Biyokütle kaynaklı gazlaştırma sistemi modellemesi ve sentez gazının arıtımı
Modelling of biomass gasification system and syngas treatment
Yazar: PINAR TABAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ERYAŞAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı / Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Biyokütle, ulusal ve uluslararası yenilenebilir enerji ve CO2 azaltımı hedeflerini gerçekleştirmek için gerekli olan önemli bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Termal dönüşüm sistemlerinden elde edilen CO ve H2 ağırlıklı bir gaz olan sentez gazı, içeriğindeki ağır hidrokarbon (tar) kirleticilere bağlı olarak uygulama alanları olan; gaz motorları, gaz türbinleri, yakıt hücreleri ve katalitik sentez reaktörlerinde kullanılamamaktadır. Düşük sıcaklıkta tar bileşenleri sıvı fazda bulunarak sistemlerde tıkanıklıklara, korozyona, kataliz zehirlenmelerine, is oluşumuna ve sistem ömürlerinin kısalmasına sebep olmaktadır. Bu tez çalışmasında, gazlaştırma sisteminin en önemli adımlarından bir tanesi olan piroliz aşamasının deneysel ve modelsel yaklaşımı değerlendirilerek anaerobik fermantasyon sistemleri ile hibrit çalıştırılan bir tar arıtım sistemi kurulmuştur. Yüksek tar giderimi ve yüksek kalorifik değerli gaz çıktısı sağlanan bu proses ile literatürdeki gaz temizleme yöntemlerine alternatif olabilecek basit ve teknik açıdan uygun yeni bir model geliştirilmesi hedeflenmiştir. Model ve deneysel çalışmaların enerji ve kütle denklikleri karşılaştırılarak model uygunluğu test edilmiştir. Ayrıca, basit bir comsol analizi yardımıyla, piroliz prosesinin tespit edilemeyen sıcaklık bölgeleri reaktör üzerinde simüle edilmiştir. Biyokütle kaynağı olarak piroliz prosesi için odun talaşı ve üzüm sapı, anaerobik fermantasyon sistemi için sığır atığı kullanılmıştır. Fermente gübre içerisine yumurta kabuğu (YK)  2.4 kg/m3, 4.8 kg/m3 ve 7.2 kg/m3 olarak eklenmiştir. Deneysel çalışmaların ilk aşamasında, hammadde türü, sıcaklık ve süre parametrelerinin piroliz prosesi üzerindeki etkisi değerlendirilerek hibrit çalıştırılacak olan arıtım sistemi için optimum piroliz proses koşulları elde edilmiştir. Deneysel çalışmaların istatiksel olarak değerlendirilmesi ve deney setlerinin kurulması için Design expert programı kullanılmıştır. 900℃'de 10 dk piroliz prosesi ve %10 Toplam Katı madde (TK)  ve 7.2 kg/m3 YK içeren anaerobik fermantasyon sisteminin hibrit olarak çalıştırılması ile 0.05 kg odun talaşı beslemeli piroliz sisteminde 0,003 m3/dk sentez gazı, 0.008 m3/30 gün biyogaz elde edilmiştir. Hibrit olarak çalıştırılan bu sistemde sıcaklık ve fermente gübrenin ortak etkisi ile tar arıtım verimi %86 olarak hesaplanmıştır. Hibrit çalıştırılan sistemde, gaz içeriğindeki CH4 oranının referans piroliz denemelerine göre %1 oranında arttığı, CO2 miktarının da %1 oranında azaltığı görülmüştür. Yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen piroliz prosesinin enerji ve ekserji verimliliği teorik olarak %82 ve %78 olarak sırasıyla hesaplanmıştır. Deney ve model doğruluğu istatiksel regresyon analizi ile R2 değeri 0,96 olarak hesaplanmıştır. COMSOL Multiphysics programı ile modelde reaktör alanı üzerinde hesaplanan sıcaklık değeri ile deney çalışmasında reaktör yüzeyindeki sıcaklık dağılımının ölçüm sonuçları değerlendirilmiş ve R2 değeri rezisdans bölgesinin yan yüzeylerine göre 0,85 olarak ölçülmüştür. Termal dönüşüm sistemleri ve anaerobik fermantasyon sistemlerinden elde edilen yakıtlar kırsal kalkınma ve yeni teknolojik malzemelerin geliştirilmesi üzerinde de büyük önem taşımaktadır. Sentez gazının basit ve etkili bir tar arıtım yöntemi ile temizlenmesi kullanım alanlarında artışa sebep olarak, gazlaştırma sistemlerinden elde edilen katı, sıvı ve gaz ürünlerin petrol, kömür ve doğalgaz gibi fosil kaynaklara alternatif oluşturması kalkınma ve sürdürülebilirlik için büyük bir önem taşımaktadır. Ayrıca, tarımsal alanlarda faaliyet gösteren yeni bir sektörün oluşmasının hibrit arıtım sistemi ile birlikte ortaya çıkması beklenmektedir. Yüksek verimli gaz ürün elde edilerek ısıtma ve elektrik üretimi sağlanırken, piroliz katısı ve fermente gübre toprak şartlandırılmasında kullanılması mümkün olarak tespit edilmiştir. Tüm bunlara ek olarak tar (hidrokarbonlar) bileşenlerinin plastik üretimi hammaddesi olarak kullanımı için yeni çalışma alanları ortaya çıkmaktadır. Biyoyakıt üretimi organizasyonları kurulması katma değerli ürünlerin ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Bu çalışma tüm bu yeni çalışma alanlarına da öncülük etmeyi hedeflemiştir.

