VI. YENİ VE YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI SEMPOZYUMU

Transkript

1 VI. YENİ VE YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI SEMPOZYUMU BİLDİRİLER KİTABI YAYINA HAZIRLAYAN Seval YAMAN EKİM 2011 KAYSERİ Yayın No: E/2011/565

2 Yayın No :... TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI Adres : Meşrutiyet Mah. Meşrutiyet Cad. No: 19 Kat: Kızılay/ANKARA Tel : (0312) Fax : (0312) E-posta : mmo@mmo.org.tr Web : Yayın No: Yayın ISBN No: : E/2011/565 ISBN : Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. Makina Mühendisleri Odasının izni olmadan elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek suretiyle alıntı yapılabilir. Baskı DOĞUŞ Ofset Matbaacılık San.Tic.Ltd.Şti. Organize Sanayi Bölgesi 24. Cadde No: KAYSERİ Tel: (0 352) Faks: (0 352)

3 YERFISTIĞI KABUĞUNUN BRİKETLEME ÖZELLİKLERİNİN VE YANMA EMİSYONLARININ BELİRLENMESİ Yrd. Doç. Dr. Cengiz KARACA Mustafa Kemal Üniversitesi Prof. Dr. Ali BAŞÇETİNÇELİK Çukurova Üniversitesi 50

4 YERFISTIĞI KABUĞUNUN BRİKETLEME ÖZELLİKLERİNİN VE YANMA EMİSYONLARININ BELİRLENMESİ Yrd. Doç. Dr. Cengiz KARACA Prof. Dr. Ali BAŞÇETİNÇELİK Özet Bu çalışmada Çukurova Bölgesindeki yerfıstığı kabuğunun briketlenerek alternatif yakıt oluşturulması amaçlanmış, briketlerin fiziksel özellikleri, ısıl değerleri ve elementel özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca briketlerin yanma emisyon değerleri ölçülmüştür. Yapılan çalışma sonucunda bölgede fıstık kabuğu atıklarının, yıllık toplam 23 bin ton luk bir potansiyeli oluşturduğu belirlenmiştir. Atıkların briketlenmesi için 15 kw gücünde bir elektrik motoruyla çalışan konik kalıplı helezon tip briketleme makinası kullanılmıştır. Briketleme makinasının, makina kapasitesi 101 kg/h ve özgül enerji tüketimi 0,062 kwh/kg olarak belirlenmiştir. Briketlerin ortalama özgül kütlesi 1573 kg/m 3 olarak bulunmuştur. Briketlerin, kırılma direnci 4555 N, üst ısıl değerleri 19,57 MJ/kg, kül içeriği %6,64 ve uçucu madde içeriği %78 olarak belirlenmiştir. Briketlerin en yüksek CO emisyonu 1773 ppm olarak ölçülmüştür. Anahtar Kelimeler: Çukurova Bölgesi, Yerfıstığı Kabuğu, Briketleme, Yanma Emisyonları Abstract In this study was to determine groundnut shell residues in to briquettes as an alternative fuel in Çukurova region. The physical properties, calorific values, proximate analysis and ultimate analysis of briquettes were also elaborated on. Briquettes combustion emissions also were measured. A annual potential of groundnut shell residues in the region were determined as a total of 23 thousand tons In this study, a conical screw briquetting machine with 15 kw electrical motor and heated dies was used to briquette raw waste materials. Average capacity and specific energy consumption of briquetting machine for residue briquettes were 101 kg/h and kw/kg respectively. The densities of briquettes were found in the 1573 kg/m 3. Ultimate strength of briquettes was determined 4555 N. In result of analysis, higher heating values, ash contents and volatile contents of briquettes were found MJ/kg, 6.64% and 78% respectively. The highest CO emission of briquettes was measured as 1773 ppm. Key Words : Çukurova Region, Groundnut Shell Residues, Briquetting, Flue Gas Emission 46 51

