Design tools for high carbon conversion, and low tar gasifier system for indigenous biomass, and coal resources - Ünlü, Namık (My University, 2022)
Yenilenebilir enerji kaynaklarının oranının son yıllarda artmasına karışın, fosil yakıtların yerini alması ancak uzun vadede mümkün olacaktır. Öte yandan bilhassa kömürün, iklim değişikliği üzerindeki olumsuz etkisine dayalı olarak öncelikle terk edilmesi beklenmektedir. Türkiye'nin en büyük yerli fosil yakıt kaynağı olan kömür, genel olarak ısı ve elektrik üretiminde kullanılmaktadır. Bu rezervlerin büyük kısmı, yüksek kükürt, yüksek kül ve düşük ısıl değere sahip linyitlerden oluşmaktadır. Kömürün gazlaştırılması yolu ile elde edilen sentez gazından, yakıtlar ve katma değerli kimyasalların üretimi, petrol ve doğal gazın fiyatlarındaki artışı ile önemli bir ekonomik potansiyeli barındırmaktadır. Kömürün aksine biyokütle yenilenebilir ve sürdürülebilir bir kaynaktır. Türkiye, biyokütle çeşitliliği ve miktarı bakımından zengindir. Son yıllarda, elektrik üretimi amacı ile lignoselülozik biyokütle kaynaklarının kullanımı için yakma teknolojisine dayalı klasik çevrim tesisleri inşa edilmektedir. Lignoselülozik biyokütlenin gazlaştırılması, birçok teknolojik nedenlerden dolayı yanma teknolojisine nazaran daha az yaygındır. Sabit yatak veya akışkan yataklı gazlaştırıcılarda biyokütlenin kullanımı sırasında, yüksek katran oluşumu, düşük kül erime noktasına bağlı tıkanmalar, kararsız yakıt besleme ve sık duruş süreleri gibi bazı problemleri bulunmaktadır. Sürüklemeli akış gazlaştırıcılar, yüksek karbon dönüşümü ve katran içermeyen sentez gazı ile kömürler için kabul görmüş teknolojidir, ancak biyokütlenin doğrudan kullanımı için uygun değildir. Biyokütleden edilen biyokömürler ile linyitlerin harmanlanarak sürüklemeli akış gazlaş-tırıcıda sentez gazına dönüştürülmesinin deneysel ve benzetim sonuçlarının sunulması çalışmanın en önemli özgünlüğüdür. Literatürde, biyokömür ve kömürlerin birlikte sürüklemeli akış gazlaştırmaya yönelik benzer bir deneysel çalışma görülmemiştir. Üç farklı biyokütleden (pamuk sapı, fındıkkabuğu ve kızılçam odun talaşı) farklı süreç koşullarında (200 ºC-250 ºC -300 ºC sıcaklık ve 20-40-60 dakika süre) biyokömür eldesi amaçlı gerçekleştirilen deneysel çalışmalar sunulmaktadır. Elde edilen biyokömür numunelerinin, karakterizasyonları, gaz analizi destekli termal analizleri ve öğütülebilirlik analizleri ile kömür benzeri yapıya dönüşümü incelenmiştir. Elde edilen bulgular ışığı altında ısıl değer, oksijen/ karbon ve hidrojen/ karbon oranları ile öğütülebilirlik sonuçları, üç farklı kömür örneği (Afşin, Termik, Soma) değerleri ile karşılaştırılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. Biyokömür üretimi için en uygun süreç parametreleri olarak, 275 ºC sıcaklık ve 45 dakika kalma süresi bulunmuştur. Üç biyokömür, üç kömür örneği ve bunların birebir dokuz karışımı ile, inert, karbon dioksit ve karbon dioksit/ buhar ortamında atmosferik ve basınçlı termal analiz çalışmaları yapılmıştır. Ayrıca biyokömür üretim sürecinin tasarımı için katı, sıvı ve gazların analizi yapılarak bir kütle enerji dengesi kurulmuştur. Biyokömür, biyokütlenin depolama, hidrofili, ısıl değer, öğütülebilirlik özelliklerini geliştirmiştir. Bu parametreler kullanılarak, her bir biyokömür örneğinden gazlaştırma için yeterli miktarda numune üretilmiştir. Aspen HYSYS benzetim ortamında bir gazlaştırıcı modeli geliştirilmiştir. Biyokömür ve kömür numuneleri ve bunların dokuz paçalının özellikleri kullanılarak, oksijen, hava, oksijen/ buhar ortamlarında gerçekleştirilen gazlaştırma simülasyonları ile çalışma sıcaklığı, besleme debileri, sentez gazı bileşimi, soğuk gaz verimi ve gaz ısıl değeri ortaya konulmuştur. Gazlaştırma benzetim çalışmalarında biyokömür ve kömür harmanları, saf kömür örneklerine kıyasla daha iyi soğuk gaz verimi ve sentez gazı içeriği göstermektedir. Sürüklemeli akış gazlaştırıcı ile üç kömür ve dört farklı biyokömür ve kömür karışımı, 1200 ºC sabit fırın sıcaklığında ve oksijen ortamında gazlaştırılmıştır. Farklı yakıt besleme rejimlerinde gazlaştırma sıcaklığı, kül ve gaz analiz sonuçları verilmiştir. Tezin ana hedeflerine ulaşılarak, %96 ile %98 arasında yüksek karbon dönüşümü ve sentez gazı içerisinde katran varlığı bulunmadığı ortaya konmuştur. Özellikle, Afşin ve Termik kömürlerinin biyokömürler ile birlikte gazlaştırılması sonrası saf kömüre nazaran, sırası ile 2,8 ve 7,4 MJ/ Nm3 den 9,0 ve 10,8 MJ/ Nm3 ulaşan daha yüksek sentez gazı kalitesi elde edilmiştir. Tez sonucunda, düşük ısıl değer ve yüksek kül içeriği olan yerel kömürlerin, yüksek karbon dönüşümü ve katransız sentez gazı üretiminde biyokütle ile birlikte değerlendirilebileceği gösterilmektedir. Çalışma sonucunda, entegre biyokömür üretimi ve gazlaştırma sistemi elde edilen deney ve benzetim sonuçları ile sayısal olarak değerlendirilmiştir. Biyokütle ile birlikte kömürün gazlaştırılması sonucunda elde edilen sentez gazının, saf kömürden elde edilene nazaran sentez gazının %52-70 arasında daha düşük karbon ayak izine sahip olduğu belirlenmiştir.

