Enerji Tarımı ve Biyoyakıtlar 4. Ulusal Çalıştayı Bildiriler Kitabı Mayıs SAMSUN

Transkript

1 Enerji Tarımı ve Biyoyakıtlar 4. Ulusal Çalıştayı Bildiriler Kitabı Mayıs SAMSUN Karadeniz Tarımsal Araştırma Enstitüsü Samsun - Ordu Karayolu 17. Km. P.K Tekkeköy / SAMSUN Tel : Faks : web : ktae@ktae.gov.tr ISBN: Basım Tarihi: Mayıs SAMSUN Baskı Yeri Erol Ofset Matbaacılık Yayıncılık Ambalaj San. ve Tic. Ltd. Şti. Pazar Mh. Necati Efendi Sk. No.41/A İlkadım / Samsun / Türkiye Tel: Fax: Yayın Hakları: Bu kitapta yer alan bildiri ve makalelerin yayın ve fikir sorumluluğu yazarlarına aittir. Yazar izni olmadan tamamen veya kısmen çoğaltılamaz.

2 Enerji Tarımı ve Biyoyakıtlar 4. Ulusal Çalıştayı, Mayıs 2014, Samsun DEFNE YAPRAĞININ BRİKETLEME VE YANMA ÖZELLİKLERİ * Cengiz Karaca 1 Ali Başçetinçelik 2 1 Mustafa Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümü / Hatay 2 Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü / Adana İletişim: cengiz.karaca@gmail.com Özet: Bu çalışmada Hatay ilinde önemli bir ticari değere sahip olan defne (Laurus nobilis L.) yaprağının, yağı alındıktan sonra, briketlenerek fiziksel özellikleri, ısıl değerleri ve elementel özellikleri belirlenmiştir. Briketleme sonucunda oluşan yakıtın yanma emisyon değerleri ölçülmüştür. Atıkların briketlenmesi için 15 kw gücünde bir elektrik motoruyla çalışan konik kalıplı helezon tip briketleme makinası kullanılmıştır. Briketleme makinasının, makina kapasitesi 120 kg/h ve özgül enerji tüketimi 0.05 kwh/kg olarak belirlenmiştir. Briketlerin ortalama özgül kütlesi 1336 kg/m 3 olarak bulunmuştur. Briketlerin, kırılma direnci 4713 N, alt ısıl değeri 19 MJ/kg, kül içeriği %6.8 ve uçucu madde içeriği %78.4 olarak belirlenmiştir. Briketlerin yanma sonucunda meydana getirdikleri en yüksek CO emisyonu 91 ppm olarak ölçülmüştür. Anahtar Kelimeler: Hatay, defne yaprağı, briketleme, yanma emisyonları. BRIQUETTING AND COMBUSTION PROPERTIES OF LAUREL LEAF Abstract: The laurel (Laurus nobilis L.) leaf have an important commercial value in Hatay province. In this study, after obtaining oil processes of the laurel leaf residues was briquetted as fuel. Subsequently the physical properties, calorific values, proximate analysis and ultimate analysis of briquettes were determined. Briquettes combustion emissions also were measured. In this study, a conical screw briquetting machine with 15 kw electrical motor and heated dies was used to briquette raw materials. Average capacity and specific energy consumption of briquetting machine were 120 kg/h and 0.05 kw/kg respectively. The densities of briquettes were found in the 1336 kg/m 3. Ultimate strength of briquettes was determined 4713 N. In result of analysis, higher heating values, ash contents and volatile contents of briquettes were found 19 MJ/kg, 6.8% and 78.4% respectively. The highest CO emission of briquettes was measured as 91 ppm. Key Words : Hatay, laurel leaf, briquetting, flue gas emission. 1. Giriş Enerji tüketimi ülkelerin gelişmişlik düzeylerinin bir göstergesi, bireylerin rahat yaşam sürmeleri için vazgeçilmezidir. Gelişen teknoloji ve artan nüfusla birlikte enerji tüketimindeki artış enerjiyi tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de önemli bir problem olarak karşımıza çıkarmaktadır. Fosil yakıt kaynaklarının hızla tükeniyor olması ve tükenirken de doğal yaşam ve çevreye onarılmaz * Doktora Tezi - PhD Thesis

