Biyokütleden hidrojen üretiminin simülasyonu ve katalitik filtrenin ürün gazı üzerine etkisinin deneysel olarak incelenmesi
The simulation of hydrogen from biomass and experimental investigation of the effect of catalytic filter on the product gas
Yazar: GÖKÇEN ÖZKARA
Danışman: PROF. DR. FİKRET YÜKSEL ; DOÇ. DR. ATİLLA ERSÖZ
Yalova Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Biyokütle enerjisi = Biomass energy ; Hidrojen = Hydrogen ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production ; Katran = Tar ; Simülasyon =

Özet:
Sınırlı enerji kaynakları, artan yakıt ihtiyacı, endüstrileşme, çevre sorunları ve iklim değişikliği gibi olumsuz etkiler; yeni, rezervi yüksek, kolay işlenebilir, temiz ve düşük maliyetli enerji kaynaklarına yönelimi zorunlu kılmıştır. Fosil yakıtların yanmasından kaynaklanan sera gazı emisyonları ve yüksek enerjili temiz bir yakıt ihtiyacı üzerine artan endişeler, "biyo-hidrojen" olarak da bilinen biyolojik yenilenebilir kaynaklardan hidrojen üretimine ilgi uyandırmıştır.
Biyokütle dönüşüm teknolojileri arasında verimli ve temiz olması sebebiyle gazlaştırma, biyoyakıt üretiminde daha çok tercih edilmektedir. Gazlaştırma, yakıt kaynaklarından enerji eldesinin ve katıların gazlara kısmi veya tamamen dönüşümü yoluyla kullanılabilir bir forma dönüştürülmesinin en etkili yollarından biridir. Hidrojen, gazlaştırma sürecinin bir yan ürünüdür ve biyokütle gibi temiz ve yenilenebilir bir kaynaktan üretildiğinde, çevre kirliliği ve emisyon konularındaki endişeleri azaltacaktır. Hidrojen enerji taşıyıcı bir yakıttır ve yakıt hücreleri gibi farklı enerji uygulamalarında kullanılmak üzere verimli bir şekilde diğer enerji formlarına dönüştürülebilen esnekliğe sahiptir.
Çalışmada, çeşitli biyokütlelerin gazlaştırılmasıyla hidrojence zenginleştirilmiş sentez gazı üretiminin ASPEN HYSYS simülasyon programı ile modellenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, modelleme için ülkemizdeki biyokütle potansiyeli değerlendirilerek dört farklı biyokütle (fındık kabuğu, badem kabuğu, mısır atıkları ve ağaç atıkları) kaynağı seçilmiştir. Yapılan simülasyonda gazlaştırıcı çıkışında elde edilen ham sentez gazı bileşimi, modellemenin giriş akımı olarak kullanılmıştır. Ana giriş akımı (gazlaştırıcı çıkışı), katran ve istenmeyen partiküllerden arındırılarak su gaz dönüşüm reaktöründe (WGS) uygun sıcaklıkta şartlandırılmakta, böylece hidrojence zengin bir gaza dönüşmektedir. Hidrojen açısından zenginleştirilen bu gaz, saflaştırılmak üzere basınçlandırılarak, basınç salınımlı adsorpsiyon (PSA) ünitesine beslenmekte ve saf hidrojen elde edilmektedir. Yapılan modellemede, gazlaştırıcı ikinci kademesi (freeboard) sıcaklığına ve sentez gazının şartlandırılması için kullanılan su miktarına bağlı olarak H2/CO oranı, buhar/CO oranı, WGS reaktör sıcaklığı, WGS dönüşüm yüzdesi simüle edilerek oluşan gaz bileşimi incelenmiştir. Ayrıca, her modelleme için soğuk gaz verimi ve sistemin hidrojen üretim hızı hesaplanmıştır.
Çalışmanın ikinci aşamasında, katalitik filtrenin hazırlanması ve sonrasında bu filtrenin katran dönüşümündeki performansının deneysel ortamda test edilmesidir. Deney sonucunda katran ve metan dönüşümleri ile gaz içeriğindeki değişimler incelenmiştir. Katran dönüşüm prosesi, deney verileri kullanılarak ASPEN HYSYS programında simüle edilmiş ve simülasyon sonuçları ile deney sonuçları karşılaştırılarak değerlendirilmiştir.
Yapılan modellemeler sonucunda, 1,466 kg/h hidrojen üretim miktarı ile diğer biyokütlelerin kullanıldığı simülasyonlara göre en yüksek hidrojen üretiminin ağaç atıklarının kullanıldığı simülasyonda gerçekleştiği görülmüştür. Aynı zamanda bu simülasyonda hidrojen üretim hızı %79 ve soğuk gaz verimliliği %74 olarak hesaplanmıştır. Katran dönüşümü deney sonuçlarına göre ise, badem kabuğu atıkları ve atık odun biyokütlelerinin kullanıldığı durumlarda katran dönüşümü en etkin şekilde gerçekleştiği görülmüştür.

Abstract:
Restricted energy sources, increased fuel demand, adverse impacts such as industrialization, environmental problems and climate change, new, high reserve, easy-to-operate, clean and low cost energy sources have become mandatory. Increasing concerns over greenhouse gas emissions from the burning of fossil fuels and the need for a clean fuel with high energies have prompted interest in hydrogen production from biological renewable sources, also known as "bio-hydrogen".
Gasification is more preferred in biofuel production as it is efficient and clean among biomass conversion technologies. Gasification is one of the most effective ways of converting the energy hand from fuel sources and the solids into a usable form by partial or complete conversion to gases. Hydrogen is a by-product of the gasification process and will reduce concerns about environmental pollution and emissions when produced from a clean and renewable source such as biomass. Hydrogen energy is a carrier fuel and has the flexibility to be efficiently converted to other energy forms for use in different energy applications such as fuel cells.
The main objective of this work is to model the hydrogen-rich synthesis gas production by ASPEN HYSYS simulation program by gasification of various biomass. For this purpose, four different biomass (hazelnut shells, almond shells, corn residues, and tree wastes) were selected with the potential of biomass in our country. The raw synthesis gas composition, from which the gasifier output was obtained in the simulated process, was used as the input stream to the model.
The main inlet stream (gasifier outlet) is conditioned at the appropriate temperature in the water gas-shift reactor (WGS), free of tar and unwanted particulates, thus transforming the hydrogene into a rich gas. This hydrogen enriched gas is pressurized to be purified and fed to the pressure swing adsorption (PSA) unit and pure hydrogen is obtained. In this model, H2/CO ratio, steam/CO ratio, WGS reactor temperature, WGS conversion percentage, gas composition resulting from simulation are investigated depending on the freeboard temperature and the amount of water used for conditioning the synthesis gas. In addition, for each model, cold gas production and hydrogen production rate of the system were calculated.
The second purpose of the study was to prepare the catalytic filter and experimentally test the performance of this filter in tar removal. As a result of the experiment, changes in gas content were investigated by the conversion of tar and methane. Subsequently, the tar removal process was simulated in the ASPEN HYSYS program using experimental data and the simulation results were compared with the experimental results.
As a result of the modeling studies, it was seen that the highest hydrogen production was realized in simulations using tree wastes according to the simulations of hydrogen production with 1,466 kg/h and other biomass. In this simulation study, the hydrogen production rate was calculated as 79% and the cold gas efficiency as 74%. According to the test results the use of almond shell and waste wood was the most effective way to remove tar in the experiment.