Biyokütle kaynaklarının tavuk gübresinin yanma kalitesine etkisi = Fuel properties and incineration behavior of poultry litter blended with sweet sorghum bagasse and pyrolysis oil

Abstract

Ticari tavuk eti yetiştiriciliği sektörü, kırsal alanlarda çok fazla miktarda kümes hayvanı altlığı (PL) atığı üretimine neden olmaktadır. Kanatlı eti ve yumurtaya olan talep arttıkça PL üretimi de artmaktadır. Geleneksel olarak PL, küçük ve orta ölçekli çiftliklerde tarım arazilerine uygulanır. Ancak kümes hayvanı üretimi yoğunlaştıkça ve çiftlik büyüklükleri genişledikçe atıklar suyun, toprağın ve havanın kirlenmesine ve çevresel endişelere neden olmaktadır. Atıkların araziye uygulanamadığı zaman aralıklarında atık birimi ve PL atık yönetiminin yetersiz olması, özellikle işletmede yetiştirilen sürülerde sağlık sorunlarına, sinek üremesine, hava kirliliğine, kötü kokulara, toprak ve su kirliliğine neden olabilmektedir. Halen genel uygulama olarak PL, arazinin boş olduğu durumda doğrudan arazi uygulamasıyla ve yılın geri kalanında enerji uygulamaları yoluyla bertaraf edilmektedir. PL'ye uygulanan çeşitli enerji geri kazanım teknikleri arasında, farklı yenilenebilir veya yenilenemeyen yakıtlarla beraber yakılmasının hem teknik açıdan hem de çevresel etki boyutları açısından en etkili yöntem olarak kabul edildiği bilinmektedir. Atıkların büyük miktarda birikmesi nedeniyle yakma, PL'nin bertaraf edilmesi için en hızlı seçenek olarak kabul edilmektedir. Kümes hayvanı atıklarının yakılması, Birleşmiş Milletler Sürdürülebilir Kalkınma Hedefi olan "uygun fiyatlı ve temiz enerjiye ulaşım" doğrultusunda atık hacmini etkili bir şekilde azaltır. Ancak mono-yakma, değişen nem, yapısal ve kimyasal bileşim ile düşük enerji verimi nedeniyle önemli zorluklara neden olmaktadır. PL'nin lignoselülozik yataklık altlık içermesi ve enerji açısından zengin bir atık olmasına rağmen, doğrudan tek başına yakma deneyleri iyi sonuçlar vermemektedir. Bunun nedeni, yakıt kalitesini bozan ve yanma performansını azaltan yüksek nem, kül ve külün kimyasal bileşiminin yanı sıra kül içindeki alkali minerallerin neden olduğu kül birikintileridir. Bu nedenle yanma problemlerini azaltan ve düzgün yanma sağlamak için PL'nin yardımcı yakıtlarla karıştırılması gerekmektedir. Alternatif bir yenilenebilir kaynak olarak biyokütle, yüksek bir organik bileşik içeriğinden dolayı yüksek bir kalorifik değere sahiptir ve bu da kümes altlığının yakılmasına yardımcı olabilir. PL'nin lignoselülozik biyokütle ile karıştırılması, karışımların kalorifik değerini artırabilir. Ayrıca biyokütle, kümes hayvanı altlığından daha fazla uçucu madde miktarına ve daha düşük miktarda kül içeriğine sahip olduğu için PL'den farklı yanma özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, PL'nin biyokütle ile harmanlanması genel yanma sürecinde değişikliklere yol açabilir ve yanma verimliliğini iyileştirebilir. Kümes hayvanı üretiminin artması, bu kümes altlıklarının çevreye vereceği zararları azaltarak, güvenli ve yararlı bir şekilde bertaraf edilmesini zorunlu hale getirmiştir. Hayvansal kökenli atıkların yüksek ısıl değeri (HHV) 19,0 MJ kg-1'e ulaşmaktadır ve bu nedenden dolayı onu kullanılabilir yenilenebilir enerji kaynağı haline getirmektedir. Fosil yakıt fiyatlarının yüksek olması nedeniyle kümeslerde ortam ısıtması için geliştirilen özel fırınlarda PL'nin yakılmasına büyük ilgi duyulmaktadır. xx Bunun nedeni, döngüsel ekonomi yaklaşımının ve çiftlik hayvanlarının ürettiği atıkların yakma teknolojisine sahip işletmelerde kaynak olarak kullanılmasına ilişkin AB düzenlemesinin, PL'nin sahadaki kümes hayvanlarının ısıtılmasında