ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Abdullah Zahid TURAN
506071002
Anabilim Dalı : Kimya Mühendisliği Programı : Kimya Mühendisliği
HAZĠRAN 2009
LĠNYĠT BĠYOKÜTLE KARIġIMLARININ OKSĠJEN ORTAMINDA YAKILMASI
HAZĠRAN 2009
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Abdullah Zahid TURAN
(506071002)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 04 Mayıs 2009 Tezin Savunulduğu Tarih : 10 Haziran 2009
Tez DanıĢmanı : Prof. Dr. Hanzade AÇMA (ĠTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Serdar YAMAN (ĠTÜ) Doç. Dr. Mesut AKGÜN (YTÜ) LĠNYĠT BĠYOKÜTLE KARIġIMLARININ OKSĠJEN ORTAMINDA
ÖNSÖZ
Küresel ısınmaya neden olan sera gazları salınımlarının giderek artması ile dünya ikliminin değişimi söz konusudur. Küresel ısınma sonucunda ortaya çıkan olumsuz etkilerin bertaraf edilmesi, günümüzün acil çözüm bekleyen sorunlarındandır. Sera etkisinin en büyük kaynağı olan CO2 gazının atmosfere salınımının azaltılmasına yönelik günümüzde yeni teknolojilerin geliştirilmesi zorunlu hale gelmiştir. CO2 salınımı en fazla fosil yakıtların yakılmasından kaynaklanmaktadır. CO2 gazının atmosfere salınımını azaltmak amacıyla günümüzde uygulanan en önemli teknoloji O2 atmosferinde yakmadır. Ülkemizin kömür rezervinin büyük bir bölümü düşük kaliteli linyitlerden oluşmaktadır.
Bu çalışmada ülkemizin linyit rezervinin içinde önemli paya sahip olan düşük kaliteli Soma Deniş linyit kömürü ile ülkemizde önemli potansiyeli olan biyokütle kaynaklarından fındık kabuğu, ayçekirdeği kabuğu, zeytin küspesi (pirina), pirinç kabuğu ayrı ayrı ve birlikte kuru hava ve oksijen atmosferinde yakılarak yanma özellikleri incelenmiştir.
Bu çalışmanın yürütülmesi sırasında gerekli bütün tavsiye ve yönlendirmeleri ile yardımlarını esirgemeyen değerli Hocam Prof. Dr. Hanzade AÇMA’ya en içten teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca, bilgi ve deneyimlerinden yararlandığım Prof. Dr. Sadriye KÜÇÜKBAYRAK OSKAY’a, Prof. Dr. Ayşegül ERSOY MERİÇBOYU’na ve Prof. Dr. Serdar YAMAN’a teşekkür ederim. Deneysel çalışmalarıma katkılarından dolayı Dr. Melek EROL’a, Ar. Gör. A. Umut SÖYLER’e, Kim.Müh. Sezin BAKAN’a, Soma Deniş linyit kömürünün temininde yardımlarından ötürü TKİ Ege Linyitleri Müessesesi Müdürlüğü’ne teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca, maddi manevi her türlü desteklerini hayatım boyunca hissettiğim aileme en içten şükranlarımı sunarım.
Mayıs 2009 Abdullah Zahid TURAN
ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖNSÖZ ... iii KISALTMALAR ... vii ÇĠZELGE LĠSTESĠ ... ix ġEKĠL LĠSTESĠ ... xi ÖZET ... xv SUMMARY ... xv 1. GĠRĠġ ve AMAÇ ... 1 2. KÖMÜRÜN YANMASI ... 3
2.1 Uçucu Maddenin Yanması ... 6
2.2 Yarıkokun Yanması ... 7
3. BĠYOKÜTLE ENERJĠSĠ ... 11
3.1 Biyokütle Kaynakları ... 12
3.2 Türkiye’nin Biyokütle Potansiyeli ... 13
3.3 Biyokütlenin Yapısal Özellikleri... 15
3.4 Biyokütleye Uygulanan Fiziksel Hazırlama Yöntemleri ... 16
3.5 Biyokütlenin Yanması ... 19
3.6 Biyokütle Yakma Sistemleri ... 21
4. KÖMÜR BĠYOKÜTLE KARIġIMLARININ BĠRLĠKTE YAKILMASI ... 25
4.1 Kömür Biyokütle Karışımlarının Birlikte Yakılması Çalışmaları ... 25
4.2 Kömür Biyokütle Karışımlarının Birlikte Yakıldığı Yakma Sistemleri ... 27
5. OKSĠJENLE YAKMA ... 31
5.1 Oksijenle Yakmada Yanma Özellikleri ... 32
5.2 Oksijenle Yakmada NOx Oluşumu ... 33
5.3 Oksijenle Yakma Sistemleri ... 34
5.4 Oksijenle Yakma Sistemlerinde Uygulanan CO2 Depolama Yöntemleri ... 37
6. OKSĠJEN AYIRMA YÖNTEMLERĠ ... 39
6.1 Krojenik Olmayan Yöntemler ... 39
6.1.1 Adsorbsiyon ... 39
6.1.2 Kimyasal hava ayırma prosesi ... 40
6.1.3 Polimerik membranlar ... 41
6.1.4 İyon taşıyıcı membranlar (ITM) ... 41
6.2 Krojenik Proses ... 42
6.3 Oksijen Ayırmada Entegrasyon Seçenekleri ... 43
7. DENEYSEL ÇALIġMALAR ... 45
7.1 Kullanılan Numunelerin Tanıtılması... 45
7.2 Numunelere Uygulanan İşlemler ... 46
7.3 Numunelere Uygulanan Analizler ... 46
7.3.1 Kısa analiz ... 46
7.3.2 Isıl değer tayini ... 47
7.4.1 Yakma deneylerinde kullanılan termal analiz sistemi ... 48 7.4.2 Yakma deneylerinin çalışma koşulları ... 48 8. DENEYSEL ÇALIġMALARIN SONUÇLARI VE SONUÇLARIN
DEĞERLENDĠRĠLMESĠ ... 49 8.1 Numunelere Uygulanan Analiz Sonuçları ... 49 8.2 Kuru Hava Ortamında Gerçekleştirilen Yakma Deneylerinin Sonuçlarının
Değerlendirilmesi ... 50 8.3 Oksijen Ortamında Gerçekleştirilen Yanma Deneylerinin Sonuçlarının
Değerlendirilmesi ... 82 8.4 Kuru Hava ve Oksijen Ortamında Gerçekleştirilen Yakma Deneylerinin
Sonuçlarının Karşılaştırılması ... 115 9. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 123 KAYNAKLAR ... 127
KISALTMALAR
ASTM : American Society for Testing and Materials ÇA : Çalışma Arkadaşları
DSC : Differential Scanning Calorimetry DTA : Differential Thermal Analysis DTG : Derivative Thermogravimetry
IPCC : The Intergovernmental Panel on Climate Change ITM : Ion Transport Membrane
MWe : Megawatt Electrical
MWth : Megawatt Thermal
TG : Thermogravimetry
PAH : Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
ÇĠZELGE LĠSTESĠ
Sayfa Çizelge 3.1 : Türkiye yıllık biyokütle enerji potansiyeli………....13 Çizelge 3.2 : Türkiye’de yetişen bazı tarım ürünlerinin yıllık üretim miktarları...…14 Çizelge 3.3 : Türkiye’de yetişen bazı tarım ürünleri atıklarının enerji
potansiyelleri……….14 Çizelge 3.4 : Türkiye yıllık hayvansal atık potansiyeli………..15 Çizelge 3.5 : Farklı biyokütle yakma teknolojilerinin avantaj ve dezavantajları…...23 Çizelge 5.1 : R değerlerinin ısı akısı ve ortalama fırın sıcaklığı üzerine etkisi……..35 Çizelge 5.2 : Kömürün oksijenle yakılması üzerine çeşitli projeler………..36 Çizelge 7.1 : Kullanılan biyokütlelerin yapısal analizleri (kuru temelde)………….46 Çizelge 8.1 : Kömür ve biyokütle numunelerinin kısa analiz sonuçları………....…49 Çizelge 8.2 : Isıl değer tayin sonuçları……….…..49 Çizelge 8.3 : Oksijen ortamında yanma sürelerindeki azalma………...….116 Çizelge 8.4 : Oksijen ortamında yanma verimlerindeki artış………...117 Çizelge 8.5 : Oksijen ortamında maksimum yanma hızlarındaki artış………...….118 Çizelge 8.6 : Oksijen ortamında maksimum yanma hızlarının gerçekleştiği
sıcaklıklardaki azalma………...….119 Çizelge 8.7 : Oksijen ortamında tutuşma sıcaklıklarındaki azalma……….120 Çizelge 8.8 : Numunelerin deneysel alt ısıl değerleri ile DSC eğrilerinden
ġEKĠL LĠSTESĠ
Sayfa
ġekil 2.1 : Kömür taneciğinin yarıkoka dönüşümü (a) ilk safha (b) son safha. ... 4
ġekil 2.2 : Kömürün organik yapı modeli (a) ve termal bozunması (b). ... 5
ġekil 2.3 : Heterojen yarıkok yanma mekanizması. ... 8
ġekil 2.4 : Yarıkok yanmasında hız sınırlayıcı bölgeler (a) tepkime hızı-sıcaklık ilişkisi (b) O2 konsantrasyonu-tanecik merkezinden uzaklık ilişkisi. ... 9
ġekil 3.1 : Biyokütle oluşum, dönüşüm ve tüketim süreçleri. ... 11
ġekil 3.2 : Nişasta ve selüloz yapıları. ... 16
ġekil 3.3 : Biyokütle işlemede kullanılan (a) yongalama (b) parçalama (c) öğütme cihazları. ... 17
ġekil 3.4 : Atık odun ön işlem tesisi; 1) yakıt girişi, 2) öğütücü, 3) demir giderimi, 4) elek, 5) elek altı ayrımı, 6) demir dışı metal giderimi, 7) işlenmiş yakıt. ... 17
ġekil 3.5 : (a) Peletleme ve (b) briketleme teknolojileri. ... 18
ġekil 3.6 : Biyokütlenin yanma süreçleri. ... 19
ġekil 3.7 : Çeşitli biyokütlelerin termal analizinde ayrışma süreçleri. ... 20
ġekil 3.8 : Temel yakma sistemleri; (a) sabit yatakta yakma, (b) kabarcıklı akışkan yatakta yakma, (c) dolaşımlı akışkan yatakta yakma, (d) toz yakıt yakma. ... 21
ġekil 3.9 : Sabit yataklı yakıcılar (a) ızgaralı (b) alttan beslemeli. ... 22
ġekil 4.1 : Birlikte yakma çalışmaları gerçekleştiren güç tesislerinin coğrafi dağılımı. ... 27
ġekil 4.2 : Birlikte yakma teknolojisinin uygulandığı Gelderland Güç Tesisi. ... 28
ġekil 5.1 : (a) Hava ortamında (b) Oksijen ortamında yakma sistemleri ... 31
ġekil 5.2 : NO oluşum mekanizmaları. ... 34
ġekil 5.3 : Baca gazı geri dönüşümü. ... 35
ġekil 5.4 : Vattenfall oksijenle yakma pilot tesisi. ... 37
ġekil 6.1 : Adsorbsiyonla hava ayırma prosesi. ... 39
ġekil 6.2 : Kimyasal hava ayırma prosesi. ... 40
ġekil 6.3 : İyon taşıyıcı membran (ITM) ile oksijen eldesi. ... 42
ġekil 6.4 : Krojenik hava ayırma prosesi. ... 42
ġekil 7.1 : Soma havzasının stratigrafik dizilimi. ... 45
ġekil 7.2 : Termal analiz cihazı ... 47
ġekil 7.3 : Kalorimetre cihazı ... 47
ġekil 8.1 : Soma Deniş linyit kömürünün kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 51
ġekil 8.2 : Soma Deniş linyit kömürünün kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. ... 51