3 zararlar vermesi, gelecek nesillerin yaşamlarını tehdit etmektedir. Bu nedenle, yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma yönündeki çalışmalar son yıllarda daha da büyük önem kazanmıştır. Biyolojik kökenli kaynaklar, insanlığın ilk dönemlerinden bugüne kadar enerji üretimi amacıyla kullanılan yenilenebilir kaynakların başında gelmektedir. Enerji amacıyla kullanılan biyolojik kaynakların en önemlisi ise orman ekosistemi içerisinde yer alan odunsu materyallerdir. Ağaç gövdelerinden elde edilen yapacak (tomruk, direk, sanayi odunu vb.) niteliğindeki ürünlerden geriye kalan gövde parçaları ile kabuk, kök, dal ve yaprakların enerji elde edilmesinde kullanılması, günümüzde oldukça önem kazanmıştır (Karayılmazlar ve ark., 2011). Dünya enerji tüketiminin yaklaşık %15 i, gelişmekte olan ülkelerde ise enerji tüketiminin % 43 ü biyokütleden sağlanmaktadır. Enerji üretiminde kullanılabilecek biyokütle kaynaklarını; bitkisel kaynaklar, hayvansal atıklar, şehir ve endüstri atıkları şeklinde sınıflandırılabilir (Karaca ve Başçetinçelik, 2011). Defne ağacı (Laurus nobilis L.) Türkiye nin bütün kıyı şeridinde doğal olarak bulunur. Akdeniz ve Ege bölgelerimizde subtropik iklimin etkisini gösterdiği oranda içerilere kadar da yayılmaktadır. Yer yer metreye kadar çıkabilen defne, kışın ılıman, yazları sıcak yerleri sever. Akdeniz defnesinin kullanılan kısımları yaprakları ve meyveleridir. Defne yaprağının üretimi bitkinin vejetatif büyümesinin durduğu Temmuz-Ekim ayları arasında yapılmaktadır. En iyi nitelikteki yaprakların 2-3 yaşındaki sürgünlerde bulunması nedeniyle yaprak üretimi bu yaprakların toplanması biçiminde olmaktadır. Kurutulmuş defne yaprakları genellikle doğrudan doğruya konservelerde, çorba, balık ve et yemeklerinde baharat olarak kullanılmaktadır. Ayrıca defne yaprağından kuru incir, üzüm ambalajları içerisinde böceklerin üremesini engellemek amacıyla da yararlanılmaktadır. Defne yapraklarından elde edilen eterik yağ gıda sanayinde temel kullanım yeri bulmaktadır. Meyvelerinden elde edilen yağ sabun sanayinde, kimya ve ilaç endüstrisinde ve bazı likörlerin yapımında kullanılır (Polat ve ark., 2009). 2. Materyal ve Yöntem Özellikle Akdeniz Bölgesine has bir bitki olan defnenin, bölgede orman köylüsü ve bölge çiftçileri için iyi bir gelir kaynağı durumundadır. Türkiye, dünya defne ticaretinde pazar hacminin % 90 ını elinde tutarak kalite, fiyat ve miktar olarak pazarda en önemli yere sahiptir. Defne ülkemizin doğal bitki ihracatı içinde % 10 kadar bir paya sahiptir. Orman Genel Müdürlüğü verilerine göre 2012 yılı işlenmemiş defne yaprağı hasadı ton olarak belirlenmiştir (OGM, 2012). Oluşturduğu atık bakımından çok fazla atık potansiyeli olmayan fakat Akdeniz bölgesine has bir ürün olan defnenin yaprağının damıtma yöntemiyle yağı alınmaktadır. Yağı alındıktan sonra defne yaprağı yakacak olarak kullanılmaktadır. Defne yaprağının bu yöntemle işlenmesinin dağınık ve kayıtlı olmamasından dolayı bölgede ne kadar bir atık potansiyeline sahip olduğu tam 132

