MUĞLA-YATAĞAN LİNYİTİ İLE ATIK LASTİĞİN BİRLİKTE SIVILAŞTIRILMASI

Transkript

1 MUĞLA-YATAĞAN LİNYİTİ İLE ATIK LASTİĞİN BİRLİKTE SIVILAŞTIRILMASI ÖZET Onur YILDIRIM a, Oktay EKŞİOĞLU a, Mehmet KILLIOĞLU a, Hüseyin KARACA a a İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, 442, Malatya, hkaraca@inonu.edu.tr Bu çalışmada, Muğla -Yatağan linyiti ile atık araba lastiği birlikte kullanılarak katalitik koşullar altında azot gazı ortamında sıvılaştırılması üzerine çözücü türünün etkisi incelenmiştir. Sıvılaştırma deneylerinde çözücü olarak taze, geri kazanılan, taze + saf su ve taze + toluen kullanılmıştır. Diğer proses parametreleri sabit alınmıştır. Sıvılaştırma işlemi sonucunda elde edilen sonuçlara göre, en yüksek toplam dönüşüm çözücü türü olarak taze ve geri kazanılan kullanılarak 3/1 çözücü/katı oranında elde edilmiştir. Çözücü türü olarak ve saf su birlikte kullanılması durumunda elde edilen toplam dönüşüm, taze ve geri kazanılan kullanılması durumunda elde edilen dönüşüme göre daha düşüktür. Çözücü türü olarak + toluen kullanılması durumunda elde edilen toplam dönüşüm, ve geri kazanılan kullanılarak elde edilen dönüşüme göre daha düşüktür. Çözücü türü olarak taze, geri kazanılan, + saf su, + toluen ve çözücüsüz yapılan sıvılaştırma sonucunda elde edilen en yüksek toplam dönüşümler sırasıyla %71.7, %68.6, %55.2, %59.3 ve %48.9 dur. Anahtar Kelimeler : Linyit, Atık Lastik, Çözücü Türü, Birlikte Sıvılaştırma GİRİŞ Günümüzde hem enerji üretimi hem de temel kimyasal hammadde önemli ölçüde fosil kaynaklardan (kömür, petrol ve doğal gaz ) sağlanmaktadır. Ancak, günümüzdeki tüketim hızı ile petrol ve doğal gaz rezervlerinin yaklaşık yıl sonra, kömür rezervlerinin ise yaklaşık olarak 2 - yıl sonra önemli ölçüde azalacağı tahmin edilmektedir. Bundan dolayı, özellikle petrole alternatif sıvı yakıt üretim yollarının araştırılması gerekmektedir. Çünkü, enerji üretimi için bir çok alternatif kaynak teknik olarak etkin bir şekilde kullanılabilirken, petrole eşdeğer bir sıvı yakıt ve temel kimyasal hammadde üretimi için teknik olarak uygulanabilen alternatif yöntemler halen yoğun bir şekilde araştırılmaktadır [1, 2]. Fosil yakıtların çok yoğun bir şekilde enerji kaynağı olarak değerlendirilmesi sonucunda önemli ölçüde hava kirliliği ve küresel iklim değişikliklerine neden olmuştur. Ayrıca, fosil yakıtların doğrudan yakılarak enerji üretilmesi etkin bir yöntem de değildir. Mevcut fosil yakıtların daha etkin bir şekilde değerlendirilebilmesi için, enerji üretmek amacıyla doğrudan yakma yerine, temel kimyasal hammadde üretilerek değerlendirilmesi tercih edilmelidir [2, 3]. Fosil yakıtlardan kömürden hem petrole alternatif bir sıvı yakıt üretmek hem de temel kimyasal hammadde üretimi için piroliz, gazlaştırma ve sıvılaştırma gibi yöntemler kullanılmaktadır [4, 5]. Kömür sıvılaştırılmasında genel olarak iki farklı yöntem uygulanmaktadır. Bunlar, doğrudan sıvılaştırma ve dolaylı sıvılaştırma yöntemleridir. Doğrudan sıvılaştırma, kömürün moleküler yapısını mümkün olduğu kadar bozmaksızın 1

