The production of quality fuels from the co-combustion of original, pyrolysed lignite and torrefied, pyrolysed, original biomass blends
Orijinal, piroliz edilmiş linyitler ile orijinal, torefiye ve piroliz edilmiş biyokütle karışımlarının birlikte yakılması ile kaliteli yakıt üretimi
- Tez No: 485344
- Danışmanlar: PROF. DR. HANZADE HAYKIRI AÇMA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 187
Özet
Çoğunlukla fosil yakıtlar tarafından üretilen sera gazlarının salınımındaki hızlı artış, dünyayı alarma geçirerek yenilenebilir enerji kaynaklarına ve neredeyse sıfır emisyon sağlayan gelişen teknolojilere odaklanmaya itmiştir. 459 MtCO2e düzeyindeki salınım miktarıyla Türkiye Avrupa'nın en çok sera gazı üreten ülkelerinden biridir. Bu rakamın arkasındaki en büyük sebep hızla gelişen nüfus ve endüstrileşmeyle ortaya çıkan enerji talebidir. Türkiye, milli petrol ve doğalgaz rezervlerine sahip olmamasından dolayı enerjide dışa bağımlı bir durumdadır. 2013 yılı verilerine göre Türkiye'nin yerli enerji üretimi toplam birincil enerji arzının yalnızca %26.5'ini karşılamakta olup enerji ihtiyacının %72.3'ü ithal yakıtlardan karşılanmaktadır. Enerji üretiminde kullanılan ithal kaynakların payını azaltmak için enerji arzını koruyacak stratejilere ve sürdürülebilir gelişmeye yatırım yapılmalıdır. Linyit kömürünün Türkiye'nin en büyük yerli enerji kaynağı olmasına rağmen enerji üretimindeki payı %38'dir. Bu nedenle, yerli kömürün kullanımı Türkiye Cumhuriyeti Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tarafından bir numaralı hedef olarak belirlenmiş ve hükümet tarafından desteklenmektedir. Kömür ve biyokütlelerin birlikte yakılması Türkiye linyitlerinin değerlendirilmesini sağlamaktadır. Türkiye'nin verimli ve sürdürülebilir enerji üretimi için çok yetersiz kalorifik değere sahip genç linyit yatakları bakımından zengin olmasından dolayı, linyitin biyokütle ile karıştırılarak yakılmasının yerli birincil enerji üretimini arttırarak ülkenin enerjide dışa bağımlılığının giderilmesi için uygun bir çözüm olduğu düşünülmektedir. İlaveten, sera gazı emisyonlarının yol açacağı çevresel sıkıntılar göz önünde bulundurulduğunda, linyit ve biyokütle karışımlarının birlikte yakılması ile aşırı linyit kullanımını azaltması ve biyokütlenin sıfır karbon doğası gereği emisyonları azaltması sebebiyle bu önerinin uygun olacağı düşünülmektedir. Sera gazı salınımını azaltmaya yönelik yapılan çalışmalar, elektrik üretiminin sadece %1'inin biyokütleden sağlanmasıyla yılda 60 Mt CO2 gazı salınımının önlenebileceğini göstermektedir. Kömürün biyokütle ile karıştırılarak termik santrallerde yakılmasının pek çok açıklanabilir sebebi bulunmaktadır. Biyokütlenin yalnız yakılması sırasında sıkça gözlemlenen kül birikimi ve sıcak yüzeylerdeki aşınma biyokütle/kömür karışımlarının beraber yakılmasıyla ortadan kaldırılabilir veya en azından azaltılabilir. Ayrıca, bu yöntem ile biyokütlenin yanması sırasında ortaya çıkan CO2, fotosentez ile tekrar yakalanarak sera etkisi giderilmektedir. Birçok biyokütle tipi içerdiği çeşitli alkali ve toprak alkali elementler ile kükürtçe zengin kömürün yanması sırasında ortaya çıkan SO2'nin tutulmasına olanak sağlar. Aynı zamanda, biyokütle bünyesindeki önemli bir element olan potasyumun istenmeyen etkilerinin giderilmesi, potasyumun kömürden gelen kükürt ile reaksiyona girmesiyle azaltılmaktadır. Türkiye'nin yenilenebilir enerji kaynağı olarak kullanılabilecek potansiyel zirai alanları çok fazla olduğundan, bu alanlardan barındırdığı pek çok avantaj nedeniyle olabildiğince yararlanmak gerekmektedir. Türkiye'nin biyokütle potansiyeli yaklaşık olarak 8,6 milyon tona eşdeğer petrol (MTEP) ve var olan biyokütlelerden elde edilebilecek biyogazın miktarı 1,5-2 MTEP olarak bilinmektedir. Türkiye Cumhuriyeti Orman ve Su İşleri Bakanlığı tarafından 2002 yılında Türkiye'nin biyokütle potansiyelinin belirlenmesi için yapılan çalışmada orman gülü, enerji çalışmaları için en uygun biyokütlelerden biri olarak seçilmiştir. Aynı zamanda melez kavak ve dişbudak ağaçları da yüksek ekonomik değerlerinin yanı sıra en hızlı büyüyen iki biyokütle türüdür. Bu sebeple bahsedilen bu biyokütleler bu çalışma kapsamında, Türkiye'deki bir çok enerji santralinde kullanılan Afşin-Elbistan (AE), Adıyaman-Gölbaşı (AG) ve Çorum-Dodurga (CD) linyitleri ile karıştırılmak üzere seçilmiştir. Özellikle AE linyiti, 3.4 milyar tonluk rezervi ile Türkiye'nin en önemli yerli birincil enerji kaynağıdır. Bu linyitlerin yakılması; düşük sabit karbon, düşük kalorifik değer, yüksek kül miktarı ve yüksek kükürt miktarı sebebiyle giderilmesi gereken pek çok soruna yol açmaktadır. Sonuç olarak, düşük kaliteli linyit kömürleri ile yenilenebilir enerji kaynağı olan biyokütlelerin