Kütahya-tunçbilek Ve Adıyaman-gölbaşı Linyitlerinin Oksijence Zenginleştirilmiş Ortamda Yanma Davranımlarının İncelenmesi

Abstract

Enerji, ülkelerin refah ve gelişmişlik düzeylerini belirlemede en önemli parametre olarak kabul edilmektedir. Artan globalleşme ve hızlı biçimde artan dünya nüfusuna bağlı olarak dünyanın enerji ihtiyacı her geçen gün artmaktadır. Bu ihtiyaca bağlı olarak, ülkeler sahip oldukları enerji kaynaklarını verimli biçimde kullanma yoluna gitmişlerdir. Sanayileşme devriminden bu yana enerji üretimini kendileri sağlayan ve üretimlerinde yeni teknolojiler geliştirerek proseslerini daha verimli hale getiren ülkeler günümüzde gelişmiş ülkeler olarak adlandırılmaktadır. Dünyada enerji sektörü yenilenebilir ve yenilenemez enerji kaynaklarının kullanımına dayanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları güneş, rüzgar, biyokütle, jeotermal, hidrolik ve hidrojen enerjileri, yenilenemez enerji kaynakları ise fosil yakıtlar ve nükleer enerjidir. Günümüzde en çok değerlendirilen enerji kaynağı fosil yakıtlardır. Fosil yakıtların dünyadaki rezervi yaklaşık 1317 milyar TEP civarındadır. Bu değerin yaklaşık olarak %80’i kömürler tarafından oluşturulmaktadır. Milyonlarca yıl önce bitki kalıntıları ve hayvan fosillerinin uygun şartlar altında birikerek sıcaklık ve basıncın etkisiyle sıkışıp yapısını değiştirmesiyle oluşan kömür, genel olarak termik santrallerde elektrik üretimi amacıyla kullanılmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri, Çin, Hindistan ve Rusya kömür rezervleri açısından en zengin ülkelerdir ve kömürden elde ettikleri enerjiyi ihraç ederek büyük kazançlar sağlamaktadırlar. Kömürler oluştukları zaman dilimine, hangi tür kalıntılardan oluştuğuna, oluştuğu bölgenin yapısal ve tektonik özelliklerine göre farklılaşmaktadır. Bu farklılıklardan dolayı kömür uluslararası tanınan yöntemlerle sınıflara ayrılmaktadır. Sınıflara ayrılmada kullanılan en temel analizler, kısa analiz, elementel analiz ve ısıl değer tayinidir. Kısa analiz, kömürün sahip olduğu nem, uçucu madde, sabit karbon ve kül yüzdesini belirlemede kullanılır. Elementel analiz ise kömürün yapısında bulunan karbon, hidrojen, oksijen, azot ve kükürt yüzdelerini tayin eder. Birim ağırlıktaki yakıtın yakılması sonucu açığa çıkan enerji olarak tanımlanan ısıl değer ise, genellikle bomba kalorimetre cihazı kullanılarak belirlenir ve kömürün sınıfını belirlemede en büyük parametrelerden biri olarak kabul edilir. Bir kömürün kalitesi ısıl değeri ile doğru orantılı olarak değişir. En genel olarak, linyit, bitümlü kömür ve antrasit olarak sınıflandırılan kömürün kalitesi, turbadan antrasite doğru artmaktadır. Türkiye büyük miktarda linyit rezervine sahiptir. En büyük rezervler Afşin-Elbistan, Konya-Karapınar, Manisa-Soma bölgelerinde bulunmaktadır. Türkiye linyitlerinin büyük çoğunluğunun ısıl değeri oldukça düşük, külü, uçucu maddesi ve nemi yüksektir, ve bu linyitler kalitesiz olarak nitelendirilmektedir. Ülkemizde genellikle termal tesislerde yakılarak değerlendirilen linyitler yakma sistemlerinde büyük sorunları beraberinde getirmektedir. Bu sorunların en önemlisi yakma sonucu yayılan, çevreyi ve insan sağlığını olumsuz etkileyen emisyonlardır. Emisyonlarda en büyük paya CO2 sahiptir ve yeryüzünde biriken CO2 sera gazı etkisi yaratarak küresel ısınmaya sebep olur. NOx ve SOx emisyonları ise atmosferdeki nemle birleşerek asit yağmurlarının oluşumuna yol açar. Baca gazıyla açığa çıkan toz partikül ve uçucu külde bulunan ağır metallerin insan sağlığına ve çevreye olan zararlı etkileri de yadsınamayacak derecededir. Bütün bu nedenlerden dolayı, atmosfere salınan emisyonları minimize ederek daha çok enerji kazanmayı amaçlayan yeni teknolojiler geliştirilmektedir. Geliştirilen bu teknolojiler “temiz kömür