İÇTEN YANMALI MOTORLARDA YAKIT OLARAK FUZEL YAĞININ ELDE EDİLMESİ VE ANALİZİ

Transkript

1 İÇTEN YANMALI MOTORLARDA YAKIT OLARAK FUZEL YAĞININ ELDE EDİLMESİ VE ANALİZİ Süleyman Şimşek 1,*, Bülent Özdalyan 2, Hasan Saygın 3, Hatice Şimşek 4 1 İstanbul Aydın Üniversitesi, Otomotiv Teknolojisi, suleymansms01@gmail.com, 34295, İstanbul, Türkiye 2 Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği, 78050,Karabük, Türkiye 3 İstanbul Aydın Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, 34295,İstanbul, Türkiye 4 Namık Kemal Üniversitesi, Makine, Resim ve Konstrüksiyon, 59030,Tekirdağ, Türkiye ÖZET Günümüzde motorlarda kullanılabilecek alternatif yakıtlar petrole bağımlılığın azaltılması konusunda oldukça önem arz etmektedir. Motorlarda kullanılan benzin ve dizel belli standartlara göre üretilmektedir. Alternatif yakıtların pozitif etkileri olduğu gibi negatif etkileri de olmaktadır. İyileştirilmeden kullanılan alternatif yakıtlar motorların ve yakıtların özelliklerini bozmaktadır. Bu çalışmada alternatif yakıt olarak fermantasyonla üretilen etanolün damıtma ile ayrılması sonucunda yan ürün olarak elde edilen fuzel yağının kurşunsuz benzin ile karışımının TS EN 228 standardına analizler ve yapılan iyileştirmeler sonucunda uygunluğu incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Fuzel yağı, benzin, yakıt iyileştirmesi, Destilasyon, TS EN 228 OBTAINING AND ANALYSIS OF FUSEL OIL AS FUEL IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES ABSTRACT Today, alternative fuels that can be used in engines are very important in reducing oil dependency. The gasoline and diesel used in the engines are produced according to certain standards. There are also negative effects such as positive effects of alternative fuels. Alternative fuels that are used without improvement impair the properties of engines and fuels. In this study, the separation of ethanol produced by fermentation as distillation with distillation as an alternative fuel was analyzed to TS EN 228 standard of mixture of fusel oil obtained as by-product with unleaded gasoline and its suitability as improvement results. Keywords: Fusel oil, gasoline, fuel improvement, distillation, TS EN 228, 001

2 1. GİRİŞ Motorlarda enerji gereksinimi, sıvı veya gaz yakıtların yakılmasıyla elde edilen ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürülmesiyle elde edilmektedir. Günümüzde kullanılan bu yakıtların çoğu petrol esaslı olup, sınırlı kaynaklardan üretildiği bilinmektedir. Petrol bakımından dışa bağımlı olan bizim gibi ülkelerde, petrole alternatif enerji kaynaklarının araştırılması ve kullanılması oldukça önemli hale gelmiştir. Bu enerji kaynaklarının başında bitkisel kökenli olarak üretilebilen etanol, metanol ve bütanol gibi alkol içerikli yakıtlar gelmektedir[1]. Gelişen teknoloji, artan dünya nüfusu, azalan petrol rezervleri ve maliyetin yükselmesiyle ülke ekonomisine doğrudan ve büyük katkı sağlaması, ulusal kaynakların korunması ve değerlendirilmesi açısından fermant