Sabit yataklı yakma sistemlerinde yanmada kömür neminin emisyonlara etkisinin deneysel incelenmesi

Abstract

Maden yatağında kömür, higroskopik ve genel olarak su ile doymuş poröz bir maddedir. Düşük ranklı bitümlü kömürler %20' den fazla neme sahiptirler ve bazı mineral maddelerin (kül v.b.) yüksek oranda bulunmaları nedeniyle ısıl değeri düşüktür. Kömürün kalite kontrolü ve bileşiminin tespiti için düzenli ölçümlerin yapılması zorunludur. Kömürün taşınması sırasında enerji gereksinimi, yataktan çıktığı neme veya bulunduğu ortamın nemine bağlı olarak değişkenlik gösterebilir. Yeni madencilik projelerinde, mevcut olan veya olabilecek kömür rezervlerinde, ürünün toplam nem içeriğinin belirlenmesi ekonomik olarak büyük önem taşımaktadır. Kömürdeki su bulunduğu yatağın durumuna göre, kömürün işlenmesi, depolanması ve taşınması kademeleri süresince kaybedilir ve tekrar kazanılabilir. Ürünün kalitesini, kömür yatağındaki sondaj çalışmaları ile yapılan araştırmalar ve yatağın oluşumu ile tespit etmek mümkündür. Kömürün öğütülmesi sırasında, aşın nem öğütücü üzerinde basınç oluşturmaktadır. Güç istasyonlarında; kömürün depolardan boşaltılması, akışı ve pompalanması kömürün nem içeriğinden önemli oranda etkilenmektedir. Yüzey neminde az miktarda meydana gelen artış, kömür partiküllerinin duruşunu etkileyerek, akış hızını azaltmaktadır. Nem kömürü tanımlamadaki temel parametrelerden biridir. Kısa analiz; nem,kül, uçucu madde ve sabit karbondan oluşur ve toplamı 100 (%)' dür. Nem, reaktivite, gazlaştırma, piroliz, kurutma ve uçucu madde çıkışını, boyut dağılım karakterizasyonu, tutuşma noktası ve kömürün yanabilirlik sınırını direkt olarak etkilemektedir. Ayrıca kömürdeki nem, kömürün depolanmasını, ince partiküllerin yanmasını, yeraltı gazlaştırma işlemim, kok fırınlarında karbon birikimini, düşük ranklı kömürlerde kömürün kendiliğinden yanmasını, briketleme tekniğini ve akışkan yatak teknolojisini etkilemektedir. Kömür oluşumunda ilk adım bataklık içerisinde bitkisel maddelerin birikmesidir. Bu adımı pekişme ve yatak içerisinde %80-90 nem içeriğine sahip bitkilerin çürümesi ile oluşan yakacakta, organik maddelerin kısmi azalması takip eder. Kahverengi kömür ve linyit gibi kömürleşmenin bir sonraki kademesindeki düşük kaliteli kömürler, %30-70 aralığında nem içeriğine sahiptir. Kömürleşmenin son kademesindeki sert veya bitümlü kömürler nispeten (%10 veya daha az) daha düşük nem oranda nem içermektedirler. Bu özelliklerden dolayı, suyun giderilmesi kömürleşme prosesinin tümünü kapsar ve bundan da anlaşılacağı gibi kömürün nem içeriği, onun son derece karakteristik ve önemli özelliklerinden birisidir. Birçok uygulamalar için, düşük kaliteli kömürlerin yüksek nem içeriği kömürün kullanımında önemli sınırlamalara neden olur. XV Kömürdeki su birkaç kritere göre değişmektedir : Bağlanma şekli, fiziksel konumu, dinamik özellikleri ve kristallerime derecesidir. Nem, 100-1 10°C sıcaklıkta, hızlı bir şekilde ısıtma ile mineral maddelerle beraber bulunan ve termal olarak daha stabil olan kristalizasyon suyundan ayrılır. Daha sonra kil minerallerinin alüminasilikat yapışma bağlanır. Bu durumda kömürün tam olarak kurutulması (susuz) «350°C sıcaklık üzerinde