ZEYTİNYAĞI ÇIKARMA ATIKLARININ (PRİNA) BRİKETLEME ÖZELLİKLERİNİN VE YANMA EMİSYONLARININ BELİRLENMESİ * Determination of Briquetting Properties and Cumbustion Emissions of Olive Oil Cake Cengiz KARACA Tarım Makinaları Anabilim Dalı Ali BAŞÇETİNÇELİK Tarım Makinaları Anabilim Dalı ÖZET Bu çalışmada Çukurova Bölgesindeki zeytinyağı çıkarma atıkları (prina) briketlenerek alternatif yakıt oluşturulmuş, briketlerin fiziksel özellikleri, ısıl değerleri ve elementel özellikleri belirlenmiştir. Atıkların briketlenmesi için, 15 kw gücünde elektrik motoruyla çalışan konik kalıplı helezon tip briketleme makinası kullanılmıştır. Bu makinadan 90 mm dış çapında prina briketleri elde edilmiştir. Prina briketleme makinasının iş kapasitesi 1125 kg/h, özgül enerji tüketimi ise 0,0067 kw/kg olarak belirlenmiştir. Elde edilen briketlerin yoğunluklarının 945-1000 kg/m 3 arasında değiştiği görülmüştür. Briketlerin kırılma dirençlerinin 275 N olduğu belirlenmiştir. Analiz sonuçlarında, prina briketinin üst ısıl değerleri 20,69 MJ/kg, kül içeriği %4,10 ve uçucu madde içeriği %87,8 olarak belirlenmiştir. Yanma sonucunda atıkların baca gazı emisyonlarının odununkinden daha düşük olduğu görülmüştür. Ayrıca briketlerin yanma verimlerinin %40-67 arasında değiştiği belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Zeytinyağı çıkarma atığı (prina), briketleme, baca gazı emisyonu ABSTRACT In this study was to determine olive oil cake 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. In this study, a conical screw briquetting machine with 15 kw electrical motor was used to briquette raw waste materials. Average capacity and specific energy consumption of olive oil cake briquetting machine for residue briquettes were 1125 kg/h and 0.0067 kw/kg respectively. The densities of briquettes were found in the 945-1000 kg/m 3 range. Ultimate strength of briquettes was determined 275 N. In result of analysis, higher heating values, ash contents and volatile contents of briquettes were found 20.69 MJ/kg, 4.10% and 87.8% respectively. Flue gas emissions of olive oil cake were determined lower than wood s. Combustion efficiencies of the briquettes were measured between 40 and 67%. Key Words : Olive oil cake, briquetting, flue gas emission * Doktora Tezi-PhD Thesis - 22 -
Giriş Çukurova Bölgesinde zeytinyağı işleme tesisleri, çoğunlukla küçük çaplı olarak çiftçilerin zeytinini işleyen ve yıllık ortalama 3 aylık bir dönemde çalışan işletmeler şeklindedir. Son yıllarda zeytinciliğe verilen desteklemelerle, ülke çapında olduğu gibi, bölgede de yaygın bir şekilde zeytin bahçeleri oluşturulmaya başlanmıştır. Bu da bölgede zeytin işleyen işletmelerin artacağı anlamına gelmektedir. Zeytinden yağ çıkarmak için üç farklı yöntem uygulanmaktadır. Geleneksel pres yöntemi, yüksek saflıkta ekstra natürel zeytinyağı sağlayan sürekli olmayan bir işlemdir. Diğer iki yöntem 2 ve 3 fazlı dekantör santrifüj yöntemidir. Üç fazlı yöntem, yağ çıkartma kalitesini iyileştirmek için, ılık suyun ilavesini gerektiren sürekli bir yöntem iken, 2 fazlı yöntemde ise ılık su ilavesi gerektirmemektedir. Üç fazlı dekantör yönteminde çevreyi kirleten karasu elde edilirken, iki fazlı dekantör yöntemi ise en son teknik olup, yarı katı preslenmiş kek elde edilmektedir. Zeytinyağı işleme atıkları, zeytinyağı işleme endüstrisinin en önemli problemlerinden biri olup, farklı şekillerde