Fındık kabuklarının gazlaştırılması ile hidrojence zengin sentez gazı üretiminin ekserji analizi
Exergy analysis of hydrogen-rich syngas production from gasification of hazelnut shells
Yazar: EMİRHAN KARAGÖZ
Danışman: PROF. DR. SERDAR YAMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günümüzde artan enerji ihtiyacı, küresel ısınma ve azalan fosil yakıtlar, yeni enerji kaynaklarına ilgiyi artırmıştır. Fosil yakıtların aşırı kullanımı çevre kirliliğine ve karbon emisyonlarına neden olmuş, bu nedenle temiz, sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmıştır. Fosil yakıtların ağırlıklı olarak kullanılması, çevresel sorunlara ve iklim değişikliğine yol açarak sürdürülebilir enerji kaynaklarına duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, yenilenebilir enerji kaynaklarının fosil yakıtların sorunlarına çözüm sunduğunu göstermiştir. Güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji, okyanus enerjisi ve biyo-enerji gibi kaynaklar bu çözümlerin bir parçasıdır.
Biyokütle, fosil yakıtların aşırı tüketimine karşı alternatif olarak öne çıkan bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Karbon nötr özelliği, düşük coğrafi bağlılık, kolay depolanabilirlik gibi avantajlara sahiptir. Fotosentez sayesinde atmosferdeki karbonu kullanarak oksijen üretilmekte, böylece biyokütle kaynaklı enerji üretiminde karbon salınımını azaltmaktadır. Biyokütle, odun, bitkisel atıklar, evsel atıklar gibi birçok farklı kaynaktan elde edilebilir. Tarımsal atıklar gibi biyokütle türleri, gelecekte enerji ihtiyacını karşılamada potansiyel kaynaklar olarak önem taşımaktadır. Orman atıkları, endüstriyel ve belediye atıklarıyla birlikte biyokütle yakıtlarının önde gelen kullanım alanlarından biridir. 2030'a kadar biyokütle temelli enerji sektörünün küresel enerji talebinin %50'sini karşılaması beklenmektedir.
Biyokütle, enerji potansiyelinin değerlendirilmesinde farklı biyokimyasal ve termokimyasal yöntemler kullanılabilmektedir. Termokimyasal dönüşüm yöntemleri genellikle gazlaştırma, piroliz, doğrudan yakma ve sıvılaştırma olarak dört ana kategoriye ayrılmaktadır. Yapılan çalışmalar, yakma prosesinin düşük verime sahip olmasına rağmen en çok tercih edilen yöntem olduğunu gösterse de, gazlaştırma ve piroliz yöntemlerinin daha verimli ve daha az emisyon açığa çıkardığını olduğunu ortaya koymaktadır. Gazlaştırma prosesi, yüksek kalitede sentez gazı, değerli yakıtlar ve kimyasal ham maddeler elde etmede diğer yöntemlere göre avantajlıdır. Bu yöntem, diğer termokimyasal dönüşüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında daha temiz içerikli bir gaz üretir, bu da enerji geri kazanımının daha yüksek ve elde edilen gazın ısı kapasitesinin daha avantajlı olmasına olanak tanımaktadır.
Gazlaştırma, karbon içeren hammaddeleri, gazlaştırma ajanı ile birlikte çeşitli ürünlere dönüştüren bir termokimyasal dönüşüm yöntemidir. Bu yöntemde, genellikle kömür, biyokütle, endüstriyel ve tarımsal atıklar kullanılarak gazlaştırma ajanları olarak hava, su buharı, oksijen veya bu bileşenlerin karışımı tercih edilmektedir. Yapılan çalışmalar, gazlaştırma yöntemleri arasında su buharı ve oksijenle gazlaştırmanın daha verimli olduğunu ve temiz içerikli bir gaz elde etmenin avantajlarını göstermektedir. Biyokütlenin gazlaştırılması sonucu elde edilen sentez gazı bileşimi, tercih edilen biyokütle türüne, kullanılan gazlaştırıcı tipine, gazlaştırma ajanına, biyokütle/gazlaştırma ajanı oranına, gazlaştırma sıcaklığına ve basıncına bağlıdır. Elde edilmek istenen gaz kompozisyonunu, besleme miktarını, sıcaklığı ve biyokütle besleme türünü göz önünde bulundurarak, farklı tiplerde gazlaştırıcılar kullanılabilmektedir.
Gazlaştırıcılar, biyokütle gazlaştırma sürecinin kritik bir parçasıdır ve farklı tipleri, besleme yapılacak yere ve kullanılan ısıtma türüne göre sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflandırmalar, gazlaştırma işleminin etkin bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlamak için önemli bir konumda bulunmaktadır. Reaktörler, yerleşim yerine göre akışkan yatak, hareketli yatak, sabit yatak ve sürüklenmeli akışlı yatak olarak dörde; ısıtma türüne göre ise doğrudan ısıtmalı ve endirekt ısıtmalı gazlaştırıcılar olarak ikiye ayrılmaktadır. Gazlaştırıcı tercihi, hedeflenen ürün, gazlaştırıcı sıcaklıkları, kapasite, kullanılan yakıt, operasyon zorlukları ve maliyet gibi parametrelere bağlı olarak değişiklik göstermektedir.
Ekserji, bir madde akışının veya bir materyalin referans bir çevre ile termokimyasal dengeye ulaşması durumunda elde edilebilecek maksimum iş miktarını ifade etmektedir. Ekserji analizi, enerji sistemlerinin tasarımı, analizi ve verimliliğinin ölçülmesi için kullanılmakta olan bir yöntemdir. Ekserji analizi, enerji sistemlerindeki verimsizlikleri belirleyerek bu verimsizlikleri azaltmayı hedefleyen bir analiz yöntemidir. Bu sayede daha verimli enerji sistemlerinin tasarlanmasına yardımcı olur, enerji kaynaklarının ve atıkların daha verimli bir şekilde kullanılmasına rehberlik etmektedir.
