Biyokömürleştirme için parabolik güneş yoğunlaştırıcılı sistem tasarımı, kurulumu ve farklı biyokütle kaynakları için optimum işletme koşullarının belirlenmesi
Design and construction of torrefaction system integrated with parabolic trough solar collector and determination of optimum operating conditions for different biomass
Yazar: ÖZBEN ERSÖZ
Danışman: PROF. DR. GÜNNUR KOÇAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Parametre optimizasyonu = Parameter optimization

Özet:
Biyokütle enerjisi termokimyasal dönüşüm teknolojileri ülkemiz için öncelikli destek alanları arasında yer almaktadır. Bu teknolojiler enerji, çevre ve kimya gibi farklı alanlarda kullanılabilmektedir. En önemli avantajı ise, ihtiyaç duyulan formda (katı, sıvı veya gaz) ürün elde edilebilmesidir. Ürünler, ısıtma ve elektrik üretiminde yakıt olarak değerlendirilebilmekte veya kimyasal madde olarak satılabilmektedir. Katı ürün olan biyokömür "Torrefaction" olarak bilinen termal bir proses sonucu elde edilmektedir. Günümüzde toprak şartlandırıcı, linyit ile birlikte yakılabilecek alternatif bir yakıt veya diğer proseslere destek verebilecek önişlem ürünü olarak kullanılabilmektedir. Biyokütle karakteristiğine bağlı olarak 200°C – 300°C sıcaklık aralığında ve oksijensiz ortamda gerçekleştirilen bu proses pirolizin alt basamağıdır. Sadece hidrojen bağlarını kopararak yapısal bozunmanın sağlanması, nemin uzaklaştırılması ve en az düzeyde uçucu kaybı amaçlanır.
Güneş enerjisi ise günümüzde hem ısıtma hem de elektrik üretiminde kullanılabilen yenilenebilir enerji kaynaklarındandır. Fotovoltaik sektörünün hız kazanması ve maliyetlerin düşürülmesi ile güneş yoğunlaştırıcılı sistemlerin, elektrik üretiminden ziyade kızgın buhar üretimi amacıyla kullanımı ekonomik olarak tercih edilmektedir. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi, su ve yağ gibi akışkanlara aktarılabildiği gibi katı maddeye de aktarılabilmektedir.
Mevcut tez çalışmasında ise, biyokömürleştirme ile yüksek sıcaklığa ulaşabilen parabolik oluk tipi güneş yoğunlaştırıcı sistem birlikte kullanılmıştır. Böylece, laboratuvar ölçekli biyokömürleştirme sisteminin yatırım ve işletme maliyetlerini düşürmek hedeflenmiş, büyük ölçekli sistemler için altyapı oluşturmak amaçlanmıştır. "Concentrated Solar Power" (CSP) tesislerinden farklı olarak tasarlanan sistemde, parabolik yoğunlaştırıcıyla biyokömür üretim sistemi için gerekli enerjinin doğrudan temini gerçekleştirilmiştir. Bu yaklaşımla, doğrusal odak noktasına biyokömürleştirme reaktörü yerleştirilmiş ve laboratuvar ölçekli üretim sistemi prototipi kurulmuştur. Sistemin optik verimi yaklaşık 
0,73 olarak hesaplanmış, tasarlanan borosilikat cam örtülü, arası vakumsuz, bakır selektif yüzey kaplı çelik alıcı boru ile toplam ısı transfer katsayısı 1,04W/m2K olarak bulunmuştur. Bunun yanında, elektrikli biyokömürleştirme sisteminde pamuk sapı, çam cipsi ve tavuk atığı gibi biyokütle kaynakları kömürleştirilmiştir. Sıcaklık, parçacık boyutu, yoğunluk ve bekletme süresi gibi performans parametrelerinin etkisi her biyokütle kaynağı için değerlendirilmiş ve optimum koşullar saptanmıştır. Elde edilen optimum proses koşulları tasarlanan ve kurulan güneş yoğunlaştırıcılı biyokömürleştirme sisteminde tekrarlanarak, biyokömür üretim verimleri karşılaştırılmıştır. 