ġekil 8.3 : Soma Deniş linyit kömürünün kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 52
ġekil 8.4 : Soma Deniş linyit kömürünün kuru hava ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 52
ġekil 8.5 : Fındık kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 54
ġekil 8.6 : Fındık kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. ... 54
ġekil 8.7 : Fındık kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 55
ġekil 8.8 : Fındık kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 55
ġekil 8.9 : Soma Deniş linyit kömürü, fındık kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrileri. ... 57
ġekil 8.10 : Soma Deniş linyit kömürü, fındık kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrileri. ... 57
ġekil 8.11 : Soma Deniş linyit kömürü, fındık kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrileri. ... 58
ġekil 8.12 : Soma Deniş linyit kömürü, fındık kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DTG eğrileri. ... 58
ġekil 8.13 : Ayçekirdeği kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 59
ġekil 8.14 : Ayçekirdeği kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. ... 60
ġekil 8.15 : Ayçekirdeği kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 60
ġekil 8.16 : Ayçekirdeği kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 61
ġekil 8.17 : Soma Deniş linyit kömürü, ayçekirdeği kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrileri. ... 62
ġekil 8.18 : Soma Deniş linyit kömürü, ayçekirdeği kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrileri. ... 63
ġekil 8.19 : Soma Deniş linyit kömürü, ayçekirdeği kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrileri. ... 63
ġekil 8.20 : Soma Deniş linyit kömürü, ayçekirdeği kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DTG eğrileri. ... 64
ġekil 8.21 : Zeytin küspesinin kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 65
ġekil 8.22 : Zeytin küspesinin kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. ... 65
ġekil 8.23 : Zeytin küspesinin kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 66
ġekil 8.24 : Zeytin küspesinin kuru hava ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 66
ġekil 8.25 : Soma Deniş linyit kömürü, zeytin küspesi ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrileri. ... 68
ġekil 8.26 : Soma Deniş linyit kömürü, zeytin küspesi ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrileri. ... 69
ġekil 8.27 : Soma Deniş linyit kömürü, zeytin küspesi ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrileri. ... 69
ġekil 8.28 : Soma Deniş linyit kömürü, zeytin küspesi ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DTG eğrileri. ... 70
ġekil 8.29 : Pirinç kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 71
ġekil 8.30 : Pirinç kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. ... 71
ġekil 8.31 : Pirinç kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 72
ġekil 8.32 : Pirinç kabuğunun kuru hava ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 72
ġekil 8.33 : Soma Deniş linyit kömürü, pirinç kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DTA eğrileri. ... 74
ġekil 8.34 : Soma Deniş linyit kömürü, pirinç kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait DSC eğrileri. ... 74
ġekil 8.35 : Soma Deniş linyit kömürü, pirinç kabuğu ve karışımlarının kuru hava ortamında yanmasına ait TG eğrileri. ... 75
ġekil 8.36 : Soma Deniş linyit kömürü, pirinç kabuğu ve karışımlarının kuru hava
ortamında yanmasına ait DTG eğrileri. ... 75
ġekil 8.37 : Soma Deniş linyit kömürünün oksijen ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 83
ġekil 8.38 : Soma Deniş linyit kömürünün oksijen ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. ... 83
ġekil 8.39 : Soma Deniş linyit kömürünün oksijen ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 84
ġekil 8.40 : Soma Deniş linyit kömürünün oksijen ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 84
ġekil 8.41 : Soma Deniş linyit kömürünün; zamana bağlı TG eğrisi (siyah), sıcaklık yükselme eğrisi (mavi). ... 85
ġekil 8.42 : Fındık kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 86
ġekil 8.43 : Fındık kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. ... 87
ġekil 8.44 : Fındık kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 87
ġekil 8.45 : Fındık kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 88
ġekil 8.46 : Soma Deniş linyit kömürü, fındık kabuğu ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DTA eğrileri. ... 90
ġekil 8.47 : Soma Deniş linyit kömürü, fındık kabuğu ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DSC eğrileri. ... 90
ġekil 8.48 : Soma Deniş linyit kömürü, fındık kabuğu ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait TG eğrileri... 91
ġekil 8.49 : Soma Deniş linyit kömürü, fındık kabuğu ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DTG eğrileri. ... 91
ġekil 8.50 : Ayçekirdeği kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. 92 ġekil 8.51 : Ayçekirdeği kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. . 93
ġekil 8.52 : Ayçekirdeği kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 93
ġekil 8.53 : Ayçekirdeği kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. 94 ġekil 8.54 : Soma Deniş linyit kömürü, ayçekirdeği kabuğu ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DTA eğrileri. ... 96
ġekil 8.55 : Soma Deniş linyit kömürü, ayçekirdeği kabuğu ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DSC eğrileri... 96
ġekil 8.56 : Soma Deniş linyit kömürü, ayçekirdeği kabuğu ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait TG eğrileri. ... 97
ġekil 8.57 : Soma Deniş linyit kömürü, ayçekirdeği kabuğu ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DTG eğrileri. ... 97
ġekil 8.58 : Zeytin küspesinin oksijen ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 98
ġekil 8.59 : Zeytin küspesinin oksijen ortamında yanmasına ait DSC eğrisi. ... 99
ġekil 8.60 : Zeytin küspesinin oksijen ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 99
ġekil 8.61 : Zeytin küspesinin oksijen ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 100
ġekil 8.62 : Soma Deniş linyit kömürü, zeytin küspesi ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DTA eğrileri. ... 101
ġekil 8.63 : Soma Deniş linyit kömürü, zeytin küspesi ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DSC eğrileri. ... 102
ġekil 8.64 : Soma Deniş linyit kömürü, zeytin küspesi ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait TG eğrileri... 102
ġekil 8.65 : Soma Deniş linyit kömürü, zeytin küspesi ve karışımlarının oksijen ortamında yanmasına ait DTG eğrileri. ... 103
ġekil 8.66 : Pirinç kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait DTA eğrisi. ... 104
ġekil 8.68 : Pirinç kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait TG eğrisi. ... 105 ġekil 8.69 : Pirinç kabuğunun oksijen ortamında yanmasına ait DTG eğrisi. ... 105 ġekil 8.70 : Soma Deniş linyit kömürü, pirinç kabuğu ve karışımlarının oksijen
ortamında yanmasına ait DTA eğrileri. ... 107 ġekil 8.71 : Soma Deniş linyit kömürü, pirinç kabuğu ve karışımlarının oksijen
ortamında yanmasına ait DSC eğrileri. ... 108 ġekil 8.72 : Soma Deniş linyit kömürü, pirinç kabuğu ve karışımlarının oksijen
ortamında yanmasına ait TG eğrileri. ... 108 ġekil 8.73 : Soma Deniş linyit kömürü, pirinç kabuğu ve karışımlarının oksijen
ortamında yanmasına ait DTG eğrileri. ... 109 ġekil 8.74 : Kuru hava ve oksijen ortamlarında yakmanın yanma süresine etkisi. . 115 ġekil 8.75 : Kuru hava ve oksijen ortamlarında yakmanın yanma verimine etkisi. 116 ġekil 8.76 : Kuru hava ve oksijen ortamlarında yakmanın maksimum yanma
hızına etkisi. ... 117 ġekil 8.77 : Kuru hava ve oksijen ortamlarında yakmanın maksimum yanmanın
gerçekleştiği sıcaklığa etkisi. ... 118 ġekil 8.78 : Kuru hava ve oksijen ortamlarında yakmanın tutuşma sıcaklığına
LĠNYĠT BĠYOKÜTLE KARIġIMLARININ OKSĠJEN ORTAMINDA YAKILMASI
ÖZET
Küresel iklim değişimine neden olan sera gazları salınımlarının azaltılması ve olumsuz etkilerinin bertaraf edilmesi, günümüzün acil çözüm bekleyen sorunlarındandır. Kötüleşen çevre koşulları özellikle sera etkisinin en büyük kaynağı olan CO2 gazının azaltılmasına yönelik yeni teknolojilerin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Atmosferdeki CO2 gazının artışında fosil yakıtların yakılmasının etkisi büyüktür.
