Doç. Dr. Ahmet GÜNAY Balıkesir Üniversitesi Müh. Fak., Çevre Müh

Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
5. Ders
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
BİYOGAZ
e
i
.
r
n
r
v
Doç. Dr.D
Ahmet GÜNAY
Ü
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
4181 Anaerobik Arıtma Sistemlerinde
Proses Tasarımı
Balıkesir Üniversitesi,
Mühendislik Fakültesi
Çevre Müh. Böl.
Çağış/Balıkesir
[email protected]
[email protected]
+90 505 529 43 17
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
BİYOGAZ
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
2
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Anaerobik ayrışmada biyogazın metan içeriği iki açıdan önemlidir:
1. Gaz kullanma sistemlerinin tasarımı
2. Kütle dengesi
Biyogazın yoğunluğu yaklaşık olarak;
%CH 4
100  %CH 4
 0, 71 kg / m3 
1,96 kg / m3
100
100
CH 4  0, 71 kg / m3
CO2  1,96 kg / m3
formülü ile hesaplanabilir.
%60 CH4 içeren biyogazın yoğunluğu 1,21 kg/m3 mertebesindedir.
CO2
CH4
Oksitlenmiş karbon (inorganik karbon, +4 değerlikli)
Enerji değeri yoktur.
İndirgenmiş karbon
ÜID= 55 MJ/kg = 40 MJ/m3=11,11 kcal /kg
Yandığında enerji açığa çıkar
AID= 50 MJ/kg = 36 MJ/m3=10,00 kcal/kg
Biyogaz= 22 MJ/m3=6,11 kcal /m3
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
3
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Anaerobik prosesin üç ürünü; (I) atık çamur, (II) arıtılmış atıksu ve (III) biyogazdır.
Biyogazın değerlendirilebilmesi için üç alternatif mevcuttur; (I) ısı üretimi maksadıyla yakmak, (II) elektrik
enerjisi üretmek ve (III) araçlarda yakıt olarak kullanmak.
Biyogazı değerlendirebilmek için mutlaka temizleme ve depolama gibi ön işlemlere tabi tutmak gerekir.
Metan doğal gaz ile karşılaştırıldığında oldukça yüksek kalorifik değere sahiptir.
Biyogaz
(%35 CO2+%65 CH4)
Metan
Doğalgaz (metan, propan
ve bütan karışımı)
23 MJ/m3
35,8 MJ/m3
37,3 MJ/m3
Processing of Biogas?
• Storage
• Blower
• H2S Removal System
• Flare and Related Accessories
• Heat Exchanger
• Filter
• Flow Meter
• Freeze Protection
• Safety Controls
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
4
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Biyogaz sisteminin bileşenleri;
–Biyogaz ısıtma ve karıştırma için kullanılabilir ya da yakarak bertaraf edilebilir.
Biyogazın fazlası ile;
–Reaktör ya da işletme binaları ısıtılabilir.
–Isı eşanjöründe kullanılabilir.
–karıştırma enerjisi olarak değerlendirilebilir.
Biyogazın patlama özelliği;
–Hava metan karışımın patlama aralığı 20:1~5:1 (%15) mertebesindedir.
Biyogazın korozif özelliği;
–Karbondioksit karboksilik asit üretir.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
5
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
- Enerji değeri bazında biyogazın sıvılaştırılmış propan gazı (LPG) ve kerosin ile eşdeğer bir yakıt
olduğu,
- Tezeğe göre 4,5, odun kömürüne göre 1,6 ve oduna göre 2,25 defa daha fazla ısı ürettiği
görülecektir.
Kalorifik değeri daha düşük olmakla birlikte, anaerobik ayrışma sürecinde oluşan biyogaz, doğal
gaza benzerlik gösteren bir yakıttır.
√ Biyogaz doğal gaz için tasarlanmış her türlü uygulamada kullanılabilir.
√ 1 m³ biyogazdan (20 MJ enerji/m³ biyogaz kabulü ile):
Sadece elektrik: 1,7 kWh elektrik (%30 dönüşüm verimi kabulü ile),
Sadece ısı: 2,5 kWh ısı (%70 dönüşüm verimi kabulü ile),
Kombine ısı ve enerji: 1,7 kWh elektrik ve 2 kWh ısı
elde edilebilir.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
6
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
COD is a measure of the mean oxidation state of organic carbon (MOC), it is evident that the methane yield
also depends on the MOC. The relationship between COD and MOC is given by the equation:
MOC  4  1.5
KOİ (mg / l )
TOK (mg / l )
The MOC of the carbon in different organic substances varies from a value of -4 (of methane, CH4) to +4 (of
carbon dioxide, CO2). The closer the MOC is to -4, the higher the methane yield. The values COD,
TOC and MOC of the feed material can be used for an estimation of the theoretical concentration of methane
in the biogas:
%CH4= 19 x COD/TOC = (4 – MOC)/8 x 100
The prediction of CO2 gas formation is more complex since some CO2 remains dissolved in the digester liquor
or is converted to bicarbonate as a function of alkalinity. The practical biogas yield in a digester will always
be lower than the theoretical due to the following factors:
• a fraction of the substrate will be used to synthesize bacterial mass;
• a fraction of the organic material will be lost in the effluent;
• lignin-containing compounds will only be degraded to a limited degree.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
7
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
ÖRNEK-METAN ÜRETİMİ
Substrat kaynağı olarak glikoz kabul edip, giderilen 1 kg BOIu başına
üretilebilecek metan gazı miktarını hesaplayınız.
C6 H12O6  3CO 2  3CH 4
180 g
132 g 48 g
3CH 4  6O 2  3CO 2  H 2O
48 g
192 g
132 g 48 g
Bu ne reaksiyonudur?
Bu ne reaksiyonudur?
BOİ u 192 g
CH 4
48 g

