Biyokütle kaynaklarının tavuk gübresinin yanma kalitesine etkisi
Fuel properties and incineration behavior of poultry litter blended with sweet sorghum bagasse and pyrolysis oil
Yazar: ÜMİT PEHLİVAN
Danışman: PROF. DR. SAİM ÖZDEMİR
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yenilenebilir Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Ticari tavuk eti yetiştiriciliği sektörü, kırsal alanlarda çok fazla miktarda kümes
hayvanı altlığı (PL) atığı üretimine neden olmaktadır. Kanatlı eti ve yumurtaya olan
talep arttıkça PL üretimi de artmaktadır. Geleneksel olarak PL, küçük ve orta ölçekli
çiftliklerde tarım arazilerine uygulanır. Ancak kümes hayvanı üretimi yoğunlaştıkça
ve çiftlik büyüklükleri genişledikçe atıklar suyun, toprağın ve havanın kirlenmesine
ve çevresel endişelere neden olmaktadır. Atıkların araziye uygulanamadığı zaman
aralıklarında atık birimi ve PL atık yönetiminin yetersiz olması, özellikle işletmede
yetiştirilen sürülerde sağlık sorunlarına, sinek üremesine, hava kirliliğine, kötü
kokulara, toprak ve su kirliliğine neden olabilmektedir. Halen genel uygulama olarak
PL, arazinin boş olduğu durumda doğrudan arazi uygulamasıyla ve yılın geri kalanında
enerji uygulamaları yoluyla bertaraf edilmektedir. PL'ye uygulanan çeşitli enerji geri
kazanım teknikleri arasında, farklı yenilenebilir veya yenilenemeyen yakıtlarla beraber
yakılmasının hem teknik açıdan hem de çevresel etki boyutları açısından en etkili
yöntem olarak kabul edildiği bilinmektedir. Atıkların büyük miktarda birikmesi
nedeniyle yakma, PL'nin bertaraf edilmesi için en hızlı seçenek olarak kabul
edilmektedir.
Kümes hayvanı atıklarının yakılması, Birleşmiş Milletler Sürdürülebilir Kalkınma
Hedefi olan "uygun fiyatlı ve temiz enerjiye ulaşım" doğrultusunda atık hacmini etkili
bir şekilde azaltır. Ancak mono-yakma, değişen nem, yapısal ve kimyasal bileşim ile
düşük enerji verimi nedeniyle önemli zorluklara neden olmaktadır. PL'nin
lignoselülozik yataklık altlık içermesi ve enerji açısından zengin bir atık olmasına
rağmen, doğrudan tek başına yakma deneyleri iyi sonuçlar vermemektedir. Bunun
nedeni, yakıt kalitesini bozan ve yanma performansını azaltan yüksek nem, kül ve
külün kimyasal bileşiminin yanı sıra kül içindeki alkali minerallerin neden olduğu kül
birikintileridir. Bu nedenle yanma problemlerini azaltan ve düzgün yanma sağlamak
için PL'nin yardımcı yakıtlarla karıştırılması gerekmektedir. Alternatif bir
yenilenebilir kaynak olarak biyokütle, yüksek bir organik bileşik içeriğinden dolayı
yüksek bir kalorifik değere sahiptir ve bu da kümes altlığının yakılmasına yardımcı
olabilir. PL'nin lignoselülozik biyokütle ile karıştırılması, karışımların kalorifik
değerini artırabilir. Ayrıca biyokütle, kümes hayvanı altlığından daha fazla uçucu
madde miktarına ve daha düşük miktarda kül içeriğine sahip olduğu için PL'den farklı
yanma özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, PL'nin biyokütle ile harmanlanması genel
yanma sürecinde değişikliklere yol açabilir ve yanma verimliliğini iyileştirebilir.
Kümes hayvanı üretiminin artması, bu kümes altlıklarının çevreye vereceği zararları
azaltarak, güvenli ve yararlı bir şekilde bertaraf edilmesini zorunlu hale getirmiştir.
Hayvansal kökenli atıkların yüksek ısıl değeri (HHV) 19,0 MJ kg-1'e ulaşmaktadır ve
bu nedenden dolayı onu kullanılabilir yenilenebilir enerji kaynağı haline
getirmektedir. Fosil yakıt fiyatlarının yüksek olması nedeniyle kümeslerde ortam
ısıtması için geliştirilen özel fırınlarda PL'nin yakılmasına büyük ilgi duyulmaktadır.
