Investigation of the non-isothermal combustion kinetics of some agricultural residues

Abstract

BAZI TARIMSAL ATIKLARIN ÎZOTERMAL OLMAYAN DURUMDA YANMA KİNETİKLERİNİN İNCELENMESİ ÖZET Günümüzde birçok gelişmiş ülke gelecek yıllar için enerji kaynaklarım garantilemek istemektedir. Sürekli artan nüfusa ve gelişen teknolojiye bağlı olarak dünyada enerji talebi artmaktadır. Fosil yakıt rezervlerinin tükenmeye yüz tutmasından ötürü önümüzdeki yüzyıl içerisinde dünyanın bir enerji darboğazına düşmesi beklenmektedir. Bu şartlar altında ülkelerin alternatif enerji kaynaklarına yönelmeleri kaçınılmazdır. Birçok ülke rüzgar, güneş, biyokütle, gel-git ve jeotermal enerjiler gibi alternatif kaynaklara yönelmiştir. Günümüzde de bu kaynakların bazıları çok yaygın olmasalar da kullanılmaktadırlar. Biyokütle, bu kaynaklardan özellikle gelişmekte olan ülkelerde en çok tercih edilenidir. Dünyanın toplam enerji tüketiminde biyokütle'nin payı gelişmiş ülkelerde % 3 'ün altında iken gelişmekte olan ülkelerde bu oran % 20 ile % 90 arasında değişmektedir. Dünyada toplam enerji tüketiminin % 15'i biyokütle'den sağlanmaktadır. Birçok Avrupa ülkesinin yanı sıra ABD, Kanada ve Brezilya'da büyük ya da orta ölçekli ticari ve araştırmaların yürütüldüğü pilot biyokütle tesisleri mevcuttur. Bu ülkelerde biyokütle kullanımının arttırılmasına yönelik hedefler de belirlenmiştir. Türkiye tükettiği enerjinin yansından fazlasını ithal eden bir ülkedir. Bu oranın artması beklenmektedir. Türkiye'de günümüz itibariyle biyokütle kaynaklarından yeterince yararlamlmamaktadır; ancak, değerlendirilebilecek ciddi bir potansiyel mevcuttur. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak biyokütlenin ekonomik ve çevresel avantajları vardır. Fosil yakıtlara kıyasla temiz bir yakıt olması biyokütle 'yi tercih edilir kılmaktadır. En önemli çevresel etkisi karbondioksit çevrimine daha fazla gaz eklenmesine sebep olmamasıdır; çünkü, yeniden büyüyen biyokütle, enerjiye dönüşüm esnasında açığa çıkan karbondioksiti absorblamaktadır. Biyokütlenin enerji kaynağı olarak kullanımı, bu atıkların bertarafı için ayrılacak kaynaklardan da tasarruf sağlar. Ekonomik açıdan bakıldığında ise fosil yakıt rezervleri yeterli olmayan ülkeler için ithal enerjiye bağımlılığı kısmen azaltabileceği için biyokütle, stratejik bir anlam da kazanmaktadır. Eskiden biyokütle teknolojisi pahalıydı ve fosil yakıtlarla rekabet edebilirliği azdı ancak araştırmalar hızla ilerlemekte olduğundan biyokütle, fosil yakıtlara kıyasla daha ekonomik ve rekabet edebilir bir yakıt olmaya adaydır. Biyokütle enerjisi buhar, su vb. gibi değişik taşıyıcı ortamlar aracılığıyla taşınarak ısı ya da güç üretilebilir. Biyokütle, taze biyokütle ve atık biyokütle olarak başlıca iki grupta sınıflandırılır. Taze biyokütle enerji bitkileri olarak da adlandırılan, enerji kaynağı olarak kullanımı xııımaksadıyla özel olarak yetiştirilen türleri kapsar. Atık biyokütle ise tarımsal atıklar, evsel atıklar ve atık sular gibi kalorifik değeri olan atıklardır. Biyokütle türleri arasındaki bu çeşitlilik, türlere özel sistemlerin tasarımım zorunlu kılar. Bazı durumlarda biyokütle, direkt olarak yakmayla verimli olarak enerjiye çevrilemeyebilir. Bu nedenle geliştirilmiş başka prosesler de vardır. Bu amaçlı bazı termal prosesler karbonizasyon, gazlaştırma, havasız ortamda sindirim, sıvılaştırma, ve piroliz'dir. Kurutma ve boyut küçültme gibi bazı fiziksel operasyonlar ardından yakma, biyokütleden enerji elde etmek için kullanılan en yaygm yöntemdir. Tek başına biyokütle yakmak kadar kömür ya da doğal gaz ile beraber yakmak da uygulanan bir seçenektir. Yakma; kuruma, piroliz ve indirgenme, uçucu gazların yanması ve oluşan kok'un yanması olarak adlandırılan dört aşamadan oluşur. Bu işlem sabit yataklı ya da akışkan yataklı reaktörlerde gerçekleştirilebilir. Bu reaktörler güç üreten buhar çevrimi için gerekli ısıyı sağlarlar. Yakma sistemi tasarımlan biyokütlenin özelliklerine ve proses şartlarına büyük ölçüde bağlıdır. Bir yakma sistemi tasarlayabilmek için yakılacak biyokütle türünün yanma kinetiği iyi bilinmelidir. Yanma kinetiğini incelemenin en iyi yolu termogravimetrik (TG) analiz yapmaktır. İzotermal ya da izotermal olmayan şartlarda yapılabilen bu analiz, biyokütle bileşenlerinin yakma koşullan altındaki davranışını inceler. Elde edilecek olan termogravimetrik verilerden değişik matematiksel modeller kullanılarak kinetik parametreler hesaplanır. Bu çalışmada Coats-Redfern modeli kullanılmıştır. Model için gerekli veriler on farklı biyokütle türünün termogravimetrik analiz cihazıyla yürütülmüş deneylerinden elde edilmiştir. Bu numuneler sırasıyla zeytin küspesi, ay çekirdeği kabuğu, kolza tohumu, ceviz kabuğu, çam kozalağı, çay atığı, pamuk atığı, üzüm çekirdeği, melez kavak ve vişne çekirdeğidir. Numunelere iki farklı ısıtma hızı uygulanmış ve elde edilen TG eğrilerinden diferansiyel termal gravimetri (DTG) eğrileri türetilmiştir. Maksimum yanma sıcaklığı, maksimum yanma hızı ve yanma süresi bilgileri DTG eğrilerinden elde edilmiştir. Bu veriler İTÜ Kimya Mühendisliği bölümünde yapılmış olan bir araştırma sonucu elde edilmiş olan biyokütle numunelerine ait elementer, kısa, kalorifik ve yapısal analiz sonuçlanyla kıyaslanmıştır [1]. xıv