5 1. GİRİŞ Biyokütle enerjisi; yetiştiriciliğe dayalı olduğu için yenilenebilir, çevre dostu, yerli ve yerel bir kaynak olarak önem kazanmaktadır. Dünya enerji tüketiminin yaklaşık % 15 i, gelişmekte olan ülkelerde ise enerji tüketiminin % 43 ü biyokütleden sağlanmaktadır [1]. Biyokütle; her yerde yetiştirebilmesi, çevre korunmasına katkısı, elektrik üretimi, kimyasal madde ve özellikle taşıtlar için yakıt olabilmesi nedeni ile stratejik bir enerji kaynağı olarak sayılmaktadır. Biyokütle kaynakları arasında yer alan odun, hayvan ve bitki artıkları ülkemizde uzun yıllardan beri (özellikle kırsal kesimdeki konutlarda) alan ısıtma ve yemek pişirme amaçlı olarak kullanılmaktadır. Bu geleneksel enerji kaynağı konutlardaki enerji tüketiminin % 40 kadarını oluşturmaktadır. Enerji üretiminde kullanılabilecek biyokütle kaynaklarını; bitkisel kaynaklar, hayvansal atıklar, şehir ve endüstri atıkları şeklinde sınıflandırılabilir. Osmaniye, Türkiye de en fazla yerfıstığı üretiminin yapıldığı ve yerfıstığına dayalı ticaret ve sanayileşmenin olduğu ildir. Bu durum, yerfıstığının Osmaniye için çok önemli bir gelir kaynağı olduğunu açık bir şekilde göstermektedir. Osmaniye de sadece fıstık kırma işlemiyle uğraşan yaklaşık 20 adet işletme bulunmaktadır. Bu işletmelerde yerfıstığı bazen kabuğuna karşılık olarak ücretsiz, bazen de ücreti karşılığı kırımı yapmaktadır. Kırım işleminden sonra kabuklar çekiçli değirmelerde öğütülmektedir. Öğütülmüş kabuklar daha çok hayvan yemi imalinde katkı maddesi olarak kullanılmaktadır. Bir kısmı ise sunta yapımında kullanılmaktadır. Fakat 1734 sayılı Yem Kanunu için hazırlanan Yem Yönetmeliği 3.nolu Listede Karma Yemlere Katılması Yasak Olan Maddeler listesinde açıkça belirtilip yasaklanmasına rağmen hayvan yemine fıstık kabuğu katma işlemi yapılmaktadır. Bu yüzden bazı dönemlerde fıstık kabukları satılamamaktadır. Kabuklar doğrudan çevrede çürümeye bırakılmaktadır. Bu durumun çevre kirliliğine, hepsinden önemlisi bitlenme ve çeşitli solunum yolu hastalıklarına neden olmaktadır. Dolayısıyla yer fıstığı kabuğunun değişen piyasa koşullarından etkilenmeden değerlendirilmesi ve depolama problemlerinin çözümü gerekmektedir. 2. MATERYAL ve METOT Materyal Yerfıstığının tohumunun çıkarılması işlemine kırım denilmektedir. Kırım işleminden sonra bazı işletmeler kabukları çekiçli değirmelerde öğütmektedir. Şekil 1'de kırım işleminden sonra ortaya çıkan atıklar verilmiştir. (a) (b) Şekil 1. Fıstık Kabuğu, Kırım Sonrası Öğütülmüş Fıstık Kabuğu Çalışmada öncelikle Çukurova Bölgesinde (Adana, Mersin, Osmaniye) yerfıstığı kırım sanayisindeki atık miktarları belirlenmiştir. Bu amaçla bölgedeki işletmelerle yapılan anket sonuçları kullanılmıştır. Elde edilen veriler ile anketler sonucunda belirlenen ürün atık oranının çarpımı ile bölgedeki toplam atık miktarı belirlenmiştir. Çalışmada materyal olarak Osmaniye de kırım işlemi yapan bir işletmenin öğütülmüş fıstık kabuğu atığı kullanılmıştır. Briketleme makinası olarak Şekil 2 de resmi verilmiş olan, Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümünde yapılmış, kalıp ısıtmalı konik helezonlu briketleme makinası kullanılmıştır. Makina hareketini 15 kw gücünde trifaze bir elektrik motorundan almaktadır. Elektrik motorundan alınan hareket redüktör kullanılarak 323 min -1 ' a düşürülerek helezon miline iletilmektedir. Briket makinasının kalıp kısmının ısıtılması amacıyla termostat kontrollü 2,2 kw gücünde plakalı tip ısıtıcılar kullanılmıştır

