Zeytin budama ve sera domates artıklarının peletlenmesinde sıcak buhar uygulaması ve pelet torefikasyon işleminin pelet kalite parametrelerine etkisinin belirlenmesi
Determination of the effect of steam conditioning and torrefaction process on pellet quality parmeters in olive pruning residues and greenhouse tomato residues
Yazar: HASAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. MEHMET TOPAKCI
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Ziraat = Agriculture
Dizin: Biyokütle = Biomass ; Paletleme = Palletizing ; Tarımsal atıklar = Agricultural wastes ; Torrefaksiyon = Torrefaction ; Yakma = Burning ; Zeytin = Olive

Özet:
Son yıllarda, evsel ve endüstriyel ısıl ihtiyaçların karşılanması amacıyla odun peletlerinin üretimi ve tüketimi dünya çapında artış göstermiştir. Artan talep, odun peletlerinin birincil hammaddesi olan orman endüstrisi artıklarının sürdürülebilir temininde aksaklıklara neden olmaktadır. Bu durum dünya çapındaki başlıca pelet üreticisi ülkelerin hammadde veya doğrudan odun peleti ithalatına yönelmesine neden olmuştur. Yerli enerji kaynağı kullanımının son derece stratejik olduğu günümüzde, mevcut tarımsal artıkların pelet olarak değerlendirilmesi pelet hammaddesi temin sorunlarına çözüm niteliğindedir. Tarımsal artıkların pelet olarak değerlendirilebilmesi için orman ürünlerinden farklı olan peletleme değişkenlerinin optimize edilmesi ve yakıt iyileştirme teknolojileriyle uyumluluğunun araştırılması konusunda ulusal ve uluslarası literatürde eksiklik bulunmaktadır. Tarımsal artıkların ürün bazında değişken fiziksel ve kimyasal yapısı her bir tarımsal artığın peletlenebilme karakteristiklerinin ve termokimyasal dönüşüm yöntemlerine tepkilerinin ürün bazında belirlenmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Tarımsal artıkların sürdürülebilir temini, peletleme değişkenlerinin optimize edilmesi ve peletlere yakıt iyileştirme teknolojilerinin uyarlanmasıyla dünya çapında pelet üretimine önemli katkılar sunması beklenmektedir. Bu çalışmada, tarımsal artıklardan sera domates sapları (SD) ve zeytin budama (ZB) artıkları alternatif pelet hammaddesi olarak kullanılmıştır. Odun peleti üretiminde yaygın biçimde kullanılan sıcak buharlı peletleme yöntemi tarımsal artıklara uyarlanarak, sıcak buhar düzeyinin peletleme parametrelerine, pelet fiziksel özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Tarımsal artıkların odun peletlerine ve kömüre kıyasla görece düşük kalitede yakıt özelliklerine sahip olması nedeniyle torefikasyon yöntemiyle peletlerin yakıt özelliklerinde iyileştirme işlemi yapılmıştır. Elde edilen peletler otomatik beslemeli ev tipi bir pelet sobasında yakılarak yanma performansları ve baca gazı emisyonu değerleri incelenmiştir. Çalışma sonunda elde edilen sonuçlara göre, sıcak buharlı peletleme işlemi pelet üretim kapasitesini SD peletlerinde %112 arttırırken, ZB peletlerinde %50 artış meydana gelmiştir. Sıcak buhar uygulaması peletleme sırasında özgül enerji tüketimlerini düşürerek SD'de 114.07 kWh/ton, ZB'de 152.80 kWh/ton değerleri hesaplanmıştır. Sıcak buhar, peletleme sırasında hammadde fiziksel özellikleri ve lignoselülozik yapıya göre her iki tarımsal artığın pelet üretim parametreleri ve pelet fiziksel özelliklerine farklı düzeylerde etki etmiştir. Genel anlamda, sıcak buhar düzeyinin artışı, peleti oluşturan öğütülmüş partiküller arası bağı kuvvetlendirerek daha yoğun ve dayanıklı peletler üretilmesine olanak sağlamıştır. Böylece, SD peletlerinde en yüksek parça yoğunluğu ve yığın yoğunluğu değeri sırasıyla 1395 kg/m3 ve 833 kg/m3 olarak hesaplanmıştır. ZB peletleri için en verimli buhar düzeyinde parça yoğunluğu ve yığın yoğunluğu değerleri sırasıyla 1289 kg/m3 ve 736 kg/m3'tür. Sıcak buhar uygulamasının pelet üretim parametreleri ve pelet fiziksel özellikleri üzerindeki iyileştirme etkisi öğütülmüş
