Geleneksel Enerji Kaynakları Dersi 4. Ünite Özet

Kömüre Uygulanan Isıl Süreçler

Bu süreçler, kömürün yakılması, koklaştırılması , gazlaştırılması, sıvılaştırılması ve piroliz aşamalarından oluşmaktadır.

Yanma: Yakıtın içerisindeki organik maddelerin havadaki oksijen ile kimyasal bir tepkimeye girdiği ekzotermik reaksiyona yanma adı verilir. Kömürün yakılması sonucu, yanabilir maddeler karbondioksit (CO2) ve su buharına (H2O) dönüşür. Bu süreçte, kömürün tamamen yanabilmesi için gereken oksijen miktarına teorik oksijen miktarı denir. Kömürün yakılması konutların ısıtılması ve elektrik üretimi gibi birçok alanda kullanılır.  Yanma sürecinde tepkimeye giren moleküllerin oksijen ile tam olarak oksitlendiği duruma tam yanma reaksiyonu, kısmen, yani teorik oksijen miktarından daha az hava kullanılan tepkimelere de kısmi yanma adı verilir. Tam yanma reaksiyonu sonucu 39356 kj/kmol ısı enerjisi açığa çıkarken, kısmi yanma sonucunda karbonmonoksit (CO) gazı ve 11053 kj/kmol ısı enerjisi açığa çıkar.Kısmi yanma sonucu oluşan CO gazının oksijen ile tekrar reaksiyona girmesi sonucunda CO2 gazı oluşur ve kısmi yanmadan açığa çıkan ısı enerjileri toplamı, tam yanma reaksiyonu ile açığa çıkan ısı enerjisine eşit olur. Kömür gibi yakıtların yanma ısısı, kalorimetre adı verilen cihazlar ile ölçülür. Kömür yakma sistemleri ise kömürün tane büyüklüğüne ve yanma esnasında yakıta bağlı olarak aşağıdaki beş ana başlık altında değerlendirilir:

• Sabit yataklı yakma sistemleri,
• Toz kömür ocakları,
• Toz kömür-sıvı karışımlarının yanması,
• Siklon ocaklar,
• Akışkan yataklı yakma sistemleri.

Sabit yataklı kömür yakma sistemleri, sabit karbon oranları yüksek, yanıcı madde oranları düşük olan 150-5 mm tanecik boyutundaki kömür türlerinin yakılmasında kullanılır. Bu sistemlere ızgaralı yakma sistemleri adı da verilir.

Toz kömür ocaklarında ise , çok ince partiküller hâline getirilen kömür, hava ile birlikte yanma odasına püskürtülerek yakılır.

Toz kömür-sıvı karışımı kullanılan sistemde, çok ince partikül boyutuna sahip kömürün, bir sıvı ile bulamaç hâline getirildikten sonra yanma odasında hava ile birlikte yakılır.

Siklon ocaklar, yatay silindir görünümünde ve partikül çapı 6 mm olan kömür partiküllerinin yakma işleminde kullanılan sistemlerdir.

Akışkan yataklı yanma sistemlerinde , akışkan, katı partiküllerin sıvı ya da gaz (absorban) içinde askıda kalmasıyla akışkan gibi davranması sonucu oluşur ve akışkan yatağın büyük bir kısmı yanma işlemine katılmayan maddelerden oluşur. Bu maddeler, kömürün ısısının sağlanmasında depo görevi görür.

Akışkan yataklar, düşük kaliteli yakıtlar için bile temiz ve verimli yakma koşullarını sağladıkları için son yıllarda giderek önem kazanmıştır.

Koklaştırma: Türkiye’de özellikle üretimi ön planda olan taş kömürünün koklaştırılması sonucu elde edilen en önemli ürünlerden birisi, başta demir-çelik sanayinde kullanılan koktur. Koklaştırma, kömürün yüksek sıcaklık altında uzun süre boyunca oksijensiz ortamda ısıl işleme maruz bırakılması sürecidir ve bu sürece uygun olan kömüre metalürjik kömür adı verilir. Metalürjik kok yüksek sıcaklık koklaştırması sonucu elde edilir (süreç basamakları detayı için bkz. sayfa 68). Koklaşma sürecini ve oluşacak kokun özelliklerini aşağıdaki parametreler belirlemektedir;

• Kömürün fiziksel, kimyasal ve petrografik özellikleri,
• Kömürün cinsi,
• Proses koşulları.

