Theoretical and experimental investigation of biomass and coal gasification

Abstract

BİYOKÜTLE VE KÖMÜR GAZLAŞTIRILMASININ TEORİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ Bu tez çalışması kömür ve biyokütlenin gazlaştırılmasının deneysel ve teorik olarak incelenmesi üzerinde durarak; iki biyokütle (fındıkkabuğu ve prina) ve dört Türk linyitinin (Soma, Orhaneli, Seyitömer ve Tunçbilek) gazlaştırma karakterizasyonlarının araştırılmasını amaçlamaktadır. Deneysel çalışma Argon+buhar atmosferinde 5, 10 ve 20 °C/ dak ve Argon atmosferinde 10, 20, 30 ve 40 °C / dak ısıtma hızında termogravimetrik analiz sisteminin kütle spektrometresi ile birlikte kullanımı ile gerçekleştirilmiştir. Kütle spektrometresinde ölçüm için seçilen gazlar H2, CH4, CO ve CO2 ‘dır. Gazlaştırmanın doğru olarak yorumlanabilmesine katkı amacıyla, kinetik analiz uçucu gaz analizi ile birlikte kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Termogravimetrik analiz, kinetik parametreler ile ilişkili mekanizmaların belirlenmesi amacıyla kullanılan model yaklaşım (Coats Redfern), eş dönüşüm yöntemi (Flynn-Wall-Ozawa ile Friedman) ve çok değişkenli doğrusal olmayan regresyon analiz yaklaşımlarına veri sağlamak amacıyla kullanılmıştır. Biyokütle ve kömürün gazlaştırılması teorik ve deneysel olarak ardışık üç adımda (piroliz, ikincil piroliz ve gazlaştırma) incelendi. Bu adımlar gazlaştırıcının modellenmesinde kullanılmıştır. Dönüşümlü akışkan yatak gazlaştırıcı modeli üç gazlaştırma adımı ve onu takip eden siklondan oluşmaktadır. Dönüşümlü akışkan yatak gazlaştırıcıdan elde edilen gaz ürünler, katı oksit yakıt hücresinin beslemesinde kullanılmaktadır. Gazlaştırıcı ve yakıt hücresinde kullanılan her iki reaktörde denge tipidir ve Gibbs serbest enerjisinin minimizasyonuna dayanmaktadır. Katı oksit yakıt hücre modeline ait voltaj hesaplamaları ohmik, aktivasyon ve konsantrasyon voltaj kayıplarını içermektedir.

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF BIOMASS AND COAL GASIFICATION This dissertation addresses the experimental and theoretical investigation of biomass and coal gasification, aiming at exploring the gasification characteristics of two biomasses (hazelnut shells and olive oil pomace) and four Turkish lignites (Soma, Orhaneli, Seyitömer and Tunçbilek). The experimental study has been performed by using thermogravimetric analysis coupled with mass spectrometry under Argon (10, 20, 30 ve 40 °C / min) and Argon+steam (5, 10 and 20 °C/ min) atmosphere at selected heating rates. The major gasification products identified were H2, CH4, CO, CO2. Kinetic analysis based on evolved gas analysis of thermolysis is used to produce data that contribute to correct interpretation of the gasification. Thermogravimetric analysis results have been utilized to determine kinetic parameters by using model fitting (Coats Redfern method), model free (Flynn-Wall-Ozawa, Friedman methods) and multivariate-nonlinear regression analysis approaches to determine the mechanism and the corresponding kinetic parameters. The gasification of biomass and coal has been analysed in three consecutive stages (pyrolysis, secondary pyrolysis and gasification) experimentally and theoretically. These stages have been used to model gasifier. The circulating fluidized bed gasifier has been modeled in three stages as well followed by cyclone separation. The circulating fluidized bed gasification products feed a solide oxide fuel cell. Both circulating fluidized bed and solide oxide fuel cell stack models are equilibrium type and are based on Gibbs free energy minimization. The solide oxide fuel cell model performs heat and mass balances, and considers Ohmic, activation and concentration losses for the voltage calculation.