üre çözeltisinden NH3 ve CO2’in su arıtma tesisinden gelen atık gazlarla birlikte ürüne dönüştürülmek üzere UAN çözeltisine beslenmesi.

? Kompoze (NPK) ve CN Üretimi:
? Sıcaklık ve fosfat kayası/asit oranı gibi işletme koşullarının optimize edilmesi ve yüksek saflıktaki fosfat kayalarının kullanılmasıyla NOx oluşumunun azaltılması.
? Elek ve değirmenlerden öğütücü ve kurutucuya geri beslenen ürün miktarının azaltılması:
• Ürün boyutunun dağılımının online olarak izlenmesi ve kontrol edilmesi,
• Valsli değirmenlerin kullanılması.
? Nötralizasyon/ buharlaştırmadan çıkan buharın yoğuşturulmadan granülasyondan çıkan atık gaz ile birlikte arıtılması ve yıkamadan çıkan yıkama sıvısının NPK üretimine geri beslenmesi.
? Atık su miktarının azaltılmasına yönelik önlemler:
• Fosfat kayasının eritilmesi prosesinde açığa çıkan atık gazların yıkanması işleminde oluşan NOx yüklü yıkama sıvılarının geri kazanılması,
• Yıkama sıvısı olarak atık suların kullanılması.

? Amonyum Nitrat (AN) ve Kalsiyum Amonyum Nitrat (CAN) Gübre Üretimi:
? AN üretiminde açığa çıkan kontamine düşük sıcaklıktaki buharın atık ısısının chiller proses suyunda kullanılmak üzere geri kazanılması.
? Proses koşullarına ve proses buharının arıtılmasına bağlı olarak, ortaya çıkan kontamine kondensatın safsızlıklardan arındırılması ya da yeniden kullanılması.
? CAN üretiminde akışkan yataklı soğutuculardan çıkan gazların ürünün kurutulması amacıyla kurutma tamburlarında kullanılması.

? Nitrik Asit Üretimi:
? NOx miktarının azaltılmasına yönelik olarak absorbsiyon kolonunun son adımına H2O2 eklenmesi.
? Atık gazdaki N2O ve NOx miktarının azaltılmasına yönelik olarak Seçici katalitik NOx indirgeme / Seçici katalitik olmayan indirgeme proseslerinin kullanılması.
? Yanma veriminin artırılması ve katalizörün zarar görmemesi (kirlenmemesi) için yanma odasına beslenecek amonyağın seramik ya da manyetik filtreden geçirilerek temizlenmesi.
? Oksidasyon verimini artırmaya yönelik farklı türde katalizör denemelerinin yapılması.

İşletmelerin kaynak verimliliği fırsatlarını yakalayabilmelerinde sadece MET uygulaması yeterli olmamakta ve aynı zamanda çevresel performanslarını da iyileştirmesi gerekmektedir. Bu amaçla su, enerji ve ham madde tüketimi, atık su, emisyon ve atık oluşumu ile ilgili çevresel göstergeler dikkate alınmalıdır.
? Su Tüketimi: Gübre sektöründe su; ısı ve buhar üretiminde kullanılmakta olup su kalitesi üretim aşamasında kullanılan ekipmanların kullanım ömrü ve performansını doğrudan etkilemektedir. Su kullanımı özellikle fosfat ve potaslı gübrelerin üretiminde büyük önem taşımaktadır. Günümüzde geri kazanılmış veya proseste tekrar kullanılan su miktarı dışında birim ton ürün başına tüketilen geri dönüştürülmemiş su miktarı MET uygulayan tesislerde 2,25 m3’e kadar azaltılmıştır (Şekil 4) [3].


Şekil 4. Yıllar İtibarıyla Üretim Aşamasında Geri Dönüştürülmemiş Su Miktarları (m3)

? Enerji Tüketimi: En belirgin enerji tüketim alanı azotlu gübrelerden susuz NH3 üretimidir. Azotlu gübre sektöründe tüketilen enerjinin %80'inden fazlası NH3 ve geri kalanı da üre üretimi için kullanılmaktadır. 1960’larda 62 GJ/ton NH3 olan enerji tüketim miktarı günümüzde MET kullanılmasıyla 30 GJ/ton NH3 seviyesine kadar azaltılmıştır (Şekil 5.). Bu değer üre üretimi için 3,2 GJ/ton, nitrik asit üretimi için 3,1 GJ/ton ve amonyum nitrat üretimi içinde 0,5 GJ/ton seviyesindedir [4].
? Atık Su Oluşumu: Buhar sıyırma kondensatı ve iyon değiştirici sistem çıkışları ile buharlaştırcı kondensatları ve solüsyon filtratları prosesteki temel atık su kaynaklarıdır. Ayrıca soğutma kulesi suları veya dökülmeler de atık su kaynaklarını oluşturmaktadır. Tipik atık su kaynakları aşağıda sıralanmıştır. Atık sular genel olarak organikler, alkoller, NH3, nitratlar, fosforlar ve fosfat kayalarından kaynaklanan kadmiyum gibi ağır metaller ile askıda katı maddeler içermektedir [5]. MET uygulayan tesislerde oluşan atık su miktarları 2010 yılından günümüze yaklaşık olarak %30 oranında azaltılmıştır.