Bu çalışma, Türkiye'de oldukça yüksek miktarda üretilen fındıkların kabuklarının, su buharı ile gazlaştırılması ile hidrojence zengin sentez gazı üretimi prosesinin ekserji analizinin gerçekleştirilmesini amaçlamaktadır. Laboratuvar ölçeğindeki bu prosesin, ASPEN Plus yazılımı ile simülasyonu yapılmıştır. Proses; kurutma, ayırma, piroliz ve gazlaştırma aşamalarını içermektedir. Proseste biyokütle olarak fındık kabuğu, gazlaştırma ajanı olarak ise  su buharı kullanılmıştır. Biyokütle besleme miktarı 50 kg/saat olarak ve gazlaştırma basıncı 1 atm olarak sabit tutulmuştur. Proses  sonucu elde edilen gazın bileşimini etkileyen parametre olarak farklı gazlaştırma ajanı-biyokütle oranı ve  farklı gazlaştırma sıcaklıkları incelenmiştir. 
Farklı alanlarda, çeşitli uygulamalarda ve farklı ürünlerin ve üretimlerin kullanıldığı bir dizi simülasyon programı bulunmaktadır. ASPEN; rafineri, kimyasal prosesler, gaz üretimi, güç üretimi gibi birçok farklı alanda kullanılabilen bir simülasyon programıdır ve biyokütle gazlaştırma proseslerinde en çok tercih edilen programlardan biri ASPEN Plus'tır.
Proses, beş temel aşamadan oluşmaktadır. İlk aşama, fındık kabuğundaki nemin giderilmesi amacıyla uygulanan kurutma işlemidir. Prosesin ikinci aşamasında, kurutulmuş biyokütle ile nem, birbirinden bir seperatör/ayırıcı yardımıyla ayrılmaktadır. Prosesin bir sonraki aşamasında, nemden arındırılmış biyokütle, karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azot (N), kükürt (S) ve kül gibi bileşenlere ayrıştığı piroliz işlemine tabi tutulmaktadır. Prosesin dördüncü aşamasında, ayrıştırılan bileşenler biyokütle gazlaştırıcısına yönlendirilmektedir. Bu aşamada, gazlaştırma ajanı olarak su buharının prosese eklenmesiyle gazlaştırma işlemi gerçekleşmektedir. Gazlaştırma sonucunda elde edilen gaz, gazlaştırıcı çıkışında ikinci bir ayırıcıdan geçirilmektedir. Bu aşamada, gazlaştırma sonucu elde edilen sentez gazı ile kül birbirinden ayrılmaktadır.
Fındık kabuklarının biyokütle yakıtı olarak tercih edildiği ve gazlaştırma ajanı olarak su buharının kullanıldığı gazlaştırma prosesi ile hidrojence zengin sentez gazı üretiminin simülasyonu, farklı sıcaklık ve farklı su buharı-biyokütle oranlarında (SBO) test edilmiştir. Gazlaştırma sıcaklıkları 700 oC ile 1000 oC arasında, SBO ise 0,2 ile 1 arasında değişmektedir. 
Farklı sıcaklık ve farklı gazlaştırma ajanı-biyokütle oranlarında yapılan testlerde en yüksek H2 ve CO içeriğine sahip sentez gazının; SBO 0,2 ve gazlaştırma sıcaklığı 1000 oC'de elde edildiği gözlenmiştir. 
Biyokütlenin termal dönüşümünün enerji verimliliği, gazlaştırma prosesinin gerçekleştiği koşullarla yakından ilişkilidir. Bu nedenle, gazlaştırma prosesinin analiz edilmesi ve performansının iyileştirilmesi amacıyla TİY ile kütle ve enerji korunumu prensiplerini birlikte kullanan ekserji analizi uygulanmıştır. Bu çalışmada iki farklı ekserji verimliliği incelenmektedir. Bu verimliliklerin biri, gazlaştırma sonucu elde edilen tüm gazların karışımını içerirken, diğeri sadece sentez gazı içerisindeki hidrojen üzerine uygulanmıştır. İlk ekserji verimliliği, gazlaştırıcı giriş ve çıkış ekserjilerinin birbirine oranını içeren, gazlaştırıcıdan çıkan gaz karışımının toplam ekserjisinin, biyokütle ve su buharının ekserjisinin toplamına oranı; ikinci ekserji verimliliği, elde edilen gazın hidrojence zengin olması beklendiğinden dolayı, hidrojenin ekserjisinin, biyokütlenin ve su buharının ekserjisinin toplamına oranı olarak hesaplanmıştır.
Birinci ekserji verimliliği sonuçları göz önüne alındığında, en yüksek ekserji veriminin %54,88 ile en yüksek sıcaklık olan 1000 oC'de ve en düşük SBO olan 0,2'de elde edildiği gözlemlenmiştir. Bunun sebebi, bu sıcaklık ve SBO'da en yüksek H2 ve CO mol fraksiyonları elde edilmiştir ve bu gazların ekserji değerleri oldukça yüksektir. En düşük ekserji verimliliği %25,86 ile 700 oC sıcaklık ve 0,2 SBO'da elde edilmiştir. Bu koşullarda elde edilen gaz içeriğindeki H2 ve CO miktarı oldukça düşüktür. 
İkinci ekserji verimliliği sonuçları göz önüne alındığında hidrojen ekserji verimliliğinin %17 ile %31,5 arasında değiştiği gözlemlenmiştir. En yüksek hidrojen ekserji veriminin en düşük sıcaklık olan 1000 oC'de ve en yüksek su buharı-biyokütle oranı (SBO) olan 1'de elde edildiği gözlemlenmiştir. Bunun sebebi, bu koşullarda sentez gazı içerisindeki H2 fraksiyonunun görece düşük olmasına rağmen, gazlaştırıcıya beslenen gazlaştırma ajanı miktarının yüksek olması ile elde edilen sentez gazı miktarının da yüksek olması olarak yorumlanabilir. Diğer taraftan en düşük hidrojen ekserji verimi 700 oC sıcaklık ve 0,2 SBO'da gözlemlenmiştir