4 olarak bilinmemektedir. Şekil 1 de defne yaprağı işleme tesisi ve üretilen defne yağı görülmektedir. Şekil 1. Defne Yaprağı İşleme Tesisi Çalışmada Hatay da defne yaprağı işleyen bir tesisten alınan defne yaprağı atığı briketlenmiştir. Birikitleme işlemi, Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü atölyesinde, kalıp ısıtmalı konik helezonlu briketleme makinası kullanılarak yapılmıştır (Şekil 2). Makina hareketini 15 kw gücünde trifaze bir elektrik motorundan almaktadır. Elektrik motorundan alınan hareket redüktör kullanılarak yaklaşık 320 min -1 ile helezon miline iletilmektedir. Briket makinasının kalıp kısmının ısıtılması amacıyla termostat kontrollü 2.2 kw gücünde plakalı tip ısıtıcılar kullanılmıştır. Şekil 2. Konik Helezon Tip Briketleme Makinası Briketleme makinasının iş kapasitesi ve özgül enerji tüketiminin belirlenmesinde, belirli miktardaki defne yaprağı atığının briketleme süresi ve enerji tüketimi ölçülmüştür. Briketlenmiş defne yaprağı 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 (Acaroğlu, 2003). Su alma testinde briketler suya daldırılmadan önce kütlesi tartılarak kaydedilmiştir. Daha sonra briket örneği, yaklaşık 27 o C sıcaklığındaki su dolu 133

5 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 (Acaroğlu, 2003). Briketlerin deformasyon kuvvetlerinin belirlenmesi için kullanılan materyal test cihazında (LLOYD LRK Plus) 10 mm/min hızla briketlere düzlemsel kuvvet uygulanarak kuvvet-deformasyon eğrileri çizilmiştir. Bu testte kullanılacak briketlerin uzunluk çap oranı, ASTM D 2938 standardına göre, 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 (ASTM, 2004). Briketlerin elementel analizi sonucunda C, H, N ve S içerikleri belirlenmiştir. Elementel analizler TÜBİTAK-MAM Kimya Enstitüsü nde ASTM standartlarına göre yaptırılmıştır (ASTM, 2004). Ayrıca briketler, yanma özelliklerinin ve çevresel etkilerinin belirlenmesi amacıyla yakılmış ve yanma sonucundaki baca gazı emisyonları ölçülmüştür. Briketler katı yakıt yakma kazanında yakılmıştır (Şekil 3). Kazanın arka alt kısmında yanma odasına hava üfleyen ve hava girişi bir klape ile ayarlanabilen radyal fan bulunmaktadır. Briketlerin yanması sonucunda oluşan baca gazı emisyonlarının ölçümünde DRÄGER MSI marka baca gazı ölçüm cihazı kullanılmıştır. 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. Briketlerin tutuşturulması için bir miktar odun 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 Van Loo ve Koppejan (2008) tarafından kullanılan eşitlikle, gerekli olan hava miktarı hesaplanarak ayarlanmıştır. Şekil 3. Katı yakıt yakma kazanı (1.Baca, 2.Yakıt besleme kapağı, 3.Kül alma kapağı, 4.Izgara, 5.Fan) 134

