Türkiye linyit kömürleri için yer altında kömür gazlaştırmasının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Son yıllarda ülkelerin gelişmişliği ile birlikte ortaya çıkan enerji ihtiyacı, fosil yakıtlardan (petrol, doğal gaz, kömür vb.) ve yenilenebilir kaynaklardan üretilen enerjiden (rüzgâr, güneş enerjisi, jeotermal ve hidro enerji vb.) karşılanmaya çalışılmaktadır. Ekonomide dışa bağlılık, enerji üretiminin ekonomiye olumlu yönde katkısı gibi faktörler düşünüldüğünde, herhangi bir yakıtın enerji üretiminde kaynak olarak kullanılabilmesi önemlidir. Ülkemiz linyit kömür rezervleri açısından oldukça zengindir. Ancak bu rezervin sadece %15'i geleneksel madencilik yöntemiyle çıkarılması halinde ekonomik olabilmektedir. Diğer husus ise son yıllarda yaşanan kömür maden kazalarıdır. Ayrıca son yıllarda fosil yakıtların geleneksel yanma teknikleriyle yakılması çevreyi önemli şekilde kirletmektedir. Bu noktada, Yeraltında Kömür Gazlaştırma (YKG) tekniği, kömürün yer altında çıkarılmasına gerek kalmadan orada temiz yanıcı gazlara dönüştürülmesini sağlayan ekonomik ve çevreci yöntem olarak ortaya çıkmaktadır. Yeraltında kömür gazlaştırma (YKG) işlemi için, yer altında bulunan kömür yatağına sondajlar ile kuyular açılarak, burada oluşturulan kömür bloklarına (gazlaştırma reaktörlerine) kontrollü şekilde hava ve oksijen gibi gazlaştırıcılar beslenmesiyle gazlaştırma reaksiyonları tetiklenerek kömürden sentez/yanıcı gaz (sentez gaz) elde edilmesi sağlanır. Gazlaştırma işlemi sonucunda sentez gazı olarak anılan yanıcı CO, H2 ve CH4 gibi gazları üretilir. Yeraltı kömür gazlaştırma (YKG) için son yıllarda uluslararası yoğun çalışmalar başlatılmıştır. Bu çalışmalar, sentez gazının kalitesini ve ısıl değerini arttırılması için YKG uygulamasının geliştirilmesine yönelik olduğu görülmektedir. Yeraltında kömür gazlaştırması (YKG) işleminde, gazlaştırma reaktör (kömür bloğu) boyutları, kömürün termofiziksel özellikleri, gazlaştırıcı gaz cinsi/karışım oranları (hava, oksijen ve su buharı) belirleyici parametrelerdir. Bu nedenle bu parametrelerin yerli kömürler için incelenmesine ihtiyaç vardır. YKG teknolojisini başta ülkemiz kömürleri için geliştirmek amacıyla sunulan 1003-113M038 sayılı projesi TUBİTAK - ARDEB tarafından desteklenmiş olup İTÜ bünyesinde oluşturan araştırma grubuyla çalışmalar yürülmüştür. Bu kapsamda deneysel çalışmalar için, laboratuvar ölçekli YKG deney düzeneği İTÜ Makine Fakültesinde kurulmuştur. Deneylerde Pirinççesme - Malkara - Tekirdağ linyit kömür yataklarından alınan örnekler kullanılmıştır. Kömür tedariki ve kömür yatağı (damarı) çalışmalarında Uysal Madencilik şirketi ile yoğun iş birliği içinde bulunulmuştur. YKG'nin saha uygulaması için yeraltında olan kömür yatağı içinde kömür bloklarına bölünerek gazlaştırma reaktörlerinin oluşturulması gerekir. Ancak gazlaştırma reaktörlerinin geometrisi, büyüklüğü ve işletme proses parametreleri kömürün gazlaştırma verimliliği ve kalitesi için çok önemlidir. Özellikle yerli kömürler için uygun gazlaştırma reaktörü geliştimesine ihtiyaç duyulmaktadır. Dolayısıyla labaratuvar ortamında YKG simülasyonları için aynı geometride, fakat iki ayrı ölçekte kullanılacak gazlaştırma reaktörü kurulmuştur. Tasarlanan reaktörlerden birincisi, küçük reaktör, 67cm x 65,5cm x 81,5cm (genişlik x yükseklik x uzunluk) büyüklüğündedir. Tasarlanan reaktörlerin ikincisi, büyük reaktör 101 cm x 65,5 cm x 200 cm büyüklüğündedir. Reaktörde Pirinççeşme – Malkara - Tekirdağ linyit kömür yataklarından alınan örneklerden yararlanılmıştır. Yapılan bu çalışma süresince sekiz adet başarılı deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmaların altısı küçük ölçekli kurulan gazlaştırma reaktöründe, diğer ikisi ise büyük ölçekli kurulan gazlaştırma reaktöründe gerçekleştirilmiştir. Optimum gazlaştırma sıcaklıklarını reaktör içinde elde etmek için deneylerde gazlaştırıcı olarak hava, saf oksijen (O2), hava/oksijen karışımı ve su buharı (H2O) kademeli olarak sisteme beslenmiştir. Laboratuvar ölçekli deneyler sırasında üretilen sentez gazının içinde % 40-50 oranlarında CO ve H2 elde edilmesi mümkün olmuştur. Gazlaştırıcı gaz olarak, hava, saf oksijen (O2), hava-oksijen karışımı ve oksijen-su buharı karışımı kullanılmıştır. Yalnızca hava kullanımıyla gazlaştırma mümkün olmamıştır. Saf oksijenle yapılan gazlaşmada yüksek oranda CO ve H2 içerikli sentez gazı üretilmiştir. Oksijenle zenginleştirilmiş hava (hava-oksijen karşımlı) kullanıldığında gazlaştırma başarılı olmuştur. Oksijen-su buharı karışımlı ve kademeli (art arda) olarak yürütülen gazlaştırmalar ile genel olarak sentez gazında yüksek oranda saf hidrojen gazı elde edilmiştir. Oksijen-su buharı kademeli gazlaşmada özellikle saf oksijen besleme fazı su buharı beslemesi esnasında soğuyan kömür kütlesinin tekrar ısıtılması için gerekli ve yeterli olmuştur. Kademeli gazlaştırma için gazlaştırıcı gaz besleme süreleri ve debileri burada incelelenen noktalar olmuştur. Gazlaştırıcı gaz (oksijen, hava ve su buharı) debisinin gazlaştırma prosesi için çok önemli bir parametre olduğu deneylerde görülmüş olup debi değerinin kömür yatağının boyutları ve kütlesine bağlı olarak değişkenlik gösterdiği ortaya çıkmıştır. YKG uygulamasında uygun gazlaştırıcı gazı debi değerinin teorik hesaplanması mümkün değildir. Bu nedenle deneysel verilere ihtiyaç olmuştur. Diğer taraftan gazlaşma esnasında üretilen gaz bileşimi kontrolü ile gazlaştırıcı gaz besleme ayarı rekli olmuştur. Ayrıca YKG prosesi için sayısal bir model geliştirilmiştir. Böylece, YKG'nin hem deney reaktörü ve hem de gerçek uygulaması için gazlaşma simülasyonları yapılmıştır. Sayısal model, ANSYS-FLUENT programı ile kömür içinde gazlaştırma reaksiyonları ve gaz akışlarını 2 boyutlu, zamana bağlı olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) tekniği ile modellenmiştir. Deneysel çalışmaların HAD analizleri ile simülasyonuları gerçekleştirilmiştir. HAD modeli ile hesaplanan ve deneylerden üretilen sentez gazları (CO ve H2 ) değerleri arasında uyumluluk görülmüştür. HAD modelinde kömür özellikleri, kömür boyutları, gazlaştırıcı cinsi ve debileri parametre olarak kullanılmıştır. HAD analizlerinde, kömür içinde gazlaşmasının gerçekleştiği bölgede sıcaklık dağılımları yanında kimyasal reaksiyon bölgeleri ve gaz bileşenlerin dağılımları zamana bağlı değişimleri gösterilmiştir. Bu sonuçlardan gazlaşmanın kömür içinde yerel ve zamana göre nasıl gerçekleştiği izlenmiş ve kontrolü mümkün olmuştur. YKG gazlaştırma reaktörlerinin boyutlandırılması ve gazlaşma proses ayarları için son yıllarda yaygın olarak kullanılan Makine Öğrenmesi modelinden yararlanılmıştır. Burada deneysel veriler ve literatürde benzer çalışmaların sonuçları kullanılmıştır. Makine öğrenmesinde çok değişkenli bir regresyon (tahmin) modeli, MİNİTAB programı yardımı ile geliştirilmiştir. Bu model, sentez gaz (CO ve H2) ile gazlaştırma reaktör boyutları, kömür özellikleri ve gazlaştırıcı gaz (oksijen) debisi arasındaki matematiksel ilişkiyi tanımlamıştır. Bu tahmin modeli ile hesaplanan sonuçların gerek İTÜ bünyesinde yapılan ve gereksede literatürdeki deneylerle oldukça kabul edilebilir yakınlıkta bir tolerans aralığında olduğu görülmüştür.