Kömür, enerji üretiminde önemli role sahip bir yakıt türüdür. Ülkemizde ve dünya genelinde kömür rezervlerinin fazla olmasından dolayı gelecekte öneminin daha da artacağı öngörülmektedir. Bununla birlikte, elde edilen enerji başına açığa çıkan CO2 miktarının, diğer fosil yakıtlara nazaran daha yüksek olması gibi bir dezavantaja sahiptir. Bu nedenle, kömür yakan enerji üretim tesislerinde CO2 tutulması ve depolanması, küresel ısınma üzerinde kısa ve orta vadede önemli bir etki yapacaktır. Biyokütle, güneş enerjisinin bitkilerde kimyasal enerji şekline dönüşmüş halidir. Kömüre kıyasla düşük olan kirletici özellikleri ve yenilebilir niteliği ile öne çıkmış organik esaslı bir yakıt türüdür.
Geniş linyit rezervlerine ve tarımsal atıklara sahip ülkemizin enerji bağımlılığının azaltılması bakımından da önem arz eden kömür ve biyokütle yaygın olarak yakılarak değerlendirilmektedir.
Günümüzde düşük kaliteli kömürler ile biyokütlenin birlikte oksijen ortamında yakılması CO2 gazının salınımının azaltılması ve kalitesiz kömürler ile biyokütlenin değerlendirilmesi açısından giderek önem kazanmaktadır. Bu çalışmada, düşük kaliteli linyit kömürü olan Soma Deniş linyit kömürüne dört farklı biyokütle türü (fındık kabuğu, ayçekirdeği kabuğu, zeytin küspesi (pirina) ve pirinç kabuğu) değişik oranlarda katılmıştır. Kömür ve biyokütle numunelerinin kuru hava ve oksijen ortamlarındaki ayrı ayrı ve birlikte yakılması ile termal analizi gerçekleştirilmiş ve yanma özellikleri incelenmiştir.
OXYFUEL CO-COMBUSTION OF LIGNITE BIOMASS BLENDS SUMMARY
Reduction of greenhouse gases causing global climate change and elusion of their negative effects are issues waiting for urgent solutions. Chronic deterioration of the environment necessitates the development of mitigation technologies of CO2 emission which is the main actor in greenhouse effect. Fossil fuel combustion greatly increases CO2 concentration of the atmosphere.
Today coal has a very important share in power generation. Also, the value of coal seems to be increasing in the near future due to its worldwide distributed reserves. However, coal is disadvantageous in emitting more CO2 per energy produced than any other fossil fuels. That is why; the capture and the storage of CO2 in coal fired power plants will greatly affect the future of global warming.
Biomass is the transformed form of solar energy into chemical energy in plants. Biomass, as a renewable organic-based fuel, is outstanding with its much lower polluting properties with respect to coal.
Coal and biomass provide great potential in terms of reducing the energy dependence of Turkey, which has large lignite reserves and abundant agricultural wastes and they are usually utilized by combustion.
Today co-combustion of low quality coals and biomass in O2 atmosphere gains more importance in terms of mitigation of CO2 emissions and evaluation of low quality coals and biomass. In this study, low quality Soma Deniş lignite was blended with four different biomass types (hazelnut shell, sunflower seed shell, olive cake and rice husk). Thermal analysis was applied with the combustion and co-combustion of coal and biomass samples in air and O2 atmospheres, by which combustion properties are investigated.
1. GĠRĠġ ve AMAÇ
Günümüzde petrol rezervlerine 50 yıldan az, kömür rezervlerine ise 300 yıldan fazla süre ömür biçilmektedir. Giderek artan dünya nüfusu ve enerji ihtiyacı göz önünde bulundurulduğunda kömürün daha fazla önem kazanacağı öngörülmektedir. Kömür, dünya enerji tüketiminin yaklaşık %30’unu karşılamaktadır. Rezervlerinin dünya üzerinde geniş bir alana yayılması nedeniyle de kömür cazip bir yakıt türü olmaktadır [1].
Ülkemiz açısından düşünüldüğünde, toplam birincil enerji tüketimi içinde fosil yakıtlar % 90 paya sahip iken fosil yakıt tüketiminin % 80’i ithalat yoluyla karşılanmaktadır. Enerji açısından dışa bağımlılığın açık bir göstergesi olan bu miktarın aşağı seviyelere çekilebilmesi, yerel kaynakların değerlendirilmesiyle mümkün olabilecektir. Yerel enerji kaynakları göz önünde bulundurulduğunda, Türkiye’nin önemli bir linyit potansiyeline sahip olduğu görülmektedir. Linyit kömürü, 9.3 milyar tonluk toplam (görünür ve muhtemel) rezervi ile ülkemiz katı fosil yakıt rezervleri içerisinde en büyük paya sahip enerji kaynağıdır. Ayrıca, dünya kara yüzölçümün % 0.5’ini oluşturan Türkiye’nin, dünya linyit rezervlerinin % 2.05’ine sahip olması, ülkemiz linyit zenginliğinin önemli bir göstergesidir [2]. Bu çerçevede, linyit potansiyelinin değerlendirilmesi için uygun teknolojilerin geliştirilmesi, ülkenin öncelikli enerji sorunları arasında yer almaktadır.
Türkiye’deki linyit kömürleri genellikle, külü ve nemi yüksek, ısıl değeri ise düşük olan düşük kaliteli kömürlerden oluşmaktadır. Ülkemizde 11 MJ/kg’dan daha düşük ısıl değere sahip linyitlerin oranı % 67’dir [3].
Biyokütle, güneş enerjisinin bitkilerde kimyasal enerji formuna dönüşmüş halidir. Biyokütle kömüre kıyasla düşük olan kirletici özellikleri ve yenilenebilir niteliği ile öne çıkmış organik esaslı bir yakıt türüdür. Biyokütleden enerji üretmek amacıyla yapılan çalışmalar, birlikte yakmanın pratik ve maliyeti düşük bir uygulama olduğunu göstermektedir. Tek başına yakıldığında, biyokütle, hammadde sıkıntısı yaşatabilen ve yüksek alkalite içeriği nedeniyle korozyon gibi sorunlara yol açabilen bir yakıt olmaktadır. Ayrıca, biyokütle yakma kazanı (boyler) tasarım ve inşasına
gerek kalmaksızın, mevcut kömür yakan sistemlerde küçük değişiklikler yapılarak biyokütle-kömür karışımlarının yakılabileceği yeni sistemler elde edilmiş olmaktadır. O2 ortamında yakma ile baca gazının bileşimi çoğunlukla, CO2 ve su buharından oluşmaktadır. Baca gazındaki CO2 ve su buharı birbirinden ayrılması kolay olan iki gazdır. Sera etkisi nedeniyle atmosfere salınımı istenmeyen CO2’nin yeraltında depolanmak üzere tutularak atmosfere salınımının engellenmesi; oksijenle yakma teknolojilerinin önemini giderek artırmaktadır.
Bu çalışmada, düşük kaliteli linyit kömürü olan Soma Deniş linyit kömürüne dört farklı biyokütle türü (fındık kabuğu, ayçekirdeği kabuğu, zeytin küspesi (pirina) ve pirinç kabuğu) değişik oranlarda katılmıştır. Kömür ve biyokütle numunelerinin kuru hava ve oksijen ortamlarındaki ayrı ayrı ve birlikte yakılması ile termal analizi gerçekleştirilmiş ve yanma özellikleri incelenmiştir.