belli oranlarda karıştırılarak birlikte yakılması, her iki yakıtın da istenmeyen karakteristiklerinin giderilmesini sağlamaktadır. Kömür ve biyokütlenin yakıt özelliklerini iyileştirmek için; piroliz, koklaştırma, gazlaştırma ve sıvılaştırma gibi termokimyasal dönüşüm metotları uygulanmaktadır. Biyokütlenin torefiye edilmesi, nem kaybı sebebiyle biyokütlede kütle kaybına yol açmakta ve buna bağlı olarak da kalorifik değerinde artış sağlamaktadır. Genel olarak, başlangıçtaki toplam enerji miktarının %90'ını içeren, %70'lik kısım torefiye edilen üründe kalmaktadır. Bu sayede biyokütlenin enerji yoğunluğu artmakta, bu da ürünün uzak mesafelere taşınmasını avantaja çevirmektedir. Piroliz, oksijen yokluğunda, katı yakıtın termal bozunmasıyla karbonlu katılar, katran, metan, hidrojen, karbon monoksit ve karbon dioksit gibi kalıcı gazlar oluşturan termokimyasal dönüşüm prosesidir. Bu çalışmanın amacı, orijinal ve piroliz edilmiş linyit numuneleri ile orijinal, torefiye ve piroliz edilmiş biyokütle numunelerinin birlikte yakılması ile yüksek kaliteli yakıt elde etmektir. Tasarım ve var olan dönüşüm sistemlerini optimize etmek amacıyla uygulanan termal prosesler sırasında kullanılan linyit ve biyokütlenin fiziksel ve kimyasal yapısının anlaşılması önem arz etmektedir. Bu nedenle, çalışmada kullanılan tüm ana yakıtlar ile karışımların termogravimetrik analiz cihazında yanma testleri yapılmıştır. Yanma testleri kuru hava atmosferi altında ortam sıcaklığından 900°C sıcaklığa kadar 40°C/dak ısıtma hızı ile çıkılarak yürütülmüştür. Yanma testleri sonucunda elde edilen TGA, DTG, DTA ve DSC profilleri esas alınarak, orijinal, piroliz edilmiş kömür ve orijinal, torefiye, piroliz edilmiş biyokütle örneklerinden oluşan ana yakıtlar ile bunların karışımlarının yanma karakteristikleri belirlenmiştir. Biyokütle numunelerinin 200°C'de torefiye edilmesi ve hem biyokütle hem de linyit numunelerinin sırasıyla 400°C ve 750°C'de piroliz edilmesi paslanmaz çelikten yapılmış olan yatay boru fırında gerçekleştirilmiştir. Azot atmosferi altında gerçekleşen bu işlemlerden elde edilen ürünler kütlece %10 biyokütle ve %90 kömür içerecek şekilde karıştırılmıştır. Ana yakıtlara kısa analiz (nem %, uçucu madde %, sabit karbon % ve kül %), elementel analiz (C, H, N, S ve O), ısıl değer ölçümleri, ve SEM analizleri uygulanmıştır. Karışımların birlikte yanma davranışlarının gözlemlenmesi ve biyokütle ile kömür arasındaki sinerjik etkilerin belirlenebilmesi için hem ana hem de karışım numunelerinin termal analizi yapılmıştır. Ana yakıtlar ve karışımların içerdiği fonksiyonel grupların tespiti için ise FTIR analizi yapılmıştır. İlaveten, ana ve karışım numunelerinin termal bozunmasını ve yanma süreçlerini daha iyi anlamak ve daha derin bilgiye sahip olmak için Borchardt & Daniels kinetik metoduna dayanan analizler gerçekleştirilmiştir. Sabit ısıtma altında reaksiyon mertebesi, reaksiyon ısısı ve aktivasyon enerjisi kinetik parametreleri hesaplanmış ve sonuçlar tartışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Rapid increase in global greenhouse gas emissions (GHG) that is particularly produced by fossil fuel consumption has alarmed the world to focus on renewable energy sources and developing technologies that cause nearly zero emission. With 459 MtCO2e in 2013, Turkey is one of the top emitting countries in Europe due to the fact that the country's energy demand is increasing in parallel with population growth and industrialization. Turkey is almost lack of oil and large natural gas reserves and therefore depends on foreign energy sources. In order to decrease the share of imported resources in energy generation, strategies for securing energy supply and sustainable development were settled. Since the lignite coal is the major national fuel resource in Turkey, consumption of domestic coal was pointed out as the main goal by Turkish Energy Ministry and supported by government incentives. Co-combustion of coal and biomass renders possible utilization of Turkish lignites. Since Turkey is rich in young lignite deposits of which calorific value is quite low for an efficient and sustainable energy production, biomass addition to lignite has been marked as a reasonable solution to decrease foreign energy dependency of the country by increasing national primary energy production. Moreover, regarding to environmental concerns for increasing GHG emissions, co-combustion of biomass and lignite blends seems reasonable to prevent over-consumption of coal and diminish pollutant emissions thanks to the carbon neutral nature of biomass. Biomass addition to coal prior to burning has many justifiable reasons. Ash deposition and fouling on hot surfaces are commonly encountered