Geri Dön

Linyit, biyokütle ve karışımlarından elde edilen yanmaoranı değerlerine sıcaklığın etkisinin makine öğrenmesiile modellenmesi

Modeling of the effect of temperature on burnoutvalues obtained from lignite, biomass and their mixturesby machine learning

PDF İndir

  1. Tez No: 713410
  2. Yazar: ÖZGE DEMİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SERDAR YAMAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 121

Özet

Dünyadaki endüstrileşme ve nüfusun artışı nedeniyle enerji ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır. Önümüzdeki 30 yıl boyunca enerji ihtiyacının %56 artacağı öngörülmektedir. Yüksek enerji verimliliğinden ve daha bol bulunmasından dolayı fosil kaynaklarının kullanımı oldukça yüksektir. 2019 yılında, birincil enerji kaynağı olarak en çok fosil kaynaklar kullanılmış olup, dünya çapında bu oran %80'den fazladır. Kömür dünyada bol ve yaygın olarak bulunan, en ucuz fosil kaynağıdır. Enerjisinin yüksek olması nedeniyle sanayi devrimine katkısı çok fazla olmuştur. Günümüzde hala ısı ve elektrik üretimi için birincil kaynak olarak kullanılmaktadır. Enerji verimliliği açısından avantajları olmasına rağmen, çevre açısından birçok dezavantajları bulunmaktadır. Kömür, karbon emisyonlarının ana kaynağı olmasından dolayı iklim değişikliğine ve küresel ısınmaya neden olmaktadır. Çevre politikalarına rağmen, gelişmiş ülkelerde bile hala fosil kaynaklara bağımlılık devam etmektedir. ABD Enerji Bilgi İdaresi (EIA)'ne göre, küresel yıllık ortalama yüzey sıcaklığındaki 1 °C'lik artışın 0,3 °C'den fazlasına kömürün yanmasından yayılan CO2 neden olmaktadır. Türkiye, doğalgaz ve petrol rezervlerinin ihtiyacı karşılayacak düzeyde olmamasından dolayı dışa bağımlı durumdadır. Türkiye'nin milli enerji kaynağı ise linyit kömürüdür. Linyitler kalorifik değer açısından düşük olmasından dolayı linyiti biyokütle ile karıştırmak verimlilik açısından avantaj sağlamaktadır. Buna ek olarak linyitin çevreye olan zararlı etkileri de bu yolla azaltılmaktadır. Türkiye'de tarımsal artıkların kullanıldığı biyokütle enerjisi üretiminin 2016 yılından 2030 yılına kadar 2,8 Mtoe'den 4,9 Mtoe'ye çıkması beklenmektedir. Temiz enerjinin artması hem Türkiye hem dünya açısından önem arz etmektedir. Afşin – Elbistan linyiti Türkiye'deki en önemli birincil enerji kaynaklarından biridir. Linyit, düşük kömürleşme dereceli bir kömür olduğu için yüksek miktarda kül bırakma, kalorifik değerin düşük olması ve yüksek nem içeriği gibi sorunları beraberinde getirmektedir. Linyit gibi düşük kalitedeki kömürleri belli oranlarda biyokütle ile karıştırmak daha iyi sonuçlar elde etmek için önemlidir. Kömür ve biyokütle farklı özelliklere sahip olmalarına rağmen birlikte yakıldığında çevre, enerji verimliliği, maliyet ve risk açısından olumlu özellikler göstermektedir. Biyokütlede düşük miktarda azot ve kükürt bulunması NOx ve SO2 emisyonlarını önemli ölçüde azaltmaktadır. Biyokütle, fotosentez sırasında CO2 kullandığı için yakma sırasında oluşan CO2'in çevreye etkisi neredeyse yok denilecek kadar azdır. Kömür - biyokütle karışımları sayesinde iklim değişiklikleri önemli ölçüde azalmaktadır. Kömür, biyokütle ya da kömür - biyokütle karışımlarından elde edilen yakıtların özelliklerini iyileştirmek için yakma, piroliz ve gazlaştırma gibi dönüşüm prosesi teknolojileri uygulanmaktadır. Yakma, yakıt ve oksitleyici varlığında bazı durumlarda ise katalizör etkisiyle meydana gelmektedir. Piroliz, oksijen yokluğunda termal bozunmanın meydana gelmesidir. Isıtma hızı ve sıcaklığa bağlı olarak farklı ürünler meydana gelmektedir. Gazlaştırma, enerji elde edilecek katı ve sıvıların ısı etkisiyle gaza dönüştürülmesidir. Farklı sıcaklıklarda farklı fizikokimyasal olaylar meydana gelmektedir. Bu çalışmanın amacı, Elbistan linyiti ile fındık kabuğunun tek tek ve farklı oranlarda karıştırılıp yakılmasından elde edilen yakma oranı verilerinin sıcaklık değişkenine karşı en iyi modelini elde etmektir. Modelleri elde etmek amacıyla Python programlama dili içerisinde yer alan farklı kütüphaneler kullanılmıştır. Stasmodel Kütüphanesi içerisinde bulunan OLS fonksiyonu sayesinde Y bağımlı değişkeni ve X bağımsız değişkenleri tanımlanıp modelin eğitilmesi gerçekleştirilmiştir.“Effect of co-combustion on the burnout of lignite/biomass blends: A Turkish case study”isimli makalede yer alan deneysel çalışmada 423 K'den 1173 K 'e kadar her 50 K'lik sıcaklık değişimleri için yanma oranı verileri bulunmaktadır [1]. Veri seti olarak makale içerisinde yer alan linyit, biyokütle ve %2,4,6,8,10 ve 20 oranlarında linyit - biyokütle karışımlarının farklı sıcaklıklardaki deneysel yanma oranları kullanılmıştır. Sıcaklık ile linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki linyit – biyokütle karışımlarının korelasyonları 1'e oldukça yakın çıkmıştır. Bu da linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki karışımlarının sıcaklık ile arasında güçlü bir etkileşim olduğunu ve pozitif korelasyondan dolayı sıcaklık arttıkça yanma oranı değerlerinin arttığını göstermiştir. Korelasyon değerleri karşılaştırıldığında en yüksek değerin linyit için, en düşük değerin ise biyokütle için ortaya çıktığı bulunmuştur. Linyit, biyokütle ve farklı oranlardaki karışımları için denenen modeller arasından en iyi olanı seçmek için R^2 ve ayarlanmış (adjusted) R^2 değerleri oldukça yüksek, % hata oranları ve MSE değerlerinin ise düşük değerli olmasına dikkat edilmiştir. Modellerin ANOVA, MS ve F değerlerine bakılarak grupların ortalamaları arasında fark olup olmadığı tespit edilmiştir. Sonuçlar dikkate alınarak sıfır hipotezi reddedilerek alternatif hipotez kabul edilmiştir. Bunlara ek olarak, numunelerin teorik değerlerindeki sapmaların negatif ya da pozitif olmasına göre sonuçlar değerlendirilmiştir.

