Briquetting of wood shavings and coal slurry

Abstract

Günümüz dünya politikasında enerjinin önemi gitgide artmaktadır. Türkiye cari açığı enerji yüzünden sürekli büyüyen bir ülkedir. Bu yüzden Türkiye'nin çeşitli alternatif yakıtlar bularak, dış enerji bağımlılığını azaltması gerekmektedir. Yeni bulunacak alternatife yakıtlar yerli kaynaklara dayanan, elde etmesi kolay, ucuz ve sürdürülebilir olmalıdır. Bu çalışmada, bu özelliklere uyan iki farklı malzeme tipi seçilmiştir. Bunlardan biri kömür şlamı, diğeri ise ağaç talaşıdır. Kömür şlamı kömür işlemeden oluşan bir yan üründür. Ağaç talaşı ise ağaç endüstrisinin atıklarıdır. Her iki malzemede Türkiye'nin farklı bölgelerinde rahatlıkla bulunabilmektedirler. Bu iki numuneyi kullanarak üretilecek bir yakıt enerji ihtiyacımıza bir alternatife olabilir. Yakıt üretim metodu olarak düşük enerji tüketimi ve basit imalat adımları nedeniyle briketleme işlemi seçilmiştir.Türkiye'nin ana enerji kaynaklarından biri kömürdür. Kömür elektrik üretiminden metal sektörüne kadar birçok farklı sektörde kullanılmaktadır. Madenden çıkan ham kömürü birçok işlemden geçerek kullanılabilir hale gelmektedir. Bu işlemlerin başında kırma, öğütme, eleme, temizleme ve yıkama gelmektedir. Her aşamada bir miktar atık çıkmaktadır ve bu çıkan atıkların tesisten uzaklaştırılması gerekmektedir. Yıkama sırasında ortaya çıkan atıklara kömür şlamı denir. Kömür şlamı ham kömürün üzerinde bulunan ince kömür tozlarını ve topraktan gelen mineralleri içermektedir. İçeriği sebebiyle kömür şlamının enerji potansiyeli bulunmaktadır. Dolayısıyla enerji kaynağı olarak kullanılabilir ancak kullanılmadan önce işlenmesi gerekmektedir. Mevcut durumda kömür şlamları ya yeraltı kaynaklarına basılmakta ya da açık havuzlarda depolanmaktadır. Ancak iki şekilde de hem çevresel hem de depolama problemleri oluşmaktadır. Bu nedenlerden dolayı kömür şlamı hem çevresel zararları azaltmak hem de enerji ihtiyacımızın bir bölümüne çözüm olmak için kullanılabilir. Son yıllarda orman endüstrisi ve mobilya sektörü ülkemizde hızla gelişmektedir. Orman kaynaklı ürünlerin başında kereste ve işlenmiş ağaç ürünleri gelmektedir. Kereste ham şeklinde inşaattan mobilya sektörüne birçok alanda kullanılmaktadır. İşlenmiş ağaç ürünlerinin başında sunta, mdf, osb ve plyood gelmektedir. Bu ürünler plaka halinde üretilmekte ve teknik özelliklerinin belirli olması sebebiyle birçok sektörde kullanılmakdır. Özellikle mobilya sektörü sunta ve mdf kullanımında en üst sıralarda yer almaktadır. Sunta ve mdf işleme kolaylığı ve fiyat avantajları sebebiyle en çok tercih edilen ürünlerdir. Kereste işleme sırasında ağaç talaşı ortaya çıkmaktadır. Ağaç talaşı mevcut piyasa koşullarında değerlendirilebilen bir üründür. Sunta ve mdf fabrikaları ham ağaç talaşını imalat sürecinde katkı maddesi olarak kullanmaktadır. Ancak ağaç talaşının temiz ve katkısız olamsı gerekmektedir. Eğer ağaç talaşının içinde katkı maddesi veya diğer ürünlerin atıkları bulunursa imalat sürecinde yaşanabiliecek sıkıntılardan dolayı sunta ve mdf fabrikaları bu tip talaşları kabul etmemektir. İşlenmiş ağaç ürünlerinin kullanılması sırasında ortaya çıkan tozlar, bu ürünlerin imalat sürecinde içeriğine eklenen katkı maddelerinden dolayı tekrar fabrikaya geri verilip kullanılamamaktadır. Bu ürünlerin işlenmesinin her aşamasında bir miktar toz oluşmaktadır. Geri dönüşüm imkânı olmadığından dolayı, bu tozlar birçok fabrikaya depolama ve çevre problemleri yaratmaktadır. Bu çalışmada orman atıklarından piyasada mevcut durumda kullanım alanı bulunmayan iki farklı atık numunesi seçilmiştir. Bunlardan biri kalem talaşı diğeri ise mdf tozudur. Kalem talaşı imalat süresince boyama, kaplama ve mine eklenmesi gibi işlemlerden geçtiği için içerisinde farklı atıkları bulundurmaktadır. MDF tozu ise içeriğindeki bağlayıcılar nedeniyle kullanılamamaktadır. Seçtiğimiz