Örneklerin Hazırlanması

1. KANGAL VE FARKLI ATIK BİYOKÜTLE KAYNAKLARININ SABİT YATAKTA BİRLİKTE YAKILMASI Nurullah FINDIKÇI, Şakir YILMAZ, Şeyda TAŞAR, Neslihan DURANAYFırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 23279 ELAZIĞ ÖZET Sunulan çalışmada yüksek oranda kül ve kükürt içeriğine sahip düşük ısıl değerlikli Kangal linyiti ile çevresel açıdan bertarafında problemler yaşanan iki farklı atık biyokütle (Elazığ ili evsel arıtma çamuru, mobilya fabrikası toz tutucusundan temin edilen atık toz) kullanıldı. Birlikte yakama deneylerinde Kangal linyiti ile biyokütlelerin ağırlıkça % 50 oranında fiziksel harmanlanmasıyla hazırlanan ikili karışımlar kullanıldı. Orijinal numuneler ve hazırlanan karışımlarından hidrolik pres yardımıyla 1±0.05 g ağırlığında silindirik peletler hazırlandı. Yakma deneyleri, 8.9 cm çapında 12.1cm yüksekliğinde silindirik sabit yatak yakma sistemi içerisine yerleştirilen paslanmaz çelikten yapılmış sepet üzerinde 973 K kamara başlangıç sıcaklığında gerçekleştirildi. Orijinal örnekler ve karışımlarından hazırlanan peletlerin yanması esnasında tutuşma, uçucu madde yanma ve karbon yanma süreleri ile birlikte, yakma işlemi sırasında belirli aralıklarla ağırlık değişimleri kaydedilerek uçucu madde ve karbon yanma hızları belirlendi. Yapılan deneyler sonucunda, linyite uçucu madde oranı yüksek biyokütle eklendiğinde tutuşma süresi ve karbon yanma sürelerinin düştüğü ve uçucu madde yanma süresinin arttığı tespit edildi. Karışımların uçucu madde yanma hızlarının orijinal linyit ve biyokütleler için bulunan değerler arasında olduğu görüldü. Biyokütlenin içerdiği yüksek orandaki uçucu maddenin karışımların karbon yanma periyodunu da etkilediği tespit edildi. Anahtar kelimeler: Atık biyokütle, kangal linyiti, pelet, birlikte yakma, sabit yatak. GİRİŞ Fosil yakıtlar hariç, biyokütle tarım, orman ve deniz ürünlerini içeren bütün organik atıklar ile evsel atık suları ve siyah likörden elde edilen pulpu da içeren bir terimdir. Orman ürünleri endüstrisi ve tarımsal atıklar sosyal çevresel açıdan en faydalı biyokütle kaynaklarıdır. Enerji tahılları da toplam biyokütle içinde ilave bir potansiyel yakıt kaynağıdır [1]. Çok çeşitli katı atıkları içeren biyokütle, organik hammaddeleri de (selüloz, hemiselüloz ve lignin) içerir ve yüksek enerji içeriğine sahiptir. Fosil yakıtların aksine, biyokütlenin kullanılması çevresel problemlere sebep olmaz. Bu nedenle hem enerji kazanımı hem de çevreyi korumak açısından yenilenebilir kaynaklar olarak kullanılabilir. Biyokütle atıkları, kükürt ve azot içeriklerinin çok düşük seviyelerde olması nedeni ile fosil yakıtların yanmasından daha az çevre kirliliği ve sağlık riski yaratmaktadır [2]. İnsanoğlunun yaşamsal faliyetleri sonucu oluşan atık suyun kimyasal ve biyolojik arıtımı sonucu ağırlıkça % 10-30 katı madde içeren arıtma çamuru miktarının, nüfus artışına bağlı olarak her geçen gün arttığı bilinmektedir [3, 4]. Türkiye de mevcut arıtım tesislerinde üretilecek çamurun 60 g katı/kişi gün çamur değeri temel alınarak 2020’de yılda 1 milyon ton kuru katı çamura ulaşılacağı