Pirinanın yüksek kükürtlü linyitlerle birlikte kabarcıklı akışkan yatakta yakılması, topaklaşma probleminin incelenmesi ve çözüm yollarının araştırılması
Co-combustion of olive cake and high-sulfur lignites in a bubbling fluidized bed, investigation of control methods for agglomeration
Yazar: CANSU ÇELİKLER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT VAROL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Yatak malzemesinin topaklaşması, alkali içeriği yüksek biyokütlelerin akışkan yatak yakma sistemlerinde yakılması sırasında görülen bir işletme problemidir. Bu problemin mekanizmalarının belirlenmesi ve bertarafına yönelik kontrol yöntemlerinin tespit edilmesi biyokütle kaynaklarının enerji eldesinde değerlendirilmesi bakımından oldukça önemlidir. Akışkan yatak sistemlerinde yakıt külündeki alkali oksitler yatak malzemesi olarak kullanılan silika kumu ile tepkimeye girebilmekte ve erime noktası düşük alkali silikatlar oluşabilmektedir. Topaklaşmayı önlemek amacıyla bu iki içerikten birinin sistemden uzaklaştırılması ya da miktarlarının azaltılması gerekmektedir.
Çalışmada biyokütle olarak yüksek alkali içeriği nedeniyle pirina kullanılmıştır. Topaklaşmayı önlemek amacıyla üç farklı kontrol yöntemi incelenmiştir. Bunlar; pirinanın (ağırlıkça %50) yüksek kükürtlü Türk linyitleri (Tunçbilek ve Çan) ile birlikte yakılmaları, yanma öncesi pirinanın yıkanması ve alternatif yatak malzemesi olarak kum yerine kireçtaşının kullanılmasıdır. Yanma deneyleri, 100 mm iç çapa, 1800 mm yüksekliğe sahip laboratuvar ölçekli kabarcıklı bir akışkan yatak yakma sisteminde gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonunda dip külleri ve cüruf, elementel içeriklerinin ve fazlarının belirlenmesi için X-Işını Floresans (XRF), Taramalı Elektron Mikroskobu-Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi (SEM-EDS), Elektron Prob Mikro Analiz (EPMA) ve X-Işını Dağılımı (XRD) analizlerine tabi tutulmuştur.
Çalışma sonuçları, kumun yatak malzemesi olarak kullanıldığı pirinanın 850 °C'de yakılması deneyinde yatak malzemesinin topaklaştığını ortaya koymuştur. Birlikte yakma deneylerinde herhangi bir işletme problemi görülmemiştir. Birlikte yakma deneylerinden elde edilen dip küllerinde erime noktası düşük bileşiklere rastlanmamıştır. Bu durum, kullanılan linyitlerin yüksek kükürt içerikleri (Tunçbilek: %1,64; Çan: %4,51) ile açıklanmaktadır. Yüksek alkali içeriğine sahip pirinanın kükürt içeriği yüksek linyitlerle birlikte yakılması Potasyum Silikat oluşumunu engellemiş ve akabinde dip külünün topaklaşmasına mani olmuştur. Pirina ve linyit karışım deneylerinin dip külünde potasyum elementi KAlSiO4 formunda görülmüştür. Pirinanın alkali metal içeriği az olan linyitlerle birlikte karıştırılıp yakılması –aynı zamanda- yakıt karışımındaki alkali metal miktarını da azaltmaktadır. Bu da topaklaşmanın görülmemesinin bir başka nedeni olabilir. Yıkama işlemi ile pirinanın alkali içeriğinin uzaklaştırılması silikat oluşumunu önlemektedir. Yıkanmış pirinanın yakılması deneylerinde, topaklaşma oranında fark edilebilir bir düşüş gözlenmiştir. Pirina yakma deneyinde yatak malzemesinin kireçtaşı ile değiştirilmesi yakıcının iç yüzeyinde biriken kül miktarının azalması bakımından pirinanın yıkanmasından daha etkili olmuştur. Yatak malzemesi olarak kireçtaşı kullanılması potasyum elementinin dip külünde Arkanit (K2SO4) fazında bulunmasına neden olmuştur. Bu durum, topaklaşmaya neden olan alkali silikatların oluşmasını engellemiştir.

Abstract:
Agglomeration of the bed material is an operational problem seen during the combustion of high alkali content biomasses in fluidized bed combustion systems. It is very important to determine agglomeration mechanisms and to identify control methods in terms of utilizing biomass resources in energy production. Alkali oxides in fuel ash can react with silica sand used as a bed material in fluidized bed systems so the formation of molten silicates at low temperature can occur. In order to prevent agglomeration, one of these two contents needs to be removed from the system or reduced in quantity.
In this study, olive cake was used as a biomass because of its high alkali content. Three different control methods were investigated in order to prevent agglomeration. The control methods were; co-combustion of olive cake (50% by weight) with Turkish lignites (Tunçbilek, Çan), pre-combustion leaching of the olive cake and using limestone as an alternative bed material instead of silica-sand. The combustion tests were conducted in a laboratory scale bubbling fluidized bed combustion system having an inside diameter of 100 mm and a height of 1800 mm. At the end of each test, bottom ash samples and slag samples were subjected to X-ray fluorescence (XRF), Scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), Electron probe micro-analyzer (EPMA) and X-ray diffraction (XRD) analyses to determine elemental composition and phases of slag and bottom ashes.
Agglomerated particles were detected at the bed temperature of 850 °C for the combustion of olive cake. Co-combustion tests were carried out without any operational problem. Low melting point eutectics tests were not determined in the bottom ashes of co-combustion tests. This can be explained by the high sulfur content of the lignites (Tunçbilek: 1.64%, Çan: 4.51%). Combustion of olive cake with high sulfur lignites hindered the formation of Potassium Silicate and subsequently prevented the agglomeration of the bottom ash. The potassium element was found in the form of KAlSiO4 in the bottom ash of the olive cake and lignite mixture tests. Co-combustion of olive cake and lignites with low alkali metal content also reduces the amount of alkali metal in the fuel mixture. This may be another reason for the agglomeration not to be seen. Removal of the alkaline content of the olive cake by the leaching process prevents silicate formation. A noticeable decrease in the rate of agglomeration was observed in the combustion of the leached olive cake. Using limestone as the bed material instead of silica is more effective than leached olive cake combustion tests in terms of reducing the amount of ash deposited on the inner surface of the fluidized bed. The use of limestone as a bed material caused the potassium observed in the form of Arcanite (K2SO4) phase in the bottom ash. It prevented the formation of alkaline silicates which cause agglomeration.