Transcript kavak ağacı - Fırat Üniversitesi

ODUN PELETLERİNİN SABİT YATAKTA YAVAŞ PİROLİZİ
Esra GÖK, Şeyda TAŞAR, Melek YILGIN, Neslihan DEVECİ DURANAY
Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, 23279, ELAZIĞ
[email protected]; [email protected]; [email protected].
Bu çalışmada, sert (kavak ağacı) ve yumuşak (çam ağacı) ağaç odunların tozundan hazırlanan peletlerin 550 oC’de pirolizi
üzerine ısıtma hızının (2 oC/dk, 6 oC/dk ve 10 oC/dk) ve odun türünün etkisi incelendi. Çam ağacının katı ürün veriminin
2oC/dk’lık ısıtma hızında maksimum olduğu ve diğer ısıtma hızlarında değişmediği görüldü. Sıvı ürün veriminin ısıtma hızı
ile artığı belirlendi. Kavak ağacının ise hem katı hem de sıvı ürün verimlerinin ısıtma hızı ile değişmediği görüldü. Selüloz
içeriği yüksek kavak odununun katı ve sıvı ürün verimlerinin çam odunu peletinden elde edilen değerlerden düşük olduğu
tespit edildi.
Anahtar kelimeler: Piroliz, pelet, odun.
Deneye başlamadan önce kuvars boru (içindeki sepet ile birlikte) ve her iki soğutucu kurutuldu ve tartıldı. Ağırlığı
bilinen kuvars boru dikey fırın içine yerleştirilerek, alt kısmına buz banyosu içerisindeki soğutucular takıldı. Ağırlığı
bilinen pelet sepet üzerine düşürülerek ısıtma yapmadan önce yaklaşık 10 dakika azot gazı geçirildi. Pelet sepete
düşürülerek, belirlenen hızda fırın ısıtıldı ve çalışma sıcaklığına ulaştıktan sonra sistem 10 dakika 550C’de
bekletildikten sonra otomatik olarak soğutuldu. Fırının soğuması sırasında azot gazı geçişi sürdürüldü. Piroliz borusunun
içinde oluşan uçucu piroliz ürünleri inert gaz tarafından sürüklenip yoğunlaşabilen kısım soğutucu aparatlarında
yoğunlaşıp sıvı ürünü oluştururken, yoğunlaşmayan kısım gaz ürün olarak soğutucudan dışarı verildi. Piroliz prosesinin
soğuma adımı tamamlanınca, deney sistemi sökülüp, kuvars boru ve soğutucular, iç kısmınlarında yoğunlaşmış olan sıvı
ile birlikte tartılarak ağırlık farkından sıvı ürün miktarı belirlendi. Peletin piroliz sonrası ağırlığı ve boyutları belirlendi.
Gaz ürün miktarı ise farktan hesaplandı.
GİRİŞ
SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Fosil yakıtların rezervlerinin hızla tükenmesi ve yakıldığında oluşturduğu çevre kirliliğinden dolayı, yeni ve yenilenebilir
enerji kaynaklarına olan ilgi artmıştır. Biyokütlenin bol, ucuz ve yenilenebilir bir kaynak olması son yıllarda yakıt olarak
kullanımının artmasına neden olmuştur [1]. Karbondioksit emisyonunu azaltmak için hem yenilenebilir hem de karbondiksiti
nötral olan kaynak biyokütledir. Lignosellülozik materyal olan biyokütle çeşitleri içerisinde birim hacimde daha yüksek enerji
içeriği, daha düşük kül ve azot içeriği nedeni ile odun daha fazla tercih edilmektedir[2].