ve

Glikoz 180 g
Glikoz 180 g
CH 4
48 / 180

 0.25 g CH 4 / BOİ gid.
BOİ u 192 / 180
VCH 4  0.25 10 3 
22.4 l/mol
10 3 l/m 3  0.35 m 3 /kg BOİ gid.
16 g/mol
(0 o C sıcaklık ve 1 atm basınçta)
1 kg KOİ giderildiğinde
350 N l metan açığa
çıkar.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
8
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Example
How much methane gas could be generated through complete anaerobic degradation of 1 kg COD at STP?
Solution
Step 1: Calculation of COD equivalent of CH4
It is necessary to calculate the COD equivalent of methane by considering its complete oxidation, as shown
in the following chemical equations:
CH 4  O 2  CO 2  H 2 O
16 g 64 g
16 g CH 4  64 g O 2
1 g CH 4  64 g O 2 /16  4 g KOİ
Step 2: Conversion of CH4 mass to equivalent volume
Based on ideal gas law, 1 mol of any gas at STP occupies a volume of 22.4 L.
1 mol CH 4  22.4 L
16 g CH 4  22.4 L
1 g CH 4  22.4 L/16 g  1.40 L CH 4
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
9
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Solution (devamı)
Step 3: CH4 generation rate per unit of COD removed
From Eqs (1) and (2), we have:
1g CH 4  4 g KOİ  1.40 L CH 4
1g KOİ  1.40 /4  0.35 L CH 4
1kg KOİ  0.35 m3 CH 4
So, complete anaerobic degradation of 1 kg COD produces 0.35 m3 CH4 at STP.
Waste Type
Carbohydrate
Protein
Lipids
Primary sludge
Waste-activated sludge
Reaction
CH4 in
Biogas (%)
(C6H10O5)n + nH2O → 3nCH4 + 3nCO2
50
4C11H24O5N4+58H2O→33CH4+15CO2+19NH4++16HCO3-
69
4C15H90O6 + 98H2O → 139CH4 + 61CO2
70
C10H19O3N+4.5H2O → 6.25CH4+3.75CO2+NH3
C5H7O2N+3H2O →2.5CH4+2.5CO2+NH3
62.5
50
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
10
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
ÖRNEK
Primer çamurların anaerobik çürütülmesi;
C10H19O3N + 4.5 H2O  6.25 CH4 + 3.75 CO2 + NH3
reaksiyonuna göre gerçekleşmektedir.
a) Primer çamurlardaki karbonun ortalama oksidasyon basamağını (MOC) hesaplayınız .
b) Primer çamurların çürütüldüğü anaerobik çürütücüye ait biyogazın metan içeriği hesaplayınız.
c) Giderilen kg KOİ başına açığa çıkan metan miktarını m³CH4/kg KOİgid. cinsinden hesaplayınız.
%CH4= 19 x COD/TOC = (4 – MOC)/8 x 100
MOC=4-1,5×KOİ/TOK
ÇÖZÜM
a) MOC için, KOİ ve TOK hesaplanır.
Çamurun oksidasyon reaksiyonu
C10H19O3N + 25/2 O2  8 H2O + 10 CO2 + NH3
201 g/mol
25/2×32=400 g O2
KOİ=400 g O2/mol primer çamur (C10H19O3N)
TOK=10×12=120 g C/mol primer çamur (C10H19O3N)
MOC=4-1,5×KOİ/TOK  MOC=4-1,5×400/120=-1
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
11
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
b) Biyogazın metan muhtevası;
%CH4= 19 x COD/TOC = (4 – MOC)/8 x 100
%CH4= 19 x 400/120 = [4 – (-1)]/8 x 100
= 63.33
=62.5
c) Giderilen bir kg KOİ başına açığa çıkan metan miktarının m³CH4/kg KOİgid. cinsinden
karşılığı;
Çamurun oksidasyon reaksiyonu
C10H19O3N + 25/2 O2  8 H2O + 10 CO2 + NH3
201 g/mol
25/2×32=400 g O2
X
1 kg KOİ
 X=0,5025 kg KOİ/kg primer çamur
Primer çamurun (C10H19O3N) 0,5025 kg’ı, 1 kg KOİ’ye eşdeğerdir.
Anaerobik çürüme reaksiyonu;
C10H19O3N + 4.5 H2O  6.25 CH4 + 3.75 CO2 + NH3
0,201 kg/mol
6,25×22.4 =140 L CH4
0,5025 kg
X  X=0,350 m³CH4/kg KOİgid.
1 kg primer çamur giderildiğinde 0.35 m³ metan açığa çıkar.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
12
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Başka bir yöntemle; Açığa çıkan metanın KOİ eşdeğeri hesaplanır.
CH4 + 2,0 O2  2,0 H2O +
CO2
16 g CH4 ≡ 64 g KOİ
6,25 CH4 + 12.5 O212,5 H2O +6,25 CO2
6,25 CH 4  12,5O 2  6,25 CO 2  12,5 H 2 O
6,25×16 g CH4 ≡ 6,25× 64 g KOİ
100 g
250 g
100 g CH4 ≡ 400 g KOİ
250 g CH4 ≡ 1000 g KOİ
250 g CH4 ≡ 1 kg KOİ
1 mol CH4 ≡ 22.4 L (0 ºC ve 1 atm)
16 g CH4 ≡ 22.4 L (0 ºC ve 1 atm)
400 g
1000 g
1 mol CH 4  22.4 L (0 ºC ve 1 atm)
16 g CH 4  22.4 L (0 ºC ve 1 atm)
1 g CH 4  22.4 L/16  1.4 L CH 4
250 g CH 4  1 kg KOI  1.4 L  250  350 L CH 4
1 kg KOI  0,350 m³ CH 4
1 g CH4 ≡ 22.4 L/16= 1.4 L CH4
250 g CH4 ≡ 1 kg KOİ ≡ 1.4 L ×250 ≡ 350 L CH4
1 kg KOİ ≡ 0,350 m³ CH4
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
13
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B  h.
ü
M
ÖRNEK
Aşağıdaki biyokimyasal reaksiyona göre karbonhidratlar için standart basınç (1 atm) ve sıcaklıkta (0 ºC)
giderilen 1 kg KOİ başına açığa çıkan metan gazı litre CH4/kg KOİgiderilen cinsinden ne kadardır?
(C6 H12O5 ) n  nH 2 O  3 nCH 4  3n CO 2
C6 H12O5 
ÇÖZÜM
13
O 2  6CO 2  6H 2 O
2
(C6 H12 O5 ) n  nH 2 O  3nCH 4  3n CO 2
(C6 H12 O5 ) n  nH 2O  3nCH 4  3n CO 2
13
C6 H12 O5  O 2  6CO 2  6H 2O
2
164 g
208g
χ kg
1 kg
χ  0.7885 kg C6 H12O5 /kg KOİ
 0.7885 kg
C6 H12O5  1kg KOİ
164 g
3 mol CH 4
788.5 g C6 H12O5
χ mol CH 4
χ  14.42 mol CH 4
1 mol CH 4 22.4 litre (0 o C ve 1atm basınç)
14.42 mol CH 4  323.1 litre
 0.323 m3
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
14
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
ÖRNEK
Consider the treatment of a wastewater with the following characteristics:
 temperature: 26 °C
 flow: 500 m³/d
 composition of the wastewater:
Sucrose (C12H22O11): C = 380 mg/L,Q = 250 m³/d
formic acid (CH202): C = 430 mg/L, Q = 100 m³/d
acetic acid (C2H402): C = 980 mg/L, Q = 150 m³/d
Determine:
(a) The final concentration of the wastewater in terms of COD;
ÇÖZÜM
By balancing the oxidation reactions of each of the compounds of the waste-water: concentration of COD in
the sucrose
C12 H 22 O11  12O 2  12CO 2  11H 2 O
342 g...........384 g
380 g............χ gCOD  χ  427 mg COD/L
COD load due to the sucrose
250 m3 /d  0.427 kg COD/m 3  106.8 kg COD/d
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
15
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
concentration of COD in the formic acid
C 2 H 2 O 2  0.5O 2  CO 2  H 2 O
46 g.............16 g
430 mg / L.. .χ gCOD  χ  150 mg COD/L
COD load due to formic acid;
100 m 3 /d  0.15 kg COD/m 3  15 kg COD/d
concentration of COD in the acetic acid
C 2 H 4 O 2  2O 2  2CO 2  2H 2 O
60 g............64 g
980 mg / L.. .χ gCOD  χ  1045 mg COD/L
COD load due to acetic acid;
150 m 3 /d 1045 kg COD/m 3  156.8 kg COD/d
final concentration of the waste in terms of COD
Total load
106.8  15  156.8 kg COD/d

