Buhar/biyokütle oranının etkisi

Buhar/biyokütle oranının gazlaştırma performansı üzerindeki etkisi incelenirken, biyokütle debisi, gazlaştırma sıcaklığı ve eşdeğerlik oran sırasıyla, 139 kg/h, 820 C ve 0.21 olacak şekilde sabit tutulmaktadır. B/Y oranı ise 0.2 artışla 0.2-1.4 arasında değişen değerler almaktadır. Şekil 5.16’da B/Y oranının gaz bileşimi ve gaz üretimi üzerindeki etkisi görülmektedir. Buhar/biyokütle oranının artmasıyla birlikte ürün gazı içindeki H2 ve CO2 derişiklikleri artmaktadır. H2’deki bu artış ileri yönlü R2, R9 ve R12 reaksiyonlarından kaynaklanmaktadır. R9 reaksiyonu (su-gaz değişim reaksiyonu) ayrıca, CO2 derişikliğinin artmasına da neden olmaktadır. H2 ve CO2’nin en yüksek değerleri (sırasıyla, %43.87 ve %29.44) B/Y oranının 1.4 olduğu durumda elde edilmektedir. CH4 derişikliğinde B/Y oranı ile birlikte yaklaşık %38’lik bir azalma görülmektedir. Bu azalış ileri R12 reaksiyonunun buhar miktarının artmasıyla daha etkin hale gelmesinden kaynaklanmaktadır. Son olarak, CO derişikliği ileri su-gaz değişim reaksiyonunun etkisiyle %33.56’dan %22’ye düşmektedir. H2 ve CO2

üretimindeki artıştan dolayı ürün gazı üretimi, B/Y oranının artmasıyla birlikte sürekli olarak artmaktadır.

Ürün gazı ısıl değerinin ve soğuk gaz veriminin B/Y oranına göre değişimi Şekil 5.17’de gösterilmektedir. B/Y oranın artmasıyla birlikte ürün gazı ısıl değeri 11.56 MJ/m³’ten 9.19 MJ/m3 değerine düşmektedir. Bu düşüş özellikle CO ve CH4

derişikliklerindeki azalmadan kaynaklanmaktadır. B/Y oranı artışı SGV üzerinde çok küçük bir etki yapmaktadır ve yaklaşık %3’lük bir artışa neden olmaktadır. SGV’deki bu artışa daha çok Şekil 5.16 :’da görüleceği üzere ürün gazı miktarının artması neden olmaktadır [56].

B/Y oranı en çok ürün gazı içindeki H2 bileşimini etkilemektedir ve bu çalışmada H2’de yaklaşık %60’lık bir artış görülmektedir. Bununla birlikte, artan buhar miktarı gazlaştırıcı sıcaklığının düşmesine neden olacaktır. Sıcaklıktaki bu düşüş gazlaştırıcı performansını olumsuz etkileyecek ve ayrıca, katran oluşumunu da arttıracaktır. Bu yüzden, H2 ihtiyacının önemli olduğu durumlar dışında buhar ilavesinin azaltılması veya yapılmaması gazlaştırma performansı açısından oldukça önemlidir.

105

Şekil 5.16 : B/Y oranının gaz bileşimi ve gaz üretimi üzerindeki etkisi (T=820 C, EO=0.21).

Şekil 5.17 : B/Y oranının AID ve SGV üzerindeki etkisi (T=820 C, EO=0.21). 5.2.4.2 Eşdeğerlik oranının etkisi

Gazlaştırma sistemlerinde ürün gazı bileşimini ve gazlaştırıcı performansını etkileyen diğer bir önemli parametre eşdeğerlik oranıdır. Bu çalışmada eşdeğerlik oranı, gerçek O2/yakıt oranının stokiyometrik O2/yakıt oranına oranı olarak tanımlanmakta ve aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanmaktadır:

106 𝐸𝑂 = ^{𝐺𝑒𝑟ç𝑒𝑘 𝑂2}

𝑆𝑡𝑜𝑘𝑖𝑦𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑘 𝑂₂ ^(5.9)

