Ayçiçeği Küspesinin Katalizörlü ve Katalizörsüz Koşullarda Hızlı Pirolizinin Ürün Verimleri ve Özelliklerine Etkisi

Year 2024, Volume: 21 Issue: 1, 1 - 14, 30.01.2024

Sabriye Sarıoğlu Türkan Aktaş

https://doi.org/10.33462/jotaf.1116421

Abstract

Bu çalışma kapsamında ayçiçeği küspesinin hızlı pirolizinin katalizörsüz koşulda ve klinoptilolit katalizörü kullanılarak yapılmasının, elde edilen ürün verimleri ve ürün özellikleri üzerine etkileri araştırılmıştır. Araştırma kapsamında hammadde olarak kullanılan ayçiçeği küspesinin nem içeriği %5.92, kül içeriği %6.08, uçucu madde yüzdesi %71.30 ve sabit karbon yüzdesi %16.70 olarak belirlenmiştir. Elemental analiz sonuçlarına göre C, H, N ve S yüzdeleri sırasıyla %42.06, %6.26, %6.93, %0.00 olarak saptanmıştır. Isıl değeri ise 17.13 MJ/kg olarak hesaplanmıştır. Araştırma kapsamında ilk olarak, ısıtma hızı (100, 200, 300 ℃/dk), piroliz sıcaklığı (400, 500, 600℃) ve katalizör yüzdelerinin (%5, %10, %15) ürün verimleri (biyokömür, biyoyağ ve piroliz gazı) üzerine etkileri incelenmiştir. Ayçiçeği küspesinin hızlı piroliz işleminde klinoptilolit katalizörü eklenmesiyle yapılan denemelerde, katalizörün katı ürün verimini önemli düzeyde değiştirmediği, sıvı ürün verimini oldukça düşürdüğü ve gaz ürün verimini artırdığı belirlenmiştir. Biyokömür örneklerinde en yüksek üst ısıl değer, katalizörsüz koşulda 500 ℃ sıcaklık ve 300 ℃/dk ısınma hızında 22.95 MJ/kg olarak elde edilmiştir. Biyokömür örneklerinin mikroskobik yapısı incelendiğinde (SEM analizi) hammaddeye göre gözenekliliğin arttığı anlaşılmıştır. Katalizörsüz koşulda elde edilmiş olan piroliz gazı örneklerinin alt ısıl değerlerinin katalizörlü koşulda elde edilen örneklerinkine göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Elde edilen gaz örneklerinde en yüksek alt ısıl değer 400 ℃ sıcaklıkta, 100 ℃/dk ısınma hızında 29.05 MJ/Nm³ olarak elde edilmiştir. Ayçiçeği küspesinin farklı sıcaklıklarda, farklı ısıtma hızlarında katalizörlü ve katalizörsüz koşulda pirolizi ile elde edilmiş olan biyoyağ örnekleri GC-MS yöntemiyle incelenmiş, özellikle fenol bileşiklerinin (Phenol, Phenol, 2-methoxy-) hemen her numunede olduğu saptanmıştır. Ayrıca Pyrazine-methyl, Pyrazine 2,6-dimethyl- (CAS) 2,6-Dimethylpyrazine gibi aromatik bileşiklerde tespit edilmiştir.

Keywords

Ayçiçeği küspesi, Piroliz, Biyokömür, Biyoyağ, Piroliz gazı, Katalizörlü piroliz

The Effect of Fast Pyrolysis of Sunflower Oil Cake on Product Yields and Properties under Catalyst and Non-Catalyst Conditions