değerlendirilebilir (kompostlaştırma, direk yakma vs). Zeytinyağı çıkartma işleminden kaynaklanan yan ürünler çekirdek, ham zeytin keki, çekirdek ve zeytin keki karışımı (prina) ve üretime bağlı olarak karasudur. İşletmeler çıkan atıkların küçük bir kısmını üretim aşamasında gerek duydukları sıcak suyu elde etmek için kazanlarda yakıt olarak kullanmaktadırlar. Geriye kalan kısmını da işletme etrafında kuruması için sermektedirler (Şekil 1). Bu durum işletmeler etrafında çevre kirliliği ve koku oluşturmaktadır. Prina içindeki kalan yağı çıkaran işletmelere satılmaktadır. Bölgede bu tür bir işletmenin olmaması ve uzak olması nakliye maliyetinin artmasına neden olmaktadır. Bu da prinanın fiyatını düşürmektedir. Bu yüzden bölgedeki zeytinyağı işletmelerinde prinayı elden çıkarma, sorun oluşturmaktadır (Başçetinçelik ve ark. 2006). Şekil 1. Kuruması için serilmiş prina Materyal ve Metot Materyal Çalışmada öncelikle Çukurova Bölgesinde (Adana, Mersin, Osmaniye) zeytinyağı çıkaran işletmelerin atık miktarları belirlenmiştir. Bu amaçla bölgedeki işletmelerle yapılan anket sonuçları ve Türkiye İstatistik Kurumu 2007 yılı yağlık zeytin üretimi verileri kullanılmıştır. Elde edilen üretim verileri ile anketler sonucunda belirlenen ürün atık oranının çarpımı ile bölgedeki toplam atık miktarı belirlenmiştir. Çalışmada materyal olarak Tarsus da zeytinyağı çıkarma işlemi yapan bir işletmenin atığı (prina) kullanılmıştır. Briketleme makinası olarak Şekil 2 de resmi verilmiş olan, 15 kw elektrik motoru ile çalışan briketleme makinası kullanılmıştır. - 23 -
Şekil 2. Prina briketleme makinası (Anonim) Briketlerin deformasyon dirençlerinin ölçümünde materyal test cihazı (LLOYD LRK Plus ) kullanılmıştır (Şekil 3). Şekil 3. Materyal Test Cihazı (LLOYD LRK Plus) 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 4). Kazana yakıt beslemesi önünde bulunan üstteki kapaktan (2) yapılmaktadır. Kazanın arka alt kısmında yanma odasına hava üfleyen ve hava girişi ayarlanabilen radyal fan bulunmaktadır. 1 2 5 4 3 Şekil 4. Katı yakıt yakan kat kalorifer kazanı (1.Baca, 2.Yakıt besleme kapağı, 3.Kül alma kapağı, 4.Izgara, 5.Hava üfleyen fan) - 24 -
Briketlerin yanması sonucunda oluşan baca gazı emisyonlarının ölçümünde DRÄGER MSI marka baca gazı ölçüm cihazı kullanılmıştır (Şekil 5). Şekil 5. Baca gazı ölçüm cihazı (DRÄGER MSI Compact System) Metot Çukurova bölgesinin prina atıkları potansiyelinin belirlenmesi, elde edilen üretim miktarı ile ürün atık oranlarının çarpı ile hesaplanmıştır. Briketleme makinasının iş kapasitesi ve özgül enerji tüketiminin belirlenmesinde, belirli miktardaki prinanın briketlenme süresi ve enerji tüketimi ölçülmüştür. Prinaların briketlenmesi sonucunda 90 mm çapında silindirik briketler elde edilmiştir (Şekil 6). Şekil 6. Prina briketleri Briketlenmiş prinanın bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri belirlenmiştir. Briketlerin 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 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 kuvvetxdeformasyon eğrileri çizilmiştir. Bu testte kullanılacak briketlerin uzunluk çap oranı, ASTM D 2938 standardına göre, 2-2,5 olacak şekilde hazırlanmıştır. - 25 -