gerçekleşir. Kömürde tutulan nem; kömürün por iç yapısında (gözenek nemi veya kapiler yoğunlaşma suyu), yüzey nemi (yüzeysel serbest) ve organik ve inorganik maddeler ile veya polar gruplar ile birleşmiş sudur. Kömür-su sistemlerinde, kömürün nemlendirilmesi ve neminin giderilmesi durumunda şişme ve büzülme davranımı gösteren kolloidal jel yapısı incelenmektedir. Kurutma işleminden sonra, kömürün yapısında oldukça büyük boyutlarda gözenek oluşabilmektedir. Gözenek nemi; Porlarda tutulan nem miktarı, kömür tipi kadar kömürün rutubetine ve sıcaklıkla ilişkisine bağlıdır. Porların tuttuğu nemin maksimum miktarı gözenek nemi olarak bilinir ve şu şekilde tanımlanır : Kömür damarlarının özelliği olduğu kadar, yatağın doğal yapısında bulunan bir nemdir. Kömür yatağının bir bölümü olarak yapıda bulunur, yüzeyden ilave olan bir nem değildir. Gözenek nemi, kömür ortamda kuruduktan sonra kalan neme eşit değildir. Gözenek nemi, kömür numunesinin 30°C ve %96 relatif rutubetteki denge durumundan sonra ölçülen nem içeriğine eşittir. Relatif rutubet denge nemi, nem tutma kapasitesi ve kapasite nemi olarak bilinir. Ortam nemi, kısa analizlerin doğru olarak yapılabilmesi için ilk olarak belirlenir. Kömür numuneleri, sıcaklık ve rutubet gibi temel olan ortam koşullarında dengeye ulaştıktan sonra ölçülür. Bu nedenden dolayı kömürün karakteristik özelliğine değil, deneysel ortam koşullarına bağlı olarak elde edilen nemdir. Yüzey nemi; kömürün partikül yüzeylerinde tutulan nemdir ve büyük oranda kömürün tipine bağlıdır. İç yüzey alanının artması ile yüzey nem içeriği artacağından, partikül boyutu da yüzey nem miktarında etkin parametredir. Kömür neminin akışkan yatakta yanma üzerine etkisi ile ilgili bazı çalışmalar yapılmaktadır. Ancak, sabit yataklı yanma sistemlerinde nemin yanma verimi ve emisyonlar üzerine etkisi ile ilgili çalışmalar hemen hemen hiç yapılmamıştır. Türkiye'de düşük kaliteli yakıtlar ve kötü yanma koşullan ciddi hava kirliliği problemlerine sebep olmaktadır. Bu problemlerin kaynaklarından biri yanmadaki rolü sebebiyle nemin etkisidir. Türk kömürleri genelde yüksek nem içeriğine sahiptirler. Nem içeriği, kömürün yanma verimi ve emisyonlar üzerinde etkili temel faktörlerden biridir. Bu çalışmada, üç farklı kömür ve bunların karışımı harman kömürün üç farklı yanma sisteminde yakılmasıyla oluşan toz ve gaz emisyonlar ile birçok yanma parametreleri incelenmiştir. Bu yakma sistemleri elle yüklemeli sıcak su kazam, otomatik yüklemeli sıcak su kazanı ve sobadır. Dünyadaki az gelişmiş yerleşim ve gecekondu bölgelerinde, soba evsel ısıtmada çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Gelişmiş ülkelerde ise benzer amaçla, elle yüklemeli sıcak su kazanları apartmanlarda ve endüstride kullanılmaktadır. Soba ve elle yüklemeli sıcak su kazanları yüksek oranda kirliliğe sebep olan sistemlerdir ve düşük yanma verimine sahiptirler. Otomatik yüklemeli sıcak su kazanı ise düşük kömürleşme derecesine sahip kömürlerin yanması için tasarlanması nedeniyle, bu sistemde yanma daha verimli ve kararlıdır. Bu çalışmada tüm parametreler elle ve otomatik yüklemeli sıcak su kazanlarında karşılaştırılmıştır. xvi Bu çalışmada İstanbul'un Yeniköy bölgesinde