2 hidrojence zenginleştirilip daha küçük moleküllü bileşiklerin elde edilmesidir [2, 4, 5]. Doğrudan kömür sıvılaştırma işlemlerinde kömürden yakıt eldesi genellikle aşağıda verilen reaksiyon mekanizmasına göre gerçekleşmektedir. Kömür Çözünmeyen katılar Preasfaltenler (tetrahidrofuranda çözünenler, toluende çözünemeyenler) Asfaltenler (tolunde çözünenler, hekzanda çözünemeyenler) Yağlar (hekzanda çözünenler) [6]. Doğrudan sıvılaştırma yöntemleri, genellikle katalitik ve katalitik olmayan koşullar altında yapılmaktadır. Bu tür çalışmalar genellikle hidrojen gazı veya inert bir gaz kullanılarak ağır reaksiyon koşullarında (- bar ve -4 C ) yürütülmektedir. Dolaylı sıvılaştırmada ise, kömür önce gazlaştırılıp elde edilen sentez gazından uygun reaksiyon şartlarında istenilen sıvı ürünler elde edilmektedir [2, 7-]. Bu çalışmada, Muğla - Yatağan linyiti ile atık araba lastiği birlikte kullanılarak katalitik ve inert atmosfer koşullarında doğrudan sıvılaştırılması üzerine çeşitli çözücülerin etkisi incelenmiştir. DENEYSEL Bu çalışmada, linyit olarak Muğla-Yatağan linyiti ve atık olarak ta atık araba lastiği kullanılmıştır. Bu örneklerin kısa ve elementel analiz sonuçları Tablo 1 de verilmiştir. Muğla-Yatağan linyiti ile atık araba lastiği katalitik koşullar ve azot gazı ortamında birlikte sıvılaştırılmıştır. Sıvılaştırma deneyleri karıştırmalı ve ml hacmindeki kesikli bir reaktör sisteminde yapılmıştır. Katalizör olarak Fe 2 O 3, çözücü olarak taze, geri kazanılan, taze + saf su ve taze + toluen kullanılmıştır. Sıvılaştırma deneyleri, çözücü/katı oranı 1/1-9/1, atık lastik /linyit oranı 1/1, karıştırma hızı devir/dk, katalizör derişimi %3 (ağırlıkça), başlangıç azot basıncı bar, reaksiyon süresi dk ve reaksiyon sıcaklığı 3 o C ve o C, koşullarında yapılmıştır. Birlikte sıvılaştırma deney koşulları Tablo 2' de verilmiş ve sıvılaştırma deneyi akım şeması Şekil 1 de gösterilmiştir. Sıvılaştırma işlemi sonunda elde edilen çözünebilir sıvılaşma ürünleri, ard arda çözücü ekstraksiyonu yöntemi kullanılarak çeşitli çözücülerdeki (hekzan, toluen ve tetrahidrofuran ) çözünebilirlik durumlarına göre üç gruba (Presafaltenler (PAS), Asfaltenler (AS) ve yağlar) ayrılmıştır. Reaksiyona girmeyen katı madde (çar) ise, kül içeriği açısından analizlenerek çar verimi ve toplam dönüşümler hesaplanmıştır. Tablo 1. Deneylerde kullanılan linyit ve atık lastik örneklerinin kısa ve elementel analiz sonuçları Muğla-Yatağan linyiti Atık lastik Kısa analizler (%, hkt ) Nem 2.7 Kül.2 3. UYM SK a 25, Elementel analiz (%, kt ) C H N.7 - S O a a : Farktan hesaplanmıştır, UYM : Uçucu yanabilen madde, SK : Sabit karbon, hkt : Havada kurutulmuş temel, kt : Kuru temel 2

3 Tablo 2. Muğla-Yatağan linyiti ile atık lastiğin birlikte sıvılaştırma deney koşullar Deney No Çözücü türü Çözücü/katı oranı Basınç (bar) Karıştırma hızı (devir/dk) Süre (dk) Sıcaklık ( o C) 1 Tetralin 1/1 2 Tetralin 3/1 3 Tetralin 6/1 4 Tetralin 9/1 5 Geri kazanılan 1/1 6 Geri kazanılan 3/1 7 Geri kazanılan 6/1 8 Geri kazanılan 9/1 9 % Saf su 1/1 3 % Saf su 3/ % Toluen 1/1 13 % Toluen 3/1 14 % Toluen 6/1 15 % Toluen 9/1 3

