Ömrünü tamamlamış pamuk içeriği zengin banknotların akışkan yatak reaktörde gazlaştırılması ve modellenmesi
Gasification of end-of-life banknotes rich in cotton content in a fluidized bed reactor and modelling
Yazar: HAKAN KAVUŞTU
Danışman: DOÇ. DR. EMİR HÜSEYİN ŞİMŞEK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Akışkan yatak = Fluidized bed ; Döngüsel ekonomi = Circular economy ; Gazlaştırma = Gasification

Özet:
Sanayileşme ve nüfus artışı gibi nedenlerle tüketimi artmaya devam eden enerjinin çoğunluğunun fosil yakıtlardan elde edilmesi; enerji güvenliği ile çevresel ve insan sağlığına etkilerine yönelik kaygıları artırmaktadır. Bu doğrultuda, biyokütlenin içerisinde en büyük paya sahip olduğu yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi her geçen gün artmaktadır. Küresel bir ürün olan banknotların üretiminde kullanılan baskı malzemelerinin büyük çoğunluğunda pamuk kullanılmaktadır. Dünya genelindeki ömrünü tamamlamış banknot ve üretim atığı banknot miktarı toplamının yıllık 185.000 tonu geçtiği hesaplanmaktadır. Ömrünü tamamlamış pamuk içeriği zengin banknotlar; çoğunlukla yakma ve atık saha doldurma yoluyla bertaraf edilmektedir. 
Bu çalışmada, pamuk içeriği zengin banknotların daha etkin şekilde ekonomiye kazandırılması amacıyla banknot örneğinin karakterizasyonu, gazlaştırılması ve kinetiğinin modellenmesi araştırılmıştır. Karakterizasyon testleri kapsamında; ısıl değer, kısa, lignoselülozik, elementel, metal, termogravimetrik ve FTIR analizleri gerçekleştirilmiştir. Termal analizden elde edilen veriler kullanılarak Kissinger, Flynn-Wall-Ozawa ve Kissinger-Akahira-Sunose kinetik yöntemleri ile termal bozunma incelenmiştir. Akışkan yataklı gazlaştırıcıda su buharı-hava ile farklı işletim şartlarında (sıcaklık, parçacık boyutu, H2O/O2 oranı, eş-gazlaştırma, torrefikasyon ön işlemi) elde edilen gaz ürün bileşimi (CO, CO2, CH4, H2, O2) incelenmiştir. Gaz ürün bileşiminde etkili olabilecek gazlaştırma tepkimeleri araştırılmıştır. Modelleme çalışmasında, birinci mertebeden lineer kesikli zaman modeli önerilmiştir. Modelin deneysel verilere uygunluğu ve tepkime hız sabitleri Kalman filtresi kullanılarak MATLAB'da yazılmış programla belirlenmiştir. Karakterizasyon testlerinin sonuçları, ömrünü tamamlamış pamuk içeriği zengin banknotların, biyokütle çevrim yöntemlerinde kullanım için temel karakteristiğe sahip olduğunu göstermiştir. Gazlaştırma deneylerinde ise yüksek oranda CO (% 12,11)  ve H2 (% 8,77)  içeriğine sahip sentez gazı elde edilmiştir. Model için belirlenen en büyük hız sabitine, su buharı reformasyon tepkimesi sahip olmuştur.

Abstract:
Obtaining the majority of energy from fossil fuels, whose consumption continues to increase due to reasons such as industrialization and population growth, raises concerns about energy security, environmental and human health impacts. Accordingly, the importance of renewable energy sources, of which biomass has the largest share, is increasing day by day. Cotton is used in the majority of substrates used in the production of banknotes, which are a global product. It is estimated that the total amount of banknote production waste and end-of-life (non-reusable) banknotes exceeds 185,000 tons per year worldwide. End-of-life banknotes rich in cotton content are mostly disposed of as combustion and landfill. 
In this study, the characterization, gasification and modelling of the kinetics of banknote samples were investigated to bring end-of-life banknotes rich in cotton content into the economy more effectively. Within the scope of characterization tests; calorific value, proximate, lignocellulosic, elemental, metal, thermogravimetric and FTIR analyzes were performed. Using the data obtained from thermal analysis, thermal decomposition was examined with the kinetic methods of Kissinger, Flynn-Wall-Ozawa and Kissinger-Akahira-Sunose. The gas product composition (CO, CO2, CH4, H2, O2) obtained in the fluidized bed gasifier with steam-air under different operating conditions (temperature, particle size, H2O/O2 ratio, co-gasification, torrefaction pretreatment) was investigated. Gasification reactions that may have an impact on the gas product composition were studied. In the modeling study, a first-order linear discrete time model was suggested. Its conformity to experimental data and reaction rate constants were determined with the program written in MATLAB using the Kalman filter. The results of the characterization tests showed that end-of-life banknotes rich in cotton content have main characteristics for use in biomass conversion methods. In gasification experiments, syngas gas with high content of CO (12.11 %) and H2 (8.77 %) was obtained. The steam reforming reaction had the maximum rate constant determined for the model.