Piroliz deneylerinde kullanılan numunelerin kısa ve kimyasal analiz sonuçları Tablo 1’de ve yavaş piroliz sonucu her iki
örnek için ürün dağılımının ısıtma hızı ile değişimi Şekil 2’de verilmektedir. Tablo ve şekil birlikte ele alındığında,
beklendiği üzere her iki ağaç türüne ait örneklerin piroliz deneyleri sonucu ısıtma hızı artışıyla katı ürün veriminde düşüş
[14] ve sıvı ürün veriminde ise artış gözlendi. Çam odunu ile yapılan deneylerde katı ürün verimi 2, 6 ve 10 oC/dk ısıtma
hızlarında sırası ile %29.1, %25.7 ve %24.3 olarak tespit edildi. Kavak odununda ise 2 oC/dk’lık ısıtma hızında katı
ürün veriminin %27.8 olduğu 6 ve 10 oC/dk’lık ısıtma hızlarında yaklaşık olarak %26 olduğu ve değişmediği belirlendi.
Sonuç olarak düşük ısıtma hızında (2 oC/dk) lignin ve kül oranı yüksek olan çam odununda katı ürün veriminin kavak
odunundan yüksek olduğu görüldü.
ÖZET
Biyokütle enerji kaynakları, genellikle homojen olmayan bir yapıda, yüksek su ve oksijen içerikli, düşük yoğunluklu ve
düşük ısıl değerlidir. Bu özellikler yakıt kalitesine olumsuz etki etmektedir. Biyokütlenin bu olumsuz özellikleri, fiziksel
süreçler [boyut küçültme-kırma ve öğütme, kurutma, filtrasyon, ekstraksiyon ve biriketleme) ve dönüşüm süreçleri
(biyokimyasal, termokimyasal(yakma, sıvılaştırma, gazlaştırma ve piroliz) ve esterleşme] ile ortadan kaldırılabilmektedir.
Biyokütleye uygulanan çeşitli dönüşüm süreçleriyle, yakıt kalitesi yüksek, mevcut yakıtlara eşdeğer özelliklerde ve daha
kullanışlı katı, sıvı ve gaz yakıtlar (kolay taşınabilir, depolanabilir ve kullanılabilir) veya kimya endüstrisi için değerli ürünler
elde edilebilir[3,4]. Biyokütleye uygulanacak dönüşüm sürecinin seçimini etkileyen faktörler; biyokütle kaynağının çeşidi,
özellikleri, enerjinin kullanım şekli, kullanım ihtiyacı, çevresel ve ekonomik koşullar ile özel tasarım faktörleridir[3].
Biyokütlenin ana bileşenleri selüloz, lignin ve hemiselülozdur. Selüloz, çözünmez, lineer, dallanmamış yapıdaki 1–4 β
glikosidik bağlardan oluşmuş homopolisakkaritler olup, biyokütlenin yapısındaki en yaygın glikoz biyopolimeridir ve
molekül ağırlığı 100000 civarındadır. Hemiselüloz yapısında, beş karbonlu şekerler ( D-ksiloz ve L- arabioz) ve altı karbonlu
şekerler (D-galaktoz, D-glukoz ve D-mannoz) ile üronik asit, 4-O metilglukuronik asit ve galakturonik asit kalıntıları
bulunur[5] ve molekül ağırlığı 30000’den küçüktür. Lignin, polifenolik bir makromoleküldür. Diğer polisakkaritlerin aksine
üç boyutlu bir polimerdir ve bu yapısı sayesinde bağlayıcılık görevini üstlenmektedir. Yapısında fenil-propan türü gruplar,
koniferil ya da buna benzer guayail-propan birimlerini içermektedir.