hammaddenin partikül boyutu ve lignoselülozik içeriğiyle doğrudan ilişkilidir. Peletlerin torefikasyonu azot ortamında, 220, 250 ve 280 °C sıcaklıklarda 15 dakika işlem süresince gerçekleştirilmiştir. Artan sıcaklık peletlerin yakıt özelliklerinde iyileşmeye neden olurken, fiziksel açıdan pelet kırılganlıklarında artış meydana gelmiştir. Ayrıca, sıcak
buhar düzeyinin artışı sıcak buharsız peletlemeye göre daha yoğun formda peletler üretilmesine olanak sağladığı için yoğun peletler torefikasyona karşı direnç göstermişlerdir. Torefikasyon işlemiyle elde edilen en yüksek iyileştirme faktörü SD ve ZB peletlerinde sırasıyla 1.20 ve 1.18 olarak hesaplanmıştır. İşlem görmemiş SD peletlerinin 16.91 MJ/kg olan ısıl değeri torefikasyon işlemiyle 20.29 MJ/kg'a, ZD peletlerinde 17.52 MJ/kg olan ısıl değer 20.73 MJ/kg'a yükselmiştir. Artan torefikasyon sıcaklığıyla koyulaşan peletlerin renk parametreleri farklılığyla torefikasyon
verimlilikleri arasında yüksek düzeyde ilişki (R2≥0.90) tespit edilmiştir. Peletlerin yakılmasında, domates sapı artıklarının içerdiği plastik askı ipi ve plastik klip partikülleri yanma odasında cüruflaşma ve tıkanma meydana getirmiştir. Bu bakımdan verimli yanma için yeterli hava akışının sağlanamaması CO ve NOx emisyonlarının sırasıyla 2363-11616 ppm ve 123-296 ppm düzeylerinde elde edilmesine neden olmuştur. Sera domates saplarının %0.26-0.44 düzeyinde kükürt içermesi yanma sırasında 35-203 ppm düzeylerinde SO2 salınımı meydana getirmiştir. ZD peletlerinin yakılması sırasında yanma odasında kül birikmesi ve cüruflaşma meydana gelmemiş olup, yanma verimleri SD peletlerine göre oldukça üstündür. SD ve ZD peletlerinin ortalama baca gazı sıcaklıkları sırasıyla 110-213 °C ve 198-269 °C düzeylerindedir. ZD
peletlerinde CO ve NOx emisyonları sırasıyla 764-2353 ppm ve 134-206 ppm aralığındadır. Tarımsal artıkların peletlenme karakteristikleri artık tipine, öğütülmüş hammadde parçacık boyutuna ve sıcak buhar düzeyine göre farklılık göstermektedir. Bu bakımdan, tarımsal artıkların verimli peletleme işlemi için peletleme değişkenlerinin artık tipine göre ayrı ayrı değerlendirilmesi gerekmektedir. Yakıt özelliklerini iyileştirmek adına kullanılan torefikasyon işlemi tarımsal artıkların yakıt kalitesini arttırmak için kullanılabilecek umut vadeden bir dönüşüm teknolojisidir. Tarımsal ürünlerin yetiştiriciliğinde kullanılan azot ve kükürt içerikleri gübreler tarımsal artıklardan elde edilen biyokütle yakıtlarının elementel içeriklerine ve yanma karakteristiklerine doğrudan ve dolaylı olarak etkide bulunurlar. Ayrıca, seralarda yetiştiricilikte kullanımı zorunlu olan askı ipi, plastik klips gibi yabancı maddelerin, sera artıklarından üretilecek peletlerin yanma kalitesini olumsuz yönde etkileme potansiyeli bulunmaktadır. Genel anlamda, tarımsal artıkların pelet hammaddesi olarak kullanımı ulusal enerji kaynaklarının üretilmesi kapsamında stratejik öneme sahiptir. Tarımsal peletlerin ısıl verimliliğinin maksimize edilmesi için özgün yakma sistemleri ve yakma yöntemlerinin üzerine
çalışmalar yürütülmesi gerekmektedir.

