Elbistan linyiti ve su mercimeği (Lemna minor)'nin birlikte sıvılaştırılması
Co-liquefaction of Elbistan lignite and duckweed (Lemna minor)
Yazar: MEHMET ALİ ÇOŞKUN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN KARACA
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Kesikli reaktörler = Batch reactors ; Linyit kömürü = Lignite coal

Özet:
Bu çalışmada, Elbistan linyiti ve biyokütle (su mercimeği)'nin katalitik ve katalitik olmayan koşullarda doğrudan sıvılaşma verimi araştırılmıştır. Sıvılaştırmada amaç, yakıtın (H/C)atomik oranını artırmaktır. Biyokütlenin (H/C)atomik oranı linyite göre daha yüksek olduğundan, doğrudan sıvılaştırma çalışmalarında yalnız kömür yerine biyokütle ve kömürün birlikte kullanılması sıvılaşma verimi ve çevre kirliliğinin azaltılması üzerine sinerjistik bir etki yapmaktadır. Bundan dolayı, bu çalışmada biyokütle olarak su mercimeği (Lemna minor) kullanılmıştır.
Çalışmanın ilk aşamasında linyit tanecik boyutunun etkisini belirlemek amacıyla katalitik olmayan koşullarda N2 atmosferinde, 400 ℃ sıcaklık ve 60 dk reaksiyon süresi koşullarında sıvılaştırma işlemi gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlara göre uygun tanecik boyutunun 0,25 mm olduğu belirlenmiştir. Katalitik sıvılaştırma işlemlerinde, katalizör türü olarak Boraks Pentahidrat (Etibor-48, Na2O.2B2O3.5H2O), Etidot-67 (Na2B8O13.4H2O), Bor Oksit (B2O3, camsı ve amorf formda), Susuz Boraks (Etibor-68, Na2O.2B2O3), Sodyum Perborat Tetrahidrat (NaBO2.H2O2.4H2O) ve Boraks Dekahidrat (Kristal, Na2O.2B2O3.10H2O)) kullanılmıştır. Sıvılaştırma işlemi sonucunda elde edilen toplam dönüşüm ve sıvı ürün verimlerine göre, uygun katalizör türü olarak Boraks Dekahidrat (Kristal, Na2O.2B2O3.10H2O) seçilmiştir. Sıvılaştırma işlemlerinde katalizör reaksiyon ortamına fiziksel karıştırma yöntemiyle ilave edilmiştir. Çözücü/katı oranı, biyokütle/kömür oranı, karıştırma hızı, başlangıç azot gazı basıncı, reaksiyon süresi ve reaksiyon sıcaklığının toplam dönüşüm ve sıvı ürün verimi üzerine etkisi araştırılmış, elde edilen sonuçlara göre uygun proses parametreleri; çözücü/katı oranı 3/1, biyokütle/kömür oranı 1/1, karıştırma hızı 800 devir/dakika, başlangıç azot gazı basıncı 20 bar, reaksiyon süresi 60 dk ve reaksiyon sıcaklığı 400 0C olarak belirlenmiştir. Katalitik koşullarda, linyit ve biyokütlenin birlikte kullanıldığı durumda elde edilen sıvılaşma verimi, katalitik olmayan koşullara göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bu koşullarda elde edilen toplam dönüşüm % 79,43, PAS+AS verimi % 27,53, yağ+gaz verimi % 51,90 ve gaz hacmi ise 22,0 L olarak bulunmuştur.