Abstract

Within the scope of this study, the effects of fast pyrolysis of sunflower oil cake on obtained product yields and product properties were investigated under non-catalytic condition and using clinoptilolite catalyst. The percentages of moisture, ash, volatile matter and fixed carbon content of sunflower oil cake used as raw material within the scope of the research were determined as 5.92%, 6.08%, 71.30% and 16.70%, respectively. According to the its elemental analysis results, the percentages of C, H, N and S were determined as 42.06%, 6.26%, 6.93%, 0.00%, respectively. The heating value was calculated as 17.13 MJ/kg. For this aim firstly, the effects of heating rate (100, 200, 300℃/min), pyrolysis temperature (400, 500, 600℃) and catalyst percentages (5%, 10%, 15%) on product yields (biochar, biooil and pyrolysis gas) were investigated. In the experiments conducted with the addition of clinoptilolite catalyst during fast pyrolysis of sunflower oil cake, it was determined that the catalyst did not change the solid product yield much, it considerably reduced the liquid product yield and increased the gas product yield. In the biochar samples, the highest heating value was obtained as 22.95 MJ/kg at 300°C/min heating rate and 500℃ pyrolysis temperature conditions without catalyst. When the microscopic structure (SEM analysis) of the biochar samples was examined, it was understood that the porosity increased compared to the raw material. It was determined that the heating values of the pyrolysis gas samples obtained under the non catalyst-free condition were higher than those of the samples obtained under the non-catalytic condition. The highest lower heating value for obtained gas samples was obtained as 29.05 MJ/Nm³ at 400°C temperature and 100°C/min heating rate conditions Bio oil samples obtained by pyrolysis of sunflower oil cake at different temperatures and different heating rate with and without catalyst were examined by GC-MS method, and it was determined that especially phenol compounds (Phenol, Phenol, 2-methoxy-) were found in almost every sample. In addition, aromatic compounds such as Pyrazine-methyl, Pyrazine 2,6-dimethyl-(CAS) 2,6-Dimethylpyrazine have also been detected.

Keywords

Sunflower oil cake, Pyrolysis, Biochar, Biooil, Pyrolysis gas, Catalyzed Pyrolysis

