BİYOKÜTLENİN SABİT YATAKTA YAKILMASI

1. BİYOKÜTLENİN SABİT YATAKTA YAKILMASI Gülbahar OKAY, Ayşe BİÇER, Şeyda TAŞAR, Melek YILGINFırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü 23279 ELAZIĞe-posta: abicer@firat.edu.tr; sydtasar@firat.edu.tr; myilgin@firat.edu.tr ÖZET Özet: Bugün dünya çapındaki çalışmalar enerji temini için çevre dostu bir yakıt olarak biyokütlenin kullanımı üzerine yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada, biyokütlenin uçucu ve karbon yanma davranışları havanın doğal olarak sistem içerisinden geçtiği sabit yatak yakma sisteminde araştırıldı. Yakma deneyleri yakma sıcaklığı ve biyokütle türünün etkisini belirlemek için farklı evsel biyokütle atıkları üzerinden gerçekleştirildi. Sonuçlar, yakma sıcaklığı ile örneklerin karbon yanma süreleri ve tutuşma sürelerinin azaldığını ve örneklerin uçucu madde yanma hızının arttığını göstermiştir. Char yanma peryodunun biyokütle türünden etkilendiği sonucuna varılmıştır. Anahtar kelimeler: Biyokütle, yakma, sabit yatak GİRİŞ Ülkelerin ekonomik, kültürel ve bilimsel seviyelerinin ürettikleri ve tükettikleri enerji miktarları ve bunların oranı ile ifade edilmektedir. Ekonomik ve toplumsal kalkınmanın en önemli girdilerinden biri olan enerji, 1970 yılından sonra tüm dünya ülkelerinin ana gündem maddesi olmuştur [1,2]. Dünya enerji sektöründe petrol krizinin doğurduğu arz kısıtlaması ardından, küresel ısınma ve çevresel kirliliğe yol açan zararlı emisyonların azaltılması doğrultusunda uluslar arası düzeyde yürütülen, protokollere bağlanan çevresel baskılar enerji maliyet artışına yol açmaktadır. Bu kapsamda uluslararası düzeyde benimsenen kararlar Türkiye’de dahil olmak üzere tüm Dünya ülkelerini etkiler güçtedir[2]. Dünya ülkeleri bu kapsamda gerek ulusal bağımsızlıkları gerekse çevresel baskıların yol açtığı alternatif enerji arayışı konusunda ulusal politikalar geliştirmektedirler. Türkiye’nin belirlenmiş uzun süreçli bir enerji politikası olmamakla beraber, ulusal kaynaklarının ve mevcut kaynaklarının rezervlerinin belirlenmesi ve değerlendirilebilirliklerinin araştırılması konusunda çalışmalar sürdürmektedir [3]. Biyokütle, enerji deposu ve CO2 emisyonu ile ilgili olarak günümüzde dünya üzerinde tükenmez ve temiz enerji kaynağı olarak düşünülmektedir. Ayrıca biyokütle enerjisinin bol, yerel, ucuz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı oluşu dünya çapında ilgiyi üzerine çekmektedir. Mevcut avantajlarına fosil yakıtların rezervlerindeki azalması, küresel iklim değişiklikleri, asit yağmurları ve sera gazlarının oluşumu bakımından fosil yakıtların olumsuz etkilerinin üzerinde etkin olarak durulması eklenince Dünya’da biyokütle kaynaklarının değerlendirilmesi çabaları artırmıştır. Günümüzde enerji paylaşımında, biyokütle enerjisi (%14), gaz (%15) ve elektrik enerjisi (%14) ile karşılaştırıldığında kömürden (%12) daha yüksek bir paylaşıma sahip olduğu görülür [4, 5]. Biyokütle terimi genel olarak yeryüzünde yetişen bitkileri ifade eder. Canlı bitkiler güneşten gelen enerjiyi fotosentez yöntemi ile karbonhidrat moleküllerine dönüştürdüğü için biyokütle organik bir yapıya sahiptir [6]. Biyokütlenin kimyasal bileşimi geleneksel olarak kullanılan katı fosil yakıtlardan oldukça farklıdır. Özellikle odun ve diğer biyokütle kaynakları oksijen içeren organik polimer yapılardan meydana gelmiştir. Yüksek molekül ağırlıklı karbonhidrat polimerler ve oligomerler (% 65-75) ve lignin (% 18-35) biyokütleyi