2. KÖMÜRÜN YANMASI
Kömürün yanması temel olarak üç aşamadan oluşmaktadır [81]:
Kömür Yarıkok Uçucu madde (2.1)
2 2 ( ) Uçucu madde HC O CO H O (2.2) 2 ( ) 2 2( 1) (2 ) φC yarıkok O φ CO φ CO (2.3)
Birinci basamak kömürden uçucu madde çıkışı ve yarıkok oluşumunu, ikinci basamak uçucu madde yanmasını, üçüncü basamak ise yarıkokun tam ve kısmi yanması sonucu CO ve CO2 oluşumunu göstermektedir. Oluşan karbon monoksit
2 2
1 2
CO O CO (2.4)
tepkimesi ile yükseltgenerek CO2 oluşmaktadır [4]. Kömür, inert veya oksitleyici bir ortamda ısıtıldığı zaman, sıcaklık yükselmesi ile nem çıkışı gözlenirken, sıcaklığın daha da yükselmesiyle uçucu madde çıkışı gerçekleşir. Uçucu çıkışı veya piroliz olarak ifade edilen bu ikinci kısım, kömürün tanecik boyutu, türü, sıcaklığı ve ısıtma hızına bağlıdır. Karbonca zenginleşmiş, oksijen ve hidrojence fakirleşmiş ve hala bir miktar azot ve kükürt içeriği yanında, mineral maddenin çoğunu ihtiva eden bu gözenekli yapı yarıkok olarak isimlendirilir. Uçucu madde çıkışının fazla olması, oluşan yarıkokun yoğunluğunu düşürmekte, gözenekliliğini artırmakta ve gözenek yapısının orijinal kömürünkinden önemli ölçüde farklı olmasına neden olmaktadır [5]. Çıkan gazlar sonucu kömür taneciğinin yarıkoka dönüşüm safhaları Şekil 2.1’de görülmektedir [4].
ġekil 2.1 : Kömür taneciğinin yarıkoka dönüşümü (a) ilk safha (b) son safha. Kalan yarıkok taneciklerinin oksijenle tepkimesi heterojen olarak gerçekleşir ve bu heterojen tepkimeler uçucu çıkışı ve yanmasına göre çok daha yavaş ilerler [3,5]. Bu nedenle, kömürün yanma kinetiği büyük ölçüde yarıkokun yanma aşamasına bağlıdır [3]. Su buharı, CO2 ve H2 gibi reaktanlar da yarıkokla tepkimeye girer ancak bu tepkimeler oksijenle tepkimeye göre çok daha yavaş gerçekleşir [5].
Kömürün yanma aşamaları ardışık olarak gerçekleşse de, bu aşamalar eşzamanlı olarak da gerçekleşir [3]. Uçucu çıkışı ve yarıkok oksitlenmesi, özellikle yüksek ısıtma hızlarında, aynı anda gerçekleşebilir. Uçucu çıkışı oksitleyici bir ortamda gerçekleşiyorsa, yanıcı gazlar gaz fazında oksitlenir ve sıcaklığı yükseltirler [5]. Yanma tepkimelerinde diğer önemli bir kavram tutuşmadır. Tutuşma, yanma tepkimelerinin aniden hızlanması ve reaktanların çok hızlı bir şekilde ürünlere dönüşmesi olayıdır. Tutuşma, kendiliğinden tutuşma ve zorlanmış tutuşma gibi iki farklı biçimde gerçekleşebilir [6].
Kendiliğinden tutuşma, yakıt hava karışımının sıcak cidarlarla ısıtılması veya gaz kütlesinin adyabatik sıkıştırılmasıyla gerçekleşir. Sıcaklık arttıkça tepkimeler hızlanır ve tutuşma bütün hacimde aynı anda başlar. Zorlanmış tutuşmada ise, dış kaynaktan bir enerji ilavesiyle (ör. kıvılcım) alev bir noktada başlar ve geri kalan karışım içerisinde ilerler [6].
Kömürün tutuşma sıcaklığı, kömürün türü, uçucu miktarı, tanecik boyutu ve ısıtma hızı, sıcaklık gibi çeşitli parametrelere göre değişiklik gösterir [5].
Kömürün uçucu maddesi; çoğunluğu H2, CO, CH4 ve diğer hidrokarbonlar gibi yanıcı gazlardan oluşan, katran buharlarını, CO2 ve su buharı gibi yanmayan gazları da içeren bir karışımdır [3]. Uçucu çıkışı sırasında oluşan katran, çoğunlukla aromatik hidrokarbonlardan ve yüzlerce farklı bileşenden oluşmaktadır [5]. Karbonizasyon dereceleri farklı olan kömürlerin uçucu maddelerinin bileşimleri ve miktarları da önemli farklılıklar gösterir. Kömürün karbonizasyon derecesi, yani yaşı arttıkça, uçucu maddenin miktarı ve içerisindeki yanmayan gaz oranı azalır [3]. Kömürün organik yapı modeli ve sıcaklığın yükselmesiyle birlikte kömürün termal bozunması Şekil 2.2’de görülmektedir [5].
Uçucu madde çıkışının birinci mertebeden bir tepkime olduğu varsayımıyla hareket eden Badzioch ve Hawksley, uçucu çıkış hızını:
) ( exp . v v RT E A dt dv (2.5)
şeklinde ifade etmişlerdir. Burada, v çıkan uçucu miktarını, v∞ ise toplam uçucu
miktarını vermektedir. Kısa analizden elde edilen uçucu madde değerini v∞’la
ilişkilendirmek amacıyla: p c v v Q v (1 ) (2.6)
ifadesi kullanılmaktadır ve vp kısa analiz uçucu miktarı, Q ve vc ise kömür türüne
göre değişen ve deneysel olarak hesaplanan parametrelerdir [7].
Kobayashi ve arkadaşları ise, uçucu madde çıkışı için iki adet birinci mertebeden ve yarışan tepkime modeli önermişlerdir:
2 2 2 2 1 1 1 1 ) 1 ( ) 1 ( 2 1 V Y S Y C V Y S Y C k k (2.7)
Bu iki tepkimenin hız ifadeleri ise, tükenen kömür için:
c k k dt dc ) ( 1 2 (2.8)
ve çıkan uçucu için:
c k Y k Y dt dv dv dt dv ) ( 1 1 2 2 2 1 (2.9)
şeklinde ifade edilir [8].
Uçucu çıkışı esnasında yarıkokun iç yüzeyinde, ikincil tepkimeler meydana gelir. Oluşan piroliz ürünleri yarıkok merkezinden dışarı doğru ilerlerken polimerleşme gibi ikincil tepkimeler meydana gelir [5].
2.1 Uçucu Maddenin Yanması
Kömürün termal bozunması sonucu açığa çıkan uçucu madde, ortam sıcaklığı tutuşma sıcaklıkları üzerindeyse yanmaya başlar. Uçucu maddenin yanması sırasında; oksijenle tepkimeye giren hidrokarbon moleküllerinin kararlı olmayan hidroksil bileşiklerine dönüştüğü, bunların da parçalanarak aldehitleri oluşturduğu,
aldehitlerin ise oksitlenerek CO ve H2’e ayrıştığı saptanmıştır [3]. Uçucu yanma mekanizmasının kontrolü; NOx oluşumunun kontrolü, is oluşumunun engellenmesi, alev kararlılığının sağlanması ve yarıkokun tutuşması konularıyla ilişkili olması açısından gereklidir. Uçucu yanması sonucu sıcaklığın yükselmesi yarıkokun tutuşması bakımından önem arz etmektedir [5]. Hızlı ısınma, yakıt-oksijen temasının yeterince sağlanamaması veya ortamdaki oksijenin yetersiz oluşu gibi durumlarda hidrokarbonlar hidroksil bileşenlerine dönüşme yerine, karbon ve hidrojene ayrışır. Bu olay, yanmayan karbon taneciklerinin birleşerek is oluşturmasına neden olmaktadır [3].
Birçok farklı hidrokarbondan oluşan uçucu maddenin yanma kinetiğini incelemek zor olsa da çeşitli pratik yaklaşımlar geliştirilmiştir. Bu amaçla hidrokarbonların tükenmesini gösterme amacıyla bir CnHm temsili-molekülü seçilir ve bu molekülün oksijenle tepkimesi üzerinden bir tepkime hızı hesaplanır. Bu noktada önemli olan uçucuların karbon/hidrojen (n/m) oranının belirlenebilmesidir [5]. Siminski ve arkadaşları tarafından, uçucu yanması için:
nCO H m O n H Cn m 2 2 2 2 (2.10)
tepkimesi önerilmiş ve tepkime hızı:
RT E C C ATP dt dC O H H exp ) ( ) ( 0.5 3 . 0 (2.11)
olarak ifade edilmiştir. CH ve CO hidrokarbon ve oksijen molar konsantrasyonları, T
sıcaklık, P basınç, A ise uzun zincirli hidrokarbonlar için 59.8, siklik hidrokarbonlar için 2.07x104
olan bir katsayıdır [9].
2.2 Yarıkokun Yanması
Heterojen yarıkok yanması; difüzyon, adsorbsiyon, tepkime, desorbsiyon ve tekrar difüzyon aşamaları ile gerçekleşir. Şekil 2.3’de de görüldüğü gibi, öncelikle reaktan (O2, H2O, CO2 ve H2) kömür taneciği dış yüzeyine difüze olmakta (1) ve daha sonra difüzyon gözenek içerisinde (2) devam etmektedir. Reaktanın yüzeye adsorblanmasının (3) ardından reaktan, tepkimeye girerek (4) ürünü oluşturur. Yüzeyden desorbe olan (5) ürün gaz faza geçer ve önce gözenek boyunca (6), tanecik dış yüzeyine ulaştıktan sonra ise yığın akışa doğru (7) difüze olur [4].
ġekil 2.3 : Heterojen yarıkok yanma mekanizması.
