3. BĠYODĠZEL
3.3. Bitkisel Yağların Yakıt Özelliklerini ĠyileĢtirme Yöntemleri
Bitkisel yağların enerji içerikleri fosil kökenli dizel yakıtları ile hemen hemen aynı düzeydedir. Ancak dizel yakıtına göre viskozite değerleri 10–20 kat daha fazladır. Bu yüksek viskozite enjektörlerde tıkanma, soğuk havalarda motorun ilk çalıĢtırılmasında
Standart Adı Standart No Birim(en az)
ASTM D6751 130oC
DIN E51606 100o
C
25
problem ve motor ömrünün kısalması gibi pek çok olumsuzluklara neden olabilmektedir. Bitkisel yağların motorlarda yakıt olarak kullanılabilmesinde; motorun bitkisel yağa uygun hale getirilmesi ya da, yakıtın motora uygun hale getirilmesi seçenekleri söz konusudur. Direkt püskürtmeli dizel motorlarda, yarı rafine edilmiĢ yağlar, motorinle karıĢtırılarak yakıt olarak kullanılabilmektedir. Bitkisel yağların dizel motorlarda doğrudan kullanılabilmesi, ancak bu amaç için tasarlanmıĢ, türbülans prensibiyle çalıĢan, özel yanma odalı motorlarla mümkün olabilmektedir. Nitekim; Deutz firması tarafından geliĢtirilmiĢ olan ön yanma odalı ve türbülans prensibiyle çalıĢan motorlarda saf bitkisel yağlar, sorunsuz olarak kullanılabilmektedir. Söz konusu motorlar, normal dizel motorlardan %6 daha fazla yakıt tüketmekle beraber güçlü ve güvenilirdir. Yakıt tüketimi direkt püskürtmeli motorlara göre %5–20 kadar daha yüksektir. Bu alandaki diğer bir seçenekte John Dere firmasına ait, bitkisel yağların da kapsamda olduğu çeĢitli yakıtlarla çalıĢabilen Wankel motorudur.
Bitkisel yağlar saf olarak, direkt püskürtmeli motorlarda kullanılamamaktadır. Çünkü kısa bir çalıĢma süresini müteakip, yağ bozulmakta ve uzun sürede motorun ilgili kısımlarında kalıntılar oluĢmaktadır.
Direkt püskürtmeli motorlarda, bitkisel yağların doğrudan yakıt olarak kullanılmasında ana sorun; enjektörler, yanma odası, piston ve supaplarda meydana gelen kalıntılardır. Bu kalıntılar, zamanla motorda güç kaybına ve arızalara sebep olmaktadır.
Günümüzdeki uygulamalarda direkt püskürtmeli motorların yaygın olduğu düĢünülürse, bitkisel yağlara gerekli kimyasal iĢlemler uygulanmadan bu tip motorlarda yakıt olarak kullanılmasının uygun olmayacağı anlaĢılabilir. Kolza yağında üretilen biyodizelin, yakıt olarak kullanıldığı traktör motorlarında yağlama yağının seyrelmesi sorunuyla karĢılaĢılmaktadır. Kolzada elde edilen biyodizelin motor yağına geçmesi sonucunda yağlama yetersiz hale gelmekte, piston üst yüzeyi, segman ve supaplarda sakızlaĢma meydana gelmektedir. Bu durum, kullanım süresine, motor tipine, yanma odasının yapısı, püskürtme Ģekli ve püskürtme zamanına bağlı olarak değiĢmektedir [62].
26
Biyodizelin neden olabileceği seyrelme sorunu, motor yağı değiĢtirme aralığının kısaltılması ile azaltılabilir. Bu nedenle; bitkisel yağların dizel yakıtına alternatif olarak değerlendirilebilmesi için, öncellikle viskozite probleminin çözülmesi gerekmektedir. Bu problemin çözümü için beĢ yöntem önerilmektedir.
a. Seyreltme
b. Mikroemülsiyon oluĢturma c. Piroliz
d. Süper kritik yöntem e. Transesterifikasyon
Seyreltme yöntemde, uygun bitkisel yağlar belirli oranlarda dizel yakıta katılarak yağın viskozitesi düĢürülmektedir. Ziejewki ve arkadaĢlarının yaptığı bir çalıĢmada hacim olarak 25/75 oranında ayçiçeği yağı dizel yakıtından oluĢturulan karıĢımın 40oC‟deki viskozitesi 4,88 mm2/s olarak bulunmuĢtur. ASTM (Amerikan Test ve Malzeme Topluluğu) standartlarında dizel yakıt için belirlenen üst sınır 4,0 mm2/s olduğundan söz konusu karıĢımın direkt enjeksiyonlu dizel motorlarında kullanılamayacağı sonucuna varılmıĢtır. Seyreltme yöntemi uygulamalarında, en çok tercih edilen bitkisel yağlara örnek olarak, ay çiçek yağı, soya yağı, aspir yağı, kolza yağı yer fıstığı yağı ve kullanılmıĢ kızartma atık yağları kullanılmaktadır [62].
