Çeşitli Bitkisel Atıkların Karbonizasyonu

Abstract

Enerji ihtiyacımızın büyük bölümünü karşılayan fosil enerji kaynaklarının yakın bir gelecekte tükenecek olması, alternatif enerji kaynaklarının yaygın olarak kullanımını gerektirmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklan güneş, rüzgar, hidrolik, jeotermal, dalga ve biyokütle enerjisi gibi kaynaklan kapsamaktadır. Biyokütle kaynak potansiyeli, bugünkü küresel ticari enerji kullanımının 10 katı ve besin enerjisi tüketiminin 200 katına eşdeğerdir. 1973' te gerçekleşen enerji krizinden sonra dünya enerji açığının karşılanması için biyokütle kullanımı üzerinde araştırmalar yapılmıştır. Biyokütle kaynaklan yakıldığında güneş enerjisinin depolanmasından kaynaklanan büyük miktarda ısı açığa çıkmaktadır. Düşük yoğunluğa sahip olan güneş enerjisinin depolanması hassas kollektörler aracılığıyla bile zordur. Ancak, biyokütle bu enerjiyi yapısında depoladığından önemli bir alternatif enerji kaynağıdır. Biyokütle dönüşüm teknolojileri; fiziksel, termokimyasal ve biyokimyasal dönüşüm prosesleri olmak üzere üç temel kategoride sınıflandırılabilir. Fiziksel prosesler öğütme, kurutma, filtrasyon, ekstraksiyon ve briketlemedir. Termokimyasal prosesler (doğrudan yakma, gazlaştırma, piroliz ve karbonizasyon ve sıvılaştırma) uygulandığında sıvı ürünler (katran, pirolitik yağ), gaz ürünler (pirolitik gaz) ve katı ürünler (char, odun kömürü) elde edilmektedir. Biyokimyasal dönüşüm proseslerinin ana ürünleri ise biyogaz, hidrojen ve etanoldur. Piroliz, biyokütlenin inert ortamda 750 K civarında ısıtılarak sıvı, katı, yoğunlaşmayan gaz ürünlere dönüşmesini sağlayan termokimyasal dönüşüm prosesidir. Piroliz prosesinin amacı yüksek sıvı ürün verimi elde etmek ise düşük sıcaklık, yüksek ısıtma hızı; yüksek gaz ürün verimi elde etmek ise düşük ısıtma hızı uygulanmalıdır. Eğer yüksek katı ürün verimi elde edilmek isteniyorsa ısıl bozundurma işlemi, düşük sıcaklık ve düşük ısıtma hızında gerçekleştirilir ve proses karbonizasyon adım alır. Metalurjik (bakır, çelik, alüminyum, bronz), tarımsal (tütün işleme), evsel (yemek pişirme ve ısıtma), kimyasal (aktif karbon, silisyum karbür, karbon monoksit, karbon disülfür ve farmasötik maddeler) amaçlı kullanılan odun kömürü karbonizasyon prosesinin önemli bir ürünüdür. Bu çalışmada, farklı karbonizasyon koşullarının katı ürün verimi üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla bitkisel atık olan şeftali ve vişne çekirdeğinin karbonizasyonu gerçekleştirilmiştir. Etkileri araştırılan parametreler: sıcaklık (723 K ve 823 K), tanecik boyutu (0.250-0.355 mm, 1-1.4 mm) ve azot gazı debisi (0, 40 cc/dak ve 1000 cc/dak)dir. Tüm deneyler 5 K/dak ısıtma hızında gerçekleştirilmiştir. Karbonizasyon deneyleri, ısı ve kütle transfer etkilerinin farklılıklarının gözlemlenmesi için iki farklı sistemde gerçekleştirilmiştir. Bu sistemler termogravimetrik analiz sistemi (TGA) ve Jenkner tipi sabit yataklı karbonizasyon retort sistemidir.

The fact that fossil fuels which meet most of our energy requirements will be depleted in near future, necessitates the usage of alternative energy sources extensively. Renewables cover sources of energy such as solar, wind, hydro, geothermal, wave, tidal and biomass. The potential of biomass sources is about 10 times the present global commercial energy use and 200 times food energy consumption. Since the energy crisis of 1973, considerable interest has developed in the use of biomass to help meet the energy budget of the world. When biomass is burned, it releases considerable amount of heat originating from deposition of the solar energy. It is very difficult to deposit solar energy with very low intensity even with sensitive collectors. However, biomass can deposit this energy in its structure. Therefore, biomass is considered as an important alternative energy source. The conversion technologies for utilizing biomass can be separated into three basic categories: physical processes, thermochemical processes and biochemical processes. Physical processes are grinding, drying, filtration, extraction and briquetting. When the thermochemical processes (direct combustion, gasification, pyrolysis and liquefaction) are applied, liquid products (wood tar, tar, oil, pyrolytic oil), gas products (wood gas, pyrolytic gas), solid products (char, charcoal) are produced.The major products of biological conversion processes are biogas, hydrogen and ethanol. Pyrolysis is the thermochemical process that converts biomass into liquid, charcoal and non-condensable gases, by heating the biomass to about 750 K in the absence of air. If the purpose is to maximize the yield of liquid products resulting from biomass pyrolysis, a low temperature, high heating rate, short gas residence time process would be required. For high gas product yield, low heating rate, long gas residence time process would be required. If the purpose is to maximize the solid product yield, a low temperature, low heating rate process which is called carbonization would be chosen. Charcoal is very important product of carbonization processes. Charcoal is used in many commercial applications such as: metallurgical (copper, steel, aluminium, bronze), agricultural (tobacco processing), domestic (cooking and heating), chemical (activated carbon, carbon black, silicon carbide, sodium cyanide, carbon monoxide, carbon disulphide, and pharmaceuticals). In this study, carbonization process has been conducted on the samples of peach and sour cherry stones to determine the effects of carbonization temperature, particle size and sweep gas flow rate on the solid product yields. Particular variables investigated were temperature (723 K, 823 K), particle size (0.250-0.355 mm, 1-1.4 mm) and nitrogen gas flow rate (0, 40 and 1000 cc/min). All experiments were performed at a heating rate of 5 K/min. The carbonization process is carried out in two different systems namely Thermogravimetric Analysis (TGA) system and Jenkner type fixed bed carbonization retort in order to compare the mass and heat transfer effects.