Bağ budama artıklarından torrefaksiyon ile katı yakıt üretimi
Solid fuel production with torrefaction from vineyard pruning waste
Yazar: GİZEM ÖZER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. NESLİHAN DURANAY
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Sunulan bu çalışmada bağ budama işlemi sonrası elde edilen atık biyokütlenin torrefaksiyon işlemi ile kullanılabilir bir katı yakıta dönüştürülmesi amaçlanmaktadır. Bunun için bağ budama atığı sabit yatak sisteminde torrefaksiyon işlemine tabi tutuldu. Ürün verimi ve katı ürünün özelliklerine, sıcaklık, işlem süresi ve taşıyıcı gazdaki N2 ve O2 konsantrasyonu gibi işlem parametrelerinin etkisi incelendi. Torrefaksiyon işlemi  220, 250, 280 °C sıcaklık, 0, 10, 20, 40, 60 dakika işlem süresi ve % 0'dan % 21 O2'e kadar dört farklı oksijen konsantrasyonu içeren azot-hava karışımından oluşan taşıyıcı gaz ortamında gerçekleştirildi. İşlem sonunda elde edilen katı ürünün özelliklerinin belirlenmesi ve ham biyokütle ile karşılaştırılması için; kısa, elementel, FTIR, TGA ve DTA analizleri yapıldı ve üst ısı değerleri belirlendi. 
Bağ budama işlemi sonrası elde edilen atık biyokütlenin torrefaksiyon işlemi ile kullanılabilir bir katı yakıta dönüştürülmesi amacıyla yapılan çalışma sonucunda, ürün veriminin en fazla çalışma sıcaklığından etkilendiği ve artan sıcaklıkla katı ürün verimi düşerken sıvı ve gaz ürün veriminin arttığı belirlendi. İşlem süresinin ise büyük boyuttaki örneklerde etkili olduğu görüldü. Hava ve azot ortamında yapılan torrefaksiyon işlemleri karşılaştırıldığında, hava ortamında katı ürün, azot ortamında ise sıvı ve gaz ürün miktarlarının yüksek olduğu bulundu. Artan işlem sıcaklığının katı ürünün sabit karbon oranını artırdığı ve hafif torrefaksiyon şartlarında O2 konsantrasyonunun katı ürünün bileşimini etkilemediği belirlendi. Azot atmosferinde ve şiddetli torefaksiyon şartlarında katı ürünün H/C ve O/C oranlarının yerleştirildiği Van Krevelen diyagramında turba ve lignin bulunduğu bölgeye yaklaştığı tespit edildi. Ayrıca inert ortamda artan işlem sıcaklığı ile üst ısı değeri artarken enerji veriminin azaldığı belirlendi. 280˚C'de torrefiye edilen biyokütlenin enerjisinin % 79.73'ünün korunduğu ve üst ısı değeri kömüre yaklaştığı için bağ budama atığının torrefaksiyonunun bu sıcaklıkta yapılmasının uygun olacağı sonucuna varıldı. İnert ortamda elde edilen katı ürünün fonksiyonel gruplarının artan işlem sıcaklığından etkilediği belirlendi. Ham biyokütle ve azot atmosferinde 250 ve 280˚C sıcaklıkta elde edilen torefiye biyokütlelerin TGA ve DTA eğrileri, torefaksiyon sıcaklığının lignoselülozik yapı üzerinde etkili olduğu ve artan torrefaksiyon sıcaklığı ile lignin içeriği yüksek bir katı ürün elde edilebileceği sonucuna varıldı. İnert ve oksidatif ortamda elde edilen katı ürünlerin TGA-DTA eğrileri, oksidatif ortamda yapılan torrefaksiyonun veriminin inert ortamdan düşük olduğunu gösterdi.

Abstract:
The objective of this study is to convert the waste biomass obtained after pruning procedure into a usable solid fuel by means of torrefaction. To this end, pruning waste was subjected to torrefaction procedure in fixed bed system. The effects of parameters as temperature, processing time and N2 and O2 concentration in carrier gas on the product and features of solid product were examined. Torrefaction procedure was performed under carrier gas environment of nitrogen-air mixture which composed of four different oxygen concentrations from 0% to 21% O2 at 220, 250 and 280 ˚C temperatures and 0, 10, 20, 40 and 60 minute processing times. In order to determine the features of solid products and compare them with raw biomass, proximate, elemental, FTIR, TGA and DTA analysis were conducted and high heating values were determined.  The study aimed to convert the waste biomass obtained at the end of vine pruning procedure into a usable solid fuel through torrefaction it was observed that the product yields were most affected by yields temperature and that as the temperature increased yields solid product decreased while yields liquid and gas product increased. It was also observed that processing time was effective on large-size samples. A comparison of the torrefaction procedures in air and nitrogen environment showed that the amount of solid product was higher under air environment whereas the amounts of liquid and gas products were higher under nitrogen environment. It was found out that the increased procedure temperature raised fixed carbon ratio of solid product and that under slight torrefaction conditions O2 concentration did not affect the composition of the solid product. It was determined that in nitrogen environment and under strong torrefaction conditions H/C and O/C ratios approached to the peat and lignite zone in the Van Krevelen diagram. In addition, it was found out that increased procedure temperature and high heating value reduced energy efficiency. It was concluded that 79.73% of energy of the biomass  torrefied at 280ᴼC was preserved and it would be appropriate to conduct the torrefaction of waste vine shoots at this temperature as the high heating value approached to coal. It was found out that the functional groups of solid product obtained in inert environment were affected by increased working temperature. TGA and DTA curves of torrefied biomasses obtained for raw biomass and nitrogen environment and at 250 and 280ᴼC temperature showed that torrefaction temperature was effective on the lignocellulosic structure and that with higher torrefaction temperature a solid product with higher lignin content could be obtained. TGA-DTA curves of solid products obtained in inert and oxidative environment showed that the efficiency of torrefaction performed in oxidative environment was lower than the inert environment.