Biyokütle kaynaklarının tavuk gübresinin yanma kalitesine etkisi

Ticari tavuk eti yetiştiriciliği sektörü, kırsal alanlarda çok fazla miktarda kümes hayvanı altlığı (PL) atığı üretimine neden olmaktadır. Kanatlı eti ve yumurtaya olan talep arttıkça PL üretimi de artmaktadır. Geleneksel olarak PL, küçük ve orta ölçekli çiftliklerde tarım arazilerine uygulanır. Ancak kümes hayvanı üretimi yoğunlaştıkça ve çiftlik büyüklükleri genişledikçe atıklar suyun, toprağın ve havanın kirlenmesine ve çevresel endişelere neden olmaktadır. Atıkların araziye uygulanamadığı zaman aralıklarında atık birimi ve PL atık yönetiminin yetersiz olması, özellikle işletmede yetiştirilen sürülerde sağlık sorunlarına, sinek üremesine, hava kirliliğine, kötü kokulara, toprak ve su kirliliğine neden olabilmektedir. Halen genel uygulama olarak PL, arazinin boş olduğu durumda doğrudan arazi uygulamasıyla ve yılın geri kalanında enerji uygulamaları yoluyla bertaraf edilmektedir. PL'ye uygulanan çeşitli enerji geri kazanım teknikleri arasında, farklı yenilenebilir veya yenilenemeyen yakıtlarla beraber yakılmasının hem teknik açıdan hem de çevresel etki boyutları açısından en etkili yöntem olarak kabul edildiği bilinmektedir. Atıkların büyük miktarda birikmesi nedeniyle yakma, PL'nin bertaraf edilmesi için en hızlı seçenek olarak kabul edilmektedir. Kümes hayvanı atıklarının yakılması, Birleşmiş Milletler Sürdürülebilir Kalkınma Hedefi olan "uygun fiyatlı ve temiz enerjiye ulaşım" doğrultusunda atık hacmini etkili bir şekilde azaltır. Ancak mono-yakma, değişen nem, yapısal ve kimyasal bileşim ile düşük enerji verimi nedeniyle önemli zorluklara neden olmaktadır. PL'nin lignoselülozik yataklık altlık içermesi ve enerji açısından zengin bir atık olmasına rağmen, doğrudan tek başına yakma deneyleri iyi sonuçlar vermemektedir. Bunun nedeni, yakıt kalitesini bozan ve yanma performansını azaltan yüksek nem, kül ve külün kimyasal bileşiminin yanı sıra kül içindeki alkali minerallerin neden olduğu kül birikintileridir. Bu nedenle yanma problemlerini azaltan ve düzgün yanma sağlamak için PL'nin yardımcı yakıtlarla karıştırılması gerekmektedir. Alternatif bir yenilenebilir kaynak olarak biyokütle, yüksek bir organik bileşik içeriğinden dolayı yüksek bir kalorifik değere sahiptir ve bu da kümes altlığının yakılmasına yardımcı olabilir. PL'nin lignoselülozik biyokütle ile karıştırılması, karışımların kalorifik değerini artırabilir. Ayrıca biyokütle, kümes hayvanı altlığından daha fazla uçucu madde miktarına ve daha düşük miktarda kül içeriğine sahip olduğu için PL'den farklı yanma özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, PL'nin biyokütle ile harmanlanması genel yanma sürecinde değişikliklere yol açabilir ve yanma verimliliğini iyileştirebilir. Kümes hayvanı üretiminin artması, bu kümes altlıklarının çevreye vereceği zararları azaltarak, güvenli ve yararlı bir şekilde bertaraf edilmesini zorunlu hale getirmiştir. Hayvansal kökenli atıkların yüksek ısıl değeri (HHV) 19,0 MJ kg-1'e ulaşmaktadır ve bu nedenden dolayı onu kullanılabilir yenilenebilir enerji kaynağı haline getirmektedir. Fosil yakıt fiyatlarının yüksek olması nedeniyle kümeslerde ortam ısıtması için geliştirilen özel fırınlarda PL'nin yakılmasına büyük ilgi duyulmaktadır. Bunun nedeni, döngüsel ekonomi yaklaşımının ve çiftlik hayvanlarının ürettiği atıkların yakma teknolojisine sahip işletmelerde kaynak olarak kullanılmasına ilişkin AB düzenlemesinin, PL'nin sahadaki kümes hayvanlarının ısıtılmasında doğrudan yanma için yakıt olarak kullanılmasını teşvik etmesidir. Ancak PL, hızlı