Bunun nedeni, döngüsel ekonomi yaklaşımının ve çiftlik hayvanlarının ürettiği
atıkların yakma teknolojisine sahip işletmelerde kaynak olarak kullanılmasına ilişkin
AB düzenlemesinin, PL'nin sahadaki kümes hayvanlarının ısıtılmasında doğrudan
yanma için yakıt olarak kullanılmasını teşvik etmesidir. Ancak PL, hızlı bir şekilde
ayrıştığı ve yüksek nem içeriği nedeniyle HHV'nin birkaç gün içinde 19,0 - 9,0 - 13,5
MJ kg-1'e düşmesi nedeniyle zorlayıcı yakıt olarak kabul görürler. Bu durum yanmayı
engeller ve mono yanma uygulandığında külle ilgili sorunlara neden olur. Bu amaçla,
bir enerji santralinde yanma veya bir çiftlikte alan ısıtma amacıyla doğrudan yanma
özelliklerini iyileştirmek için ön karıştırma veya ön iyileştirme gerekli olmaktadır.
Bazı biyoyakıt hammaddeleri, yüksek HHV, düşük kül içeriği, düşük tutuşma noktası,
optimum kirlenme, cüruflaşma ve yüksek kül erime sıcaklıkları ile tanımlanabilir ve
bu tanımlamada biyokütle yakıtları iyi yakıt olarak tanımlarlar. Genel olarak yanma
sorunlarını optimize etmek, gaz emisyonlarını ve külden dolayı oluşan sorunları asgari
düzeye indirmek için yanma özelliklerini analiz ettikten sonra ikiden fazla ham
maddenin harmanlanması tavsiye edilir. Önceki araştırmalar, alev özellikleri ve kül
elementi indeksi gibi yanma parametreleriyle ilişkili olarak ilave biyokütle yakıtlarının
PL üzerindeki sinerjistik etkisini göstermektedir.
Bu çalışmada, enerji mahsulü tatlı sorgum bagas atığı ve PL pirolizinden elde edilen
yeni bir yan ürün piroliz yağını birleştirerek PL'nin yanma özelliklerini, olası
yanmayla ilgili zorlukları ve külle ilgili sorunları iyileştirmek için basit, pratik yöntem
test edilmiştir. Bu araştırma, standart psiko-kimyasal yakıt analizi ile PL, tatlı sorgum
bagası, bunların karışımı ve piroliz yağı ilavesinin yanma davranışlarına etkisi
araştırılmıştır. Ayrıca, harmanlanmış PL karışımlarının yakma özellikleri yeni bir
yaklaşım olan görüntü analizi ile değerlendirildi. Ayrıca, harmanlanmış yakıtın kazan
sisteminde kirlenme ve cüruflanma eğilimi açısından karşılaştırılması amacıyla küle
bağlı indeks değerlerinin belirlenmesi amacıyla kül bileşimi analizi yapılmıştır.
Bu çalışmanın amacı tatlı sorgum bagasının (SS) ve piroliz yağının (PO) PL'nin yakıt
özelliklerini iyileştirme ve yakma sırasında külle ilgili yükleri hafifletme üzerindeki
etkisini araştırmaktır. Farklı biyokütle yakıt karışımları, PL'nin SS ile %0,0 (T0), %25
(T1), %50 (T2), %75 (T3) oranında birleştirilmesiyle üretildi ve %100 SS (T4)
uygulaması ile karşılaştırılmıştır. Yüksek enerji potansiyeli ve düşük kül birikimi elde
etmek amacıyla paralel numuneler ayrıca enerji değerini iyileştirmek amacıyla %10
PO ile karıştırılmıştır.
Deneysel sonuçlar, karışımlara SS oranının arttırılması ve PO eklenmesinin uçucu
maddeyi artırdığını, nem ve kül içeriğini azalttığını göstermektedir. Küllerin elementer
içeriği, uçucu madde oranları ve sabit karbon miktarları için kuru bazda yaklaşık
analizden elde edilen sonuçlar hem PO 'ya hem de SS oranlarının azaltılmış kül içeriği
ve artan uçucu madde nedeniyle hipotezimizi doğrulamaktadır. Dolayısıyla yüksek
uçucu madde, düşük kül nedeniyle yanmaya uygunluk iyileştirilmiştir. Deneylerde
kullanılan PL %64 oranında uçucu madde içermekte ve makul bir yanıcılık özelliği
göstermektedir. PL'ye SS ilavesi, uçucu madde artışlarına 25 (T1), %50 (T2) ve %75
(T3) SS ilavesi ile sırasıyla %67, %68 ve %71 oranında önemli ölçüde katkıda
bulunmuştur. Piroliz yağı (PO) ilavesi uçucu maddeyi sırasıyla %68, %70 ve %73'e
yükseltmiştir. Benzer şekilde, SS ve piroliz yağı, kül içeriğini kuru madde bazında
%12,85'ten %7,10'a önemli ölçüde azaltmış; yanma sonucu ortaya çıkan malzemenin
çoğunun, yanma sırasında kül depozitleri, cüruf oluşumu ve topaklaşmaya tepki
vermeyen ürünler olduğunu göstermiştir.