oluşturan temel bileşenlerdir. Bunların yanı sıra düşük molekül ağırlıklı organik ekstraktifler ve anorganikler de biyokütlede ağırlıkça % 4-10 arasında değişen oranlarda bulunur. Selüloz, hemiselüloz ve lignin içeriği biyokütlenin tipine göre farklılık göstermekle birlikte tüm biyokütleler için en temel üç öğeyi oluşturur [7] Selüloz bitkilerin hücre yapısında bulunur ve bitkilerin sert ve kuvvetli olmasını sağlar. Selüloz, yüksek molekül ağırlığına sahip (300000 ile 500000 arasında) olan lineer bir polimerdir, (C6H10O5)n formülü ile simgelenir. Hemiselüloz (C5H8O4)n, bitki hücrelerinde duvar yapısını selüloz ve pektinlerle birlikte oluşturan polisakkarittir. Hemiselüloz, glukoz, galaktoz, arabinoz, ksilan gibi farklı monosakkaritlerden oluşur ve selülozdan daha düşük molekül ağırlığına sahiptir [7, 8]. Selüloz yapısının arasına yerleşmiş olan lignin ağaca sertlik kazandıran özelliğe sahiptir. Odun peletinin üretimi 1970’li yılların ikinci yarısında Kuzey Amerika’da başlamış ve daha sonra Avrupa’ya ve dünyanın diğer kısımlarına yayılmıştır. Odun peletlerinin ısıl dönüşüm süreçlerinde etkinliğinin araştırıldığı çalışmalar mevcuttur. Biyoenerji paketi olarak pelet kullanımı dağıtım, depolama ve sezon dışında kullanım gibi kolaylıklar sağlar [9-11]. Bu çalışmada, farklı biyokütlelerden hazırlanan peletlerin sabit yatakta yanma davranışı üzerine sıcaklık ve biyokütle türünün etkisi incelendi. DENEY VE YÖNTEM Odun örneklerinin 500 oC’deki karbon yanma hızları oldukça yüksektir. Ancak sıcaklık arttıkça karbon yanma hızlarındaki azalma uçucu madde ayrıldıktan sonra geriye kalan katı ürün (char) içerisindeki külün erimesi nedeni ile aktif karbon kısımlara oksijen transferinin engellenmesinden kaynaklanabilir. Kavak ve çam ağacı odunlarının sabit karbon içerikleri aynı olmasına, kavak ve meşe ağacı odunlarının sert odun grubuna girmesine karşın, yatak sıcaklığındaki değişimden yanma davranışlarının farklı etkilenmesi, biyokütle türünün yanma üzerinde etkili olduğunu göstermektedir. Çalışmada biyokütle olarak sert ve yumuşak ağaç odunları ile evsel atıklar kullanıldı. Evsel atık olarak badem, ceviz ve fındık kabukları ile meşe ve kavak ağacı gibi sert ve çam gibi yumuşak ağaç odun talaşları Elazığ sanayi bölgesinden temin edildi. Örnekler ilk olarak kurutuldu, öğütüldü ve elenerek fraksiyonlarına ayrıldı. 100 mesh elek altı tane boyutu ile kısa (nem, uçucu madde ve kül) ve 30 mesh elek altı tane boyutu ile kimyasal (hemiselüloz, lignin, ekstraktif madde) analizler yapıldı. Numunelerin kısa analizi ASTM standartlarına (uçucu madde için ASTM D-3175, kül için ASTM D-3174) göre kimyasal bileşimleri Li ve diğ.[12] belirttiği gibi literatüre göre yapıldı. Ekstraktif madde analizi: Analizi yapılacak örnekten 12 gram (+30 mesh boyut) alınarak üzerine 150 ml aseton ile geri soğutucu altında 3 saat süre ile karıştırılarak ekstrakte edildi. İşlem sonunda ağırlığı bilinen süzgeç kağıdı kullanılarak süzüldü. Süzgeç kâğıdında toplanan kalıntı bir süre oda sıcaklığında kurutulduktan sonra 80 °C’de tutulan etüvde sabit tartıma gelinceye kadar kurutuldu ve ağırlığı belirlendi. Ağırlık farkından ekstraktif madde miktarı hesaplandı Hemiselüloz analizi: Ekstraksiyon analizi sonucunda kalan kalıntıdan 6 gram numune alındı ve 150 ml 0.5 M NaOH çözeltisi ilave edilerek geri soğutucu altında 3.5 saat muamele edildi. Balon içindeki karışım ağırlığı bilinen süzgeç kâğıdında süzüldükten sonra su ile yıkanarak nötral pH’a