Hayvansal atıkların kofermentasyonu ile biyogaz üretimi
Biogas production with cofermentation of animal wastes
Yazar: MUSTAFA KARAGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. EMRAH DENİZ
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Buji ateşlemeli motorlarda yakıt tüketim ve egzoz emisyonlarını azaltmak amacıyla doğalgaz, biyogaz ve alkoller alternatif yakıt olarak kullanılmaktadır. Çalışmanın birinci aşamasında, pilot ölçekli bir biyogaz sistemi kurularak, %40'ı büyük baş hayvan gübresi, %35'i su, %17'si peynir altı suyu ve %8'i tavuk gübresinden oluşan hammadde karışımından kofermantasyon yöntemi ile biyogaz üretilmiştir. Biyogaz üretimini gerçekleştirmek için yaklaşık 6 m3 lük bir biyogaz tesisi kurulmuştur. Kurulan biyogaz tesisinde basınç, devir, sıcaklık, konum ve durum bilgileri alınarak motor, vana, karıştırıcı ve blower gibi sistem elemanlarına müdahale edilerek sistemin operatörün istediği doğrultuda optimum çalışma koşulları ile kontrolünü sağlayan bir SCADA yazılımı oluşturulmuş ve otomasyon sistemi kurulmuştur. Kurulan otomasyon sistemi ve SCADA yazılımıyla, sensör ve cihazlardan gelen bilgiler doğrultusunda ortam sıcaklığı, fermentör sıcaklığı, üretilen biyogaz, toplam üretilen biyogaz, fermentör basınç değişimi grafikleri gerçek zamanlı olarak kaydetme imkânı sağlanmıştır. Üretilen biyogazın bünyesindeki kirletici gazların (CO2, H2S) giderilmesi amacıyla yıkama ve desulfürizasyon işlemleri iki aşamada uygulanmıştır. Saflaştırma işlemi sonunda %51, %57 ve %87 (M51, M57 ve M87) CH4 içeriğine sahip biyogaz elde edilmiştir. İkinci aşamada ise, elde edilen biyogaz yakıtlarının buji ateşlemeli bir motorda kullanılmasının performans, emisyon, gürültü emisyonu ve yanma karakteristiklerine etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Deneylerde; 4 silindirli, 4 zamanlı, 11:1 sıkıştırma oranına sahip su soğutmalı buji ateşlemeli bir motor kullanılmıştır. Testler değişik yük (1,5- 3- 4,5- 6- 7,5- 9 kW) ve sabit hızda (1500 rpm) gerçekleştirilmiştir.

Yapılan deneyler sonucunda, biyogaz içeriğindeki metan oranının artmasıyla birlikte 9 kW yükleme değeri için silindir içi basınç ve egzoz gazı sıcaklığı sırasıyla %23,11 ve %6,5 oranında artmış, özgül yakıt tüketimi ise, %13,5 azalmıştır. Ayrıca, metan oranındaki artışa bağlı olarak CO, NOX emisyonları artarken HC emisyonlarının azaldığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Natural gas, biogas and alcohols are alternative fuels for spark ignition engines which can be used for decreasing exhaust emissions and improving fuel economy. At the first stage of the study, a pilot scale biogas system was built and biogas was produced from a mixture of manure and water called slurry, consisting of 40% cattle manure, 35% water, 17% whey and 8% poultry manure by cofermentation method. A biogas plant with about 6 m3 capacity is constructed for the biogas production. An automation with SCADA software is developed as to enable the operator to adjust the system to the optimum operation conditions by modifying the system components like the engine, valve, mixer and blower according to the status data such as the pressure, rotational speed, temperature, sensor status and condition etc. Ambient temperature, fermenter temperature, mass flow rate of produced biogas, total produced biogas and fermenter pressure variation graphs are recorded by SCADA software in real time using the data coming from the sensor and devices. 
Scrubbing and desulfurization were applied to remove the harmful gasses (CO2, H2S) from the produced biogas in two stages. In the end of purification process biogas with CH4 content of 51%, 57% and 87% (M51, M57 and M87) are produced. In the second stage, these biogas fuels are used in a spark ignition engine and their effects on performance, emissions, noise emissions and combustion characteristics are investigated experimentally. A 4 cylinder, 4 stroke water cooled spark ignition engine with 11:1 compression ratio is used in the experiments. Tests were conducted at various loads (1,5- 3- 4,5- 6- 7,5- 9 kW) and constant speed (1500 rpm).

Results showed that as the methane ratio in biogas increase, cylinder pressure (23,11%) and exhaust temperature (6,5%) values increase, and specific fuel consumption decreases (13,5%) at 9 kW engine load. Besides, as the methane ratio increases, CO, NOX emissions increase while HC emission decreases.