Mikroemülsiyon oluĢturma yöntemi; metanol ya da etanol gibi kısa zincirli alkollerle bitkisel yağın mikroemülsiyon durumuna getirilmesi ile viskozite değerinin düĢürülmesi iĢlemidir. Bu yöntemde, alkollerin setan sayılarının düĢük olması nedeniyle mikroemülsiyonunda setan sayısının düĢük olması, düĢük sıcaklıklarda karıĢımın ayrıĢma eğilimi göstermesi sakıncaları olarak görülmektedir [5].
Czerwinski‟nin 1994 yılında gerçekleĢtirdiği bir araĢtırmada, % 53 ayçiçeği yağı, % 13,3 etanol, % 33,4 bütanol kullanarak elde ettiği emülsiyonda, 40 0C‟deki viskozitesi 6,3 cSt (centistokes) ve setan sayısını 25 olarak bildirmiĢtir. DüĢük viskozite ve daha iyi sprey özelliklerinin, karıĢımdaki % bütanol miktarının arttırılmasıyla olanaklı olduğunu belirlemiĢlerdir [63].
27
Piroliz yönteminde; moleküller yüksek sıcaklıkta daha küçük moleküllere parçalanmaktadır. Bu yöntem sayesinde viskozite oldukça düĢürülmekte fakat iĢlemler ek gider gerektirmektedir. Bitkisel yağların piroliz ürünlerini elde etmek için iki yöntem vardır. Bunlardan birincisi, bitkisel yağları ısı etkisi ile kapalı bir kapta parçalamak; diğeri ise standart ASTM distilasyonu ile ısıl parçalanma etkisinde tutmaktır [64].
Süper kritik yöntemde, biyodizel üretimi transesterifikasyon yönteminden farklı olarak, katalizör kullanmadan 350 0C gibi yüksek sıcaklık ve 240 saniye gibi kısa sürelerde gerçekleĢtirilmektedir [62,66,67].
Buy SmartDraw !- purchased copies print this document without a watermark . Visit www.smartdraw.com or call 1-800-768-3729. Sekil 3.5. Süper kritik yöntem ile biyodizel üretimi
Transesterifikasyon; Bitkisel yağların mono hidrik bir alkolle (metanol, etanol), katalizör(asidik, bazik katalizörler ve enzimler) varlığında esas ürün olarak yağ asidi esteri ve gliserin vererek yeniden esterleĢtirilmesi iĢlemidir. Bu yöntem viskoziteyi azaltmada en etkili yöntemdir. Reaksiyonda yan ürün olarak digliserid ve monogliseridler reaktan fazlası ve serbest yağ asitleri oluĢur. Transesterifikasyon reaksiyonunun genel denklemi Ģu Ģekildedir [65].
Katalizör
RCOORı + RııOH RCOORı + RıOH (Ester) (Alkol) (Ester) (Alkol)
28
Eğer yukarıdaki reaksiyonda metanol kullanılırsa, bu iĢleme metanoliz denilir. Trigliseridin metanol ile reaksiyonu ġekil 3.6‟da görünmektedir. Yağ asidi metil esterleri biyodizel olarak bilinirler ve iyi bir alternatif dizel yakıtıdırlar.
CH2 – O – CO - R1 R1 – COOCH3 CH2 – OH | katalizör | |
CH – O – CO - R2 + 3CH3OH R2 – COOCH3 + CH – OH
| | |
CH2 – O – CO - R3 R3 – COOCH3 CH2 – OH
(trigliserid) (metanol) (yağ asiti metil ester) (gliserin) ġekil 3.6. Bitkisel yağın metanol ile transesterifikasyonu [65].
Biyodizel üretiminde bitkisel yağ olarak kolza, ayçiçeği, soya, aspir ve kullanılmıĢ kızartma yağları, alkol olarak metanol, katalizör olarak alkali katalizörler (sodyum veya potasyum hidroksit) tercih edilmektedir. Biyodizel olarak genellikle, bitkisel yağlardaki trigliseridlerin metanol ile trasesterifikasyonu neticesinde elde edilen yağ asidi metil esterleri kastedilir [65,68].
29
Buy SmartDraw !- purchased copies print this document without a watermark .
Visit www.smartdraw.com or call 1-800-768-3729.
ġekil 3.7. Transesterifikasyon iĢlemi genel Ģeması