Investigation of Turkish lignites and biomass at high heating rates by using wire mesh apparatus

Abstract

Kömür, dünyadaki enerji üretiminde önemli rol oynamaya devam etmektedir. Fakat, kısıtlı temin ve küresel ısınma üzerindeki büyük etkiler devletleri ve kuruluşları biyokütle (CO2 nötr) gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına yönlendirmiştir. Termik santralde yakıtın kullanımından önce, yakıtın endüstriyel uygulamalardaki yüksek sıcaklık ve ısıtma hızına yakın değerlerde yanma davranışını incelemek önemlidir. Bu tür bilgiler, mühendislerin daha uygun ve verimli kazanlar tasarlamasına olanak sağlamaktadır. Fakat, bu zamana kadar, Türk linyitleri ve biyokütleleri, laboratuvar ortamında pulverize yakıt kazanlarındaki koşullara yakın yüksek ısıtma hızı ve yüksek sıcaklıklarda çalışılmamış. Bu nedenle, bu çalışma kapsamında Türk linyiti ve biyokütle yakıtlarının yanma davranışı, mevcut termik santrallerdeki (ör. Pulverize yakıt kazanları) gerçek koşullara yakın şekilde olan laboratuvar ortamında çalışılmıştır. Bu çalışmada, fındık kabuğu (HS), zeytin tortusu (OR) ve Soma linyiti gibi Türk biyokütlesi ve linyitinin yeni geliştirilen tel örgü reaktöründe (WMR) yüksek ısıtma hızında (~3000 ºC/s) yanması ve pirolizi gerçekleştirilmiştir. Yüksek ısıtma hızlarında (~2200 ºC/s, 4550 ºC/s) ve yüksek sıcaklıklarda (~1100 ºC, 1500 ºC) oluşan kül ve çar miktarını, morfolojisini, kimyasal kompozisyonunu, uçucu madde miktarını ve çar reaktifliğini anlama hususuna önem verilmiştir. Hızlı piroliz durumunda nemin etkisini anlamak için kurutulmuş ve direkt alınmış fındık kabuğu yakıtının iki farklı sıcaklıkta (1100 ºC ve 1550 ºC) ve ısıtma hızlarında (2200 ºC/s ve 4550 ºC/s) pirolizi yapılmıştır. Kurutulmuş ve direkt alınmış fındık kabuğu (HS) yakıtının iki durumdaki pirolizinden çıkan uçucu madde miktarı düşük ısıtma hızında (20 ºC/dk) yapılan proksimat analizinden (HS-A: 75 ay. %, HS-D: 79.5 ay.%) daha yüksek değerler (%85 ay.%) göstermiştir. Kömür ve biyokütlenin birlikte pirolizinin sinerjistik etkisini incelemek amacıyla Soma linyiti (SL) ve fındık kabuğunun (HS) iki farklı karışımının (50-50 ay.% ve 75-25 ay.%) pirolizi yapılmıştır. Tek ve karışım halindeki çarların reaktifliğinin çalışılmasında izotermik çar yanması Termogravimetrik Analiz (TGA) ile gerçekleştirilmiştir. Termogravimetrik Analizde (TGA) kinetik olarak kontrol edilmiş bir ortama sahip olmak için biyokütle çarında 400 º C ve linyit ve biyokütle çarı karışımında 450 º C izotermik yanma sıcaklığı olarak kararlaştırılmıştır. Tek fındık kabuğu (HS) çarı, tek linyit ve karışım çarlarından daha yüksek reaktiflik göstermiştir. Bu nedenle tek fındık kabuğu (HS) çarının %90 yakıt tükenme zamanı (9.6 dk), tek linyit ve karışım çarları için gereken zamandan (sırasıyla 342 dk ve 160 dk) daha kısa olduğu gözlemlenmiştir. Yüksek ısıtma hızına sahip WMR pirolizinden elde edilen tek ve karışım çarların yüzey alanının bulunmasında Brunauer–Emmitt–Teller (BET) yüzey analizi gerçekleştirilmiştir. Biyokütle çarlarının, yüksek ısıtma hızında hızlı buharlaşma fenomeni nedeniyle düşük yüzey alanına (10-15 m2/g) sahip oldukları gözlemlendi.

Coal continues to play a significant role in energy production over the world. However, its limited procurement and enormous side effects on global warming, make governments and organizations turn towards renewable energy resources like biomass which is CO2 neutral. Prior to utilization of fuels in power plants, it is important to investigate fuel behavior at high temperatures and high heating rates, i.e., close to heating rates in industrial applications. This understanding enables engineers to design appropriate and efficient boilers. However, until now, Turkish fuels have not been analyzed under high heating rate and high temperature conditions in laboratory settings to resemble the actual pulverized fuel combustion boilers. Therefore, in this study, combustion behavior of Turkish lignite and biomass fuels were studied in a laboratory environment close to the real conditions available in commercial power plants (i.e. pulverized fuel boilers). This work performed combustion and fast pyrolysis of Turkish biomass and lignite fuels, namely hazelnut shell (HS), olive residue (OR) and Soma lignite (SL) at high heating rates (~3000 ºC/s) in a novel wire mesh reactor (WMR). Particular emphasis was given to understand ash and char yields, their morphology and chemical composition, volatile yield, char reactivity of the chars obtained at high heating rates (~2200 ºC/s, 4550 ºC/s) and at elevated temperatures (~1100 ºC, 1500 ºC). In order to understand effect of moisture on fast pyrolysis conditions, dried and as received hazelnut shell fuels were pyrolyzed at two different temperatures, 1100 ºC and 1550 ºC, at heating rates of 2200 ºC/s and 4550 ºC/s respectively. Volatile yields from dried and as received HS chars obtained from both pyrolysis conditions, showed higher values nearly 85 wt.% than proximate analysis (PA) (HS-A: 75 wt. %, HS-D: 79.5 wt.%) performed at low heating rates (20 ºC/min). To investigate synergetic effect of co-pyrolysis of coal and biomass, two different blends of Soma lignite (SL) and hazelnut shell (HS) with mixing ratios of 50-50 wt.% and 75-25 wt.% were pyrolyzed. Thermogravimetric analysis (TGA) was conducted to carry out isothermal char combustion to study reactivity of individual and blended chars. In order to have kinetically controlled combustion environment in TGA, 400 º C for biomass chars, 450 º C for lignite and blended chars were decided as isothermal combustion temperatures. Individual hazelnut shell chars showed higher reactivity than individual lignite and blended chars and, therefore, shorter 90% burnout time (9.6 min) was observed for hazelnut shell chars compared to lignite (342 min) and blended chars (~160 min). Brunauer–Emmitt–Teller (BET) surface analysis was performed to determine surface areas of individual and blended chars obtained from high heating rate pyrolysis in WMR. Biomass chars were characterized by low surface areas (10-15 m2/g) due to rapid volatilization phenomenon at high heating rates.