numunelerin ısıl değerleri elde edilecek yakıtın değerini belirleyeceği için önemlidir. Eğer ısıl değerler çok düşük ise seçtiğimiz numuneler briket üretimi için uygun olmayabilir. Öncelikle kömür şlamının ısıl değeri ve yanma özellikleri incelenmiştir. Kömür şlamı kömür yıkama işleminden ortaya çıkan bir ürün olduğundan dolayı, içeriğinde nem miktarı fazladır. Bu yüzden elde edilen kömür şlam numunesi öncelikle kurutulmuştur. Kurutma işlemi sonrasında, kömür şlamı 250µm boyutundaki elekten geçirilmiş ve elde edilen numunenin ısıl değeri 4263 kcal/kg olarak elde edilmiştir. Kömür şlamının ısıl değerini arttırmak için karbonizasyon işleminden geçirilmiştir, ancak bu işlem sonrasında kömür şlamının ısıl değerinin 2793 kcal/kg olduğu görülmüştür. Sonuç olarak kömür şlamına karbonizasyon işlemini uygulamanın verimli olmadığı görülmüş ve briketleme işlemi için kömür şlamının ham halinin kullanılmasına karar verilmiştir.Orman atıklarından ilk olarak kalem talaşının özellikleri araştırılmıştır. Kömür şlamının aksine kalem talaşının numuneleri kurudur, bu yüzden kurutma işlemi yapılmamıştır. Ancak elde edilen numuneler yonga boyutunda olduğu için 250µm elekten geçirilmeden önce öğütülmüştür. Elde edilen numune ısıl değerinin 4263 kcal/kg olduğu görülmüştür. Bu değer kömür şlamının değerine yakındır. Bu yüzden kalem talaşına karbonizasyon işlemi uygulanmıştır ve işlem sonucunda kalem talaşının ısıl değeri 7669 kcal/kg olmuştur. Bu sonuçlara göre kalem talaşının karbonizasyon işlemi yapılarak briket yapımında kullanılmasına karar verilmiştir. İkinci numune olarak seçilen MDF tozuna kalem talaşına uygulanan aynı işlemler tekrarlanmıştır. Ancak MDF tozu zaten toz halde olduğu için 250µm elekten geçirme işlemi öncesinde öğütme işlemine gerek duyulmamıştır. Elekten geçirilen MDF talaşının ısıl değeri, kalem talaşının ısıl değerine yakın olarark 4269 kcal/kg elde edilmiştir. Aynı şekilde MDF talaşının ısıl değerini arttırmak amacıyla karbonizasyon işlemi uygulanmış ve ısıl değerinin 7070 kcal/kg değerine yükseldiği görülmüştür. Numuneler ve test sonuçları incelendikten sonra dört farklı nunume ile briketleme işlemi yapılmasına karar verilmiştir. İlk olarak sadece kömür şlamı kullanılarak briket yapılmıştır. Başlangıç basınç değeri olarak 5MPa denenmiş ancak sonuç alınamamıştır. Daha sonra basınç 10 MPa çıkarıldığında düzgün briketler elde edilmiştir. İkinci numune olarak kömür şlamına %10 oranında kalem talaşı yarı koku karışıtırılmıştır. Elde edilen karışım başlangıç basıncı olan 5 MPa denenmiş ama başarısız olunmuştur. Basınç 10 MPa değerine çıkarıldığında bu karışımdan briket elde edilmiştir. Üçüncü olarak kömür şlamına %10 oranında karbonize edilmiş mdf tozu eklenmiştir. Başlangıç basıncı olarak 5 MPa denenmiş ancak başarısız olunmuştur. Daha sonra basınç 10 MPa arttırıldığında briket yapımı mümkün olmuştur ancak briket kalitesi kalem talaşı karışımından daha dayanıksız olduğu gözlenmiştir. Son olarak test sonuçlarımızı karşılaştırmak amacıyla yüksek ısıl değeri nedeniyle kalem talaşı nunumesi seçilmiş ve tek başına briketlenmiştir. Kalem talaşı numunesiyle 10 MPa basınçta yapılan briketler diğer briketlere göre daha sağlam olduğu görülmüştür. Elde edilen briketlerin her birine dayanıklılıklarının belirlenmesi için deneyler yapılmıştır. Basma mukavvemeti deneyi sonrasında %100 kalem talaşı ve kömür şlamında yapılan briketlerin daha dayanıklı olduğu görülmüştür. Sadece kalem talaşı numunesinin basma mukavvemeteti 630 MPa, sadece kömür şlamının basma mukavvemeti ise 275 MPa olarak elde edilmiştir. Karışımlarda ise MDF tozu eklenen şlam kömürü briketin basıncının 310 MPa, kalem talaşı eklenen briketin basıncının ise 65 MPa olduğu gözlenmiştir. Suya dayanıklık analizlerinde ise %100 kalem talaşı ve %100 kömür şlamı briketlerinin karışım briketlerine göre daha dayanıklı oldukları görülmüştür.