Yarıkok yanmasında hız sınırlayıcı adım kimyasal kinetik kontrollü olabileceği gibi, difüzyon kontrollü de olabilmektedir. Aktivasyon enerjisinin ve tepkime mertebesinin kontrol edici adıma bağlı olarak değiştiği saptanmıştır [10]. Birçok araştırmacı tepkime hızını kontrol eden üç farklı sıcaklık bölgesinin varlığını tespit etmiştir [11,12]. Şekil 2.4 ’de görülen bu bölgelerden düşük sıcaklık bölgesinde (I), O2 yarıkok gözeneklerine kolayca difüze olabilmekte ve toplam yarıkok tepkimesi kimyasal kinetik kontrollü gerçekleşmektedir. Orta sıcaklık bölgesinde (II), kimyasal tepkime hızı, tanecik merkezinde O2 konsantrasyonunu sıfıra düşürecek yüksekliktedir, hız ise kinetik ve difüzyonun birlikte kontrolü altındadır. Yüksek sıcaklık bölgesinde ise (III), kimyasal tepkime, tanecik yüzeyinde O2 konsantrasyonunun sıfır kabul edilebileceği bir yükseklikteki bir hızda yürür, dolayısıyla toplam yarıkok tepkimesi, difüzyon kontrollü olarak devam eder [5].
ġekil 2.4 : Yarıkok yanmasında hız sınırlayıcı bölgeler (a) tepkime hızı-sıcaklık
.
ilişkisi (b) O2 konsantrasyonu-tanecik merkezinden uzaklık ilişkisi. Yarıkokun yanması; kömürün fiziksel ve kimyasal özelliklerine, tanecik çapına, minerallerin etkisine, tepkimeler sırasında yüzey alanında meydana gelen değişikliklere, yarıkokun parçalanmasına ve yakıcının sıcaklık ile basıncına bağlı olarak değişmektedir. Çıkan uçucu madde miktarı da, yarıkokun gözenekliliğinin artırması nedeniyle yanmada önemlidir [3]. Kömürün yanması ile ilgili olarak yapılan çalışmalar sonucunda birçok mekanizma ileri sürülmüş olmasına rağmen hiçbiri bütün kömür türleri için genelleştirilememiş ve hesaplanan kinetik parametreler incelenen kömürlerin özelliklerine göre farklılık göstermiştir [13]. Tepkime rejiminin çalışma koşullarına bağlı olması, tepkime ilerledikçe kömürün gözenek yapısında değişiklik olması ve kömür ile çevresindeki gaz arasında oluşan sıcaklık gradiyeni, kömürün yanmasının kinetik analizini güçleştiren olaylardır [10].
3. BĠYOKÜTLE ENERJĠSĠ
Biyokütle terimi, kısa sürede yenilenebilen her türlü organik maddeyi tanımlamak amacıyla kullanılır [14]. Organizma kaynaklı ürün ve atıklar biyokütle kaynaklarını oluşturur.
Biyokütle oluşumunun ana basamağı fotosentezdir.
2 2
2
2 H O ışık (CH O) O
CO klorofil (3.1)
eşitliğiyle ifade edilir. CH2O temel organik yapıdır ve güneş enerjisi bu organik yapı
içerisinde kimyasal enerji olarak depolanır [15].
Biyokütle enerjisi, doğrudan yakılarak (ısıtma ve pişirme amaçlı odun yakılması v.b.) kullanılabileceği gibi, biyokütleden, termokimyasal ve biyokimyasal proseslerle sıvı, katı ve gaz ürünleri üretmek de mümkündür [16]. Biyokütlenin oluşum, dönüşüm ve tüketim süreçleri Şekil 3.1’de özetlenmiştir [17].
Biyokütlenin yakıt olarak kullanımı, birçok açıdan önem taşımaktadır. Öncelikle, biyokütlenin CO2-nötr bir yakıt türü olarak kabul edilmesi nedeniyle, CO2 salınımını, dolayısıyla sera gazı etkisini artırıcı etki yapmaması en kritik özelliğidir [16,18]. Biyokütlenin sera gazı etkisini azaltma potansiyeli, sürdürülebilir üretimiyle doğrudan ilgilidir. Fosil yakıtlar, sürekli CO2 salınımı yaparken, enerji amaçlı tüketilme oranı üretilme oranına eşit olduğu zaman, biyokütlenin net CO2 salınımı “sıfır” olmaktadır [19].
Biyokütlenin, avantaj sağlayan diğer özellikleri ise şunlardır: Biyokütlenin ihmal edilebilir düzeyde kükürt içermesi [16].
Biyokütle yanması sonucu, kömüre kıyasla çok daha düşük düzeyde kül çıkması ve çıkan külün tarlalarda toprağa katkı olarak kullanılabilmesi [18]. Atık yakılmasının, özellikle kentlerde, enerji eldesi yanında kentsel atıkların bertarafı açısından da önem arz etmesi [18].
3.1 Biyokütle Kaynakları
Enerji amaçlı kullanılan biyokütle, kullanım yeri ve amacına göre, geleneksel ve modern olmak üzere iki ana kategoride toplanabilir. Geleneksel biyokütleyi, evsel amaçlı kullanılan ve gelişmekte olan ülkelerde daha yaygın olan ve soba ile ocaklarda yakılan odun, tezek, tarımsal atık v.b. oluşturmaktadır. Modern biyokütle ise, daha büyük ölçekte kullanılan ve konvansiyonel enerji kaynaklarının yerini alması hedeflenen kaynaklardır. Modern biyokütlenin kullanıldığı uygulamalarda, odun ve atıkların yanı sıra “enerji bitkileri” adı verilen ve enerji üretim amacıyla hasat edilen ürünlerden de faydalanılmaktadır [16].
Biyokütle, dünya enerji tüketiminde % 14’lük payla kömür, petrol ve doğalgazdan sonra dördüncü sırayı alırken, bu oranın büyük bir kısmını, gelişmekte olan ülkelerdeki kırsal nüfusun geleneksel biyokütle kullanımı oluşturmaktadır [16,18]. Türkiye’de, evsel enerji tüketimi toplam enerji tüketiminde % 52’lik paya sahipken, bu oranın % 37’sini biyokütle esaslı yakıtlar oluşturmaktadır [20]. Türkiye’nin modern biyokütle uygulamaları ise proje aşamasındadır [17].
Biyokütle kaynakları, türlerine göre:
Bitkisel kaynaklar: Tarımsal ürünler ve atıkları, orman ürünleri ve atıkları, enerji tarımı amaçlı yetiştirilen bitkiler,
Hayvansal kaynaklar: Hayvansal gübre (tezek, biyogaz), Kentsel kaynaklar: Arıtma tesisleri çamurları (biyogaz), şeklinde üç sınıfta değerlendirilebilir [14].
3.2 Türkiye’nin Biyokütle Potansiyeli
Türkiye’nin yıllık toplam biyokütle enerji potansiyeli 32 milyon ton petrol eşdeğeridir. Bu enerji potansiyelinin biyokütle türlerine göre dağılımı Çizelge 3.1’de verilmiştir [17].
Çizelge 3.1 : Türkiye yıllık biyokütle enerji potansiyeli.
Biyokütle türü Senelik potansiyel (milyon ton) Enerji potansiyeli (Mtoe)* Senelik ürünler 55 14,9 Çok-yıllık bitkiler 16 4,1 Orman atıkları 18 5,4
Ziraat endüstrisi atıkları 10 3
Ağaç ürünleri atıkları 6 1,8
Hayvan atıkları 7 1,5
Diğer 5 1,3
Toplam 117 32
*milyon ton petrol eşdeğeri
Çizelge 3.1 incelendiğinde, senelik ürünlerin biyokütle potansiyelinde önemli bir kısmı teşkil ettiği görülür. Türkiye’de yetişen belli başlı tarım ürünlerinin 2006 yılı üretim miktarları Çizelge 3.2’de verilmiştir [21].
Çizelge 3.2 : Türkiye’de yetişen bazı tarım ürünlerinin yıllık üretim miktarları.
Ürün Adı Üretim Miktarı (ton/yıl) Ürün Adı Üretim Miktarı (ton/yıl)
Buğday 20,010,000 Fındık 661,000 Arpa 9,551,000 Ceviz 129,614 Çavdar 271,000 Kiraz 310,254 Yulaf 208,787 Şeftali 552,775 Mısır 3,811,000 Erik 214,416 Pirinç 417,600 Kayısı 460,182 Nohut 551,746 İncir 290,151 Fasulye 195,970 Üzüm 4,000,063 Mercimek 622 624 Çilek 211,127
Şeker pancarı 14,452,162 Muz 178,205
Pamuk (saf) 976,540 Zeytin 1,766,749
Ayçekirdeği 1,118,000 Turunçgil 3,220,435
Çiğit 1,476,556 Havuç 394,725
Soğan (kuru) 1,765,396 Kavun-Karpuz 5,570,911
Patates 4,397,305 Domates 9,854,877
Kuru Çay 201,866 Salatalık 1,799,613
Türkiye’de yetişen önemli bazı tarım ürünlerinin 2002-2003 döneminde üretim miktarı ve oluşan tarımsal atıkların ısıl değerlerinin Çizelge 3.3’te verilmiştir [22]. Çizelge 3.3 incelendiğinde, tarla ürünlerinde mısır ve buğdayın, meyvelerde ise fındık ve zeytinin en büyük katkıyı yaptığı görülmektedir.
Çizelge 3.3 : Türkiye’de yetişen bazı tarım ürünleri atıklarının enerji potansiyelleri.