Denemelerde elde edilen tüm biyokömürler literatürde verilen değerlerle uyumlu bulunmuştur. Prosesin kütle kaybı ve enerji verimiyle, biyokömürlerin karbon yüzdeleri, üst ısıl değerleri (HHV), H/C ve O/C atomik oranlarından yararlanılarak ANOVA istatistiki analizi yapılmıştır. Sıcaklığın bu sonuç değişkenleri üzerinde en önemli parametre olduğu saptanmıştır. Pamuk sapı biyokömürü için optimum üretim koşulları 318°C'de 60 dakika bekletme süresi ve 155 kg/m3 yığın yoğunluğu şeklinde elde edilmiştir. Çam cipsi biyokömürü için 5mm parçacık boyutlu hammaddeden 350°C'de 10 dakika bekletme süresi, tavuk atığı biyokömürü içinse 300°C'de 60 dakika bekletme süresi ile 200kg/m3 yığın yoğunluğu değerleri optimum koşullar olarak belirlenmiştir. Tasarlanan güneş yoğunlaştırıcılı biyokömürleştirme sisteminde, bakır selektif yüzeyli metal reaktörün en verimli alıcı olduğu saptanmıştır. Bu reaktörle optimum koşullarda gerçekleştirilen denemeler ile laboratuvar (lab.) ölçekli elektrikli biyokömürleştirme sistemi denemeleri karşılaştırılmış ve sonuç değişkenleri arasında ortalama %5,1 yüzdesel fark olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Technologies for the thermochemical conversion of biomass are a priority for R&D funding in Turkey. These methods have applications in different fields such as energy, environmental science and chemistry. The most important advantage is to obtain the required form (solid, liquid or gas) of a product. Products can be used as a fuel for heating and electricity or sold as chemical substances. Biochar is a solid product produced by a thermal process which is known as "torrefaction". Nowadays, biochar can be used for amending soil, as an alternative fuel to lignite or a component of other processes. The process has a low level of pyrolysis and it is carried out under anaerobic conditions in the temperature range of 200°C to 300°C depending on the characteristics of the biomass. The desired results are the degradation of structure by breaking hydrogen bonds, the removal of moisture and minimum loss of volatiles.
Solar energy is also one of renewable energy sources used in both heating and electricity generation. Due to accelerating of photovoltaic sector and cheapening investment costs of it, concentrated solar power systems is economically preferable rather the production of superheated steam than electricity generation. Concentrated solar energy can also be transferred to a solid material as water and oil.
In this thesis, torrefaction process was used with parabolic though solar concentrator in that produced the high temperature fluid. Thus, it is aimed to reduce investment and operating costs of torrefaction. The required energy for biochar production was directly supplied by parabolic concentrator, and the designed system was carried out differently from CSP systems. In this regard, the torrefaction reactor was positioned to the focus line of concentrator and lab-scale prototype was established. Optical efficiency of the system and the heat transfer coefficient of receiver were found approximately 0.73 and 1.04W/m2K, respectively. Furthermore, cotton stalk, pine chips and chicken litter were carbonized in lab-scale electrical torrefaction system. The effects of important parameters such as temperature, particle size, bulk density and retention time were investigated for each biomass, and optimum process conditions were determined. The optimum conditions for each biomass were used for the experiments in designed and established CSP assisted torrefaction system (prototype system). Finally, the biochar production yield was compared. 
Whole biochar obtained was consistent with the results in the literature. The ANOVA statistical analysis was performed by using the mass loss, energy yield, carbon content, higher heating values (HHV), H/C and O/C ratios, thus temperature was found to be the most important parameter. The optimum process conditions of cotton stalk was the temperature of 318°C, retention time of 60 minutes and density of 155kg/m3. For the biochar of pine chips, the particle size of 5mm in retention time of 10 minutes at the temperature of 350°C were determined as optimum condition. In addition the optimum condition for chicken litter was found 300°C, 60 minutes and the density of 200kg/m3. CSP assisted torrefaction system was designed with copper selective surface reactor that was most effective receiver. The experiments carried out in optimum conditions at prototype system were compared with the lab-scale electrical system, and the average difference between response variables was found at %5.1.