öngörülmektedir [4, 5]. Bu atık uygun koşullarda depolanmadığı takdirde havayı, toprağı vesuyu kirleterek doğayı ve canlıların yaşamını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu yüzden bu atıkların işlenmesi ve bertaraf edilmesi gittikçe ciddi bir toplum sorunu haline gelmektedir [6]. Çevre sağlığını korumaya yönelik ciddi sınırlamaların getirilmesinden dolayı, katı atık yönetimi kapsamında bu tip atıkların boşaltılacağı uygun alanların azalması ve atığın doğrudan çevreye verilmesinin engellenmesi, araştırmacıları arıtma çamuru gibi atıkların bertarafı veya kullanımına yönelik yeni alternatif metotlar geliştirmeye sevk etmiştir [5]. Arıtma çamurunun yapısında bulunan temel bileşenler; kuru temel üzerinden yaklaşık %60 zehirsiz organik karbon bileşikleri, azot ve fosfor içeren bileşikler, zehirli organik ve inorganik kirleticiler (Zn, Pb, Cr, Ni, Cd, Hg, poliklorlu difeniller, polisiklik aromatik hidrokarbonlar, dioksinler, pestisidler), patojen ve diğer mikrobiyolojik kirleticiler, silikatlar, alüminatlar, kalsiyum ve magnezyum bileşikleri gibi inorganik yapılar, ve su olarak gruplandırılabilir [7]. Ormansal atıklar, kullanılmış odun ve odunsu atıkların insanoğlunun sürekli kullandığı enerji kaynakları arasındadır. Odun geniş kullanım sahasına sahip olduğundan önemli bir temel kaynaktır. Odunların en yaygın kullanım alanları elektrik ve telefon direkleri, mobilya üretimi, yapı malzemesi, kâğıt ve türevlerinin üretimidir. Orman ürünlerinin direkt yakıt olarak kullanılması ekonomik olmadığından, orman endüstrisi atıklarının enerji kaynağı olarak değerlendirilmesi konusunda çalışmalar yapılmaktadır [8,9]. Kömür gelecekteki yıllarda önemli bir enerji kaynağı olmaya devam edecektir. Dünyada hızla gelişen her ekonomide kömür önemli bir rol oynamaktadır. Günümüzde ve yakın gelecekte bu yakıtın yerini alacak (yeterli miktarda) herhangi bir yakıt yoktur [10]. Ülkemizde nem ve kül içeriği yüksek, enerji değeri düşük 8,3 milyar ton linyit rezervi bulunmaktadır. Linyit rezervinin yüksek olması araştırmacıları bu kaynaktan daha fazla yararlanma amacıyla çalışmalar yapmaya yöneltmiştir. Kömürün çeşitli biyokütleler ile birlikte yakılması kömür kullanmanın önemini artırabilir. Kömür yakılan güç üretim tesislerine biyokütle ilavesi (%10-25), tesisin ortalama verimine ya hiç etki etmez veya çok az bir azalmaya neden olur. Bunun nedeni yakmaya hazırlanmasında daha fazla enerji gerekmesi ile bağlantılı kayıplar ve yakıttaki nemden kaynaklanan kayıplardır [11]. Birlikte yakma teknolojilerinin ticarileştirilmesi, güç üretim tesislerinden kısa ve uzun dönemli sera gazı emisyonlarının azaltılması için en iyi çözümlerden biridir. Böyle bir yakma için gerekli sistemin maliyeti düşüktür. Çünkü mevcut sistem üzerinde küçük değişiklikler yapılarak çalışılabilir. Birlikte yakma kısa zamanda elde edilmesi, düşük fiyatı, düşük risk ve yüksek sosyal fayda sağlaması nedeniyle, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde tercih edilmeye başlanmıştır [10]. Son zamanlarda sıkıştırılmış biyokütlenin, özellikle pelet halinde, kullanımı üzerinde