Ürün
Üretim
miktarı (ton) Atık miktarı (ton)
Kullanılabilir
atık (ton) Toplam ısıl değer (GJ)
T arla ürün leri Mısır 2,209,601 6,877,566 4,126,539 76,226,540 Buğday 22,439,042 23,429,907 3,514,486 62,909,300 Pamuk 2,292,988 3,252,501 2,097,945 36,688,861 Arpa 8,327,457 8,963,012 1,344,452 23,527,908 Ayçekirdeği 836,269 2,259,121 1,355,472 19,247,709 Tütün 181,382 410,778 246,467 3,968,113 Pirinç 331,563 287,279 187,917 2,906,837 M ey v eler Fındık 652,803 2,832,888 2,266,311 43,096,760 Zeytin 1,496,630 1,271,070 967,461 19,445,342 Fıstık 42,926 223,618 171,89 3,267,012 Kestane 115,698 126,272 85,873 1,703,147
Türkiye’de yetişen hayvan sayısı ve kullanılabilir hayvan atıklarının toplam ısıl değeri Çizelge 3.4’te verilmiştir [22].
Çizelge 3.4 : Türkiye yıllık hayvansal atık potansiyeli. Hayvan atığı Hayvan sayısı Toplam kuru gübre (ton/yıl) Kullanılabilir kuru gübre (ton/yıl) Kullanılabilir biyogaz miktarı (m3/yıl) Isıl değer (MJ/m3) Toplam ısıl değer (GJ/yıl) Ġnek 12,838,285 16,211,033 10,537,172 2,107,434,345 22.7 47,838,760 Koyun 29,903,590 6,139,581 798,146 159,629,101 22.7 3,623,581 Kümes hayvanı 264,784,050 1,932,924 1,913,594 382,718,866 22.7 8,687,718
Çizelge 3.4 incelendiğinde en büyük ısıl değer potansiyelinin büyükbaş hayvan atıklarında olduğu görülmektedir.
3.3 Biyokütlenin Yapısal Özellikleri
Biyokütle genel olarak ağırlıkça % 75-90 şeker türleri (karbonhidratlar), % 10-20 oranında ise lignin içerir [23].
Karbonhidrat içeriği, basit yapılı şekerler olan sakkaritler (glikoz, fruktoz) ve polimerik yapılı olan polisakkaritlerden (nişasta, selüloz, hemiselüloz) oluşmaktadır [23].
Nişasta, bitkilerin tohum ve kök gibi depolayıcı dokularında biriken, glikoz monomerlerinden oluşmuş düz ve dallı zincirler içeren bir polisakkarittir. Selüloz kadar kimyasal direnç göstermez, bu yüzden seyreltik asit ve enzimlerle daha kolay hidrolize edilebilir [23].
Selüloz da düz zincirler içeren bir glikoz polimeridir ve bir zinciri 10000 taneye kadar monomer içerebilmekle beraber ortalama bir selüloz zincirinin ağırlığı 100000 civarındadır [18,24,25]. Nişasta ve selülozu ayıran fark, Şekil 3.2’de görüldüğü gibi, nişasta monomeri olan α glikoz ile selüloz monomeri olan β glikozun birinci karbon atomuna bağlı olan hidroksil gruplarının düzlemde farklı yönlere bakmasıdır [26]. Selüloz zincirlerinin yapısı, molekül-içi ve moleküller-arası kuvvetli hidrojen bağları yapacak şekildedir. Bu yüzden, selüloz molekülleri bir yığın oluşturacak şekilde bir arada dururlar. Yüksek kristalliğe sahip bu yapı, bitkisel hücre duvarlarında yüksek mekanik dayanıklılığın nedeni olan selüloz liflerini oluştururken, asidik ve enzimatik hidrolize karşı direncin ve birçok çözücüde çözünmemenin de sebebini açıklamaktadır [25].
ġekil 3.2 : Nişasta ve selüloz yapıları.
Hemiselüloz ise farklı şeker türlerinden oluşan, ortalama zincir ağırlığı 30000 civarında olan bir polisakkarittir ve selülozla beraber hücre duvarında bulunur [18,24]. Hemiselülozun çözünebilirliği selüloza göre daha fazla (seyreltik alkalin çözeltilerinde çözünebilirler) ve kimyasal direnci de daha azdır [23].
Lignin, çok dallanmış aromatik polimerlerdir ve belirli biyokütlelerin (özellikle odunsu türlerin) hücre duvarlarında ve genellikle selüloz liflerinin yanında, onlarla lignoselülozik kompleksler oluşturacak şekilde bulunurlar [18]. Lignin, selülozdan daha kolay çözünebilirken, hidrolize ve mikrobiyal bozunmaya karşı direnç gösterir [23].
3.4 Biyokütleye Uygulanan Fiziksel Hazırlama Yöntemleri
Biyokütlenin yakıt olarak kullanılmadan önce çeşitli ön işlemlerden geçmesi gerekmektedir. Bu işlemler su giderme, nem giderme, briketleme, peletleme, ayırma işlemleridir. Bu ön işlemlerde amaç, biyokütlenin enerji yoğunluğunu artırarak taşıma ve depolama masraflarını düşürmek ve taş, kum, metal gibi safsızlıkları gidermektir.
Tanecik boyutunu düşürme amacıyla, biyokütle; parçalama (50-250 mm), yongalama (5-50 mm) ve öğütme (0-80 mm) işlemlerine tabi tutulmakta ve Şekil 3.3’de görülen cihazlar kullanılmaktadır [27].
ġekil 3.3 : Biyokütle işlemede kullanılan (a) yongalama (b) parçalama (c) öğütme cihazları. .
Özellikle atık biyokütle türlerinde ortaya çıkabilen yakıtın kirlenme sorunu da çeşitli ayırma işlemleriyle giderilmelidir. Şekil 3.4’de örneği görülen atık odun ön işlem tesisinde, demir ve demir-dışı metal giderimi iki farklı aşamada gerçekleştirilmektedir [27].
ġekil 3.4 : Atık odun ön işlem tesisi; 1) yakıt girişi, 2) öğütücü, 3) demir giderimi, 4) . elek, 5) elek altı ayrımı, 6) demir dışı metal giderimi, 7) işlenmiş yakıt. Biyokütle enerji içeriği, nem içeriğiyle doğrudan ilgilidir. Yakma sisteminin verimi ise, düşen nem miktarı ile artmaktadır. Bu yüzden kurutma, biyokütleye uygulanması gereken önemli bir ön işlem olarak ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, nem oranı değişiklik gösteren yakıtların sabit bir nem miktarına getirilmesi de yakma işleminin kontrolü açısından önem taşımaktadır. Buna ek olarak, ıslak biyokütlenin depolanmasının mikroorganizma oluşumuna ve sabit karbon kaybına yol açtığı da düşünüldüğünde kurutmanın gerekliliği ortaya çıkmaktadır.
Biyokütleyi sıkıştırarak homojen ve yoğun enerjili yakıt elde etme amacıyla briketleme ve peletleme işlemleri uygulanmaktadır. Peletler, 6-10 mm çapında silindirik parçacıklardan oluşurken, yakıt briketlerinin çapları 30-100 mm aralığındadır. Briketler genellikle evsel kullanımda odun yerine kullanılmaktadır. Peletler ise, otomatik beslemeli kazanlarda kullanılmaktadır [27].
Peletleme işleminde, kurutma ve öğütme işlemlerinden sonra adhezyonu geliştirme amacıyla buharla şartlandırma yapılarak biyokütlenin etrafının ince sıvı tabakasıyla kaplanması sağlanır. Daha sonra ise biyokütle, Şekil 3.5’de görüldüğü gibi peletleyici kalıplara dökülür ve soğumaya bırakılır [27].
ġekil 3.5 : (a) Peletleme ve (b) briketleme teknolojileri.
Şekilde 3.5’de görülen briketleme işleminde ise, sabit nemli biyokütlenin sabit basınç altında sıkıştırıldıktan sonra yeterli miktarda soğutulması briketin dayanıklılığı açısından önemlidir [27].
3.5 Biyokütlenin Yanması
Biyokütlenin doğrudan yakılması termal dönüşüm prosesleri içinde en pratik yöntemdir [23].
Biyokütlenin yanması, genel olarak:
6 10 5 2 2 2
(C H O)n 6nO 6nCO 5nH O (3.2)
şeklindeki eşitliğiyle ifade edilebilir.
Biyokütlede sıcaklığın etkisi ile yanma esnasında kömürün yanmasında olduğu gibi nem çıkışının ardından uçucu madde çıkışı gerçekleşir. Uçucu madde gaz fazında yanar ve yarı kok olarak isimlendirilen karbonca zengin gözenekli kısım kalır. Ardından ise yarı kok yanması gerçekleşir. Biyokütle yanma süreçleri Şekil 3.6’da görülmektedir [27].
ġekil 3.6 : Biyokütlenin yanma süreçleri.
Biyokütlenin genel olarak uçucu maddesi yüksektir ve en fazla ağırlık kaybı uçucu madde çıkışı esnasında görülür [19]. Sıcaklık artışıyla beraber uçucu madde çıkış hızı artarken, öncelikle hemiselüloz, sonrasında ise selüloz parçalanması gözlenir. Biyokütlenin lignin içeriği daha yüksek sıcaklıklarda ve düşük hızda ayrışır [27,28]. Farklı biyokütle türlerinin termogravimetrik analizinde oluşan hemiselüloz, selüloz ve ligninin ayrışma süreçleri Şekil 3.7’de görülmektedir [27].