6 Isıtıcılar Materyal Deposu Yataklama Flanş Redüktör Elektrik Motoru Konik Kalıp Helezon Mil Çatı Şekil 2. Konik Helezon Tip Briketleme Makinası Briketlerin deformasyon dirençlerinin ölçümünde materyal test cihazı (LLOYD LRK Plus ) kullanılmıştır. Briketler yanma özelliklerinin ve çevresel etkilerinin belirlenmesi amacıyla yakılmış ve yanma sonucundaki baca gazı emisyonları ölçülmüştür. Briketler katı yakıt yakan bir kat kaloriferinde yakılmıştır (Şekil 3). Kazana yakıt beslemesi önünde bulunan üstteki kapaktan (2) yapılmaktadır. Kazanın arka alt kısmında yanma odasına hava üfleyen ve hava girişi ayarlanabilen radyal fan bulunmaktadır. Briketlerin yanması sonucunda oluşan baca gazı emisyonlarının ölçümünde DRÄGER MSI marka baca gazı ölçüm cihazı kullanılmıştır

7 Şekil 3. Katı yakıt yakan kat kalorifer kazanı (1.Baca, 2.Yakıt besleme kapağı, 3.Kül alma kapağı, 4.Izgara, 5.Fan) 2.2. Metot Briketleme makinasının iş kapasitesi ve özgül enerji tüketiminin belirlenmesinde, belirli miktardaki öğütülmüş fıstık kabuğunu briketleme süresi ve enerji tüketimi ölçülmüştür. Briketlenmiş öğütülmüş fıstık kabuğu atıklarının, nem içeriği, özgül kütlesi, deformasyon direnci, su alma direnci, ısıl değeri, kül içeriği, elementel analizi ve baca gazı emisyon değerleri ölçülmüştür. Briketlerin özgül kütlesinin belirlenmesinde su taşırma yöntemi kullanılmıştır. Briketler suya daldırılmadan önce özgül kütlesi 930 kg/m 3 olan parafin (mum) kullanılarak su almaları engellenmiştir [2]. Su alma testinde briketler suya daldırılmadan önce kütlesi tartılarak kaydedilmiştir. Daha sonra briket örneği, yaklaşık 27 o C sıcaklığındaki su dolu kaba 25 mm derinliğe daldırılmıştır. Toplam 30 s sonra briketler çıkarılarak kütlesi tekrar ölçülmüştür. Bu işlem aynı brikete dört defa uygulanmıştır. Toplam 2 dakikalık süre sonunda briketlerin su alma yüzdeleri belirlenmiştir [2]. Briketlerin deformasyon kuvvetlerinin belirlenmesi için kullanılan materyal test cihazında (LLOYD LRK Plus) 10 mm/min hızla briketlere düzlemsel kuvvet uygulanarak kuvvetxdeformasyon eğrileri çizilmiştir. Bu testte kullanılacak briketlerin uzunluk çap oranı, ASTM D 2938 standardına göre, 2-2,5 olacak şekilde hazırlanmıştır. Briketlerin alt ve üst ısıl değerleri, kül miktarı ve uçucu madde miktarı analizleri ve elementel analizleri TÜBİTAK-MAM Enerji Enstitüsü nde yaptırılmıştır. Uçucu madde ve kül içeriği, ASTM D 5142 standardına göre termogarvimetrik analiz cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Briketlerin ısıl değerleri, ASTM D 5865 standardına göre otomatik kalorimetre cihazı kullanılarak ölçülmüştür [3]. Briketlerin elementel analizi sonucunda C, H, N ve S içerikleri belirlenmiştir. Elementel analizler TÜBİTAK-MAM Kimya Enstitüsü nde ASTM standartlarına göre yaptırılmıştır [3]. Briketlerin yanması sonucunda oluşan, baca gazındaki O 2, CO 2, CO, SO 2 ve NO x miktarları, baca gazı sıcaklığı ve yanma verimi değerleri ölçülmüştür. Ölçümlerde baca gazı analizörü kullanılarak veriler anlık olarak her dakikada okunarak kaydedilmiştir. Ölçümlere başlamadan önce, sayılı Isınmadan Kaynaklanan Hava Kirliliğinin Kontrolü Yönetmeliği nde yer alan katı yakma tesisleri ve odun ve bitkisel atıkların yakılması ile ilgili olarak verilen hacimce oksijen içeriği referans değeri olan %13 cihaza girilmiştir [4]. Briketler kazana yerleştirilmeden önce, odunlar yakılmış ve yanma belirli bir rejime ulaştıktan sonra, yaklaşık 1200 g briket kazan ızgarası üzerine yerleştirilmiştir. Ölçümler yanma süresince yapılmıştır. Yanma esnasında yanma odasına hava girişini sağlayan fanın debisi briketlerin elementel analiz sonuçlarına göre hesaplanmıştır [5]

