ÇD20 ODUN KÖMÜRÜ VE ODUN PELETLERİNİN YANMA DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ

Transkript

1 ÇD20 ODUN KÖMÜRÜ VE ODUN PELETLERİNİN YANMA DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ Melek YILGIN, Neslihan DEVECİ DURANAY Fırat üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 23279, Elazığ. ÖZET Sera gazı etkisinin başlıca kaynağı olan CO 2 emisyonunu azaltmak için odun gibi yenilenebilir enerji kaynakları önem kazanmıştır ve fosil yakıtların yerini alması için çalışmalar sürdürülmektedir. Bu çalışmada kavak odununun piroliz sunucu elde edilen char ile orijinal odundan hazırlanan peletin karıştırmalı ve sabit yatakta yanma davranışının incelenmesi amaçlandı. Sabit yatak yakma deneyleri 973 K sıcaklığa ön ısıtılmış boru fırın içine yerleştirilen elek sepet içinde gerçekleştirildi. Karıştırmalı yatak yakma deneyleri fırın içinde sepetin devir/dk hızla döndürülmesiyle yapıldı. Uçucu madde yanma süresi karıştırmalı sistemde piroliz sıcaklığı ile artarken sabit yatak sistemimde azalmıştır. Karbon yanma süresi artan piroliz sıcaklığı ile sabit yakma sisteminde belirgin bir değişme göstermezken karıştırmalı sistemde düştüğü tespit edildi. Kavak odunu charının karbon yanma hızı tanenin küçük olmasından dolayı hareketli ve sabit sistemde belirgin bir davranış göstermemiştir. Anahtar kelimeler: Piroliz, odun, pelet, yanma, char 1.GİRİŞ Biyokütle, özellikle odun, en önemli enerji kaynaklarından biridir. Tipik biyokütle kaynakları; odun, tarımsal atıklar enerji üretilen tohumlar ve şehir atıklarıdır. Biyokütledeki enerji, oksitlenebilen organik kütledeki karbon ve hidrojen atomları ile bağlantılı kimyasal enerjidir. Biyokütle enerjisi çevre dostu ve yenilenebilir olmasından dolayı günümüzde oldukça dikkat çekicidir [1,2,3,4]. Odun dünyadaki en eski hammaddedir ve hala geniş kullanım alanına sahiptir. Ayrıca %85 e kadar uçucu madde ihtiva ettiğinden dolayı katı yakıtlar içinde en fazla gaz ürün odundan elde edilir [5]. Odun gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasındaki artış sera gazının etkisinin önemli nedenlerinden biri olan CO 2 problemini çözmek içindir. Bu avantajından dolayı günümüzde fosil yakıtlar biyokütle ile yer değiştirmektedir [6]. Odun veya biyokütleden enerji üretimi için değişik yöntemler uygulanmıştır. Bunlar; buhar ve elektrik üretimi için direkt yakılarak, gaz yakıta dönüştürülerek ve hızlı piroliz ile sıvı yakıt haline getirilerek kullanılabilir [7]. Piroliz herhangi bir gazlaştırma işleminin ilk basamağıdır. Bu basamakta katı yakıtlar ara bir ürün olan char a dönüşürler. Bir katı yakıtın pirolizi sonucunda oluşan katı ürünün(char) reaktivitesi ve verimi işlem şartlarından çok fazla etkilenmektedir. Bu yüzden araştırılan konular arasında katı ürünün gazlaşma kinetiği oldukça önemlidir. Çünkü gazlaştırıcının boyutlarının belirlenmesi ve işlem şartları üzerinde etkilidir [1,8]. Odunun pirolizi sonucunda elde edilen odun kömürünün kullanım alanı oldukça geniştir. Yakıt olarak geniş kullanım alanı bulan odun kömürü (char) metalürjide de kullanılmaktadır.