pek çok çalışma sürdürülmektedir Çevre standartlarına uygun şekilde hazırlanan biyokütle peletleri Avrupa’nın pek çok ülkesinde evsel ve endüstriyel amaçla kullanılmaktadır [12, 2]. Biyokütlenin pelet halinde kullanımı taşıma, dönüşüm ve sezon dışında kullanım için depolama gibi pek çok faydalar sağlamaktadır. Sunulan çalışmada da ülkemiz linyitlerinden Kangal linyiti ile mobilya üretimi esnasında oluşan ve fabrikanın toz tutucularından alınan mobilya fabrikası atık tozu ve Elazığ ili evsel nihai arıtma çamuru ağırlıkça % 50 oranında karıştırılarak peletler hazırlandı ve bu peletlerin yanma davranışları incelendi. Orijinal numune ve karışımların 700 ºC’de yakılması sonucu kütlelerindeki değişim Şekil 2’de, alev görünme, sönme, akkor sönme süreleri ve bunlara bağlı hesaplanan uçucu ve karbon yanma süreleri Tablo 2’de verilmektedir. Şekil 2’de yer alan ağırlık azalması eğrilerinden yararlanılarak hesaplanan uçucu madde ve karbon yanma hızları ile yanma sonrası açığa çıkan atık miktarı dikkate alınarak hesaplanan yanma atığı yüzdesi ise Tablo 3’de verilmiştir. Tablolarda verilen değerler en az iki paralel çalışmanın ortalamasıdır. Tablo 2 incelendiğinde Kangal linyitinin tutuşma (alev görünme), akkor sönme ve karbon yanma süresinin diğer örneklerden uzun, uçucu madde ayrılma süresinin ise arıtma çamuru karışım peletinden düşük olduğu belirlendi. Karbon yanma süresinin diğer örneklerden çok daha yüksek olması linyitin morfolojik yapısından ve sabit karbon içeriğinin yüksek oluşundan kaynaklanmaktadır. MAT’nin ise tutuşma süresinin ve uçucu madde yanma süresinin saf örneklerden daha düşük olduğu Tablo 2’de görülmektedir. Bu durum uçucu madde içeriği yüksek oluşundan ve buna bağlı olarak da, tutuşma için gerekli olan uçucu konsantrasyonuna erken ulaşılmasının sonucudur. Karışımların karbon yanma süreleri de orijinal örneklerin karbon yanma süreleri arasında elde edilmiştir. Tablo 3’de orijinal MAT, Kangal linyiti ve bunların karışımlarının uçucu madde ve karbon yanma hızları karşılaştırıldığında, karışımın her iki hız değerinin de orijinal numunelerin yanma hızları arasında olduğu görülmektedir. Şekil 2. (a) Mobilya fabrikası atık tozu ve Kangal linyitinden hazırlanan karışım ve saf örneklerin zamanla ağırlık değişimi eğrileri. (b) Arıtma çamuru ve Kangal linyitinden hazırlanan karışım ve saf örneklerin zamanla ağırlık değişimi eğrileri. Tablo 2. Yanma verileri Tablo 3. Uçucu madde ve karbon yanma hızları AÇ-KL karışım peletlerinin uçucu madde yanma hızı karışımı oluşturan bileşenlerin sayısal değerleri arasında ve uçucu madde içerikleri ile lineer ilişkilidir. AÇ-KL karışımının uçucu madde yanma hızı saf kangal linyitinden daha yüksek elde edilmiştir. Karbon yanma hızı ise karışımı oluşturan her iki örnekten de düşüktür. Bu durum karışımı oluşturan her iki numunenin de yüksek oranda kül içermesinden kaynaklanmaktadır. Fakat yanma atığı incelendiğinde tam yanma olduğu ve kül içinde yanmamış karbon bulunmadığı söylenebilir. Numunenin kül içeriğinin sadece oksijenin pelet içindeki karbona ulaşmasını geciktirdiği ve yanma hızını