PAMUK ÇIRÇIR ATIKLARININ BRİKETLEME ÖZELLİKLERİNİN VE YANMA EMİSYONLARININ BELİRLENMESİ * Cengiz KARACA 1 Ali BAŞÇETİNÇELİK 2 1 Mustafa Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü / HATAY 2 Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü / ADANA ckaraca@mku.edu.tr alibcc@cu.edu.tr Özet Bu çalışmada Çukurova Bölgesindeki çırçır fabrikalarının atıklarının (şif) briketlenerek alternatif yakıt oluşturulmuş, briketlerin fiziksel özellikleri, ısıl değerleri ve elementel özellikleri belirlenmiştir. Bölgede çırçır atıklarının, yıllık toplam 50 bin ton luk bir potansiyeli oluşturduğu belirlenmiştir. Atıkların briketlenmesi için 15 kw lik elektrik motoruyla çalışan konik kalıplı helezon tip briketleme makinası kullanılmıştır. Briketleme makinasının, makina kapasitesi 81 kg/h ve özgül enerji tüketimi 0,065 kw/kg olarak belirlenmiştir. Briketlerin ortalama yoğunluğu 1495 kg/m 3 olarak bulunmuştur. Briketlerin, kırılma direnci 2911 N, üst ısıl değerleri 17,66 MJ/kg, kül içeriği %10,7 ve uçucu madde içeriği %74,5 olarak belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Çukurova Bölgesi, Pamuk Çırçır Atığı, Briketleme, Yanma Emisyonları Abstract In this study was to determine cotton ginning 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. A annual potential of cotton gin residues in the region were determined as a total of 50 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 cotton ginning residues briquetting machine for residue briquettes were 81 kg/h and 0.065 kw/kg respectively. The densities of briquettes were found in the 1495 kg/m 3. Ultimate strength of briquettes was determined 2911 N. In result of analysis, higher heating values, ash contents and volatile contents of briquettes were found 17,66 MJ/kg, 10,7% and 75,5% respectively. Key Words : Çukurova Region, Cotton Ginning Residues, Briquetting, Flue Gas Emission 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 yaklaşık % 43 ü biyokütleden sağlanmaktadır [1] Türkiye büyük bir pamuk üreten ülke olup, yıllık 2,570,000 ton üretimiyle dünyada yedinci sırada bulunmaktadır. Bu üretimin, %50.5 si Güney Doğu Anadolu Bölgesi nden, % * Doktora Tezi - PhD Thesis 287
29.9 u Ege Bölgesi nden, % 19.2 si Akdeniz Bölgesi nden, %0.3 ü Marmara Bölgesi nden sağlanmaktadır. Pamuk, tohumun pamuktan ayrılması (çırçırlama işlemi) için çırçır fabrikalarına gönderilir [1]. Çırçırlama işleminden sonra, fazla miktarda atık kalmaktadır. Farklı amaçlar için kullanılabilecek olan pamuk işleme atıkları, pamuk çırçırlama ve yağ üretim endüstrisi için çok büyük bir depolama ve yok etme problemi oluşturmaktadır. 2. MATERYAL ve METOT 2. 1. MATERYAL Çırçırlama işleminden sonra, pamuk elyafı preslenir, pamuk tohumlarından genelde yağ elde edilir ve pamuk çırçırlama atıkları (şif) bir tarafa atılır. Çiğit çekirdeğinin işlenmesi sonunda ortaya çıkan atıklar çiğit kabuğu ve küspedir. Çiğit kabuğu ve küspesi hayvan yemi olarak kullanılmaktadır. Özellikle küspenin besleyici değeri yüksektir. Şekil 1'de pamuk işleme endüstrisinde ortaya çıkan atıklar verilmiştir. (a) (b) (c) Şekil 1. Pamuk İşleme Endüstrisi Atıkları; Şif (a), Kabuk (b) ve Küspe (c) Çalışmada öncelikle Çukurova Bölgesinde (Adana, Mersin, Osmaniye) pamuk çırçırlama ve yağ sanayilerindeki atık miktarları belirlenmiştir. Bu amaçla bölgedeki işletmelerle yapılan anket sonuçları kullanılmıştır. Elde edilen üretim verileri ile anketler sonucunda belirlenen ürün atık oranının çarpımı ile bölgedeki toplam atık miktarı belirlenmiştir. Çalışmada materyal olarak Adana da çırçırlama işlemi yapan bir işletmenin atığı (şif) 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. 288
Isıtıcılar Materyal Deposu Yataklama Flanş Redüktör Elektrik Motoru Konik Kalıp Helezon 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. Şekil 3. Katı yakıt yakan kat kalorifer kazanı (1.Baca, 2.Yakıt besleme kapağı, 3.Kül alma kapağı, 4.Izgara, 5.Hava üfleyen fan) 2.2. METOT Briketleme öncesi atıklar elek çapı 6 mm olan çekiçli değirmende parçalanmıştır. Briketleme makinasının iş kapasitesi ve özgül enerji tüketiminin belirlenmesinde, belirli miktardaki çırçır atığının briketlenme süresi ve enerji tüketimi ölçülmüştür. 289
Briketlenmiş pamuk çırçır 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, 25699 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]. 290