• Atık su arıtma çıkışları,
• Kazan boşaltma,
• Kompresör boşaltma,
• Sentez gazı soğutma,
• Proses kondensatı,
• Kaçak ve dökülmeler,
• Noktasal olmayan yağmur ve kar suları.

? Emisyonlar: Azotlu gübre üretiminde sera gazları temel olarak iki noktadan kaynaklanmaktadır. Bunlardan birincisi fosil kaynakların ham madde ve yakıt olarak kullanılması, ikincisi ise nitrik asit üretimi sırasında N2O oluşumudur [6]. Fosforik asit tesislerinde ise bu emisyonlara ilave olarak hidroflorik asit, silikon tetraflorür veya her ikisi de oluşabilmektedir [7]. Farklı teknoloji seviyelerinde AN üretimi sırasında oluşan sera gazı emisyonları Şekil 5’te verilmiştir. MET uygulanmasıyla toplam emisyon miktarı %62.5 oranında azaltılabilmektedir.


Şekil 5. Farklı Teknoloji Seviyelerinde AN Üretimi Sırasında Oluşan Sera Gazı Emisyonları

? Atık Oluşumu: NH3, nitrik asit, fosforik asit, üre, amonyum fosfat ve kompleks gübre üreten tesislerde katı atıkların yaklaşık %99’u fosfojips, kükürt çamuru, cips atığı ve su nötralizasyon çamurlarından (kalsiyum florit vb.) oluşmaktadır [8].

Sektöründen kaynaklanan katı atıklar çeşitli proseslerde tekrar kullanılabilmektedir. Potansiyel kullanım alanları Tablo 1’de verilmiştir [9].

Tablo 1. Kimyasal Gübre Sektöründen Kaynaklanan Katı Atıklar ve Potansiyel Kullanım Alanları 

Kaynak verimliliği ve çevresel performansın iyileştirilmesi için verilen bilgilere ek olarak literatüre geçen farklı ülkelerdeki uygulamalar da örnek olarak aşağıda özetlenmiştir:

Örnek Uygulama – 1: 2015 yılında, Mısır petrokimya holding şirketi UNIDO ile birlikte MOPCO firmasının da dahil olduğu ondan fazla firmaya Enerji Yönetim Sistemi eğitimi düzenlemiştir. Bu eğitimin sonunda MOPCO, Enerji Yönetim Sistemi uygulaması yaparak “ISO 50001 Enerji Yönetim Sistemi” sertifikası almaya hak kazanmıştır. MOPCO ISO-50001 sertifikasına sahip olduktan sonra, üst yönetim Teknik Çalışma ve Geliştirme Genel Müdürlüğü gözetiminde sürekli iyileştirme için enerji tasarrufu departmanını kurmuştur. Sistemin kurulması aşamasında tesisin geçmiş 3 yıllık enerji tüketimi gözden geçirilmiş, enerji yoğun prosesler belirlenmiş ve önem dereceleri tanımlanmıştır. Enerji performans göstergeleri hesaplanarak, 3 yıllık enerji tasarruf hedefleri belirlenmiştir. Yapılan enerji etütleri ile 45’den fazla tasarruf fırsatı tanımlanmış ve bu fırsatlar arasında önceliklendirme yapılarak, 2016 yılında maliyet gerektirmeyen, 2017 yılında düşük maliyetli (≤10.000 USD) ve 2018 yılında orta seviyede (10.000 USD < Orta Seviye ≤100.000 USD) maliyet gerektiren öncelikli fırsatlar hayata geçirilmiştir.
Proje sonucunda; enerji tasarrufu (252.091 MWh ~ 5,3 milyon $) ve buna bağlı olarak sera gazında azalma (125.844 ton CO2 eşdeğer) sağlanmıştır [10].
Örnek Uygulama – 2: Üre ve sıvı NH3 üretimi gerçekleştirilen gübre fabrikasında enerji tüketimi düşürülerek birim maliyetlerin azaltılması amacıyla buhar taşıyıcı boru izolasyon malzemeleri, yüksek basınç boruları yenilenmiş ve kayıp-kaçaklar tespit edilmiştir.
Proje sonucunda; yaklaşık 750 ton CO2/yıl sera gazı emisyonu azaltımı sağlanmıştır [11].
Örnek Uygulama – 3: Mono Amonyum Fosfat, Amonyum Nitrat vb. kimyasalların belirli oranlarda karıştırılması ve öğütülmesi prosesleri ile üretim yapan işletmede, partikül madde salınımından kaynaklı çevresel etkinin azaltılmasına yönelik Scrub House sisteminin (yıkayıcılardan oluşan bir sistem) kurulması olanağı tespit edilmiştir.
Proje sonucunda; 67.132,8 $/Yıl kömür, 59.944,2 $/yıl enerji ve 86.400 $/yıl ürün tasarrufu sağlanmıştır [12].

