FINDIK KABUĞUNUN PELET HALİNDE ANİ PİROLİZİ

1. Fatma KOP, Şeyda TAŞAR, Melek YILGIN, Neslihan DEVECİ DURANAY sydtasar@firat.edu.tr; myilgin@firat.edu.tr; nduranay@firat.edu.tr. ÇDT-134 Bu çalışmada, fındık kabuğundan farklı basınç altında hazırlanan peletlerin ani pirolizi üzerine sıcaklığın (450, 550 ve 650 oC) ve pelet basıncının etkisi incelendi. Katı ürün verimlerinin pelet hazırlamada uygulanan basınç ile hemen hemen değişmediği görüldü. Sıvı ürün veriminin yüksek sıcaklıkta peletleme basıncı ile değişmediği ancak 450 oC gibi düşük sıcaklıkta basınç arttıkça sıvı ürün veriminin azaldığı belirlendi. Yavaş piroliz deneylerinde de katı ürünün pelet basıncı ile değişmediği fakat sıvı ürün veriminin düşük pelet basıncında yüksek olduğu görüldü. Anahtar kelimeler: Piroliz, pelet, fındık kabuğu. ÖZET Biyokütlenin dönüşüm metodları biyokimyasal (fermantasyon ve aneorobik parçalanma) ve termokimyasal (yanma, gazlaştırma ve piroliz) olmak üzere iki genel kısma ayrılabilir [5]. Termokimyasal dönüşüm içerisinde piroliz prosesi katı, sıvı ve gaz üretimini maksimuma getirmek için optimize edilebildiğinden dolayı dikkat çekmektedir [6]. Piroliz katı, sıvı ve gaz ürünleri elde etmek için oksijenin olmadığı veya çok sınırlı olarak kullanıldığı durumlarda organik matriksin direkt termal parçalanması olarak tarif edilmektedir [7]. Biyokütlenin pelet haline getirilmesi taşınma, depolanma ve sezon dışında kullanımını sağladığından dolayı uygun bir yol olduğu vurgulanmaktadır [8]. Fındık, Türkiye’nin kuzey sahillerinde yetişen ve dünyadaki fındık üretiminin yaklaşık %80’nin bu bölgeden sağlandığı bir tarım ürünüdür. Fındık kabuğunun pirolizi üzerine pek çok çalışma mevcuttur[9,10,11]. Bu çalışmada evsel atık olan fındık kabuğunun pelet halinde ani pirolizi üzerine işlem sıcaklığının ve pelet hazırlama basıncının etkisi incelenmeye çalışıldı. GİRİŞ Günümüzde petrol, kömür ve doğal gaz enerji ihtiyacının karşılanmasında bilinen temel kaynaklardır. Çoğu ülkede kömür hala elektrik enerjisi üretiminde en yüksek kullanım payına sahiptir. Kömür ve diğer fosil yakıtların kitlesel kullanımından ve diğer kaynaklardan yerküre atmosferine yıllık olarak salınan 9,3 milyar ton karbondioksitin 3,2 milyar tonunun birikmesi, yerküre atmosferinin CO2 oranının gitgide artmasına ve sera etkisi ile küresel ısınmaya neden olduğu belirtilmektedir [1]. Fosil yakıtların rezervlerindeki azalma, küresel iklim değişiklikleri, asit yağmurları ve sera gazlarının oluşumu bakımından fosil yakıtların olumsuz etkileri de biyokütlenin değerlendirilmesi çabalarını artırmıştır [2]. Meyve kabukları, odun atıkları, saman, yerfıstığı kabuğu, pirinç kabuğu gibi maddeler biyokütle olarak adlandırılırlar. Son zamanlarda biyokütlenin değerlendirilmesi ile ilgili çalışmalar hız kazanmıştır [3]. Küresel iklim değişimleri, çevresel kirlenme ve fosil enerji kaynaklarındaki azalma yenilenebilir enerjiye olan ilgiyi arttırmıştır [4]. GİRİŞ FINDIK KABUĞUNUN PELET HALİNDE ANİ PİROLİZİ Piroliz ortam sıcaklığını ölçmek için, kuvars borunun dış yüzeyi ile temasta bulunacak şekilde termoçift (NiCr) yerleştirildi. İnert atmosfer ortamı azot gazı (60ml/dak) ile sağlandı. Piroliz sırasında oluşan sıvı ürünün toplanması için buz banyosuna yerleştirilmiş içinde cam yünü bulunan iki adet U şeklinde cam boru deney düzeneğine eklendi. Deney sistemi Şekil 1’de görülmektedir. Deneye başlamadan önce kuvars boru (içindeki sepet ile birlikte) ve her iki soğutucu 105 oC’lik etüvde kurutuldu ve ağırlıkları belirlendi. Ani piroliz deneylerinde piroliz kamarası çalışma sıcaklığına ısıtıldı ve kuvars borunun kapağı açılarak ağırlığı ve boyutları bilinen pelet sepet üzerine atılarak hemen kuvars borunun kapağı kapatıldı. Piroliz işlemi 10 dakika sürdürüldükten sonra ısıtma işlemi durduruldu. Piroliz borusunun içinde oluşan uçucu piroliz ürünleri inert gaz tarafından sürüklenip soğutucu