 0.557 kg COD/m 3
3
total flow
500 m /d
 557 mg/L
Final concentration 
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
16
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
(b) The maximum theoretical methane production, assuming the following yield coefficients for acidogenic and
methanogenic organisms:
Yacid = 0.15 and
Ymethane=0,03 g CODcel/g CODremoved.
The.
maximum theoretical production occurs when the removal efficiency of COD is 100%, and there is no sulphate
reduction in the system
• COD load removed in the treatment system:
278.6 kg COD/d (100% efficiency)
• COD load convened into acidogenic biomass:
CODacid= Yacid x 278.6 = 0.15 x 278.6 = 41.2 kg COD/d
• COD load convened into methanogenic biomass:
CODmethan= Ymethan x (278.6-41.2)=0.03x237.4=7.1 kg COD/d
COD load converted into methane,
CODCH4=total load-load converted into bimass=278.6-41.2-7.1=230.3 kg COD/d
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
17
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Estimated production of methane;
0.35 m³ CH4/kg KOİgid.×230.3 kg KOİ/gün=80.6 m³/gün (STP)
VCH 4 
CODCH 4
K (t )
K (t ) 
P K
R(273 .15  T oC )
R=0.08206 atm-L/mol-K
K: 1 mol CH4’a eşdeğer KOİ (64 g KOİ/mol metan)
T: işletme sıcaklığı
VCH 4 
230.3 kg KOİ/gün
 88.2 m 3 /gün
3
2.61 kg KOİ/m
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
18
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
OKM (ODM) içerisindeki C ve H oranı
arttıkça biyogazın metan içeriği
artarken, O atomu arttıkça düşer.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
19
Oksalik Asit
Karbonhidrat
Protein
Lipid
Yağlar
Metanol
Formül
MOC
%CH4
+3
12
(C6H10O5)n
0
50
C11H24O5N4
1,145
69
C15H90O6
(C8H16O)
-2,83
70
HO2CCO2H
C2H2O4,
(COOH)2,
HOOCCOOH
Molekül yapısı
O
OH
OH
O
Kimyasal bileşen
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
C16H32O2
256 g/mol
CH3OH
71,8
-2
77
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
20
Component
Carbohydrates
Proteins
Fatty acids
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Formula
MOC
%CH4
C6H10O5
C16H24O5N4
C16H32O2
Municipal sludge C10H19O3N
Ethanol
Methanol
Benzoic acid
WAS
CH3CH2OH
CH3OH
C6H5COOH
C5H7O2N
Lipid
C57H104O6
Carbohydrate
Lignin
Asetik asit
C6H10O5
C6H10O5
C2H4O2
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
21
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
22
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
In practice, the methane potential in manure is assessed on the basis of the content of volatile solids in the
manure and empirical standards for the production of methane per kg of VS. This has been 290 litres CH4/kg of
VS in pig manure and 210 litres of CH4/kg of VS in cattle manure
Table Stoichiometry for biogas production based on available organic substrate as
chemical oxygen demand
1 mole CH4
2 moles O2 on combustion equal to 64 g COD has a volume of 0.0224 m³
1 kg COD
produces 0,35 m³ of CH4
1 kg CH4
equal to 4 000 g of COD has a volume 1.4 m³
1 m³ CH4
equal to 2,850 g COD
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
23
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
24
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
25
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
ÖRNEK: METHANOGENESIS STOICHIOMETRY (Environmental Biotechnology-Principles and
Applications Bruce E Rittmann Perry L McCarty, p 145)
Based upon analysis of its organic carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen content, the
representative empirical formula of C8H1703N was developed for organic matter in an
industrial wastewater, and, from the same analysis, the organic concentration was found to
be 23,000 mg/l. For a wastewater flow of 150 m³/d, what is the daily methane production
from the wastewater in m³ at 35°C and 1 atm and methane percentage in the gas produced
if the waste were treated anaerobically by methane fermentation? Assume ƒs is 0.08, the
process is 95 percent efficient at removal of organic matter, and all gases formed evolve to the
gas phase.
ÇÖZÜM:
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
26
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
27
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
28
Y
A
N
.
l
1 mol C H O N  175 g
Ü
ö
i
G
B
0, 025 molC H O N  4,375 g
s
t
.
e
e
h
4,375 g C Hit O N  0,115
mol CH
ü
s
m
r
h
g C H O Ne
(3277 500 g)M
 86151, 4 mol CH
 23000 g / m 150 m / gün  0,95