teknolojileri” başlığı altında incelenilmektedir. Temiz kömür teknolojilerinin en temel amacı, yakma işlemi sırasında elde edilecek termal verimi arttırmaktır. Termal verimi arttırmanın çeşitli yöntemleri vardır. Bu yeni teknolojilerin amacı termal verimi arttırmak ve emisyonları azaltmaktır. Termik santrallerde kullanılan termodinamik çevrimler, yakma ortamında bulunan atmosferdeki gazların cinsi ve konsantrasyonları, yakma sistemlerindeki farklılıklar, geri döngülü sistemler termal verimi arttırmak, ve dolayısıyla emisyonları azaltmak için tasarlanmakta ve uygulanmaktadır. En temel emisyon olarak bilinen CO2’yi tutmak için amin çözeltileri kullanılmakta, oksiyanma teknolojisi yoluyla da açığa çıkan CO2 yanma sistemine geri döndürülerek kömürün yanma verimi arttırılmaktadır, bazı sistemlerde de CO2 yerin altında depolanmaktadır. SOx emisyonlarını azaltmak amacıyla da akışkan yatak teknolojisi gibi termal verimi arttıracak yakma sistemleri geliştirilerek, kireçtaşı, dolomit gibi kimyasalların SO2 ile tepkime vermesi özelliğinden faydalanılmaktadır. NOx emisyonlarını azaltmaya yönelik olarak düşük NOx oluşturan teknolojiler üzerinde çalışılarak, SCR ve SNCR indirgeme sistemleri uygulanmaktadır. Bütün bu emisyonların azaltılması ve termal verimin arttırılması amacıyla oluşturulmuş temiz kömür teknolojilerinden en önemlilerinden biri de oksijence zenginleştirilmiş ortamda yakmadır. Türkiye gibi büyük oranda düşük ısıl değerlikli linyitleri yakma proseslerinde kullanan ülkelerde, oksijence zenginleştirilmiş ortamda yakmanın sağlayacağı faydalar oldukça fazladır. Oksijence zenginleştirilmiş ortam oluşturmak için hava ayırma yöntemleri kullanılarak havadaki azot ile oksijen birbirlerinden ayrılır. Ayırma işlemi kriyojenik olan ve kriyojenik olmayan yöntemlerle yapılır. Kriyojenik ayırma çoğunlukla distilasyona dayandırılırken, kriyojenik olmayan ayırmada membranlar, adsorpsiyon ve kimyasal reaksiyonlar önem kazanır. Ayırma sonucunda oksijen konsantrasyonu arttırılmış O2/N2 karışımı ya da saf O2 kömür yakma sistemine beslenir. Büyük ölçekte kömür yakma sistemlerinde yanma ortamında açığa çıkan gazların etkisiyle ortamda oksijen azalmaktadır. Oksijen miktarını arttırmak amacıyla ikincil veya üçüncül hava beslemesi yapılmasına rağmen tam yanma gerçekleştirilememekte, karbonun bir kısmı yatak külünde kalmakta ya da bacadan uçucu külle birlikte taşınmakta ve karbon kayıplarına neden olmaktadır. Azot, yakmanın gerçekleştirileceği ortamda inert davrandığı için ortamdaki sıcaklığın oksijen yoğun ortama göre daha az olmasına neden olur. Bu anlamda, oksijen konsantrasyonunun fazla olduğu ortamda yanma daha kısa sürede, daha verimli olarak ve dolayısıyla az emisyon salınımı gerçekleştirilerek sağlanır. Bu çalışmada Türkiye’nin Adıyaman-Gölbaşı ve Kütahya-Tunçbilek bölgelerinden kaynaklanan iki farklı linyit örneği ile çalışılmıştır. Adıyaman-Gölbaşı kömürünün ısıl değeri oldukça düşük iken, Kütahya-Tunçbilek kömürünün ısıl değeri Türkiye linyit ısıl değeri ortalamasının oldukça üzerindedir. Isıl değeri birbirinden önemli derecede farklı olan, farklı kalitede bu iki linyitin seçilme nedeni, yakmanın sağlanacağı ortamdaki yanma davranımlarındaki benzerlik ve farklılıkları belirleyerek, bu benzerlik ve farklılıkların etkilerini incelemektir. Deney çalışmalarına başlamadan önce Adıyaman-Gölbaşı ve Kütahya-Tunçbilek linyitleri, yüzey nemlerinin giderimi için 24 saat boyunca hava ortamında bekletildikten sonra halkalı öğütme cihazında öğütülerek tanecik boyutları 250 µm’nin altına indirilmiştir. Öğütme işleminin ardından linyitlerin kısa ve elementel analizi, DSC/DTA/DTG, ısıl değer tayini, XRD, FTIR ve SEM karakterizasyon testleri yapılmıştır. Her iki kömür için de yatay boru fırın cihazı kullanılarak farklı atmosferlerde DTG eğrilerinden