Çeşitli biyoatık malzemelerin gazlaştırılması ve elde edilen ürünlerin karakterizasyonu
Gasification of various biowaste materials and characterization of resulting products
Yazar: AYLİN BOZTEPE
Danışman: PROF. DR. ESEN BOLAT ; PROF. DR. SİBEL ÖZDOĞAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyokütle enerjisi = Biomass energy ; Kütle spektrometri = Mass spectrometry ; Termal analiz = Thermal analysis

Özet:
Bu çalışmada, fındık kabuğu, pirina, ceviz kabuğu ve kızılçam talaşı örnekleri termogravimetrik analiz sistemi kullanılarak farklı gaz atmosferleri altında gazlaştırılmış; elde edilen gaz ürünler (H2, CO, CO2, CH4, H2S, COS ve SO2) ve oluşum sıcaklıkları, sistemle eş zamanlı çalıştırılan kütle spektrometresi ile belirlenmiştir. Termogravimetrik analiz sonucu elde edilen TG-DTG eğrilerinden, biyoatık bileşenlerinin (hemiselüloz, selüloz ve lignin) bozunma sıcaklıkları, örneklerde meydana gelen ağırlık kayıpları ve kayıpların maksimum düzeyde olduğu sıcaklıklar saptanmıştır.TG-DTG eğrileri incelendiğinde, ağırlık kayıplarının tüm atmosferlerde ve örneklerde düşük ve yüksek sıcaklık adımı olmak üzere 2 kısımda meydana geldiği gözlenmiştir. Düşük sıcaklık adımında, uçucuların uzaklaşmasıyla ağırlık kaybı oluşurken, yüksek sıcaklık adımında karbonca zengin kütlenin (çar) oksidatif ve/veya su buharı atmosferleri ile tepkimesine dayalı kayıplar gerçekleşmiştir. Argon atmosferinde ise bu kısımda bozunma/parçalanma tepkimelerine ilişkin kayıplar meydana gelmiştir. Ağırlık kayıpları atmosferler bazında incelendiğinde, argon atmosferinde oluşan kayıpların, hava ve argon+su buharı atmosferinde gözlenen kayıplara oranla düşük seviyelerde olduğu saptanmıştır. Ayrıca hava ile gazlaştırmanın buhara kıyasla tüm örneklerde yüksek oranlarda kayba neden olduğu tespit edilmiştir.Gazlaştırma sonucu açığa çıkan ürünler ve bu ürünlerin oluşum sıcaklık aralıkları kullanılan atmosferle farklılık göstermiştir. Biyoatık maddelerin tümünde, su buharı içeren atmosferde H2 çıkışı hem düşük hem de yüksek sıcaklık adımında oluşmuş ve iki pik vermiştir. Argon ve hava atmosferlerinde ise aksine tek pik halinde gözlenmiş, düşük sıcaklıkta yoğunlaşmıştır. Tüm örneklerde CO çıkışı, argon ortamında düşük sıcaklıkta yüksek emisyon değerine ulaşırken, argon+ su buharı ortamında aksine yüksek sıcaklıkta yoğunlaşmıştır. Hava atmosferinde ise fındık kabuğu ve ceviz kabuğunda hızı sürekli artarak tek pik halinde, pirinada birbirinden bağımsız iki pik, kızılçam talaşında ise birbirini izleyen iki pik halinde meydana gelmiştir.Gazlaştırmada önemli yer tutan kükürtlü bileşiklerin oluşumu da atmosferler ve örnekler bazında farklılık göstermiştir. COS bileşiği, argon, hava ve argon+su buharı atmosferleri altında, kullanılan tüm biyoatık maddelerinde belirgin olarak açığa çıkmıştır. Bu gaz ürün, tüm örneklerde oldukça benzer şekilde oluşmuş, düşük sıcaklık adımında dar ve belirgin bir pik halinde gözlenmiştir. H2S çıkışı, hava ve argon+ su buharı atmosferleri ile gazlaştırmada tüm örneklerde meydana gelmiş, ancak argon atmosferinde yalnızca fındık kabuğu ve pirinada oluşmuştur. Bir diğer kükürtlü bileşik olan SO2 ise argon+ su buharı ile gazlaştırmada hiçbir örnekte saptanmamış, havada sadece ceviz kabuğunda, argonda ise fındık kabuğu ve pirinada izlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Biyoatık, gazlaştırma, termogravimetrik analiz, kütle spektrometresi

Abstract:
In this study, hazelnut shell, olive oil pomace (olive oil solid residue), walnut shell and red pine chips were gasified under different gas atmospheres using a thermogravimetric analysis system; the resulting gas products (H2, CO, CO2, CH4 and sulfurous compounds H2S, COS and SO2) and their formation temperatures were determined by mass spectrometry coupled with the system. The TG-DTG curves obtained were used to determine the decomposition temperatures of biowaste components (hemicellulose-xylan, cellulose and lignin), the weight losses and the temperatures of maximum weight losses of samples.When TG-DTG curves were examined, it was observed that weight losses occurred in two steps at all samples and atmospheres as low-and high-temperature steps. The low temperature weight loss is associated with the loss of volatiles, and the high temperature weight loss corresponds to the reaction of char (carbon rich material) with oxygen/steam. In argon atmosphere, weight loss is related to decomposition reactions. When weight losses were examined on the basis of the atmospheres, it was found that weight losses under argon atmosphere is low compared to air and argon-steam atmospheres. In addition, gasification with air caused much more weight loss than steam at all samples.Gases emitted as a result of gasification and the formation temperatures of these products showed differences with the changing atmospheres. H2 evolution occurs both low and high temperature step with two peaks in steam gasification while it appears as a peak at low temperature step under argon and air atmospheres. CO evolution reaches highest emission at low temperatures under argon atmosphere while CO formation is shifted to higher temperatures for the steam gasification case. In air gasification CO evolution for hazelnut and walnut shell occurs as a peak with an increasing evolution rate while it is observed as two distinct peaks for pomace and following two peaks for red pine chips.Sulfurous product formations which are important in gasification differ on the basis of atmospheres and samples. COS is formed significantly under all atmospheres for all samples. This compound occurs in a similar way for all samples, at low temparature step as a narrow and distinct peak. H2S evolves at all samples under air and argon-steam atmospheres but it only occurs at hazelnut shell and pomace under argon atmosphere. In steam gasification there is no SO2 evolution at all samples. It is observed at walnut shell under air atmosphere and hazelnut shell and pomace under argon atmosphere.Key words: Biowaste, gasification, thermogravimetric analysis, mass spectrometry