Farklı enerji bitkileri ve organik atıklar kullanılarak elde edilen enerji peletlerinde karakteristik özelliklerin incelenmesi
Investigation of characteristic properties of energy pellets obtained using different energy plants and organic wastes
Yazar: HEDİYE İREM ÖZGÜNDÜZ
Danışman: DOÇ. DR. NİL ACARALI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Dünyadaki enerji tüketiminin büyük bir kısmını birincil enerji kaynakları oluşturmaktadır. Kalabalıklaşan nüfus ve sanayileşmeden dolayı fosil enerji kaynakların rezervleri sürekli azalma eğilimindedir. Alternatif yenilenebilir enerji kaynaklarından biyokütlenin, düşük ısıl değer, yüksek nem ve uçucu madde içeriği, düşük yoğunluk ve yüksek oksijen/karbon oranı nedeniyle fosil yakıtlara göre dezavantajları söz konusudur. Bunları azaltarak yakıt enerjisi içeriğini iyileştirmek için biyokütleye, torrefaksiyon adlı termal ön işlem uygulanmaktadır.
Bu tez çalışmasında, ülkemizde yaygın olarak kullanılan geleneksel enerji kaynaklarına alternatif, her türlü toprak şartlarına uygun, dağlık bölgelerde kendiliğinden yetişen yabani, çok yıllık bitkilerden, geven (Astragalus) (Uşak ilinden) ve sığırkuyruğu (Verbascum Thapsus) (Afyonkarahisar ilinden) enerji bitkilerine, organik endüstriyel atıklar (keçiboynuzu ve mısır endüstriyel atığı) ilave edilerek, enerji potansiyeli arttırılmış biyopelet üretimi ve karakterizasyonu yapılmıştır. Biyopelet üretiminde kullanılan yakıt özelliği geliştirilmiş biyokömürlerin üretim optimizasyonu için "Central Composite Design" optimizasyon yöntemi uygulanarak değişik proses koşulları için 4 faktör ve 5 seviye içeren torrefaksiyon deney setleri hazırlanmıştır. İnert ortamda gerçekleştirilen torrefaksiyon proses koşulları için bağımsız değişkenler; sıcaklık (200-320°C), kalma süresi (15-75 dk), tanecik boyutu (1-5 mm) ve organik endüstriyel atık oranı (%0-100 ağ/ağ) olarak belirlenmiştir. Her deney seti için torrefaksiyon ile üretilen biyokömürlerin analiz sonuçları, design expert programı desirability fonksiyonu ile çözümlendirilerek optimum biyokömür numuneleri üretim koşulları belirlenmiş ve optimum biyokömür numunelerinin üretimi yapılmıştır. 
Tezin 2. aşamasında, optimum biyokömür numunelerinden yoğunlaştırılmış biyopelet üretimi hidrolik pres ile sabit basınçta (25 MPa) gerçekleştirilmiştir. Alternatif enerji kaynakları olarak değerlendirilmek istenen biyopeletlerin yakıt karakteristik özellikleri incelenmiştir. Cevap yüzey yöntemi ile üretilen biyokömürlere uygulanan torrefaksiyon prosesi için lineer model önerilmiştir. Üretilen biyokömürlerin yakıt karakteristik özellikleri için en etkili parametrenin reaksiyon sıcaklığı olduğu belirlenmiştir. Pelet karakterizasyon çalışmalarıyla da 3. ve 4. Set biyopeletlerin biyoyakıt amaçlı kullanılabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Major energy consumption in the world includes primary energy sources. Due to crowded population and industrialization, the reserves of fossil energy sources tend to decrease steadily. Biomass, an alternative renewable energy source, has disadvantages compared to fossil fuels due to its low thermal value, high moisture, volatile content, low density, high oxygen/carbon ratio. Thermal pretreatment called torrefaction is applied on biomass to reduce effects and improve energy content.
In this study, Astragalus (Uşak) and verbascum thapsus (Afyonkarahisar), which are alternatives to traditional energy sources commonly used in Turkey, suitable for all kinds of soil conditions, grows spontaneously in mountains and perennial energy plants, were used for biopellet production improved energy potential by adding industrial wastes (carob, corn) and characterization was carried out. 
For the production optimization of biochars with improved fuel properties used in biopellet production, "Central Composite Design" was applied and torrefaction sets (4 factors, 5 levels) were prepared for different process conditions. For inert environment torrefaction conditions, independent variables were determined as temperature (200-320°C), residence time (15-75 min), particle size (1-5 mm) and industrial waste ratio (0-100 %w/w). Analysis results of biochars produced by torrefaction for each set were analyzed using design expert desirability function, and optimum biochars were determined and optimum biochar samples were produced.
In second stage, the production of condensed biopellets from optimum biochars was carried out with hydraulic press at 25MPa. The fuel characteristics of biopellets that are intended to be considered as alternative energy sources have been examined. As a result of response surface method, a linear model has been proposed for torrefaction in production. It has been determined that the most effective parameter for fuel characteristics of the produced biochar is the reaction temperature. With pellet characterization studies, it was determined that the third and fourth sets can be used for biofuels.