Abstract:
In recent years, the production and consumption of wood pellets has increased worldwide in order to meet domestic and industrial thermal needs. Increasing demand brings along the disruptions in the sustainable supply of forest industry residues, which is the primary raw material of wood pellets. This situation has led the world major pellet producer countries to import raw materials or directly wood pellets. The use of domestic energy resources is in an extremely strategic position today. The use of existing domestic agricultural residues as pellets is a solution to the pellet raw material supply problems. In order to evaluate agricultural residues as pellets, there are sufficient experimental studies on optimizing the pelletizing variables that are different from forest products and investigating their compatibility with fuel improvement technologies. There are not enough experimental studies on optimizing the pelletizing variables of agricultural residues that are different from forest products and investigating their compatibility with fuel enhancement technologies. The variable physical and chemical structure of agricultural residues on a product basis confirms the necessity of determining the pelletization characteristics of each agricultural residue and its reactions to thermochemical conversion methods on a product basis. It is expected to make significant
contributions to pellet production worldwide through the sustainable supply of agricultural residues, optimizing pelletizing variables, and adapting fuel enhancement technologies to pellets. In this study, greenhouse tomato stems (SD) and olive pruning residues (ZB) were used as alternative pellet raw materials. The pelletizing with steam conditioning method, which is widely used in wood pellet production, has been adapted to agricultural residues.
Thus, the effect of the hot steam level on the pelletizing parameters and the physical properties of the pellets were investigated. Since agricultural residues have relatively low quality fuel properties compared to wood pellets and coal, the fuel properties of the pellets have been improved by the torrefaction method. The obtained pellets were burned in an
automatic domestic pellet stove and their combustion performance and flue gas emission values were determined. According to the results obtained, while the hot steam pelletizing process increased the pellet production capacity by 112% for SD pellets and 50% for ZB pellets. Hot steam conditioning reduced the specific energy consumption during pelletizing, and values of 114.07 kWh/ton in SD and 152.80 kWh/ton in ZB were calculated. Steam conditioning affected the pellet production parameters and pellet physical properties for both agricultural residues at different levels according to the raw material physical properties and lignocellulosic structure. In general, the increase in the level of hot steam
strengthened the bond between the ground particles forming the pellet, allowing denser and durable pellets to be produced. Thus, the highest particle density and bulk density values in SD pellets were calculated as 1395 kg/m3 and 833 kg/m3, respectively. At the most efficient steam level for ZB pellets, the particle density and bulk density values were
1289 kg/m3 and 736 kg/m3, respectively. The improvement effect of steam conditioning on pellet production parameters and pellet physical properties is directly related to the particle size and lignocellulosic content of the ground raw material. The torrefaction of the pellets was carried out in nitrogen environment at 220, 250 and 280 °C temperatures
for 15 minutes. While the increased temperature caused an improvement in the fuel properties of the pellets, there was an increase in the physical fragility of the pellets. In addition, the increase in the level of steam conditioning enabled the production of pellets in denser form compared to pelletizing without hot steam. Thus, dense pellets showed
resistance to torrefaction. The highest enhancement factors obtained by the torrefaction process were calculated as 1.20 and 1.18 for SD and ZB pellets, respectively. The calorific value of the untreated SD pellets, which was 16.91 MJ/kg, increased to 20.29 MJ/kg with the torrefaction process, and the calorific value increment observed from 17.52 MJ/kg to
20.73 MJ/kg for untreated and torrefied ZB pellets. A high level of correlation (R2≥0.90) was found between the difference in color parameters of the pellets darkening with increasing torrefaction temperature and their torrefaction efficiency. In the combustion of the pellets, the nylon based hanging twine and plastic clip residues contained in the tomato stem residues caused slaging and clogging in the combustion chamber. In this respect, insufficient air flow caused CO and NOx emissions to remain at 2363-11616 ppm and 123-296 ppm, respectively. CO and NOx emissions in ZB pellets were in the range of 764-2353 ppm and 134-206 ppm, respectively. The sulfur content of greenhouse tomato stalks at the level of 0.26-0.44% caused SO2 release at the level of 35-203 ppm during combustion. During the combustion of ZB pellets, ash accumulation and slagging did not occur in the combustion chamber, and their combustion efficiency is quite superior to SD pellets. Average flue gas temperatures of SD and ZB pellets were 110-213 °C and 198-269 °C, respectively.
The pelletizing characteristics of agricultural residues show differences according to the residue type, ground raw material particle size and the level of hot steam conditioning. In this regard, pelletizing variables should be considered separately according to the residue type for efficient pelletizing of agricultural residues. The torrefaction process, which is used to improve fuel properties, is a promising conversion technology that can be used to improve the fuel quality of agricultural residue pellets. The nitrogen and sulfur contents of fertilizers used in the cultivation of agricultural products directly and indirectly affect the elemental contents and combustion characteristics of biomass fuels obtained from agricultural residues. In addition, foreign materials such as hanging rope and plastic clips, which are obligatory to be used by cultivation methods in greenhouses, have the potential to adversely affect the combustion quality of pellets to be produced from greenhouse residues. In general, the use of agricultural residues as pellet
raw materials has a strategic importance in the production of national and local energy resources. In order to maximize the thermal efficiency of agricultural pellets, studies should be carried out on specific combustion systems and combustion methods.