Abstract:
In today's context, the growing energy demand, global warming, and diminishing fossil fuels have increased interest in new energy sources. Excessive use of fossil fuels has led to environmental pollution and carbon emissions, highlighting the need for clean, sustainable, and renewable energy sources. Recent studies have shown that renewable energy sources offer solutions to the problems associated with fossil fuels. Resources such as solar energy, wind energy, geothermal energy, ocean energy, and bioenergy are part of these solutions.

Biomass emerges as a renewable energy source that stands out as an alternative to the excessive consumption of fossil fuels. It has advantages such as carbon neutrality, low geographical dependence, and easy storability. Through photosynthesis, biomass contributes to oxygen production by utilizing atmospheric carbon, thereby reducing carbon emissions in biomass-based energy production. Biomass can be obtained from various sources such as wood, plant residues, and household waste. Types of biomass like agricultural residues hold significant potential as future energy sources. Forest residues, along with industrial and municipal wastes, are among the primary uses of biomass fuels. It is expected that by 2030, the biomass-based energy sector will meet approximately 50% of the global energy demand.

Different biochemical and thermochemical methods can be employed in biomass energy conversion. Thermochemical conversion methods are generally categorized into gasification, pyrolysis, direct combustion, and liquefaction. Although direct combustion, despite its low efficiency, is often preferred, studies indicate that gasification and pyrolysis methods are more efficient and produce fewer emissions. Gasification, in particular, offers advantages such as high-quality synthesis gas and the production of valuable fuels and chemical raw materials with higher efficiency and favorable gas composition compared to other methods.

Gasification is a thermochemical conversion method that transforms carbon-containing feedstocks into various products using a gasification agent. Commonly used feedstocks include coal, biomass, industrial and agricultural wastes, while gasification agents include air, steam, oxygen, or their mixtures. Studies suggest that steam and oxygen gasification is generally preferred due to the presence of approximately 79% nitrogen in the air, which can affect the composition and heating value of the synthesis gas in oxygen gasification. Steam, in comparison, results in better gasification outcomes and efficiency.

