MOBİLYA FABRİKASI ATIK TOZUNUN PİROLİZ ÜRÜN VERİMLERİ ÜZERİNE AZOT AKIŞ HIZI VE PELET BÜYÜKLÜĞÜNÜN ETKİSİ

Transkript

1 MOBİLYA FABRİKASI ATIK TOZUNUN PİROLİZ ÜRÜN VERİMLERİ ÜZERİNE AZOT AKIŞ HIZI VE PELET BÜYÜKLÜĞÜNÜN ETKİSİ Şeyda TAŞAR a*, Neslihan DURANAY a a Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Müh., Elazığ, * Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Müh., Elazığ, 23200, sydtasar@firat.edu.tr ÖZET Çalışmada Elazığ il sınırları içerisinde üretim yapan mobilya fabrikası toz tutucularından alınan atık toz (MAT) biyokütle kaynağı olarak seçildi. Mobilya fabrikası atık tozunun pirolizi laboratuvar ölçekli sabit yatak piroliz deney sisteminde gerçekleştirildi. Çalışmada azot akış hızının ve pellet büyüklüğünün piroliz ürün verimleri üzerine etkisi araştırıldı. Dinamik koşullarda elde edilen piroliz katı ürün veriminin, statik koşullarda elde edilen ürün veriminden düşük olduğu ve inert akışkan akış hızı arttıkça piroliz katı ürün veriminin azalıp, piroliz dönüşümünün arttığı belirlendi. Peletleme basıncının piroliz katı ürün verimi üzerine etkisinin olmadığı, fakat sıvı ürün verimi ile ters, gaz ürün verimiyle doğru orantılı olduğu saptanmıştır. Pelet halinde pirolizinin ürün verimi üzerine çalışılan şartlarda önemli bir etkisinin olmadığı sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler Mobilya Atık Tozu, Piroliz, Ürün Verimleri, Azot Akış Hızı, Pelet Büyüklüğü 1. GİRİŞ Enerji, günümüzde insan hayatının vazgeçilmez bir parçası ve sürdürülebilir kalkınma çabalarının en önemli araçlarından biridir. Enerji sektöründe temel amaç, gelişen ekonominin ve artan nüfusun enerji gereksinimlerini sağlıklı, güvenilir, sürekli ve en ekonomik maliyetle karşılayabilmektir. Bu nedenle, petrol ve doğalgaz gibi ithal yakıtlara olan bağımlılığımızın azaltılması için ulusal ve yenilenebilir enerji kaynakları arayışlarını hızlandırmamızı gerekli kılmaktadır. Bu bağlamda biyokütle enerjisi fosil yakıtlara önemli bir alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Biyokütle kaynakları çok çeşitli olmakla beraber, son zamanlarda katı atıkların biyokütle kaynağı olarak kullanılabilir olması gündeme gelmiştir. Bu çalışmada, ülkemizdeki enerji açığı göz önüne alınarak, 100 ton/yıl atık toz üreten Elazığ il sınırlarında bulunan mobilya fabrikasından temin edilen, mobilya fabrikası atık tozu alternatif enerji kaynağı olarak seçildi. Piroliz ürün verimleri üzerine azot akış hızının ve pellet büyüklüğünün etkisi araştırıldı. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Çalışmada Elazığ il sınırları içinde üretim yapan bir mobilya fabrikası toz tutucularından temin edilen mobilya fabrikası atık tozundan, hidrolik press yardımıyla silindirik peletler hazırlandı ve deney süresince polietilen poşet içerisinde desikatörde muhafaza edildi. Mobilya fabrikası atık tozunun kül ve uçucu madde miktarları sırası ile ASTM-D3174 ve ASTM-D3175 standardına göre belirlendi. Nem tayini ise 105 C de Mettler LJ16 nem tayin cihazında yapıldı. Mobilya fabrikası atık tozunun kimyasal analizi analitiksel metodlarla [1] belirlendi. 1