ġekil 3.7 : Çeşitli biyokütlelerin termal analizinde ayrışma süreçleri.
Selüloz, yanabilir ve yanamaz (su ve CO2 gibi) uçuculara dönüşmekte, lignin ise daha çok yarıkok içerisinde kalmaktadır [15]. Ayrıca, yapılan çalışmalarda lignin içeriği ile sabit karbon içeriğinin doğru orantılı olduğu tespit edilmiştir [29]. Yarıkok ise, kömürün yanmasında olduğu gibi, daha yavaş bir hızda yanmasını sürdürür. Biyokütle yakma sistemlerinin, ısı ve/veya güç eldesi amaçlı, evsel, bölgesel ve endüstriyel çeşitli boyutlarda uygulamaları bulunmaktadır. Evsel biyokütle kullanımının yaygın bir örneği olan odun yakıtlı soba verimliliği, şöminelerde % 13 civarında seyrederken, katalitik odun sobalarında % 75’lere ulaşmakta, odunun nem içeriğinin artışı ile bu değerler düşmektedir. Biyokütlenin yakıldığı güç üretim tesislerin verimliliği ise % 20’den % 40’a kadar değişebilirken, kojenerasyon sistemlerinde bu değerler yükselir. Tesis kapasitesini ise yerel biyokütle kaynakları belirler ve genellikle 25 MWe’in altındadır, ancak güç tesisine ayrılmış bir biyokütle kaynağının olduğu durumlarda daha yüksek kapasiteli tesisler kurulabilir [15].
Biyokütlenin yakıldığı sistemlerde dikkat edilmesi gereken bazı hususlar vardır. Öncelikle, biyokütle ısıl değerinin genelde kömürden daha düşük, tanecik yoğunluğunun kömürün yaklaşık yarısı, yığın yoğunluğunun kömürün yaklaşık beşte biri olması, aynı hacimdeki biyokütle ve kömürden biyokütlenin yaklaşık % 90 daha az enerji girdisine sahip olması anlamına gelmektedir. Bu yüzden, biyokütlenin enerji katkısı başına düşen nakliye, depolama ve sahada taşıma maliyetleri yükselmektedir [19]. Bunun yanı sıra, düşük yoğunluklu ve yüksek nem içerikli
biyokütlenin enerji yoğunluğunu artırma amaçlı; küçük parçalara ayırma, sıkıştırma (yoğunlaştırma) ve kurutma işlemleri gerekmektedir. Aksi durum, yakma ünitelerinin daha büyük boyutlu olmasını gerektirir [30].
Biyokütle külü alkali karakterli olmasından dolayı tortu ve korozyona neden olmakta, ısı transferini olumsuz etkilemekte ve ekipmanların ömrünü de kısaltmaktadır. Ayrıca, sodyum ve potasyum külün erime noktasını düşürerek, ısı aktarım yüzeylerinde kül birikmesi ve tortulaşmaya neden olmaktadır [17]. Kömür yanması sonucu oluşan birikmelere kıyasla, biyokütle yanmasından oluşan birikmeleri daha yoğun ve giderilmesi daha zordur [31]. Bu problemi engellemek için yapılabilecek çeşitli düzenlemelerden en pratiği, yakma sisteminin sıcaklığını kül yumuşama sıcaklığının altında tutmaktır [15].
Biyokütle, çoğu zaman düşük kükürt içeriğine sahip olması nedeniyle, genellikle yüksek SOx salınımlarına yol açmaz. NOx ise, yakıtın azot içeriği yanı sıra yakma şartlarıyla da doğrudan ilgili olduğu için değişkenlik gösterir. Ticari uygulamaları açısından kömür ve odunsu biyokütlenin birlikte yakıldığı sistemlerde, yakıtın azot içeriği nispeten azdır ve toplam NOx salınımı da azalma eğilimi gösterir [19,27,31].
3.6 Biyokütle Yakma Sistemleri
Biyokütle yakma sistemleri; Şekil 3.8’de de görüldüğü gibi, sabit yatak, akışkan yatak ve toz yakıt yakma sistemleri şeklinde sınıflandırılmaktadır [27].
ġekil 3.8 : Temel yakma sistemleri; (a) sabit yatakta yakma, (b) kabarcıklı akışkan . yatakta yakma, (c) dolaşımlı akışkan yatakta yakma, (d) toz yakıt yakma.
Sabit yatakta, beslenen birincil hava yatak boyunca ilerlerken kuruma, gazlaşma ve yarıkok yanması gerçekleşir. Oluşan yanabilir gazlar ise ikincil hava beslemesi ile yanar. Sabit yatağın en yaygın iki türü olan ızgaralı yakıcı ve alttan beslemeli yakma sistemi Şekil 3.9’da görülmektedir [31, 32].
ġekil 3.9 : Sabit yataklı yakıcılar (a) ızgaralı (b) alttan beslemeli.
Akışkan yataklı yakıcılarda ise, alttan giren havanın yatağı akışkanlaştırması ile gaz ve katıların homojen olarak akışkan hale gelmesi sağlanır. Tipik yatak malzemeleri silika ve dolomittir. Akışkan yatakta sağlanan yoğun ısı transferi, hava fazlasının sabit yatağa göre daha düşük tutulabilmesini sağlar. Akışkan yataklı yakma sistemleri dolaşımlı ve kabarcıklı olmak üzere iki kısma ayrılmaktadır. “Kabarcıklı akışkan yatak”, 1-2 m/s akışkanlaştırma hızı ve 0.5-1 mm yatak malzemesi tanecik boyutuna sahiptir ve geri dönüşüm gerçekleşmez. Dolaşımlı akışkan yatakta ise akışkanlaştırma hızı daha yüksek ve yatak malzemesi ve biyokütle tanecik boyutu daha düşüktür [27].
Toz yakıt yakma ise küçük tanecikli (< 2mm) yakıtlara uygundur. Yakıt ve birincil hava karışımı yanma odasına püskürtülür. Yanmanın, yakıt süspansiyon haldeyken gerçekleştiği bu teknolojide, gazların tam yanması ikincil hava beslemesiyle mümkündür.
Farklı biyokütle yakma teknolojilerinin avantaj ve dezavantajları Çizelge 3.5’de görülmektedir [27].
Çizelge 3.5 : Farklı biyokütle yakma teknolojilerinin avantaj ve dezavantajları. Avantaj Dezavantaj Izgara fırın • düşük yatırım maliyetleri (< 20MWe tesislerde)
• genellikle otsu ve odunsuların karıştırılamaması
• düşük işletme masrafları • etkin NOx giderimi için özel teknoloji
gereksinimi
• baca gazında düşük toz miktarı • yüksek oksijen fazlasının (hacim% 5-8) verimi düşürmesi • cüruflaşmaya akışkan yatağa göre daha az
duyarlı • homojen olmayan yanma koşulları
• kısmi yüklenmede düşük emisyon değerleri için gelişmiş proses kontrolü gerekli Alttan beslemeli yakma sistemi • düşük yatırım maliyetleri (< 6MWe tesislerde)
• sadece düşük kül ve yüksek kül ergime noktasına sahip biyokütle yakıtlarına uygun • sürekli besleme ve fırında düşük yakıt
miktarı nedeniyle kontrollü besleme
kolaylığı • tanecik boyutunda esnekliği az (< 50mm)
• başarılı yakıt enjeksiyonu sayesinde kısmi
yüklenmede düşük emisyon değerleri
Kabarcıklı akıĢkan yatak yakma sistemi
• sıcak yanma odasında hareketli parça yok • yüksek yatırım maliyetleri > 20 MWe'den büyük tesisler gerektirir
• kademeli hava beslemesi ile yüksek NOx
giderimi • yüksek işletme masrafları
• nem miktarı ve biyokütle türünde esnekliği
fazla • tanecik boyutunda esnekliği az (< 80mm)
• düşük oksijen fazlası (hacim% 3-4)
verimliliği yükseltir, baca gazını azaltır • yatak aglomerasyonu nedeniyle alkanitesi yüksek yakıt (saman v.b) kullanımı tehlikeli • baca gazında yüksek toz miktarı
• kül vasıtasıyla yatak malzemesi kaybı
DolaĢımlı akıĢkan yatak yakma sistemi
• sıcak yanma odasında hareketli parça yok • yüksek yatırım maliyetleri > 20 MWe'den büyük tesisler gerektirir
• kademeli hava beslemesi ile yüksek NOx
giderimi • yüksek işletme masrafları
• nem miktarı ve biyokütle türünde esnekliği
fazla • tanecik boyutunda esnekliği az (< 80mm)
• çok düşük olan oksijen fazlası (hacim% 1-2) verimliliği yükseltir, baca gazını azaltır
• yatak aglomerasyonu nedeniyle yüksek alkali sahibi yakıt (saman gibi) kullanımı tehlikeli
• birkaç yakıt beslemesinin kullanılması
durumunda homojen yanma koşulları • baca gazında yüksek toz miktarı
• yüksek türbülans nedeniyle yüksek ısı
aktarımı • kül vasıtasıyla yatak malzemesi kaybı
• katkı kullanımı kolay • çüruflaşmaya fazla duyarlı
Toz yakıt yakma sistemi
• düşük oksijen fazlası (hacim% 4-6)
verimliliği yükseltir • yakıtın tanecik boyutu sınırlı (< 10-20mm)
• kademeli hava beslemesi ile yüksek NOx
giderimi mümkün • bazı durumlarda izolasyonun çabuk yıpranması
• başarılı yük kontrolü ve yükte hızlı
değişim mümkün • fazladan çalıştırma ateşleyicisi gerekli
4. KÖMÜR BĠYOKÜTLE KARIġIMLARININ BĠRLĠKTE YAKILMASI
Fosil yakıtlardan enerji eldesinin çevreye olumsuz etkileri, çevreye duyarlı, sürdürülebilir ve ekonomik yeni teknolojilerin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Bu noktada, yenilenebilir enerji kaynakları sürdürülebilirlik açısından önem arz etmekle beraber, bu yakıtlar, yüksek maliyet ve teknik risklerden ötürü fosil yakıtlarla rekabet mücadelesi vermektedir.