bir şekilde ayrıştığı ve yüksek nem içeriği nedeniyle HHV'nin birkaç gün içinde 19,0 - 9,0 - 13,5 MJ kg-1'e düşmesi nedeniyle zorlayıcı yakıt olarak kabul görürler. Bu durum yanmayı engeller ve mono yanma uygulandığında külle ilgili sorunlara neden olur. Bu amaçla, bir enerji santralinde yanma veya bir çiftlikte alan ısıtma amacıyla doğrudan yanma özelliklerini iyileştirmek için ön karıştırma veya ön iyileştirme gerekli olmaktadır. Bazı biyoyakıt hammaddeleri, yüksek HHV, düşük kül içeriği, düşük tutuşma noktası, optimum kirlenme, cüruflaşma ve yüksek kül erime sıcaklıkları ile tanımlanabilir ve bu tanımlamada biyokütle yakıtları iyi yakıt olarak tanımlarlar. Genel olarak yanma sorunlarını optimize etmek, gaz emisyonlarını ve külden dolayı oluşan sorunları asgari düzeye indirmek için yanma özelliklerini analiz ettikten sonra ikiden fazla ham maddenin harmanlanması tavsiye edilir. Önceki araştırmalar, alev özellikleri ve kül elementi indeksi gibi yanma parametreleriyle ilişkili olarak ilave biyokütle yakıtlarının PL üzerindeki sinerjistik etkisini göstermektedir. Bu çalışmada, enerji mahsulü tatlı sorgum bagas atığı ve PL pirolizinden elde edilen yeni bir yan ürün piroliz yağını birleştirerek PL'nin yanma özelliklerini, olası yanmayla ilgili zorlukları ve külle ilgili sorunları iyileştirmek için basit, pratik yöntem test edilmiştir. Bu araştırma, standart psiko-kimyasal yakıt analizi ile PL, tatlı sorgum bagası, bunların karışımı ve piroliz yağı ilavesinin yanma davranışlarına etkisi araştırılmıştır. Ayrıca, harmanlanmış PL karışımlarının yakma özellikleri yeni bir yaklaşım olan görüntü analizi ile değerlendirildi. Ayrıca, harmanlanmış yakıtın kazan sisteminde kirlenme ve cüruflanma eğilimi açısından karşılaştırılması amacıyla küle bağlı indeks değerlerinin belirlenmesi amacıyla kül bileşimi analizi yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı tatlı sorgum bagasının (SS) ve piroliz yağının (PO) PL'nin yakıt özelliklerini iyileştirme ve yakma sırasında külle ilgili yükleri hafifletme üzerindeki etkisini araştırmaktır. Farklı biyokütle yakıt karışımları, PL'nin SS ile %0,0 (T0), %25 (T1), %50 (T2), %75 (T3) oranında birleştirilmesiyle üretildi ve %100 SS (T4) uygulaması ile karşılaştırılmıştır. Yüksek enerji potansiyeli ve düşük kül birikimi elde etmek amacıyla paralel numuneler ayrıca enerji değerini iyileştirmek amacıyla %10 PO ile karıştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, karışımlara SS oranının arttırılması ve PO eklenmesinin uçucu maddeyi artırdığını, nem ve kül içeriğini azalttığını göstermektedir. Küllerin elementer içeriği, uçucu madde oranları ve sabit karbon miktarları için kuru bazda yaklaşık analizden elde edilen sonuçlar hem PO 'ya hem de SS oranlarının azaltılmış kül içeriği ve artan uçucu madde nedeniyle hipotezimizi doğrulamaktadır. Dolayısıyla yüksek uçucu madde, düşük kül nedeniyle yanmaya uygunluk iyileştirilmiştir. Deneylerde kullanılan PL %64 oranında uçucu madde içermekte ve makul bir yanıcılık özelliği göstermektedir. PL'ye SS ilavesi, uçucu madde artışlarına 25 (T1), %50 (T2) ve %75 (T3) SS ilavesi ile sırasıyla %67, %68 ve %71 oranında önemli ölçüde katkıda bulunmuştur. Piroliz yağı (PO) ilavesi uçucu maddeyi sırasıyla %68, %70 ve %73'e yükseltmiştir. Benzer şekilde, SS ve piroliz yağı, kül içeriğini kuru madde bazında %12,85'ten %7,10'a önemli ölçüde azaltmış; yanma sonucu ortaya çıkan malzemenin çoğunun, yanma sırasında kül depozitleri, cüruf oluşumu ve topaklaşmaya tepki vermeyen ürünler olduğunu göstermiştir. Tutuşabilirlik indeksi, kazan koşullarında