Sıvılaştırma işlemi sonunda elde edilen sıvı ürünler çözücü ekstraksiyonu yöntemiyle çözünebilir ürünlere (Preasfalten, Asfalten ve Yağ) ayrılmıştır. Çözünebilir ürünlerden yağlar gaz kromatografisi – kütle spektrofotometresi (GC-MS) ile analizlenmiştir. GC-MS analiz sonuçlarına göre, elde edilen yağların önemli ölçüde aromatik ve poliaromatik bileşiklerden oluştuğu görülmüştür, bu bileşikler önemli ölçüde tetralin ve türevleri, naftalin ve türevleri, benzen ve türevleri, azulen gibi bileşiklerden oluşmaktadır. Uygun proses koşullarında yapılan sıvılaştırma işlemi sonucunda elde edilen yağın ısıl değeri 10088 cal/g, Batman Rafinerisi'nden temin edilen ham petrolün ısıl değeri ise 10124 cal/g bulunmuştur. Sıvılaşma ürünlerinden yağların GC-MS ve ısıl değer analizlerine göre, sıvılaştırmada elde edilen yağların ham petrol ve fraksiyonlarına yaklaşık olarak benzer yeni bir sıvı yakıt olduğu ileri sürülebilir.

Abstract:
In this study, direct liquefaction efficiency of Elbistan lignite and biomass (duckweed) was investigated under catalytic and non-catalytic conditions The purpose of liquefaction is to increase the (H/C)atomic ratio of the fuel. Since the (H/C)atomic ratio of biomass is higher than lignite, using biomass and coal together instead of coal alone in direct liquefaction studies has a synergistic effect on the liquefaction efficiency and the reduction of environmental pollution. Therefore, duckweed (Lemna minor) was used as biomass in this study.
In the first stage of the study, liquefaction process was carried out in non-catalytic conditions under N2 atmosphere with 400 oC temperature and 60 min reaction time conditions in order to determine the lignite particle size and according to the results obtained appropriate particle size was found to be 0,25 mm. In catalytic liquefaction processes, Borax Pentahydrate (Etibor-48, Na2O.2B2O3.5H2O), Etidot-67 (Na2B8O13.4H2O), Boron Oxide (B2O3, in glassy and amorphous form), Anhydrous Borax (Etibor-68, Na2O. 2B2O3), Sodium Perborate Tetrahydrate (NaBO2.H2O2.4H2O) and Borax Decahydrate (Crystal, Na2O.2B2O3.10H2O)) were used as catalyst type. Borax Decahydrate (Crystal, Na2O.2B2O3.10H2O) was chosen as the appropriate catalyst type according to the total conversion and liquid product yields obtained as a result of the liquefaction process. In liquefaction processes, the catalyst was added to the reaction medium by physical mixing. The effects of solvent/solid ratio, biomass/coal ratio, mixing speed, initial nitrogen gas pressure, reaction time and reaction temperature on total conversion and liquid product yield were investigated. According to the results regarding the appropriate process parameters, the solvent/solid ratio is 3/1, the biomass/coal ratio is 1/1, the mixing speed is 800 rpm, the initial nitrogen gas pressure is 20 bar, the reaction time is 60 min and the reaction temperature is 400 oC. In catalytic conditions, the liquefaction efficiency obtained when lignite and biomass are used together were found to be higher than non-catalytic conditions. The total conversion obtained under these conditions was found to be 79,43 %, PAS + AS efficiency 27,53 %, oil+gas yield 51,90 % and gas volume 22,0 L.
The liquid products obtained at the end of the liquefaction process were separated into soluble products (Preasphalten, Asphaltene and Oil) by the solvent extraction method. Oils from soluble products were analyzed by gas chromatography - mass spectrometry (GC-MS). According to the results of GC-MS analysis, it was seen that the oils obtained consisted of aromatic and polyaromatic compounds to a great extent, these compounds mainly consist of tetralin and its derivatives, naphthalene and derivatives, benzene and derivatives, azulene. The calorific value of the oil obtained as a result of the liquefaction process carried out under appropriate process conditions was 10.088 cal/g, and the calorific value of the crude oil obtained from Batman Refinery was 10.124 cal/g. According to GC-MS and calorific value analysis of liquefaction products, it can be argued that the oils obtained in liquefaction are approximately similar to crude oil and its fractions.