Özet (Çeviri)

Due to the industrialization and population growth in the world, the need for energy is increasing day by day. It is predicted that the energy need will increase by 56% over the next 30 years. The use of fossil resources is quite high due to its high energy efficiency and greater abundance. In 2019, fossil resources were mostly used as the primary energy source and this rate is more than 80% worldwide. Coal is the most abundant and widely available fossil resource in the world. Due to its high energy, it contributed a lot to the industrial revolution. It is still used today as a primary source for heat and electricity generation. In addition to electrical energy, it is also used in the steel industry, cement and chemical production. In the cement and steel industry, coal is used for furnaces to reach high temperatures. In addition to these, it is an important raw material in the production of materials such as activated carbon. However, coal is the main source of carbon emissions that cause global warming and climate change. Despite the environmental policies in developed countries, the world continues to be dependent on this fossil resource.Although it has advantages in terms of energy efficiency, it has many disadvantages in terms of environment. Since coal is the main source of carbon emissions, it causes climate change and global warming. Despite environmental policies, dependence on fossil resources still continues even in developed countries. According to the U.S. Energy Information Administration (EIA), more than 0.3 °C of the 1 °C increase in global annual average surface temperature is caused by CO2 from coal combustion. Turkey is dependent on foreign sources due to insufficient natural gas and oil reserves. Turkey's national energy source is lignite coal. Since lignite is poor in terms of calorific value, mixing lignite with biomass provides an advantage in terms of efficiency. In addition, the harmful effect of lignite to the environment is reduced. Biomass energy production in Turkey using agricultural residues is expected to increase from 2.8 Mtoe to 4.9 Mtoe from 2016 to 2030. The increase in clean energy is important for both Turkey and the world. Afşin – Elbistan lignite is one of the most important primary energy sources in Turkey. Since lignite is low rank coal, it causes problems such as high amount of ash leaving, low calorific value and high moisture content. It is important to obtain better results by mixing low quality coals such as lignite with biomass in certain proportions. Biomass is organic material used as a renewable and sustainable energy source. Biomass materials are a direct or indirect result of plant growth. Biomass energy is one of humanity's oldest sources of energy. It is used for purposes such as electricity generation, heating of houses, fuel needs of vehicles and providing heat. Biomass energy is derived from materials such as forest waste, agricultural waste, industrial waste, human waste, and animal waste. Biomass basically consists of carbon, hydrogen and oxygen. These 3 elements usually make up at least 95% of the biomass content. Apart from these, there are also inorganic elements such as nitrogen, sulfur, potassium, calcium, magnesium, sodium, iron and copper. Cellulose, hemicellulose and lignin are the 3 main components that make up the cell wall. Cellulose is the basic material of the plant cell wall. While there is a hydrogen bond between cellulose - hemicellulose and cellulose - lignin; There are both hydrogen and covalent bonds between hemicellulose and lignin. Although coal and biomass have different properties, when burned together, they show positive characteristics in terms of environment, energy efficiency, cost and risk. Biomass is less dense than coal, but the particle size of biomass is much higher than that of coal. Coal has more carbon and less oxygen than biomass. Biomass has more moisture than coal. This has a negative effect on the thermal value. It can cause ignition and combustion problems. Coal has less volatile matter than biomass. The fixed carbon/volatile matter ratio of biomass is much lower than 1. Biomass has less sulfur and nitrogen content than coal. But the sulfur and nitrogen content in the biomass differs according to the type of biomass. In general, woody biomass has a higher sulfur and nitrogen content than agricultural