Biyokütlenin kömürle birlikte yakılması, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması konusunda önemli bir seçenek sunmaktadır. Nispeten az bir sermaye yatırımı gerektiren bu teknoloji, birçok ülkede uygulanan en ekonomik CO2 emisyonu azaltma yöntemleri arasındadır. Biyokütlenin kömürle birlikte yakılmasını cazip kılan diğer unsurlar ise, temin kolaylığı, enerji üretim maliyet ve verimliliğidir.
4.1 Kömür Biyokütle KarıĢımlarının Birlikte Yakılması ÇalıĢmaları
Farklı kömür türlerinin, farklı biyokütle türleriyle birlikte yakılması üzerine literatürde çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmada kullanılan biyokütle numuneleri olan fındık kabuğu, ayçekirdeği kabuğu, pirinç kabuğu ve zeytin küspesi ile yapılan çalışmalar özetlenmiştir.
Biyokütle olarak fındık kabuğunun kullanıldığı çalışmalar: Haykırı-Açma ve Yaman’ın, fındık kabuğu ve Elbistan linyitinin birlikte yakılması üzerine yaptığı çalışmada, % 10’a kadar biyokütle katkısı ile elde edilen yakıt yanma oranlarının sinerjik bir etkiyle teorik değerden sapmalar gösterdiği, % 20 civarlarında ise karışım oranı nispetinde teorik değerlerle uyumlu oranlar elde edildiği görülmüştür [33]. Göğebakan ve Ç.A.’nın pilot ölçekli akışkan yatakta birlikte yanma sonucu oluşan kül birikmesini araştırdıkları 3 farklı sistemde linyit, % 49 zeytin küspesi, % 42 fındık kabuğu ve % 41 pamuk artığı ile karıştırılmıştır. Çalışmada, her üç karışımın da yanması sonucu düşük kül birikmesi oluştuğu, linyitin yüksek kükürt ve alümina-silikat içeriğinin alkali klorit yerine alkali sülfat oluşumuna yol açması nedeniyle karışımların tortulaşma eğilimin az olduğu sonucuna varılmıştır [34]. Göğebakan ve Selçuk’un, benzer bir çalışmasında ise, birlikte yakmanın uçucu kül ve taban
külündeki eser element içeriğini değiştirdiği görülmüştür. Bazı eser elementlerin uçucu küldeki oranlarında artış gözlenirken, bazılarının da taban külündeki miktarlarında artış olmuştur [35].
Biyokütle olarak ayçekirdeği kabuğunun kullanıldığı çalışmalar: Literatürde ayçekirdeği kabuğunun yanması üzerine çeşitli araştırmalar mevcut iken kömürle beraber yakılması hakkında fazla çalışma bulunmamaktadır [36,37]. Haykırı-Açma ve Ç.A.’nın yaptığı bir çalışmada, briketlenecek kömürün mekanik dayanıklılığını artırması için ayçekirdeği kabuğu katılmış ve kömür ve ayçekirdeği kabuğu karışımının termal analizi yapılmış, ayçekirdeği katkısının reaktiviteyi ve ısıl değeri arttırdığı saptanmıştır [38].
Zeytin küspesinin kullanıldığı çalışmalar: Cliffe ve Patumsawad’ın zeytin küspesi ve kömürün akışkan yatakta birlikte yanması üzerine yaptıkları çalışmada, % 20 biyokütle katkısı sonucu verimliliğin en fazla % 5 düşüş gösterdiği saptanmıştır [39]. Armesto ve Ç.A.’nın benzer bir çalışmasında ise SO2 ve NOx derişimlerinin zeytin küspesi katkısıyla birlikte düşüş gösterdiği görülmüştür [40]. Yine akışkan yatakta, Atımtay ve Topal tarafından yürütülen çalışmada kullanılan kömürün azot içeriği, kullanılan zeytin küspesinin 3 katı, kükürt içeriği ise 15 katı olarak ölçülmüştür. SO2 salınımları ise biyokütle katkısı ile belirgin bir düşüş sergilerken, NOx salınımı fazla değişiklik göstermemektedir [41].
Zeytin küspesi ve kömürün karışımlarının birlikte yakılması Kastanaki ve Vamvuka tarafından incelenmiş maksimum reaktivitenin biyokütle katkısıyla arttığı, maksimum reaktivite anındaki sıcaklığın ise düştüğü, tespit edilmiştir [42].
Linyit ve zeytin küspesinin birlikte yakılmasının kül özelliklerine etkisini araştıran Grammelis ve Ç.A., bileşenlerin karışım oranlarının yanı sıra yanma koşullarının da kül bileşimi üzerinde etkili olduğu sonucuna varmışlardır. Ayrıca, çeşitli uygulamalarda (çimento katkısı gibi) kullanılabilmesi için % 20’ya kadar biyokütle içeren yakıtların küllerinin uygun olduğu, ancak bu orandan sonra artan biyokütle miktarıyla beraber artış gösteren yanmamış karbon miktarının sorunlara yol açacağı vurgulanmıştır [43].
Biyokütle olarak pirinç kabuğunun kullanıldığı çalışmalar: Jian-jun ve Ç.A.’nın, dolaşımlı akışkan yataklı yakıcıda gerçekleştirdikleri bir çalışmada, pirinç kabuğu – kömür karışımlarının birlikte yakılması sonucu SO2 ve NOx emisyonlarındaki
değişim araştırılmıştır. % 30’a kadar farklı oranlarda biyokütle katkısının test edildiği çalışmada, biyokütle içeriği arttıkça NOx salınımının düştüğü, SO2 salınımında ise doğrusal bir ilişkinin olmadığı görülmüştür [44].
Sabit yataklı yakıcıda pirinç kabuğu ve kömür karışımlarının birlikte yakılmasını araştıran Kwong ve arkadaşları, 1273 K’in altındaki sıcaklıklarda çalışmaları sonucu oluşan NOx’in yakıt kaynaklı olması gerektiğini öngörmüş ve kullanılan kömüre kıyasla %50 daha az azot içeren pirinç kabuğunun katılmasıyla, NOx salınımlarının düşme gösterdiğini gözlemlemişlerdir. Çalışmada ayrıca, yanma sıcaklarının, kullanılan kömüre kıyasla daha düşük ısıl değere sahip olan pirinç kabuğunun katkısı ile düşme gösterdiği tespit edilmiştir [45].
Chao ve Ç.A. tarafından gerçekleştirilen bir çalışmada ise, kömüre pirinç kabuğu katkısı sonucu PAH emisyonlarında düşme gözlenmiş ve bu düşüş biyokütle katkısı sonucu yanma sürelerinin kısalmasına bağlanmıştır [46].
4.2 Kömür Biyokütle KarıĢımlarının Birlikte Yakıldığı Yakma Sistemleri
Son 10 yılda gelişme gösteren kömür yakılan kazanlarda kömür biyokütle karışımlarını yakma teknolojisi Şekil 4.1’de görüldüğü gibi bir çok ülkede ticari ölçekte uygulanmaktadır [27].
ġekil 4.1 : Birlikte yakma çalışmaları gerçekleştiren güç tesislerinin coğrafi dağılımı. 50-700 MWe güç aralığında değişen bu güç tesislerinin çoğunluğu toz kömür kazanlarından oluşurken, akışkan yatak ve alttan beslemeli yakma kazanları da çeşitli
tesislerde kullanılmaktadır. Birlikte yakma sistemlerinde farklı türdeki (orman, tarımsal, endüstriyel, evsel atıklar) biyokütle, kömür ve petrol koku gibi yakıtlarla birlikte yakılmaktadır.
Birlikte yakma tesislerinin çoğunluğunu oluşturan toz kömür yakma tesislerinde üç farklı yöntem uygulanmaktadır.
Doğrudan yakma: Biyokütle kömür kazanına doğrudan eklenir.
Dolaylı yakma: Biyokütle gazlaştırılır, oluşan gaz kömür kazanında yakılır. Paralel yakma: Biyokütle ayrı bir kazanda yakılır ve elde edilen buhar kömür tesisinde değerlendirilir.
Birlikte yakma teknolojisinin ilk önemli uygulamalarından biri, atık odunun kömürle birlikte yakıldığı Hollanda’daki Gelderland Güç Tesisidir. Şekil 4.2’de görülen Gelderland prosesinde atık odun, geçirdiği ön işlemler ile tanecik boyutu 0-3 cm’den <1.5mm’e düşürüldükten sonra doğrudan kömür kazanına katılmakta ve toplam gücün yaklaşık % 3-4’ü olan 20 MWe’lık güç, kömürle birlikte yakılan biyokütleden elde edilmektedir [27].