çıkarılan genç Ağaçlı kömürü, Güney Afrika kömürü, bunların karışımı ve Soma kömürü kullanılmıştır. Orijinal kömürlerinin analizi Tablo 1 ' de verilmiştir. Tablo 1. Orijinal Y.Ağaçlı ve G.Afrika Kömürlerine Ait Analiz Değerleri (%ağ.) Orijinal Yeniköy Ağaçlı kömürü %37-38 nem, orijinal kömürün kurutulması ile oluşturan farklı nem içerikli kömürler ise %24, %21, %17, %15 ve %10 oranında nem içermektedir. Ayrıca Y.Ağaçlı ve G.Afrika kömürünün karıştırılması ile hazırlanan harman kömürün nemi ise %20-22' dir. Yanma deneyleri, herbiri ISO standartlarına denk olan, kazanlarda TS 4040 ve 4041 ve sobada TS 4900 standartlarına göre gerçekleştirilmiştir. Her iki kazarım ısıl kapasitesi 93 kW dur. Toz numuneleri, baca gazı nemi, yanma gazının hızı, baca sıcaklığı ile ilgili tüm ölçümlerde Amerikan USEPA onaylı Andersen Universal Toz Örnekleme Sistemi kullanılmıştır. Yanma gazı konsantrasyonlarının ölçümlerinde Alman yapımı MRU 95/3CD marka cihaz kullanılmıştır. Baca çekişi ise, çalışma aralığı +0.1-0.5 mbar olan Brigon marka cihaz ile ölçülmüştür. Toz emisyon sonuçlan tüm yanma sistemlerinde parelellik göstermektedir. Kütlesel debi ve ölçüm süresinde toplam ağırlık olarak emisyonlar hesaplanmıştır. Toz emisyonu, nem içeriği %21.40 olan kömürde maksimum değer almaktadır. Bu davramm, Beypazarı linyitlerinin sadece iki nem içeriği için literatürde bulunan değerlerle benzerlik göstermektedir. Beypazarı linyitinin yanması sonucu toz yayınımı kömürün nem içeriği %18 den %27' ye yükseldiğinde artmakta, fakat nem içeriğindeki düşme mukayese edilememektedir. Nem, kömürün şişme ve büzülmesinde önemli bir rol oynamaktadır ve sonuç olarak por oluşumu difüzyon kontrolünde oldukça önemlidir. Günümüzdeki deneysel sonuçlar, kömürün yapısal şekli, por oluşum mekanizması, ısı ve kütle transfer mekanizmaları bir arada değerlendirilebilse, nemin değişimi ile beraber toz emisyonlarının davranımlarını anlamak mümkün olacaktır. %21 nemli kömür için yanmanın başlangıcında yüzey nemi azdır ve kapiler yoğunlaşma suyu evaporasyonda temel noktadır. Kömür yapısının porozitesi, %38-37 nemli kömüre oranla çok daha fazla gelişmektedir. Bu kömürdeki ısı transferi, fazla miktardaki serbest nem kaybı sebebiyle %38 nemli orijinal kömüre göre çok daha yüksektir. Bu durumda yüksek nem şartlarına kıyasla daha hızlı ısınma durumundaki kömür içerisindeki fiziksel su hızla buharlaşacak, gözenekler içerisinde basınç oluşturarak kırılmalara ve bunun sonucunda toz emisyon yayınımında artışa neden olacaktır. Bu olay, nemin türü, ısı ve kütle transfer mekanizmaları ve porozite oluşumu ile açıklanmaktadır. xvıı Elle yüklemeli sıcak su kazanına ait sonuçlarda, hava fazlalığı ve karbonmonoksit konsantrasyonu otomatik yüklemdi sıcak su kazanı ile karşılaştırıldığında oldukça yüksek değerlerdir. Otomatik yüklemeli sıcak su kazanı, hava kontrollü bir sistemdir, birincil ve ikincil hava girişleri nedeniyle yanma oldukça kararlıdır. Elle yüklemeli sıcak su kazanında yanma havası girişi kontrol edilememektedir. Bu nedenden dolayı karbonmonoksit konsantrasyonu ve hava fazlalığı oldukça yüksektir. Kükürtdioksit konsantrasyonu ise kömürün kükürt içeriğine bağlıdır, yakma sistemine göre değişim göstermez.

