KÖMÜR TEKNOLOJİLERİ, KÖMÜRÜN KULLANIM ALANLARI VE ÇEVRE İLE İLİŞKİSİ

Kömüre uygulanan ısıl süreçler; kömürün yakılması, koklaştırılması, gazlaştırılması, sıvılaştırılması ve pirolizdir.

Yanma, kömürün içerisinde bulunan organik maddelerin havadaki oksijen ile gerçekleştirdiği kimyasal tepkimelerdir.

Kömürün tamamen yanabilmesi için gerekli olan oksijen miktarına teorik oksijen miktarı denir.

Karbon ile oksijen arasındaki temel kimyasal tepkimeden görüldüğü gibi kömürün yeterli miktardaki oksijenle tam olarak tepkimeye girmesi tam yanma reaksiyonudur ve bu reaksiyon sonucunda 39356 kj/kmol ısı enerjisi açığa çıkmaktadır. Kömürün içerisinde bulunan karbon yeterli miktarda oksijen ile tepkimeye girmezse kısmi yanma reaksiyonu meydana gelir ve bu reaksiyon sonucunda karbonmonoksit (CO) gazı ve 11053 kj/kmol ısı enerjisi açığa çıkar. Kısmi yanma sonucu oluşan karbonmonoksit gazının oksijen ile tekrar reaksiyona girmesi sonucunda karbondioksit (CO2 ) gazı oluşur ve kısmi yanmadan açığa çıkan ısı enerjileri toplamı, tam yanma reaksiyonu ile açığa çıkan ısı enerjisine eşit olur. Yanma sürecinde oluşan diğer ürün ise su buharıdır.

Kömür yakma sistemleri, kömürün tane büyüklüğüne ve yanma esnasında yakıta bağlı olarak 5 ana başlık altında değerlendirilir. Bunlar;

• Sabit yataklı yakma sistemleri

• Toz kömür ocakları

• Toz kömür-sıvı karışımlarının yanması

• Siklon ocaklar

• Akışkan yataklı yakma sistemleridir.

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. Yakılacak kömür, bir ızgara üzerine sabit bir yatak oluşturacak şekilde konulur. Yaygın olarak kalorifer kazanlarında kullanılan bu sisteme kömürler, elle veya mekanik cihazlar yardımıyla yerleştirilir. Yanma işleminin bozulmasını ve ısı kayıplarını önlemek için kömür mekanik olarak beslenmelidir. Mekanik cihazlarla yapılan besleme; üstten, alttan ve çapraz besleme olmak üzere üç farklı yöntem ile yapılır.

Çok ince partiküller hâline getirilen kömür, hava ile birlikte yanma odasına püskürtülerek yakılır. Kömür partikülleri, yanma odasında askıda meydana gelen türbülans etkisi ile hızlı bir şekilde kurur, gazlaşır, tutuşur ve yanma işlemi tamamlanır. Toz kömür yakma sistemleri, kömür külünün yanma odasından çıkış özelliğine göre ergimiş küllü ve kuru küllü yakma sistemleri olarak iki gruba ayrılır

Partikül çapı 6 mm olan kömür partiküllerinin yakma işleminde kullanılan siklon ocaklar, yatay silindir görünümündedir. Siklon ocaklara teğetsel olarak beslenen kömür, hava ile birlikte yakılır. Yüksek sıcaklığın etkisi ile kömür tanecikleri ince tabaka hâlinde siklonun iç çeperlerine yapışır ve yanma işlemi gerçekleşir.

Kabarcıklı akışkan yataklar ile karşılaştırıldığında dolaşımlı akışkan yataklı kazanlarda emisyon filtreleme koşulları daha iyi olduğu için yatağın ulaştığı ısıl kapasite daha yüksektir. Ayrıca bu kazanlarda daha az miktarda absorban kullanıldığından SO2 daha iyi tutulmaktadır.

Koklaştırma: Kömürün yüksek sıcaklık altında uzun süre boyunca oksijensiz ortamda ısıl işleme maruz bırakılmasıdır.

Koklaşma sürecinin basamakları aşağıdaki gibidir:

• 50-150°C arasında kömür kurur ve ısının etkisiyle bir miktar genleşir.
• Kritik sıcaklık olarak kabul edilen 350°C’ye kadar ısıtılan kömürde yumuşama başlar. Taneleri birbirine yapışan kömür, plastikleşir. Bunun sonucunda ise hacim küçülmesi meydana gelir.
• 450-500°C arasında katran ve uçucu maddeler kömürden uzaklaşmaya başlar. Fakat plastik hâldeki kömürün gözenekliliği ve geçirgenliği düşük olduğu için, uçucu maddeler dışarıya atılmakta zorlanır ve oluşan basınçtan dolayı kömür şişmeye başlar. Şişmeye başlayan kömürün gözenekliliği ve hacmi artar. Sertleşen bu kütleye yarı kok adı verilir.
• Artan sıcaklık etkisiyle kömür yeniden sertleşir. Bu sırada ortamda karbondioksit (CO2 ) ve hidrojen (H2 ) gazları oluşur.
• 900-1200°C arasında içten dışa doğru sırasıyla kuru kömür, ergime, yarı kok ve kok bölgelerini içeren metalurjik kok elde edilir.
• Elde edilen kok kömürü uzun süre boyunca soğuması için suda bekletilir. Koklaşma fırınından çıkan gazlar, soğutma kulesinden geçirilerek yoğunlaştırılır ve sıvı ürün olarak katran oluşur. Yoğuşmadan çıkan gazlar ise yakıt olarak kullanılır.