SUMMARY In today's world, many developed countries are in the rush of guaranteeing then- energy sources for the future. The energy demand of the world is increasing due to increasing population and developing technology. It is expected to have an energy crisis in the next century due to the depletion of the limited fossil fuel reserves. With these conditions, it is vital for countries to use alternative energy resources. Many countries have efforts to partially switch to renewable energy sources like wind, solar, biomass, tidal and geothermal energies. Some of these energy sources are used today, though they are not very common. The most used one is biomass energy, especially in developing countries. The share of biomass energy in primary energy consumption of developed countries is below 3 % and in still-developing countries this share changes between 20-90 %. Biomass stands for 15 % of the worlds total energy consumption. Many European countries, USA, Canada, and Brazil have ongoing projects; working large or pilot scale plants and aims to increase the shares of biomass in their future consumption. Turkey is a country which imports more than half of the energy it uses. It is estimated that this amount is going to increase. At present Turkey does not make much use of its biomass potential but there is a great opportunity to provide energy from biomass. Biomass, as a renewable energy source, has economic and environmental advantages. The advantage of keeping the environment cleaner when compared to fossil fuels makes biomass very attractive. The most important environmental effect of biomass is that it does not add up to carbon dioxide emissions because newly grown biomass absorbs the carbon dioxide emitted during combustion. Evaluating biomass as a fuel also provides us the opportunity to avoid land filling and problems with the disposal of wastes. From an economical view, the option to partially decrease reliance on imported energy sources makes biomass a strategically preferable alternative. In the past, biomass technology was very expensive and could not compete with fossil fuels but with the improvement of technology and increasing research, now biomass combustion systems compete with traditional methods. The biomass energy systems are considered to produce different energy carriers, namely heat and/or power. Biomass could be of two types: virgin biomass and waste biomass. Virgin biomass is purpose-grown species and waste biomass is residues from agricultural operations, municipal solid waste (MSW), sewage etc. This variety of species and their different physical properties necessitate the design of specific systems for every type of biomass. XIAs biomass can't always be converted effectively to energy using direct combustion, some conversion processes are necessary. Some thermal processes that convert biomass into valuable fuel are carbonization, gasification, anaerobic digestion, liquefaction and pyrolysis. Combustion after some physical operations (drying, size reduction) is the most common method to obtain energy from biomass. Besides using only biomass as a fuel, co-combustion with fossil fuels is also an option. Drying, pyrolysis and reduction, combustion of the volatile gases and combustion of the char are the four stages of combustion. Fixed-bed and fluidized-bed systems can be used for combustion of biomass. These units produce the heat necessary for the steam cycle which provides power. Process conditions and biomass properties strictly affect the design of combustors. In order to design a combustion system for biomasses, the combustion kinetics of the species should be known in detail. Thermogravimetric analysis is the most used technique to achieve this. This method, which could be isothermal or non-isothermal, investigates the behavior of the components of biomass under the analysis conditions. Important kinetic parameters can be calculated from the thermogravimetric (TG) data obtained, using many different models. In this study Coats-Redfern model was used. The data for the model have been obtained carrying out experiments with a thermogravimetric analyser. Ten samples of biomass namely as olive bagasse, sunflower shell seed, rapeseed, walnut shell, pine cone, tea residue, cotton bagasse, grape seed, hybrid poplar, and sour cherry stone have been burned with two different heating rates and the resulting TG curves have been used to derive the differential thermogravimetric (DTG) curves. Maximum temperature of combustion, maximum burning rate and combustion time was extracted from the DTG curves. These data was compared with the ultimate, proximate, structural and calorific analyses that were obtained with a research project carried at Chemical Engineering Department, ITU [1]. Xll