A
v
e
i
.
r
n
1 mol CH  22, 4 l r
v
Ü
D
e
86151, 4 mol CH  1929
791,
4
lCH
r
.
Ç
i
ç
s
,
 1930 m CH
(0
C
ve
1a
tm)
.
o
e
k
k
D
ı
273,15 K  1930
m CH (0 a
C ve 1atm)
l
F
a
(273,15  35 C ) KB
 2177,3 h
m .CH (35 C ve 1atm)
ü
M
8
17
3
8
17
3
8
3
17
3
4
3
8
17
3
4
4
4
4
3
o
4
3
o
4
o
3
o
4
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
29
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Biyokimyasal metan potansiyeli;
1. Enerji dengesi
GÜNEŞ
BİYOENERJİ
BİYOKÜTLE
METAN
(Biyogaz)
2. Elementel analiz ve Buswell eşitliği
3. Biyokimyasal kompozisyon yaklaşımı
4. KOİ-UKM ilişkisi
5. Deneysel yöntemlerle ölçülerek
Yöntemlerinden biri veya birkaçı ile tesbit edilebilir.
OH
OH
OH
O
H
OH
OH
GLİKOZ
Fotosentez yoluyla biyokütle
üretimi: CO2, H2O, inorganik
tuzlar ve güneş enerjisi
kullanılarak kompleks organik
maddelerin metabolik sentezidir.
6CO2  6 H 2O  Güneş ışığı  C6 H12O6  6O2
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
30
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
1m
37,80 MJ
h
M
e
A
v

20, 74 MJ
e
i
.
r
n
r
v
20, 74 MJ 1m D
Ü
e


0,5486
m

549
l
CH
/
kg
UKM
r
.
Ç
i
37,80 MJ ç
s
,
.
o
e
k
k
D
ı
a
%CH  ?
l
F
a
B h.
ü
M
Maksimum teorik metan üretimi (Yiyecek atıkları uygulaması: C16,5H31,2O9,5N)
(1) Metan üretiminin enerji dengesine göre tahmini;
Yiyecek atıklarının enerji muhtevası ~ 20.74 MJ/kg UKM
Metanın enerji muhtevası
~ 37.8 MJ/m3
1 kg UKM
= 20.74MJ
549 L CH4 / kgVS
3
3
3
4
4
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
31
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
C H O N  4, 70 H O  9, 40m
CH  7,10
CO

1,
00
NH
r
h
M
e
395, 2
84, 6 g . A150, 4 iv 312, r4e 17
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
395, 2 g YA
9,
4
mol
CH
ç
s
,
.
o
1000 g YA D
ke
k
ı
a
l
  23, 7854 molCH a
F
9, 40
.
%CH 
100  56,97
B
 23, 7854 mol  22, 4 l / molh
 533 LCH
9, 40  7,10
ü
M
Maksimum teorik metan üretimi (Yiyecek atıkları uygulaması: C16,5H31,2O9,5N) (devamı)
(2) Buswell eşitliğine göre metan üretimi;
Yiyecek atıklarının ampirik formülü: C16.5 H31.2 O9.5 N
Buswell eşitliği;
533 L CH4 / kgVS
 4n  a  2b  3c 
 4n  a  2b  3c 
 4n  a  2b  3c 
Cn H a Ob N c  
 H 2O  
 CH 4  
 CO2  c NH 3
4
8
8






16,5
31,2
9,5
2
4
479,8
2
3
479,8
4
4
4
4
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
32
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
 2  n  0.5  a  1.5  c  b 
 a  3  c B
G
s
C H O N 