6 3. Bulgular ve Tartışma Briketleme işlemi sonucunda, dış çapı 57 mm, merkez delik çapı 25 mm olan briketler elde edilmiştir. Çalışma sonucunda briketleme makinasını iş kapasitesi 120 kg/h, özgül enerji tüketimi ise 0.05 kwh/kg olarak belirlenmiştir. Çalışmada kullanılan briketleme makinasının enerji tüketiminin, Eriksson ve Prior (1990) in konik helezonlu briketleme makinası ile yaptıkları çalışmada, kwh/kg arasında ölçtükleri ortalama enerji tüketiminden daha düşük olduğu görülmüştür. Aynı zamanda ölçülen bu değerin Karaca ve Başçetinçelik (2010) ve (2011) in iki ayrı çalışmasında, pamuk şifi (0.065 kwh/kg) ve yerfıstığı kabuğu (0.062 kwh/kg) için belirledikleri enerji tüketiminden de daha düşük olduğu görülmüştür. Defne yaprağı atıklarının briketlenmiş görüntüleri Şekil 4'te, briketlerin belirlenen bazı fiziksel özellikleri Çizelge 1 de verilmiştir. Şekil 4. Defne yaprağı briketleme öncesi ve sonrası Briketleme sonucunda defne yaprağı atıklarının sıkışma oranına bakıldığında özgül kütlesinin yaklaşık 19 kat arttığı belirlenmiştir. Çalışmada elde edilen özgül kütle değerinin literatürde (Eriksson ve Prior, 1990) yer alan konik helezon briket makinalarında yapılan briketlerin özgül kütlesi sınırlarının ( kg/m³) içinde kaldığı belirlenmiştir. Buda briketleme işleminin çok başarılı olduğunu göstermektedir. Çizelge 1. Defne yaprağı briketlerinin bazı özellikleri Parametreler Değerler Briketleme öncesi nem (%) 7.94 Briketleme sonrası nem (%) 4.26 Briketleme öncesi özgül kütle (kg/m 3 ) Briketleme sonrası özgül kütle (kg/m 3 ) Sıkışma oranı Briketlere uygulanan su alma testi sonucunda, materyallerin bünyesine emdikleri su miktarı kütlesine oranla yüzde olarak Şekil 5 de verilmiştir. 135

7 Kuvvet (N) Su Alma (%) 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Süre (s) Şekil 5. Defne yaprağı atığı briketlerinin su alma yüzdesi Briketlerin ilk 60 saniyede su alması hızlı olmuş, ondan sonra su alma yavaşlamıştır. Defneyaprağı briketlerinin uç kısımlarından su aldığı, buralarda şişme ve bozulmalar olduğu görülmüştür. Literatürde (Eriksson ve Prior, 1990) briketlerin su alma oranının % 50 yi geçmemesi gerektiği belirtilmiştir. Briketlerin kuvvet-deformasyon grafiği Şekil 6 da verilmiştir. Defne yaprağı briketinin 4713 N luk kuvvette kırıldığı görülmüştür. Kırılmaların, briket ortasındaki delikten dolayı boyuna bir kırılma olduğu gözlemlenmiştir. Ölçülen bu değerin Karaca ve Başçetinçelik (2010) ve (2011) in iki ayrı çalışmasında, pamuk şifi (2911) ve yerfıstığı kabuğu (4555) için belirledikleri kırılma kuvvetlerinden daha yüksek olduğu görülmüştür Deformasyon (mm) Şekil 6. Defne yaprağı briketinin kuvvet-deformasyon eğrisi Briketlerin ısıl ve kısmi analiz sonuçları Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2. Defne yaprağı briketinin ısıl ve kısmi analiz sonuçları Parametreler Değerler Alt ısıl değeri (MJ/kg) Üst ısıl değeri (MJ/kg) Kül içeriği (%) 6.80 Uçucu madde içeriği (%)