getirildi. Sabit tartıma gelene kadar etüvde kurutuldu, tartıldı ve ağırlık farkından hemiselüloz miktarları belirlendi. Lignin analizi: Lignin analizinde de ekstraksiyon analizi sonucunda kalan kalıntıdan 1.00 g alındı ve 30 ml %72’lik H2SO4 çözeltisi ile balonda 14 °C sıcaklıkta 24 saat bekletildi. Balon içerisine 300 ml saf su ilave edilip geri soğutucu altında 1 saat kaynatıldı. Karışım soğuduktan sonra ağırlığı bilinen süzgeç kâğıdında süzüldü ve saf su yıkandı. Kalıntı etüvde sabit tartıma gelene kadar kurutulduktan sonra tartıldı ve lignin miktarı hesaplandı. Selüloz miktarı lignin, hemiselüloz ve ekstraktif madde yüzdeleri toplanıp, yüzden çıkarılması ile belirlendi. Biyokütle örneklerinden (-100 mesh tane boyutu) yaklaşık birer gram alınıp hidrolik basınç aletinde, 5 kgf/cm2 basınç uygulanarak 13 mm çapında ve yaklaşık olarak 6-7 mm yüksekliğinde silindirik peletler hazırlandı. Deney Düzeneği Yakma işlemleri 89 mm çapında 121 mm yüksekliğinde içinden direnç telleri geçirilmiş refrakter malzeme bulunan silindirik kesitli dikey bir kamarada yürütüldü. Fırın içerisindeki 35 mm çapındaki kamara içerisine 3 mm çapında paslanmaz çelikten yapılmış elek sepet 25 cm uzunluğundaki çelik çubuğun ucuna takılmış olarak bir destek üzerine sabitlendi. Sepet ve destek yanma sırasındaki ağırlık değişimlerinin kaydedilmesi amacı ile terazi üzerine yerleştirildi. Fırının ısıtılması değişik voltaj transformatörü yardımı ile sağlandı. Sabit yatak yakma sistemi Şekil 1’de verilmektedir. Yakma deneylerinde ön ısıtılmış sabit yatak içindeki sepet içerisine ağırlığı bilinen bir pelet atıldığı anda kronometre çalıştırıldı. Sisteme yerleştirilmiş ayna yardımı ile alev görülme ve alev sönme zamanları belirlenerek bu değerler arasındaki farktan uçucu madde yanma süresi bulundu. Uçucu madde ayrılma peryodunda her 5s ’de karbon yanma sırasında her 10s’de bir tanenin ağırlığı kaydedildi. Şekil 2. Evsel atık peletlerin farklı sıcaklıklarda yanması sırasındaki ağırlık değişimi Şekil 1. Sabit yatak yakma sistemi: A) Dikey görünüş; B) Kolonun dik kesiti; 1.Refrakter tuğla; 2.Sepet; 3.Direnç teli; 4.Refrakter kapak, 5.Termoçift 6.Terazi; 7. Gerilim değiştirici; 8. Sepet çubuğu; 9. Ayna; l0.Destek. Şekil 3. Sert ve yumuşak ağaç odun peletlerinin farklı sıcaklıklarda yanması sırasındaki ağırlık değişimi DENEYSEL SONUÇLAR Biyokütle örneklerinin kısa (nem, uçucu madde, kül ve sabit karbon) ve kimyasal analiz (ekstraktif madde, hemiselüloz, lignin ve selüloz) sonuçları Tablo 1’de verilmektedir. Sert ve yumuşak ağaç odunları ile karşılaştırıldığında kabukların sabit karbon içeriği ve hemiselüloz içeriklerinin yüksek, selüloz miktarlarının ise düşük olduğu görüldü. Örneklerin tutuşma, uçucu madde yanma ve karbon yanma süreleri Tablo 2’de verilmektedir. Peletlerin ısınmasındaki artışın bir sonucu olarak yanma sıcaklığı ile tutuşma süreleri azalırken uçucu madde yanma sürelerinin değişmediği ancak karbon yanma süresinin yakma sıcaklığındaki artış ile belirgin olarak azaldığı belirlendi. Örneklerin uçucu madde içeriği ile uçucu madde yanma süreleri arasında bir ilişki olmadığı ancak karbon yanma süreleri ile örneklerin sabit karbon içeriği arasında ilişki olduğu görülmektedir. Kabuk örneklerinin karbon yanma sürelerinin yüksek olması bu örneklerin karbon içeriklerinin yüksek olmasından kaynaklanabilir. Biyokütle numunelerin yanması sırasında zamanla ağırlık değişimleri Şekil 2 ve Şekil 3’de mevcuttur. Uçucu ve karbon yanma