Türkiye’de koklaşabilir kömür rezervleri Zonguldak havzasının Karadon, Üzülmez ve Kozlu bölgelerinde yer almaktadır. Koklaşabilir taş kömürü rezervlerinin toplam kömür rezervleri içindeki payı %67’dir.

Petrol ve doğal gaz rezervlerinin azalması ile kömürlerden bu kaynakların yerini alabilecek ürünlerin elde edilmesi önem kazanmıştır. Gazlaştırma işlemi, kömürün yüksek sıcaklık altında oksitlenmesi sonucu gaz ürün elde edilmesi olarak tanımlanır. Kömürün ısı altında bozundurulmasıyla elde edilen gazlara kömür gazı adı verilir. Bu gazlar gazlaştırma koşullarına bağlı olarak hidrojen (H2 ), metan (CH4 ), karbonmonoksit (CO), karbondioksit (CO2 ), azot (N2 ) gibi çok farklı hidrokarbon ve gazlardan oluşur. Bu prosesten elde edilen gaz ürünler, elektrik enerjisi üretiminde güç merkezi ve türbinler için yakıt olabileceği gibi endüstriyel yakıtların, kimyasal maddelerin ve hidrojen (H2 ) gazının üretiminde kullanılmaktadır.

Kömürün gazlaştırılması, kok fırınlarında oksijensiz ortam ve ısıtma koşulları altında gerçekleştirilirken gazlaştırma tesislerinde su buharı ve sınırlı miktarda oksijen kullanılarak yapılmaktadır.

Sentez Gazı: Kömürün yerüstünde ve yeraltında yüksek sıcaklık ve basınç altında gazlaştırılması ile elde edilen hidrojen (H2 ) ve karbonmonoksit (CO) gaz karışımıdır.

Dünyadaki petrol rezervlerinin azalması nedeniyle kömürden petrol eşdeğeri sıvı yakıtların elde edilmesi son yıllarda önem kazanmıştır. Çeşitli prosesler yardımıyla kömürden sıvı yakıt elde edilmesine sıvılaştırma denir. Sıvılaştırma işlemi sonunda ağır yakıt yağları ve kimya endüstrisi için ham madde kaynağı gibi ürünler elde edilir.

Kömürün sıvılaştırma yöntemleri, doğrudan ve dolaylı olmak üzere iki temel başlık altında incelenebilir. Doğrudan sıvılaştırma yöntemlerinde, kömür yüksek sıcaklık ve basınç altında ısıl işlemlerden geçirilir. Bu yöntemde sentez gazı üretimi olmadan sıvı ürün eldesi mümkündür. Dolaylı sıvılaştırma yöntemlerinde ise kömürün gazlaştırılmasından sentez gazı üretilir; üretilen sentez gazından sıvı hidrokarbonlar elde edilir.

Organik maddelerin oksijensiz ortamda katı, sıvı ve gaz ürünlere bozundurulmasına piroliz adı verilir. Piroliz, düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilen karbonizasyon sürecidir.

Piroliz işlemi, uçucu hidrokarbon buharlarını ortamdan uzaklaştırmak ve ikincil tepkimelerin etkisini azaltmak amacıyla azot (N2 ) ve helyum (He) gibi gazlar eşliğinde inert bir ortamda gerçekleştirilir.

Kömür, termik santrallerde elektrik enerjisi üretmek amacıyla kullanılır. Yakılan kömürden açığa çıkan ısı enerjisi, termik santrallerde elektrik enerjisine dönüştürülür. Açığa çıkan ısı enerjisi ile ısıtılan suyun buharlaşması sağlanır. Elde edilen buhar, türbinlerden geçirilir ve oluşan çevrim ile türbinler dönmeye başlar. Dönen türbinler ile jeneratör yardımıyla elektrik enerjisi üretilir. Termik santrallerde üretilen elektrik, transformatörlere gönderilir ve burada voltaj düzenlendikten sonra yüksek gerilim hatları ile kullanım alanlarına iletilir.

Çimento fabrikaları büyük miktarda enerjinin tüketildiği yerlerdir. 1 kg klinker üretimi için 800 kcal’lik enerjiye gereksinim duyulur. 1 ton çimento üretmek amacıyla yakıt olarak yakıt yağı yerine kömür kullanıldığında üretim maliyeti %50 azalır. Çimento sanayiinde kullanılacak kömür seçilirken kömürün ısıl değeri, kül bileşimi, kükürt içeriği ve kaynağın temininin sürekliliği göz önünde bulundurulur.