Linyit ve şeftali çekirdeği karışımlarının ısıl bozunma davranımlarının incelenmesi
Investigation of thermal decomposition behaviours of lignite and peach stone blends
Yazar: TUĞÇE DALKIRAN
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Nüfus ve sanayileşmeye paralel olarak artan dünya enerji ihtiyacının büyük kısmı fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Günümüzde fosil yakıtlardan enerji üretimi ve kullanımından kaynaklanan çevre kirliliği ile fosil kaynakların rezervlerinin kısıtlı olması en önemli sorun olarak karşımıza çıkmaktadır.
Kömür, dünya enerji üretiminde önemli paya sahip bir fosil yakıttır. Ülkemizde ve dünya genelinde kömür rezervlerinin fazla olmasından dolayı, gelecekte öneminin daha da artacağı öngörülmektedir. Ülkemizde düşük değerli, yani nem ve mineral madde içeriği yüksek, ısıl değeri düşük olan linyitlerden kaliteli linyitlere kadar çok çeşitli kömürler bulunmaktadır. Ancak, düşük değerli linyitlerin toplam rezerv içindeki miktarı oldukça yüksektir. Bu yüzden, düşük kaliteli linyit rezervlerinin değerlendirilmesi için uygun teknolojilerin geliştirilmesi, ülkemizin öncelikli enerji politikaları arasında yer almalıdır.
Biyokütle, güneş enerjisinin bitkilerde kimyasal enerji formuna dönüşmüş halidir ve kömüre kıyasla düşük olan kirletici özellikleri ve yenilenebilir niteliği ile öne çıkan bir yakıt türüdür.  Türkiye'de biyokütle yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak büyük bir potansiyele ve çok sayıda kullanım seçeneğine sahiptir.
Kömür-biyokütle karışımlarının yakılması veya karbonizasyon, piroliz gibi ısıl bozunma süreçlerine uğratılması, düşük kaliteli kömürler ile biyokütlenin ekonomik şekilde kullanımı, üretilen birim enerji başına toplam kirletici yayınımlarının ve fosil yakıtların tüketiminin azaltılması açısından giderek önem kazanmaktadır. Bu sistemlerin ticari boyutta modellenmesi, tasarımı ve işletilmesi için kömür-biyokütle karışımlarının ısıl bozunma davranımlarının ve kinetiklerinin incelenmesi gereklidir.
Bu çalışmada, Tekirdağ Malkara kömürü ve şeftali çekirdeği ile değişik oranlarda hazırlanan kömür-biyokütle karışımlarının farklı koşullardaki ısıl bozunma davranımları incelenmiştir. Termogravimetrik analiz cihazında gerçekleştirilen ısıl bozunma deneylerinin sonucunda, kömür ve ağırlıkça %5 oranında biyokütle içeren kömür-biyokütle karışımının TG eğrilerinde iki ağırlık kayıp bölgesinin; biyokütle ve ağırlıkça %25 ve %50 oranlarında biyokütle içeren kömür-biyokütle karışımlarının TG eğrilerinde ise üç ağırlık kayıp bölgesinin olduğu belirlenmiştir. Kömür–biyokütle karışımlarının ısıl bozunumunda katkı etkisinin çok belirgin olduğu; ancak, çok az bir sinerjik etkileşimin olduğu da belirlenmiştir. Ayrıca ZnO bileşiğinin kömürün, biyokütlenin ve ağırlıkça %50 kömür, %50 biyokütle içeren karışımın ısıl bozunma davranımına olan etkisi de incelenmiştir. Deney sonuçları, ZnO ilavesinin numunelerin ısıl bozunma davranımını çok az etkilediğini göstermiştir.