4 Linyit + atık lastik + çözücü + katalizör + N 2 gazı THF ile Soxhlet ekstraksiyonu Ekstrakt Otoklav Katı + sıvı Süzme (Katı) Sıvı (Gaz) Sıvı Gaz Soğutucu Toplam gaz hacmi ölçümü Atmosfere Katı Vakumda kurutma ( o C, 5 mmhg) 7 saat 86 o C ve 92 mbar destilasyon Çar Geri kazanılan THF Geri kazanılan (86 o C ve mbar) Vakum destilasyonu Bakiye Sıvılaşma ürünleri Şekil 1. Sıvılaştırma deneyi akım şeması 4

5 SONUÇLAR Muğla-Yatağan linyiti ile atık lastiğin katalitik koşullar ve azot gazı ortamında birlikte sıvılaştırılması üzerine çözücü türünün etkisi aşağıda özetlenmiştir. Çözücü türü olarak taze kullanılarak ve çözücü/katı oranı 1/1' den 9/1' e artırılarak yapılan sıvılaştırma işlemi sonucunda elde edilen toplam dönüşümler Şekil 2 de gösterilmiştir. Bu şekilden de görüleceği üzere, çözücü/katı oranının 1/1'den 3/1 e artırılması ile toplam dönüşümde artış, daha yüksek çözücü/katı oranlarında ise toplam dönüşümde kısmi bir azalma olmuştur. Şekil 2 den görüleceği üzere, en yüksek toplam dönüşüm 3/1 çözücü/katı oranında elde edilmiştir. Çözücü türü olarak taze yerine sıvılaştırma işlemi sonucunda geri kazanılmış kullanılması durumunda, aynı koşullarda çözücü/katı oranının 1/1' den 3/1' e arttırılması sonucunda toplam dönüşüm %58,33' den, %68.6' e artarken, 3/1 çözücü/katı oranından sonra çözücü miktarının artırılması ile toplam dönüşümde kısmi bir azalma olmuştur (Şekil 3). Şekil 2 ve 3 den de görüleceği üzere, çözücü türü olarak sıvılaştırma işlemi sonucunda geri kazanılan ile taze kullanılarak yapılan sıvılaştırma işlemleri sonucunda elde edilen toplam dönüşüm oranları birbirine oldukça yakın çıkmıştır. Hem taze hem de geri kazanılan kullanılarak yapılan sıvılaştırma işlemlerinde elde edilen en yüksek toplam dönüşümler dikkate alındığında, en uygun çözücü/katı oranı olarak 3/1 seçilebilir. Sıvılaştırmada kullanılan çözücü miktarını azaltmak ve dolayısıyla sıvılaştırma maliyetini azaltmak amacıyla, çözücü olarak yalnız yerine + saf su (% + % saf su) ve + toluen (% + % toluen) birlikte kullanılarak sıvılaştırma işlemi yapılmıştır. Çözücü türü olarak + saf su kullanılarak yapılan sıvılaştırma işlemi sonucunda elde edilen toplam dönüşümler Şekil 4 de gösterilmiştir. Şekil 4 den görüleceği üzere, çözücü/katı oranının 1/1' den 3/1' e arttırılması ile toplam dönüşüm %59.3'den %48,9' a azalmıştır. Hem çözücü/katı oranının artması ile toplam dönüşümdeki azalma hem de yüksek çözücü/katı oranlarında basınçtaki çok hızlı artıştan dolayı, yüksek çözücü/katı oranlarında sıvılaştırma işlemleri yapılmamıştır. Çözücü türü olarak + toluen kullanılması durumunda, aynı koşullarda çözücü/katı oranının 1/1' den 3/1' e arttırılması ile toplam dönüşümde kısmi bir artış, daha yüksek çözücü/katı oranlarında ise toplam dönüşümde önemli ölçüde bir değişiklik olmamıştır (Şekil 5). Sıvılaştırmada kullanılan dört farklı çözücü ve çözücüsüz yapılan sıvılaştırma işlemleri sonucunda elde edilen toplam dönüşümler Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 6 dan görüleceği üzere, çözücü kullanmadan yapılan sıvılaştırma işlemi sonucunda elde edilen toplam dönüşüm oranı, çözücü olarak % + % saf su kullanılması durumunda elde edilen orana yaklaşık olarak eşit çıkmıştır. Ayrıca, çözücü olarak taze ve sıvılaştırma işlemi sonucunda geri kazanılan kullanılarak yapılan sıvılaştırma işleminde elde edilen toplam dönüşümler yaklaşık olarak aynıdır. Toplam dönüşüm oranları temel alındığında, çözücülerin sıvılaştırma etkinlikleri sırasıyla taze = geri kazanılan > toluen + > + saf su > çözücüsüz şeklinde sıralanabilir. 5

