Biyokütle/sıvı yakıt ve biyokütle/kömür karışımlarından üretilen peletlerin kazanda yakılmasının deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the combustion of pellets produced from biomass/liquid fuel and biomass/coal mixtures in a boiler
Yazar: BİLAL SUNGUR
Danışman: PROF. DR. BAHİTTİN TOPALOĞLU
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarından biyokütle ile ilgili çalışmalar son yıllarda büyük önem kazanmıştır. Yapılan çalışmada evsel ısıtmada kullanılan biyokütle kaynaklı pelet yakıtlı kazanlar, deneysel ve nümerik olarak performans ve emisyon açısından incelenmiştir. Bu kapsamda ham pelet yakıtına dizel, biyodizel ve ayçiçek yağı gibi sıvılar emdirilerek pelet yakıtının sıvıları emebilme kapasiteleri araştırılmıştır. Ham pelet, taş kömürü ve meşe mangal kömürüyle de belirli oranlarda karıştırılarak elde edilen yakıtlarla da incelemeler yapılmıştır. Hazırlanan bu karışımlar birinci geçişte duman borusuz (Kazan-1) ve birinci geçişte duman borulu (Kazan-2) olmak üzere iki farklı deney kazanlarında yakılarak kazan verimleri ve baca gazı emisyonları ölçülmüş ve karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Ayrıca, kazana eklenen duman borularının da kazan verimine ve emisyonlarına olan etkisi irdelenmiştir.
Nümerik çalışmalarda Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programı olarak Fluent paket programı kullanılmıştır. Hesaplamalar üç boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Türbülans modeli olarak RNG k-ε, yanma modeli olarak Finite rate/Eddy dissipation modeli kullanılmıştır. Kazan geometrisine göre oluşan sıcaklık konturları, hız vektörleri, baca gazı sıcaklıkları ve verimler incelenerek sonuçlar değerlendirilmiştir. Nümerik hesaplama sonuçları deneysel sonuçlarla kıyaslanarak değerlendirmeler yapılmıştır.
Pelet yakıtına sıvı emdirilmesiyle ilgili yapılan deneylerin sonucunda, pelet yakıtının (hacim değişimi olmaksızın) kütlesel bazda %15 dizel, %17 biyodizel ve %19 ayçiçek yağı emdiği tespit edilmiştir. Birim hacim başına ısıl değerin, dizel emdirilmesi sonucu %36.7, biyodizel emdirilmesi sonucu %36.9 ve ayçiçek yağı emdirilmesi sonucu %40.9 arttığı tespit edilmiştir. Her iki kazanla yapılan deneylerde, ham pelet yakıtın baca gazı sıcaklıklarının emdirilmiş peletlerden daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca kazanların çalıştırılmaya başladıkları andan itibaren dizel ve biyodizel emdirilmiş peletlerin, uçucu madde miktarlarının da ham pelete kıyasla daha fazla olması sebebiyle daha hızlı tutuştuğu görülmüştür. Ham pelet yakıta kömür eklenmesiyle, nem, kül, sabit karbon ve ısıl değer miktarlarının arttığı, uçucu madde miktarının ise düştüğü belirlenmiştir. Ancak ham pelet-kömür karışımlarının, kazanda iyi yanmadığı ve yanmayı kötüleştirdiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Biomass as a renewable energy source has gained a great importance in recent years. In this study, performance and emissions of biomass-based pellet fuel boilers used in domestic heating were investigated experimentally and numerically. In this context, liquids such as diesel, biodiesel and sunflower oil were absorbed into the raw pellet in order to determine the absorption capacity of the pellet. Raw pellet fuels were also mixed with bituminous coal and charcoal at certain rate and investigations made. These mixtures were burned in two different test boilers which are named the  Boiler-1 with no smoke tubes in the first pass and the Boiler-2 with smoke tubes in the first pass. Boiler efficiencies and flue gas emissions were measured and investigated comparatively. In addition, the effects of smoke tube addition to the boiler on the boiler efficiency and emissions were also examined.
Fluent package program was used as the Computational Fluid Dynamics (CFD) program in numerical studies. Calculations were realised in three dimensional conditions. As turbulence model RNG k-ε and as combustion model Finite rate/Eddy dissipation model were used. Temperature contours, velocity vectors, flue gas temperatures and efficiencies according to the boiler geometries were examined and results were evaluated. Numerical calculation results were compared with experimental results. 
As a result of the experiments carried out on the liquid absorption of the pellet fuel, it was determined that the raw pellet fuel absorbed 15% diesel, 17% biodiesel and 19% sunflower oil on the mass basis (without volume change). It was determined that the heating value per unit volume increased by 36.7% as a result of diesel absorption, 36.9% as a result of biodiesel absorption and 40.9% as a result of sunflower oil absorption. In the experiments with both boilers, the flue gas temperature of the raw pellet fuel was determined to be lower than that of the liquid fuel absorbed pellets. In addition, diesel and biodiesel absorbed pellets ignited faster than the raw pellets because the amount of volatile matter of the absorbed pellets was higher than that of the raw pellet. With the addition of coal to the raw pellet fuel, the amount of moisture, ash, fixed carbon and heating values increased and the amount of volatile matter decreased. However, it was found that the raw pellet-coal mixtures did not burn well in the boiler and worsen the combustion.