HO
 O  tn CO  c NH

.
e
2
2h 

 e

t
i
ü
s
C H O N  18,8O  16,5CO m
 NH  14,1
H
O
r
h
M
e
395, 2
601, 6
726 17 iv 253,8 e
A
.
r
n
r
v
Ü
D
e
395, 2 kgUKM (C .H O N )ir601, 6 kg KOİ
1 kg KOİ  350 l CH
Ç
ç
s)  1,522kk.g,KOİ 1,522 kg KOİ  533l CH
1 kg kgUKM o
(C H OeN
D lık a
F
a
B h.  
ü
M
Maksimum teorik metan üretimi (Yiyecek atıkları uygulaması: C16,5H31,2O9,5N) (devamı)
(3) Giderilen UKM ve KOİ ilişkisi ile biyogaz debisi;
1 kg KOİ ≡ 350 L CH4;
533 L CH4 / kgVS
n
a
b
16,5
c
31,2
2
9,5
2
2
2
3
3
2
2
996,8
996,8
16,5
31,2
9,5
4
16,5
31,2
9,5
4
%CH 4  19  COD / TOC
%CH 4  19  601, 6 / (16,5 12)
 57,73
 (4 – MOC ) / 8  100
 [4 – 0,558 ] / 8  100
 56, 98
Glikoz için %CH4=?
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
33
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
C H O N  AH O  BC H O N m
 C CH rDsCO  E NH
 F HCO
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
d fs d fe
9 d fs d fe
v
D  nc

 5,592
A  2n  c 
b
Ü  4,346
D
e
5
8
20 r 4
.
Ç
i
ç
s
,
d fs
d fs
.
o
E c
 0, 662
B
 0,3384
e
k
D 20 lık a
20
F
d fs
da
fe
F c
 0, 662
C B  8, 554.
h
20
8
ü
M
Maksimum teorik metan üretimi (Yiyecek atıkları uygulaması: C16,5H31,2O9,5N) (devamı)
(4) Biyokimyasal Dönüşüm Modeli (Bruce E. Rittmann and Perry L. McCarty
Environmental Biotechnology: Principles and Applications, McGraw-Hill Series
485 L CH4 / kgVS
Cn H a Ob N c  (2  n  c  b  0.45  d  f s  0.25  d  f e ) H 2O 
(0.05  d  f s ) C5 H 7O2 N  (0.125  d  f e )CH 4  (n  c  0.20  d  f  0,125* d * fse ) CO2  (c  0.05  d  f s ) NH   (c  0.05  d  f s ) HCO3
n
a
b
c
2
5
7
2
4
2

4

3
n  16,5
a  31, 2
b  9,5
c 1
d  50
fe  0, 09
fs  0,91
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
34
Y
A
N
C H O N  4,346  H O  0,3384C H O N
.
l
Ü
ö
i
8,554CH  5, 592CO  0, 662  NH G
 0, 662  HCO
B
s
t
.
e
t
e
h
395, 2 gUKM (C H O N )  8,554 mol CH
i
ü
s
m
r
h
8,554 mol CH  8,554
 22, 4  191,
61l CH M
e
A
v
e
i
.
r
395, 2 kgUKM (C H O Nr)  191, 61l CH
n
v
D ir Ü Çe
1 gUKM (C H O N.)  0, 485 l CH
ç
,
1 kg UKM (C H oO N )  e
485sl CH
.
k
k
D
ı
a
l
8,554 a
F
%CH 
100  %
60,
47
.
8,554  5B
,592
h
ü
M
Maksimum teorik metan üretimi (Yiyecek atıkları uygulaması: C16,5H31,2O9,5N) (devamı)
(4) Biyokimyasal Dönüşüm Modeli (devamı)
16,5
31,2
9,5
2
5
7
2

4
16,5
2
31,2
4
9,5
16,5
16,5
31,2
31,2
9,5
31,2
9,5
3
4
4
16,5

4
9,5
4
4
4
4
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
35
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Maksimum teorik metan üretimi (Yiyecek atıkları uygulaması: C16,5H31,2O9,5N) (devamı)
(5) Deney yöntemi: Biyokimyasal metan potansiyeli
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
36
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Anaerobik proseslerde ;
1. Spesifik metan üretiminde maksimum bir üst limit var mıdır?
2. Biyokimyasal reaksiyonun maksimum hızı var mıdır?
3. Biyokimyasal reaksiyon hızı artırılabilir mi?
4. Biyokimyasal prosesin işletme parametreleri nasıl optimize edilebilir?
5. Biyokimyasal proseslerdeki mikrobiyal aktivite niçin sigmoidaldir?
6. Prosesin biyokimyası niçin önemlidir?
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
37
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Chao LiEmail authorView
ORCID ID profile, Gangjin Liu,
Ivo A. Nges, Liangwei Deng,
Mihaela Nistor and Jing Liu,
Fresh banana pseudo-stems
as a tropical lignocellulosic
feedstock for methane
production, Energy,
Sustainability and Society
20166:27
https://doi.org/10.1186/s137
05-016-0093-9
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
38
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Tablo Farklı metodlara göre maksimum teorik metan üretimi (Yiyecek atıkları uygulaması: C16,5H31,2O9,5N)
Metan Üretimi
1. Enerji
dengesine
göre
2. Buswell
eşitliğine göre
3. Giderilen
UKM ve KOİ
ilişkisi
4.
Biyokimyasal
Dönüşüm
5. BMP
L CH4/kgUKM
%CH4 Reaksiyon
549
-
533
56,97
 4n  a  2b  3c 
 4n  a  2b  3c 
 4n  a  2b  3c 
Cn H a Ob N c  
H
O