Şekil 5.18’de eşdeğerlik oranının ürün gazı bileşimi ve gaz üretimi üzerindeki etkisi gösterilmektedir. Burada biyokütle debisi, gazlaştırma sıcaklığı ve B/Y oranı sırasıyla, 139 kg/h, 820 C ve 0.4 olacak şekilde sabit tutulmaktadır. EO ise 0.05’lik bir artış miktarıyla 0.2-0.5 arasında değişmektedir. EO’nun artmasıyla birlikte, oksidasyon reaksiyonları (R5-R8) daha etkin hale gelmektedir. Bu reaksiyonların sonucu olarak, CO2 derişikliği artarken H2 ve CH4 derişiklikleri ise azalmaktadır. Eşdeğerlik oranının artmasıyla birlikte CO2 derişikliği %22.64’den %30.73’e çıkmaktadır. H2 ve CH4

derişikliklerinde sırasıyla, %5.2 ve %45 oranlarında azalmalar görülmektedir. CO derişikliği ise EO’nun 0.4 olduğu noktaya kadar hafif şekilde artmakta bu noktanın ötesinde ise azalmaktadır. Başlangıçta CO’daki artış badem kabuğu dönüşümündeki artıştan kaynaklanmaktadır. Daha sonrasında ise artan oksijen miktarıyla birlikte badem kabuğunun tam yanması CO derişikliğinin azalmasına neden olmaktadır. Ürün gazı ısıl değeri ve SGV’nin eşdeğerlik oranına göre değişimi Şekil 5.19’da yer almaktadır. Artan EO ile birlikte ürün gazı AID’si sürekli olarak azalmaktadır. Bu durum, özellikle CH4 derişikliğinde meydana gelen düşüşten kaynaklanmaktadır. SGV de yine, EO’nun artmasıyla birlikte azalmaktadır. SGV’deki bu düşüşe H2, CH4 ve gaz üretiminde meydana gelen azalmalar neden olmaktadır.

Şekil 5.18 : EO’nun gaz bileşimi ve gaz üretimi üzerindeki etkisi (T=820 C, B/Y=0.4).

107

Şekil 5.19 : EO’nun AID ve SGV üzerindeki etkisi (T=820 C, B/Y=0.4). 5.3 Üçüncü Simülasyon Modeli

Simülasyon modeli kapsamındaki bu son çalışmada, ceviz kabuğunun hava ve buhar ile laboratuvar ölçeğindeki bir KAYG’de ayrı ayrı gazlaştırılması işlemi incelenmiştir. Bu çalışmada öncelikli olarak, geliştirilen simülasyondan B/Y ve EO’nun farklı değerleri için elde edilen ürün gazı bileşimleri deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Simülasyon modeli doğrulandıktan sonra, göz önüne alınan deneysel çalışmadan farklı olarak gazlaştırma sıcaklığı ve biyokütle nem içeriği gibi parametrelerin ürün gazı bileşimi ve gazlaştırma performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir.

5.3.1 Deney düzeneği ve çalışma koşulları

Geliştirilen simülasyon modelinin doğruluğu Karatas ve diğ. [100] tarafından gerçekleştirilen deneysel bir çalışma ile yapılmıştır. Bu deneysel çalışma, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi’ndeki pilot ölçekli atmosferik basınçlı bir kabarcıklı akışkan yatak reaktöründe gerçekleştirilmiştir. Şekil 5.20’de deney tesisinin şematik görüntüsü yer almaktadır. Reaktör ekseni boyunca sıcaklığı ölçmek amacıyla 4 adet termo eleman yerleştirilmiştir. Reaktörü ısıtmak amacıyla 2 elektrikli ısıtıcı kullanılmıştır. Alt kısımda yer alan besleyici, reaktöre biyokütleyi beslemek amacıyla kullanılmıştır. Üst besleyici biyokütle numunesinin depolandığı besleme hunisinden geçirilmiştir. Biyokütlenin reaktöre beslenmesini kolaylaştırmak amacıyla azot gazı kullanılmıştır. Azot akışını ölçmek için bir rotametreden faydalanılmıştır.

108

Şekil 5.20 : Deney düzeneğinin şematik görüntüsü [100].