problems when biomass is combusted alone and can be eliminated or decreased by co-firing of biomass/coal blends. Furthermore, emitted CO2 by burning of biomass is captured during photosynthesis that prevents greenhouse effect thanks to the fixation of atmospheric CO2. Many types of biomass species contain alkaline and alkaline earth elements in their composition that enable to capture released SO2 from combustion of coal, rich by sulfur content. On the other hand, undesirable effects of potassium that is one of the important element in most biomass materials, can be diminished as potassium reacts with sulfur coming from coal in the blend. Agricultural potential of Turkey that can be used as renewable energy source is substantial and has to be benefited due to its numerous advantages. According to the studies carried out by Forest and Water Affairs Ministry in 2002 to determine Turkey's biomass potential, Rhododendron was indicated as one of the suitable biomass species that can be used for energetic purposes. Hybrid poplar and ash-tree are also two of the most rapid growing woody biomass species along with their high economic value. Hence, these biomass materials were selected in this study to blend with Afsin-Elbistan (AE), Adıyaman-Gölbaşı (AG) and Çorum-Dodurga (CD) lignites which are used in many lignite-fired power stations in Turkey. Particularly, AE lignite is the most important domestic primary energy source in Turkey with a reserve of 3.4 billion metric tonnes. Since these lignites have low fixed carbon, low calorific value, high ash and sulfur contents, combustion of lignite leads to serious problems that are needed to be handled. Thus, blending of low rank coal and energetically important biomass materials for co-combustion processes enables to compensate undesirable characteristics of both biomass and lignites. In order to improve fuel characteristics of coal and biomass, thermochemical conversion methods such as pyrolysis, carbonization, gasification and liquefaction are applied. The aim of this study is to produce high quality fuel from co-combustion of the blends made of original, pyrolysed lignite samples and original, torrefied, pyrolysed biomass samples. Since understanding of the physical and chemical structure of lignite coal and biomass during thermal processes is essential for the design purposes and optimization of present conversion systems, burning test of the blends were performed using a thermogravimetric analyzer up to 900°C with a heating rate of 40°C/min under dry air atmosphere. Burning characteristics of the parent and blend fuels were determined from the TGA, DTG, DTA and DSC profiles obtained as an output of the thermal analyses experiments. Torrefaction of biomass samples at 200°C and pyrolysis of both biomass and lignite samples at 400°C and 750°C, respectively were carried out in the horizontal tube furnace under nitrogen atmosphere to prepare different types of blends that contain 10 wt% biomass and 90 wt% lignite. Proximate and ultimate analyses, calorific value measurements and SEM analyses were applied to parent fuels only excluding thermal analyses which was conducted for both parent and blend fuels in order to assess the co-combustion behavior of the blends and determine synergistic effects between biomass and lignites. Moreover, in order to obtain a deep information about the thermal decompositions and burning processes of the parent and blend fuels, kinetic study was carried out by applying the Borchardt & Daniels (B&D) kinetic analysis method. Kinetics parameters such as reaction order, heat of reaction, activation energy, and pre-exponential factor were calculated from the data obtained during a single linear heating rate scan and results were discussed.
Benzer Tezler
- Alternatif motor yakıtları ve LPG'nin motor yakıtı olarak benzinle deneysel olarak karşılaştırılması
Başlık çevirisi yok
B.MURAT ÇEVİKÖZ
- Biyokütle yarıkoku- kömür karışımlarının yanma davranımlarının incelenmesi
Investigation of the combustion behaviour of biomass char-coal blends
EDA YILMAZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU
- Afşin Elbistan linyit kömürü ve RDF'den üretilen yarıkok karışımlarının yanma davranımlarının belirlenmesi
Determination combustion behavior of chars produced from Afsin Elbistan lignite coal and RDF
GÜLŞEN KURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANZADE AÇMA
- Linyit ve ayçiçek yağının birlikte pirolizi
Başlık çevirisi yok
SAİT TAŞÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. TUNCER ERCİYES
- Benzin ve metanol yakıtlı bazı ateşlemeli motorlarda performans ve emisyon karakteristiklerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
İBRAHİM KORKMAZ