Energy is becoming more and more important in the world politics. Turkey is a country whose current deficit is widening due to its energy need. Turkey needs to find variety of alternative fuels to reduce its dependency to outside energy resources. New alternative fuels must be local, cheap and sustainable. In this study, two resources that match these criteria are chosen; wood waste and coal slurry. Wood waste is a residue of wood based industry and coal slurry is a byproduct of coal processing. Both of them are abundant and widely found all over Turkey. A fuel, made by using wood waste and coal slurry can be an alternative to our energy need. In order to create a fuel, briquetting method will be used because of its simple process steps and low energy requirements.Coal is of the main energy resources of Turkey and it is mainly used for electricity generation and industrial purposes. Coal has various preparation process and some of them include washing and curing with a liquid. After these processes, a mixture of liquid is generated and this mixture includes coal particles and minerals. This substance is dumped or stored, and it creates environmental and storage problems. Obtaining value from this liquid, and creating a fuel from it, can be a solution for environmental issues and current energy demand of Turkey.Wood based industry significantly developed in Turkey over the last couple of years. At every step of wood processing, it produces small amount wood shavings. In time these shavings creates health, quality and storage problems for companies. Two types of wood shavings are investigated, in this study. First, one is wood shavings from pencil production and the second one is MDF dust from furniture production. Both of the samples are investigated for their thermal characteristics and tested during briquetting process.The determination of calorific value is important for our samples because if the calorific value is too low, it may not be suitable for briquette production. So first, coal slurry is researched for its properties and combustion caracteristics. Since coal slurry is a product of coal washing, it has high moisture content, therefore it needed to be dried. After drying process, to obtain a uniform particle size, dried coal slurry is sifted through a 250µm mesh. After discovering that coal slurry has 4114 kcal/kg calorific value, the rest of the analysis could be carried on. To increase the calorific value of coal slurry, carbonization process is applied, but the calorific value of slurry is decreased to 2793 kcal/kg after carbonization. As a result, carbonization was not necessary for coal slurry because the loss of calorific value. Later, coal slurry particles are investigated by using thermal and elemental analysis. The analysis showed us that coal slurry is suitable for briquette production. In order to choose our wood sample for briquette production, pencil shavings are investigated. Pencil shavings were already dry due to its pre-production drying, so there was no need to dry the samples. Pencil shavings particles size was bigger than coal slurry, so before sifting them, pencil shaving are reduced in size in a mill chrusher. After reducing the particle size, shavings are sifted from a 250µm mesh to obtain uniform particle size. Obtained pencil shavings are tested for the calorific value and the calorific value was 4263 kcal/kg. Then to increase the calorific value, carbonization method applied to the samples. Pencil shaving nearly doubled in calorific value after carbonization to 7669 kcal/kg, which was promising for our briquettes quality. Second sample was the MDF dust, and same processes are repeate. MDF is an already dry product, so drying the samples were not necessary. Also MDF dust particle size is already small, there was no needed to mill it before sifting. Sifted from a 250µm mesh, MDF dusts are tested for calorific value and the calorific value was 4269 kcal/kg, which was similar to coal and shavings. Then carbonization is applied to MDF dust and calorific value is increased to 7070 kcal/kg. Althought the percentage increase in calorific value was close, pencil shavings achieved higher calorific value after carbonization. After analyzing and investigating properties of the samples, the briquetting materials are determined. Four different type of briquette were produced: 100% coal slurry, 90% coal slurry mixed with 10% pencil shaving, 90% coal slurry mixed with 10% MDF dust and 100% pencil shavings only to check our results. All of the briquettes are produced under 10 MPa pressure and the obtained briquettes are tested for compressive strength and water resistance. 100% coal slurry and 100% pencil shaving had better results both water resistance and compressive strength test against the mixtures.