Çeşitli biyokütle atık maddelerin pirolizi ve elde edilen ürünlerin analizi
Pyrolysis of biomass waste materials and analysis of products
Yazar: KORKUT AÇIKALIN
Danışman: DOÇ. DR. FATMA KARACA ; PROF. DR. ESEN BOLAT
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyokütle enerjisi = Biomass energy ; Deney tasarımı = Experimental design ; Kinetik modelleme = Kinetic modelling ; Optimizasyon = Optimization ; Piroliz = Pyrolysis

Özet:
Günümüzde, dünya çapındaki enerji üretiminin büyük bir kısmını karşılayan fosil yakıtlar, sosyal ve endüstriyel hayatın sürdürülebilirliği açısından büyük öneme sahiptir. Ancak, Dünya nüfusundaki hızlı artış ve hızlı endüstrileşme sonucu rezervlerinin azalması ve kullanılmalarıyla oluşan çevresel sorunlar, alternatif enerji kaynaklarının bulunmasını zorunlu kılmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları olan biyokütle maddeler, bolca bulunabilme yanı sıra sıvı, katı ve gaz ürünlere dönüştürülebilme gibi önemli özellikleri dolayısıyla, alternatif enerji kaynakları arasında önemli bir yere sahiptir.Bu çalışmada, biyokütle atık maddeler olan Antep fıstığı kabuğu ve ceviz kabuğu ile piroliz işlemi gerçekleştirilmiş; 350-650ºC sıcaklık, 10-50 dk reaksiyon süresi ve 50-450 ml/dk süpürme gazı debisi şartlarında çalışılarak, işlem koşullarının toplam dönüşüm ile sıvı, katı ve gaz ürün verimleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Deneyler, elektrik ile ısıtılan yatay silindirik bir fırında azot gazı ortamında ve ısıtma hızı 40ºC/dk'da sabitlenerek yapılmıştır.Çalışmanın birinci aşamasında, seçilen parametrelerin bireysel etkileri tek değişkenli analiz yöntemi ile incelenmiştir. İkinci aşamasında ise, 2k Faktöryel Tasarım, Box-Behnken Tasarımı, Merkezi Bileşik Tasarım ve 3k Faktöryel Tasarım planları kullanılarak çok değişkenli analiz gerçekleştirilmiştir. Üçüncü aşamada, her bir deneysel tasarım planı için elde edilen piroliz verimleri modellenmiş; istatistiksel analiz yöntemleri ve kontrol deneyleri kullanılarak, piroliz ürün verimlerini en doğru biçimde temsil eden modeller ve bu modelleri veren deneysel tasarım planı belirlenmiştir. Dördüncü aşamada, üçüncü aşamada belirlenen deneysel tasarım planından elde edilen sonuçlar kullanılarak, Çekicilik Fonksiyonları Yöntemi ile optimizasyon çalışması yapılmıştır. Beşinci aşamada, termogravimetrik analizler yapılmış, elde edilen veriler kullanılarak Arrhenius, Coats-Redfern ve Horowitz-Metzger yöntemleri ile kinetik değişken değerleri hesaplanmıştır. Altıncı ve son aşamada ise katı ürünlerin FTIR, SEM, sıvı ürünlerin ise FTIR, GC-MS, LD-MS analizleri gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Fossil fuels, the major contributors of worldwide energy production, contemporarily have a significant importance on the continuity of industrial and social life. However, the environmental problems caused by their usage and the decline of their reserves due to the increasing world population and rapid industrialization, have required searching for alternative energy sources. Biomass materials, as renewable energy sources, are very important alternative energy sources since they are highly abundant, and can be converted to liquid, solid and gaseous products.In this study, pyrolysis of some biomass waste materials, namely pistachio shells and walnut shells, were carried out. Temperature, reaction time and sweeping gas flowrate were the parameters whose effects on liquid, solid and gas yields and total conversion were studied at the intervals of 350-650ºC, 10-50 min and 50-450 ml/min, respectively. The experiments were conducted in an electrically heated horizontally placed cylindrical furnace, under nitrogen atmosphere at a fixed heating rate of 40ºC/min.In the first part of the study, the individual effects of selected parameters were investigated by univariate analysis method. Then, in the second part, multivariate analyses were performed by using 2k Factorial, Box-Behnken, Central Composite and 3k Factorial Experimental Design plans. In the third part, the pyrolysis yields obtained via each experimental design were modeled; then, the models were compared by statistical approaches and by controlling experiments to determine the best fitting models and the related experimental design method. In the fourth part, Desirability Functions were used to carry out an optimization study on the results obtained from the experimental design in the previous part. Fifth part involved the calculation of kinetic parameters by using the thermogravimetrical analysis data with the aid of Arrhenius, Coats-Redfern and Horowitz-Metzger methods. Finally, the FTIR and SEM analyses were done on the solid products, and the FTIR, GC-MS and LD-MS analyses were done on the liquid products of pyrolysis studies.