doğrudan yanma için yakıt olarak kullanılmasını teşvik etmesidir. Ancak PL, hızlı bir şekilde ayrıştığı ve yüksek nem içeriği nedeniyle HHV'nin birkaç gün içinde 19,0 - 9,0 - 13,5 MJ kg-1'e düşmesi nedeniyle zorlayıcı yakıt olarak kabul görürler. Bu durum yanmayı engeller ve mono yanma uygulandığında külle ilgili sorunlara neden olur. Bu amaçla, bir enerji santralinde yanma veya bir çiftlikte alan ısıtma amacıyla doğrudan yanma özelliklerini iyileştirmek için ön karıştırma veya ön iyileştirme gerekli olmaktadır. Bazı biyoyakıt hammaddeleri, yüksek HHV, düşük kül içeriği, düşük tutuşma noktası, optimum kirlenme, cüruflaşma ve yüksek kül erime sıcaklıkları ile tanımlanabilir ve bu tanımlamada biyokütle yakıtları iyi yakıt olarak tanımlarlar. Genel olarak yanma sorunlarını optimize etmek, gaz emisyonlarını ve külden dolayı oluşan sorunları asgari düzeye indirmek için yanma özelliklerini analiz ettikten sonra ikiden fazla ham maddenin harmanlanması tavsiye edilir. Önceki araştırmalar, alev özellikleri ve kül elementi indeksi gibi yanma parametreleriyle ilişkili olarak ilave biyokütle yakıtlarının PL üzerindeki sinerjistik etkisini göstermektedir. Bu çalışmada, enerji mahsulü tatlı sorgum bagas atığı ve PL pirolizinden elde edilen yeni bir yan ürün piroliz yağını birleştirerek PL'nin yanma özelliklerini, olası yanmayla ilgili zorlukları ve külle ilgili sorunları iyileştirmek için basit, pratik yöntem test edilmiştir. Bu araştırma, standart psiko-kimyasal yakıt analizi ile PL, tatlı sorgum bagası, bunların karışımı ve piroliz yağı ilavesinin yanma davranışlarına etkisi araştırılmıştır. Ayrıca, harmanlanmış PL karışımlarının yakma özellikleri yeni bir yaklaşım olan görüntü analizi ile değerlendirildi. Ayrıca, harmanlanmış yakıtın kazan sisteminde kirlenme ve cüruflanma eğilimi açısından karşılaştırılması amacıyla küle bağlı indeks değerlerinin belirlenmesi amacıyla kül bileşimi analizi yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı tatlı sorgum bagasının (SS) ve piroliz yağının (PO) PL'nin yakıt özelliklerini iyileştirme ve yakma sırasında külle ilgili yükleri hafifletme üzerindeki etkisini araştırmaktır. Farklı biyokütle yakıt karışımları, PL'nin SS ile %0,0 (T0), %25 (T1), %50 (T2), %75 (T3) oranında birleştirilmesiyle üretildi ve %100 SS (T4) uygulaması ile karşılaştırılmıştır. Yüksek enerji potansiyeli ve düşük kül birikimi elde etmek amacıyla paralel numuneler ayrıca enerji değerini iyileştirmek amacıyla %10 PO ile karıştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, karışımlara SS oranının arttırılması ve PO eklenmesinin uçucu maddeyi artırdığını, nem ve kül içeriğini azalttığını göstermektedir. Küllerin elementer içeriği, uçucu madde oranları ve sabit karbon miktarları için kuru bazda yaklaşık analizden elde edilen sonuçlar hem PO 'ya hem de SS oranlarının azaltılmış kül içeriği ve artan uçucu madde nedeniyle hipotezimizi doğrulamaktadır. Dolayısıyla yüksek uçucu madde, düşük kül nedeniyle yanmaya uygunluk iyileştirilmiştir. Deneylerde kullanılan PL %64 oranında uçucu madde içermekte ve makul bir yanıcılık özelliği göstermektedir. PL'ye SS ilavesi, uçucu madde artışlarına 25 (T1), %50 (T2) ve %75 (T3) SS ilavesi ile sırasıyla %67, %68 ve %71 oranında önemli ölçüde katkıda bulunmuştur. Piroliz yağı (PO) ilavesi uçucu maddeyi sırasıyla %68, %70 ve %73'e yükseltmiştir. Benzer şekilde, SS ve piroliz yağı, kül içeriğini kuru madde bazında %12,85'ten %7,10'a önemli ölçüde azaltmış; yanma sonucu ortaya çıkan malzemenin çoğunun, yanma sırasında kül depozitleri, cüruf oluşumu ve topaklaşmaya tepki vermeyen ürünler olduğunu göstermiştir. xxi