While biomass gasification is considered a sustainable and environmentally friendly process, it requires high investment and operational costs. Gasification using steam is an endothermic process that needs a significant amount of energy, emphasizing the need for effective and efficient implementation to ensure sustainability. The composition of the syngas obtained from biomass gasification depends on factors such as the type of biomass, gasifier type, gasification agent, biomass-to-gasification agent ratio, gasification temperature, and pressure. Syngas obtained from biomass gasification, consisting of gases such as H2, CH4, CO, CO2, and H2O, can be used for electricity and heat generation in energy production systems, biofuel production through Fischer-Tropsch synthesis, or biochemical production through biological methods.

To model biomass gasification processes, information about the characteristics, elemental analysis values, and heating values of biomass is required. Biomass typically has a higher hydrogen-to-carbon ratio and lower sulfur and nitrogen content compared to other fuels, resulting in lower pollutant emissions. While there are various parameters influencing biomass gasification processes, the gasifier is considered a crucial part of the system.

Gasifiers used in gasification processes are classified based on the location of the feed and the heating type. Reactors can be categorized as fluidized bed, moving bed, fixed bed, and entrained flow bed based on the location, and based on the heating type, they are classified as direct heating (autothermal) and indirect heating (allothermal) gasifiers. The choice of gasifier depends on factors such as the desired product, gasifier temperatures, capacity, fuel used, operational challenges, and costs.

Exergy represents the maximum work that can be obtained when a substance or material reaches thermodynamic equilibrium with a reference environment. Exergy analysis is a method used for the design, analysis, and efficiency measurement of energy systems. It aims to identify and reduce inefficiencies in energy systems, guiding the design of more efficient systems and optimizing the use of energy resources and waste.

This study examines the exergy analysis of the process of producing hydrogen-rich synthesis gas through the steam gasification of hazelnut shells, a byproduct of hazelnut production in Turkey. The process is simulated using the ASPEN Plus software at the laboratory scale and includes drying, separation, pyrolysis, and gasification stages. Hazelnut shells are used as biomass, and steam is used as the gasification agent. The biomass feed rate is kept constant at 50 kg/h, and the gasification pressure is maintained at 1 atm. The composition of the obtained gas is analyzed by varying parameters such as different steam-to-biomass ratios and gasification temperatures.

There are various simulation programs available for different applications and products in different fields. ASPEN is a simulation program widely used in various areas such as refineries, chemical processes, gas production, and power generation. ASPEN Plus is one of the most preferred programs for biomass gasification processes.

The process consists of five basic stages. The first stage involves drying the hazelnut shells to remove moisture. In the second stage, dried biomass is separated from moisture using a separator. In the next stage, moisture-deprived biomass undergoes pyrolysis to separate into components such as carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N), sulfur (S), and ash. In the fourth stage, the separated components are directed to the biomass gasifier. In this stage, gasification occurs by adding steam as the gasification agent. The gas obtained from gasification is then passed through a second separator at the gasifier's outlet, separating the synthesized gas from ash.

The simulation of the hazelnut gasification process, where hazelnut shells are preferred as biomass fuel and steam is used as the gasification agent, is tested at different temperatures and different steam-to-biomass ratios (SBR). Gasification temperatures range from 700°C to 1000°C, while SBR varies between 0.2 and 1.

In tests at different temperatures and different steam-to-biomass ratios, it is observed that the highest content of H2 and CO in the synthesized gas is obtained at an SBR of 0.2 and a gasification temperature of 1000°C.

The energy efficiency of biomass thermal conversion is closely related to the conditions under which the gasification process occurs. Therefore, exergy analysis, utilizing the principles of mass and energy conservation with exergy, is applied to analyze and improve the performance of the gasification process. Two different exergy efficiencies are examined in this study. The first exergy efficiency includes the ratio of the exergy of the total gas leaving the gasifier to the sum of the exergy of the biomass and steam. The second exergy efficiency is calculated by considering only the exergy of hydrogen in the synthesized gas, which is expected to be hydrogen-rich, in relation to the exergy of biomass and steam.

Considering the results of the first exergy efficiency, the highest exergy efficiency of 54.88% is observed at the highest temperature of 1000°C and the lowest SBR of 0.2. This is attributed to the fact that the highest fractions of H2 and CO are obtained at this temperature and SBR, and the exergy values of these gases are relatively high. The lowest exergy efficiency of 25.86% is observed at a temperature of 700°C and an SBR of 0.2. Under these conditions, the amount of H2 and CO in the obtained gas content is quite low.

Examining the results of the second exergy efficiency, it is observed that the exergy efficiency of hydrogen varies between 17% and 31.5%. The highest hydrogen exergy efficiency is observed at the lowest temperature of 700°C and the highest steam-to-biomass ratio (SBR) of 1. This is because, under these conditions, although the H2 fraction in the synthesis gas is relatively low, the amount of synthesis gas obtained is high due to the high amount of gasification agent fed to the gasifier. On the other hand, the lowest hydrogen exergy efficiency is observed at 700°C temperature and an SBR of 0.2.