References

• Akçay T. and Aktas T. (2014). Estimation of Biomass Potential, Energy Values, and Characterization of Field Wastes: Example of Paddy Wastes in Tekirdag City. Proceedings of 12th International Congress on Mechanization and Energy in Agriculture. p. 149-154. Nevsehir, Türkiye.
• Angın, D. (2013). Effect of pyrolysis temperature and heating rate on biochar obtained from pyrolysis of safflower seed press cake. Bioresource Technology, 128: 593- 597.
• Anonim (2021a). Wikipedia, Furfural. 13 June 2021, Erişim adresi: https://en.wikipedia.org/wiki/Furfural. (Erişim Tarihi: 13.06.2021).
• Anonim (2021b). Syngas: energy-rich gas for power applications. Erişim adresi: https://www.biogreen-energy.com/syngas. (Erişim Tarihi: 11.07.2021).
• Anonim (2022a). https://www.zmo.org.tr/genel/bizden_detay.php?kod=30602&tipi=17&sube. (Erişim tarihi: 20-04-2022).
• Anonim (2022b). Türkiye Kömür İşletmeleri Kurumu [TKİK]. Kömürün kimyasal özellikleri. Erişim adresi: https://www.tki.gov.tr/tr-TR/enerji-ve-komur (Erişim Tarihi: 16.04.2022).
• Ateş, F. and Işıkdağ, M. A. (2008). Evaluation of the role of the pyrolysis temperature in straw biomass samples and characterization of the oils by GC/MS. Energy Fuels, 22(3): 1936-1943.
• Diken, B. and Kayişoğlu, B. (2020). A research on the determination of the gasification performance of grass pellets. Jounal of Tekirdag Agricultural Faculty, 17(1): 24-36.
• Erdoğdu, A. E. (2018). Vakum piroliz ünitesi tasarımı ve hayvansal atıkların pirolizinden elde edilen katı ürünlerin toprak düzenleyici olarak kullanımının araştırılması. (Doktora Tezi) Karabük Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük.
• Ertaş, M. (2010). Bazı artık biyokütlelerin yavaş pirolizi ve piroliz ürünlerinin karakterizasyonu. (Doktora Tezi) Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi-Fen Bilimleri, Kahramanmaraş.
• European Biochar Certificate [EBC] (2012). The European Biochar Certificate. Erişim adresi: http://www.european-biochar.org/en/download. (Erişim Tarihi: 6.11.2020).
• Ghani, W., Mohd, A., de Silva, G., Bachmann, R.T., TaufiqYap, Y.H., Rashid, U. and Al-Muhtaseb, A.H. (2013). Biochar production from waste rubber-wood-sawdust and its potential use in C sequestration: chemical and physical characterization. Industrial Crops and Products. 44: 18-24.
• Güzelçiftçi, B. (2016). Katalitik hızlı pirolizin biyoyağ verim ve kalitesine etkilerinin incelenmesi. (Yüksek Lisans Tezi) Akdeniz Üniversitesi- Fen Bilimleri Enstitüsü, Antalya.
• Kapluhan, E. (2014). Enerji coğrafyası açısından bir inceleme: Biyokütle enerjisinin Dünyadaki ve Türkiye’deki kullanım durumu. Marmara Coğrafya Dergisi, 30: 97-125.
• Mierzwa Hersztek, M., Gondek, K., Jewiarz M. and Dziedzic, K. (2019). Assessment of energy parameters of biomass and biochars, leachability of heavy metals and phytotoxicity of their ashes. Journal of Material Cycles and Waste Management, 21: 786–800.
• Mohanty, P., Nanda, S., Pant, K. K., Naik, S., Kozinski, J. A. and Dalai, A. K. (2013). Evaluation of the physiochemical development of biochars obtained from pyrolysis of wheat straw, timothy grass and pinewood: Effects of heating rate. Journal of Analytical And Applied Pyrolysi, 104: 485–493.
• Özçiftçi, A. ve Özbay, G. (2013). Mobilya endüstrisi atıklarından katalitik piroliz yöntemi ile biyoyakit üretimi. Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 28(3): 473-479.
• Özçimen, D. and Meriçboyu, E. A. (2009). Characterization of biochar and bio-oil samples obtained from carbonizationof various biomass materials. Renewable Energy, 35: 1319–1324.
• Öztop, M. H. ve Aktaş, T. (2012). Üzüm Posası ve Bileşenlerinin Bazı Termokimyasal Özellikleri ve İzotermal Olmayan Şartlarda Piroliz Kinetikleri. 27. Tarımsal Mekanizasyon Ulusal Kongresi, s: 509-517, 5-7 Eylül, Samsun, Türkiye.
• Öztürk Tophanecioğlu, S. (2009). Tarımsal atıklarda hızlı piroliz yöntemiyle sentetik sıvı yakıt eldesinde piroliz parametrelerinin etkisi. (Yüksek Lisans Tezi) Anadolu Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir.
• Palniandy, L. K., Yoon, L. W. Wong, W. Y., Yong, S. T. and Pang, M. M. (2019). Application of biochar derived from different types of biomass and treatment methods as a fuel source for direct carbon fuel cells. Energies, 12: 1-15.
• Pütün, E. (2010). Catalytic pyrolysis of biomass: Effects of pyrolysis temperature, sweeping gas flow rate and MgO catalyst. Energy, 35: 2761-2766.
• Sadiku, N. A., Oluyege, A. O. and Sadiku, I.B. (2016). Analysis of the calorific and fuel value index of bamboo as a source of renewable biomass feedstock for energy generation in Nigeria. Lignocellulose, 5(1): 34–49.
• Semerci, A. (2012). Evaluation of the changes in the cost factors of sunflower production in Turkey. Journal of Tekirdag Agricultural Faculty, 9(3): 54-61.
• Shaaban, A., Se, S., Mitan, N. M. M. and Dimin, M. F. (2013). Characterization of biochar derived from rubber wood sawdust through slow pyrolysis on surface porosities and functional groups. Procedia Engineering, 68: 365-371.
• Waldheim, L. and Nilsson, T. (2001). Heating value of gases from biomass gasification, report prepared for: ıea bioenergy agreement, task 20 - thermal gasification of biomass. TPS Termiska Processer, AB.
• Yaman, S. (2004). Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks. Energy Conversion and Management, 45:651-671.
• Yorgun, S., Sensoz, S. and Kockar, O. M. (2001). Flash pyrolysis of sunflower oil cake for production of liquid fuels. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 60: 1-12.