biyokütlenin olası performansının bir göstergesi olarak kullanılır. PO ilavesi aynı zamanda karbon ve hidrojen içeriğini de arttırmıştır. PL'ye SS ilavesi, %25'lik bir karışımdaki peletin tutuşabilirlik endekslerini yükseltmiş ve karışımdaki SS'nin daha da artmasıyla neredeyse sabit (41.94 - 42.02) kalmıştır. PL:SS karışımlarına PO ilavesi tutuşabilirlik indeksini 41,75'ten 43,74'e önemli ölçüde iyileştirmiştir. Ancak tahmin edilen tutuşabilirlik indeksi değerlerinin tümü 35'in üzerinde olup bu değer kazanlarda verimli bir şekilde kullanılabilir aralıktadır. Bu bağlamda, SS'nin yüksek uçucu içeriği, yüksek sıcaklıklarda külle ilgili yaygın sorunların önlenmesi amacıyla düşük sıcaklıklarda hızlı tutuşma açısından faydalıdır. Kümes hayvanı altlığı karışımındaki SS oranındaki artışın bir fonksiyonu olarak kalorifik içerik artmıştır. SS oranının %25'ten %100'e çıkarılmasıyla HHV değerleri 4295±12 Kcal kg-1'den 4404±9 Kcal kg-1'e yükselmiştir. Ayrıca yakıt karışımlarında karışımlar %10 PO ile karıştırıldığında PL: SS karışımlarının HHV değerleri %0,5-2,6 aralığında daha da yükselmiştir. LHV (düşük ısıl değer) ve HHV değerlerindeki artış eğilimi hem SS hem de PO malzemelerinin kimyasal yapısına bağlanabilir çünkü PL, LHV'yi azaltan nispeten yüksek nem ve kül mineralleri içermektedir. Ayrıca SS+PO, görüntü analiz yöntemine dayalı olarak PL karışımlarının alev hacmini ve kırmızı renk yoğunluğunu iyileştirmiştir. Saf PL ile karşılaştırıldığında, karışımdaki SS yüzdesinin artmasıyla birlikte alev alanının boyutu ve parlaklığı ile görüntülerin kırmızı renk yoğunluğu da artmıştır. Biyokütle peletlerine PO ilavesiyle alev alanı ve kırmızı renk yoğunluğu daha da artmıştır. Bu sonuçlar, tatlı sorgum bagası ve piroliz yağının, kümes hayvanı altlığı yanması ile daha etkin sonuçların ortaya çıktığı hipotezimizi doğrulamaktadır. SS ve PO için alevin alanı ve kırmızı renk yoğunluğu, saf PL'den daha büyük ve daha yoğun olmuştur. Buna göre SS'nin tek başına ve PO ile kombinasyon halinde PL'ye kıyasla daha kısa bir tutuşma süresi sergilediğini belirtmek gerekir. Bu nedenle hazırlanan peletlerin tutuşma gecikme süreleri saf PL, SS ve bunların %50+%50'lik beraber karışımlarının süreleri sırası ile 75, 29 ve 38 saniyedir. Peletlere %10 piroliz yağı eklendiğinde tutuşma gecikme süreleri sırasıyla 49, 28 ve 33 saniyeye kısalmıştır. Bu sonuçlar, SS ve PO tarafından sağlanan daha fazla uçucu maddenin dehidrasyon, volatilizasyon ve yanmaya olumlu katkıyı etkilediği olgusu ile tutarlıdır. Alev kırmızı renk yoğunluğu üzerinde değişen biyokütle yakıt parametrelerini daha iyi anlamak için, hazırlanan biyoyakıt peletlerinden elde edilen yaklaşık bileşim parametreleri ve tutuşma indeksi değerleri kullanılarak Pearson korelasyonları yapılmıştır. Sonuçlar, uçucu madde ve organik madde içeriğinin alev kırmızısı renk yoğunluğuna anlamlı pozitif katkısını göstermiştir. HHV ve tutuşabilirlik indeksi (Ii) de kırmızı renk yoğunluğunu olumlu yönde etkilemektedir. Öte yandan PL'nin katkıda bulunduğu kül içeriği ve sabit karbonun kırmızı renk yoğunluğu üzerinde önemli olumsuz etkileri olmuştur. Saf PL en yüksek kül problemi indeksi değerine sahiptir (FI < 40) ve küldeki potasyum, sodyum ve fosforun varlığından dolayı aşırı yüksek olarak sınıflandırılmıştır. SS indeks değeri ise orta aralıkta (FI 0,6-40) tespit edilmiştir. PL:SS %50+50 karışımının FI sonuçları dolayısıyla indeks değerini düşürmüştür. Ancak karışımdaki ne SS ne de PO varlığı külle ilgili indeks değerlerini yeterince iyileştirmemiştir ve bu durum daha fazla araştırma gerektirmektedir.