Deneyde biyokütle olarak kullanılan ceviz kabuğu için hava ve buhar ile ayrı ayrı gazlaştırma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Hava bir kompresör yardımıyla sağlanmış ve reaktöre atmosfer sıcaklığında beslenmiştir. Hava akışı da yine bir rotametre aracılığıyla kontrol edilmiştir. Buhar, doymuş olarak bir buhar üretecinden sağlanmıştır. Bu yüzden, kızgın buhar elde etmek amacıyla buhar üretecine ek olarak bir elektrikli ısıtıcı da kullanılmıştır. Gazlaştırma ajanları reaktöre beslenmeden önce düzgün dağılımlı bir akış elde etmek amacıyla bir emiş kutusundan geçirilmiştir. Yatak malzemesine (silika kum) destek olmak ve kabarcıklanmayı sağlamak amacıyla 2 mm çapında toplamda 180 adet delikten oluşan bir dağıtıcı plaka kullanılmıştır. Gazlaştırma işlemi sonucunda reaktörü terk eden ürün gazı ilk olarak siklona gelmiş ve burada gaz içindeki katı tanecikler ana akıştan uzaklaştırılmıştır. Ürün gazının gaz analizör cihazına akışı bir vakum pompası ile gerçekleştirilmiştir. Siklonu terk eden gaz numunesi sırasıyla, perlit sütunu, silika jel ve cam yünü yatağından geçirilmiştir. Ayrıca burada, ürün gazının soğutulması için bir soğutma tankı da kullanılmıştır. Soğutma tankı bir soğuk su banyosu ile soğutulmuştur. Ürün gazı son olarak, içerisindeki CO, CO2, CH4, H2 ve O2 gazlarının hacimsel kesirlerinin tayini için gaz analizörüne yönlendirilmiştir.

109

Deneysel çalışmalar boyunca ceviz kabuğunun kütlesel debisi 0.898 kg/h olacak şekilde sabit tutulmuştur. Ayrıca, deneyler 770 C’de sabit bir reaktör sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Ceviz kabuğuna ait elementsel ve kısa analiz sonuçları Çizelge 5.7’de gösterilmektedir. Gazlaştırma ajanı olarak havanın kullanıldığı durumda hava reaktöre 20 C’de ve farklı EO değerlerinde beslenmiştir. Gazlaştırma ajanı olarak buharın kullanıldığı durumda ise buhar reaktöre 230 C’de ve farklı B/Y oranlarında beslenmiştir. Çizelge 5.8’de deneyde dikkate alınan çalışma koşulları yer almaktadır.

Çizelge 5.7 : Ceviz kabuğunun elementsel ve kısa analiz sonuçları [100].

Nem (% ağrılık) 8.46

Kısa analiz (kuru, % ağırlık)

Uçucular 74.23

Sabit karbon 23.82

Kül 1.95

Elementsel analiz (kuru, % ağırlık)

C 53.77 H 5.39 N 0.43 S 0.12 O^* 38.34 AID (MJ/kg) 4349

* Farka göre hesaplanmıştır.

Çizelge 5.8 : Deneysel çalışma koşulları.

Gazlaştırma ajanı Hava Buhar

Ceviz kabuğu debisi (kg/h) 0.898 0.898 Gazlaştırma sıcaklığı (C) 770 770 Gazlaştırma ajanı sıcaklığı (C) 20 230

Eşdeğerlik oranı 0.19-0.37 -

Buhar/biyokütle oranı - 0.41-1.11

Üçüncü simülasyon çalışmasında göz önüne alınan deneyde havanın kullanıldığı durum için minimum akışkanlaşma hızı (Umf) 0.08 m/s olarak hesaplanmıştır. Çizelge 5.9’da deneysel çalışmada kullanılan dört farklı eşdeğerlik oranı için havaya ait boş yatak gaz hızları (U) ve bu hızların minimum akışkanlaşma hızına oranları gösterilmektedir. Burada, boş yatak gaz hızlarının yaklaşık 2Umf-4Umf arasında değiştiği görülmektedir. Daha önceki hidrodinamik model çalışmasında hava için en

