Biyokütle piroliz ürünlerinin bağlayıcı bitüm üretiminde kullanılabilmesi üzerine bir araştırma
A research on using biomass pyrolysis products to production of binder bitumen
Yazar: DUYGU GÜRGÖZE
Danışman: PROF. DR. HAMDİ SONER ALTUNDOĞAN ; DOÇ. DR. ERKUT YALÇIN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Bitüm = Bitumen ; Biyokütle = Biomass ; Biyoyakıtlar = Biofuels ; Biyoçar = Biochair ; Piroliz = Pyrolysis

Özet:
Fosil kaynakların hızla tükeniyor olması nedeniyle özellikle enerji üretimi amacıyla yenilenebilir kaynakların kullanımı oldukça önemli hale gelmiştir. Yenilenebilir kaynaklar içerisinde enerji üretimi ve kimya sanayisi için biyokütle önemli bir yer edinmiştir. Petrolden üretilen ve dünyada en yaygın yol kaplama malzemesi olarak kullanılan bitümün üretiminin de, petrolün üretimindeki azalmayla ciddi bir problem oluşturacağı açıktır. Bu nedenle son yıllarda biyokütle kaynaklarından piroliz yöntemleriyle elde edilen ürünlerin bitümün modifiye edilmesiyle biyoasfalt üretimi konusu yoğun olarak araştırılmaktadır. Hali hazırda ince partikül boyutuna sahip bir endüstriyel biyokütle olan MDF tozunun piroliziyle elde edilen ürünlerin bitüm materyali olarak kullanılmasının avantajlı bir durum oluşturacağı düşünülmüştür. Çalışmada, MDF tozundan hazırlanan peletin sürekli burgu tipi bir piroliz reaktöründe pirolizi üzerine sıcaklık, akış hızı ve reaktör doluluk kesri parametrelerinin etkileri yanıt yüzey yöntemi (YYY) arasında yer alan merkezi kompozit dizayn (MKD) tekniği kullanılarak gerçekleştirilen tasarım deneyleriyle incelenmiştir. Susuz temelde sıvı ürün veriminin cevap değişkeni olarak kullanılmasıyla gerçekleştirilen optimizasyon çalışmalarında en uygun şartlar olarak 458 oC piroliz sıcaklığı, 97 g/dk akış hızı ve 0,75 reaktör doluluk kesri değerleri belirlenmiştir. Bu optimum şartlarda gerçekleştirilen deneylerde kullanılan biyokütleye göre, susuz sıvı ürün verimi % 26,13, katı ürün verimi % 22,05 ve kondense olmayan gaz verimi % 32,06 olarak bulunmuştur. Suyu uzaklaştırılmış sıvı ürün (biyoyağ) ve katı karbonize ürün (biyoçar) çeşitli karakterizasyon testlerine tabi tutulmuştur. Hazırlanan biyoyağ ve biyoçar bitüm benzeri karışım hazırlama amacıyla kullanılmıştır. Biyoyağ, biyoçar ve biyoyağ-biyoçar karışımı standart B 70/100 bitüme ilave edilerek modifiye bitüm örnekleri hazırlanmıştır. Modifiye bitümlerin geleneksel reolojik analizleri ve superpave testleri gerçekleştirilerek sonuçlar irdelenmiştir. Sonuç olarak piroliz ürünlerinin bitüm modifikasyonu amacıyla kullanımı mümkün görünmekle birlikte, biyoçar ve biyoyağ ile modifikasyon neticesinde bazı özellikler iyileşirken bazılarının kötüleştiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Due to the rapid depletion of fossil resources, the use of renewable resources, especially for energy production, has become very important. Among renewable resources, biomass has an important place for energy production and chemical industry. It is clear that the production of bitumen, which is produced from petroleum and used as the most common road pavement material in the world, will also pose a serious problem with the decrease in oil production. For this reason, in recent years, the issue of bioasphalt production by modifying bitumen with the products obtained by pyrolysis methods from biomass sources has been intensively researched. It was thought that it would be advantageous to use the products obtained by pyrolysis of MDF powder, which is an industrial biomass with fine particle size, as bitumen material. In the study, the effects of temperature, mass flow rate and reactor occupancy fraction parameters on the pyrolysis of the pellet prepared from MDF powder in a continuous auger type pyrolysis reactor were investigated by design experiments using response surface method (YYY) and central composite design (MKD) techniques. In the optimization studies performed by using the liquid product yield on anhydrous basis as the response variable, the most suitable conditions were determined as 458 oC of pyrolysis temperature, 97 g/min of mass flow rate and 0.75 of reactor fullnes fraction values. Under these optimum conditions, the yields of anhydrous liquid, solid and noncondensable gas products were obtained as 26.13%, 22.05% and 32.06%, respectively. The dehydrated liquid product (biooil) by rotary evoporation and solid carbonized product (biochar) were subjected to various characterization tests. These biooil and biochar were used for bitumen-like mixture preparation. Modified bitumen samples were prepared by adding biooil, biochar and biooil-biochar mixture to standard B 70/100 bitumen. Traditional rheological analyzes and superpave tests of modified bitumen were performed and the results were examined. As a result, although it seems possible to use pyrolysis products for bitumen modification, it has been determined that while some properties are improved, some of them worsen as a result of modification with biochar and biooil.