Tutuşabilirlik indeksi, kazan koşullarında biyokütlenin olası performansının bir göstergesi olarak kullanılır. PO ilavesi aynı zamanda karbon ve hidrojen içeriğini de arttırmıştır. PL'ye SS ilavesi, %25'lik bir karışımdaki peletin tutuşabilirlik endekslerini yükseltmiş ve karışımdaki SS'nin daha da artmasıyla neredeyse sabit (41.94 - 42.02) kalmıştır. PL:SS karışımlarına PO ilavesi tutuşabilirlik indeksini 41,75'ten 43,74'e önemli ölçüde iyileştirmiştir. Ancak tahmin edilen tutuşabilirlik indeksi değerlerinin tümü 35'in üzerinde olup bu değer kazanlarda verimli bir şekilde kullanılabilir aralıktadır. Bu bağlamda, SS'nin yüksek uçucu içeriği, yüksek sıcaklıklarda külle ilgili yaygın sorunların önlenmesi amacıyla düşük sıcaklıklarda hızlı tutuşma açısından faydalıdır. Kümes hayvanı altlığı karışımındaki SS oranındaki artışın bir fonksiyonu olarak kalorifik içerik artmıştır. SS oranının %25'ten %100'e çıkarılmasıyla HHV değerleri 4295±12 Kcal kg-1'den 4404±9 Kcal kg-1'e yükselmiştir. Ayrıca yakıt karışımlarında karışımlar %10 PO ile karıştırıldığında PL: SS karışımlarının HHV değerleri %0,5-2,6 aralığında daha da yükselmiştir. LHV (düşük ısıl değer) ve HHV değerlerindeki artış eğilimi hem SS hem de PO malzemelerinin kimyasal yapısına bağlanabilir çünkü PL, LHV'yi azaltan nispeten yüksek nem ve kül mineralleri içermektedir. Ayrıca SS+PO, görüntü analiz yöntemine dayalı olarak PL karışımlarının alev hacmini ve kırmızı renk yoğunluğunu iyileştirmiştir. Saf PL ile karşılaştırıldığında, karışımdaki SS yüzdesinin artmasıyla birlikte alev alanının boyutu ve parlaklığı ile görüntülerin kırmızı renk yoğunluğu da artmıştır. Biyokütle peletlerine PO ilavesiyle alev alanı ve kırmızı renk yoğunluğu daha da artmıştır. Bu sonuçlar, tatlı sorgum bagası ve piroliz yağının, kümes hayvanı altlığı yanması ile daha etkin sonuçların ortaya çıktığı hipotezimizi doğrulamaktadır. SS ve PO için alevin alanı ve kırmızı renk yoğunluğu, saf PL'den daha büyük ve daha yoğun olmuştur. Buna göre SS'nin tek başına ve PO ile kombinasyon halinde PL'ye kıyasla daha kısa bir tutuşma süresi sergilediğini belirtmek gerekir. Bu nedenle hazırlanan peletlerin tutuşma gecikme süreleri saf PL, SS ve bunların %50+%50'lik beraber karışımlarının süreleri sırası ile 75, 29 ve 38 saniyedir. Peletlere %10 piroliz yağı eklendiğinde tutuşma gecikme süreleri sırasıyla 49, 28 ve 33 saniyeye kısalmıştır. Bu sonuçlar, SS ve PO tarafından sağlanan daha fazla uçucu maddenin dehidrasyon, volatilizasyon ve yanmaya olumlu katkıyı etkilediği olgusu ile tutarlıdır. Alev kırmızı renk yoğunluğu üzerinde değişen biyokütle yakıt parametrelerini daha iyi anlamak için, hazırlanan biyoyakıt peletlerinden elde edilen yaklaşık bileşim parametreleri ve tutuşma indeksi değerleri kullanılarak Pearson korelasyonları yapılmıştır. Sonuçlar, uçucu madde ve organik madde içeriğinin alev kırmızısı renk yoğunluğuna anlamlı pozitif katkısını göstermiştir. HHV ve tutuşabilirlik indeksi (Ii) de kırmızı renk yoğunluğunu olumlu yönde etkilemektedir. Öte yandan PL'nin katkıda bulunduğu kül içeriği ve sabit karbonun kırmızı renk yoğunluğu üzerinde önemli olumsuz etkileri olmuştur. Saf PL en yüksek kül problemi indeksi değerine sahiptir (FI < 40) ve küldeki potasyum, sodyum ve fosforun varlığından dolayı aşırı yüksek olarak sınıflandırılmıştır. SS indeks değeri ise orta aralıkta (FI 0,6-40) tespit edilmiştir. PL:SS %50+50 karışımının FI sonuçları dolayısıyla indeks değerini düşürmüştür. Ancak karışımdaki ne SS ne de PO varlığı külle ilgili indeks değerlerini yeterince iyileştirmemiştir ve bu durum daha fazla araştırma gerektirmektedir.