kısımlarında yoğunlaşırken yoğunlaşmayan kısım dışarı verildi. Piroliz borusunun kapağı açılarak sepet üzerindeki katı alınarak tartıldı ve katı ürün verimi hesaplandı. Peletin piroliz sonrası boyutları belirlendi. Yavaş pirolizde ise pelet başlangıçta sepet içerisine bırakılarak inert azot gazı geçirilerek ısıtma uygulandı. Deneysel çalışmada farklı basınç uygulanarak hazırlanan peletlerin üç farklı sıcaklıkta (450, 550 ve 650 oC) ani pirolizi ile 2.103 ve 104 kgf/cm2 basınç uygulanarak hazırlanan peletlerin 2 oC/dak. ısıtma hızında yavaş pirolizi yapıldı. Piroliz ürün verimlerinden sıvı ve katı ürünler deneysel olarak belirlenirken gaz ürün verimleri farktan hesaplandı. Ürün verimleri peletleme basıncı, piroliz sıcaklığı ve yavaş ile ani piroliz işlemlerine bağlı olarak değerlendirildi. MATERYAL VE METOD Fındık kabuğu öğütüldü ve elenerek -100 mesh tane boyutuna getirildi. Kabuğun kül ve uçucu madde tayini ASTM-D1102 ve ASTM-E872 standardına göre belirlenirken aynı zamanda hemiselüloz, selüloz ve lignin içerikleri belirlendi. Kabuğun lignin, selüloz ve hemiselüloz içerikleri literatüre göre belirlendi [12]. Kurutulmuş fındık kabuğu geri soğutucu altında aseton ile birlikte 3 saat süre ile muamele edildi ve süzme işleminden sonra 105 °C’de kurutuldu. Lignin ve hemiselüloz analizlerinde aseton ile muamele edilen toz numune kullanıldı. Hemiselüloz analizi için ekstraksiyon sonucu kalan madde 20 g/lt’lik NaOH çözeltisi ile 3.5 saat muamele edildi ve süzülerek nötralleşinceye kadar saf su ile yıkandı. Numune miktarları arasındaki farktan hemiselüloz miktarı belirlendi. Lignin miktarını belirlemek için ise ekstraksiyon numunesinden bir miktar alınarak %72’lik H2SO4 çözeltisi ile 24 saat muamele edildi ve süzülerek nötralleşinceye kadar saf su ile yıkandı. Kabuk tozundan 0.5 gram alınarak hidrolik basınç aletinde, 2.103, 5.103 ve 104 kgf/cm2 basınç uygulanarak peletler hazırlandı. Yüksek basınç altında hazırlanan peletlerin (yaklaşık 13 mm çap, 3-4 mm arası yükseklik) başlangıç boyutları hassas bir şekilde ölçüldü. Piroliz deneyleri, oluklarından direnç telleri geçirilmiş refrakter tuğlalarla kaplı dikey bir fırın tarafından ısıtılan ve içinde paslanmaz çelikten bir elek sepet bulunan 2.3 cm çaplı 35 cm uzunluğunda kuvars bir boruda yürütüldü. Fırının AUBER SYL PID sıcaklık kontrol cihazı ile ısıtıldı. MATERYAL VE METOD Şekil 1. Piroliz sistemi:1, ısıtma fırını (diktörtgen kamara); 2, kuvars tüp; 3, tel sepet; 4,termoçift; 5, azot girişi; 6, buz banyoları; 7, U tüpleri, 8, piroliz edilecek pelet; 9,refraktar kapak SONUÇLAR VE TARTIŞMA Ani ve yavaş pirolizin 550 oC’de karşılaştırıldığı deneylerde elde edilen ürün verimleri Şekil 2’de görülmektedir. Yavaş piroliz ile karşılaştırıldığında ani pirolizden elde edilen sıvı ürün veriminin yüksek olduğu ve katı ürün veriminin düşük olduğu görülmektedir. Ani pirolizde sıvı ürün veriminin yüksek olduğu belirtilmektedir. Ani pirolizde peletleme basıncının sıvı ürün verimi üzerinde etkili olmadığı buna karşın yavaş pirolizde 2.103 kgf/cm2 peletleme basıncın da sıvı ürün veriminin 104 kgf/cm2 peletleme basıncından yüksek olduğu görüldü. Bu durum ani pirolizde ürün verimleri üzerine işlem sıcaklığının etkili olduğunu gösterebilir. Piroliz sırasında pelettin büzülmesi veya şişmesi partikülden madde çıkışını etkilediği bilinmektedir. Peletin piroliz sonrası geriye kalan katı ürünün çap ve yüksekliklerinin başlangıçta pelet boyutlarına oranı ile hesaplanan değişimler Şekil 3’de verilmektedir. Peletleme basıncı artıkça radyal yöndeki değişimin azaldığı buna karşın pelet yüksekliğindeki değişimin artması piroliz süresince uçucu madde çıkışı süresince pelette büzülme olmadığını gösterebilir. Fındık kabuğunun nem, kül ve uçucu maddesi ile ekstraktif, lignin ve holoselüloz miktarları Tablo 1’de verilmektedir. Fındık kabuğunun lignin içeriğinin yüksek olduğu görülmektedir. *:Farktan bulundu. Farklı basınç uygulanarak hazırlanan peletlerin 450, 550 ve 650 oC’de ani pirolizinden elde edilen ürün verimleri Tablo 2’de verilmektedir. Piroliz işleminin 450 oC’de yürütüldüğü deneylerde sıvı ürün veriminin peletleme basıncındaki artışa bağlı olarak azalması deneysel hatalardan kaynaklanabilir. Bu sıcaklıkta katı ürün veriminin değişmediği açıkça görülmektedir. 