belirlenen sıcaklıklara göre yakma işlemi gerçekleştirilmiştir. Termal analiz cihazında kuru hava ortamında orijinal linyit numunelerinin yakma sonucu elde edilen eğrileri incelenilerek, Adıyaman-Gölbaşı linyiti için 200ºC, 400ºC ve 600ºC, Kütahya-Tunçbilek linyiti için de 200ºC, 450ºC ve 800ºC sıcaklıkları seçilmiştir. Yakma atmosferindeki (O2+N2 karışımı) oksijen oranı da her iki linyit için %21, %30, %40 ve %50 olarak belirlenmiştir. Belirlenen şartlar altında 5 g öğütülmüş linyit numunesi kuvarstan yapılmış kayıkçığa, kayıkçığın içerisindeki numunenin kayıkçık boyunca yüksekliği aynı olacak şekilde tartılarak yakılmıştır. Kayıkçık, yatay boru içerisinde tam ortada olacak şekilde yerleştirilmiş ve istenilen oksijen/azot oranı, oksijen ve azot tüpleri ve debimetreler vasıtasıyla ayarlanmıştır. Yatay boru içerisinde istenilen oksijen/azot oranına sahip ortamın dengeye gelmesi için 20 dakika beklenmiştir. Geçen sürenin ardından sabit 10ºC/dk ısıtma hızıyla belirlenen sıcaklığa çıkılmıştır. İstenilen sıcaklıkta numune 60 dakika bekletilmiştir. Yakma sonucu geride kalan numunelerin termogravimetri cihazında kuru havada ykılması sonucu elde edilen TGA/DSC/DTA/DTG’leri, kısa analizi, elementel analizi, ısıl değer tayini, FTIR, XRD ve SEM karakterizasyon testleri yapılmıştır. TGA/DSC/DTS/DTG eğrilerinden ana linyit örneklerinin ve yakma sonucu kalan numunelerin termal davranımları belirlenmiştir (tutuşma sıcaklığı, yanma süresi, maksimum yanma hızı ve sıcaklığı). Kısa analizden linyit numunesindeki yüzde nem, uçucu madde, sabit karbon ve yanma sonunda geriye kalan külü, elementel analizden ise numunedeki yüzde karbon, hidrojen, azot, kükürt ve oksijen tayin edilmiştir. XRD analizinde numunedeki kristal yapı özellikleri belirlenmektedir. Elde edilen piklere göre numunedeki mineraller belirlenmiştir. FTIR analizi ile numunelerdeki organik yapılar, dalga boylarına isabet eden bağlara göre tayin edilmiştir. SEM analizi sayesinde Kütahya-Tunçbilek ve Adıyaman-Gölbaşı numunelerine boru fırında uygulanan farklı sıcaklık ve oksijen oranlarında yakmanın ardından geri kalan numunelerin morfolojik değişimlerine etkisi incelenerek karakterizasyon analizlerinin sonucunda, hem orijinal Kütahya-Tunçbilek ve Adıyaman-Gölbaşı numunelerinin, hem de farklı atmosferlerde yanmaya tabi tutulduktan sonra geri kalan numunelerin elementel analiz verilerinden faydalanılarak sonuçlar üzerinden lineer regresyon analizi uygulanmıştır. Regresyon analizinin temel amacı, ana linyit numunelerinin boru fırında yakıldığı sıcaklık ve oksijen oranının, yakma sonucu numune içerisinde kalan karbon içeriğine etkisinin gözlemlenmesidir. 200ºC gibi düşük sıcaklıklarda oksijen yüzdesinin etkisiz bir parametre olduğu görülürken, artan sıcaklıkla oksijenin yakma işleminde önemli bir rol oynadığı tespit edilmiştir. Nem içeriği ve uçucu maddesi yüksek, sabit karbonu düşük olan Adıyaman-Gölbaşı linyitinin Kütahya-Tunçbilek linyitine göre daha düşük sıcaklarda tutuşup yanabildiği görülmüştür ve her iki linyitin özellikleri elde edilen veriler doğrultusunda tartışılmıştır. Numunelerin reaktivite özelliklerini incelemek için de Di, Db, Hf, S endeksleri hesaplanmıştır. Orijinal Kütahya-Tunçbilek ve Adıyaman-Gölbaşı numuneleri ve yanma sonraki kalan numuneler için Coats-Redfern yöntemi ile kinetik hesaplamalar yapılarak aktivasyon enerjileri ve frekans faktörleri tespit edilmiştir. Hesaplanma sonucu elde edilen veriler doğrultusunda aktivasyon enerjileri ve frekans faktörleri değerlerini belirlenmesinde yatay boru fırındaki sıcaklığın ortamdaki oksijen konsantrasyonuna göre daha etkili bir parametre olduğu görülmüştür. Numunelerin termal bozunmalarının birinci dereceden reaksiyon modeli ve Avrami-Erofeev n=2 nükleasyon modeli ile açıklanabileceği sonucuna varılmıştır.

