Akışkan yataklı bir gazlaştırıcıda biyokütlenin gazlaşma performansının termodinamik yaklaşım ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yaklaşımı ile değerlendirilmesi
Evaluation of gasification performance of biomass in a fluidized bed gasifier by thermodynamic approach and computational fluid dynamic (CFD) approach
Yazar: MUSA YAZGI
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN TOPAL
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Akışkan yatak = Fluidized bed ; Biyokütle = Biomass ; Gazlaştırma = Gasification

Özet:
Bu çalışmada, Türkiye'de önemli bir potansiyele sahip biyokütle atıklarının gazlaştırılması Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve Termodinamik Denge Yaklaşım modelleri ile teorik olarak incelenmiştir. Bu doğrultuda ilk olarak Loha vd. (2013) tarafından kabarcık akışkan yatak gazlaştırıcıda yürütülen deneysel çalışma verileri ile model sonuçları karşılaştırılmıştır. Termodinamik denge yaklaşımı için oluşturulan modelin deneysel verilerle uygun sonuç vermediği belirlenmiştir. HAD modeli ise deneysel çalışma verileri ile doğrulandığından oluşturulana model ile biyokütlelerin (prinç kabuğu, odun atığı ve fındık kabuğu) gazlaşma performansına işletim koşullarının etkisi parametrik çalışmalar adı altında teorik olarak incelenmiş ve 10 kata kadar ölçeklendirme çalışmaları yapılmıştır. Parametrik çalışmalarda gaz ürün bileşimi, H2/CO oranı ve alt ısıl değer (LHV), sıcaklık (T, 650 – 950 ℃), buhar/biyokütle oranı (S/B, 0,20 – 1,00) ve eşdeğerlik oranı (ER, 0,15 – 0,35) değerlerinin etkileri incelenmiştir. Sıcaklıktaki artış CO ve LHV değerini artırırken H2, CH4 derişimleri ile H2/CO oranını azaltmıştır. S/B değerindeki artış CO, CH4 ve LHV değerini azaltırken H2, CO2 derişimleri ile H2/CO oranını artırmıştır. ER değerindeki artış ise H2, CO, CH4, H2/CO ve LHV değeri azaltırken CO2 derişimi artırmıştır. Sentez gazı bileşimi ve LHV değeri açısından prinç kabuğu diğer iki biyokütleden daha iyi performans vermiştir. Sıcaklığın 950 ℃, S/B değerinin 0,20 ve ER değerinin 0,15 olduğu koşullarda 10 MJ/Nm3 ile LHV değeri en yüksek gaz ürün prinç kabuğu kullanılarak elde edilmiştir. Odun atığının kullanıldığı ölçeklendirme çalışmalarında ise ölçek oranının sentez gazı bileşimi ve LHV değerine önemli bir etki yapmadığı görülmüştür. Yürütülen çalışmalar sonucunda HAD yaklaşımının gazlaştırıcı optimizasyonu, tasarımı ve ölçeklendirmede kullanışlı olduğu değerlendirilmiştir.

Abstract:
In this study, the gasification of biomass waste has significant potential in Turkey was investigated by Computational Fluid Dynamics (CFD) and Thermodynamic equilibrium theoretical models. In this direction, the model results compared with the experimental study data carried out in the bubble fluidized bed gasifier (Loha et al. 2013). It was determined that the model created for the thermodynamic equilibrium approach did not give appropriate results with experimental data. Since the CFD model was verified with experimental data, the effect of operating conditions on the gasification performance of biomasses (rice husk, wood waste and hazelnut shell) was theoretically examined under the name of parametric studies, and scaling studies were carried out up to 10 times. In parametric studies, effects of temperature (T,650 - 950 ℃), steam to biomass ratio (S/B, 0,20 – 1,00) and equivalence ratio (ER, 0,15 – 0,35) values on gas product composition, H2/CO ratio and lower heating value (LHV) were investigated. While the increase in temperature increased the CO concentrations and LHV value, reduced the H2/CO ratio, H2 and CH4 concentrations. The increase in S/B value decreased the CO, CH4 and LHV values, increased the H2 ,CO2 concentrations and H2/CO ratio. The increase in ER value decreased the LHV value, H2, CO, CH4 concentrations and H2/CO ratio, while the CO2 concentration increased. In terms of synthesis gas composition and LHV value, rice husk outperformed the other two biomass. Under conditions where the temperature is 950 ℃, the S / B value is 0.20 and the ER value is 0.15, the highest LHV value with 10 MJ / Nm3 was obtained by using the rice husk. In scaling studies using wood waste, it was observed that the scale ratio did not have a significant effect on the synthesis gas composition and LHV value. It was seen that scaling up had no significant effect on the synthesis gas composition and LHV value. As a result of the studies, it was evaluated that the CFD approach is useful in gasifier optimization, design and scaling.