asyonla alkol üretimi güncellik kazanmıştır[2]. Fermantasyonla alkol üretim proseslerinde etanol, metanol, bütanol ve biyoyakıtlar gibi alkol içerikli yakıtlar gelmektedir. Etanol buji ateşlemeli motorlarda yakıt içeresinde belli oranlarda kullanılmaktadır. Etanol; renksiz, saydam, hafif kokulu, higroskopik bir sıvıdır. Etilenin hidratlanması ve şekerli bitkilerin (patates, tahıllar, şeker kamışı ve şeker pancarı gibi) fermantasyonu ile endüstriyel ölçüde üretilmektedir.[3] Fuzel yağı, fermantasyonla etil alkol üretim endüstrisinin damıtma basamağı yan ürünüdür [4]. Bu ürün, rengi sarıdan koyu kahverengiye değişebilen, keskin kokulu bir sıvı olup fabrikalarda enerji gereksinimini karşılamak için yakılan, ispirto yapımında kullanılan veya atılmaktadır [5]. Fuzel yağının bileşimi ve miktarı, fermentasyonla alkol üretim prosesinde kullanılan karbon kaynağının türü ve hazırlanma metodu ile fuzel yağının fermentasyon karışımından ayırma yöntemine bağlı olarak değişmektedir. Fuzel yağı 2-5 karbonlu düz ve dallanmış zincirli monohidrik alkolerin tek doğal kaynağıdır [4, 6]. Fuzel yağı, başlıca düşük molekül ağırlıklı alkoller (i-amil alkol başta olmak üzere i-bütil alkol, n-propil alkol, n-bütil alkol, etil alkol ve n-amil alkol), az miktarda su ve eser miktarda aldehitler, serbest asitler ve onların esterleri, yüksek alkoller, terpenlerden oluşmaktadır [7]. Çalışmada Eskişehir Şeker Fabrikasından alınan melas fuzel yağı kullanılmıştır. Bu çalışmada alternatif yakıt olarak kullanılan fuzel yağı numunesinin fiziksel ve kimyasal bileşiminin özellikleri TÜBİTAK MAM kimya ve enerji laboratuvarlarında yapılan testlerin sonucu Tablo 1 te görülmektedir[2]. Amil Alkol Kimyasal Formülü Tablo 1. Fuzel yağı bileşiminin özellikleri. Molekül Ağırlığı (g/mol) Yoğunluk (g/cm 3 ) Kaynama Noktası ( C) Erime Noktası ( C) Hacimsel (%) Vizkozite (cp) Ö zgül Isısı (kal/g C) 2-Metil 1-Butanol C 5H 12O 88,148 0, ,22 4 0,57 4-Metil 2-Pentanol C 6H 14O 102 0, ,8-90 0, i-amil alkol (3- Metil 1-Butanol) C 5H 12O 88 0, ,2 62,29 3,86 0,535 n-hekzanol (1-Hekzil Alkol) C 6H 14O 102 0, ,2-51,6 0, n-heptanol (1-Heptil Alkol) C 7H 16O 116 0, ,6 0, i-butanol C 4H 10O 74 0, ,71 3,5 0,59 n-butanol C 4H 10O 74 0, ,9 0,12 2,6 0,687 n-propanol C 3H 8O 60 0,804 97, ,738 2,256 0,59 i-propanol C 3H 8O 60 0,789 82,5-85,8 8,06 2,1 0,66 etanol C 2H 6O 46 0, ,09 1,41 0,68 su H 2O ,3 1 1 Fuzel yağı ile ilgili yapılan çalışmalar incelendiğinde motorlarda fuzel yağının iyileştirilip TS EN 228 değerlerinde kullanılmadığı gözlemlenmiştir. Günümüzde motorlarda kullanılabilecek alternatif yakıtların petrole bağımlılığın azaltılması konusunda oldukça önem arz etmektedir. Ayrıca alternatif motor yakıtının üretimi ve kullanımı dahil geçen bütün süreçlerde çevreye verdiği zararlarda göz önünde bulundurulmalıdır. Yapılan bu çalışma ile bitkis el kaynaklardan üretilebilen fuzel yağının kullanıldığı buji ateşlemeli bir motorda, performans ve egzoz emisyonları deneysel olarak incelenmiş ve benzin yakıtlı çalışmadan elde edilen sonuçlar ile kıyaslanmıştır[2]. 002