Biyokütlenin kullanılabilir enerji formlarına dönüştürülmesi yukarıda da belirttiğimiz gibi pek çok yoldan mümkündür. Ancak
bu işlemler içerisinde piroliz, katı, sıvı ve gaz ürünlerin verimlerinin çalışma şartlarına bağlı olarak değiştirilmesi yönünden
özel öneme sahiptir [6]. Piroliz prosesi oldukça karmaşıktır ve ısıtma hızı ve biyokütlenin bileşimi gibi bir çok faktöre
bağlıdır [7]. Isıtma hızı karbonizasyon sırasında gerçekleşen uçucu madde çıkış hızını etkilemektedir. Isıtma hızının
artmasıyla biyokütle numunesinin ısıl parçalanma hızı artmakta ve uçucu madde çıkış hızı artmaktadır.Isıtma hızını düşük
olması durumunda ise uçucu maddenin karbonizasyon ortamında kalma süresi uzamakta ve bunun sonucu katı ürün miktarını
arttıran repolimerizasyon ve rekondenizasyon gibi tepkimeler oluşmaktadır. Isıtma hızının artışı ile ayrıca ısı ve kütle transferi
sınırlamaları da ortadan kalkmaktadır[8].Yavaş ısıtma hızının olduğu, uzun sürelerde gerçekleşen piroliz işlemlerinde sıvı
ürün verimi azalırken, katı ürün veriminin arttığı; yüksek ısıtma hızlarında, kısa reaksiyon sürelerinde yapılan işlemlerde ise
sıvı ürün veriminin yüksek olduğu görülmektedir. Bu durumda piroliz işlemi yavaş ve hızlı veya ani piroliz olarak ikiye
ayrılabilir [9]. Binlerce yıldır, insanlar odundan odun kömürü elde etmek amacıyla yavaş pirolizi kullanmaktadır. Yavaş
pirolizde temel ürün yanma işleminde besleme olarak direkt kullanılabilen katı (char) ve sıvı üründür[10,11].
Isıtma hızı artışı her iki odunda da katı ürün veriminin düşüşüne yol açarken bu düşüş kavak odunu için lineer iken, çam
odunu için düşüş hızı 2-6 oC/dk’ lık bölgede daha yüksektir ve beklenenin aksine yüksek ısıtma hızlarında lignin oranı
yüksek çam odunundansa, kavak odununun katı ürün veriminin yüksek olması yüksek ısıtma hızlarında lignin oranının
katı ürün verimi üzerine etkisinin olmadığı şeklinde yorumlanabilinir. Ayrıca çamın reçineli yapısının da bu davranış
üzerinde etkili olduğu düşünülmektedir.
Tablo 1. Kısa analiz ve kimyasal analiz verileri (ağırlıkça %)
Numune
% Uçucu Madde
%Kül
%Nem
% Sabit C
%Ekstaktif
%Lignin*
Kavak
80.0
1.2
6.1
12.7
7.1
21.8
71.1
Çam
77.7
3.1
7.0
12.2
11.7
25.0
63.3
*aseton ekstraksiyonu yapılmış numune kullanıldı.
Tablo 3. Piroliz işlemi sonrası pelet çapı ve yüksekliğindeki
değişime ısıtma hızının etkisi
Numune
Çam
Odun peletinin üretimi 1970’li yılların ikinci yarısında Kuzey Amerika’da başlamış ve daha sonra Avrupa’ya ve dünyanın
diğer kısımlarına yayılmıştır. Biyoenerji paketi olarak pelet kullanımı dağıtım ve depolama yönünden kolaylıklar sağlar. Odun
peletleri ısı ve elektrik üretiminde fosil yakıtların yerini alacak bir potansiyele sahiptir [12]. Piroliz ürün verimlerinin odunun
kimyasal yapısı ile değiştiği bilinmektedir. Bu nedenle bu çalışmada sert ve yumuşak odunların üç farklı ısıtma hızında
pirolizi yapılarak ürün verimleri üzerine ısıtma hızı ile odun türünün etkisi incelendi.
MATERYAL VE YÖNTEM
Çalışmada kavak ağacı sert odun ve çam ağacı yumuşak odun olarak seçildi. Odun talaşları Elazığ Sanayi Bölgesinden temin
edildi. Talaşlar kurutuldu, otomatik havanda öğütüldü ve elendi. Numunelerin kül ve uçucu madde miktarları sırası ile
ASTM-D1102 ve ASTM-E872 standartlarına göre nem tayinleri ise 105C’de Mettler LJ16 nem tayin cihazında yapıldı.
Kimyasal bileşimleri ise (ekstraktif madde, hemiselüloz, lignin ve selüloz) Li ve diğ.’nin [13] çalışmasında yer alan analitik
metodlardan faydalanılarak belirlendi.