Kullanılacak taş kömürünün kül, nem, kükürt ve alkali içerikleri de kokun kalitesini ve sürecin verimini doğrudan etkiler. Buna ek olarak prosesteki sıcaklık, basınç, ısıtma hızı, kömürün tanecik boyutu ve kömür yığın ağırlığı gibi parametreler oluşacak kokun özelliklerini belirlemektedir. Türkiye’de koklaşabilir taş kömürü rezervlerinin toplam kömür rezervleri içindeki payı %67 olup, Zonguldak havzasının Karadon, Üzülmez ve Kozlu bölgelerinde yer almaktadır. Koklaştırılacak taş kömüründe bulunması gereken özellikler ve Ereğli demir-çelik fabrikasında kullanılan yerli taş kömürünün özellikleri, sayfa 69 da Çizelge 4.1 ve 4.2 de verilmiştir.

Gazlaştırma : Petrol ve doğal gaz rezervlerinin azalması, kömürden bu kaynakların yerini alabilecek ürünlerin elde edilmesi ve gazlaştırma işleminin önemini arttırmıştır. Kömürün yüksek ısı altında oksitlenmesi sonucu elde edilen gazlar, H2, CH4, CO, CO2, N2 gibi çok farklı hidrokarbon ve gazlardan oluşur. Bu gazlar elektrik enerjisi üretiminde, güç merkezi ve türbinler için yakıt olabileceği gibi endüstriyel yakıtların, kimyasal maddelerin ve H2 gazının üretiminde kullanılabilmektedir. Gazlaştırma işlemi yeraltı ve yerüstünde olmak üzere iki şekilde yapılmaktadır.

Yerüstü gazlaştırma işleminde, çıkarılan kömür yer üstündeki kok fırınlarında ya da gazlaştırma tesislerinde kömür gazı üretimi için kullanılır. Gazlaştırıcılar, sabit yataklı, akışkan yataklı, eriyik yatak ve sürüklemeli yatak olmak üzere dört grupta toplanabilir (bkz. sayfa 70). İlk olarak 1684 yılında İngiltere’de taş kömürü damıtılarak çeşitli gazlar ve sıvı ürünler elde edilmiştir. Gazlaştırma tesislerinde kömür üretimi ise 1800’lü yılların başından bu yana yapılmaktadır. Gazlaştırma sonucunda elde edilen ürünler ısıl değerlerine göre, düşük (< 7,5 MJ/m3 ), orta (7,5-15 MJ/m3 arasında) ve yüksek (~37 MJ/m3 ) ısıl değerli olarak sınıflandırılmaktadır. Yeraltı gazlaştırma işleminin ilk denemeleri 1930’lu yıllarda eski Sovyetler Birliği’nde başlamıştır. Kömürün yeraltında gazlaştırılması için kömür seviyesine kadar inen, biri enjeksiyon kuyusu diğeri üretim kuyusu olmak üzere iki sondaj kuyusu açılması gerekmektedir. Kömürün ısınması ve yanıcı bir madde ile tutuşmasını sağlamak için enjeksiyon kuyusundan oksitleyici olarak basınçlı su buharı ve sınırlı miktarda hava veya oksijen basılmaktadır. Tepkimeye giren kömürden oluşan gazlar üretim kuyusu ile yeryüzüne çıkarılmaktadır. 1950 yılından bu yana başlıca ABD, Avusturalya, Çin, Hindistan, İngiltere, İspanya, Belçika gibi ülkeler kömürü yeraltında gazlaştıran tesisler kurmuştur.

Sıvılaştırma: Kömürden petrol eşdeğeri sıvı yakıt elde etme sürecidir ve son yıllarda azalan petrol rezervleri nedeniyle önem kazanmıştır. İlk olarak 1926 yılında Almanya’da gerçekleştirilen sıvılaştırma işleminin günümüzde ABD, Yeni Zelanda, Avustralya gibi ülkelerin ticari uygulamaları bulunmaktadır. Kömürün sıvılaştırma yöntemleri, doğrudan ve dolaylı olmak üzere iki temel başlık altında incelenebilir.