2 Şekil 1. Piroliz Deney Düzeneği Deneyler içinden direnç tellerinin geçirildiği refrakter tuğlalarla kaplı, dikey silindirik kesitli, sabit yatak piroliz deney düzeneğinde (Şekil1) gerçekleştirildi. İnert atmosfer ortamı azot gazı ile sağlandı. Fırının ısıtılması değişik voltaj transformatörü ve Auber Syl sıcaklık kontrol cihazı ile yapıldı. Piroliz sırasında oluşan sıvı ürünün toplanması için, 0 ºC de muhafaza edilen antifriz su karışımı ile dolu olan banyoya yerleştirilmiş iki adet U şeklinde cam boru siteme ilave edildi. Belirlenen ısıtma hızı ( 20 C/dak) ile sepet üzerine deneyin başlangıcında atılan peletin hem istenilen piroliz sıcaklığına ısıtılması hem de o sıcaklıkta kalma süresince (15dak) kalması sağlandı. Belirlenen kalma süresi sonunda ısıtıcı kapatılıp sistemin soğuması sağlandı. Tüm deneyler için 30 dakika olarak belirlediğimiz soğutma süresi sonunda sistem parçaları söküldü ve öncelikle kuvars boru içindeki sepet üzerinde bulunan katı ürün, sonrasında sıvı ürünün biriktiği u boruları ve kuvars boru tartıldı. Ürün verimleri buna göre hesaplandı 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Piroliz deneylerinde kullanılan mobilya fabrikası atık tozunun elementel analizi Tablo 1 de, kısa analizi Tablo 2 de, kimyasal (bileşen) bileşimi ise Tablo 3 de verilmektedir. Tablo 1. Mobilya fabrikası atık tozunun elementel analizi (% kkt) C H N S O* Kalori Değeri (cal/g ) *: Farktan bulundu Tablo 2. Hammaddelerin proximate (kısa) analizi (% wt) Uçucu Madde Kül Nem Sabit C

3 % verim Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 2012, Koç Üniversitesi, İstanbul Tablo 3. Mobilya fabrikası atık tozunun kimyasal analizi (% wt) %Ekstraktif madde % Hemiselüloz % Selüloz* % Lignin *: Farktan bulundu. Tablo 1 ve Tablo 2 de verilen değerler biyokütleye uygulanacak termal dönüşüm prosesinin belirlenmesindeki etkin parametrelerdir. Tablo 2 deki değerler literatürde piroliz sürecinin gerçekleştirilmesi için hammaddenin kısa analiz sonuçlarını dikkate alarak ifade edilen, uygunluk aralığı (nem < % 10, kül < % 5 uçucu madde > % 65) içerisinde kalmaktadır. Mobilya fabrikası atık tozunun kimyasal analizi incelendiğinde selülozik yapının ağırlıklı olduğu görülür. Bu sonuç çam, kavak, kayın, meşe odunlarının farklı oranlarda karışımını içerdiği bilinen mobilya fabrikası atık tozunun yapısında bulunan sert, yarı sert, yumuşak odun örnekleri ile mobilya üretiminde kullanılan yapıştırıcı vb. diğer katkıların sonucu olduğunu göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, literatürde [2] mevcut lignoselülozik yapıya sahip olduğu bilinen ağaç türlerinin, proximate ve kimyasal analiz verileri ile uyumludur. Mobilya fabrikası atık tozunun pirolizi üzerine inert akışkanın akış hızının etkisini belirlemek için, 500 C sıcaklık ve 20 ºC/dak ısıtma hızında izotermal olmayan şartlarda gerçekleştirilen piroliz çalışmaları sonucunda elde edilen katı, sıvı ve gaz ürünlerin yüzde verimlerinin 0, 10, 50, 100 ml/dak azot akış hızlarında değişimi Şekil 2 de görülmektedir. Şekil 2 incelendiğinde, katı ürün veriminin statik koşullarda elde edilen ürün veriminden düşük olduğu ve gaz hızı arttıkça katı ürün veriminin azalıp, piroliz dönüşümünün arttığı belirlenmiştir. Piroliz sıvı ürün verimlerinin dinamik şartlarda statik şarta göre daha yüksek olduğu görülmektedir. Ayrıca, inert gazın akış hızı arttıkça piroliz sıvı ürün verimi azalıp, gaz ürün veriminin arttığı gözlemlenmiştir. En yüksek sıvı ürün verimi % olarak 10 ml/dak azot akış hızında tespit edilirken, en yüksek gaz ürün verimi 100 ml/dak azot akış hızında ve % olarak elde edilmiştir. Sürükleyici inert gaz varlığının piroliz katı ürün veriminde azalma gözlenmesinin nedeni, karbonizasyon sırasında oluşan uçucu bileşenlerin sürükleyici inert gaz tarafından sistemden daha hızlı uzaklaştırılmasına bağlı olarak, katı ürünle uçucu bileşenler arasında meydana geldiği bilinen ikincil reaksiyonların oluşmasının önüne geçildiği [3-5] şeklinde yorumlanmıştır katı ürün verimi sıvı ürün verimi gaz ürün verimi 0 ml/dak 10 ml/dak 50 ml/dak 100 ml/dak Şekil 2. Piroliz ürün verimlerinin azot akış hızı ile değişimi 3

