Bu çalışmada, bir kabarcıklı akışkan yatakta badem kabuğunun buhar ile gazlaştırılması için bir simülasyon modelinin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, geliştirilen simülasyon modeli öncelikli olarak literatürde yer alan bir deneysel çalışma ile doğrulanmıştır. Model doğrulama işleminden sonra gazlaştırma performansına etki eden parametrelerin etkisi incelenmiştir.
84 5.1.1 Deney düzeneği ve çalışma koşulları
Rapagna ve diğ. [103] yaptıkları deneysel çalışmada yatak malzemesi olarak kullanılan olivinin katalizör davranışını incelemişlerdir. Deneyler, laboratuvar ölçeğinde bir KAYG’de gerçekleştirilmiş ve biyokütle olarak badem kabuğu ve gazlaştırma ajanı olarak da buhar kullanılmıştır. Bu çalışmada kullanılan deney düzeneği Şekil 5.1’de gösterilmektedir. Bu düzenekte, 60 mm çapında bir KAYG, biyokütle besleme sistemi, siklon ve seramik mum filtreden oluşan gaz temizleme ünitesi, su ve katranın ayrışması için kullanılan soğutma sistemi ve çeşitli ölçüm aletleri yer almaktadır.
Şekil 5.1 : Deney düzeneğinin şematik görünümü: (1) akışkan yatak gazlaştırıcı; (2) siklon; (3) seramik mum filtre; (4) biyokütle besleyici; (5) katran ve su yoğuşturma
sistemi; (6) fan; (7) hacimsel gazölçer [104].
Başlangıçta, reaktör içinde belirli bir statik yüksekliğe sahip olivin yatak malzemesi bulunmaktadır. Bir buhar üretecinde üretilen buhar, bu yatak malzemesi üzerinden geçirilmekte ve bu sayede taneciklerin akışkanlaşmasını sağlanmaktadır. Küçük yuvarlak taneciklerden oluşan badem kabuğu, ceketli ve hava soğutmalı bir dağıtım borusu vasıtasıyla akışkanlaştırılmış yatağın içine sürekli olarak beslenmektedir. Badem kabuğuna ait elementsel ve kısa analiz sonuçları Çizelge 5.1’de
85
gösterilmektedir. Yapılan tüm deneylerde biyokütle besleme debisi 0.3 kg/h olacak şekilde sabit tutulmuştur. Gazlaştırma sıcaklığı ve B/Y oranı ise sırasıyla, 700- 820 C ve 0.5-1 aralıklarında değiştirilmiştir.
Gazlaştırma işlemi neticesinde oluşan kuru ürün gazı miktarı hacimsel bir gazölçer kullanılarak belirlenmiştir. Ürün gazındaki CO, CO2 ve CH4 miktarları bir kızılötesi cihaz yardımıyla ve H2 miktarı ise bir ısıl iletkenlik detektörü ile hesaplanmıştır.
Çizelge 5.1 : Badem kabuğunun elementsel ve kısa analizi [103].
Nem (% ağrılık) 7.9
Kısa analiz (kuru, % ağırlık)
Uçucular 78.66
Sabit karbon* 20.08
Kül 1.26
Elementsel analiz (kuru, % ağırlık)
C 50.65
H 6.03
O 42.06
AID (kJ/kg) 18350
* Farka göre hesaplanmıştır.
5.1.2 Model geliştirme
Simülasyon modeli çalışmasına başlamadan önce yapılacak kabuller belirlenmiştir. Aşağıda birinci simülasyon modelinde göz önüne alınan kabuller yer almaktadır:
- Model sıfır boyutludur ve zamandan bağımsızdır.
- Homojen bir sıcaklık dağılımı ve adyabatik koşullar söz konusudur. - Kuruma ve piroliz anlık olarak gerçekleşmektedir.
- Gazlaştırıcı içinde gerçekleşen tüm reaksiyonlar kimyasal dengeye ulaşmaktadır.
86 - Külün inert olduğu varsayılmaktadır.
- Katran ve ağır hidrokarbon oluşumları ihmal edilmektedir.
Model ile ilgili kabuller yapıldıktan sonra fiziksel özellikler için kullanılacak yöntemler belirlenmiştir. Biyokütle ve kül geleneksel bir bileşen olarak Aspen Plus programına doğrudan tanıtılamadığı için bileşenler programa geleneksel olmayan bileşenler olarak tanıtılmıştır. Geleneksel olmayan bileşenlerin entalpi ve yoğunluk özelliklerini belirlemek için sırasıyla, HCAOLGEN ve DCOALIGT modelleri kullanılmıştır. Buna ek olarak, ürün gazı, kömür gazlaştırma ve kömür sıvılaştırma gibi sentetik yakıt uygulamalarında en iyi özellik yöntemi olarak görülen Peng Robinson Boston-Mathias durum denklemi tüm fiziksel özelliklerin tahmin edilmesinde kullanılmıştır [105]. Akış sınıfı olarak MIXCINC (MIXED, CISOLID, NC) seçilmiştir. Burada MIXED geleneksel bileşenleri, CISOLID katı bileşenleri ve NC ise geleneksel olmayan bileşenleri temsil etmektedir.