Poultry litter (PL) waste is produced from large-scale commercial broiler chicken rearing in rural areas. With the increasing demand for poultry meat and eggs, the volume of PL generated has also risen. Traditionally, PL has been used as fertilizer on small and mid-size farms. However, as poultry production has become more centralized and farm sizes have grown, there are significant concerns about water, land, and air pollution. The large-scale accumulation of waste outside of the cropping season and inadequate PL waste management can lead to health and welfare issues in flocks, increased fly breeding, air pollution, unpleasant odors, and land and water contamination. Currently, PL is disposed of through direct land application during the cropping season and through energy applications for the rest of the year. Various energy recovery methods and techniques have been employed for PL; among them, co-combustion with various renewable or nonrenewable fuels has been identified as the most effective from both technical and environmental standpoints. Incineration is considered the quickest option for disposing of PL due to the substantial waste accumulation. The incineration of poultry litter is an effective method for reducing waste volume, aligning with the United Nations Sustainable Development Goal of "affordable and clean energy." However, mono-incineration presents significant challenges due to the varying moisture, structural and chemical composition, and low energy yield of the litter. While poultry litter contains lignocellulosic bedding and energy-rich manure- like components, direct incineration experiments have not been successful due to the presence of moisture, ash, and the chemical composition of ash, which degrade fuel quality and combustion performance. Additionally, ash deposits caused by alkaline minerals in the ash further complicate the incineration process. Therefore, blending poultry litter with auxiliary fuels is necessary to achieve uniform combustion. Biomass, as a renewable resource, contains high levels of organic compounds, resulting in a high calorific value that can aid in fueling poultry litter. Mixing poultry litter with lignocellulosic biomass can enhance the heating value of the blends. Furthermore, biomass exhibits different combustion characteristics compared to poultry litter, with higher volatility and lower ash content. This blending process can influence the overall combustion process, leading to improved combustion efficiency, reduced carbon monoxide emissions, and lower unburned carbon content in ash. The increase in poultry production leads to a significant amount of poultry litter (PL), mainly consisting of manure and litter materials. Disposing of this waste safely and efficiently is a challenging task. The higher heating value (HHV) of this animal origin waste is 19.0 MJ kg-1, making it a promising renewable energy source. Due to the high prices of fossil fuels, there is growing interest in using PL for combustion in specialized furnaces designed for heating poultry houses. The circular economy xxiv approach and regulations promoting the use of farmed animal manure as a fuel in combustion plants further encourage the use of PL as a fuel for direct combustion to heat poultry houses on site. However, PL is considered a challenging fuel because it decomposes quickly, causing the HHV to drop from 19.0 to 9.0-13.5 MJ kg-1 within a few days due to higher moisture content. This hinders combustion and leads to ash- related problems when mono combustion is applied. Therefore, pre-mixing or pretreatment is necessary to improve the properties for combustion in a power plant or direct combustion on a farm for space heating. Some biofuel feedstocks have high HHV, low ash content, low ignition point, and optimal fouling, slagging, and high ash melting temperatures, making them suitable for combustion. It's generally recommended to blend more than two feedstocks after analyzing combustion characteristics to optimize combustion problems and minimize gas emissions and ash- related issues. Previous research indicates the synergistic effect of additional biomass fuels on PL in relation to combustion parameters such as flame characteristics and ash element index. The study examines a practical method to enhance the combustion characteristics of PL by using a blend of sweet sorghum bagasse (SS) and pyrolysis oil (PO). The research analyzes the combustion behaviors of PL, SS, their mixture, and the addition of PO using standard fuel analysis and image analysis. Additionally, the study investigates the ash composition to compare the blended fuel's propensity for fouling and slagging in the boiler system. The aim of the study is to investigate how SS and PO can improve the fuel properties of PL and reduce ash-related issues during combustion. Different biomass combinations were created by blending PL with sweet sorghum