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. Prina briketlerinin elementel analizi sonucunda C, H, N ve S içerikleri belirlenmiştir. Elementel analizler TÜBİTAK-MAM Kimya Enstitüsü nde ASTM standartlarına göre yaptırılmıştır. Briketlerin yanması sonucunda oluşan, baca gazındaki O 2, CO 2, CO, SO 2 ve NO x miktarları belirlenmiştir. Ayrıca, baca gazı sıcaklığı ve yanma verimi değerleri de ölçülmüştür. Ölçümlerde baca gazı analizörü kullanılarak veriler anlık olarak her dakikada okunarak kaydedilmiştir. Denemelerde cihazın ölçüm algılayıcısı kazan baca borusu üzerine kazan çıkışından yaklaşık 1 m uzağına açılan deliğe yerleştirilmiştir. Algılayıcının uç noktası boru kesitinin merkezine gelecek kadar delikten içeriye sokulmuştur. 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. Kazanda briketleri tutuşturmak için odun kullanılmıştır. 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 (Van Loo ve Koppejan, 2008). Araştırma Bulguları ve Tartışma Çukurova bölgesinde (Adana, Mersin, Osmaniye) toplam yağlık zeytin üretimi, atık miktarı, ısıl değerleri ve toplam enerji potansiyeli Çizelge 1 de verilmiştir. Prina, bölgede yaklaşık 16 Btep lik bir enerji potansiyeline sahiptir. Çizelge 1. Çukurova bilgesi yağlık zeytin üretimi, atık miktarı ve enerji değeri Parametreler Değerler Üretim miktarı (ton/yıl) 84.338 İşlenen ürün atık oranı 0,40 Toplam atık (prina) miktarı (ton/yıl) 33.735 Alt ısıl değeri (MJ/kg) 19,68 Toplam enerji potansiyeli (GJ) 663.909 Toplam enerji potansiyeli (tep) 15.857 Prina briketleme makinasını iş kapasitesi 1125 kg/h, özgül enerji tüketimi ise 0,0067 kwh olarak belirlenmiştir. Prina briketlerinin belirlenen bazı fiziksel özellikleri Çizelge 2 de verilmiştir. - 26 -
Çizelge 2. Prina briketinin bazı fiziksel özellikleri Parametreler Değerler Briketleme öncesi nem (%) 33,5 Briketleme sonrası nem (%) 30,2 Briketleme öncesi özgül kütle (kg/m 3 ) 378,54 Briketleme sonrası özgül kütle (kg/m 3 ) 945,97 Sıkışma oranı 2,5 Prinanın briketlenmesi sonrasında, neminde sıkıştırma işleminden kaynaklı bir düşüş olduğu görülmektedir. Materyalin özgül kütlesindeki artışla prinaların 2,5 kat özgül hacimlerinde azalma olduğu belirlenmiştir. Böylece prinanın depolama ve taşıma problemleri azalmış olacaktır. Briketlere uygulanan su alma testi sonucunda, materyallerin bünyesine emdikleri su miktarı kütlesine oranla yüzde olarak Şekil 7 de verilmiştir. Şekil 7. Prina briketlerinin su alma yüzdesi Briketlerin ilk 30 s de su alması hız 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 8 de verilmiştir. Prina briketinin 250 N luk kuvvette ezilmeye başladığı ve belirli bir ezilme süresinden sonra 275 N da kırılmanın gerçekleştiği görülmüştür. Bu durum briketlerin esnek bir yapıya sahip olduğunu göstermektedir. - 27 -
Şekil 8. Prina briketi kuvvetxdeformasyon grafiği Briketlerin ısıl ve kısmi analiz sonuçları Çizelge 3 de verilmiştir. Çizelge 3. Prina briketinin ısıl ve kısmi analiz sonuçları Parametreler Değerler Alt ısıl değeri (MJ/kg) 19,68 Üst ısıl değeri (MJ/kg) 20,69 Kül içeriği (%) 4,1 Uçucu madde içeriği (%) 87,8 Prinanın belirlenen ısıl değerleri, literatürde Eriksson ve Prior (1990) ve Van Loo ve Koppejan (2008) tarafından yapılan çalışmalarda verilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Prinanın ısıl değeri diğer tarımsal atıklardan (buğday samanı, arpa samanı, pamuk sapı, mısır sömeği ve çeltik samanı) daha yüksektir. Ayrıca odunun üst ısıl değerinin 18,4 MJ/kg olduğu düşünüldüğünde, prina briketinin ısıl değeri odunun ısıl değerinden yüksektir. Bir materyalin kül