Depo gazından enerji üretiminde kullanılan gaz motorlarının yanma odasında oluşan depozitlerin karakterizasyonu ve oluşum mekanizmasının belirlenmesi
Determination of characterization and formation mechanism of the deposits formed in the combustion chamber of gas engines used in landfill gas to energy production
Yazar: ÖZGE ÖSTÜRK SÖMEK
Danışman: DOÇ. DR. ORHAN SEVİMOĞLU
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Depo gazının kullanıldığı gaz motorlarında oluşan depozitlerin, motor performansı üzerinde olumsuz etkileri olduğu bilinmektedir. Tez çalışmasında, gaz motorunun yanma odası yüzeyinde bu olumsuzluğu oluşturan depozitlerde bulunan esas ve eser elementlerin belirlenmesi, depozit yüzeylerinin morfolojisinin incelenmesi, depozit oluşumundan sorumlu bileşiklerin oksidasyon kimyasının oluşturulması ve depozit oluşum mekanizmasının araştırılması amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, SEM-EDS, ICP-OES, ICP-MS, XRF ve XRD yöntemlerini kapsayan çoklu analiz tekniği kullanılarak depozit karakterizasyonu yapılmıştır. Depozitlerin morfolojik yapısı kapsamında alt yüzey daha düzgün yapıdayken, üst yüzey farklı boyut ve şekilde parçacıkların birikmesiyle daha düzensiz ve dalgalıdır. SEM-EDS, ICP-OES, ICP-MS ve XRF Spektrometresi analizleriyle depozitte toplam 25 element tespit edilmiştir. SEM-EDS ve XRF yöntemleriyle miktarı belirlenen oksijen, depozitin yaklaşık ağırlıkça yarısını oluşturmaktadır. Depozitteki Si, S, Ca, Sb ve Sn elementlerinin ağırlık oranlarının %1'in üzerinde olduğu elementel analiz teknikleriyle doğrulanmıştır. EDS analizine göre, depozitin alt, üst ve kesit yüzeylerinde tespit edilen elementler farklı ağırlık oranlarına sahiptir. Odayeri ve Kömürcüoda Enerji Üretim Tesislerine ait depozitlerin büyük kısmı Si, S ve Ca elementlerinin oksitlerinden oluşurken, Dilovası Enerji Üretim Tesisine ait depozitlerin büyük kısmı Si ve Sb elementlerinin oksitlerinden oluşmaktadır. Depozitlerdeki esas elementlerin kristal formda bileşikler (CaSO4, SiO2) şeklinde yanma odasında biriktiği XRD yöntemiyle belirlenmiştir. Depozitin elementel karakterizasyonuyla tespit edilen esas elementlerin oluşumundan sorumlu olan bileşiklerin oksidasyon kimyası ortaya konulmuştur. Bu bileşiklerin yanma odasındaki oksidasyonuyla oluşan metal oksit parçacıklarının yanma odası yüzeylerine ulaşması ve burada birikmesi, çarpma ve yapışmayı içeren atalet taşınımı, Eddy çarpması, termoforez ve doğrudan alkali yoğunlaşması mekanizmalarıyla gerçekleşmektedir.

Abstract:
Combustion chamber deposits cause numerous undesirable negative effects on gas engine performance. In the thesis study, it was aimed to determine the major and minor elements in the deposits that cause this negativity on the combustion chamber surface of the gas engine, to examine the morphology of the deposit surfaces, to establish the oxidation chemistry of the compounds responsible for deposit formation and to investigate the deposit formation mechanism. In this respect, deposit characterization was performed using multiple analysis techniques including SEM-EDS, ICP-OES, ICP-MS, XRF and XRD methods. According to the morphological analysis of the deposits, the bottom surface was more smooth, while the top surface was more irregular and wavy due to the accumulation of particles of different sizes and shapes. A total of 25 elements were detected in the deposit by SEM-EDS, ICP-OES, ICP-MS and XRF Spectrometer analysis. Oxygen, the amount of which was determined by SEM-EDS and XRF methods, constituted approximately half of the deposit by weight. The weight ratios of Si, S, Ca, Sb and Sn in the deposit were above 1%, verified by all elemental analysis techniques. According to the EDS analysis, the elements detected on the bottom, top and cross-section surfaces of the deposits have different weight ratios. The majority of the deposits belonging to Odayeri and Kömürcüoda Energy Generation Facilities consist of oxides of Si, S and Ca, however, the deposit belonging to Dilovası Energy Generation Facility consists of oxides of Si and Sb. It was determined by the XRD method that the crystalline compounds (CaSO4, SiO2) formed the major elements in the deposits. The oxidation chemistry of the compounds responsible for the formation of the major elements was revealed. The metal oxide particles formed by the oxidation of these compounds in the combustion chamber reach the combustion chamber surfaces and accumulate there through inertial transport including impaction and sticking, Eddy impaction, thermophoresis and direct alkali condensation mechanisms.