Torrefaksiyon Ve Karbonizasyon İşlemlerinin Biyokütleye Etkilerinin Karşılaştırılması

Abstract

Dünyada fosil enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Bu nedenle büyük bir potansiyele sahip olan biyokütle, yenilenebilir enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Biyokütle kaynakları, tarımsal, ormanlar ve kentsel atıklar, enerji bitkileri ve biyolojik atıklar olmak üzere sınıflandırılabilir. Dünyada toplam kullanılan birincil enerjinin %10’u biyokütleden sağlanmaktadır. Biyokütle; her yerde kolayca bulunabilmesi, büyük bir potansiyele sahip olması, düşük kül içeriği, karbondioksit emisyonu açısından nötral bir yakıt olması gibi sebeplerden ötürü önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı durumundadır. Ancak, biyokütlenin düşük ısıl değer, yüksek nem ve uçucu madde içerikleri, düşük yoğunluğu ve yüksek oksijen/karbon oranı nedeniyle kömür gibi fosil yakıtlara göre dezavantajları söz konusudur. Bu olumsuzlukları en aza indirmek amacıyla biyokütleye bir takım işlemler uygulanarak daha kaliteli yakıtların elde edilmesine çalışılmaktadır. Uygulanan yöntemler genellikle torrefaction, piroliz veya karbonizasyon gibi termal yöntemlerdir. Bu yöntemlerin uygulanması sonucunda biyokütlenin nem ve uçucu madde içerikleri azalmakta, oksijen/karbon oranı önemli ölçüde düşmekte ve ısıl değeri yükselmektedir. Ülkemiz enerjide dışa bağımlı olup, kullanılmayan çok büyük bir biyokütle potansiyeline sahiptir. Bu çalışmada, ülkemizde yetiştirilen ayçekirdeği ve fındık kabuklarının atık biyokütle kaynağı olarak değerlendirilmesi planlanmıştır. Bu çalışmanın amacı söz konusu biyokütlelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin geliştirilerek yüksek kaliteli katı yakıt üretmektir. Bu amaçla, her bir biyokütle örneğine yatay boru fırında, azot gazı atmosferi altında 300 ºC’de torrefaction ve 600 ºC’de karbonizasyon işlemleri uygulandı. Bu deneyler azot atmosferi altında yapıldığı için biyokütlelerde termal bozunma meydana gelmektedir. Bu işlemler sonunda ele geçecek yarı koklar (char yapıları) işlem görmemiş biyokütle ile çeşitli açılardan karşılaştırılmıştır. Uygulanan her iki termal işlemin biyokütle özelliklerinde meydana getireceği değişimler belirlenmiştir. Bu çalışmada, kısa analiz sonuçları (nem, uçucu madde, kül ve sabit karbon içerikleri), elementel analiz sonuçları (C, H, N, S, O), üst ısıl değeri, makromoleküler bileşen analizleri (holoselüloz, lignin, ekstraktifi giderilmiş madde), foksiyonel grup analizleri (FTIR tekniği ile), elektron mikroskop görüntüleri (SEM tekniği ile) ve mineralojik yapısı (XRD tekniği ile) dikkate alınarak, torrefaction ve karbonizasyon işlemlerinin, yakıtın fiziksel ve kimyasal özelliklerini nasıl etkilediği araştırılmıştır. Partikül boyut analizleri yapılarak numunelerin fiziksel yapısına incelenmiştir. Uygulanan ısıl işlemlerin (torrefaksiyon ve karbonizasyon) yanma mekanizmaları üzerine etkileri incelenmiştir. Bu amaçla termal analiz sisteminde kuru hava ve saf oksijen ortamlarında yakma sonunda elde edilen olan TGA ve DTG profilleri kullanılarak kinetik çalışma gerçekleştirilmiştir.

The sources of fossil fuels have been gradually consumed; therefore, biomass which has a great potential has been used as a renewable energy source in the world. The biomass sources can be classified as agricultural, forestry, municipal solid waste, energy crops and biological waste. The total primary use of biomass energy was around 10% of total primary energy in the world. The biomass is an important renewable energy source due to the largest energy source in the world, having great potential, low ash content and zero CO2 effect. In contrast, biomass has some drawbacks compared to fossil fuels such as low calorific value and density, high moisture and volatile matter contents, high oxygen to carbon ratio. Some pretreatments are carried out to biomass to produce higher quality fuels by minimizing these undesirable properties. Performed treatments are generally thermal such as torrefaction, pyrolysis and carbonization. As a consequence of these treatments, there is a decrease in the moisture and volatile matter contents of biomass, a considerable fall in oxygen to carbon ratio and an increase in the calorific value of biomass. Turkey depends on outside sources in spite of having a great unused biomass potential. In this study, sunflower seed shells and hazelnut shells in which grown our country were evaluated as a waste biomass source. The purpose of this study is improvement of their physical and chemical properties to produce higher quality solid fuels. From this point of view, each biomass sample was subjected to thermal decomposition in a horizontal tube furnace at 300 ºC and 600 ºC under nitrogen atmosphere to perform torrefaction and carbonization thermal treatments, respectively. The thermal decomposition of biomass was happened during these experiments due to the nitrogen atmosphere condition. After these treatments, produced biochars were compared with untreated biomass samples in different ways. The changes of biomass properties of interest were determined with regard to both of thermal treatments. In this study, the effects of torrefaction and carbonization treatments on physical and chemical characteristics of fuel were investigated with regard to proximate analysis (moisture, volatile matter, ash and fixed carbon content), ultimate analysis (C, H, N, S, O), higher heating value, macromolecular component analysis (holocellulose, lignin and extractive-free substance), functional group analysis via FTIR technique, electron microscope images via SEM technique, mineralogical structure via XRD technique. In addition, particle size analysis was carried out to determine physical structures of samples. The effect of thermal treatments on the burning mechanism of torrefied and carbonized samples as compared with original samples. From this point of view, the kinetic study was done with regard to TGA and DTG profiles which obtained from dry air and pure oxygen burning conditions in the thermal analysis system.