Coal in seam is hygroscopic, porous material usually found saturated with water. For low-rank bituminous coals, the as-received moisture content may be as high as 20% and the resultant loss in calorific value can be of the same magnitude or greater than that due to the presence of mineral matter (i.e. ash). Its routine measurement must therefore form a part of all routine coal quality control and assessment. The specific energy requirements of a coal consignment may be specified either as air-dried or as- received. Prediction of the total moisture content of products forms an essential part of the economic assessment of new mining projects, whether new prospects or extension to existing mines. During the stages of mining, preparation, storage and transportation, water can be both lost and gained with respect to the in-situ state. It is current practice to base predictions of final produt quality on a knowledge of exploration borecore analysis, historical data and local experience. In grinding, excess moisture can exert a limiting effect on mill throughput and increase the wear rate of mill components due to abrasion. The flow of coal during normal handling at a power-plant, e.g. disharge from storage bins, chutes and pipes, is critially affected by moisture content. Small amounts of surface moisture increase the angle of repose of coal particles significantly, thus reducing floe rates. Moisture is one of the primary parameters that describe coal. Indeed, the proximate analysis involve moisture, ash and volatile matter determination, with fixed carbon found as the diffeence between 100% and total percentage of the other three parameters. It is well known that coal moisture has a direct effect on reactivity, gasification, pyrolysis, drying and volatile matter evoluation, size degradation characteristics ignition point and combustion limit of coals. Furthermore, coal moisture has effects storage of coal, combustion of fine particles, undergraund gasification, carbon deposition in coke ovens, self-heating of low-rank coals, briquietting techniques and fluidized-bed technology. The first stage of coal formation is the accumulation of vegetable matter is swamps. This is followed by consolidation and partial decay of the organic matter to form peat, which can have moisture contents of 80-90% in situ. Low-rank coals such as brown coals and lignites, which are formed in the next stage of coalification, have moisture content in the range 30-70%. Hard or bituminous coals, which are formed in the final stages of coalification, have relatively low moisture contents of 10% or less. Thus the elimination of water is an integral part of the coalification process and it follows that the moisture content of a coal is one of its most characteristic and xix important properties. The water in a coal also has a significant effect on its utilization. Water in coal can be differentiated according to several criteria : type of bonding, physical location, dynamic properties and degree crystallinity. Moisture mat is removed by heating at 100-1 10°C can be readily distinguished from the more thermally stable water of crystallisation present in associated minerals. The latter is chemically bound within the aluminosilicate matrix of kaolinite, illite and other clay minerals, with the result that complete dehydration does not occur below «350°C. Moisture is held by particulate coal ; within the extensive internal pore structure (inherent moisture or capillary condensed water), surface moisture (superficial free) and sorbed water associated with polar groups or organic and inorganic matter. A coal-E^O system has been proposed to be viewed as a colloidal gel that shrink and swell in response to moisture loss or gain. After drying, considerable porosity may be formed in the coal structure. Inherent moisture ; The quantity of moisture held in the pores depends on its humidity and thermal history, as well as on coal type. The maximum content of pore- held moisture is known as the inherent moisture, which is defined as : that moisture existing as a quality of the coal seam as it exists in its natural state of deposition and includes only that water considered to be part of the deposit and not that moisture which exists as a surface addition. Inherent moisture is not to be equated with the moisture remaining after air-drying. Inherent moisture is usually equivalent to the moisture content measured after equilibration of a representative sample at 30°C and 96% relative humidity, which is also known as equilibrium moisture, moisture holding capacity and sometimes as capacity moisture. Air-dried moisture is determined primarily for the accurate determination of proximate analysis. It is measured after equilibration of a coal sample under the prevailing conditions of temperature and humidity. Hence, it is obtained largely for the convenience of laboratory operation and is not an intrinsic property of the coal. Surface