Çeşitli biyokütle kaynaklarının termal davranımının incelenmesi
Investigation of thermal behaviour of various biomass sources
Yazar: BERRİN BAY
Danışman: PROF.DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2006
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyokütle = Biomass ; Karbonlaştırma = Carbonization ; Kinetik = Kinetics ; Termogravimetri = Thermogravimetry

Özet:
Enerji ihtiyacımızın büyük bölümünü karşılayan fosil enerji kaynaklarının yakın birgelecekte tükenecek olması, alternatif enerji kaynaklarının yaygın olarak kullanımınıgerektirmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları güneş, rüzgar, hidrolik, jeotermal,dalga ve biyokütle enerjisi gibi kaynakları kapsamaktadır. Biyokütle enerjipotansiyeli, bugünkü küresel ticari enerji kullanımının 10 katı ve besin enerjisitüketiminin 200 katına eşdeğerdir. 1973' te gerçekleşen enerji krizinden sonra dünyaenerji ihtiyacının karşılanması için biyokütle kullanımı üzerinde araştırmalaryapılmıştır. Biyokütle kaynakları, fotosentez yoluyla güneş enerjisinidepolamaktadır. kaynaklanan büyük miktarda ısı açığa çıkmaktadır. Düşükyoğunluğa sahip olan güneş enerjisinin depolanması hassas kollektörler aracılığıylabile zordur. Ancak, biyokütle bu enerjiyi yapısında depoladığından önemli biralternatif enerji kaynağıdır.Biyokütle dönüşüm teknolojileri; fiziksel, termokimyasal ve biyokimyasal dönüşümprosesleri olmak üzere üç temel kategoride sınıflandırılabilir. Fiziksel prosesleröğütme, kurutma, filtrasyon, ekstraksiyon ve briketlemedir. Termokimyasal prosesler(doğrudan yakma, gazlaştırma, piroliz ve karbonizasyon ve sıvılaştırma)uygulandığında sıvı ürünler (katran, pirolitik yağ), gaz ürünler (pirolitik gaz) ve katıürünler (char, odun kömürü) elde edilmektedir. Biyokimyasal dönüşüm proseslerininana ürünleri ise biyogaz, hidrojen ve etanoldür.Kabonizasyon ve piroliz, biyokütlenin inert ortamda ısıtılarak sıvı, katı,yoğunlaşmayan gaz ürünlere dönüşmesini sağlayan termokimyasal dönüşümprosesleridir. Prosesin amacı yüksek sıvı ürün verimi elde etmek ise düşük sıcaklık,yüksek ısıtma hızı; yüksek gaz ürün verimi elde etmek ise düşük ısıtma hızıuygulanmalıdır. Eğer yüksek katı ürün verimi elde edilmek isteniyorsa ısılbozundurma işlemi, düşük sıcaklık ve düşük ısıtma hızında gerçekleştirilir ve proseskarbonizasyon adını alır.Bu çalışmada, bitkisel biyokütle kaynakları olan şeftali çekirdeği, vişne çekirdeği vemelez kavağın farklı koşullardaki karbonizasyon davranımını incelemek amacıylanumunelerin termogravimetrik analiz cihazında karbonizasyonu gerçekleştirilmiştir.Sıcaklık (723 K ve 823 K), tanecik boyutu (0.250-0.355 mm, 1-1.4 mm) ve azot gazıdebisinin (0, 40 cc/dak) karbonizasyon katı ürün verimine etkisi incelenmiştir. Tümdeneyler 5 K/dak ısıtma hızında gerçekleştirilmiştir. Karbonizasyon koşullarının katıürün verimine etkisini gösteren ampirik eşitlikler türetilmiştir.Biyokütle numunelerinin termogravimetrik analiz cihazında ve izotermal olmayankoşullarda gerçekleştirilen karbonizasyon deneyleri sonucunda elde edilen verilerkullanılarak karbonizasyon kinetik parametreleri BASIC dilinde yazılmış birbilgisayar programı ile hesaplanmıştır. Hesaplanan kinetik parametrelerin,numuneden numuneye ve kullanılan hesaplama yöntemi ile karbonizasyonkoşullarına bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir

Abstract:
The fact that fossil fuels which meet most of our energy requirements will bedepleted in near future, necessitates the usage of alternative energy sourcesextensively. Renewables cover sources of energy such as solar, wind, hydro,geothermal, wave, tidal and biomass. The theoretical potential of biomass sources isabout 10 times the present global commercial energy use and 200 times food energyconsumption. Since the energy crisis of 1973, considerable interest has developed inthe use of biomass to help meet the energy budget of the world. When biomass isburned, it releases considerable amount of heat originating from deposition of thesolar energy. It is very difficult to deposit solar energy with very low intensity evenwith sensitive collectors. However, biomass can deposit this energy in its structure.Therefore, biomass is considered as an important alternative energy source.The conversion technologies for utilizing biomass can be separated into three basiccategories: physical processes, thermochemical processes and biochemical processes.Physical processes are grinding, drying, filtration, extraction and briquetting. Whenthe thermochemical processes (direct combustion, gasification, pyrolysis andliquefaction) are applied, liquid products (wood tar, tar, oil, pyrolytic oil), gasproducts (wood gas, pyrolytic gas), solid products (char, charcoal) are produced.Themajor products of biological conversion processes are biogas, hydrogen and ethanol.Carbonization and pyrolysis are the thermochemical processes that converts biomassinto liquid, charcoal and non-condensable gases, by heating the biomass in theabsence of air. If the purpose is to maximize the yield of liquid products, a lowtemperature, high heating rate, short gas residence time process would be required.For high gas product yield, low heating rate, long gas residence time process wouldbe required. If the purpose is to maximize the solid product yield, a low temperature,low heating rate process which is called carbonization would be chosen.In this study, carbonization process has been carried out in the thermogravimetricanalysis system on the vegetal biomass samples of peach stone, sour cherry stone andhybrid poplar to determine carbonization behavior and the effects of carbonizationtemperature, particle size and sweep gas flow rate on the solid product yield.Particular variables investigated were temperature (723 K, 823 K), particle size(0.250-0.355 mm, 1-1.4 mm) and nitrogen gas flow rate (0, 40 cc/min). Allexperiments were performed at a heating rate of 5 K/min. Empirical equations weredeveloped between the carbonization conditions and solid product yield.A computer program in BASIC was used to calculate the carbonization kineticparameters from experimental non-isothermal thermogravimetric data of biomasssamples. It was determined that the values of the kinetic parameters showeddifferences depending on the method of calculation, the gaseous atmosphere and thesample properties.