Orijinal, piroliz edilmiş linyitler ile orijinal, torefiye ve piroliz edilmiş biyokütle karışımlarının birlikte yakılması ile kaliteli yakıt üretimi

Çoğunlukla fosil yakıtlar tarafından üretilen sera gazlarının salınımındaki hızlı artış, dünyayı alarma geçirerek yenilenebilir enerji kaynaklarına ve neredeyse sıfır emisyon sağlayan gelişen teknolojilere odaklanmaya itmiştir. 459 MtCO2e düzeyindeki salınım miktarıyla Türkiye Avrupa'nın en çok sera gazı üreten ülkelerinden biridir. Bu rakamın arkasındaki en büyük sebep hızla gelişen nüfus ve endüstrileşmeyle ortaya çıkan enerji talebidir. Türkiye, milli petrol ve doğalgaz rezervlerine sahip olmamasından dolayı enerjide dışa bağımlı bir durumdadır. 2013 yılı verilerine göre Türkiye'nin yerli enerji üretimi toplam birincil enerji arzının yalnızca %26.5'ini karşılamakta olup enerji ihtiyacının %72.3'ü ithal yakıtlardan karşılanmaktadır. Enerji üretiminde kullanılan ithal kaynakların payını azaltmak için enerji arzını koruyacak stratejilere ve sürdürülebilir gelişmeye yatırım yapılmalıdır. Linyit kömürünün Türkiye'nin en büyük yerli enerji kaynağı olmasına rağmen enerji üretimindeki payı %38'dir. Bu nedenle, yerli kömürün kullanımı Türkiye Cumhuriyeti Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tarafından bir numaralı hedef olarak belirlenmiş ve hükümet tarafından desteklenmektedir. Kömür ve biyokütlelerin birlikte yakılması Türkiye linyitlerinin değerlendirilmesini sağlamaktadır. Türkiye'nin verimli ve sürdürülebilir enerji üretimi için çok yetersiz kalorifik değere sahip genç linyit yatakları bakımından zengin olmasından dolayı, linyitin biyokütle ile karıştırılarak yakılmasının yerli birincil enerji üretimini arttırarak ülkenin enerjide dışa bağımlılığının giderilmesi için uygun bir çözüm olduğu düşünülmektedir. İlaveten, sera gazı emisyonlarının yol açacağı çevresel sıkıntılar göz önünde bulundurulduğunda, linyit ve biyokütle karışımlarının birlikte yakılması ile aşırı linyit kullanımını azaltması ve biyokütlenin sıfır karbon doğası gereği emisyonları azaltması sebebiyle bu önerinin uygun olacağı düşünülmektedir. Sera gazı salınımını azaltmaya yönelik yapılan çalışmalar, elektrik üretiminin sadece %1'inin biyokütleden sağlanmasıyla yılda 60 Mt CO2 gazı salınımının önlenebileceğini göstermektedir. Kömürün biyokütle ile karıştırılarak termik santrallerde yakılmasının pek çok açıklanabilir sebebi bulunmaktadır. Biyokütlenin yalnız yakılması sırasında sıkça gözlemlenen kül birikimi ve sıcak yüzeylerdeki aşınma biyokütle/kömür karışımlarının beraber yakılmasıyla ortadan kaldırılabilir veya en azından azaltılabilir. Ayrıca, bu yöntem ile biyokütlenin yanması sırasında ortaya çıkan CO2, fotosentez ile tekrar yakalanarak sera etkisi giderilmektedir. Birçok biyokütle tipi içerdiği çeşitli alkali ve toprak alkali elementler ile kükürtçe zengin kömürün yanması sırasında ortaya çıkan SO2'nin tutulmasına olanak sağlar. Aynı zamanda, biyokütle bünyesindeki önemli bir element olan potasyumun istenmeyen etkilerinin giderilmesi, potasyumun kömürden gelen kükürt ile reaksiyona girmesiyle azaltılmaktadır. Türkiye'nin yenilenebilir enerji kaynağı olarak kullanılabilecek potansiyel zirai alanları çok fazla olduğundan, bu alanlardan barındırdığı pek çok avantaj nedeniyle olabildiğince yararlanmak gerekmektedir. Türkiye'nin biyokütle potansiyeli yaklaşık olarak 8,6 milyon tona eşdeğer petrol (MTEP) ve var olan biyokütlelerden elde edilebilecek biyogazın miktarı 1,5-2 MTEP olarak bilinmektedir. Türkiye Cumhuriyeti Orman ve Su İşleri Bakanlığı tarafından 2002 yılında Türkiye'nin biyokütle potansiyelinin belirlenmesi için yapılan çalışmada orman gülü, enerji çalışmaları için en uygun biyokütlelerden biri olarak seçilmiştir. Aynı