2 2 Son zamanlarda sıkıştırılmış biyokütlenin, özellikle pelet halinde, kullanımı üzerinde pek çok çalışma sürdürülmektedir [3,4]. Çevre standartlarına uygun şekilde hazırlanan biyokütle peletleri Avrupa nın pek çok ülkesinde evsel ve endüstriyel amaçla kullanılmaktadır [4]. Sunulan çalışmada bölgemizde oldukça bol bulunan kavak odununun piroliz sunucu elde edilen odun kömürü ile orijinal odundan hazırlanan peletin yanma davranışı incelendi. Sıkıştırılmış biyokütlenin kalitesi önemli ölçüde etkileyen aşınma davranışını araştırmak amacıyla, yakma çalışmaları sabit ve hareketli sistemlerde gerçekleştirilerek sonuçlar karşılaştırıldı. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA 2.1. Numunenin Hazırlanması Yakma deneylerinde kullanılan peletler kavak odunundan hazırlandı. Bunun için 105 C de kurutulan kavak odunu talaşı öğütüldü, elendi, -100 mesh boyutundaki taneler ayrıldı ve peletler bu boyuttaki tanelerden hazırlandı. Yüksek basınç altında (10 ton) 13 mm çapında, 6 mm yüksekliğinde ve 0,8 ± 0,05 g ağırlığında silindirik peletler yapıldı. Char ise kavak odunundan hazırlanmış peletlerin 673, 773, 873 K de pirolizinden elde edildi Deneyin yapılışı Yakma deneyleri iki farklı şekilde gerçekleştirildi. İlk olarak hazırlanan odun ve odun kömürü peletlerinin sabit yakma siteminde yanma davranışları incelendi. İkinci bölümde ise aynı şartlarda hazırlanmış peletlerin hareketli yakma sisteminde yanma davranışı incelendi. Her iki yakma deneyi Şekil 1 de verilen sistemde, 700 C ye ön ısıtılmış boru fırın içine yerleştirilen elek sepet içinde gerçekleştirildi.hareketli sistem yakma deneyleri fırın içinde sepetin devir/dk hızla döndürülmesiyle yapıldı. Deneyler süresince fırın içindeki hava vakum pompası ile 0.45 m 3 /st hızla çekilerek, sisteme taze havanın girişi ve oluşan baca gazını ortamdan uzaklaştırılması sağlandı. Peletin yanması esnasında, uçucu madde ayrılma ve yanma, karbon yanma süreleri ve ağırlık değişimi kaydedildi. Ağırlık değişimi verileri kullanılarak karbon yanma periyodunda yanma hızı hesaplandı. Uçucu madde tayini ASTM E872 standardına göre ve kül tayinleri ASTM D 1102 standardına göre yapıldı. Isı değerleri JULIUS PETERS I BERLIN adyabatik kalorimetre cihazı ile belirlendi. Şekil 1. 1.Sepet, 2.taşıyıcı çubuk, 3.dişli sistemi, 4.motor, 5.kelepçe, 6.taşıyıcı levha, 7.ayna, 8.potansiyometre, 9.batarya, 10.terazi, 11.taşıyıcı sistemi, 12.fırın, 13.kuvarz yünü, 14.saç kapak, 15.soğutma kabı, 16.U borusu, 17.akış ölçer, 18.vakum pompası.

3 3 3.SONUÇLAR Orijinal kavak odunu ve farklı sıcaklıklarda hazırlanan charların proximate analiz ve ısıl değerleri Tablo 1 de verilmektedir. Piroliz sıcaklığı arttıkça sabit karbon oranı artarken, uçucu madde düşmüştür. Bu beklenen bir durumdur, piroliz sıcaklığı arttıkça taneyi terk eden uçucu bileşenin miktarı da artmaktadır. Dolayısıyla %4 olan kül oranı %27,3 kadar yükselmektedir. Isıl değer ise artan piroliz başlangıç sıcaklığı ile artış göstermiştir. Tablo 1. Kavak odunu ve farklı sıcaklıklarda kavak odununun pirolizi sonucu elde edilen charların proximate analizleri ve ısıl değerleri. Sabit karbon* Uçucu madde * Kül * (db) Isıl değer Yakıt (daf) (daf) (Mj.kg -1,daf) Kavak odunu 25,00 75,00 3,88 18,48 Char (673K) 58,89 41,11 10,10 27,44 Char (773K) 66,62 33,37 10,00 29,81 Char (873K) 62,65 27,34 27, *Ağırlıkça yüzde değer Kavak odunu ve piroliz sonrası elde edilen charının karıştırmalı ve sabit yatak yakma sistemlerinde uçucu madde ve karbon yanma süreleri Şekil 2 ve Tablo 2 de verilmektedir. Yapılan yakma deneyleri sonucunda odun kömürünün hareketli sistemde uçucu madde yanma süresinin piroliz sıcaklığı ile doğru orantılı olarak arttığı, sabit yatak sisteminde ise azaldığı gözlendi. Ayrıca sabit ve hareketli sistem karşılaştırıldığında uçucu madde yanma süresinin hareketli sistemde daha uzun sürdüğü belirlendi. Piroliz esnasında tanenin büzülmesi sonucu ayrılamayan uçucu bileşenlerin, yanma sırasında dışarıdan uygulanan tahribat ile daha kolay peleti terk ettiği söylenebilir. Tablo 2 de verilen kavak odunu peleti ise her iki sistemde de daha fazla uçucu madde içerdiği için daha uzun uçucu madde yanma süresine sahip olduğu tespit edildi. Şekil 2. Piroliz sıcaklığının uçucu madde ve karbon yanma sürelerine etkisi

