Seri endüstriyel üretim çağına geçilmesinden itibaren önemli derecede artan karbon ve azot salınımı son yıllarda ciddi seviyelere ulaşmıştır. Bunun önüne geçebilmek için alternatif doğa dostu yakıt türleri arayışı hızla devam etmektedir. Bu amaç doğrultusunda günümüzde yeni yeni kullanılmaya başlanan biyodizel yakıtlar ne kadar çevreci görünseler de aslında düşünüldüğü kadar doğa dostu değillerdir. Bu bağlamda araştırmacılar biyodizel teknolojisine yeni bir bakış açısı niteliğinde araştırmaya imza attılar.1
Biyoyakıtlar, yüksek viskoziteli bitkisel ve hayvansal yağların transesterifikasyon işleminden geçirilmesiyle elde edilen alternatif yakıt türleridir. Transesterifikasyon işlemi sırasında yan ürün olarak büyük miktarda gliserol elde edilmektedir. Yapısal olarak bolca oksijen içermesi ve ısıl enerjisinin orta seviyelerde olması onu düşük maliyetli potansiyel biyoyakıt enerji kaynağı yapmaktadır. Diğer bir yandan gliserolün biyoyakıtlarda kullanılması yan ürün imha prosedürünün maliyetinin azaltılması ve karbon, azot salınımlarında azalma sağlanması için umut vermektedir.1
Transesterifikasyon sırasında elde edilen gliserol büyük miktarda metanol içermektedir. Elde edilen atık gliserol ağırlıkça, %60-70 gliserol, %23,4-37,5 metanol içermektedir. Metanol ve gliserolün ayrıştırılması işlemi sırasında kullanılan enerji toplam kullanılan enerjinin %48’ini kapsamaktadır. Temin edilmesi daha az maliyetli olduğu için elde edilen metanol atık olarak uzaklaştırılmaktadır. Metanol ve gliserol karışımı incelendiğinde metanolün karışımda ısı kaybını korumaya, viskoziteyi düşürmeye ve oksijen içerdiğinden karbon salınımını azaltmaya eğilimli olduğu görülmüştür. Ayrıca gliserol/metanol karışımları biyodizelle karıştırılabilir şekilde daha düşük vizkoziteye sahip olabilir. Bu da yakıtın atomizasyonunu kolaylaştırır. Bu nedenle çalışmalarda gliserol/metanol karışımı incelenmektedir. Yapılan araştırmada bu iki atık maddeyi değerlendirerek atık bazlı, maliyeti düşük yenilenebilir enerji kaynağı elde edilmesi hedeflemektedir.2
Biyodizel üretiminde geleneksel enjektör sistemleri kullanılmaktadır. Bu enjektörleri sıvı jet çekirdeği/film, sonra ligman ve damlacıklar oluşturmaktadır. Fakat gliserol gibi yüksek viskoziteli yağlar kullanıldığında atomizasyon* sırasında daha büyük ligmanlı damlacıklar oluşmakta ve tam yanma gerçekleşememektedir. Yüksek viskoziteli yağlar sisteme girdiğinde düşük viskoziteli sıvılarla aynı ısı çıkışını sağlamak için daha fazla enerji harcanmaktadır. Örneğin yüksek kaynama noktalı gliserol kullanıldığında biyodizelin ısıtma değerinin yarısı kadar ek ısıtma enerjisi kullanılması gerekmektedir. Bu da hem verimlilikte önemli derecede azalmaya hem de karbon ve azot salınımında artışa sebep olmaktadır.1,2
Bu sorunlara çözüm geliştirmek amacıyla Swirl Burst (SB) enjektörü tasarlanmıştır. SB enjektörü geliştirilmeden önce ilk olarak Flow-Blurring (FB) atomizörü geliştirilmiştir. FB; düşük viskoziteli su, yüksek viskoziteli alternatif jet yakıtı C-3 ve son derece viskoz saf gliserol gibi çeşitli sıvılar için ön yakıt olmaksızın ultra ince spreyler üretebilmektedir. Fakat FB enjektörü püskürtme çevresinde büyük damlacıklar oluşturmaktadır. Ayrıca FB atomizeriyle yüksek viskoziteli saf gliserolün atomizasyonu sırasında ince bağlardaki kararsızlık ikinci kez atomizasyon gereksinimine yol açmaktadır. Bu durum da daha düşük viskoziteli yağlara kıyasla atomizasyon işleminin daha uzun sürmesine sebep olmaktadır. Bu olay sonucunda düşük viskoziteli yağlara göre alev kalkış ısısısı artmıştır. Bu nedenle ön ısıtma yapılmamış saf gliserol için bile ultra-temiz yanma sağlasa da alev kararlılığını olumsuz etkilemiştir.2
Daha geniş viskozite değerleri ile çalışmak amacıyla SB enjektörü geliştirilmiştir. SB enjektörü FB’de oluşan kabarcık patlama yöntemi ve birincil atomizasyon mekanizmasını ve yenilikçi döner kalkanları bir araya getiren çalışma prensibine sahiptir. Bu tasarımda diğer enjektör tasarımlarından farklı olarak hava çıkışı hem radyal hem de eksen olarak ilerlemektedir. Bu yöntemle hava akışı sırasında daha güçlü etkileşimler sağlanarak ikincil atomizasyonda daha iyi verim elde edilmektedir. Diğer enjektörlerle karşılaştırıldığında SB enjektörleri daha düzenli damlacık boyutu saçılımı sağladığı görülmüştür. Ayrıca FB enjektörüne kıyasla yarıya indirilmiş atomizasyon süresi ile daha ince damlacıklar üretmektedir. Bu da dizel, biyodizel, viskoz saf yağ ve saf yosun yağı gibi yağlar da dahil olmak üzere birçok yakıt için ön ısıtma olmaksızın zayıf ön karışımlı ve ultra düşük emisyonlu tam yanmayı mümkün kılmaktadır.2
Saf bitkisel yağ ve saf yosun yağı biyodizele göre 15-16 kat daha viskoz yapıya sahiptir. Bu yağlarda, SB enjektörleri FB ile kıyaslandığında daha kısıtlanmış düz püskürtme alevlerine sahiptir ve bu da yanma kararlılığında artışa sebep olmaktadır. SB enjektörlerin avantajı geleneksel enjektörlerle kıyaslandığında düşük viskoziteli yağların tam ve zayıf karışımlar halinde yanmasını sağlamasıdır. Bir diğer avantajı ise atık gliserolün temiz ve verimli şekilde yanmasını sağlamasıdır. Bu da gliserolü potansiyel biyodizel kaynağı yaparak biyoyakıt üretiminin daha ekonomik hale getirilmesini vadeder.2
*Atomizasyon: Yüksek basınç, hız altında püskürtülen sıvının daha küçük damlacıklara dönüştürülmesidir.3
Kaynaklar
- https://techxplore.com/news/2024-10-method-ultra-biofuel-combustion.html#google_vignette
- Hall, T., Williams, D., Islam, S. R., Patel, I., Chakmakjian, C., & Jiang, L. (2024). Clean co-combustion of glycerol and methanol blends using a novel fuel-flexible injector. Fuel, 371, 132125.
- Sobel, R. (Ed.). (2022). Microencapsulation in the Food Industry: A Practical Implementation Guide. Academic Press.