3. BULGULAR ve TARTIŞMA Çukurova bölgesinde (Adana, Mersin, Osmaniye) toplam kütlü pamuk üretimi, atık miktarı, atıkların ısıl değerleri ve toplam enerji potansiyeli Çizelge 1 de verilmiştir. Pamuk çırçır atığı, bölgede yaklaşık 21 Btep lik bir enerji potansiyeline sahiptir. Çizelge 1. Çukurova bölgesi kütlü pamuk üretimi, atık miktarı ve enerji değeri Parametreler Değerler Üretim miktarı (ton/yıl) 275.418 İşlenen ürün atık oranı 0,20 Toplam atık (şif) miktarı (ton/yıl) 55.084 Alt ısıl değeri (MJ/kg) 16,38 Toplam enerji potansiyeli (GJ) 902.269 Toplam enerji potansiyeli (tep) 21.550 Briketleme makinasını iş kapasitesi 81 kg/h, özgül enerji tüketimi ise 0,065 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]. Pamuk çırçır atıklarının briketlenmiş görüntüleri Şekil 4'te, briketlerinin belirlenen bazı fiziksel özellikleri Çizelge 2 de verilmiştir. Şekil 4. Pamuk çırçır atığının (şif) briketleme öncesi ve briketleme sonrası Çizelge 2. Pamuk çırçır atığı briketlerinin bazı özellikleri Parametreler Değerler Briketleme öncesi nem (%) 9,60 Briketleme sonrası nem (%) 5,31 Briketleme öncesi özgül kütle (kg/m 3 ) 103,64 Briketleme sonrası özgül kütle (kg/m 3 ) 1.495,10 Sıkışma oranı 14,43 291
Pamuk çırçır atıklarının (şif) briketlenmesi sonrasında, neminde sıkıştırma işleminden kaynaklı ısınmadan dolayı bir düşüş olduğu görülmektedir. Materyalin özgül kütlesindeki artışla atıkların 14 kat özgül hacimlerinde azalma olduğu belirlenmiştir. Böylece çırçır atıklarının depolama ve taşıma problemleri büyük oranda azalmış olacaktır. Briketlere uygulanan su alma testi sonucunda, materyallerin bünyesine emdikleri su miktarı kütlesine oranla yüzde olarak Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 5. Pamuk çırçır atığı (şif) briketlerinin su alma yüzdesi Briketlerin ilk 30 s de su alması hızlı olmuş sonraki 60 s de su alma durmuştur. Son 30 s de ise briket yüzeyinde meydana gelen parçalanmalar nedeniyle artış hızlanmıştır. Briketlerin kuvvetxdeformasyon grafiği Şekil 6 da verilmiştir. Çırçır atığı briketinin 2911 N luk kuvvette kırıldığı görülmüştür. Kırılmaların, birket ortasındaki delikten dolayı boyuna bir kırılma olduğu gözlemlenmiştir. Kuvvet (N) Şif 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 1 2 Deformasyon (mm) Şekil 6. Pamuk çırçır atığı (şif) briketi kuvvet deformasyon eğrisi Briketlerin ısıl ve kısmi analiz sonuçları Çizelge 3 de verilmiştir. 292
Çizelge 3. Pamuk çırçır atığı (şif) briketinin ısıl ve kısmi analiz sonuçları Parametreler Değerler Alt ısıl değeri (MJ/kg) 16,38 Üst ısıl değeri (MJ/kg) 17,66 Kül içeriği (%) 10,72 Uçucu madde içeriği (%) 74,51 Pamuk çırçır 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 düşüktür. Bir materyalin kül içeriğinin yüksek olması ısıl değer üzerinde olumsuz bir etki yaratır. Pamuk çırçır atığı briketinin kül içeriği literatürde (ASAE, 1999) verilen bazı tarımsal atıkların kül içerikleriyle karşılaştırıldığında, çeltik kabuğu, ayçiçeği ve pamuk sapı, tahıl samanlarından daha yüksektir. Atık briketlerinin ASTM D 3177, 3178, 3179 standartlarına göre belirlenen elementel analizleri Çizelge 4 de verilmiştir. Çizelge 4. Pamuk çırçır atıkğının (şif) elementel analiz sonuçları Atık materyal %C %H %O %N %S Pamuk Çırçır Atığı 48,84 6,25 39,40 1,13 0,28 Pamuk çırçır atıklarının elementel analiz sonuçları kullanılarak yanma için gereksinim duyduğu hava debisi 88,95 m 3 /h olarak belirlenmiştir. Briketlerin yanma sonucu oluşan baca gazı emisyon grafiği Şekil 7 de verilmiştir. Briketlerin baca gazı emisyon değerlerinin (özellikle CO 2 ve CO emisyonları) odununkinden daha düşük olduğu görülmüştür. 3000 20 Emisyon (ppm) 2500 2000 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Yanma Süresi (dakika) CO (ppm) NOx (ppm) SO2 (ppm) O2 (%) CO2 (%) Şekil 7 Pamuk çırçır atıklarının baca gazı emisyon ölçümü 15 10 5 Emisyon (%) 293
4. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Çukurova bölgesinde, pamuk çırçır atığı (şif) yaklaşık 21 Btep lik bir enerji potansiyeline sahiptir. Bu potansiyelin verimli bir şekilde enerjiye dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu atıkların briketlenerek, fosil yakıtlara alternatif bir yakıt haline getirilebilir. Pamuk çırçır atıkları hem ucuz 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/2007/454. 2. Acaroğlu, M., 2003. Alternatif Enerji Kaynakları. Nobel Basımevi, Ankara. 3. ASTM International, 2004. Volume 05.06 Gaseous Fuels; Coal and Coke. 4. Isınmadan Kaynaklanan Hava Kirliliğinin Kontrolü Yönetmeliği, 2005. www.cevreorman.gov.tr/yasa/y/25699.doc 5. Van Loo, S., Koppejan, J. 2008. The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. ISBN: 978-1-84407-249-1. Earthscan, London,UK. 6. Eriksson, S., Prior, M., 1990. The briquetting of agricultural wastes for fuel. FAO Environment and Energy Paper 11, FAO of the UN, Rome-Italy 7. ASAE. 1999. CIGR Handbook of Agricultural Engineering, Volume V Energy and Biomass Engineering. ISBN 1-892769-01-8. 294