Farklı koşullarda gerçekleştirilen ısıl bozunma tepkimelerine ait deney sonuçları kullanılarak yapılan kinetik hesaplamalarda uygun kinetik modellerin biyokütle numunesi ile ağırlıkça %25 ve %50 oranlarında biyokütle içeren karışımların birinci ve ikinci bölgeleri için f(α) = (1- α), üçüncü bölgesi için f(α) = (1- α)2 olduğu;  kömür numunesi ve ağırlıkça %5 oranında biyokütle içeren karışımın birinci ve ikinci bölgeleri için ise f(α) = (3/2). (1-α)2/3.[1-(1-α)1/3]-1 olduğu belirlenmiştir. ZnO katkılı ve katkısız numunelerin ısıl bozunumu için hesaplanan kinetik parametreler değerlendirildiğinde, ZnO'in ısıl bozunma tepkimelerine çok az inhibitör etkisi yaptığı sonucuna varılmıştır.
Karışım oranının, ısıtma hızının ve ZnO ilavesinin ısıl bozunma sonucu elde edilen uçucu madde ve katı ürün verimine etkisi 23 faktöriyel tasarıma göre istatistiksel olarak değerlendirilmiş ve ampirik eşitlikler türetilmiştir.

Abstract:
The big part of the world energy requirement, which increases in parallel with population and industrialization, is provided from fossil fuels. Today, issues which are dealing with the environmental pollution resulting from production and consumption of fossil fuels and restricted reserves of fossil resources are considered as the most important problems.
Coal has a very important share of world energy production. The value of coal seems to be increasing in the near future due to its worldwide distributed reserves. Lignite resources existing in our country are ranging from low quality lignites, which have quite a low calorific value, high moisture and mineral matter contents, to high quality lignites. But, the amount of low quality lignites in the total lignite reserves is extremely high. Thus, the development of appropriate technologies for the evaluation of low-quality lignite reserves must be one of the most important energy policy of our country.
Biomass is the transformed form of solar energy into chemical energy in plants and as a renewable fuel it is outstanding with its much lower polluting properties with respect to coal. In Turkey, biomass has a big potential among other renewable energy sources and many utilization options as well.
Combustion of coal-biomass blends or thermal decomposition of them in the processes such as carbonization or pyrolysis gains more importance in terms of the utilization of low quality coals and biomass economically and reducing the total pollutant emissions. Investigation of the thermal decomposition behaviour and kinetics of coal-biomass blends is essential for the modelling, design and operation of these systems at industrial scale.
In this study, thermal decomposition behaviours of Tekirdağ Malkara coal, peach stone and their blends prepared in different ratios were investigated. The results of thermal decomposition experiments which have been carried out in the thermogravimetric analyser showed that the TG curves of coal and coal-biomass blend with the biomass ratio of 5% by weight have two major weight loss regions; biomass and coal-biomass blends with the biomass ratios of 25% and 50% by weight have three major weight loss regions. It was determined that although the additive effect is dominant in the thermal decomposition of coal-biomass blends, very little synergistic interaction was exist. Additionally, the effect of ZnO compound on the thermal decomposition of coal, biomass and the 50% coal and 50% biomass blend was investigated. The experimental results showed that the ZnO addition to the samples caused very little change on their thermal decomposition behaviour.
In the kinetic calculations performed by using experimental results belong to thermal decomposition reactions carried out in different conditions, it was determined that the best fitting kinetic model equations were f(α) = (1- α) for the first and second thermal decomposition regions and f(α) = (1- α)2 for the third thermal decomposition region for biomass sample and coal-biomass samples with the biomass ratios of 25% and 50% by weight; and f(α) = (3/2). (1-α)2/3.[1-(1-α)1/3]-1 for the first and second thermal decomposition regions for coal sample and coal-biomass blend with the biomass ratio of 5% by weight. When kinetic parameters calculated for thermal composition of ZnO added and ZnO free samples were evaluated, it was concluded that ZnO had very little inhibitor effect on thermal decomposition reactions. 
The effects of blend ratio, heating rate and ZnO addition on volatile matter and solid product yields obtained as a result of thermal decomposition were evaluated statistically according to 23 factorial design and empirical equations were derived.