Linyit, biyokütle ve karışımlarından elde edilen yanmaoranı değerlerine sıcaklığın etkisinin makine öğrenmesiile modellenmesi
Modeling of the effect of temperature on burnoutvalues obtained from lignite, biomass and their mixturesby machine learning
Yazar: ÖZGE DEMİR
Danışman: PROF. DR. SERDAR YAMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyokütle = Biomass ; Linyit = Lignite ; Makine öğrenmesi = Machine learning ; Yanma eğrisi = Combustion curve

Özet:
Dünyadaki endüstrileşme ve nüfusun artışı nedeniyle enerji ihtiyacı gün geçtikçe
artmaktadır. Önümüzdeki 30 yıl boyunca enerji ihtiyacının %56 artacağı
öngörülmektedir. Yüksek enerji verimliliğinden ve daha bol bulunmasından dolayı
fosil kaynaklarının kullanımı oldukça yüksektir. 2019 yılında, birincil enerji kaynağı
olarak en çok fosil kaynaklar kullanılmış olup, dünya çapında bu oran %80'den
fazladır.
Kömür dünyada bol ve yaygın olarak bulunan, en ucuz fosil kaynağıdır. Enerjisinin
yüksek olması nedeniyle sanayi devrimine katkısı çok fazla olmuştur. Günümüzde
hala ısı ve elektrik üretimi için birincil kaynak olarak kullanılmaktadır. Enerji
verimliliği açısından avantajları olmasına rağmen, çevre açısından birçok
dezavantajları bulunmaktadır. Kömür, karbon emisyonlarının ana kaynağı olmasından
dolayı iklim değişikliğine ve küresel ısınmaya neden olmaktadır. Çevre politikalarına
rağmen, gelişmiş ülkelerde bile hala fosil kaynaklara bağımlılık devam etmektedir.
ABD Enerji Bilgi İdaresi (EIA)'ne göre, küresel yıllık ortalama yüzey sıcaklığındaki
1 °C'lik artışın 0,3 °C'den fazlasına kömürün yanmasından yayılan CO2 neden
olmaktadır.
Türkiye, doğalgaz ve petrol rezervlerinin ihtiyacı karşılayacak düzeyde olmamasından
dolayı dışa bağımlı durumdadır. Türkiye'nin milli enerji kaynağı ise linyit kömürüdür.
Linyitler kalorifik değer açısından düşük olmasından dolayı linyiti biyokütle ile
karıştırmak verimlilik açısından avantaj sağlamaktadır. Buna ek olarak linyitin
çevreye olan zararlı etkileri de bu yolla azaltılmaktadır. Türkiye'de tarımsal artıkların
kullanıldığı biyokütle enerjisi üretiminin 2016 yılından 2030 yılına kadar 2,8 Mtoe'den
4,9 Mtoe'ye çıkması beklenmektedir. Temiz enerjinin artması hem Türkiye hem dünya
açısından önem arz etmektedir.
Afşin – Elbistan linyiti Türkiye'deki en önemli birincil enerji kaynaklarından biridir.
Linyit, düşük kömürleşme dereceli bir kömür olduğu için yüksek miktarda kül
bırakma, kalorifik değerin düşük olması ve yüksek nem içeriği gibi sorunları
beraberinde getirmektedir. Linyit gibi düşük kalitedeki kömürleri belli oranlarda
biyokütle ile karıştırmak daha iyi sonuçlar elde etmek için önemlidir.
Kömür ve biyokütle farklı özelliklere sahip olmalarına rağmen birlikte yakıldığında
çevre, enerji verimliliği, maliyet ve risk açısından olumlu özellikler göstermektedir.
Biyokütlede düşük miktarda azot ve kükürt bulunması NOx ve SO2 emisyonlarını
önemli ölçüde azaltmaktadır. Biyokütle, fotosentez sırasında CO2 kullandığı için
yakma sırasında oluşan CO2'in çevreye etkisi neredeyse yok denilecek kadar azdır.
Kömür - biyokütle karışımları sayesinde iklim değişiklikleri önemli ölçüde
azalmaktadır.
Kömür, biyokütle ya da kömür - biyokütle karışımlarından elde edilen yakıtların
özelliklerini iyileştirmek için yakma, piroliz ve gazlaştırma gibi dönüşüm prosesi
teknolojileri uygulanmaktadır. Yakma, yakıt ve oksitleyici varlığında bazı durumlarda
ise katalizör etkisiyle meydana gelmektedir. Piroliz, oksijen yokluğunda termal
bozunmanın meydana gelmesidir. Isıtma hızı ve sıcaklığa bağlı olarak farklı ürünler
meydana gelmektedir. Gazlaştırma, enerji elde edilecek katı ve sıvıların ısı etkisiyle
gaza dönüştürülmesidir. Farklı sıcaklıklarda farklı fizikokimyasal olaylar meydana
gelmektedir.