CH

4
 2



 CO2  c NH 3
4
8
8






533
57,73
 2  n  0.5  a  1.5  c  b 
 a  3 c 
Cn H a Ob N c  
O

n
CO

c
NH

2
3
 2

 H 2O
2
2 



485
60,47 Cn H a Ob N c  (2  n  c  b  0.45  d  f s  0.25  d  f e ) H 2O 
(0.05  d  f s ) C5 H 7O2 N  (0.125  d  f e )CH 4  (n  c  0.20  d  fs  0,125* d * fe) CO2
(c  0.05  d  f s ) NH   (c  0.05  d  f s ) HCO3
Deney yaparak sonuçları raporlanır.
Bu reaksiyonların yorumu?
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
39
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
ISILAhDEĞER
M
e
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Başlıca Kaynak:
http://www.valorgas.soton.ac.uk/Pub_docs/JyU%20SS%202013/VALORGAS_JyU_2013_Lecture%202.pdf
Erişim: Ağustos 2017
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
40
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s

m
r
h
M

e
A
v
e
i

.
r
n
r
v
Ü
D
e
1 cal = 4.187 J
r
.
Ç
i
ç
s
,
1 J = 1W·s
.
o
e
k
k
D
1kWh= 3600kW·s= 3600kJ=
3600 000
J=3.6 MJ
ı
a
l
F
a
1kJ= 1×10 J; 1 MJB
= 1×10 J; 1 .GJ = 1×10 J;
h
ü
M
Kalori (sembol: cal):
Bir kalori, 1 g suyun sıcaklığını 1 °C yükseltmek için gerekli ısı enerjisidir.
Joule (sembol: J):
Joule enerji birimi;
J=N·m=W·sn=C·V
Bir joule şu şekilde tanımlanır:
One joule (symbol: J) can be defined as:
1 m mesafeye 1 N kuvvet uygulaması ile ortaya çıkan iş 1 J’dür.
1 sn süresince 1 W güç ile yapılan iş 1 J’dür.
1 C elektrik yükünü hareket ettirmek için 1 V elektrik potansiyeli ile yapılan iş 1 J’dür.
3
6
9
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
41
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Anaerobik proseslerde ;
1. Kinetik (hız)
2. Termodinamik (potansiyel)
Potansiyel
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
42
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Kimyasal bağ enerjileri (kcal/mol, 298 K)
C
H―
98,8
C―
83,1
C═
147
C≡
194
N―
69,7
N═
147
N≡
213
O―
84
O═
174
N
O
F
Si
P
S
Cl
Br
I
93,4
110,6
134,6
70,4
76,4
81,1
103,2
87,5
71,4
69,7
84
105,4
69,3
62
78,5
65,9
57,4
147
174
114
213
38,4
64,5
47,7
100
226
33,2
44,2
88,2
48,5
118,3
Bu bağ enerjileri her molekül için tam temsil edici olmamakla birlikte, çoğu molekül için ortalama değerlerdir.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
43
Elementel Analiz
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
44
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Termometre
Kalorifik değer: yanma ısısı
Birim miktar maddede bulunan kimyasal enejidir.
Karıştırıcı
Maddenin oksijen ile yanması sonucu açığa çıkan ısının
ölçülmesi ile belirlenir.
―
+
Bomba kalorimetre cihazı ile ölçülür.




Bomba kalorimetre ile ölçülen kalorifik değer, teorik olarak
maddeden elde edilebilecek maksimum enerjidir.
Kalorimetrede, yanma esnasında ortaya çıkan su buharı
ölçümün sonunda yoğunlaşır ve buharın yoğuşmasıyla
açığa çıkan gizli ısı, ısıl değeri artırır. Bu yüzden
kalorimetrede ölçülen ısıl değer «üst ısıl değer» ya da
«brüt ısıl değer»dir.
Biyoenerji proseslerinde su buharından kaynaklanan bu
gizli ısıl değer genellikle kullanılamaz. Biyoenerji
proseslerinde kullanılabilir enerji «net kalorifik değer»
ya da «alt ısıl değer» ile ifade edilir.
≈10 bar O2
Ateşleme
bobini
İzole edilmiş su banyosu
Üst ısıl değer> Alt ısıl değer
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
45
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Kalorifik değer: Alt ısıl değer (AID), üst ısıl değer (ÜID), su buharı
Yoğuşma
ısısı (HoC)
Nem
giderilir
Islak ya
da nemli
Madde
Etüv, 105 °C
12-24 saat
Kuru Katı Fırın, 550 °C
Madde
(KKM)
2 saat
Organik
kuru
madde
(OKM)
ya da
(UKM)
Kül
Ön işlemler
HoC
OKM
Yakma
Alt Isıl
Değer
(AID)
Üst
Isıl
Değer
(ÜID)
Kül
Kalorifik değer ölçümü
Tablo: Biyokütlenin enerji muhtevası ve spesifik metan üretimi
Biyokütle
Nişasta
Protein Lipid
Brüt kalorifik değer, MJ/kg
16,6
22,4
37,3
CH4 üretimi (N m3/kg)
0,415
0,496
1,014
Biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) büyükbaş
hayvan atıkları için 190 m3 CH4/ton OKM
değerinden, bazı yiyecek atıkları için
46
450 m3 CH4/ton OKM aralığında değişir.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
ÖRNEK: Nişastanın alt ve üst ısıl değeri
Ağırlıkça %10 ve %80 nem içeren iki farklı nişasta (C6H10O5)n numunesinin alt ısıl değerini hesaplayınız.


Nişastanın üst ısıl değeri: 16,6 MJ
55 °C’de suyun yoğuşma ısısı: 2,445 kJ/kg
ÇÖZÜM
1. Nişastanın yanma reaksiyonu;
C6 H12O5  6O2  6CO2  5H 2O
2. Nişastanın üst ısıl değeri: 16,6 MJ
a. 1 mol nişasta yandığında 5 mol su açığa çıkar.
b. Nişastanın molekül ağırlığı 162 g ve suyun 18 g’dır.
c. 162 kg nişasta yandığında 5×18=90 kg su açığa çıkar.
d. 1 kg nişasta yandığında 90/162=0,556 kg su açığa çıkar.
e. Nişastanın alt ısıl değeri=(16,6 MJ/kg nişasta) ─ (0,556 kg su/kg nişasta×2,445 MJ/kg su)=15,2 MJ/kg
3. %10 nem için alt ısıl değer=15,2×0,9-2,445×0,1=13,43 MJ/kg
4. %80 nem için alt ısıl değer=15,2×0,2-2,445×0,8=1,08 MJ/kg
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
47
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Termo-kimyasal
proseslerin fizibil olması
için nem muhtevasının
düşük olması gerekir.
Biyokimyasal prosesler
için asgari nem
muhtevasının %50 olması
gerekir.
Evsel katı atıkların ilave
enerji harcamaksızın
yanması için alt ısıl değer
asgari ne olmalıdır?
Şekil Nişastanın nem muhtevasına bağlı olarak alt ısıl değerleri
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
48
Y
A