110

uygun boş yatak gaz hızının 3Umf olduğu belirlenmişti. Bu açıdan bakıldığında, havanın kullanıldığı durum için hidrodinamik modelin deneysel çalışma ile örtüştüğünü söylemek mümkündür. Buna ek olarak, deneysel çalışmada buharın kullanıldığı durum için minimum akışkanlaşma hızı 0.0903 m/s olarak hesaplanmıştır. En yüksek B/Y oranında ise boş yatak gaz hızı minimum akışkanlaşma hızının yaklaşık 2.7 katıdır. Hidrodinamik model çalışmasında buharın kullanıldığı durumda en uygun boş yatak gaz hızı 3Umf olarak belirlenmişti. Burada da yine deneysel çalışma ile hidrodinamik modelden elde edilen sonuçların birbiriyle uyumlu olduğu görülmektedir.

Çizelge 5.9 : Hava için boş yatak gaz hızları.

EO U (m/s) U/Umf 0.19 0.164 2.050 0.24 0.209 2.612 0.31 0.268 3.350 0.37 0.323 4.037 5.3.2 Model geliştirme

Üçüncü simülasyon çalışmasında yapılan kabuller aşağıda yer almaktadır: - Simülasyon sıfır boyutludur.

- Gazlaştırıcı daimi rejimde çalıştırılmaktadır. - Gazlaştırıcı içindeki sıcaklık dağılımı homojendir. - Kül inert olarak kabul edilmektedir.

- Çar %100 karbondan oluşmaktadır.

- Kuruma ve piroliz anlık gerçekleşmektedir. - Katran oluşumu ihmal edilmektedir.

- Gazlaştırıcıdan olan ısı kayıpları dikkate alınmamaktadır.

Daha önceki simülasyon çalışmalarında olduğu gibi burada da yine kül ve biyokütle programa geleneksel olmayan bileşen olarak tanıtılmıştır. Bu bileşenlerin yoğunluk ve entalpi gibi özelliklerinin belirlenmesinde sırasıyla, HCOALGEN ve DCOALIGT modelleri ve tüm fiziksel özelliklerin belirlenmesinde ise Peng Robinson denklemi kullanılmıştır. Son olarak, akış sınıfı için yine daha önceki simülasyonlarda kullanılan MIXCINC tercih edilmiştir.

111

Bu çalışma kapsamında hava ve buhar gazlaştırma işlemleri için oluşturulan simülasyona ait akış şeması Şekil 5.21’de gösterilmektedir. Burada, biyokütle (YAKIT) öncelikli olarak RAYRIS reaktöründe kendini oluşturan bileşenlere dönüştürülmektedir. Ayrıştırma reaktöründen çıkan SAYRIS akımı ve gazlaştırma ajanı (HAVA/BUHAR) reaksiyonların gerçekleşmesi için GAZLASTIRICI reaktörüne gelmektedir. Ayrıca, deneyde biyokütle giriş bölgesinden reaktöre gönderilen bir miktar AZOT gazı da gazlaştırıcıya gönderilmektedir. Gazlaştırma reaksiyonları için Gibbs serbest enerjisinin minimizasyonuna dayalı olan SKDY kullanılmaktadır. Reaksiyonlar sonucu oluşan S-GAZLAS akımı kül ve sudan (DIGER) arındırılmak üzere SIKLON 1’e iletilmektedir. Buradan çıkan ürün gazı ve azot gazından oluşan URNGAZI-N2 akımı SIKLON 2’ye iletilmekte ve burada gaz karışımı içerisindeki azot alınarak H2, CO, CO2 ve CH4 gazlarından oluşan nihai ürün gazı (URNGAZI) elde edilmektedir.

Şekil 5.21 : Aspen Plus akış şeması. 5.3.3 Model doğrulama

Göz önüne alınan deneyde [100], biyokütle olarak hem ceviz kabuğu hem de fıstık kabuğu kullanılmıştır. Bu iki biyokütle iki farklı gazlaştırma ajanı (hava ve buhar) ile gazlaştırılmıştır. Tez kapsamında geliştirilen simülasyon modelinde ise biyokütle

112

olarak ceviz kabuğu dikkate alınmış ve hem hava hem de buhar gazlaştırma işlemleri için iki farklı model doğrulama çalışması gerçekleştirilmiştir.