moisture ; the amount of moisture held on the surface of coal particles is largely independent of coal type, it is influenced by particle size, since surface moisture content increases with increased external surface area. There have been some systematic studies on the effects of coal moisture on combustion in fluidized beds. However, studies on the effect of moisture on combustion efficiency and emissions in fixed-bed combustion system are rather scarce. In Turkey low grade fuels and poor combustion appliances together cause serious air pollution problems. One of the reasons of this problem is the effect of moisture due to its role in combustion. Turkish coals have generally high moisture contents. Moisture content is one of the major factors effecting coal combustion efficiency and emissions. In this study, effects of moisture on particulate and gas emission and many combustion parameters of two different coals and their mixtures are investigated in three combustion systems.This systems are hand-loaded boiler, automatic-loaded boiler and stove. In certain parts of the world where there are shanty town or squatter-type developments, stoves are mostly utilised for domestic heating. Similary, in developing countries, manually loaded boilers are used in apartments and industries. Both stoves and hand-loaded boilers are low efficiency, high pollution xx systems. Because of automatic-loaded boiler is designed for combustion of lower- rank coals, combustion is more efficient and steady. This boiler has primary and secondary air entrance. Therefore, air control is excellent in automatic-loaded boiler. All of parameters in both hand-loaded boiler and automatic-loaded boiler are compared in this study. In this study a young peaty (Ağaçlı) coal from Istanbul Yeniköy, a South African coal and mixtures of these two coals and Soma coals were used. The analysis of original coals is presented in Table 1. Table 1. Analysis of the Original Y. Ağaçlı and S. African Coals (wt.%) The original Y. Ağaçlı coal, which contained 38-37% moisture, was dried to obtain 24%, 21%, 17%, 15% and 10% moisture coals. Also a mixture of Y. Ağaçlı and S.Afrian coals was prepared which had a moisture content 20-22%. Combustion tests were performed according to Turkish Standarts (TS) 4040 and 4041 in boilers and TS 4900 in stove which are equivalent to respective ISO standarts. Two boilers had a thermal capacity of 93 kW. Sampling of the particulates, moisture in the flue gas, flue gas velocity, chimney temperature were all measured using the Andersen Universal Sampling System approved by USEPA. To check measurements of the concentration of combustion gases, a German-made MRU 95/3 CD model instrument and was used. Chimney draft was measured Brigon mark instrument measurement range of which is +0.1-0.5 mbar. Particulate emission results in all combustion systems are parallel. From the mass flow rates and emission period, mass emissions are calculated. Particulate emissions exhibit a maximum point with increasing moisture content at 21.40% Yeniköy Ağaçlı coal. This behaviour agrees with the literature data for Beypazarı coal which showed an increase in particulate emissions when coal moisture was increased from 18% to 27% but the dropping end particulate emissions could not be compared since the reported data gave only two moisture values. It is known that moisture plays an important role in shrinkage and swelling of coals and consequently pore formation plays an important role in diffusion control. If present experimental results are viewed together with the schematic coal structure, pore formation mechanism and heat and mass transfer then it is possible to understand the emission behaviour of particulates with changing moisture content. For the case of 21% moisture coal, at the start there is much less superficial free moisture and capillary condensed moisture is the main target for evaporation. The porosity of coal structure is much more developed compared to the 38-37% case. The heat transfer to the coal body is much higher than the previously higher moisture coal due to the loss of abundant free moisture. The relatively high amounts of xxi evaporated water could not be transferred by the available pores resulting in pressure and subsequently cracking of particles which causes an increase in particulate emission. This is explained in terms of moisture type, heat and mass transfer and porosity formation. In hand-loaded boiler results excess air and carbon monoxide concentration were highest which was compared with automatic-loaded boiler. In automatic-loaded boiler which has air controling system, combustion is rather steady because of primary and secondary air entrance. Whereas, combustion air entrance was not controlled in hand-loaded boiler. Therefore, carbon monoxide concentration and excess air was highest. Sulphur dioxide concentration is related sulphur content of coals and do not change with combustion systems.