4 4 Piroliz sıcaklığı arttıkça her iki sistemde de karbon yanma süresinde düşüş gözlendi. Bu davranış artan piroliz sıcaklığı peletten daha fazla uçucu bileşen ayrılmasından kaynaklanmaktadır. Orijinal peletin ise her iki sistemde daha kısa sürede ve hızlı yanması bu durumu açıklamaktadır. Şekil 3 de orijinal kavak odunu peleti ve üç farklı sıcaklıkta pirolizi sonucu elde edilen charlarının sabit ve karıştırmalı yakma sistemlerinde yakılması esnasında tane kütlesinin zamanla değişimi verilmektedir. Tablo 3 de verilen karbon yanma hızları Şekil 3 deki grafiklerin eğimlerinden hesaplanmıştır. Hesaplama için kullanılan değerler uçucu madde yanmasının sona erdiği noktadan itibaren alınmıştır. Tablo 2. Orijinal kavak odunu peletinin uçucu madde ve karbon yanma süreleri Uçucu madde yanma süresi (s) Karbon yanma süresi (s) Sabit yatak Karıştırmalı yatak Şekil 3. Kavak odunu ve farklı sıcaklıklarda kavak odununun pirolizi sonucu elde edilen charların yanmaları esnasında tane kütlelerinin zamanla değişimi.

5 5 Tablo 3. Orijinal kavak odunu peleti ve farklı sıcaklıklarda kavak odununun pirolizi sonucu elde edilen charların karbon yanma hızı Karbon yanma hızı (g/g.s) Piroliz sıcaklığı (K) Sabit yatak Karıştırmalı yatak 673 0,85 1, ,60 1, ,73 1,16 Pelet 3,33 1,18 Tablo 3 de artan piroliz sıcaklığı ile karıştırmalı sistemde karbon yanma hızında belirgin bir değişiklik görülmezken sabit yatak yakma sisteminde karbon yanma hızı artmıştır. Sabit yatak yakma sisteminde tane etrafında oluşan kül oksijenin tane içine difüzyonuna karşı direnç oluşturduğundan dolayı karbon yanmasının tamamlanmadığını düşündürmektedir. Sabit yakma sisteminde daha uzun karbon yanma süresine karşın yanma hızının yüksek olması arasındaki zıtlık tane çevresinden uzaklaştırılamayan külden kaynaklanmaktadır. Karıştırmalı sistemde ise tane etrafında oluşan kül uzaklaştırıldığından, tane yüzeyi sürekli yenilenmektedir. Bu yüzden karbon yanması tam olarak gerçekleşmektedir. Fakat karbon yanma süresinin sabit yatakta tespit edilenden düşük olmasına rağmen (Şekil 2) karbon yanma hızının düşük olması tanenin küçük olmasından kaynaklanmaktadır. Karıştırmalı yakma sistemi belirli büyüklükten sonra daha verimli olarak kullanılabilmektedir. Çünkü karıştırmalı yakma sistemlerinde amaç sadece külü uzaklaştırmak değil aynı zamanda tanenin mukavemetini azaltarak yüzeyinde çatlaklar oluşmasını ve parçalanmasını sağlayarak yüzeyin artırılmasına katkıda bulunmaktır. Fakat küçük tanelerde bunu sağlamak zordur. Çünkü tane sistem ile birlikte dönerek (merkez kaç kuvveti ile) karıştırmanın etkisinin azalmasına, hatta tanenin soğumasına ve daha yavaş yanmasına neden olmaktadır [9]. Orijinal kavak odunu peletinin sabit yatak yakma sistemimde daha hızlı yandığı tespit edildi. Bu durum tane içinde kalan uçucu bileşiklerin yanma reaksiyonunu katalizlemesinden kaynaklanmaktadır [10]. 4.KAYNAKLAR [1] Chen G., Yu Q., Sjöström K, Reactivity of Char from Pyrplysis of Brich Wood, Journal of Analytical and applied Pyrolysis,40-41, [2] Oman j., Tacer M., Tuma M., Overfeed Fixed-bed Combustion of Wood,Bioresource Technology, 67, [3] Öhman M., Boman C., Hedman H., Nordin A., Boström D., Slagging Tendencies of Wood Pellet ash During Combustion in Residential Pellet Burners, Biomass & Bioenergy, 27, [4] Obenberger I., Thek G., Physical Charaterisation and Chemical Composition of Densified Biomass fuels with Regard to Their Combustion Behaviour, Biomass & Bioenergy, 27, [5] Hastaoglu, M.A., Berruti, F., A Gas- Solid Reaction Model for Flash Wood Pyrolysisi,Fuel, 68, [6] Brunc C., Peters B., Nussbaumer T., Modelling Wood Combustion Under Fixed Bed Conditions, Fuel, 82, [7] Bridgewater A.V., Meier D., Radlein D., An overvier of Fast Pyrolysis of Biomass, Organic Geochemistry, 30, [8] Bryden K.M.,Ragland K.W., Rutland C.J., Modeling Thermally Thick Pyrolysis of Wood, Biomass & Bioenergy, 22, 41-53, [9] Duranay N., Kömürün Karıştırmalı Şartlarda Yakılması, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,2000. [10] Davıdson J.F., flection on Fluidized Combustion a Lesson For the Future, Institute of Energy- Combustion and Emissions Control,