Bu çalışmanın amacı, Elbistan linyiti ile fındık kabuğunun tek tek ve farklı oranlarda
karıştırılıp yakılmasından elde edilen yakma oranı verilerinin sıcaklık değişkenine
karşı en iyi modelini elde etmektir. Modelleri elde etmek amacıyla Python
programlama dili içerisinde yer alan farklı kütüphaneler kullanılmıştır. Stasmodel
Kütüphanesi içerisinde bulunan OLS fonksiyonu sayesinde Y bağımlı değişkeni ve X
bağımsız değişkenleri tanımlanıp modelin eğitilmesi gerçekleştirilmiştir.
"Effect of co-combustion on the burnout of lignite/biomass blends: A Turkish case
study" isimli makalede yer alan deneysel çalışmada 423 K'den 1173 K 'e kadar her 50
K'lik sıcaklık değişimleri için yanma oranı verileri bulunmaktadır [1]. Veri seti olarak
makale içerisinde yer alan linyit, biyokütle ve %2,4,6,8,10 ve 20 oranlarında linyit -
biyokütle karışımlarının farklı sıcaklıklardaki deneysel yanma oranları kullanılmıştır.
Sıcaklık ile linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki linyit – biyokütle karışımlarının
korelasyonları 1'e oldukça yakın çıkmıştır. Bu da linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki
karışımlarının sıcaklık ile arasında güçlü bir etkileşim olduğunu ve pozitif
korelasyondan dolayı sıcaklık arttıkça yanma oranı değerlerinin arttığını göstermiştir.
Korelasyon değerleri karşılaştırıldığında en yüksek değerin linyit için, en düşük
değerin ise biyokütle için ortaya çıktığı bulunmuştur.
Linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki karışımları için denenen modeller arasından en
iyi olanı seçmek için R^2 ve ayarlanmış (adjusted) R^2 değerleri oldukça yüksek, %
hata oranları ve MSE değerlerinin ise düşük değerli olmasına dikkat edilmiştir.
Modellerin ANOVA, MS ve F değerlerine bakılarak grupların ortalamaları arasında
fark olup olmadığı tespit edilmiştir. Sonuçlar dikkate alınarak sıfır hipotezi
reddedilerek alternatif hipotez kabul edilmiştir. Bunlara ek olarak, numunelerin teorik
değerlerindeki sapmaların negatif ya da pozitif olmasına göre sonuçlar
değerlendirilmiştir.

Abstract:
Due to the industrialization and population growth in the world, the need for energy is
increasing day by day. It is predicted that the energy need will increase by 56% over
the next 30 years. The use of fossil resources is quite high due to its high energy
efficiency and greater abundance. In 2019, fossil resources were mostly used as the
primary energy source and this rate is more than 80% worldwide.
Coal is the most abundant and widely available fossil resource in the world. Due to its
high energy, it contributed a lot to the industrial revolution. It is still used today as a
primary source for heat and electricity generation. In addition to electrical energy, it is
also used in the steel industry, cement and chemical production. In the cement and
steel industry, coal is used for furnaces to reach high temperatures. In addition to these,
it is an important raw material in the production of materials such as activated carbon.
However, coal is the main source of carbon emissions that cause global warming and
climate change. Despite the environmental policies in developed countries, the world
continues to be dependent on this fossil resource.Although it has advantages in terms
of energy efficiency, it has many disadvantages in terms of environment. Since coal is
the main source of carbon emissions, it causes climate change and global warming.
Despite environmental policies, dependence on fossil resources still continues even in
developed countries. According to the U.S. Energy Information Administration (EIA),
more than 0.3 °C of the 1 °C increase in global annual average surface temperature is
caused by CO2 from coal combustion.
Turkey is dependent on foreign sources due to insufficient natural gas and oil reserves.
Turkey's national energy source is lignite coal. Since lignite is poor in terms of calorific
value, mixing lignite with biomass provides an advantage in terms of efficiency. In
addition, the harmful effect of lignite to the environment is reduced. Biomass energy
production in Turkey using agricultural residues is expected to increase from 2.8 Mtoe
to 4.9 Mtoe from 2016 to 2030. The increase in clean energy is important for both
Turkey and the world.
