Termal analiz, optimizasyon ve katalitik hızlı proliz ile pirinanın enerji potansiyelinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, pirina (OP) karakterize edilmiş ve enerji potansiyelini incelemek için hızlı piroliz ve katalitik hızlı piroliz işlemlerinde biyokütle olarak kullanılmıştır. OP, kömür ve bunların karışımlarının termal davranışı Thermogravimetric (TG)-Fourier Transform Kızılötesi Rezonans (FTIR) entegre sistemi kullanılarak incelenmiştir. OP'nin karakterizasyonu sırasında, pirinanın ön analizi, enerji kullanımında termal dönüşüm için çok uygun olan %4.23'lük düşük nem içeriği, %3.13'lük düşük kül içeriği ve %79.71'lik yüksek uçucu madde içeriği ortaya çıkarmıştır. Element analizi, OP'nin %59.43 karbon, %8.97 hidrojen ve %29.83 oksijen içeriği ile 27.68 MJ kg-1'lık üst ısıl değere (HHV) sahip olduğunu göstermiştir. OP'nin selüloz, hemiselüloz ve lignin içeriği sırasıyla %27.94, 29.84 ve 33.87 olarak bulunmuştur. TGA/FTIR analizi sırasında, 20-30 mg arasında değişen numuneler, 100 mL dak-1'lık bir taşıyıcı gaz (azot gazı) akış hızında ve oda sıcaklığından 950oC'ye kadar farklı ısıtma hızlarında (10, 20, 30, 40 oC dak-1) ısıtılmıştır. TGA/FTIR analiz sonuçları, kinetik parametreleri belirlemek için Flynn-Wall-Ozawa (FWO) ve Kissenger-Akahira-Sunose (KAS) izo-dönüşüm modelleri kullanılarak modellenmiştir. OP'nin hızlı pirolizi serbest-düşme-tüp-reaktörlü piroliz sisteminde gerçekleştirilmiştir. Maksimum biyoyağ verimi optimum şartlarını belirlemek için hammadde partikül boyutu, reaksiyon sıcaklığı ve taşıyıcı gaz akış hızı piroliz proses parametrelerinin etkileri incelenmiştir. Proses parametrelerinin modellenmesi ve optimizasyonu, merkezi kompozit tasarım (MKT) ile cevap yüzey yöntemi (CYY) kullanılarak elde edilmiştir. 1.5 mm partikül boyutunda, 490°C sıcaklıkta ve 400 mL dak-1 taşıyıcı gaz akış hızında %58.13 (8.72 g) maksimum OP biyoyağ verimi elde edilmiştir. Katalitik hızlı piroliz sırasında 425, 500, 575, 650 ve 725°C farklı reaksiyon sıcaklıklarında, 1.5 mm partikül boyutunda ve 200 mL dak-1 taşıyıcı gaz akış hızında katalizör olarak alüminyum oksit (Al2O3), sodyum karbonat (Na2CO3), potasyum karbonat (K2CO3) ve zeolit socony mobil-5 (ZSM-5) kullanılmıştır. Dört katalizör için optimum reaksiyon sıcaklığı 500°C ve katalizör olarak Al2O3 kullanıldığında en yüksek biyoyağ verimi ise 7.61g (%50.73) olarak bulunmuştur. Katalitik hızlı piroliz deneylerinden elde edilen biyoyağ numunelerinin elementel ve GC-MS analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada katalizör kullanımı biyoyağdaki oksijen içeriğini azaltmayı ve biyoyağ verimini artırmayı amaçlamaktadır. Al2O3 %12.53 ile %5.73 arasında değişen en düşük bioyağ oksijen içeriğine sahiptir. ZSM-5 %15.06 ile %12.55 arasında değişen en yüksek bioyağ oksijen içeriğine sahiptir. GC-MS analizi, katalizör kullanılmadan, pirinadan elde edilen piroliz yağının çoğunlukla asitler ve az miktarda alkol, aromatikler ve ketonlar içerdiğini ortaya çıkarmıştır. Al2O3, K2CO3, Na2CO3 ve ZSM-5 katalizörlerinin kullanılması, biyoyağ kimyasal bileşiklerinin türü ve dağılımı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. OP hızlı pirolizden elde edilen biyoyağ numunelerinin karboksilik asit içerikleri, katalizörlerin uygulanmasıyla önemli ölçüde azalmıştır. Biyoyağdaki aromatik içerik, katalizörler kullanılarak önemli ölçüde artmış ve Al2O3 için en yüksek değerine (%56.13) ulaşmıştır. Na2CO3 katalizör olarak kullanıldığında düşük aromatik içerik gözlenmiştir. Biyoyağdaki keton ve alkol içeriği de katalizör olarak K2CO3, Na2CO3 ve ZSM-5 kullanılarak artırılmıştır. Al2O3 için aynı şeyi söylemek mümkün değildir.