Transcript Piroliz sıcaklığı

FINDIK KABUĞUNUN PELET HALİNDE ANİ PİROLİZİ
Fatma KOP, Şeyda TAŞAR, Melek YILGIN, Neslihan DEVECİ DURANAY
[email protected]; [email protected]; [email protected].
ÖZET
GİRİŞ
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.
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
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.
MATERYAL VE METOD
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.
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
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.
SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Fındık kabuğunun nem, kül ve uçucu maddesi ile ekstraktif, lignin ve holoselüloz miktarları Tablo 1’de verilmektedir.
Fındık kabuğunun lignin içeriğinin yüksek olduğu görülmektedir.
Tablo 1. Fındık kabuğunun kısa analizi ve kimyasal analiz sonuçları
% Uçucu
Madde
67.9
% Kül
2.3
%Nem
% Sabit
karbon*
% Ekstaktif
7.6
22.2
10.3
%Lignin
% Holoselüloz
40.8
48.9
Tablo 2. Farklı basınçlarda hazırlanmış peletlerin 450, 550 ve 650 oC’de ani pirolizinden elde edilen ürün verimleri
Piroliz sıcaklığı
(ºC)
450
550
650
Pelet hazırlama basıncı
(1.103kgf/cm2)
% Sıvı ürün
% Katı ürün
% Gaz ürün*
% Dönüşüm
2
40.0
34.1
25.9
65.9
5
38.8
33.4
27.8
66.6
10
37.6
33.4
29.0
66.6
2
44.7
30.6
24.7
69.4
5
41.7
30.7
27.6
69.3
10
50.7
30.2
19.1
69.8
2
35.0
28.1
36.9
71.9
5
34.5
28.5
37.0
71.5
10
35.0
28.6
36.4
71.4
*: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.
Şekil 2. Farklı basınçta hazırlanmış peletlerin 550 oC’de
yavaş ve ani pirolizi
Şekil 3. Farklı basınçlarda hazırlanmış peletlerinm
550 oC’de ani pirolizi sırasındaki boyutsal değişimleri
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.
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.