Lignites are the most used domestic energy sources in Turkish energy mix and commonly utilized as a fuel in thermal powerplants. These kind of coals may cause a wide range of problems in combustion systems decreasing boiler effectiveness, causing slagging and fouling tendency in furnace and increasing the need to handle more fuel to produce a given amount of power due to their properties. Moreover, increasing greenhouse gas emissions, one of the major pressing issues of the international agenda, are mainly caused by burning lignites all over the world and new technologies such as oxy-fuel combustion, oxygen enriched combustion, integrated gasification combined cycle (IGCC), and carbon capture and storage (CCS) are actively being investigated to achieve these targets which are mentioned above. In this study, low and high grade Turkish lignites, Adıyaman-Gölbaşı and Kütahya-Tunçbilek, were oxidized in a horizontal tube furnace in atmospheres having different oxygen proportions (21%O2+79%N2, 30%O2+70%N2, 40%O2+60%N2, 50%O2+50%N2) at three different temperatures determined from DTG curves (200ºC, 400ºC, 600ºC for Adıyaman-Gölbaşı lignite and 200ºC, 450ºC, 800ºC for Kütahya-Tunçbilek lignite). For this purpose, the particle sizes of lignite samples were reduced below 250 µm by grinding and the heating values of ground particles were determined by using a bomb calorimeter. After TGA/DSC/DTA/DTG, FTIR, XRD, SEM characterization tests, the ultimate and proximate analyses were performed and combustion experiments were conducted at given conditions. The same procedure was applied to the residues which were left after burning. According to the data obtained from all of these tests, the combined effects of temperature and oxygen on combustion efficiency, distribution of functional groups and minerals, behavior of coal during combustion were discussed for both Adıyaman-Gölbaşı and Kütahya-Tunçbilek lignites. Empirical fits to the data were applied over the entire range of temperature and oxygen concentrations using regression analysis method. By using the equation which is obtained from regression analysis, the required oxygen and temperature values are determined to be able to consume nearly the sum of the carbon content in coals which have different ranks. From all of the data which was obtained from experimental studies, it was proved that the coal rank is an important issue in determining the combustion characteristics. The lower coal rank, the lower temperatures coal can ignite. Moreover, increasing oxygen fractions in O2/N2 gas mixture had a profound effect on promoting the combustion process, especially at elevated temperatures, which was supported by ultimate, proximate and heating value determination analyses. According to the FTIR, XRD characterization tests, it was also observed that, the temperature and oxygen concentration increment in the atmosphere resulted in the evolution of bonds and structures which are associated with efficient burning. SEM results showed that increasing oxygen concentrations and temperatures inside the horizontal tube furnace resulted in the fissures and cracks followed by the evolution of bright regions for the residues. Kinetic analyses were also performed for the ground original Kütahya-Tunçbilek and Adıyaman-Gölbaşı samples and their residues. Coats-Redfern method was applied to the samples to establish kinetic models to predict the thermal decompositions of Kütahya-Tunçbilek and Adıyaman-Gölbaşı samples in dry air. The kinetic models were studied with regard to different mechanisms, such as reaction order, diffusion, contracting geometry and nucleation. Activation energies and frequency factors were calculated. As a result, it was seen that the dominating mechanisms for both lignites were 1st order reaction and Avrami-Erofeev n=2 models. Activation energies and frequency factors were determined to be more dependent to the temperature rather than the oxygen concentration in the atmosphere.