N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
BİYOKÜTLENİN AMPİRİK ÜST ISIL DEĞERİ

Biyokütlenin üst ısıl değeri (ÜID) elenmentel kompozisyonuna bağlıdır.
ÜID
ÜID  34,1 C  102  H  9,5  O  6,3  N  19,1 S /100
Ampirik formülü ile hesaplanabilir.
C, H, O, N ve S: elementlerin KKM bazında ağırlıkça % kompozisyonlarıdır.
Elementlerin ağırlıkça % kompozisyonları
Nişasta
Protein
Lipid


C
H
O
N
44,40 6,20 49,40
53,10 6,20 28,30 12,40
77,40 11,80 10,90
S
ÜID
HoC
AID
(MJ/kg KKM) (MJ/kg KKM) (MJ/kg KKM)
16,77
1,36
15,41
22,52
1,40
21,12
37,39
2,60
34,79
Üst ısıl değer C ve H muhtevası arttıkça artarken, O muhtevası arttıkça azalmaktadır.
ÜID ile AID arasındaki fark H muhtevasına bağlıdır.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
49
AID - ÜID;





Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Oksijenle yanma sonucu açığa çıkan suya ilave olarak biyokütle içerisindeki nemin de AID ve ÜID hesabında
dikkate alınması gerekir.
AID, termal yakma prosesi sonucu açığa çıkan ısının hesabında kullanılır.
ÜID, biyokütleden herhangi bir prosesle (aerobik, anaerobik, termal yakma) elde edilebilecek maksimum
enerjidir.
ÜID>>AID ise; biyokütledeki enerji termal olmayan proseslerle (anaerobik ayrışma, biyo-etanol üretimi)
daha yüksek verimde alınabilir.
ÜID ≈ AID ise biyokütlenin nem muhtevası düşük olduğundan termal prosesler daha uygundur.
Anaerobik proseslerde kalorifik değer;


ÜID, kimyasal yapıdan elde edilebilecek maksimum enerjidir.


Biyokimyasal proseslerde ısı kaybı yoluyla daima enerji kaybı ortaya çıkar.
Biyokimyasal proseslerde enerji katabolik ve anabolik metabolizmada kullanıldığından, ÜID değer
biyokimyasal proseslerle açığa çıkan enerjiden daima büyüktür.
Biyokütlenin bir kısmı biyokimyasal yolla ayrışmaz, ve bir kısmı da biyokütleye (mikroorganizmaya) dönüşür.
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
50
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
ÖRNEK: Üst ısıl değer hesabı (Kaynak: Richard M Felder, Ronald W Rousseau, Elementary Principles of
Chemical Processes Solutions Manual, p 495)
Bir doğalgaz kaynağı hacimce %85 metan ve %15 etan içermektedir.
15 °C ve 1 atmosfer basınçta metanın ve etanın su buharlı yanma ısıları;
CH 4(g)  2O2(g)  CO2(g)  2 H 2O( v )
H c0  802 kJ / mol
7
C2 H 6(g)  O2(g)  2CO2(g)  3H 2O( v ) H c0  1428 kJ / mol
2
şeklindedir. Doğalgazın üst ısıl değerini kJ/g cinsinden hesaplayınız.
ÇÖZÜM:
Üst ısıl değer birim doğalgaz kütlesi başına istendiği için öncelikle doğalgazdaki karışımı kütle temelinde
hesaplamak gerekir.
0,85 mol CH 4  13, 6 g CH 4
1mol doğalgaz 
0,15 mol C2 H 6  4,5 g C2 H 6
18,1g doğalgaz
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
51
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak

a
F
B h.
ü
M
 CH  13, 6 gCH 4 /18,1g=0,751gCH 4 / g doğalgaz
4
 C H  4,5 gCH 4 /18,1g=0,249 gC2 H 6 / g doğalgaz
2
6
Üst ısıl değer bileşenlerin yanma ısılarından hesaplanabilir. Üst ısıl değer, alt ısıl değerlerin (AID) negatif
işaretlisidir.
ÜIDCH 4  ( AID)CH 4  nH 2O (HV )

 1 mol
mol H 2O
kJ
kJ
2
(44, 03
)
 55, 6 kJ / g
802
mol CH 4
mol CH 4
mol H 2O  16, 0 g CH 4

ÜIDC2 H 6  ( AID)C2 H 6  nH 2O (HV )

 1 mol
mol H 2O
kJ
kJ
3
(44, 013
)
 52, 0 kJ / g
1428
mol C2 H 6
mol CH 4
mol H 2O  30, 0 g CH 4