3 2. METOT VE BULGULAR 2.1 Deney Yakıtları Alkol yakıtlar benzin ile kıyaslandığında; birçok kaynaktan üretilebilmesi, oktan sayılarının yüksek olması, kimyasal bileşimlerinden dolayı egzoz emisyonlarının az olması, buharlaşma ısısının yüksek olması ve yanma hızlarının iyi olması avantajları iken, alt ısıl değerinin düşük olması, aldehit emisyonunun fazla olması, ve oksidasyon özelliği ise dezavantajlarından bazılarıdır. Deneylerde kullanılan fuzel yağı TS1810 standardına göre %99,5 saflıkta etil alkol üretimi yapan Eskişehir Şeker Fabrikası ve Konya Şeker Fabrikasından tedarik edilmiştir. Kurşunsuz benzin ve fuzel yağından üç farklı oranda yakıt karışımı hazırlanmıştır. Bunlar F0 (%0 fuzel yağı + %100 kurşunsuz benzin), F5 (%5 fuzel yağı + %95 kurşunsuz benzin) ve F10 (%10 fuzel yağı + %90 kurşunsuz benzin) dir. TÜBİTAK MAM kimya ve enerji laboratuvarlarında fuzel yağı ile benzin karışımlarının yakıt analizleri yapılmış ve Tablo 2 de verilmiştir[1]. Tablo 2. Deney yakıtlarının özellikleri. ANALİZ EN AZ EN ÇO K F0 F5 F10 Yoğunluk (kg/m 3 ) ,79 723,16 726,03 Alt ısıl değer (kj/kg) , ,60 Berrak Berrak Berrak Görünüş Berrak Parlak Parlak Parlak Parlak Mevcut Gum (mg/100ml) - 5 0,4 4,9 26,6 O ksidasyon Kararlılığı (dak) >360 >900 >900 Kaynama Noktası Sonu ( C) ,5 189,9 189,9 Damıtma Kalıntı Oranı %(v/v) Buharlaşma Yüzdeleri %(v/v) 20 (Yaz) 48 (Yaz) Buharlaşma %(E70) 30 26,8 26,8 22 (Kış) 50 (Kış) Buharlaşma %(E100) ,4 50,5 50,5 Buharlaşma %(E150) 75-89,7 90,9 90,9 45 (Yaz) 60 (Yaz) Buhar Basıncı (kpa) (Kış) 90 (Kış) O ksijen %(m/m) - 2,7-0,47 1,58 Metanol - 3 0,12 <0,17 0,1 Etanol <0,17 0 O ksijenli Bileşikler İzo-propil alkol ,08 <0,17 0,49 %(v/v) İzo-bütil alkol ,13 3,1 6,16 Tersiyer-bütil alkol <0,17 0,09 Eterler ,01 <0,17 0,015 D.oksijenli bileşikler ,23 0,3 0,58 Kurşun (mg/l) - 5 <2,5 <2,5 <2,5 Kükürt (mg/kg) ,1 3,1 3,1 Benzen %(v/v) - 1 0,9 0,85 Hidrokarbon Tip.(Olefinler) %(v/v) ,1 2,1 Hidrokarbon Tip. (Aromatikler) %(v/v) ,8 34,9 38,3 RO N 95-95,6 95,9 95,9 MO M 85-85,8 85,9 85,9 Bakır Şerit Korozyonu Sınıf 1 1a 1a 1a 2.2 Deney Yakıtı İyileştirilmesi Motorlarda alternatif yakıt çalışmalarında birçok sorunla karşılaşılmaktadır. Sorunların temeli, kullanılan alternatif yakıtın motor test denemelerine başlamadan önce analiz edilerek fiziksel ve kimyasal özelliklerinin incelenmemes i ve standartlara uygunluğunun araştırılmamasıdır. Alternatif yakıt kullanımlarında benzin ve yakıtın birbirine homojen olarak karışmaması, deneyler yapılırken farklı depolardan gönderilmesi, silindirde karışımın sağlanması, yakıtın yoğunluğundan ya da fiziksel özelliklerinden dolayı yakıt filtrelerinin tıkanması, yakıtın içerisinde su tutması, yakıt borularının tıkanması, kış ve yaz aylarında viskozitesinin akma değerlerinde sorunlar oluşması gibi durumlarla karşılaşılmaktadır. 003