Tutuşabilirlik indeksi, kazan koşullarında biyokütlenin olası performansının bir
göstergesi olarak kullanılır. PO ilavesi aynı zamanda karbon ve hidrojen içeriğini de
arttırmıştır. PL'ye SS ilavesi, %25'lik bir karışımdaki peletin tutuşabilirlik endekslerini
yükseltmiş ve karışımdaki SS'nin daha da artmasıyla neredeyse sabit (41.94 - 42.02)
kalmıştır. PL:SS karışımlarına PO ilavesi tutuşabilirlik indeksini 41,75'ten 43,74'e
önemli ölçüde iyileştirmiştir. Ancak tahmin edilen tutuşabilirlik indeksi değerlerinin
tümü 35'in üzerinde olup bu değer kazanlarda verimli bir şekilde kullanılabilir
aralıktadır. Bu bağlamda, SS'nin yüksek uçucu içeriği, yüksek sıcaklıklarda külle ilgili
yaygın sorunların önlenmesi amacıyla düşük sıcaklıklarda hızlı tutuşma açısından
faydalıdır.
Kümes hayvanı altlığı karışımındaki SS oranındaki artışın bir fonksiyonu olarak
kalorifik içerik artmıştır. SS oranının %25'ten %100'e çıkarılmasıyla HHV değerleri
4295±12 Kcal kg-1'den 4404±9 Kcal kg-1'e yükselmiştir. Ayrıca yakıt karışımlarında
karışımlar %10 PO ile karıştırıldığında PL: SS karışımlarının HHV değerleri %0,5-2,6
aralığında daha da yükselmiştir. LHV (düşük ısıl değer) ve HHV değerlerindeki artış
eğilimi hem SS hem de PO malzemelerinin kimyasal yapısına bağlanabilir çünkü PL,
LHV'yi azaltan nispeten yüksek nem ve kül mineralleri içermektedir.
Ayrıca SS+PO, görüntü analiz yöntemine dayalı olarak PL karışımlarının alev hacmini
ve kırmızı renk yoğunluğunu iyileştirmiştir. Saf PL ile karşılaştırıldığında, karışımdaki
SS yüzdesinin artmasıyla birlikte alev alanının boyutu ve parlaklığı ile görüntülerin
kırmızı renk yoğunluğu da artmıştır. Biyokütle peletlerine PO ilavesiyle alev alanı ve
kırmızı renk yoğunluğu daha da artmıştır. Bu sonuçlar, tatlı sorgum bagası ve piroliz
yağının, kümes hayvanı altlığı yanması ile daha etkin sonuçların ortaya çıktığı
hipotezimizi doğrulamaktadır. SS ve PO için alevin alanı ve kırmızı renk yoğunluğu,
saf PL'den daha büyük ve daha yoğun olmuştur. Buna göre SS'nin tek başına ve PO
ile kombinasyon halinde PL'ye kıyasla daha kısa bir tutuşma süresi sergilediğini
belirtmek gerekir. Bu nedenle hazırlanan peletlerin tutuşma gecikme süreleri saf PL,
SS ve bunların %50+%50'lik beraber karışımlarının süreleri sırası ile 75, 29 ve 38
saniyedir. Peletlere %10 piroliz yağı eklendiğinde tutuşma gecikme süreleri sırasıyla
49, 28 ve 33 saniyeye kısalmıştır. Bu sonuçlar, SS ve PO tarafından sağlanan daha
fazla uçucu maddenin dehidrasyon, volatilizasyon ve yanmaya olumlu katkıyı
etkilediği olgusu ile tutarlıdır. Alev kırmızı renk yoğunluğu üzerinde değişen biyokütle
yakıt parametrelerini daha iyi anlamak için, hazırlanan biyoyakıt peletlerinden elde
edilen yaklaşık bileşim parametreleri ve tutuşma indeksi değerleri kullanılarak Pearson
korelasyonları yapılmıştır. Sonuçlar, uçucu madde ve organik madde içeriğinin alev
kırmızısı renk yoğunluğuna anlamlı pozitif katkısını göstermiştir. HHV ve
tutuşabilirlik indeksi (Ii) de kırmızı renk yoğunluğunu olumlu yönde etkilemektedir.
Öte yandan PL'nin katkıda bulunduğu kül içeriği ve sabit karbonun kırmızı renk
yoğunluğu üzerinde önemli olumsuz etkileri olmuştur.
Saf PL en yüksek kül problemi indeksi değerine sahiptir (FI < 40) ve küldeki
potasyum, sodyum ve fosforun varlığından dolayı aşırı yüksek olarak
sınıflandırılmıştır. SS indeks değeri ise orta aralıkta (FI 0,6-40) tespit edilmiştir. PL:SS
%50+50 karışımının FI sonuçları dolayısıyla indeks değerini düşürmüştür. Ancak
karışımdaki ne SS ne de PO varlığı külle ilgili indeks değerlerini yeterince
iyileştirmemiştir ve bu durum daha fazla araştırma gerektirmektedir.

Abstract:
Poultry litter (PL) waste is produced from large-scale commercial broiler chicken
rearing in rural areas. With the increasing demand for poultry meat and eggs, the
volume of PL generated has also risen. Traditionally, PL has been used as fertilizer on
small and mid-size farms. However, as poultry production has become more
centralized and farm sizes have grown, there are significant concerns about water,
land, and air pollution. The large-scale accumulation of waste outside of the cropping
season and inadequate PL waste management can lead to health and welfare issues in
flocks, increased fly breeding, air pollution, unpleasant odors, and land and water
contamination. Currently, PL is disposed of through direct land application during the
cropping season and through energy applications for the rest of the year. Various
energy recovery methods and techniques have been employed for PL; among them,
co-combustion with various renewable or nonrenewable fuels has been identified as
the most effective from both technical and environmental standpoints. Incineration is
considered the quickest option for disposing of PL due to the substantial waste
accumulation.
The incineration of poultry litter is an effective method for reducing waste volume,
aligning with the United Nations Sustainable Development Goal of "affordable and
clean energy." However, mono-incineration presents significant challenges due to the
varying moisture, structural and chemical composition, and low energy yield of the
litter. While poultry litter contains lignocellulosic bedding and energy-rich manure-
like components, direct incineration experiments have not been successful due to the
presence of moisture, ash, and the chemical composition of ash, which degrade fuel
quality and combustion performance. Additionally, ash deposits caused by alkaline
minerals in the ash further complicate the incineration process. Therefore, blending
poultry litter with auxiliary fuels is necessary to achieve uniform combustion.
Biomass, as a renewable resource, contains high levels of organic compounds,
resulting in a high calorific value that can aid in fueling poultry litter. Mixing poultry
litter with lignocellulosic biomass can enhance the heating value of the blends.
Furthermore, biomass exhibits different combustion characteristics compared to
poultry litter, with higher volatility and lower ash content. This blending process can
influence the overall combustion process, leading to improved combustion efficiency,
reduced carbon monoxide emissions, and lower unburned carbon content in ash.
The increase in poultry production leads to a significant amount of poultry litter (PL),
mainly consisting of manure and litter materials. Disposing of this waste safely and
efficiently is a challenging task. The higher heating value (HHV) of this animal origin
waste is 19.0 MJ kg-1, making it a promising renewable energy source. Due to the
high prices of fossil fuels, there is growing interest in using PL for combustion in
specialized furnaces designed for heating poultry houses. The circular economy
approach and regulations promoting the use of farmed animal manure as a fuel in
combustion plants further encourage the use of PL as a fuel for direct combustion to
heat poultry houses on site. However, PL is considered a challenging fuel because it
decomposes quickly, causing the HHV to drop from 19.0 to 9.0-13.5 MJ kg-1 within
a few days due to higher moisture content. This hinders combustion and leads to ash-
related problems when mono combustion is applied. Therefore, pre-mixing or
pretreatment is necessary to improve the properties for combustion in a power plant or
direct combustion on a farm for space heating. Some biofuel feedstocks have high
HHV, low ash content, low ignition point, and optimal fouling, slagging, and high ash
melting temperatures, making them suitable for combustion. It's generally
recommended to blend more than two feedstocks after analyzing combustion
characteristics to optimize combustion problems and minimize gas emissions and ash-
related issues. Previous research indicates the synergistic effect of additional biomass
fuels on PL in relation to combustion parameters such as flame characteristics and ash
element index.
The study examines a practical method to enhance the combustion characteristics of
PL by using a blend of sweet sorghum bagasse (SS) and pyrolysis oil (PO). The
research analyzes the combustion behaviors of PL, SS, their mixture, and the addition
of PO using standard fuel analysis and image analysis. Additionally, the study
investigates the ash composition to compare the blended fuel's propensity for fouling
and slagging in the boiler system.