Doğrudan sıvılaştırma işlemleri piroliz, çözücü ekstraksiyonu ve hidrojenlenme yöntemi başlıkları altında incelenebilir

Piroliz: Organik maddelerin oksijensiz ortamda katı, sıvı ve gaz ürünlere bozundurulmasına verilen isimdir. Düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilen bir karbonizasyon sürecidir. Bu süreçte, parçalanma tepkimeleri sonucu oluşan ürünlerin büyük kısmı polimerize olur ya da birleşerek yüksek karbon koku oluşturur. Piroliz işlemi sonucunda, CO2, CO, CH4 ve H2 gibi gaz ürünler, katran olarak adlandırılan sıvı ürün elde edilirken, karbonizasyon işleminde karbonca zengin char üretilir. Kömürün prolizini etkileyen faktörler;

• Piroliz Sıcaklığı
• Isıtma Hızı
• Kömürün Parçacık Boyutu
• Piroliz Ortamı olarak sıralanabilir.

Çözücü Ekstraksiyonu: Bu yöntem ile kömürün sıvılaştırılması sürecinde, kömür hidrojen veren çözücü içerisinde ortama katalizör eklenmeden ısıl olarak çözündürülür. Çözücünün özellikler, prosesi etkileyen faktörler arasındadır. Prosesin verimi H2 veren çözücünün yapısına ve derişimine bağlıdır.

Hidrojenleme: Bu yöntemde, kömürler yüksek sıcaklık ve basınç altında katalitik ortamda H2 gazı ile bozundurularak sıvı ürünler elde edilir. Kömürün içerisinde bulunan mineral maddelerin bir kısmı H2 gazı ile yapılan kömür sıvılaştırma işlemlerinde katalizör görevi yapmaktadır.

Dolaylı sıvılaştırma yöntemleri i lk kez 1940 yılında Dr. Franz Fischer ve Dr. Hans Tropsch tarafından uygulanmıştır ve iki aşamada gerçekleşir. İlk aşamada kömür, oksijen ya da hava ile tepkimeye sokulur ve sentez gazları üretilir. İkinci aşamada ise sentez gazından sıvı hidrokarbonlar üretilir

Kömürün Kullanım Alanları

Dünyada kömür üretimi, kullanım alanlarındaki çeşitlilik nedeni ile son 30 yıl içerisinde iki kat artmış, 2013 yılında küresel kömür üretimi 1981 yılı ile karşılaştırıldığında ise %74 oranında artış göstermiştir. Çin, ABD, Hindistan, Avustralya, Endonezya, Rusya, Güney Afrika ve Almanya en çok kömür üreten ülkeler arasında yer almaktadır. Çin’i ABD, Hindistan, Almanya, Rusya ve Japonya takip etmektedir. Türkiye’de 2013 yılında gerçekleşen kömür tüketimi ise 83,4 milyon tondur (bkz. sayfa 74, Şekil 4.4.). Kömürün kullanım alanları;

• Termik santraller,
• Çimento sanayi,
• Şeker sanayi,
• Tuğla sanayi,
• Linyitlerin gübre olarak kullanılması,
• Isıtma sektörü olarak sıralanabilir.
• Kömürün Çevre ile İlişkisi Kömür üretim ve tüketiminin özellikle son yıllarda hızlı artması sonucu doğada oluşan olumsuz etkiler aşağıdaki şekilde özetlenebilir:
• Kömür üretiminde açık işletme yöntemi tercihi, üretim sahasının topoğrafyasını bozarak, yeraltı ve yerüstü suları ile bitki örtüsünü etkilemektedir.
• Yeraltı işletmelerinde açılan galerilerin çökmesi durumunda, yeryüzünde kırılmalara ya da toprak kaymaları oluşabilir.
• Nakliyat aşamasında, tozlar çevreye ve insan sağlığına zarar verebilir.
• Yeraltı işletmelerinde, ortamdaki metan miktarına bağlı grizu patlamaları meydana gelebilir.
• Çevresel koşullar nedeniyle kömür kendiliğinden tutuşarak çevreye zarar verebilir.
• Kömürün yakılması sürecinde çevreye CO2, SO2, NOx gibi zararlı gazlar yayılabilir ve küresel ısınmayı ve sera etkisini arttırabilir (bkz. sayfa 78).

Kömürün üretim sürecinde toz oluşumunu engellemek amacıyla aşağıdaki önlemler alınabilir:

• Kömürün taşındığı yolların stabilize edilmesi,
• Toz moleküllerinin birikiminin önlenmesi,
• Toz bulunan yüzeyin su ile ıslatılması,
• Toz bastırma sistemlerinin kullanılması,
• Çalışılacak maden sahasının etrafının ağaçlandırılması ile rüzgârın engellenmesi, şeklinde sıralanabilir.