biomass. Although biomass contains more potassium than coal, it contains less aluminum, silica, iron and titanium. Some types of biomass contain large amounts of chlorine. High chlorine and potassium concentrations in biomass cause serious problems such as contamination, corrosion and slagging. The low amount of nitrogen and sulfur in biomass significantly reduces NOx and SO2 emissions. Since biomass uses CO2 during photosynthesis, the impact of CO2 on the environment is almost negligible. Thanks to coal - biomass mixtures, climate changes are significantly reduced. Conversion technologies such as combustion, pyrolysis and gasification are applied to improve the properties of fuels obtained from coal, biomass or coal-biomass mixtures. Combustion occurs in the presence of fuel and oxidizer, and in some cases, by the effect of a catalyst. Pyrolysis is the occurrence of thermal degradation in the absence of oxygen. Depending on the heating rate and temperature, different products are formed. Gasification is the conversion of solids and liquids to obtain energy into gas by means of agents. Different physicochemical events occur at different temperatures. The aim of this study is to obtain the best model of the burning rate data obtained by mixing and burning Elbistan lignite and hazelnut shell individually and at different rates against the temperature variable. In order to obtain the models, different libraries in the Python programming language were used. Thanks to the OLS function in the Stasmodel Library, Y dependent variable and X independent variables were defined and the model was trained. In the experimental study found in the article named“Effect of co-combustion on the burnout of lignite/biomass blends: A Turkish case study”, there are data on burning rate from 423 K to 1173 K, with temperatures increasing by 50 K [1]. Experimental combustion rates of lignite, biomass, and lignite-biomass mixtures at different temperatures of 2,4,6,8,10 and 20% in the article were used as data set. The correlations between temperature and lignite, biomass and lignite-biomass mixtures in different ratios were quite close to 1. This showed that there is a strong interaction between lignite, biomass and their mixtures in different ratios with temperature. Because of the positive correlation, the combustion rate values increase as the temperature increases. When the correlation values were compared, the highest lignite and the lowest biomass were found. While the R^2 and adjusted R^2 values of the best models selected for lignite, biomass and their mixtures in different ratios are quite high, the % error rates and MSE values are low. By looking at the ANOVA, MS and F values of the models, it has been determined whether there is a difference between the averages of the groups. Considering the results, the null hypothesis was rejected and the alternative hypothesis was accepted. In addition to these, the results were evaluated according to whether the deviations in the theoretical values of the samples were negative or positive.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    828514

    Bıyokütle-kömür karısımlarının yanmasının incelenmesi

    Investigation of co-firing coal and biomass blends

    CANSU DENİZ CANAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE

    PROF. DR. ALİ CEMAL BENİM

  2. Tez No

    889174

    Dumansız yakıt üretimi ve yakıt olarak kullanılabilirliğin araştırılması

    Research on smokeless fuel production and usability as fuel

    ABDULMAJED ABDULHAMED MOHAMED MOHAMED

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiKarabük Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ TUBA COŞKUN

  3. Tez No

    639136

    Biyokütle ve kömür birlikte yakma sistemlerinde sinerji araştırması

    Synergy research in biomass and coal cofiring systems

    SİNEM ÖZSOY AYDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERDAR YAMAN

  4. Tez No

    485344

    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

    AYŞEN ÇALIŞKAN SARIKAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANZADE HAYKIRI AÇMA

  5. Tez No

    455384

    Linyit ve şeftali çekirdeği karışımlarının ısıl bozunma davranımlarının incelenmesi

    Investigation of thermal decomposition behaviours of lignite and peach stone blends

    TUĞÇE DALKIRAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU

Geri Dön