Abstract:
Biomass is recognized as an important renewable energy source necessary to achieve national and international renewable energy and CO2 reduction targets. Synthesis gas, which is a CO and H2-weighted gas obtained from thermal conversion systems, has application areas depending on the heavy hydrocarbon (tar) pollutants in its content; It cannot be used in gas engines, gas turbines, fuel cells and catalytic synthesis reactors. At low temperatures, tar components are present in the liquid phase, causing blockages in systems, corrosion, catalysis poisoning, soot formation and shortening of system life. In this thesis, a scale treatment system-operating hybrid with anaerobic fermentation systems was established by evaluating the experimental and model approach of the pyrolysis stage, which is one of the most important steps of the gasification system. With this process, which provides high tar removal and high calorific value gas output, it is aimed to develop a simple and technically suitable new model that can be an alternative to gas cleaning methods in the literature. The model suitability was tested by comparing the energy and mass balances of the model and experimental studies. In addition, with the help of a simple comsol analysis, the undetectable temperature zones of the pyrolysis process were simulated on the reactor. Wood shavings and grape straw were used for the pyrolysis process as the biomass source, and cattle waste was used for the anaerobic fermentation system. Eggshell (YK) 2.4 kg/m3, 4.8 kg/m3 and 7.2 kg/m3 were added to the fermented fertilizer. In the first stage of the experimental studies, the effect of raw material type, temperature and time parameters on the pyrolysis process was evaluated and optimum pyrolysis process conditions were obtained for the treatment system to be operated with hybrid. The Design expert program was used for the statistical evaluation of the experimental studies and the establishment of the experimental sets. 3 L/min syngas, 8130 mL/30 days biogas can be obtained in 0.05 kg wood sawdust fed pyrolysis system by operating the pyrolysis process for 10 minutes at 900°C and anaerobic fermentation system containing 10% Total Solids (TK) and 7.2 kg/m3  YK as a hybrid. has been done. In this hybrid system, the tar treatment efficiency was calculated as 86% with the combined effect of temperature and fermented fertilizer. In the hybrid system, it was observed that the CH4 ratio in the gas content increased by 1% compared to the reference pyrolysis trials, and the CO2 amount decreased by 1%. The energy and exergy efficiency of the high temperature pyrolysis process were theoretically calculated as 82% and 78%, respectively. The experimental and model accuracy was calculated as 0.96 by statistical regression analysis. The temperature value calculated on the reactor area in the model with the COMSOL Multiphysics program and the measurement results of the temperature distribution on the reactor surface in the experiment study were evaluated and the R2 value was measured as 0.85 according to the lateral surfaces of the resistance zone. Fuels obtained from thermal conversion systems and anaerobic fermentation systems are also of great importance for rural development and the development of new technological materials. It is of great importance for development and sustainability that the solid, liquid and gas products obtained from gasification systems create an alternative to fossil resources such as oil, coal and natural gas by cleaning the synthesis gas with a simple and effective tar treatment method, causing an increase in the usage areas. In addition, the emergence of a new sector operating in agricultural areas is expected to occur with the hybrid treatment system. It has been determined that it is possible to use pyrolysis solid and fermented fertilizer in soil conditioning, while heating and electricity production are provided by obtaining high efficiency gas product. In addition to all these, new fields of study are emerging for the use of tar (hydrocarbons) components as raw materials for plastic production. Establishment of biofuel production organizations ensures the emergence of value-added products. This study aimed to pioneer all these new fields of study.