Atık Bitkisel Yağ ve Gliserolün Ko-piroliziyle Hidrokarbon Yakıt Üretimi için Yenilikçi Reaktör Tasarımı ve Süreç Optimizasyonu

Abstract

Atık bitkisel yağlar, biyoyakıt üretimi için düşük maliyetli ve sürdürülebilir bir kaynak olarak büyük bir potansiyele sahiptir. Atık yağın biyoyakıta dönüştürülmesi için yaygın olarak kullanılan hidrotermal dönüşüm ve piroliz sistemi atık yağın neredeyse tamamını dönüştürebilir. Ancak, piroliz sistemlerinin genellikle düşük dönüşüm verimlerine sahip olması ve sistemsel zorluklar nedeniyle geliştirilmesi gerekmektedir. Atık yağın pirolizine uygun yeni veya modifiye sistemlerin tasarımı bu eksikliği giderebilir. Bu çalışmanın ilk bölümünde CoMo/Zeolit katalizörü varlığında gliserol ve atık yağın hidrotermal dönüşüm tekniği kullanılarak reaksiyon verimliliği incelenmiştir. Çalışmanın ana bölümünde ise biyoyakıt elde edilmesi amacıyla özgün hızlı piroliz sistemi tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Tasarlanan sistem ile, dikey konumlandırılmış bir piroliz reaktörü kullanılarak hızlı piroliz işlemiyle sıvı ürün veriminin artırılması hedeflenmiştir. Çalışmalar, hacimce yüzde 1, 3 ve 5 gliserol eklenerek, atık yağın pirolizi, atıkyağ ve gliserolün ko-pirolizi şeklinde, önceden 500, 550 ve 600 oC çalışma sıcaklığına getirilmiş reaktöre pulverize halde 0,35, 0,7 ve 1 ml aralıklı olarak beslenerek yürütülmüştür. Ürünlerin karakterizasyonları için, FT-IR, GC-MS ve elementel analiz yöntemleri kullanılmıştır. Ko-piroliz ürünlerin GC-MS analizleri, 600°C'de yapılan 1G gliserol katkılı piroliz ürününün en iyi sonuçları verdiğini, %61,91 hidrokarbon oranı ve %7,27 oksijenli bileşik ile biyodizel benzeri özellikler sergilediği görülmüştür. Elementel analiz sonuçları, 500°C, 5G gliserol ve 3 beslemeli piroliz numunesinin, en yüksek H/C oranına ve düşük oksijen içeriğine sahip olduğunu göstermektedir. Deney tasarımı ve optimizasyonu metodolojisi uygulanmış, bu sayede 3 parametre 3 seviye ile 27 (33) adet yapılması gereken deney sayısı optimize edilerek aynı sonuçlara ulaşabilecek 3 parametreli ve 2 seviyeli olarak 9 (23+1) deney ile sağlanmıştır. Ayrıca sıcaklık, gliserol oranı ve besleme miktarının ürün verimi üzerindeki etkileri sistematik bir şekilde incelenmiştir. Optimizasyon süreci sonunda en etkili girdi parametresinin 600-1G-3 olduğu belirlenmiştir. Bununla beraber sistemde çok fazla kontrol edilen parametre olduğu için belirsizlik analizi yapılarak olası en yüksek hata oranının (%95,8) sıcaklık kontrolünde olduğu anlaşılmıştır. Sonuç olarak bu çalışmada, atık kızartma yağından biyoyakıt üretiminde daha verimli ve hızlı alternatif bir sistemin sonuçları sistematik bir şekilde incelenmiştir.Waste vegetable oils possess significant potential as a low-cost and sustainable feedstock for biofuel production. Hydrothermal conversion and pyrolysis systems are widely employed for converting waste oil into biofuels, achieving nearly complete transformation of the feed. However, pyrolysis systems generally exhibit relatively low conversion efficiencies and present operational challenges, thereby requiring further development. The design of new or modified systems suitable for the pyrolysis of waste oil may address these limitations. In the first part of this study, the reaction efficiency of hydrothermal conversion of glycerol and waste oil in the presence of a CoMo/Zeolite catalyst was investigated. The main section of the research focused on the design and development of a novel fast pyrolysis system for biofuel production. The proposed system aimed to enhance liquid product yields through a vertical pyrolysis reactor configuration enabling rapid pyrolysis. Experimental studies were carried out by co-pyrolysis of waste oil and glycerol with volumetric additions of 1%, 3%, and 5% glycerol. The feed was introduced into the preheated reactor at 500, 550, and 600 °C in a pulverized form, with injection intervals of 0.35, 0.70 and 1.00 ml. Product characterization was performed using FT-IR, GC-MS, and elemental analysis techniques. GC-MS analyses of co-pyrolysis products showed that the pyrolysis product with 1G glycerol added at 600°C yielded the best results, exhibiting biodiesel-like properties with a hydrocarbon ratio of 61.91% and 7.27% oxygen-containing compounds. Elemental analysis results indicated that the pyrolysis sample obtained at 500 °C with 5G glycerol and triple feeding showed the highest H/C ratio and the lowest oxygen content. A design of experiments (DoE) and optimization methodology was applied. Consequently, the total number of required experiments was reduced from 27 (3³) to 9 (2³ + 1) while achieving equivalent results, through a three-parameter, two-level experimental design. The effects of temperature, glycerol ratio, and feeding rate on product yield were systematically investigated. The optimization process identified the most effective input condition as 600-1G-3. However, due to the large number of controlled parameters in the system, an uncertainty analysis was performed, revealing that the highest possible error rate (95.8%) originated from temperature control. In conclusion, this study systematically examined a more efficient and rapid alternative system for biofuel production from waste cooking oil, highlighting its potential advantages over conventional methods.