Endüstriyel Biyokütle Atıklarının Pirolizi ve Ürünlerin Karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada bir tarım endüstrisi atığı olan Antep fıstığı (AF) kabuklarının termal bozunma karakteristiği ve piroliz kinetiği incelenmiştir. Termogravimetrik analiz (TGA) cihazı ile farklı ısıtma hızlarında (5, 10, 20 oC/dk) ve 80 mL/dk hızla beslenen inert azot atmosferinde piroliz işlemi gerçekleştirilmiş ve AF kabuklarının termal davranışı belirlenmiştir. TGA'dan alınan veriler izodönüşümsel Modifiye Kissinger-Akahira-Sunose, Ozawa-Flynn-Wall ve Dağılımlı Aktivasyon Enerjisi Modeli kullanılarak AF kabuklarının piroliz reaksiyonu kinetik parametreleri (aktivasyon enerjisi, frekans faktörü) hesaplanmıştır. Aktivasyon enerjisi ve frekans faktörü için ortalama değerler sırasıyla 127,9; 131,5; 128,3 kJ/mol ve 3,78E+07; 3,88E+07; 2,119E+13 dk-1 olarak hesaplanmıştır. Düşük enerji içeriğine sahip linyit kömürünün kullanımının yol açtığı sorunları azaltmak amacıyla AF kabukları farklı oranlarda kömüre eklenmiş ve her karışım için piroliz reaksiyonu kinetik parametreleri incelenmiştir. İki yakıt arasında birlikte pirolizde sinerjik etkinin varlığı belirlenmiştir. Ayrıca birlikte yanma sırasında aktivasyon enerjisinde net bir azalma gözlemlenmemiş olsa da büyük ölçüde artan frekans faktörü kömürün piroliz reaksiyonu hızının arttığını göstermiştir. Piroliz reaksiyonu ürünlerinin belirlenmesinde sabit yatak reaktör kullanılarak sıvı biyo-yakıt ve katı biyo-kok ürünler elde edilmiştir. Sıcaklığın etkisinin incelenmesi amacıyla 450 oC ve 650 oC'de piroliz gerçekleştirilmiş ve ürünler GC-MS ile karakterize edilmiştir. Yüksek sıcaklıkta elde edilen sıvı üründe fenolik madde oranının azaldığı gözlenmiştir. Bu yakıtın kalitesini arttıran önemli parametrelerdendir. Piroliz işlemi sırasında oluşan gaz ürünlerin belirlenmesi amacıyla TG-FTIR analizleri gerçekleştirilmiş ve yüksek sıcaklık bölgesinde CH4 oluşumu belirlenmiştir. AF kabuklarının pirolizi ile elde edilen ürünler başka kimyasalların üretiminde ya da direk yakıt olarak kullanım potansiyeline sahiptir. Ayrıca linyit kömürü ile birlikte kullanımı sera gazı salınımı gibi çevresel sorunları da azaltabilir. Anahtar Kelimeler: Biyokütle, antep fıstığı kabuğu, piroliz, kinetik, sabit yatak reaktör, TGA

In this study the thermal decomposition characteristics and kinetics of pistachios shells (PSs), a agricultural industrial waste, was investigated. With thermogravimetric analyzer (TGA), pyrolysis was performed at different heating rates (5, 10, 20 oC/min) at 80 mL/min inert nitrogen flow rate and thermal behavior of PSs were determined. The data from TGA were used with isoconversional Modified Kissinger-Akahira-Sunose, Ozawa-Flynn-Wall and Distributed Activation Energy Model to calculate PS pyrolysis reaction kinetic parameters. The average values for activation energy and frequency factor were 127.9, 131.5, 128.3 kJ/mol and 3.78E+07, 3.88E+07, 2.119E+13 min-1, respectively. To reduce problems related with consumption of lignite coal which has low energy content, PSs were mixed with coal at different blend ratios and the kinetic parameters for pyrolysis reaction for all blends were investigated. A synergetic effect between fuels was detected. Although, a net reduction in activation energy couldn't observed, the enormous enhancement in frequency factor demonstrated increase in reaction rate. The fixed bed reactor was used to produce bio-oil and bio-char products. To investigate effect of temperature, pyrolysis reaction was carried out at 450 oC and 650 oC and products were characterized by GC-MS. In bio-oil obtained at high temperature, phenolic content was lower. To determine formed gas products, TG-FTIR analysis was conducted. At high temperatures formation of CH4 was observed. The products obtained with the pyrolysis of PS pyrolysis has potential that to be used in production of different chemicals or directly as fuel. Co-pyrolysis with lignite coal can reduce environmental problems such as greenhouse gas emissions. Keywords: Biomass, pistachios shells, pyrolysis, kinetics, fixed bed reactor, TGA