4 % verim Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 2012, Koç Üniversitesi, İstanbul Çalışmanın ikinci bölümünde, 500 C sıcaklıkta, dört farklı pelet boyutunda (0.25 g, 0.5 g, 1 g 1.5 g lık peletler) ve peletlenmemiş numunenin (30 mesh elek üstü), 20 ºC/dak ısıtma hızında izotermal olmayan şartlarda pirolizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen katı, sıvı ve gaz ürün verimlerinin pelet büyüklüğü ile değişiminin verildiği Şekil 3 den, pelet büyüklüğü arttıkça sıvı ürün veriminin önce arttığı sonra azaldığı görülmektedir. En yüksek sıvı ürün verimi 1 g lık peletlerle yapılan piroliz deneylerinde % olarak elde edilmiştir. 1 g ağırlığına kadar sıvı ürün miktarının artması peletin miktarıyla kaybedilen uçucu bileşen miktarının azalmasındandır. Pelet boyutu 1.5 g a arttırıldığında pelet içinde gerçekleşen ısı transferi ve bununla orantılı olarak uçucuların ayrılması etkilenmekte, sıvı ürünün peleti daha zor terk etmesine neden olmaktadır. Sıvı ürün peletten ayrılamadan daha küçük moleküllü gaz ürüne parçalanmaktadır.bunun sonucu olarak ta gaz ürün miktarında artış meydana gelmektedir [6]. Katı ürün veriminde pelet boyutunun artışı ile fazla bir değişim olmadığı görülmektedir ve yaklaşık % aralığında sabit kalmaktadır. Gaz ürün verimi, pelet boyutunun artması ile katı ve sıvı ürün veriminin aksine, önce azalmış daha sonra artış göstermiştir. En düşük gaz ürün verimi 1 g lık peletlerin pirolizi ile % olarak, en yüksek gaz ürün verimi % olarak 0.25 g lık peletlerin pirolizi ile elde edilmiştir. Peletlenmemiş numunenin piroliz ürün verimine etkisini incelemek amacıyla 1 g, 30 mesh elek üstü partikül boyutundaki numunenin pirolizi ile elde edilen katı, sıvı, gaz ürün verimleri 1 g lık peletle karşılaştırıldığında belirgin bir fark görülmemektedir. Dolayısıyla MAT ın pelet halinde pirolizinin verim üzerinde çalışılan şartlarda etkili olmadığı söylenebilir [7,8] katı ürün verimi sıvı ürün verimi gaz ürün verimi 0.25 g 0.5 g 1 g 1.5 g 30 mesh elek üstü 1 g Şekil 3. Piroliz ürün verimlerinin pelet büyüklüğü ile değişimi 4. SONUÇ Dinamik koşullarda elde edilen piroliz katı ürün veriminin, statik koşullarda elde edilen ürün veriminden düşük olduğu ve inert akışkan akış hızı arttıkça piroliz katı ürün veriminin azalıp, piroliz dönüşümünün arttığı belirlendi. Mobilya fabrikası atık tozunun pelet halinde pirolizinin ürün verimi üzerine çalışılan şartlarda etkili olmadığı sonucuna varıldı. 4

5 5. KAYNAKLAR [1] Li, S., S., Xu, Shuqin L., Chen Y., Qinghua L., Fast pyrolysis of biomass in free-fall reactor for hydrogen-rich gas, Fuel Processing Technology, 85, , [2] Sinha, S., Jhalani, A., Ravi, M. R., Ray, A., Modeling of pyrolysis in wood: a review, SESI- Journal, New Delhi, India, 10, 41 62, [3] Yorgun S., Şensoz S.,. Koçkar O.M., Characterization of the pyrolysis oil produced in the slow pyrolysis of sunower-extracted bagasse, Biomass and Bioenergy, 20, , [4] Koçkar Ö.M., Onay Ö., Pütün A.E., Pütün E., Fixed-bed pyrolysis of hazelnut shell: A study on mass transfer limitations on product yields and characterization of the pyrolysis oil, Energy Sources, 22, 10, , [5] Özçimen, D., Çeşitli bitkisel atıkların karbonizasyon yoluyla değerlendirilmesi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi, 240s [6] Vigourox, R. Z., Pyrolysis of biomass, Kungly Tekniska Högskolan, Royal Institute of Technology, Doktora Tezi, Departmen of Chemical Engineering and Technology, Chemical Technology, Stockholm, 144, , [7] Pütün A. E., Apaydın, E., Pütün, E., Rice straw as a bio-oil source via pyrolysis and steam pyrolysis, Energy, 29, , [8] Ateş, F., Pütün, E., Pütün, A. E., Fast pyrolysis of sesame stalk: yields and structural analysis of bio-oil, J. Anal. Appl. Pyrolysis, 71, ,