The aim of the study is to investigate how SS and PO can improve the fuel properties
of PL and reduce ash-related issues during combustion. Different biomass
combinations were created by blending PL with sweet sorghum bagasse at various
percentages (0.0%, 25%, 50%, 75%) and compared with 100% sweet sorghum
bagasse. To maximize energy potential and minimize ash deposition, some samples
were also mixed with 10% pyrolysis oil.
The experimental results indicate that increasing the proportion of SS and adding
pyrolysis oil (PO) to the mixtures raises the volatile matter and lowers the moisture
and ash content. The results from the proximate analysis on a dry basis for ash content,
volatile matter, and fixed carbon confirm our hypothesis that both pyrolysis oil and SS
proportions reduce ash content and increase volatile matter, making the mixtures more
suitable for combustion due to their high volatile matter, low ash content, and low
fixed carbon. According to the data, the pyrolysis oil used in the experiments contains
64% volatile material, showing reasonable combustibility. The addition of SS to PL
significantly increased volatile matter by 67%, 68%, and 71.50% with 25% (T1), 50%
(T2), and 75% (T3) SS addition, respectively. Furthermore, pyrolysis oil addition
further increased the volatile matter to 68%, 70%, and 73%, respectively. Similarly,
SS and PO significantly reduced ash content from 12.85% to 7.10% on a dry matter
basis, suggesting that most of the material resulting from burning are products that do
not contribute to fouling, slagging, and agglomeration during combustion.
The ignitability index is a useful indicator of how well biomass will perform in boiler
conditions. When SS is added to PL, the ignitability index of the pellet shifts in a 25%
mixture and remains almost constant (41.94 - 42.02) with further increases of SS in
the mixture. The addition of PO to PL:SS blends significantly improves the ignitability
index from 41.75 to 43.74. All the estimated ignitability index values were above 35,
indicating efficient use in a boiler. The high volatile content of SS is beneficial for
rapid ignition at low temperatures, avoiding prevalent problems with ash at higher
temperatures.
The calorific content increases as the proportion of SS in the poultry litter mixture
increases. By increasing the proportion of SS from 25% to 100%, the higher heating
values (HHV) increase from 4295 ± 12 Kcal kg-1 to 4404 ± 9 Kcal kg-1. Additionally,
the HHV values of PL:SS blends further increased in the 0.5-2.6% range when the
blends were mixed with 10% PO in fuel blends. The increasing trend in lower heating
value (LHV) and HHV values can be attributed to the chemical structure of both SS
and PO materials, as poultry litter contains relatively high moisture and ash minerals,
which reduce the LHV.
The addition of SS and PO improved the flame volume and red color intensity of the
PL blends based on image analysis. When compared to pure PL, the size and brightness
of the flame area and red color intensity of images increased with a higher percentage
of SS in the mixture. The flame area and red color intensity were further increased by
the addition of PO to the biomass pellets. These results support our hypothesis that
sweet sorghum bagasse and pyrolysis oil have a more potent effect on PL combustion.
The volatile flame's area and red color intensity for SS and PO were larger and more
robust than for pure PL. It is worth noting that SS alone and in combination with PO
exhibited a shorter time to ignition compared to PL. Therefore, the ignition delay times
of the prepared pellets were 75, 29, and 38 seconds for pure PL, SS, and their 50-50%
mixture, respectively. When 10% pyrolysis oil was added to the pellets, the ignition
delay times were shortened to 49, 28, and 33 seconds, respectively. These results are
consistent with the phenomenon that more volatiles provided by SS and PO affect
dehydration, devolatilization, and positively contribute to burning. To better
understand the impact of changing biomass fuel parameters on flame red color
intensity, Pearson correlations were performed using proximate composition
parameters and ignition index values obtained from prepared biofuel pellets. The
results showed the significant positive contribution of volatile matter and organic
matter content on flame red color intensity. Higher Heating Value (HHV) and
ignitability index (Ii) also positively affect red color intensity. On the other hand, the
ash content and fixed carbon contributed by PL had significant adverse effects on the
red color intensity.
PL had the highest fouling index value (FI < 40) and was classified as extremely high
due to the presence of potassium, sodium, and phosphorus in ash. On the other hand,
the index value of SS was in the medium range (FI 0.6-40). The fouling index results
of the 50% PL and 50% SS mixture reduced the overall index value. However, neither
SS nor PO in the mixture showed a low tendency to ash fouling. The presence of SS
and PO did not sufficiently improve the ash-related index values, which necessitates
further investigation.