Afşin – Elbistan lignite is one of the most important primary energy sources in Turkey.
Since lignite is low rank coal, it causes problems such as high amount of ash leaving,
low calorific value and high moisture content. It is important to obtain better results
by mixing low quality coals such as lignite with biomass in certain proportions.
Biomass is organic material used as a renewable and sustainable energy source.
Biomass materials are a direct or indirect result of plant growth. Biomass energy is
one of humanity's oldest sources of energy. It is used for purposes such as electricity
generation, heating of houses, fuel needs of vehicles and providing heat. Biomass
energy is derived from materials such as forest waste, agricultural waste, industrial
waste, human waste, and animal waste. Biomass basically consists of carbon,
hydrogen and oxygen. These 3 elements usually make up at least 95% of the biomass
content. Apart from these, there are also inorganic elements such as nitrogen, sulfur,
potassium, calcium, magnesium, sodium, iron and copper. Cellulose, hemicellulose
and lignin are the 3 main components that make up the cell wall. Cellulose is the basic
material of the plant cell wall. While there is a hydrogen bond between cellulose -
hemicellulose and cellulose - lignin; There are both hydrogen and covalent bonds
between hemicellulose and lignin.
Although coal and biomass have different properties, when burned together, they show
positive characteristics in terms of environment, energy efficiency, cost and risk.
Biomass is less dense than coal, but the particle size of biomass is much higher than
that of coal. Coal has more carbon and less oxygen than biomass. Biomass has more
moisture than coal. This has a negative effect on the thermal value. It can cause ignition
and combustion problems. Coal has less volatile matter than biomass. The fixed
carbon/volatile matter ratio of biomass is much lower than 1. Biomass has less sulfur
and nitrogen content than coal. But the sulfur and nitrogen content in the biomass
differs according to the type of biomass. In general, woody biomass has a higher sulfur
and nitrogen content than agricultural biomass. Although biomass contains more
potassium than coal, it contains less aluminum, silica, iron and titanium. Some types
of biomass contain large amounts of chlorine. High chlorine and potassium
concentrations in biomass cause serious problems such as contamination, corrosion
and slagging. The low amount of nitrogen and sulfur in biomass significantly reduces
NOx and SO2 emissions. Since biomass uses CO2 during photosynthesis, the impact
of CO2 on the environment is almost negligible. Thanks to coal - biomass mixtures,
climate changes are significantly reduced.
Conversion technologies such as combustion, pyrolysis and gasification are applied to
improve the properties of fuels obtained from coal, biomass or coal-biomass mixtures.
Combustion occurs in the presence of fuel and oxidizer, and in some cases, by the
effect of a catalyst. Pyrolysis is the occurrence of thermal degradation in the absence
of oxygen. Depending on the heating rate and temperature, different products are
formed. Gasification is the conversion of solids and liquids to obtain energy into gas
by means of agents. Different physicochemical events occur at different temperatures.
The aim of this study is to obtain the best model of the burning rate data obtained by
mixing and burning Elbistan lignite and hazelnut shell individually and at different
rates against the temperature variable. In order to obtain the models, different libraries
in the Python programming language were used. Thanks to the OLS function in the
Stasmodel Library, Y dependent variable and X independent variables were defined
and the model was trained.
In the experimental study found in the article named "Effect of co-combustion on the
burnout of lignite/biomass blends: A Turkish case study", there are data on burning
rate from 423 K to 1173 K, with temperatures increasing by 50 K [1]. Experimental
combustion rates of lignite, biomass, and lignite-biomass mixtures at different
temperatures of 2,4,6,8,10 and 20% in the article were used as data set.
The correlations between temperature and lignite, biomass and lignite-biomass
mixtures in different ratios were quite close to 1. This showed that there is a strong
interaction between lignite, biomass and their mixtures in different ratios with
temperature. Because of the positive correlation, the combustion rate values increase
as the temperature increases. When the correlation values were compared, the highest
lignite and the lowest biomass were found.
While the R^2 and adjusted R^2 values of the best models selected for lignite, biomass
and their mixtures in different ratios are quite high, the % error rates and MSE values
are low. By looking at the ANOVA, MS and F values of the models, it has been
determined whether there is a difference between the averages of the groups.
Considering the results, the null hypothesis was rejected and the alternative hypothesis
was accepted. In addition to these, the results were evaluated according to whether the
deviations in the theoretical values of the samples were negative or positive.