Değerlendirme
Günümüzde kaynak verimliliği yaklaşımının teşvik edilmesi amacıyla reaktif stratejilerden önleyici stratejilere geçilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu bağlamda kaynak verimliliğinin; bilinç yaratma, mevzuat dahil kapasite oluşturma, ortaklıklar kurma, bilgi paylaşımın artırılması, teşvik mekanizmaların oluşturulması, MET uygulanması vb. stratejiler ile hayata geçirildiği görülmektedir. Bu doğrultuda ülkemiz kimyasal gübre sektörünün de uluslararası iyi uygulama örneklerini uygulaması ve özetlenen önerilerin hayata geçirilmesi ile üretim maliyetlerinin azaltılması, pazarda rekabet üstünlüğünün ele geçirilmesi ve mevcut faaliyetlerin çevresel etkilerinin daha da azaltılması mümkün olacaktır.

Bu makale, T.C. Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, Sanayi ve Verimlilik Genel Müdürlüğü tarafından desteklenen, TÜBİTAK MAM Çevre ve Temiz Üretim Enstitüsü tarafından yürütülen, “İmalat Sanayii Alt Sektörlerinde Sektörel Kaynak Verimliliği Rehberlerinin Hazırlanması” projesi kapsamında oluşturulan “Kimyasal Gübre ve Azot Bileşikleri İmalatı Kaynak Verimliliği Rehberi” dikkate alınarak hazırlanmıştır.

Kaynaklar:
[1] Gübretaş Tarım Kredi Kooperatifleri , “Yatırımcı Sunumu”, 06 2017. [Çevrimiçi]. Erişilebilir: http://www.gubretas.com.tr/Files/UserFiles/7/5._GUBRF_Yatrmc_Sunumu_Haziran17-Guncel.pdf . [Erişildi: 01.03.2018].
[2] EC, 2007. Integrated Pollution Prevention and Control Reference Document on Best Available Techniques for the Manufacture of Large Volume Inorganic Chemicals- Ammonia, Acids and Fertilisers. basım yeri bilinmiyor:European Commission.
[3] Eurochem Group, “Staying focused on sustainable development”, Eurochem Group, 2016.
[4] ENERGY STAR, “Energy Efficiency and Cost Saving Opportunities for Ammonia and Nitrogenous Fertilizer Production”, United States Environmental Protection Agency, 2017.
[5] M. B. Viay, G. S. Laxmi ve V. Vivek, “Industrial Wastewater Treatment for Fertilizer Industry – A Case Study” Desalination and Water Treatment, no. 57, pp. 27934-27944, 2016.
[6] Fertilizers Europe, “Energy Efficiency and Greenhouse Gas Emissions In European Nitrogen
Fertilizer Production and Use”, Fertilizers Europe, Dulmen, 2008.
[7] WB, Phosphate Fertilizer Plants, International Finance Corporation, World Bank Group, 2007.
[8] I. Losso, “Current Environmental Issues of Fertilizer Production”, %1 içinde Fertilizer Production and Environmental Protection: Petrokemija Ltd. Fertilizer Company, Prague, 1999.
[9] Bureau, “Bureau of Indian Standards The National Standards Body of India”, 01 01 2016. [Çevrimiçi]. Erişilebilir: http://www.bis.org.in/sf/chd/CHD33(2277)_04012016.pdf [Erişildi: 14.05.2018].
[10] Clean Energy Ministerial, “Misr Fertilizers Production Company (MOPCO) Global Energy Management Implementation Case Study”, 2017. [Çevrimiçi]. Available: http://www.cleanenergyministerial.org/sites/default/files/2018-05/CEM_EM_CaseStudy_MOPCO_Egypt.pdf. [Erişildi: 16 08 2018].
[11] HA BAC, “Ha Bac Nitrogen Fertilizers & Chemicals: Company Case Study”, [Çevrimiçi]. Available: http://www.greenindustryplatform.org/wp-content/uploads/2013/07/Ha-Bac-Fertilizer- Company-case-study.pdf. [Erişildi: 09.07.2018].
[12] I. Madanhire, I. Moyo ve L. Kagande, «Enhancing Environmental Efficiency through Use of Cleaner Production Technology in the Fertilizer Production Industry: A Case Study of FertCo in Zimbabwe, » International Journal of Science and Research (IJSR), India Online ISSN: 2319-7064, 2013.