bagasse at various percentages (0.0%, 25%, 50%, 75%) and compared with 100% sweet sorghum bagasse. To maximize energy potential and minimize ash deposition, some samples were also mixed with 10% pyrolysis oil. The experimental results indicate that increasing the proportion of SS and adding pyrolysis oil (PO) to the mixtures raises the volatile matter and lowers the moisture and ash content. The results from the proximate analysis on a dry basis for ash content, volatile matter, and fixed carbon confirm our hypothesis that both pyrolysis oil and SS proportions reduce ash content and increase volatile matter, making the mixtures more suitable for combustion due to their high volatile matter, low ash content, and low fixed carbon. According to the data, the pyrolysis oil used in the experiments contains 64% volatile material, showing reasonable combustibility. The addition of SS to PL significantly increased volatile matter by 67%, 68%, and 71.50% with 25% (T1), 50% (T2), and 75% (T3) SS addition, respectively. Furthermore, pyrolysis oil addition further increased the volatile matter to 68%, 70%, and 73%, respectively. Similarly, SS and PO significantly reduced ash content from 12.85% to 7.10% on a dry matter basis, suggesting that most of the material resulting from burning are products that do not contribute to fouling, slagging, and agglomeration during combustion. The ignitability index is a useful indicator of how well biomass will perform in boiler conditions. When SS is added to PL, the ignitability index of the pellet shifts in a 25% mixture and remains almost constant (41.94 - 42.02) with further increases of SS in the mixture. The addition of PO to PL:SS blends significantly improves the ignitability index from 41.75 to 43.74. All the estimated ignitability index values were above 35, indicating efficient use in a boiler. The high volatile content of SS is beneficial for xxv rapid ignition at low temperatures, avoiding prevalent problems with ash at higher temperatures. The calorific content increases as the proportion of SS in the poultry litter mixture increases. By increasing the proportion of SS from 25% to 100%, the higher heating values (HHV) increase from 4295 ± 12 Kcal kg-1 to 4404 ± 9 Kcal kg-1. Additionally, the HHV values of PL:SS blends further increased in the 0.5-2.6% range when the blends were mixed with 10% PO in fuel blends. The increasing trend in lower heating value (LHV) and HHV values can be attributed to the chemical structure of both SS and PO materials, as poultry litter contains relatively high moisture and ash minerals, which reduce the LHV. The addition of SS and PO improved the flame volume and red color intensity of the PL blends based on image analysis. When compared to pure PL, the size and brightness of the flame area and red color intensity of images increased with a higher percentage of SS in the mixture. The flame area and red color intensity were further increased by the addition of PO to the biomass pellets. These results support our hypothesis that sweet sorghum bagasse and pyrolysis oil have a more potent effect on PL combustion. The volatile flame's area and red color intensity for SS and PO were larger and more robust than for pure PL. It is worth noting that SS alone and in combination with PO exhibited a shorter time to ignition compared to PL. Therefore, the ignition delay times of the prepared pellets were 75, 29, and 38 seconds for pure PL, SS, and their 50-50% mixture, respectively. When 10% pyrolysis oil was added to the pellets, the ignition delay times were shortened to 49, 28, and 33 seconds, respectively. These results are consistent with the phenomenon that more volatiles provided by SS and PO affect dehydration, devolatilization, and positively contribute to burning. To better understand the impact of changing biomass fuel parameters on flame red color intensity, Pearson correlations were performed using proximate composition parameters and ignition index values obtained from prepared biofuel pellets. The results showed the significant positive contribution of volatile matter and organic matter content on flame red color intensity. Higher Heating Value (HHV) and ignitability index (Ii) also positively affect red color intensity. On the other hand, the ash content and fixed carbon contributed by PL had significant adverse effects on the red color intensity. PL had the highest fouling index value (FI < 40) and was classified as extremely high due to the presence of potassium, sodium, and phosphorus in ash. On the other hand, the index value of SS was in the medium range (FI 0.6-40). The fouling index results of the 50% PL and 50% SS mixture reduced the overall index value. However, neither SS nor PO in the mixture showed a low tendency to ash fouling. The presence of SS and PO did not sufficiently improve the ash-related index values, which necessitates further investigation.