550 oC’de yapılan deneylerde ise sıvı ürün veriminde peletleme basıncına bağlı olarak düzenli bir artış veya azalış gözlenmemektedir. Ancak 104kgf/cm2’lik basınçta sıvı ürün veriminde belirgin bir artış söz konusudur. Bu durum ılıman piroliz sıcaklıklarında peletleme basıncının etkili olduğunu gösterebilir. Katı ürün verimi bu sıcaklıkta da sabit kalmaktadır. İşlemin 650 oC gibi daha yüksek sıcaklıkta yürütüldüğü deneylerden elde edilen veriler sıvı ve katı ürün verimlerinin genel olarak sabit kaldığını açıkça göstermektedir Fındık kabuğunun sıcaklık ile ürün verimlerindeki değişimi incelendiğinde sıvı ürün verimi her bir peletleme basıncında da 550 oC’de maksimum değere ulaşmakta ve 650 oC’de sıvı ürünün ikincil parçalanması nedeni ile azalmaktadır. Katı ürün verimi de sıcaklık ile azalmaktadır. Tablo 1. Fındık kabuğunun kısa analizi ve kimyasal analiz sonuçları Tablo 2. Farklı basınçlarda hazırlanmış peletlerin 450, 550 ve 650 oC’de ani pirolizinden elde edilen ürün verimleri Şekil 3. Farklı basınçlarda hazırlanmış peletlerinm 550 oC’de ani pirolizi sırasındaki boyutsal değişimleri Şekil 2. Farklı basınçta hazırlanmış peletlerin 550 oC’de yavaş ve ani pirolizi KAYNAKLAR 1. Benetto, E., Popovici, E.C., Rousseaux, P., Blondin, Jacques., “Life cycle assessment of fossil CO2 emissions reduction scenarios in coal-biomass based electricity production”, Energy Conversion and Management, Cilt 45, 3053–3074, 2004. 2. Katyal, S., Thambimuthu, K., Valix, M., “Carbonisation of bagasse in a fixed bed reactor:influence of process variables on char yield and characteristics”, Renewable Energy, Cilt 28, 713-725, 2003. 3. Demirbaş, A., “Effect of temperature on pyrolysis products from four nut shell”, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Cilt 76, 285-289, 2006. 4. Yanik, J., Kornmayer, C., Saglam, M., Yüksel, M., “Fast pyrolysis of agricultural wastes: Characterization of pyrolysis products”, Fuel Processing Technology, Cilt 88, 942-947, 2007. 5. Islam, M.N., Islam, M.N., Beg, M.R.A., “The fuel properties of pyrolysis liquid derived from urban solid wastes in Bangladesh” , Bioresource Technology, Cilt 92, 181-186, 2004. 6. Acikgöz, C., Kockar, O.M., Flash pyrolysis of linseed (Linum usitatissimum L.) for production of liquid fuels”, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Cilt 78, 406-412, 2007. 7. Maiti, S., Dey, S., Purakayastha, S., Ghosh, B., “Physical and thermochemical characterization of rice husk char as a potential biomass energy source”, Bioresource Technology, Cilt 97, 2065-2070, 2006. 8. Erlich C., Öhman M., Björnbom E., Fransson T.H., “Thermochemical charecteriscs of sugar cane bagasse pellets”, Fuel, Cilt 84, 569-579, 2005. 9. Haykiri-Acma, H., “The role of particle size in the non-isothermal pyrolysis of hazelnut shell”, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Cilt 75, 211-216, 2006. 10. Demiral, İ., Şensöz, S., “The effects of different catalysts on the pyrolysis of industrial wastes (olive and hazelnut bagasse)”, Bioresource Technology, Cilt 99, 8002-8007, 2008. 11. Demirbaş, A., “Kinetics for non-isothermal flash pyrolysis of hazelnut shell”, Bioresource Technology, Cilt 66, 247-252, 1998. 12. Li, S., Xu, S., Liu, S., Yang, C., Lu, Q., “Fast pyrolysis of biomass in free-fall reactor for hydrogen-rich gas”, Fuel Processing Technology, Cilt 85, 1013-1024, 2004. 13. Hastaoğlu, M. A., Berruti, F., “ A gas –solid reaction model for flash wood pyrolysis” Fuel, Cilt 68,1408-1415, 1989.