ÜIDdoğalgaz 
CH 4

C2 H 6
 0, 751 55, 6  0, 249  52, 0  54, 7 kJ / g doğalgaz
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
52
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
53
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Bazı yakıtların tipik ısıl değerleri
Yakıt
Odun
Yumuşak kömür
Sert kömür
Fuel oil
Doğalgaz
Hidrojen
Üst Isıl Değer, kJ/g
Kcal/kg
1.0 calorie = 4.187 J
17
23
35
44
54
143
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
54
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Biyogazın kıullanımı
Biyogaz
%60 CH4
%40 CO2
Boiler
Isı
%85
Kayıplar
%15
1 m3 biyogaz (%60 CH4) kombine
ısı ve elektrik (CHP) üretiminde kaç
kWh enerjiye eşdeğerdir?
(Biyogaz:
22 MJ/m3 =6,11 kcal /m3)
22 MJ / m3biyogaz  0,35
Biyogaz
%60 CH4
%40 CO2
CHP
Elektirik
%35
Isı
%50
Kayıplar
Biyometan
Biyogaz
%60 CH4
%40 CO2
Saflaştırma
%15
 7, 70 MJ / m3biyogaz
 2,14 kWh
1 m3 metan kombine ısı ve elektrik
(CHP) üretiminde kaç kWh enerjiye
eşdeğerdir? (Metan:
35,8 MJ/m3=6,11 kcal /m3)
35,8 MJ / m3CH 4  0,35
 12,53 MJ / m3CH 4
CO2, H2S, H2O
 3, 48 kWh
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
55
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
ÖRNEK (Kaynak: Anaerobic Digestion of Organic Wastes,
http://www.remade.org.uk/media/9102/an%20introduction%20to%20anaerobic%20digestion%20nov%202003.
pdf, erişim: Ağustos 2017
Merkezi bir anaerobik reaktörde yılda 100 000 ton büyükbaş hayvan atığı arıtılmaktadır. Bu atıklar 8000 büyükbaş
hayvana tekabül etmektedir.



TK muhtevası %8,5
UKM %80
Biyogaz üretimi 0,25 m3/kg UKM
Enerji üretimini hesaplayınız.
ÇÖZÜM
1. Biyogaz üretimi;
Yıllık kuru katı madde miktarı; 100 000 ton/yıl×0,085= 8 500 ton/yıl
Yıllık uçucu kuru katı madde miktarı; 8 500 ton/yıl×0,80= 6 800 ton/yıl
Yıllık biyogaz üretimi; 6 800 000 kg/yıl UKM×0,25 m3/kg UKM =1 700 000 m3/yıl biyogaz
Saatlik biyogaz üretimi; 1 700 000 m3/yıl biyogaz /(365×24)=194 m3/saat
2. Elektrik ve ısı üretimi;

194
Biyogazın kalorifik değeri 22
m3/saat×22
MJ/m3×(106
MJ/m3=22/3,6=6,1
kWh
J/MJ) /(3600 sn/saat)=1 185 946 J/sn= 1 185 kW·sn
J
W
sn
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
56
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Yıllık biyogaz üretimi; 6 800 000 kg/yıl UKM×0,25 m3/kg UKM =1 700 000 m3/yıl biyogaz
Yıllık enerji üretimi; 1 700 000 m3 biyogaz /yıl × 22 MJ/m3 biyogaz =37 400 000 MJ/yıl
Yıllık enerji üretimi; 1 700 000 m3 biyogaz /yıl × 22 MJ/m3 biyogaz =37 400 000 MJ/yıl
Yıllık enerji üretimi; 1 700 000 m3 biyogaz /yıl × 6,1 kWh/m3 biyogaz =10 370 000 kWh/yıl
KKM Cinsinden
Elektrik Enerjisi; (10 370 000 kWh/yıl) / (8 500 ton KKM/yıl) × 0,3 = 366 kWh/ton KKM
Isı Enerjisi; (10 370 000 kWh/yıl) / (8 500 ton UKM/yıl) × 0,55 = 671 kWh/ton KKM
UKM Cinsinden
Elektrik Enerjisi; (10 370 000 kWh/yıl) / (6 800 ton KKM/yıl) × 0,3 = 457,5 kWh/ton KKM
Isı Enerjisi; (10 370 000 kWh/yıl) / (6 800 ton UKM/yıl) × 0,55 = 838,7 kWh/ton KKM
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
57
ÇÖZÜM (devamı)
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
Kombine ısı ve güç üretiminde %30 elektrik ve %55 ısı üretimi ortaya çıkar.


Elektrik üretimi; 1 185 kW·sn×0,3=355,5 kW·sn
Yıllık elektrik üretimi; 355,5 kW×24×365=3 110 MW/yıl
Isı üretimi;


Isı üretimi; 1 185 kw×0,55=652 kW
Yıllık Isı üretimi; 652 kW×24×365=5 710 MW/yıl
Bu ısı anaerobik reaktörün ısıtılmasında, steririlizasyon maksadıyla ya da başka maksatlarla kullanılabilir.
Tablo Isı ve elektrik üretim özeti
KKM
UKM
Elektrik üretimi
Isı üretimi
Ton/yıl
Ton/saat
kWh
MW/yıl
kWh/ton KKM
kWh/ton UKM
8 500
0,970
-
-
-
-
6 800
0,776
-
-
-
-
-
-
355,5
3 110
366,5
457,5
-
-
652,0
5 710
671,0
838,7
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
58
ÖZET
Y
A
N
.
l
Ü
ö
i
G
B
s
t
.
e
t
e
h
i
ü
s
m
r
h
M
e
A
v
e
i
.
r
n
r
v
Ü
D
e
r
.
Ç
i
ç
s
,
.
o
e
D lık ak
F
a
B h.
ü
M
1. Biyogazın özellikleri
2. Biyogaz komposizyonu
3. Kalorifik değer ölçümü


Alt ısıl değer
Üst ısıl değer
4. Biyokütlenin enerji değeri
5. Biyogaz üretimi,
6. BMP belirleme metodları





Kalorifik değer
Elementel analiz ve Buswell eşitliği
Biyokimyasal kompozisyon yaklaşımı
KOİ yaklaşımı
Deney yöntemi ile belirleme
Doç. Dr. Ahmet GÜNAY, Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, [email protected], [email protected]
59