8 3. BULGULAR ve TARTIŞMA Çukurova bölgesinde (Adana, Mersin, Osmaniye) toplam işlenen yerfıstığı miktarı, atık miktarı, atıkların ısıl değerleri ve toplam enerji potansiyeli Çizelge 1 de verilmiştir. Yerfıstığı kabuğu atığı, bölgede yaklaşık 10 Btep lik bir enerji potansiyeline sahiptir. Çizelge 1. Çukurova bölgesi yerfıstığı işleme miktarı, atık miktarı ve enerji değeri Parametreler Değerler İşlenen ürün miktarı (ton/yıl) İşlenen ürün atık oranı 0,30 Toplam atık miktarı (ton/yıl) Alt ısıl değeri (MJ/kg) 18,36 Toplam enerji potansiyeli (GJ/yıl) Toplam enerji potansiyeli (tep/yıl) Briketleme makinasını iş kapasitesi 101 kg/h, özgül enerji tüketimi ise 0,062 kwh/kg olarak belirlenmiştir. Çalışmada kullanılan briketleme makinasının enerji tüketiminin, Eriksson ve Prior (1990) in konik helezonlu briketleme makinası ile yaptıkları çalışmada, 0,055-0,075 kwh/kg arasında ölçtükleri ortalama enerji tüketimine yakın görülmüştür [6]. Öğütülmüş yerfıstığı kabuğu atıklarının briketlenmiş görüntüleri Şekil 4'te, briketlerin belirlenen bazı fiziksel özellikleri Çizelge 2 de verilmiştir. Şekil 4.Öğütülmüş yerfıstığı kabuğunun briketleme öncesi ve briketleme sonrası Çizelge 2. Öğütülmüş yerfıstığı kabuğunun briketlerinin bazı özellikleri Parametreler Değerler Briketleme öncesi nem (%) 9,21 Briketleme sonrası nem (%) 6,43 Briketleme öncesi özgül kütle (kg/m 3 ) 181,45 Briketleme sonrası özgül kütle (kg/m 3 ) 1573,58 Sıkışma oranı 8,67 Öğütülmüş yerfıstığı kabuğu atıklarının briketlenmesi sonrasında, neminde sıkıştırma işleminden kaynaklı ısınmadan dolayı bir düşüş olduğu görülmektedir. Materyalin özgül kütlesindeki artışla, atıkların 8 kat özgül hacimlerinde azalma olduğu belirlenmiştir. Böylece yerfıstığı kabuğu atıklarının depolama ve taşıma problemleri büyük oranda azalmış olacaktır

9 Briketlere uygulanan su alma testi sonucunda, materyallerin bünyesine emdikleri su miktarı kütlesine oranla yüzde olarak Şekil 5 de verilmiştir. Briketlerin ilk 30 saniyede su alması hızlı olmuş, 90. Saniyeden sonra su alma durmuştur. Yerfıstığı kabuğu briketlerinin dış yüzeyinin ısıtma sonucu çok iyi bir şekilde sertleşmesi ve sıkıştırma oranının yüksek olması nedeniyle su almaya karşı çok iyi bir direnç göstermişlerdir. Literatürlerde (Eriksson ve Prior, 1990) briketlerin su alma oranının %50 yi geçmemesi gerektiği belirtilmiştir. Su Alma (%) Süre (s) Şekil 5. Yerfıstığı kabuğu briketlerinin su alma yüzdesi Briketlerin kuvvetxdeformasyon grafiği Şekil 6 da verilmiştir. Yerfıstığı kabuğu briketinin 4555 N luk kuvvette kırıldığı görülmüştür. Kırılmaların, briket ortasındaki delikten dolayı boyuna bir kırılma olduğu gözlemlenmiştir. Kuvvet (N) Deformasyon (mm) Şekil 6. Yerfıstığı kabuğu briketi kuvvet deformasyon eğrisi Briketlerin ısıl ve kısmi analiz sonuçları Çizelge 3 de verilmiştir. Çizelge 3. Yerfıstığı kabuğu briketinin ısıl ve kısmi analiz sonuçları Parametreler Değerler Alt ısıl değeri (MJ/kg) 18,36 Üst ısıl değeri (MJ/kg) 19,57 Kül içeriği (%) 6,64 Uçucu madde içeriği (%) 78,