düşmesine neden olduğu görülmektedir. MAT, KL, KL-MAT karışımı için, uçucu madde içeriği ve yanma hızı arasında lineer bir değişme görülmektedir. MAT-KL karışım peletinin hem uçucu madde hem de karbon yanma hızları KL ile kıyaslandığında artış göstermektedir. MAT’nın Kangal linyiti üzerinde aktive edici bir etkiye sahip olduğu saptanmıştır. Bu durum karışım peleti içindeki MAT’dan dolayı daha fazla uçucu bileşenlerin olması ve bu bileşenlerin hızlı yayılmasının sonucudur. Peletten ayrılma sırasında uçucu bileşenin yaptığı basınç sonucu oluşan çatlak ve gözenekler Kangal linyitinin de uçucu bileşenlerinin peleti kolayca terk etmesine neden olduğunu göstermektedir. MATERYAL VE YÖNTEM Örneklerin Hazırlanması Kangal linyiti havanda dövülerek öğütüldü elendi ve –100 mesh’lik tane boyutu yakma işlemlerinde kullanıldı. Atık çamur örneği Elazığ İli Atık Su Arıtma Tesisi nihai çamur toplama alanlarının elde edilip, öncelikle plastik branda üzerinde atmosfer şartlarında ve sonrasında 12 saat 105C’ de etüvde kurutulmuştur. Çalışmada kullanılan ikinci biyokütle kaynağı olan mobilya fabrikası atık tozu ise Elazığ ili sınırları içinde üretim yapan bir mobilya fabrikası toz tutucularından temin edilmiştir. Orijinal numune ve karışımlardan yüksek basınç altında 13.4 mm çapında ve 5.2 mm yüksekliğinde 10.05 g ağırlığında silindirik peletler hazırlandı. Numunelerin kül ve uçucu madde tayinleri ASTM-D3174 ve ASTM-D3175 standartlarına göre yapıldı. Nem tayinleri ise 105 ºC’de Metler LJ16 nem tayin cihazında yapıldı. Deney Düzeneği Yakma deneyleri Şekil 1’de verilen, 89 mm çapında 121 mm yüksekliğinde içinden direnç telleri geçirilmiş refrakter malzeme bulunan silindirik kesitli dikey bir kamarada yapıldı. 25 cm uzunluğundaki çelik çubuğun ucuna takılmış olan 3 mm çapında paslanmaz çelikten yapılmış elek sepet bir destek yardımı ile kamara içine yerleştirildi. Destek yanma sırasındaki ağırlık değişimlerinin kaydedilmesi amacı ile terazi üzerine yerleştirildi. Fırının ısıtılması değişik voltaj transformatörü yardımı ile sağlandı. Deneyin Yapılışı Yakma deneylerinde fırın içindeki sepette yakın bir yere yerleştirilmiş termoçift vasıtası ile çalışma sıcaklığına ısıtıldı. Çalışma sıcaklığına ulaşılınca numune besleme kısmından sepet üzerine düşürüldü ve kronometre çalıştırıldı. Bir ayna yardımı ile örneğin alev görünme, alev sönme ve peletin tamamen sönme süreleri gözlenerek, kronometre ile süreleri belirlendi. Uçucu madde ayrılması ve yanması (alev sönme süresine kadar) periyodundaki ağırlık değişimleri her 5 s’de, karbon yanma periyodundaki ağırlık değişimleri ise her 10 s’de bir kaydedildi. 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. Yakma deneyleri 700 ºC’de gerçekleştirildi. İlk olarak orijinal numunelerden hazırlanan peletler, sonra da kangal linyiti ile atık biyokütle örneklerinden ağırlıkça % 50 kangal linyiti içeren karışımlardan hazırlanan peletler yakıldı. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Tablo 1. Kısa analiz sonuçları Tablo 1.’de Kangal linyiti, Mobilya fabrikası tozu (MAT), Arıtma çamuru (AÇ) ve bunların karışımlarının kısa analiz sonuçları verilmektedir. Parantez içinde verilen değerler saf numunelerin kısa analiz değerleri ve karışım oranı dikkate alınarak hesaplanan değerlerdir. MAT’nin uçucu madde içeriğinin Kangal linyiti ve arıtma çamurundan yüksek, kül içeriğinin ise oldukça düşük olduğu tablodan görünmektedir. Bileşimi mobilya üretimi sırasında kullanılan odun türüne (sert, yumuşak, yarı sert odun) göre değişen atığın, MAT’nın elde edilen kısa analiz değerlerinin odun türlerinin ortalama kabul edilen kısa analiz değerlerine uygun olduğu, kül içeriğinin düşüklüğü ve uçucu madde içeriğinin yüksek oluşunun ormansal atık biyokütle karakteristiğine uyduğu görülmektedir [13]. Atık biyokütle kaynağı olarak ele aldığımız arıtma çamurunun yüksek oranda kül içeriği inorganik yapısı da göz önüne alındığında, beklenen ve literatür çalışmalarına uygun bir sonuç olarak yorumlanır [4]. Kül içeriği yüksek olmasına karşın sabit karbon içeriği en yüksek saf örnek ise Kangal linyiti olarak belirlenmiştir. Karışımların uçucu madde, kül ve sabit karbon içerikleri beklenen değerlere oldukça yakın, yani karışımı oluşturan bileşenlerin sayısal değerleri arasında bulunmuştur. KAYNAKLAR [1] Baxter, L., 2005, “Biomass-coal co combustion: oppurtunity for affordable renevable energy”, Fuel, 84, 1295-1302. [2] Öhman, M., Boman, C., Hedman, H., Nordin, A., Boström, D., 2004, “Slagging Tendencies of Wood Pellet ash During Combustion in Residential Pellet Burners”, Biomass & Bioenergy, 27, 585-596. [3] Akkuş H. B., “Bazı Katıların Pirolizi ve Ortak Pirolizinden Elde Edilen Katı Ürünlerin Karakterizasyonu”, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009. [4] Salihoğlu, N.K., Pınarlı, V., and Salihoğlu G., 2007, “Solar drying in sludge management in Turkey”, Renewable Energy, 32, 1661-1675. [5] Uchikawa, H. ve Obana, H., 1995, “Ecocement- Frontier of Recycling of Urban Composite Wastes”, World Cement, Kasım, s. 33-40. [6] İ. B., Çelik, M. Öner, 2003, “Atık Su Arıtma Filtre Kekinin Çimentoda Kullanımı”, Madencilik, 42, 2, 11-18. [7] Rulkens, W., 2008, “Sewage sludge as a biomass resource for the production of energy:overview and assesment of the various options”, Energy&Fuels, 22, 1, 9- 15. [8] Reina, J., Velo, E., Puigjaner, L., Kinetic Study of the Pyrolysis of Waste Wood, Ind. Eng. Chem. Res. 37, 4290-4295, 1998. [9] Yorulmaz, S.Y., Atimtay, A.T., Investigation of combustion kinetics of treated and untreated waste wood samples with thermogravimetric analysis, Fuel Processing Technology 90, 939–946, 2009. [10] Tillman, D.A., 2000, “Cofiring Benefits for Coal and Biomass”, Biomass & Bioenergy, 19, 363-364. [11] Baxter, L., 2005, “Biomass-coal co combustion: oppurtunity for affordable renevable energy”, Fuel, 84, 1295-1302. [12] Obenberger, I., Thek, G., 2004, “Physical Charaterisation and Chemical Composition of Densified Biomass fuels with Regard to Their Combustion Behaviour”, Biomass & Bioenergy, 27, 653-669. [13] Sinha, S., Jhalani, A., Ravi, M. R., Ray, A., 2000, “Modeling of pyrolysis in wood: a review”, SESI-Journal, New Delhi, India, 10, 41– 62.