6 % Toplam dönüşüm Çözücü/katı oranı Şekil 2. Toplam dönüşümün çözücü/katı oranı ile değişimi (Çözücü türü: Tetralin) % Toplam dönüşüm Çözücü/katı oranı Şekil 3. Toplam dönüşümün çözücü/katı oranı ile değişimi (Çözücü türü: Geri kazanılan ) 6

7 % Toplam dönüşüm Çözücü/katı oranı Şekil 4. Toplam dönüşümün çözücü/katı oranı ile değişimi (Çözücü türü: Tetralin+saf su) % Toplam dönüşüm Çözücü/katı oranı Şekil 5. Toplam dönüşümün çözücü/katı oranı ile değişimi (Çözücü türü: Tetralin + Toluen) 7

8 % Toplam dönüşüm 6 2 Çözücüsüz Tetralin Geri kazanılan Çözücü türü Tetralin+saf su Tetralin+toluen Şekil 6. Toplam dönüşümün çözücü türü ile değişimi (Çözücü/katı oranı: 1/3) KAYNAKLAR 1. Karaca, H., Ceylan, K. and Olcay, A., Catalytic Dissolution Of Two Turkish Lignities In Tetralin Under Nitrogen Atmosphere: Effects Of The Exctraction Parameters On The Conversion, Fuel,, , Karaca, H., "Katalizör Emdirme Yöntemi İle Bazı Türk Linyitlerinin Sıvılaştırılması", Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Karaca, H. and Koyunoğlu, C., Co-Liquefaction Of Elbistan Lignite And Biomass. Part I: The Effect Of The Process Parameters On The Conversion Of Liquefaction Products, Energy Sources Part A, 32, , Mangold, E.C., Muradaz, M.A., Ouellette, R.P., Farah, O.G. and Cheremisinoff, P.N., Coal Liquefaction And Gasification Technologies, Ann Arbor Science Publishers, Inc. Michigan, USA, Shah, Y.T., Reaction Engineering In Direct Coal Liquefaction, Addison-Wesley Publishing Company, Massachusetts, USA, Ballice, L. and Reimert, R., Temperature-Programmed Co-Pyrolysis Of Turkish Lignite With Polypropylene, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 65, , Kaneko, T., Tazawa, K., Okuyama, N., Tamura M., and Shimasaki, K., Effect Of Highly Dispersed Iron Catalyst On Direct Liquefaction Of Coal, Fuel, 79, , Yoon, W.L., Lee, H.T., Chung, H., Lee, D.K., Lee, B.H., Wi, Y.H., and Kim, C.Y., First Stage Direct Liquefaction Of A Subbituminous Coal With Oil-Soluble Metal Naphthenates As Dispersed Catalyst Precursors, Fuel, 76, 497-5, Li, J., Yang, J., Liu, Z., Hydrogenation Of Heavy Liquids From A Direct Coal Liquefaction Residue For Improved Oil Yield, Fuel Processing Technology,, 4, 4-495, 29.. Li, X., Hu, H., Jin, L., Hu, S., Wu, B., Approach For Promoting Liquid Yield In Direct Liquefaction Of Shenhua Coal, Fuel Processing Technology, 89, -95, 28. 8