hızları, Şekil 2 ve 3’deki eğrilerin ortalama eğimleri ve başlangıç miktarlarına bağlı olarak verilen R = (1/W0)(dW/dt)ort. eşitliğinden hesaplandı. Burada Wo peletin uçucu madde veya sabit karbon miktarını göstermektedir. Bu eğrilerden belirlenen uçucu madde ve karbon yanma hızları Tablo 3’de verilmektedir. Örneklerin uçucu madde ayrılma süreleri yatak sıcaklığındaki artış ile değişmemesine rağmen uçucu madde yanma hızlarının sıcaklıktaki artışa bağlı olarak arttığı tablodan görülmektedir. Bu durum uçucu madde ayrılma süresi ile uçucu madde yanma hızı arasında ilişki olmadığını göstermektedir. Uçucu madde ayrıldıktan sonra geriye kalan karbonun (char) yanma hızı sıcaklıktaki artış ile fındık ve badem kabuğu ile çam ağacı odunun da sabit kalırken diğer örneklerde yatak sıcaklığı ile azalmaktadır. Kabuklar ile odun türlerine ait uçucu madde yanma hızları arasında belirgin bir fark olmamasına rağmen karbon yanma hızları arasında belirgin bir fark mevcuttur. Odun örneklerinin karbon yanma hızı badem kabuğu dışında fındık ve ceviz kabuğuna ait yanma hızlarından yüksektir. Bu durum Tablo 1’de görüldüğü gibi odun örneklerinin selüloz içeriğinin yüksek olması nedeni ile uçucu madde ayrılması sırasında selülozun ayrıldığı ve geriye kalan karbonun (char) gözenekliliğinin artması nedeni ile oksijenin char yüzeyine difüzyonu kolaylaştırmasından kaynaklanabilir [13] Tablo 3. Biyokütle örneklerinin uçucu madde ve karbon yanma hızları Tablo 1. Biyokütle türlerinin kısa ve kimyasal analiz verileri (%ağırlıkça) SONUÇLAR • Farklı biyokütle örneklerinin yanma davranışı üzerine yakma sıcaklığının ve biyokütle türünün etkisinin incelendiği çalışmada: • Tutuşma ve karbon yanma sürelerinin yatak sıcaklığındaki artışa bağlı olarak azaldığı görüldü. • Uçucu madde yanma hızının sıcaklıkla artığı ancak karbon yanma hızının yakma sıcaklığındaki artış ile azaldığı tespit edildi. • Biyokütlenin karbon yanma peryodunda etkili olduğu belirlendi. Tablo 2. Biyokütle örneklerinin uçucu madde ayrılma ve karbon yanma süreleri KAYNAKLAR 1.Taflan, H. S., Dünya ve Türkiye’deki Mevcut ve Alternatif Enerji Kaynakları ve Politikaları, Yüksek Lisans Tezi, T.C. Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Sosyal Bilimler Enstitüsü, Gebze, 2003. 2.Yıldız M., Dünya ve Türkiye’de alternatif fosil enerji kaynaklarının geleceğine yönelik etüdü, Yüksek lisans tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006. 3. Akar, G., Kömür mineral madde içeriğinin yanma prosesindeki etkilerinin incelenmesi, Doktora Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009. 4. Pütün, A. E., Apaydın, E., Pütün E., Rice Straw as a Bio-oil Source Via Pyrolysis and Steam Pyrolysis, Energy, 29, 2171-2180, 2004. 5. Ateş, F., Pütün A. E., Pütün E., Pyrolysis of Two Different Biomass Sample in Fixed-bed Reactor Combined With Two Different Catalysts, Fuel, 85, 1851-1859, 2006. 6. McKendry, P., Energy production from biomass (part 2): conversion technologies, Bioresource Technology, Cilt 83, 47-54, 2002.7. 8. Mckendry, P., Energy production form biomass(part 1): overview of biomass, Bioresource Tech., 83, 37-46, 2001. 9. Mohan, Dinesh, Charles U., Pittman and Philip H. Steele, Pyrolysis of Wood/Biomass for Bio-oil: A Critical Review., Energy & Fuels., 20, 848-889, 2006. 10. Obenberger I., Thek G., Physical Charaterisation and Chemical Composition of Densified Biomass fuels with Regard to Their Combustion Behaviour, Biomass & Bioenergy, 27, 653-669, 2004.