Ekstraktif madde analizi; 6.00 g odun atık tozu, geri soğutucu altında aseton ile birlikte 3 saat süre ile karıştırıldı. Süzgeç
kağıdına süzülen kalıntı bir süre oda sıcaklığında kurutulduktan sonra 80 °C’de tutulan etüvde sabit tartıma kadar kurutuldu,
tartıldı ve ekstraktif madde miktarı hesaplandı.
Hemiselüloz analizi; eksraksiyon sonucunda kalan kalıntıdan lignin analizi için 1 g. numune ayrıldıktan sonra, kalan miktar
bir balona konuldu ve 75 ml 0.5 M NaOH çözeltisi ilave edildi. Karışım geri soğutucu altında 3.5 saat karıştırıldı. Atık
süzüldükten sonra su ile yıkanarak nötralleştirildi. Sabit tartıma gelene kadar etüvde kurutuldu daha sonra oda sıcaklığına
kadar desikatörde soğutuldu ve tartıldı.
Lignin analizi; ekstraksiyon analizi sonucunda kalan kalıntıdan 1.00 g alınarak nem tayin cihazı yardımıyla sabit tartıma
getirildi. Numune balona konularak, üzerine yavaşça %72’lik 30 ml H2SO4 çözeltisi eklendi ve bu karışım 8-15 °C sıcaklıkta
24 saat bekletildi. 300 ml saf su ilave edilip geri soğutucu altında 1 saat kaynatılan karışım soğuduktan sonra süzgeç
kâğıdında süzüldü. Kalıntı saf su ile yıkanarak nötralleştirildi ve sabit tartıma gelene kadar etüvde kurutulduktan sonra
desikatörde soğutuldu, tartıldı ve lignin miktarı hesaplandı.
Selüloz miktarı deneysel olarak belirlenen lignin, hemiselüloz ve ekstraktif madde yüzdeleri toplanıp, yüzden çıkarılması ile
belirlendi. Holoselüloz miktarı ise belirlenen lignin ve ekstraktif madde yüzdeleri toplanıp, yüzden çıkarılması ile hesaplandı.
Pirolizi deneyleri için pelet yapımında 100 mesh elek altı tane boyutuna sahip numuneler kullanıldı. Hidrolik basınç aletinde
10 ton basınç uygulanarak 8 mm çapında ve yaklaşık olarak 9 mm yüksekliğinde 0.5 g.lık peletler hazırlanıp, plastik poşetler
içinde muhafaza edildi.
Şekil 1. Piroliz deney düzeneği: 1. azot girişi, 2. piroliz düzeneği kapağı, 3. pelet, 4. sepet, 5. kuvars boru, 6,7. u borusu, 8.
buz banyosu, 9. voltaj değiştirici, 10. sıcaklık programlama cihazı, 11. akış ölçer, 12. azot tüpü.
Piroliz deneyleri, kare kesitli dikey fırın içine yerleştirilmiş 2.3 cm çaplı ve 35 cm uzunluğunda ve içinde peletin koyulduğu
paslanmaz çelikten bir elek sepet bulunan kuvars bir boruda yürütüldü. Fırın AUBER SYL PID sıcaklık kontrol cihazı ile 2,
6 ve 10 oC/dk.’lık üç farklı hızlarda literatüre göre çalışma sıcaklığının 550 oC olarak belirlendiği sıcaklıkta yürütüldü. İnert
atmosfer ortamı azot gazı (50 ml/dk) 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.
%Holoselüloz
Kavak
Isıtma Hızı
(oC/dk)
% Dp/Do
% hp/ho
2
77
67
6
79
75
10
76
70
2
80
76
6
81
72
10
81
72
Şekil 2. Kavak ve Çam örneklerinin 550C’de piroliz
sonrası ürün verimlerinin ısıtma hızı ile değişimi.
(: katı,  : sıvı, : gaz)
Piroliz işlemi uygulanmamış peletin çap(Do) ve yükseklik(ho) değerleri ile piroliz sonrası peletlerin çap(Dp) ve
yüksekliklerine (hp) bağlı olarak belirlediğimiz değişim oranları Tablo 3’de verilmiştir. Dp/Do ve hp/ho değerleri
incelendiğinde ısıtma hızının pelet çap ve yüksekliklerinde belirgin bir etkisinin olmadığı görülmektedir.