Simülasyon modeli akış şeması ve simülasyonda kullanılan reaktörler sırasıyla, Şekil 5.2 ve Çizelge 5.2’de gösterilmektedir. Geliştirilen simülasyon modeli ayrıştırma, gazlaştırma ve gaz temizleme bölgelerinden oluşmaktadır.
87
Biyokütle geleneksel olmayan bir bileşen olduğu için Aspen Plus programında doğrudan kullanılamamaktadır. Bu yüzden, biyokütlenin geleneksel bileşen dağılımının elde edilmesi gerekmektedir. Bu simülasyon modelinde, biyokütleyi oluşturan bileşenler (hidrojen, karbon ve oksijen gibi), elementsel ve kısa analiz sonuçlarına göre hesaplayıcıda yer alan FORTRAN komutu kullanılarak belirlenmiştir. Ayrıştırma işlemi için RAYRISMA reaktörü kullanılmıştır.
Ayrıştırma işleminden sonra oluşan S-AYRIS akımı RGAZLAS reaktörüne (gazlaştırma reaktörü) girmeden önce A-CAR ayırıcısına gelmekte ve burada reaksiyona girmeyen çar (C-CAR) ana akıştan uzaklaştırılmaktadır. Deneysel çalışmada belirlenen dönüşmemiş çar miktarı yardımıyla bu çar oranı her bir çalışma koşulu için hesaplanmakta ve belirlenen bu oran, gazlaştırma reaksiyonlarına dahil edilmemektedir. O-GAZLAS akımı ve buhar üretecinde (BHR-URT) üretilen gazlaştırma ajanı (BUHAR) gazlaştırma reaksiyonları için RGAZLAS reaktörüne gelmektedir. Burada gazlaştırıcının dıştan ısıtıldığı varsayılmakta, belirlenen gazlaştırma koşulları için gerekli olan ısı Aspen Plus programı tarafından hesaplanmakta ve gazlaştırma reaktörüne sağlanmaktadır. Bu ısıl enerjinin miktarı, gazlaştırma sıcaklığı, biyokütle debisi, biyokütle nem içeriği, buhar debisi ve buhar sıcaklığına bağlıdır. Çalışma koşullarında meydana gelen değişmelere bağlı olarak değişkenlik gösteren enerji miktarı program tarafından sürekli olarak ayarlanmaktadır. Gazlaştırma reaksiyonlarının kimyasal denge durumuna geldiği varsayılarak, tüm heterojen ve homojen reaksiyonlar RGAZLAS reaktöründe meydana gelmektedir. Bu reaktörde ayrıca, sınırlı kimyasal denge yöntemi de uygulanmaktadır. SKDY Gumz [57] tarafından önerilen deneye dayalı bir yaklaşımdır. Bu yöntemde, RGAZLAS reaktörüne tanımlanmış reaksiyonlar için bir sıcaklık tanımlaması (sıcaklık yaklaşımı) yapılmakta ve deneysel verilerle model sonuçları kalibre edilmektedir. SKDY’nin uygulanması ile RGAZLAS, belirlenen reaksiyonlar için kimyasal denge sabitlerini reaktör sıcaklığının altındaki/üstündeki bir sıcaklık değerinde hesaplamaktadır. Bu nedenle, SKDY ile KDM’ye kıyasla farklı ürün gazı bileşimi elde etmek mümkündür. Bu çalışmada, Çizelge 3.1’de yer alan R2, R4, R9 ve R12 gazlaştırma reaksiyonları belirlenen reaksiyon seti olarak SKDY'ye dahil edilmiştir.
Gazlaştırma işlemi neticesinde üretilen S-GAZLAS ve sıcaklığı yükseltilen çar (H-CAR) KARIS bloğu kullanılarak karıştırılmaktadır. Karışma işleminden sonra oluşan
88
KAR-AKIS akımı külden ve dönüşmemiş çardan arındırılmak üzere bir katı ayırıcıya (SIKLON) beslenmektedir. Bu arındırma işlemi sonucunda sıcak ürün gazı (H-URUNG) elde edilmektedir. Daha sonra, H-URUNG akımı ürün gazını soğutmak (C-URUNG) amacıyla SOGUTUCU bloğa gelmekte ve burada sıcaklığın düşmesinden dolayı ürün gazı içindeki buhar yoğuşmaktadır. Son olarak, A-GAS bloğunda suyun uzaklaştırılmasıyla birlikte istenilen KURUGAZ bileşimi elde edilmektedir.
Çizelge 5.2 : Reaktör bloklarının tanımlanması. Reaktör adı Reaktör kimliği Tanımlama
RAYRISMA RYIELD
Fortran komutlarını kullanılarak
biyokütleyi kendini oluşturan bileşenlere dönüştürür.