Although the percentage of renewable energy sources has increased in recent years, the replacement of fossil fuels totally will happen in the long-term. On the other hand, coal is expected to be primarily abandoned due to its highest negative impact on climate change compared to natural gas and oil. Coal, Turkey's largest domestic fossil fuel resource, is generally used in heat and power generation currently. Most of these reserves are given as lignite, with high sulfur, high ash, and low calorific value. Unlike coal, biomass is a renewable and sustainable resource. Turkey is rich in biomass diversity and quantity. In recent years, conventional cycle plants based on combustion technology have been built with the use of lignocellulosic biomass resources for electricity generation. Gasification of lignocellulosic biomass is less common than combustion technology depending on some barriers. In the gasification of biomass in fixed bed or fluidized bed gasifiers, there are some problems such as high tar formation, fouling, and agglomeration due to low ash melting point, unstable fuel feeding, and frequent downtimes. Entrained flow gasifiers are the state of the art for coals with high carbon conversion and tar-free syngas, but unsuitable for direct use of biomass. The conversion of biomass into biocoal and the co-gasification of biocoal and lignite into syngas in an entrained flow gasifier is the novelty of the study. Similar experimental studies on entrained flow co-gasification of biocoals and coals have not been found in the available literature (web of science). Experimental results are presented on the generation of biocoal samples from three different biomass (cotton stalk, hazelnut shell, and red pinewood wood) under different process conditions (200 ºC-250 ºC -300 ºC temperature and 20-40-60 minutes). The biocoal samples transformed into a coal-like structure are examined with proximate analysis, ultimate analysis, thermogravimetric analysis, and grindability analysis. The calorific value, oxygen/ carbon, hydrogen/ carbon ratios, and grindability results, are compared with three different coal samples (Afşin, Termik, Soma). 275 ºC temperature and 45 minutes residence time condition are selected as the most suitable process parameters for torrefaction. Atmospheric and pressurized thermal analysis studies in inert, carbon dioxide, and carbon dioxide/ steam environments are carried out with three biocoal, three coal samples, and their nine one-to-one blends. In addition, mass-energy balances are given for the torrefaction process based on solids, liquids, and gases. Torrefaction improves the storage, hydrophilicity, calorific value, and grindability of biomass. 4 kg of biocoal was produced from each biocoal sample via torrefaction for gasification. A gasification model is developed with the Aspen HYSYS simulation tool. The simulations were performed for oxygen, air, and oxygen/ steam as gasification mediums. The gasification parameters such as operating temperature, feed rates, synthesis gas composition, cold gas efficiency, and gas calorific values are calculated for biocoal and coal samples and their nine blends. Simulation studies presents, the biocoal/ coal blends show better cold gas efficiency and syngas content compared to pure coal samples. Three coal and four biocoal/ coal blends were gasified with oxygen in an entrained flow gasifier at a constant furnace temperature of 1200 ºC. The gasification temperature, ash, and gas analysis results are presented for different fuel-feeding regimes. High carbon conversion between 96% and 98% and tar-free syngas is monitored during the gasification of all samples which is the main objective of the thesis. In particular, during the gasification studies, the blends of Afşin and Thermal coals show higher syngas quality, 2.8 and 7.4 MJ/ Nm3 to 9.0 and 10.8 MJ/ Nm3 compared to pure coal samples respectively. The thesis result showed that local coals with low calorific value and high ash content can be utilized together with biomass in entrained flow gasification to obtain high carbon conversion and tar-free syngas. The integrated torrefaction and entrained flow gasification system was evaluated with the results of experiments and simulations. The syngas obtain from the co-gasification of coal and biocoal has a lower carbon footprint between 52-70% compared to pure coals.
Yerli biyokütle ve kömür kaynakları için yüksek karbon dönüşümü ve düşük katranlı gazlaştırıcı sistemi tasarım araçları
Keywords: Biyokömür; Coal; Gasification; Gazlaştırma; Kömür; Makine mühendisliği; Mechanical engineering; Sentez Gazı; Syngas; Torrefaction; Torrefaksiyon Bio-coal