içeriğinin yüksek olması ısıl değer üzerinde olumsuz bir etki yaratır. Fakat uçucu madde içeriğinin yüksek olması ise ısıl değer üzerinde olumlu bir etki yaratır. Prina briketinin kül içeriği literatürde (ASAE, 1999) verilen bazı tarımsal atıkların kül içerikleriyle karşılaştırıldığında, çeltik kabuğu, ayçiçeği ve pamuk sapı, tahıl samanlarından daha düşüktür. Atık briketlerinin ASTM D 3177, 3178, 3179 standartlarına göre belirlenen elementel analizleri Çizelge 4 de verilmiştir. Çizelge 4. Prinanın elementel analiz sonuçları Atık materyal %C %H %O %N %S Prina 48,84 6,25 39,40 1,13 0,28 Prinanın elementel analiz sonuçları kullanılarak yanma için gereksinim duyduğu hava debisi 104 m 3 /h olarak belirlenmiştir. - 28 -
Aynı yakma sisteminde çam odunu da yakılarak emisyon değerleri karşılaştırılmıştır. Prina yanma sonucu oluşan baca gazı emisyon grafiği Şekil 9 da verilmiştir. Şekil 9 Prinanın baca gazı emisyon ölçümü Prina briketinin ve odunun en yüksek baca gazı emisyonları ve Isınmadan Kaynaklanan Hava Kirliliğinin Kontrolü Yönetmeliği nde biyokütle ve odun yakıtı için verilen emisyon sınırları ile karşılaştırılması Çizelge 5 de verilmiştir. Çizelge 5. Prina ve odun baca gazı emisyonları ve IKHKKY sınır değerleri Materyal CO 2 (%) CO (mg/nm 3 ) NO x (mg/nm 3 ) SO 2 (mg/nm 3 ) Prina 1,1 630 23 11 Odun 8,8 3810 64 88 IKHKKY sınır değerleri 20,5 4000 400 200 Prina briketinin baca gazı emisyonlarının, odunun baca gazı emisyonlarından daha düşük olduğu görülmüştür. Ayrıca IKHKKY sınır değerlerinin de çok altında olduğu görülmektedir. Prina briketinin yanma süresince ölçülen yanma verimi %40-67 arasında değişmiştir. Sonuçlar ve Öneriler Çukurova bölgesinde, zeytinyağı çıkarma atığı (prina) yaklaşık 16 Btep lik bir enerji potansiyeline sahiptir. Bu potansiyelin verimli bir şekilde enerjiye dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu atıkların briketlenerek, fosil yakıtlara alternatif - 29 -
bir yakıt haline getirilebilir. Bu yakıtlar daha çok bölgedeki sanayi işletmelerinin ısıl ihtiyacını karşılayacak şekilde, büyük ve verimli yakma sistemlerinde kullanılmalıdır. Prina hem ucuz hem de çevreye yaydığı emisyonlar bakımında fosil yakıtlardan daha temiz bir yakıttır. Bu nedenle bölgedeki potansiyelin değerlendirilmesi ile sera gazı salınımlarınının azaltılmasına büyük katkı sağlayacağı 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. Kaynaklar ACAROĞLU, M., 2003. Alternatif enerji kaynakları. Nobel Basımevi, Ankara. ANONİM, 2008. Hakkı Usta Oğulları Mak. San. Tic. Ltd. Şti. www.hakkıusta.com.tr ASAE. 1999. CIGR Handbook of agricultural engineering, Volume V Energy and Biomass Engineering. ISBN 1-892769-01-8. ASTM International, 2004. Volume 05.06 Gaseous Fuels; Coal and Coke BAŞÇETİNÇELİK, A., ÖZTÜRK, H.H., KARACA, C., KACIRA, M., EKİNCİ, K., KAYA, D., BABAN, A., 2006. Final report of exploitation of agricultural residues in Turkey. LIFE 03 TCY/ TR /000061. ERIKSSON, S., PRIOR, M., 1990. The briquetting of agricultural wastes for fuel. FAO Environment and Energy Paper 11, FAO of the UN, Rome-Italy ISINMADAN KAYNAKLANAN HAVA KİRLİLİĞİNİN KONTROLÜ YÖNETMELİĞİ, 2005. www.cevreorman.gov.tr/yasa/y/25699.doc TÜRKİYE İSTATİSTİK KURUMU, 2007. Bitkisel üretim istatistikleri. VAN LOO, S., KOPPEJAN, J. 2008. The handbook of biomass combustion and cofiring. ISBN: 978-1-84407-249-1. Earthscan, London,UK. - 30 -