4 Şekil 1. Fuzel yağı ile benzin karışımdaki oluşan gum. Fabrika atığı olarak fuzel yağı içerisinde barındırdığı sakızlaşma (gum) ve su ile birlikte motorlarda yakıt olarak kullanmayı zorlaştırmaktadır. Bunun için gum miktarının azaltılması ve içindeki sudan ayrıştırılması için bir dizi işlem basamaklarından geçirilmesi gerekmektedir. Böylece fuzel yağı motor deneylerinde kullanılabilir bir duruma gelecektir. Sıvı karışımların birbirlerinden ayrılması için uygulanan temel yöntem damıtma yöntemidir. Bu yöntemin temeli ise, sıvıların kaynama noktaları arasındaki farklardan yararlanılarak birbirlerinden ayırmaktır [8]. Fuzel yağı içindeki yüksel alkoller eşkaynar (azeotrop) oluşturmaktadır, bunun için basit bir destilasyon işlemi gerçekleştirilmiştir [9,10]. Şekil 1 de fuzel yağının destilasyon sıcaklıkları verilmiştir. 145 Destilasyon Analiz Sonuçları ( C) , ,1 125,7 124,8 118,7 139,9 131,6 130,4 126,6 127,4 128, Destilasyon Kaynama Noktaları % (V/V) Şekil 1. Destilasyon analiz sonuçları. Çalışmada melas fuzeli kullanılmıştır. Bu madde yeşilimsi, sarımsı, kahve renkli ve yağımsı bir sıvı olup yoğunluğu 15 C de 818,6 kg/m3 tür. Su içeriği 240 mg/kg ve destilasyon analizinde parlama noktası 39,5 C olduğu tespit edilmiştir[2]. Fuzel yağını petrol ürünleri analiz testleri sonucunda 139,9 C son kaynama noktasında distilasyon verimi %96,5 olduğu tespit edilmiştir ve TS EN 228 sınır değerlerinde mevcut gum miktarı 26,6 mg/100ml dir. Bu miktar sadece gum kırıcı kullanarak 13,4 mg/100ml ye düşürülmüştür. Fuzel yağındaki gum miktarını yakıt tanklarında bekletilmesi sonucu arttığı deneyler sonucunda gözlemlenmiştir. Deneyler sonucunda fermantasyon ile oluşan fuzel yağı bekletilmeden gum kırıcı ile nem tutucu birlikte kullanarak mevcut gum miktarı 0,8 mg/100ml değerlerine kadar düşürülmüştür. Fuzel yağından suyun alınması içindeki alkollerin daha düşük sıcaklıklarda destilasyonu sağlamakta, bunun yanında alkol miktarlarında bahse değer bir değişime sebep olmamaktadır[2]. Bu çalışmada yapılan destilasyon literatürdeki [11] benzerlik göstermiştir. 004

5 Şekil 2. Z4-01(2,5-5 mm) nem tutucu, fuzel ve nem tutucu, F5+B95 hacimsel olarak fuzel benzin karışımı, F10+B90 hacimsel olarak fuzel benzin karışımı Bunun için fuzel yağının içine 5 lt/2 kg oranında moleküler sieve Z4-01(2,5-5 mm) nem tutucu ilave edilmiş ve iyice karıştırılarak içinde oluşan gazı boşaltılmıştır. Bu işlem bir gün ara ile en az 2 kez tekrarlanmış ve daha sonra 2 gün bekletilmiştir. Dinlenen Fuzel yağı pamuk ve adi kâğıttan süzülmüş ve tekrar içerisine 1 kg moleküler sieve Z4-01(2,5-5 mm) nem tutucu konularak 1 gece dinlenmeye bırakılmıştır. Tekrar süzme işlemi yapıldıktan sonra yapılan analizlerin sonucunda fuzel yağının içerisindeki suyun büyük oranda (yaklaşık olarak %96,9) ayrıştığı tespit edilmiştir. Şekil 2 de yapılan yakıt iyileştirme çalışmalarının sonucunda elde edilen fuzel yağındaki gum miktarı değişimi görülmektedir[2]. Saf Fuzel Mevcut Gum Miktarı ,6 mg/100ml 13,4 mg/100ml 0,8 mg/100ml Fuzel Fuzel gum kırıcılı Fuzel nem tutucu ve gum kırıcılı Şekil 2. Fuzel deki Gum Miktarı. 3.SONUÇLAR Yapılan bu çalışmada, TS EN 228 göre motorda alternatif yakıt olarak düşünülen fuzel yağının fiziksel kimyasal özellikleri ve bezine karışım oranları incelenmiştir. 1. TS EN 228 göre benzinin içerisine %10 miktarında ağır alkoller karıştırılabilmektedir. Fuzel yağı kimyasal özellikleri bakımından ağır alkoller sınıfındadır. 005