Peletlerdeki şekil değiştirme oranları dikkate alındığında piroliz işlemi sonucu pelet çap (%19-24) ve yüksekliklerinde
(%24-33) büzülme meydana geldiği tespit edildi. Yumuşak (çam) odun ile sert odun (kavak) birbiriyle
karşılaştırıldığında, çam odununda daha fazla büzülme meydana geldiği gözlendi.
Sert (kavak ağacı) ve yumuşak (çam ağacı) ağaç odunların tozundan hazırlanan peletlerin 550 oC’de yavaş
pirolizine ısıtma hızı ve odun türünün etkisinin incelendiği bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edildi.
*İki ağaç türüne ait örneklerin piroliz deneyleri sonucu ısıtma hızı artışıyla katı ürün veriminde düşüş ve sıvı ürün
veriminde ise artış gözlendi.
*Düşük ısıtma hızında yüksek lignin ve kül oranı katı ürün verimini artırırken, yüksek ısıtma hızlarında lignin
oranının katı ürün verimi üzerine etkisinin olmadığı tespit edildi.
*Isıtma hızı arttıkça sıvı ürün verimi üzerinde reçineli yapınında etkili olduğunu belirlendi
*Isıtma hızının pelet çap ve yüksekliklerinde belirgin bir etkisinin olmadığı ve yumuşak odununda piroliz
sunucunda daha fazla büzülme meydana geldiği gözlendi.
KAYNAKLAR
1. Yorgun, S., Şensöz, S., Koçkar, Ö.M., “Flash pyrolysis of sunflower oil cake for production of liquid fuels”, Journal
of Analytical and Applied Pyrolysis, 60, 1-12, 2001.
2. Müler-Hagedorn, M., Bockhorn, H., Krebs, L., Müler, U., “A comparative kinetic study on the pyrolysis of three
different wood species”, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 68-69, 231-249, 2003.
3. McKendry, P., “Energy production from biomass (part 2): conversion technologies”, Bioresource Technology, Cilt
83, 47-54, 2002.
4. Bridgwater, A.V., “Renewable fuels and chemicals by thermal processing of biomass”, Chemical Engineering
Journal, Cilt 91, 87-102, 2003.
5. Sinha,S., Jhalani, A., Ravi, M. R., Ray, A., “Modeling of pyrolysis in wood: a review”, SESI-Journal, New Delhi,
India, Cilt 10, 41–62, 2000.
6. Pütün, A.E., Özbay, N., Önal, E.P., Pütün, E., “Fixed-bed pyrolysis of cotton stalk for liquid and solid products”,
Fuel Processing Technology, Cilt 86, 1207-1219, 2005.
7. Lee,S.-B., Fasina O., “TG-FTIR analysis of switchgrass pyrroysis”, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Cilt
86, 39-43, 2009.
8. Koçkar, Ö.M., Ö. Onay, A.E. Pütün, Pütün, E., "Fixed-Bed Pyrolysis of Hazelnut Shell:Astudy on mass transfer
limitations on product yields and characterization of pyrolysis oil," Energy Source, Cilt 22, 913-924, 2000.
9. Maggi, R., Delmon, B., “Comparison between slow and falsh pyrolysis oils from biomass”, Fuel, Cilt 73, 671-677,
1994.
10. Sampath, S.S., Babu, B.V., “ Energy and useful products from waste using pyrolysis: A state of the art review”,
Proceedings of International Symposium, 2005.
11. Işıkdağ M. A., Değişik biyokütle kaynaklarından piroliz yöntemiyle sentetik yakıt elde eldesi ve elde edilen
ürünlerin incelenmesi,Yüksek Lisans Tezi, 2007.
12. Vinterback, J., “Pellets 2002: The First World Conference on Pellets”, Biomass  Bioenergy, Cilt 27, 513-520, 2004.
13. 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.
14. Katyal, S., Thambimuthu, K., Valix, M., “Carbonisation of bagasse in afixed bed reactor: influence of process
variables on char yield and characteristics”, Renewable Energy, Cilt 28, 713-725, 2003.