Hayvansal atık yağlardan biyodizel üretimi ve bir dizel motorda kullanımının incelenmesi
Biodiesel production from waste animal fats and investigation of its usage in a diesel engine
Yazar: ERTAN ALPTEKİN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÇANAKCI
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Biyodizel, bitkisel ve hayvansal yağlardan üretilebilen alternatif bir dizel yakıtıdır. Bu doktora tezinde, farklı rendering tesislerinden alınan atık tavuk ve deri yağından hayvansal yağ kökenli biyodizel üretilmiştir. Atık tavuk ve deri yağlarının serbest yağ asidi (SYA) değerleri laboratuvar şartlarında asit katalizör kullanılarak istenilen değerin altına düşürüldükten sonra, transesterifikasyon reaksiyonunda baz katalizör kullanılarak optimum reaksiyon parametreleri belirlenmiştir. Daha sonra belirlenen bu optimum koşullara göre pilot üretim tesisinde büyük ölçekli biyodizel üretimi yapılmıştır. Pilot tesiste üretilen hayvansal yağ kökenli biyodizeller, saf halde, biyoetanol ve motorin ile belirli oranlarda karıştırılarak bir dizel motorda kullanılmış ve motor performans, yanma ve egzoz emisyon karakteristikleri araştırılmıştır. Motor testleri sabit devir (1400 d.d-1) ve dört farklı motor yükünde (150 Nm, 300 Nm, 450 Nm ve 600 Nm) yapılmıştır.
Laboratuvar şartlarında yapılan deneylerde, atık tavuk ve deri yağının SYA değeri tek veya iki aşamalı ön iyileştirme reaksiyonu ile %1?in altına düşürülmüştür. Optimum reaksiyon şartlarına göre yapılan transesterifikasyon reaksiyonları sonrası ürün eldesi yaklaşık %90 olarak tespit edilmiştir. Laboratuvar şartlarında elde edilen optimum reaksiyon parametrelerine göre pilot ölçekli yapılan biyodizel üretimi sonucu elde edilen biyodizellerin yakıt özelliklerinin laboratuvar ölçekli üretilen biyodizellere oldukça yakın olduğu tespit edilmiştir. Motor testleri sonucunda, biyodizellerin ve etanol karışımlarının özgül yakıt tüketimi değerlerinin petrol kökenli dizel yakıtına (PKDY) göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. PKDY?nın efektif veriminin biyodizellere göre düşük motor yüklerinde daha yüksek iken, yüksek yüklerde bir miktar daha düşük olduğu tespit edilmiştir. PKDY?nın maksimum silindir gaz basıncı değerlerinin, biyodizellere kıyasla genel olarak bir miktar daha düşük olduğu görülmüştür. Biyodizellerde yanma başlangıçları PKDY?na kıyasla daha erken krank açılarında gerçekleşirken, yakıt karışımındaki etanol miktarının artması ile yanma başlangıçları daha geç krank açılarında meydana gelmiştir. Emisyon sonuçlarına bakıldığında, biyodizellerin PKDY?na kıyasla daha düşük HC ve CO emisyonu fakat daha yüksek CO2 ve NOx emisyonu ürettiği belirlenmiştir. Etanol içeren karışımlarda ise B20 yakıtlarına kıyasla HC emisyonu artmış ve CO2 emisyonu azalmıştır. Düşük yüklerde ise CO emisyonu artar ve NOx emisyonu azalırken, yüksek yüklerde CO emisyonu azalmış ve NOx emisyonu artmıştır.

Abstract:
Biodiesel which can be produced from vegetable oil and animal fats is an alternative diesel fuel. In this study, animal fat based biodiesels were produced from waste chicken fat and fleshing oil obtained from different rendering plants. After reducing the free fatty acid (FFA) levels of the waste chicken fat and fleshing oil below the desired level by using acid catalyst in the laboratory scale, optimum reaction conditions were determined with base catalysts used in transesterification reactions. Then, the pilot scale biodiesel production was performed in the pilot plant according to the optimum reaction parameters. Animal fat based biodiesels produced in the pilot plant were used as pure and blends containing certain amounts of diesel fuel and bioethanol in a diesel engine and engine performance, combustion and exhaust emission characteristics were investigated. Engine tests were conducted at constant engine speed (1400 rpm) and four different engine loads (150 Nm, 300 Nm, 450 Nm and 600 Nm).

In the laboratory scale experiments, the FFA levels of the waste chicken fat and fleshing oil were reduced below 1% by one or two step pretreatment reactions. After the transesterification was done considering the optimum reaction parameters, the product yields were found to be about 90%. As a result of pilot scale biodiesel production performed in compliance with the optimum reaction conditions obtained in the laboratory experiments, the fuel properties of biodiesels produced in the pilot plant were very close to those of biodiesels produced in the laboratory conditions. The engine tests showed that the brake specific fuel consumptions of biodiesel and ethanol blends were higher than that of diesel fuel. The thermal efficiency of diesel fuel was higher than those of biodiesels at low loads, while it was lower than those of biodiesels at high loads. The maximum in-cylinder gas pressures of diesel fuel were slightly lower than those of biodiesels generally. The start of combustion of biodiesels occurred at earlier crank angles compared to diesel fuel, while the start of combustion occurred at later crank angles with increasing ethanol amount in the fuel blends. According to emission results, biodiesels emitted lower HC and CO emissions but they emit higher CO2 and NOx emissions compared to diesel fuel. HC emissions increased and CO2 emissions reduced for the blends containing ethanol compared with B20. In addition, CO emissions increased and NOx emissions decreased at low load while CO emissions decreased and NOx emissions increased at high load.