8 Defne yaprağı atığının belirlenen ısıl değerleri, Eriksson ve Prior (1990), Van Loo ve Koppejan (2008), Karaca ve Başçetinçelik (2010 ve 2011) tarafından yapılan çalışmalardaki diğer tarımsal atıkların (buğday samanı, arpa samanı, pamuk sapı, mısır sömeği, çeltik samanı, pamuk çırçır atığı ve yerfıstığı kabuğu) ısıl değerlerinden daha yüksektir. Atık briketlerinin ASTM D 3177, 3178, 3179 standartlarına göre belirlenen elementel analizleri Çizelge 3 de verilmiştir. Çizelge 4. Defne yaprağı atığının elementel analiz sonuçları %C %H %O %N %S Defne yaprağı atıklarının elementel analiz sonuçları kullanılarak yanma için gereksinim duyduğu hava debisi Van Loo ve Koppejan (2008) tarafından kullanılan eşitlikle yaklaşık 107 m 3 /h olarak hesaplanmıştır. Yakma esnasında, kazan arkasında buluna fanın klapesi ile belirlenen bu değere yakın bir hava debisinin yanma odasına girişi sağlanmıştır. Briketlerin yanma sonucu oluşan baca gazı emisyon grafiği Şekil 7 de verilmiştir. Defne yaprağı briketi ve odunun baca gazı emisyonları kıyaslandığında CO, CO 2, SO 2 ve NO x emisyonlarının odunun yanması sonucu oluşan emisyonlardan daha düşük olduğu belirlenmiştir. Isınmadan Kaynaklanan Hava Kirliliğinin Kontrolü Yönetmeliğinde (IKHKKY) biyokütle ve odun yakıtı için verilen emisyon sınırları ile kıyaslandığında çalışmada kullanılan atıkların bu sınırların çok altında kaldığı görülmüştür. Yanma esnasında defne yaprağı atığı briketlerinin böyle bir sistemde ortalama %58 yanma verimi ile yandığı da belirlenmiştir. Çalışma sonucunda fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından literatürde belirtilen değerlerle kıyaslandığında iyi bir briket elde edildiği görülmektedir. Bu tür atıkların briketlenerek daha iyi depolama koşullarında depolanabileceği ve yakıt olarak kullanılabileceği de belirlenmiştir. Aynı zamanda atıkların bu şekilde daha verimli ve daha düşük emisyon yayarak yakılabileceği saptanmıştır. Ülkemizde daha büyük potansiyellere sahip olan bu tür tarımsal atıkların briketleme ve peletleme gibi sıkıştırma yöntemleriyle alternatif bir yakıt piyasasının oluşturulabileceği böyle çalışmalar sonucunda daha net olarak görülmektedir. 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. 137

9 Emisyon (ppm) Emisyon (%) Defne yaprağı Baca Gazı Emisyonları Yanma Süresi (dakika) CO (ppm) NOx (ppm) SO2 (ppm) Şekil 7. Defne yaprağı briketinin baca gazı emisyon ölçümü Kaynaklar Acaroğlu, M., Alternatif Enerji Kaynakları. Nobel Basımevi, Ankara. ASTM International, Volume Gaseous Fuels; Coal and Coke. Eriksson, S., Prior, M., The briquetting of agricultural wastes for fuel. FAO Environment and Energy Paper 11, FAO of the UN, Rome-Italy Karaca, C., Başçetinçelik, A Pamuk çırçır atıklarının briketleme özelliklerinin ve yanma emisyonlarının belirlenmesi. VIII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu Bildiriler Kitabı, 1-5 Aralık 2010, Bursa, Karaca, C., Başçetinçelik, A., Yerfıstığı kabuğunun briketleme özelliklerinin ve yanma emisyonlarının belirlenmesi. VI. Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu Bildiriler Kitabı, MMO Yayın No: E/2011/ Ekim 2011, Kayseri, Karayılmazlar, S., Saraçoğlu, N., Çabuk, Y., Kurt, R., Biyokütlenin Türkiye de enerji üretiminde değerlendirilmesi. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 13(19): OGM., Orman Genel Müdürlüğü Ormancılık İstatistikleri, Tali Orman Ürünleri Üretimi. Polat, S., Gülbaba, A.G., Tüfekçi, S., Özkurt, A., Defne (Laurus nobilis L.) alanlarında en uygun yaprak işletme şekli ve maliyetlerinin belirlenmesi (Tarsus örneği). Doğu Akdeniz Ormancılık Araştırma Enstitüsü, Çevre ve Orman Bakanlığı Yayın No: 391. Van Loo, S., Koppejan, J., The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. ISBN: Earthscan, London,UK. 138