Şeker pancarı küspesinin, Ilgın linyitinin ve bunların karışımlarının yanma ve piroliz kinetiğinin termogravimetrik analiz yöntemi ile incelenmesi
Investigation of the combustion and pyrolysis kinetics of sugar beet pulp, Ilgin lignite and their mixture by thermogravimetric analysis method
Yazar: ÇAĞLAYAN BURAK ÖZDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ARZU KANCA
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Alternatif enerji kaynakları = Alternative energy resources ; Biyoenerji = Bioenergy ; Biyokütle = Biomass ; Biyokütle enerjisi = Biomass energy ; Enerji = Energy ; Kinetik modelleme = Kinetic modelling ; Oksidatif piroliz = Oxidative pyrolysis ; Piroliz = Pyrolysis ; Yanma = Combustion ; Şeker pancarı küspesi = Sugar beet pulp

Özet:
Amaç: Şeker fabrikalarında kristal şeker üretimi prosesinde yan ürün olarak üretilen şeker pancarı küspesi, düşük kalorili Ilgın linyit kömürü ve bunların eşit oranlardaki karışımının farklı ısıtma hızlarında, ısıl bozunma davranışı, yanma ve piroliz kinetiğinin termogravimetrik analiz yöntemiyle incelenmesi bu tez çalışmasının amacıdır.
Yöntem: Çalışmada, şeker pancarı küspesi ve Ilgın linyiti için, kurutma işlemi sonrası kısa analizler, ısıl testler ve elementel analiz yapılmıştır. Elementel analiz verileri kullanılarak Dulong formülü yardımıyla numunelerin ısıl değerleri bulunarak, kalorimetre cihazından okunan değerler ile karşılaştırılmıştır. Şeker pancarı küspesi, Ilgın linyiti ve bunların kütlece 1/1 oranındaki karışımlarının termal bozunma davranışları Termalgravimetrik analiz (TGA) cihazı kullanılarak takip edilmiştir. TGA deneyleri azot ve hava 30-980ºC sıcaklık aralığında ve dört farklı ısıtma hızında (10, 20, 30, 40ºC/dk) gerçekleştirilmiştir. Piroliz ve yanma tepkimeleri için kinetik parametreler, Flynn-Wall-Ozawa (FWO), Kissinger-Akahire-Sunose (KAS) ve Coats-Redfern yöntemleri ile hesaplanmıştır.
Bulgular: Şeker pancarı küspesi ve Ilgın linyitinin nem, uçucu madde, kül ve sabit karbon içerikleri kısa analizle belirlenmiştir. Küspe ve linyitin karbon (C), hidrojen (H), kükürt (S) ve oksijen (O) içerikleri CHS elemental analiz cihazı ile belirlenmiştir. Bomba kalorimetre cihazı ise bu yakıtların ısıl değerlerini belirlemek için kullanılmıştır. Şeker pancarı küspesi, Ilgın linyiti ve şeker pancarı küspesi ile Ilgın linyitinin 1/1 oranındaki karışımlarının piroliz ve yanma davranışları incelenirken TGA deney dataları termogramlara dönüştürülmüştür. Piroliz ve yanma kinetiğine ait parametreler (aktivasyon enerjisi ve reaksiyon mertebesi), TGA dataları kullanılarak FWO, KAS ve Coats-Redfern yöntemleri değerlendirilmiştir. 
Sonuçlar: Şeker pancarı küspesi ve Ilgın linyiti farklı elementel bileşime, nem, kül ve uçucu madde içerikleri farklı olmasına rağmen, iki yakıtın ısıtma değerleri birbirine çok yakındır. Piroliz koşullarındaki TGA sonuçları, şeker pancarı küspesi için üç ve Ilgın linyit için ise sadece bir termal bozunma bölgesi göstermektedir. Yakıt karışımlarının TGA sonuçları ile gözlenen bireysel termal bozunma davranışları, şeker pancarı küspesi ile Ilgın linyiti arasında piroliz koşullarında sinerjik bir etkileşim olmadığını ortaya koymuştur. Ancak hava atmosferindeki termogravimetrik analiz sonuçları ile elde edilen deneysel ve hesaplanmış bulgular, bu iki yakıt arasındaki sinerjik etkileşimi ortaya çıkarmıştır. Ayrıca şeker pancarı küspesi ile Ilgın linyit karışımının aktivasyon enerjisinin dört farklı ısıtma hızında (59,03-62,50 kj/mol), şeker pancarı küspesi (57,10-59,43 kj/mol) ile Ilgın linyitinin (61,36-68,29 kj/mol) bireysel aktivasyon enerjileri arasında olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, şeker pancarı küspesi ilavesinin Ilgın linyitinin termal aktivitesi üzerinde olumlu bir etkisi olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Purpose: The aim of this thesis study is both to investigate the thermal decomposition behavior of sugar beet pulp produced as a by-product in the crystal sugar production process, low calorie Ilgın lignite, and their mixtures and to determine their combustion and pyrolysis kinetics by using thermogravemetric analysis method at different heating rates.
Method: In the study, short analysis, calorimetric test and elemental analysis were carried out for sugar beet pulp and Ilgın lignite after drying. The heating values of the samples were calculated with the help of the Dulong formula by using the elemental analysis data and they were compared with the values read from the calorimeter bomb. The thermal decomposition behavior of sugar beet pulp, Ilgın lignite and their mixtures at a ratio of 1/1 by mass were followed by using a Thermalgravimetric analysis (TGA) device. TGA experiments were carried out under nitrogen and air atmosphere in the temperature range of 30-980ºC for four different heating rates (10, 20, 30, 40ºC/min). Kinetic parameters for pyrolysis and combustion reactions were calculated by FWO, KAS and Coats-Redfern methods.
Findings: Moisture, volatile matter, ash and fixed carbon contents of sugar beet pulp and Ilgın lignite were determined by short analysis, while their carbon (C), hydrogen (H), sulfur (S) and oxygen (O) contents were determined by CHNS elemental analysis device. The bomb calorimeter device was used to determine the calorific value of these fuels. The findings of TGA test were converted into thermograms, when the pyrolysis and combustion behavior of sugar beet pulp, Ilgın lignite and sugar beet pulp and Ilgın lignite mixtures in 1/1 ratio were investigated. Kinetics parameters of pyrolysis and combustion (activation energy and reaction order), Flynn-Wall-Ozawa (FWO), Kissinger-Akahire-Sunose (KAS), and Coats-Redfern methods were evaluated by using TGA data. 
Results: Although sugar beet pulp and Ilgın lignite have different elemental composition as well as different contents of moisture, ash, and volatiles, theheating values of two fuels are very closed to each other. The results of the TGA under pyrolysis condition indicate three for sugar beet pulp and just one decomposition region for Ilgın lignite. Individual thermal decomposition behaviors observed by TGA results of fuel mixtures revealed that there is no synergistic interaction between sugar beet pulp and Ilgın  lignite under pyrolysis condition. However, experimental and calculated findings obtained by thermogravimetric analysis results under air atmosphere revealed the synergistic interaction between two fuels. In addition, the activation energy of sugar beet pulp and Ilgın lignite mixture (59,03-62,50 kj/mol) of was found to be between the individual activation energies of sugar beet pulp (57,10-59,43 kj/mol)  and Ilgın lignite (61,36-68,29 kj/mol). This showed that the addition of sugar beet pulp has a positive effect on the thermal reactivity of Ilgın lignite.