zamanda melez kavak ve dişbudak ağaçları da yüksek ekonomik değerlerinin yanı sıra en hızlı büyüyen iki biyokütle türüdür. Bu sebeple bahsedilen bu biyokütleler bu çalışma kapsamında, Türkiye'deki bir çok enerji santralinde kullanılan Afşin-Elbistan (AE), Adıyaman-Gölbaşı (AG) ve Çorum-Dodurga (CD) linyitleri ile karıştırılmak üzere seçilmiştir. Özellikle AE linyiti, 3.4 milyar tonluk rezervi ile Türkiye'nin en önemli yerli birincil enerji kaynağıdır. Bu linyitlerin yakılması; düşük sabit karbon, düşük kalorifik değer, yüksek kül miktarı ve yüksek kükürt miktarı sebebiyle giderilmesi gereken pek çok soruna yol açmaktadır. Sonuç olarak, düşük kaliteli linyit kömürleri ile yenilenebilir enerji kaynağı olan biyokütlelerin belli oranlarda karıştırılarak birlikte yakılması, her iki yakıtın da istenmeyen karakteristiklerinin giderilmesini sağlamaktadır. Kömür ve biyokütlenin yakıt özelliklerini iyileştirmek için; piroliz, koklaştırma, gazlaştırma ve sıvılaştırma gibi termokimyasal dönüşüm metotları uygulanmaktadır. Biyokütlenin torefiye edilmesi, nem kaybı sebebiyle biyokütlede kütle kaybına yol açmakta ve buna bağlı olarak da kalorifik değerinde artış sağlamaktadır. Genel olarak, başlangıçtaki toplam enerji miktarının %90'ını içeren, %70'lik kısım torefiye edilen üründe kalmaktadır. Bu sayede biyokütlenin enerji yoğunluğu artmakta, bu da ürünün uzak mesafelere taşınmasını avantaja çevirmektedir. Piroliz, oksijen yokluğunda, katı yakıtın termal bozunmasıyla karbonlu katılar, katran, metan, hidrojen, karbon monoksit ve karbon dioksit gibi kalıcı gazlar oluşturan termokimyasal dönüşüm prosesidir. Bu çalışmanın amacı, orijinal ve piroliz edilmiş linyit numuneleri ile orijinal, torefiye ve piroliz edilmiş biyokütle numunelerinin birlikte yakılması ile yüksek kaliteli yakıt elde etmektir. Tasarım ve var olan dönüşüm sistemlerini optimize etmek amacıyla uygulanan termal prosesler sırasında kullanılan linyit ve biyokütlenin fiziksel ve kimyasal yapısının anlaşılması önem arz etmektedir. Bu nedenle, çalışmada kullanılan tüm ana yakıtlar ile karışımların termogravimetrik analiz cihazında yanma testleri yapılmıştır. Yanma testleri kuru hava atmosferi altında ortam sıcaklığından 900°C sıcaklığa kadar 40°C/dak ısıtma hızı ile çıkılarak yürütülmüştür. Yanma testleri sonucunda elde edilen TGA, DTG, DTA ve DSC profilleri esas alınarak, orijinal, piroliz edilmiş kömür ve orijinal, torefiye, piroliz edilmiş biyokütle örneklerinden oluşan ana yakıtlar ile bunların karışımlarının yanma karakteristikleri belirlenmiştir. Biyokütle numunelerinin 200°C'de torefiye edilmesi ve hem biyokütle hem de linyit numunelerinin sırasıyla 400°C ve 750°C'de piroliz edilmesi paslanmaz çelikten yapılmış olan yatay boru fırında gerçekleştirilmiştir. Azot atmosferi altında gerçekleşen bu işlemlerden elde edilen ürünler kütlece %10 biyokütle ve %90 kömür içerecek şekilde karıştırılmıştır. Ana yakıtlara kısa analiz (nem %, uçucu madde %, sabit karbon % ve kül %), elementel analiz (C, H, N, S ve O), ısıl değer ölçümleri, ve SEM analizleri uygulanmıştır. Karışımların birlikte yanma davranışlarının gözlemlenmesi ve biyokütle ile kömür arasındaki sinerjik etkilerin belirlenebilmesi için hem ana hem de karışım numunelerinin termal analizi yapılmıştır. Ana yakıtlar ve karışımların içerdiği fonksiyonel grupların tespiti için ise FTIR analizi yapılmıştır. İlaveten, ana ve karışım numunelerinin termal bozunmasını ve yanma süreçlerini daha iyi anlamak ve daha derin bilgiye sahip olmak için Borchardt & Daniels kinetik metoduna dayanan analizler gerçekleştirilmiştir. Sabit ısıtma altında reaksiyon mertebesi, reaksiyon ısısı ve aktivasyon enerjisi kinetik parametreleri hesaplanmış ve sonuçlar tartışılmıştır.