10 Yerfıstığı kabuğu atığının belirlenen ısıl değerleri, literatürde Eriksson ve Prior (1990) ve Van Loo ve Koppejan (2008) tarafından yapılan çalışmalardaki diğer tarımsal atıklardan (buğday samanı, arpa samanı, pamuk sapı, mısır sömeği ve çeltik samanı) daha yüksektir. Ayrıca yerfıstığı kabuğu atık briketlerinin ısıl değerinin bazı odun cinslerine eşit olduğu görülmüştür. Bir materyalin kül içeriğinin yüksek olması ısıl değer üzerinde olumsuz bir etki yaratır. Yerfıstığı kabuğu atık briketlerinin kül içerikleri literatürde (ASAE, 1999) verilen bazı tarımsal atıkların kül içerikleriyle karşılaştırıldığında çeltik kabuğu, ayçiçeği ve pamuk sapı, tahıl samanlarından daha düşüktür. Badem ve ceviz kabuğu, mısır sapı ve mısır sömeğinden daha yüksektir. Atık briketlerinin ASTM D 3177, 3178, 3179 standartlarına göre belirlenen elementel analizleri Çizelge 4 de verilmiştir. Çizelge 4. Yerfıstığı kabuğu atığının elementel analiz sonuçları Atık materyal %C %H %O %N %S Yerfıstığı kabuğu Atığı 44,98 5,69 41,43 1,14 0,12 Yerfıstığı kabuğu atıklarının elementel analiz sonuçları kullanılarak yanma için gereksinim duyduğu hava debisi 96,90 m 3 /h olarak belirlenmiştir. Briketlerin yanma sonucu oluşan baca gazı emisyon grafiği Şekil 7 de verilmiştir. Yerfıstığı kabuğu briketi ve odunun baca gazı emisyonları kıyaslandığında CO, CO 2 ve SO 2 emisyonlarının odunun yanması sonucu oluşan emisyonlardan daha düşük olduğu belirlenmiştir. Fakat NO x emisyonu odununkinden yüksek çıkmıştır. Emisyon (ppm) Yanma Süresi (dakika) Emisyon (%) CO (ppm) NOx (ppm) SO2 (ppm) O2 (%) CO2 (%) Şekil 7 Yerfıstığı kabuğu briketinin baca gazı emisyon ölçümü 52 57

11 4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Çukurova bölgesinde, yerfıstığı kabuğu atık olarak yaklaşık 10 Btep lik bir enerji potansiyeline sahiptir. Bu potansiyelin verimli bir şekilde enerjiye dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu atıkların briketlenerek, fosil yakıtlara alternatif bir yakıt haline getirilebilir. Yerfıstığı kabuğu atıkları hem ısıl değeri yüksek, hem de çevreye yaydığı emisyonlar bakımında fosil yakıtlardan daha temiz bir yakıttır. Sonuç olarak bu tür tarımsal işlemler sonucunda ortaya çıkan atıkların daha verimli bir şekilde değerlendirilmesi hem ülke ekonomisinin enerji konusunda dışa bağımlılığının azalmasına katkı sağlayacak hem de çevre konusunda ülke olarak olumlu katkılarımızın artmasına neden olacaktır. KAYNAKLAR 1. Başçetinçelik, A., Öztürk, H.H., Karaca, C. (2007). "Çukobirlik te Biyokütle Enerjisi Kullanımının Tekno- Ekonomik Değerlendirilmesi". I. Çukurova da Sanayileşme ve Çevre Sempozyumu 30 Kasım-01 Aralık 2007, Adana, Bildiriler Kitabı: 27-38, MMO Yayın No: E/2007/ Acaroğlu, M., Alternatif Enerji Kaynakları. Nobel Basımevi, Ankara. 3. ASTM International, Volume Gaseous Fuels; Coal and Coke. 4. Isınmadan Kaynaklanan Hava Kirliliğinin Kontrolü Yönetmeliği, Van Loo, S., Koppejan, J The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. ISBN: Earthscan, London,UK. 6. Eriksson, S., Prior, M., The briquetting of agricultural wastes for fuel. FAO Environment and Energy Paper 11, FAO of the UN, Rome-Italy 7. ASAE CIGR Handbook of Agricultural Engineering, Volume V Energy and Biomass Engineering. ISBN