Farklı bitkisel ham maddelerin pirolizi ile üretilmiş biyokömürlerin üretim proseslerinin modellenmesi ve ekonomik analizi
Modeling and economic analysis of production processes of biochars produced by pyrolysis of different vegetable raw materials
Yazar: MAMADOU SALIOU BALDE
Danışman: PROF. DR. AYTEN ATEŞ
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Biyokütleden biyokömür üretiminde uygulanan fiziksel ve kimyasal aktivasyon işlemleri, üretilen biyokömürün fiziksel ve kimyasal özelliklerini önemli derecede etkilenmektedir. Bu özellikler çok önemli olup katalizörler, adsorbentler, enerji depolama, sensörler, toprak gübreleme vb. gibi çeşitli uygulamalardaki performansını belirlemektedir. Bu çalışmada, H3PO4 ve KOH ile aktivasyonun yanı sıra,  mikrodalga (MW) ve ultrasonik ses (US) ışınlamasının ardından 300, 500, 700 ve 900 °C'de piroliz yoluyla biyokömür örnekleri hazırlamak için ham çay atığı (RTW), fındıkkabuğu (FK), kavak ağacı talaşı (KV) ve ceviz kabuğu (CV) kullanılmıştır. Daha sonra, piroliz koşullarına, biyokütle hammaddelerinin ve elde edilen biyokömürün kısmi ve elementel analizlerine dayanarak, biyokömürün üst kalori değerini (HHV) ve yüzey alanı(YA)'nı tahmin etmek için yapay sinir ağı (YSA) modeli geliştirilmiştir. Hammaddelerin ve üretilen biyokömürlerin enerji kaynağı olarak kullanımını ve biyokömür üretiminin maliyetini değerlendirmek için termodinamik (enerji ve ekserji) ve ekonomik bir analiz de gerçekleştirilmiştir. Fiziko-kimyasal karakterizasyon (kısmi, elementel, HHV ve YA, YSA modellemesi, termodinamik analiz ve biyokömür üretim maliyetlerinin ekonomik değerlendirmesi başarıyla gerçekleştirilmiştir. N2 adsorpsiyon-desorpsiyon sonuçları, geleneksel piroliz sırasında biyokömürün spesifik YA'nı 300 oC'de 7.0 m2/g'dan 900 oC'de 24.6 m2/g'a hafifçe arttığını göstermiştir. Ancak piroliz öncesi biyokütlenin fiziksel (US ve MW) ve kimyasal (KOH, H3PO4) aktivasyonu biyokömür YA'nı önemli ölçüde artırmıştır. 
Ayrıca, 500 oC piroliz sıcaklığında, asit varlığında MW ile işlem gören FK'nun çok yüksek bir yüzey alanı (1731 m2 /g) verdiği ve kavağın 700 oC'deki yüzey alanının 260.8 m2/g olduğu bulunmuştur. Üretilen deneysel veriler YSA modelini eğitmek ve test etmek için kullanılmıştır. Resilient Backpropagation (RP) algoritması, düşük MAE ve MSE yüzdesi ile tatmin edici performans gösterdiğinden en uygun eğitim algoritması olduğunu kanıtlamıştır. YSA modelleri, test için 0.91'den büyük bir R, 0.81'den büyük bir R2 ve düşük MAE ve MSE ile iyi performans göstererek, HHV ve biyokömürün YA iyi tahmin edildiğini göstermiştir. Konvansiyonel piroliz sırasında biyokömür üretiminin enerji verimliliği % 9.8 ile % 21.1 arasındayken, ekserji verimliliği % 45.2 ile % 67.2 arasında değerlere 300°C piroliz sıcaklığında ulaşılmıştır. Termodinamik analiz sonuçlarına dayanarak, üretilen biyokömürün enerji ve ekserji verimliliğinin aktivasyon koşulları ve sıcaklığa göre değiştiği görülmüştür. Biyokömür üretiminin ekonomik maliyeti uygulanan aktivasyon işlemine bağlı olarak 0.74 ile 3.60 USD arasındadır. Farklı biyokömür üretim yöntemleri arasında konvansiyonel piroliz yöntemi, biyokömür üretimi sırasında daha az maliyet gerektiren ancak elde edilen biyokömürün kimyasal ve fiziksel özelliklerinin düşük olduğu görülmüştür. Bu nedenle, KOH aktivasyonunu ardından MW ve US işlemlerinin uygulandığı piroliz yöntemi, artan gözenek hacmi, yüksek YA ve uygun üretim maliyeti (< 2.2 USD/kg) ile biyokömür üretimi için verimli bir yöntem olarak görünmektedir.

Abstract:
The physical and chemical activation processes applied to the production of biochar from biomass significantly affect the physical and chemical properties of the biochar produced. These properties are very crucial and determine its performance in various applications such as catalysts, absorbents, energy storage, sensors, soil fertilization, etc. In this study, RTW, FK, KV and CV were used to prepare biochar samples by pyrolysis at 300, 500, 700 and 900°C after activation with H3PO4 and KOH, as well as by MW and US. Then, on the basis of pyrolysis conditions, proximate and elemental analyses of biomass raw materials and the biochar obtained, an YSA model was developed to predict the HHV and biochar YA. A thermodynamic (energy and exergy) and economic analysis was also carried out to assess the use of energy resources and the cost of biochar production. Physico-chemical characterization (proximate, elemental, HHV and YA, YSA modelling, thermodynamic analysis and economic evaluation of biochar production costs were successfully achieved. N2 adsorption-desorption results showed that biochar surface area increased slightly during conventional pyrolysis, from 7.0 m2/g at 300 oC to 24.5 m2/g at 900 oC. Physical (US and MW) and chemical (KOH, H3PO4) activation, however, significantly increased biochar surface area. It was also found that hazelnut shell treated with MW in the presence of acid at a pyrolysis temperature of 500 oC gave a very high surface area (1731 m2 /g) and that the surface area of poplar at 700 oC was 260.80 m2/g. The experimental data synthesized were used to train and test the ANN model. The RP algorithm proved to be the most appropriate training algorithm, as it gave satisfactory results with a low percentage of MAE and MSE. The ANN models performed well in the tests, with a R greater than 0.91, a R2 greater than 0.81 and low MAE and MSE, indicating good prediction of the HHV and BET surface area of the biochar. The energy efficiency of biochar production during conventional pyrolysis ranged from 9.84% to 21.13%, while the exergy efficiency ranged from 45.26% to 67.21%, with the maximum reached at 300°C. Based on the results of the thermodynamic analysis, it was observed that the energy and exergy efficiency of the biochar produced varied according to activation conditions and temperature. The economic cost of biochar production ranges from 0.74 to 3.60 USD. Among the different methods of biochar production, conventional pyrolysis is the method that requires the least investment during the production of biochar, but the chemical and physical properties of the biochar obtained as a result are low. For this reason, the method of pyrolysis after KOH activation and treatment with MW and US seems to be the most efficient method for the production of biochar with an improved pore volume, a high specific surface area, and a reasonable production cost (< 2.2 USD/kg).