6 2. Fuzel yağı ve benzin ilk kullanımda aynı depoda %100 karışmamış benzin ile Fuzel arasında gum oluşmuştur. Fuzel ile benzinin karışmama sebebinden dolayı fuzel in içeriği araştırılmıştır. 3. Fuzel içeriği TÜBİTAK MAM laboratuvarlarından analiz edilmiş içerisinde su ve gum barındırdığı tespit edilmiştir. İçerdiği su ve gum azaltılma yöntemleri araştırılmış belli deneyler yapılmıştır. 4. Fuzel yağı distilasyon verimi %96,5 olduğu tespit edilmiştir. İyileştirilmemiş %10+%90 Fuzel benzin karışımında 26,6 mg/100ml gum olduğu tespit edilmiştir. Fuzel içindeki yüksek gum oranından dolayı benzinle homojen bir karışım elde edilememiştir. 5. Fuzel yağının iyileştirmesi ve TS EN 228 standardına uygun olabilmesi için gum kırıcı ve nem tutucu kullanılarak mevcut gum miktarı 0,8 mg/100ml ye kadar düşürülmüş ve TS EN 228 standartlarına uygun bir hale getirilmiştir. 6. Benzin ile karışımlarında içerisindeki ağır alkollerin homojen olarak karışması temin edilerek alternatif yakıtın TS EN 228 standartlarına uygunluğu sağlanmıştır. 4.KAYNAKLAR [1] Simsek, S., Ozdalyan, B., Simsek, H., Improvement of Fusel Oil features and Investigation of the effect of a Spark Ignition on a engine Performance and Emissions, 8th International Advanced Technologies Symposium (IATS 17), Elazığ, Turkey, , (2017). [2] Simsek, S., and Ozdalyan, B., "Improvements to the Composition of Fusel Oil and Analysis of the Effects of Fusel Oil Gasoline Blends on a Spark-Ignited (SI) Engine s Performance and Emissions", Energies 11:(3), 625, 2018 doi: / en [3] Sümer, M. Buji ateşlemeli motorlarda etanol kullanımı, performans ve maliyet analizi. Yüksek Lisans Tezi, GÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara1999. [4] Suslick, KS. Kirk-othmer encyclopedia of chemical technology. J Wiley&Sons: New York 1998;26: [5] Welsh, FW, Williams, RE. Lipase mediated production of flavor and fragrance esters from fusel oil. Journal of food science 1989;54(6): [6] Sayin, I, Sunay, M, Yilmaz, A. Fusel yağlarının oluşumunun ve eskişehir İspirto fabrikasında elde edilen fusel yağının tanımlanması. TÜBİTAK Kimya Araştırma Bölümü 1984;135. [7] Erdem, F, Durukan, E. Fuzel yağının fraksiyonlarına ayrılması ve değerlendirilmesi. Şeker Enstitüsü Raporu, Nisan 1991;21. [8] Holland, CD. Fundamentals and modeling of seperation processes. Prentice-Hall Inc, New Jersey [9] Robinson, CS. Elements of fractional distillation.: McGraw-Hill; [10] Izarraraz, A, Bentzen, GW, Anthony, R, Holland, CD. Solve more distillation problems. Hydrocarbon Processing 1980;59(195): [11] Oskay, H. Fusel yağının Na2SO4 kullanılarak suyunun azaltması. Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul,