ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Selahattin VOLKAN AFŞİN- ELBİSTAN TERMİK SANTRALİ UÇUCU KÜLLERİNDEN YANMAMIŞ KARBONUN GERİ KAZANIMI MADEN MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA, 2006

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ AFŞİN- ELBİSTAN TERMİK SANTRALİ UÇUCU KÜLLERİNDEN YANMAMIŞ KARBONUN GERİ KAZANIMI Selahattin VOLKAN YÜKSEK LİSANS TEZİ MADEN MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu tez 13/02/2006 tarihinde aşağıdaki jüri üyeleri tarafından oybirliği ile kabul edilmiştir. İmza:. İmza:... İmza:... Prof. Dr. Mesut ANIL Prof. Dr. Oktay BAYAT Prof. Dr. Seyhan TÜKEL JÜRİ BAŞKANI ÜYE ÜYE İmza:.. İmza:. Doç. Dr. Mehmet YILDIRIM Doç. Dr. Suphi URAL DANIŞMAN ÜYE Bu tez Enstitümüz Maden Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza ve Mühür Bu çalışma Çukurova Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından desteklenmiştir. Proje No: MMF.2004.YL.2 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ AFŞİN ELBİSTAN TERMİK SANTRALİ UÇUCU KÜLLERİNDEN YANMAMIŞ KARBONUN GERİ KAZANIMI Selahattin VOLKAN ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MADEN MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman: Doç. Dr. Mehmet YILDIRIM Yıl: 2006, Sayfa:81 Jüri: Prof. Dr. Mesut ANIL Prof. Dr. Oktay BAYAT Prof. Dr. Seyhan TÜKEL Doç. Dr. Mehmet YILDIRIM Doç. Dr. Suphi URAL Bu çalışmada Afşin-Elbistan Termik Santralinde yanma sonucu ortaya çıkan uçucu küller içerisinde bulunan yanmamış karbon taneciklerinin flotasyon yöntemi ile geri kazanımları incelenmiştir. Uçucu küller içerisinde bulunan yanmamış karbon tespiti için analizler yapılmıştır. Bu analizler sonucunda kül numunesinde % 6,5 ila % 9 arasında yanmamış karbon bulunduğu görülmüştür. Yanmamış karbon taneciklerinin geri kazanımı için en önemli sorun pulp un ph yüksekliğidir. Bu nedenle pulp un ph ının düşürülmesi için gerekli katı/sıvı oranı belirlenmiştir. Flotasyon deneyleri ph değeri 7 8 arasında olan pulp ile yapılmıştır. Yanmamış karbon taneciklerinin kazanımı en iyi; 7,7 ph seviyesinde, % 5 katı oranıyla, 40 dk.lık kondisyon süresinde 70 kg/t sodyum silikat, 14 kg/t petrolyum sülfonat, 56 kg/t fuel oil kullanmak suretiyle elde edilmiştir. Seçimliliğin artması için 3 basamaklı flotasyon deneyi yapılmıştır. Deneyler sonucunda tek basamaklı deneylerde % 81,79 kazanma verimi 3 basamaklı deneylerde ise 59,14 kazanma verimi elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Uçucu Kül, Yanmamış Karbon, Yüzdürme I

4 ABSTRACT MSc THESIS RECOVERY OF UNBURNED CARBONS FROM AFSIN ELBISTAN POWER PLANT FLY ASHES Selahattin VOLKAN DEPARTMENT OF MINING ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor: Ass. Prof. Dr. Mehmet YILDIRIM Year: 2006, Pages: 81 Jury: Prof. Dr. Mesut ANIL Prof. Dr. Oktay BAYAT Prof. Dr. Seyhan TÜKEL Ass. Prof. Dr. Mehmet YILDIRIM Ass. Prof. Dr. Suphi URAL In this study, recovering unburned carbon particles by flotation process from Afşin Elbistan Power Plant fly ashes is studied. To determine unburned carbon ratio in the fly ashes chemical analysis were made. As a result of these analyses in ash sample contains 6,5-9 % unburned carbon. The most important problem for recovering the unburned carbon particles was the high level of the pulp ph. For this reason solid/liquid ratio of the pulp determined. Flotation experiments were made by using 7 8 ph level. At experiments to recover carbon particles best results are achieved at 7,7 ph level, with 5 % solid ratio, at 40 minutes condition time, by using 70 kg/t sodium silicate, 14 kg/t petrolium sulfonate, 56 kg/t fuel oil. To increase selectivity 3 steps flotation experiments are made. In 1-step experiments 81,79 %, in 3 steps experiments 59,74 % recover efficiency was achieved. Key Words: Fly Ash, Unburned Carbon, Flotation II

5 TEŞEKKÜR Bu çalışmayı yapmama yardımcı olan ve çalışmamın her aşamasında benden yardımlarını esirgemeyen Sayın Hocam Doç. Dr. Mehmet YILDIRIM a en içten teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarımda uygun çalışma koşullarını sağlayan Maden Mühendisliği Bölüm Başkanı Sayın Prof. Dr. Mesut ANIL a ve Cevher Hazırlama Anabilim Dalı Başkanı Sayın Prof. Dr. Oktay BAYAT a en içten teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım sırasında benden yardımlarını esirgemeyen Sayın Hocam Doç. Dr. Suphi URAL a teşekkür ederim. Laboratuar çalışmalarım sırasındaki tüm analizlerde bana yardımcı olan ve yol gösteren Sayın Arş. Gör. Mehmet TÜRKMENOĞLU na teşekkürü bir borç bilirim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR III İÇİNDEKİLER IV ÇİZELGELER DİZİNİ VII ŞEKİLLER DİZİNİ... VIII 1. GİRİŞ Amaç Uçucu Kül Tanımı Oluşumu Afşin-Elbistan Termik Santrali Hakkında Bilgiler Kömür Yakma Sistemleri Uçucu Kül Tutma Sistemleri (1.) Termik Santrallerden Uçucu Kül Toplamanın Temel Prensipleri Uçucu Külün Özellikleri Uçucu Küllerin Fiziksel Özellikleri Görünüş Tane Boyutu Yoğunluk Ergime Sıcaklığı Sıcaklığı Manyetik Özellik Mekanik Dayanım Absorbsiyon Özelliği Suda Çözünürlük Uçucu Küllerin Kimyasal ve Mineralojik Özellikleri Puzolanik Özellik Uçucu Küllerin Sınıflandırılması IV

7 1.3. Uçucu Küllerin Kullanım Alanları İnşaat Sektöründe Yüzey Kaplayıcı ya da Su Uzaklaştırıcı Akışkan Dolgu Portland Çimento Yapımında Stabil Temelde Tuğla Yapımında Tarım Alanında Atık Katılaştırma ve Stabilizasyonunda Diğer Kullanım Alanları ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOD Materyal Metod Kimyasal Analiz Elek Analizi Yanmamış Karbon Analizi Kızdırma Kaybı Analizi Optimum Katı\Sıvı Oranı Tayini Dekantasyon Çökelme Deneyleri Yüzdürme Deneyleri YANMAMIŞ KARBON Oluşumu Özellikleri Fiziksel Özellikleri Kullanım Alanları ARAŞTIRMA BULGULARI Analiz Sonuçları Kimyasal Analiz Tane Boyu Dağılımı V

8 Yoğunluk Yanmamış Karbon Oranı Tayini Optimum Katı/Sıvı Oranı Tayini Dekantasyon Çökelme Deneyleri Sonuçları Flotasyon Deneyleri Sonuçları SONUÇLAR VE ÖNERILER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ VI

9 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1. Afşin Elbistan Termik Santrali Uçucu Külü Kimyasal Bileşimi 5 Çizelge 1.2. Çeşitli ülkelere ait uçucu kül karakteristikleri Çizelge 1.3. Uçucu ve taban küllerinin fiziksel özellikleri Çizelge 1.4. Özgül Yüzeyin Spesifik yüzeylerin yoğunlukla değişimi Çizelge 1.5. Uçucu Kül Kimyasal Bileşimi Çizelge 1.6. TS 639'da Belirtilen Uçucu Külün Kimyasal Özellikleri Çizelge 1.7. ASTM ve TSE ye Göre Uçucu Kül Fiziksel ve Kimyasal Tanımlamaları Çizelge 1.8. C ve F tipi Uçucu Küllerin Kimyasal Kompozisyonu Çizelge 1.9. Uçucu Kül İnşaat Sektörü ile İlişkili Uygulamaları Çizelge 3.1. Yüzdürme Deney Koşulları Çizelge 4.1. Yanmamış Karbonun Fiziksel Özellikleri Çizelge 4.2. Yanmamış Karbon Kimyasal Özellikleri Çizelge 5.1. Afşin-Elbistan Uçucu Külü Kimyasal Analiz Sonuçları Çizelge 5.2. Elek Analizi Sonuç Çizelgesi Çizelge 5.3. Afşin-Elbistan Uçucu Kül Yanmamış Karbon Oranları Çizelge 5.4. Katı/sıvı Oranı Tayini Çizelgesi Çizelge 5.5. Afşin - Elbistan Uçucu Kül Numunesi Çökelme Deneyi Sonuçları Çizelge 5.6. CaO Miktarı-pH Değişim Çizelgesi Çizelge 5.7. ph-çökelme Hızı Değişim Çizelgesi Çizelge 5.8. Flotasyon Deney Koşulları Çizelge 5.9. Flotasyon Deney Koşulları-Kazanma Verimleri Çizelgesi Çizelge Reaktif Tüketimi Verim Değişimi Çizelgesi Çizelge Flotasyon deney Sonuçları Çizelgesi Çizelge Basamaklı Flotasyon Deney Sonuçları Çizelge 6.1. Alkali eritiş yöntemi ile yapılmış kimyasal analiz sonuçları Çizelge Basamaklı Flotasyon deneyleri sonucunda elde edilen numunelere uygulanan kimyasal analizler sonucunda çıkış numunesine ait kimyasal özellikler VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Uçucu Kül Tanecik Kesiti... 4 Şekil 1.2. Akışkan yatak şekli... 6 Şekil 1.3. Hız Kesmeye Dayalı Toz Tutucu Tipleri... 8 Şekil 1.4. Bez Torba Filtreler... 9 Şekil 1.5. Yaş Yıkayıcılar Şekil 1.6. Elektrostatik Ayırıcılar Şekil 1.7. Yerinde Toz Tutucu Şekil 1.8. Türkiye'deki Termik Santral Uçucu Küllerdeki Senosfer SEM Görüntüsü Şekil 1.9. Çöktürücü uçucu kül elek analizi Şekil Senosifir uçucu kül elek analizi Şekil Özgül Yüzeyin Yoğunlukla Değişimi Şekil Uçucu Kül Yoğunluklarının Partikül Boyutuna Bağlı Değişimi Şekil İkili bir silika camı yapılarının iki boyutlu gösterimi Şekil Uçucu küllerde cam yapıları arasındaki yapısal farklılıkların Gösterimi Şekil Uçucu Kül Kullanım Alanları Şekil 2.1. Afşin-Elbistan Uçucu Külü XRD Grafiği Şekil 2.2. Tunçbilek Uçucu Kül Zenginleştirme Çalışmaları Akım Şeması Şekil 3.1. Numune Hazırlama Akım Şeması Şekil 3.2. Tikner de t max Değerinin Hesaplanması Şekil 3.3. Yüzdürme Deneyi Akım Şeması Şekil 4.1. C Tipi Kömürden Oluşan Yanmamış Karbon Tanecikleri Şekil 4.2. C Tipi Kömürden Oluşan Yanmamış Karbon Tanecikleri Şekil 4.3. F Tipi Kömürden Oluşan Yanmamış Karbon Tanecikleri Şekil 4.4. Yanmamış Karbon Örnekleri Tane Boyu Dağılımları Şekil 4.5. Küresel Tanecikler ve Ufalanmış Tanecikler VIII

11 Şekil 4.6. Gözenekli Tanecikler Şekil 4.7. Köpük Tanecikler Şekil 4.8. Ufalanmış Tanecikler Şekil 5.1. Elek Analizi Sonuç Grafiği Şekil 5.2. Katı/Sıvı Oranı- ph Değişim Grafiği Şekil 5.3. CaO Miktar-pH Değişim Eğrisi Şekil 5.4. ph-çökelme Hızı Değişim Eğrisi Şekil 5.5. Farklı Ph Seviyelerinde Uçucu Kül Örneği Çökelme Eğrisi Şekil 5.6. Farklı Ph Seviyelerinde Uçucu Kül Örneği Çökelme Eğrisi Şekil 5.7. Farklı Ph Seviyelerinde Uçucu Kül Örneği Çökelme Eğrisi Şekil 5.8. Farklı Ph Seviyelerinde Uçucu Kül Örneği Çökelme Eğrisi Şekil 5.9. Farklı Ph Seviyelerinde Uçucu Kül Örneği Çökelme Eğrisi Şekil Farklı Ph Seviyelerinde Uçucu Kül Örneği Çökelme Eğrisi Şekil Reaktif Sarfiyatı-Verim Değişim Grafiği IX

12 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN GİRİŞ Günümüzde elektrik enerjisinin büyük bir kısmını termik santraller vasıtası ile elde etmekteyiz. Termik santraller kullanmış olduğumuz bu enerjiyi üretirken yaktıkları organik bazlı katı yakıtlar ile birçok atık maddenin ortaya çıkmasına sebep olmaktadır. Çıkan bu atık maddeler hem çevre için, hem de işletmeler için çeşitli sorunlar oluşturmaktadırlar. Oluşan atık malzeme işletmelerde stok sorunlarına, nakliye problemlerine yol açmakta ve yüksek mali giderler oluşturmaktadır. Tesislerde oluşan atıkların uzaklaştırılması ve yeniden endüstriye kazandırılması gerekmektedir. Atıkların yeniden kullanıma kazandırılması ile maliyetler azaltıldığı gibi nakliye problemleri de ortadan kaldırılır. Termik santrallerde yakma sonucu atık malzeme olarak bırakılan uçucu kül, içerisinde büyük zenginlikler barındıran bir malzemedir. Uçucu külün içerisinde bulunan birçok tanecik tek tek endüstrinin yeniden kullanımına sunulabilecek nitelikte olmasının yanı sıra, kendiside mevcut durumuyla kullanıma hazır bir hammadde durumundadır. Ülkemizde Afşin-Elbistan termik santralinde oluşan uçucu külün stoklanması ve hiç kullanılamamasından dolayı çok geniş stok sahaları kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra uçucu kül çevresel sorunlara yola açmaktadır. Termik santral tarafından üretilen uçucu külün yeniden değerlendirilmesi ile stok problemleri ve buna bağlı mali giderleri azaltılacağı gibi çevresel sorunlarda da büyük oranda azalma sağlanabilecektir Amaç Afşin-Elbistan termik santralinde oluşan uçucu külün içerisinde birçok zenginleştirilmeye hazır malzeme bulunmaktadır. Bu malzemelerden en önemli olanı yanmamış karbon tanecikleridir. Yanmamış karbon tanecikleri yalnız santral içinde değil aynı zamanda diğer endüstriyel alanlarda da rahat bir şekilde yüksek verimle kullanılabilecek bir malzemedir. 1

13 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Yanmamış karbon tanecikleri içermiş olduğu yüksek oranda karbon ve daha sonra zenginleşmesi için herhangi bir ısıl işleme gerek duyulmaması sebebiyle çok önemli bir yere sahiptir. Yanmamış karbon tanecikleri günümüzde yüksek karbon içeriğinden dolayı; tarım alanlarında, aktif karbon üretiminde ve briketlenerek yeniden santrallere beslenmesi şeklinde kendine birçok kullanım alanı bulabilmektedir. Bunlardan aktif karbon üretimi çok yüksek ekonomik getirisi olan bir daldır. Yanmamış karbon taneciklerinin zenginleşmesi suretiyle uçucu külün de kalitesi artmakta ve kendine kimya sanayiinde daha geniş bir kullanım alanı bulabilmektedir. Çünkü yanmamış karbon tanecikleri uçucu kül içerisinde renk verir madde olarak bulunmakta bu da özellikle boya üretiminde istenmeyen durumlar oluşturmaktadır. Bu çalışmanın amacı Afşin-Elbistan Termik Santralinde yakma sonrası oluşan uçucu küllerin içerisinden yanmamış karbon taneciklerinin geri kazanılmasıdır Uçucu Kül Tanımı Kömür tam olarak karbondan oluşmamaktadır, içerisinde birçok yanmaz mineral barındırmaktadır. Kömürün elektrik üretmek için yakıldığında yanma sonrası geriye kalan inorganik maddeler ile çok az miktardaki yanmamış karbonlu maddeler külü oluşturur. Yanma sonucu ortaya çıkan külün %75-85'i baca gazları ile kazandan çıkar. Bu tür küllere de uçucu kül adı verilmektedir (ACA, 2005; Şengül, 1997; Kolukısa, 1999). Uçucu kül üretimini; santral tipi, işletim biçimi, yakılan kömürün cinsi, yanma biçimi gibi çeşitli faktörler etkilemekle birlikte genel olarak elektrik enerjisi üreten termik santrallerde kullanılan taş kömürünün %10-15'ini, linyit kömürünün ise %20-50'si kül olarak ortaya çıkmaktadır ( Kolukısa, 1999). 2

14 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Birçok yanma işlemi sırasında kazan alevinin sıcaklığı 1600 C ye kadar çıkabilir ve bu sıcaklık kömürdeki inorganik maddelerin çoğunu eritecek kadar yüksektir. Birçok kaynakta kömür içinde yaklaşık 50 mineralin olduğu bildirilmesine rağmen bunların birçoğu az sıklıkta ya da iz miktarda bulunurlar. Başlıca kömür minerallerini beş grupta toplayabiliriz: Bunlar; alüminyum silikatlar, karbonatlar, sülfitler, kloritler ve silika mineralleridir (Onocak, 1999; Kolukısa, 1999). Silika mineralleri dışında geriye kalan minerallerin büyük çoğunluğu yüksek sıcaklık şartlarında kimyasal olarak bozulurlar. Kil mineralleri suyunu kaybederler ve eriyerek camsı şekiller alırlar. Soğuma sırasında değişik camsı ve kristalin alüminyum silikat bileşenleri oluşur (Mattigod, 1990). Karbonatlar CO 2, CaO, MgO ve karışmış oksit bileşiklerine dönüşürler. Sülfürler büyük oranda metalik oksitler (magnetit, spinel ve hematit) ve SO 2 şeklinde yükseltgenirler. Klorürler, buharlaştırma ve sülfürizasyon ile HCI ve sülfatlara dönüşürler (Mattigod, 1990). Kazan alevindeki yüksek sıcaklık koşulları altındaki partiküller üzerinde bir dizi fizikokimyasal değişiklikler oluşur. Partiküller yüzey gerilim kuvvetlerinin etkisi ile çok çabuk olarak küresel şekiller alabilmektedir. Oldukça küçük boyutlu tanecikler atık gazlar ile birlikte (CO 2, CO, H 2 O, SO 2 ) bacadan çıkış esnasında çok kısa sürede düşük sıcaklık etkisi altına girerek amorf katı durumda soğurlar. Soğuma şiddeti büyük ölçüde tanecik boyutu ile ilgilidir. Büyük tanecikler yavaş soğuma sonucu kristaller oluştururken, küçük partiküller ise hızlı soğuma sonucu camsı formda gelişirler. Bir uçucu kül taneciğinin şematik kesiti Şekil.1.1'de verilmiştir (Güler,1992). 3

15 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Kristal/Amorf Zonlar Amorf Yüzey ve Yüzey Kristalleri Merkez (Dolu yada Boş) Şekil 1.1. Uçucu Kül Tanecik Kesiti Oluşumu Afşin-Elbistan Termik Santrali Hakkında Bilgiler Türkiye Linyit rezervlerinin yaklaşık % 46'sını oluşturan Elbistan Linyit Havzası nın, elektrik enerjisi üretimimizdeki yeri oldukça önemlidir. Elbistan linyit havzası rezervin ve havzanın büyüklüğü nedeniyle linyit rezervinin konumunu belirlemek amacı ile A,B,C,D,E,F sektörlerine bölünmüştür. Ülkemizde kömürle çalışan termik santrallerin en büyüğü Afşin-Elbistan da kurulu bulunan termik santraldir. Havzayı bir bütün olarak ele alan bu çalışmalar sonucu A sektörü dışında ekonomik işletilebilir linyit rezervi ise, 3,444 milyar ton bulunmuştur. (Koçak, Kürkçü, Yılmaz, 2001). Afşin Elbistan termik santrali yılda 18,000,000 ton kömür tüketmektedir ve yaklaşık olarak yılda 3,240,000 ton uçucu kül açığa çıkarmaktadır (Ural, 2005). Afşin Elbistan uçucu külüne ait kimyasal bileşimler Çizelge 1.1. de verilmiştir. Yılda açığa çıkan 3,240,000 ton uçucu kül içerisinde yapılan deneyler sonucu ortalama %6-%14 arası yanmamış karbon taneciklerinin olduğu saptanmıştır. Bu veriler bize şunu göstermektedir ki Afşin Elbistan Termik Santralinde yılda 195,000 ila 450,000 ton yanmamış karbon açığa çıkmaktadır. 4

16 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Çizelge 1.1. Afşin Elbistan Termik Santrali Uçucu Külü Kimyasal Bileşimi (Ural, 2005) Afşin Elbistan Uçucu Külü Kimyasal Bileşimi Element/Element Oksit (% Kuru Ağ.) Taban Uçucu Kül Orta Bölüm Uçucu Kül Üst Bölüm Uçucu Kül Al 2 O 3 12,30-23,10 6,23-11,40 1,80-9,10 CaO 6,20-20,60 2,51-50,85 48,10-74,70 Cl 0,006-0,01 0,003-0,007 0,006-0,01 Cr 2 O 3 0,05-0,07 0,09-0,11 0,06-0,07 Fe 2 O 3 9,50-25,79 3,50-6,85 1,75-4,96 K 2 O 0,24-0,82 0,20-0,49 0,11-0,55 MgO 2,19-4,20 1,57-4,00 1,27-3,10 MnO 2 0,06-1,10 0,12-0,24 0,02-0,09 MoO 2 0,01-0, Na 2 O 0,20-0,83 1,10-0,49 0,10-0,25 NiO 0,03-0, P 2 O 5 0,25-0,41 0,46-0,49 0,53-0,62 SO 3 5,75-17,21 12,32-24,20 6,60-19,00 SiO 2 27,70-46,60 14,00-30,00 6,91-20,40 SrO 0,05-0,071 0,05-0,06 0,03-0,05 TiO 2 0,26-2,33 0,20-0,51 0,23-0,55 V 2 O 5 0,00-0,09 0,10-0,11 0,06-0,08 ZrO 2 0,13-0, CO 2 0,30-0,35 0,60-0,75 1,20-1,90 LOI 1,29-1,34 0,64-3,56 2,46-4,94 5

17 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Kömür Yakma Sistemleri Kömür yakma işlemleri I. Akışkan Yataklı Yakma Sistemleri II. Konvansiyonel Yakma Sistemleri III. Diğer Yakma Sistemleri şeklinde sınıflandırılır(enerji Bakanlığı, 2005). I. Akışkan yatak yakma şekli günümüzde en çok tercih edilen yakma şeklidir. Bu teknoloji etkili ve ekonomik bir şekilde, çevresellik ölçütlerinin izin verdiği ölçüde kömür ve linyiti yakma kapasitesine sahiptir. Akışkan yatak sistemleri alanındaki yeni gelişmeler açık ve kapalı sistem sıvı yataklar ile ısı kalitesini genişletmek ve kömür kırma işlemlerinin azaltılmasını incelemektedir. Yüksek Isılı Buhar Hava Atık Şekil 1.2 Akışkan yatak şekli (Kural, 1991) Genel olarak, kömür-yakan akışkan yataklı yakma sistemleri etkili, ekonomik, güvenli, çevreyi kirletmeyen ve uygulanabilir olmalıdır. Bu özellikler yakıcının dizayn ve operasyon şekline bağlı olarak değişkenlik gösterebilir (Kural, 1991). II. Pulvarize yakıtın yakılmasının akış yakımı şeklinde gelişmesi yakma teknolojisinde ana gelişmelerden biridir. Geniş bir kömür yelpazesi için uygulanabilir, geniş kazanlar yakıcılar için inşa edilmektedir. Yükleme kontrolü tek yakıcılara beslenen yakıt besleme hızının değiştirilmesi ve operasyon 6

18 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN içerisindeki yakıcının numarasını seçmek suretiyle gerçekleştirilebilir. Büyük kömür yakma kazanlarının kurulum maliyeti çok yüksektir. Elektrik üretiminde kazan maliyetleri büyük bir yer gider oluşturmaktadır. Bu nedenle diyebiliriz ki elektrik santrallerinin ana bölümünü kazanlar oluşturmaktadır (Kural, 1991). III. Diğer bir sistem olan atomize sistem uzun zamandan beri kullanımda olmasına karşın ekonomik destek bulamadığından dolayı gelişimi mümkün kılınamamıştır. Bu yakma sisteminde sıvıyla birleştirilmiş kömürün yakılması metodu açıklanmaktadır. Kömür-petrol karışımları bu kategorinin içinde uzun bir geçmişe sahiptir fakat bu yakma sistemine mevcut ilgi hiçbir zaman gelişmemiştir (Kural, 1991) Uçucu Kül Tutma Sistemleri (1.)Termik Santrallerden Uçucu Kül Toplamanın Temel Prensipleri Termik santrallerden atmosfere verilen baca külünün (uçucu kül) toplanması hava kirliliğinin kontrolü konusunda en önemli işlemlerden birisidir. Baca külünün tane irilik dağılımı, kimyasal bileşimi ve konsantrasyon seviyelerindeki çok geniş değişimlerin görülmesi külün tutulmasını daha da zorlaştırmaktadır. Tüm bu faktörler kullanılan yakıt ve yakma sistemine (örneğin kullanılan kazan tipi) bağlıdır (Toraman, 1995). Endüstriyel alanda toz tutma amacıyla kullanılan tutucuları 4 ana tipe ayrılmıştır. Bunlar; Ani Hız Kesmeye Dayalı Ayrıştırıcılar Bez Toz Tutucular Yaş Karıştırıcılar Elektrostatik Karıştırıcılardır (ACA, 2005). Merkezkaç Kuvvetine Dayalı Ayrıştırıcılar Merkezkaç kuvvetini kullanarak parçacıkları gazdan ayırmak için diğer bir ifadeyle gaz içindeki taneciklerin tutulması amacıyla kullanılmaktadır. Yapı olarak bir siklonun genellikle bir gaz girişi, gaz çıkış kısmı ve hava kolonu (girdap) oluşturacak şekilde gövde tasarımının olması istenir (Storch, 1979; Toraman, 1995). Üç tip ayrıştırıcı bulunmaktadır. Bunlar; 7

19 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Gravite ile Çökelmeye Dayalı Tutucular Çember boyutundaki ani genişleme sonucunda hava akımı ile gelen toz taneciğinin hızı düşer ve ağır parçacıklar aşağıya düşerek alt çıkıştan alınırlar (ACA, 2005). Bölmeli Tutucular Arada bulunan bölme plakası sayesinde hava akışı ile birlikte gelen tozlarda hava akımının ani yön değiştirmesi (alçalıp-yükselme) sonucunda ağır tanecikler aynı yolu izleyemez ve aşağıya düşerek alt çıkıştan alınırlar (ACA, 2005). Santrifüj (siklon) Tutucular Tekli siklon ve çoklu siklon tipi olmak üzere iki gruba ayrılan bu tutucu tipi en yaygın ve kullanışlı olanıdır. Hava akımı belirli bir açı ile siklona girerek santrifüj hareketini gerçekleştirir. Santrifüj hareketi ile partiküller siklon çeperinde toplanırlar alt çıkıştan çıkarlar (ACA, 2005). Çökelmeli Tutucular Bölmeli Tutucular Siklon Çoklu Siklon Şekil 1.3. Hız Kesmeye Dayalı Toz Tutucu Tipleri Filtrasyon ile Toz Tutma Gaz içindeki toz parçacıktan tutmanın en eski yöntemlerinden birisi filtrelemedir. Bu işlemde, gaz içindeki tanecikler poroz bir yapıya sahip (filtre bezi) malzemeden geçirilerek daha iri boyutlu taneler bu malzemenin üstünde toplanırken daha ince boyutlu taneler ortamdan geçerek ayrılır (Toraman, 1995). Torbalar sentetik, keçeli pamuktan yada fiberglas malzemeden yapılabilmektedir (ACA, 2005). 8

20 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Şekil 1.4. Bez Torba Filtreler Yaş Yöntem ile Toz Tutma Bu sistemlerde yıkama sıvısı (genellikle su) toz taneciklerini taşıyan gaz akımı ile bir araya gelirler. Gaz ve sıvı arasındaki kontak kurma ne kadar fazlaysa sistemin toz tutma verimi o kadar yüksek olmaktadır (ACA, 2005). Kullanılan bütün yaş yıkayıcılar genelde 3 temel işlemi gerçekleştirmektedir. Bunlar; Gaz-nemlendirme: Çok ince boyutlu tanecikler gaz nemlendirme işlemi ile boyutlarında büyüme görülür ve böylece daha kolay tutulurlar. Gaz-sıvı teması: Bir tane ve sıvı damlası 3 temel mekanizma şeklinde temasa geçer. o Yapışma: Toz taneciklerinin su damlalarına çarparak yapışması. o Yayılma: Daha küçük boyutlu taneciklerin difüzyonu sağlanarak sıvı damlacıkları tarafından toplanması. o Yoğunlaşma: Yıkayıcının içinden geçen gaz belirli bir sıcaklıktan sonra yoğunlaşmakta ve oluşan nem taneciklerin boyutunu arttırmakta ve böylece toplama daha da kolaylaşmaktadır. Gaz-sıvı ayırımı: Toz tanecikleri ve su damlacıktan birbirleriyle temasa geçince aglomeratlar oluşturmakta ve bu büyümeyle çökelme gerçekleşmektedir (Toraman, 1995). 9

21 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Şekil 1.5. Yaş Yıkayıcılar Elektrostatik Çökelme Yolu ile Toz Tutma Elektrostatik ayırıcılar egzoz gazlarından toz partiküllerini ayrıştırabilmek için elektrostatik güçleri kullanmaktadırlar. Birkaç adet yüksek gerilimli, doğru akımlı, şarjsız elektrodlar toplama elektrodlarının aralarına yerleştirilir. Kirli gazlar şarjsız ve toplama elektrodlarının oluşturduğu pasajların arasından süzülerek toplanır (ACA, 2005). Havada uçuşan partiküller elektrodlar arasındaki iyonize alandan geçerken negatif şarj alırlar. Bu yüklü parçacıklar topraklanmış ya da pozitif yüklenmiş elektrodların yüzeylerine yapışırlar. Elektrod üzerinde toplanan materyaller toplama elektrodlarının titreştirilmesi yardımıyla yüzeyi terk ederler (ACA, 2005). Şekil 1.6. Elektrostatik Ayırıcılar Yerinde Toz Tutucular Bunlar diğer tutuculardan farklı olarak tozları oluştukları kaynaklarda tutmak için geliştirilmiş cihazlardır. Toz tutulması işlemi cihaz içerisinde bulunan bir fan yardımıyla yapılmaktadır. 10

22 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Şekil 1.7. Yerinde Toz Tutucu Uçucu Külün Özellikleri Uçucu kül amorf ve kristalin fazların her ikisini de içeren heterojen kompleks bir maddedir (Page, 1979; EI-Mogazi, 1988; Mattigod, 1990). Başlıca Al, Si, Fe, Ca, K ve Na elementlerini içeren bir ferroaluminosilikat mineralidir. Uçucu kül hemen hemen doğal elementlerin tümünü içerir ve eser element bakımından kömüre göre daha zengindir (Van Hook,1979; Adriano, 1980). Uçucu küllerin ve taban küllerinin fiziksel, kimyasal ve mineralojik özellikleri çeşitli etkenlere bağlıdır (Van Hook,1979;Adriano, 1980). Uçucu külün kaynağının oluşturan kömürün türü ve değişkenliğine, Kömürün yakılmadan önceki öğütülme (pulvarizasyon) derecesine, Kazan türüne, Yakma sıcaklığı ve diğer işletme parametrelerine, Kül toplama ve uzaklaştırma sistemlerinin özellikleri ve işleyişine, Çevre korunması amacıyla kömüre ilave edilen katkı maddeleri gibi faktörlerden ve faktörlerin de zamana göre değişebilmelerinden kaynaklanan özelliklere bağlıdır (Kefelioğlu, 1998;Hycnar, 1983). Bununla birlikte küllerin belli başlı özellikleri ortaktır. (Carlson ve Adriano,1991; Santhanam1979;Adriano,1980). Uçucu küller genelde küçük, camsı, oyuk yapılı, 0, µm arasında tane boyutuna sahip ve yoğunluğu 2,1 ile 2,6 g/cm 3 arasında değişen taneciklerdir. Bunların içi boş yapılarından dolayı yüzey alanları oldukça yüksektir ve tanecik 11

23 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN boyutlarına göre yaklaşık 1-16 m 2 /cm 3 arasında değişir (Carlson ve Adriano,1991; Santhanam, 1979;Adriano, 1980). Kimyasal kompozisyon olarak incelendiklerinde, uçucu küllerin, SiO 2, Fe 2 O 3 ve MgO'in yer aldığı bileşiklerden ve diğer bileşenlerden oluştuğu görülmektedir. İçerisinde bulunabilen karbon miktarı kömür tipine ve yakma işlemine göre değişiklikler göstermektedir. Ayrıca, kullanılan kömür tipine bağlı olarak bazılarında önemli miktarda CaO bulunabilmektedir (Kefelioğlu, 1998). Çizelge 1.2. Çeşitli ülkelere ait uçucu kül karakteristikleri (EEİ, 1979) Linyit Kömürü Uçucu Kül Menşesi Özellikler Almanya (Buna) Fransa (Gardenne) Yunanistan (Prolemais) Polonya (Tureswoz) İtalya (Mercure) Yoğunluk (gr/cm 3 ) - 1,50 2,26 2,40 - Spesifik Yüzey (cm 2 /gr) Yumuşama Noktası ( o C) Ergime Noktası ( o C) Kimyasal % % % % % Bileşim Karbon (C) 0,10 3,50 0,5-5 SiO 2 34,50 24,00 42, ,90 Al 2 O 3 2,25 12,00 19, ,10 Fe 2 O 3 0, ,50 18,00 7,65 CaO 34, , CaO (serbest) 26, ,30 0,01 MgO 4, ,40 0,15 19,05 SO 3 19,40 20,00 0,50 11,75 Na 2 K 2 O 2,00 1,80 1-3,5 Diğerleri 4, Uçucu Küllerin Fiziksel Özellikleri Uçucu kül partikülleri çoğunlukla küresel şekilli çok küçük tane boyutuna sahiptirler. Partikül çapları μm arasında değişmektedir. Taban küllerinin tane boyutu ise μm arasındadır (Çizelge 1.3), (Mattigod, 1990). 12

24 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Yanma sürecinin bitiminde çabuk soğuma sonucu uçucu kül partikülleri küresel formlarda şekillenirler, içi boş küresel partiküllere senosfer, daha küçük boyutlu, ince duvarlı ve içi daha küçük partiküller ile dolu (iç içe geçmiş) parçacıklara ise plerosfer ismi verilmektedir. Morfolojik olarak bu iki tür partikül, uçucu küllerin % 67-95'ni oluşturmaktadır (Mattigod, 1990). Uçucu küllerin özgül ağırlığı çok geniş bir aralıkta ( g/cm 3 ) dağılım göstermektedir. Uçucu külleri oluşturan bazı partiküllerin özgül ağırlıkları manyetitspinel 4.0, kuvars 2.65, mullit 3.03, karbon , alüminyum silikat ve camlar şeklindedir. Taban küllerinin yüzey alanı ortalama 400 m 2 /kg değerinde iken uçucu küllerin özgül yüzey alanları 1060 m 2 /kg'a kadar ulaşabilmektedir. Uçucu küllerin geçirimlilik katsayıları ise taban külüne oranla daha düşüktür. Uçucu küllerin ısısal ve elektriksel iletkenlikleri içi boş küresel mikro yapılarından dolayı çok düşüktür ve bu yüzden iyi birer yalıtıcıdırlar (Schure, 1985). Çizelge 1.3. Uçucu ve taban küllerinin fiziksel özellikleri (Mattigod, 1990) Fiziksel Özellik Uçucu Kül Taban Külü Partikül çapı (µm ) Özgül Ağırlık 1,59-3,1 2,17-2,78 Özgül Yüzey Alanı Permeabilite katsayısı 5,10-9 /1,10-6 2,5-9,4 Uniformity katsayısı 2-9,8 8,2-8, Görünüş Uçucu kül çimentodan daha koyu gri renkte, çok ufak ve ince tanelidir ve yumuşak bir yapıya sahiptir (EEİ, 1979; Barry&Russell, 1998). Mikroskopla incelendiğinde çeşitli şekil ve büyüklükte, genellikle küresel, şeffaf, bazen açık renkli, bir kısmı siyah ve çok az koyu kırmızı taneciklerden oluşan bir yapı gösterir. Linyit kömüründen elde edilen uçucu küller daha esmerdir. Renginin koyuluğu açıklığı, elde edildiği kömüre ve yanış özelliğine bağlıdır. Yanmanın tam 13

25 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN olmadığı durumda oluşan uçucu küle siyah renk veren içindeki yanmamış karbondur (Barry&Russell, 1998). Yanmanın iyi olması halinde içinde yanmamış karbon miktarı az olacağından rengi daha açıktır (EEİ, 1979). Şekil 1.8. Türkiye'deki Termik Santral Uçucu Küllerdeki Senosfer SEM Görüntüsü (Onocak, 2001) Tane boyutu Uçucu küllerin tane boyutlan öncelikle kullanılan kömürün öğütülme derecesine bağlıdır. Bacada kullanılan filtre ve kullanılan yakıtın cinsi tane boyutunu etkileyen diğer faktörlerdir. Genellikle taş kömürü uçucu külü linyit uçucu külünden, elektro filtrelerde toplananlar siklonlarda toplananlardan daha ince bir yapıya sahiptirler (EEİ,1979). Uçucu külün tane boyutu 0,5 200µm arasında değişmekle beraber ortalama boyutlan 20µm- 50µm dir. %16-25'i 80µm lik elekte, %26-240'ı 50µm'lik elekte kalmaktadır. 40µm den küçük taneciklerin elekle ayrılması olanaksızdır. Spesifik yüzeyleri ise cm 2 /gr arasındadır. Çöktürücü uçucu kül elek analiz sonuçları Şekil 1.9 da, senosifır uçucu kül elek analiz sonuçları ise Şekil 1.10 da verilmiştir (Rohatgi, 1994, EEİ, 1979). 14

26 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Elek Analiz Sonuçları Ağırlık oranı (%) > >106 Partikül Boyutu (Mm) 1. Analiz 2. Analiz 3. Analiz Şekil 1.9. Çöktürücü uçucu kül elek analizi (Rohatgi,1994) Elek Analiz Sonuçları Partikül Boyutu (Mm) (μm) > Analiz 2. Analiz 3. Analiz Ağırlık Oranı(%) Şekil Senosifir uçucu kül elek analizi (Rohatgi, 1994) Uçucu külün yaklaşık %68'i 53 mikrondan daha küçük taneciklerden meydana gelmiştir. Bu incelik bazı fiziksel parametreleri de etkilemektedir. Örneğin külün su geçirgenliği çok düşüktür (0,01 71 cm/gün arasında değişir). Bu da kül içeriğinin yeraltı sularına taşınmasını güçleştirir (Arslan ve Boybay, 1990) Yoğunluk Yoğunluk ile ilgili büyüklüklerden bahsetmeden önce kullanılan yoğunluk deyimlerinin tanımlanması, bu konudaki çelişkilere açıklık getirmesi açısından çok 15

27 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN önemlidir. Yoğunlukla ilgili terimlerin toz teknolojisindeki sözlük anlamları; (Walker, 1992) i) Görünür yoğunluk (doğal); (Bulk density) serbest olarak dökülen tozun, bu haldeki ölçülen görünür yoğunluğu. ii) Görünür yoğunluk (sıkıştırılmış); (Tap density) tozun, belirtilen ölçülerdeki kaplarda, belirli şartlar altında vibrasyonla veya sıkıştırılmasıyla oluşan tabakanın görünür yoğunluğudur. iii) Gerçek yoğunluk; (True density) partikülün açık ve kapalı gözenekleri ihmal edilerek kütlesinin hacmine oranı olarak tarif edilir. Çöktürücü ve senosifır uçucu kül yoğunluklarının partikül boyutuna bağlı olarak değişimi Şekil 1.11'de, senosifır uçucu kül yoğunluklarının partikül boyutuna bağlı olarak değişimi Şekil 1.12'de, spesifik yüzeylerin yoğunlukla değişimi ise Çizelge 1.4'de verilmiştir. Spesifik Yüzeylerin Yoğunlukla Değişimi 3 Yoğunluk (gr/cm3) 2,5 2 1,5 1 0,5 Görünür Yoğunluk Görünür (ş) Yoğunluk Gerçek Yoğunluk 0 53> >150 Partikül Boyutu (Mm) (μm) Şekil Özgül Yüzeyin Yoğunlukla Değişimi (Rohatgi,1994) 16

28 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Spesifik Yüzeylerin Yoğunlukla Değişimi 0,5 Yoğunluk (gr/cm3) 0,4 0,3 0,2 0, >425 Görünür Yoğunluk Görünür (ş) Yoğunluk Partikül Boyutu (Mm) (μm) Şekil Uçucu Kül Yoğunluklarının Partikül Boyutuna Bağlı Değişimi (Rohatgi, 1994) Çizelge 1.4. Özgül Yüzeyin Spesifik yüzeylerin yoğunlukla değişimi (Rohatgi, 1994; EEİ, 1979) Özgül Yüzey (cm 2 /gr) Yoğunluk (gr/cm 3 ) 690 1, , , , , , , , ,42 Uçucu küllerin yoğunluğu, tane büyüklüğüne ve mineralojik yapısına bağlıdır. İçi dolu küresel tanelerden meydana gelen uçucu küllerin yoğunlukları, süngerimsi yapıya sahip taneciklerden oluşan uçucu küllerden daha fazladır (Barry, Russell 1998). İçi dolu küresel tanelerden meydana gelen uçucu küllerin mutlak yoğunluğu 2,2 2,7 gr/cm 3 arasındadır (EEİ, 1979). 17

29 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Ergime Sıcaklığı Uçucu külün ergime sıcaklığı, elde edildiği şartlara, uygulanan prosesin maksimum ve minimum sıcaklıklarına bağlı olarak değişir. Yapılan bir deneyde yan yükseltgen yan indirgen ortamda uçucu külün C arasında hafif bir çökme göze çarpmakta, belirgin şişme C de olmakta, tam ergime ve sıvılaşma C de meydana gelmektedir. Şişme olayı gaz çıkışından meydana gelir, bu durumda malzeme dövülebilir haldedir. Yükseltgen bir ortamda, 600 C de yanabilen maddeler uzaklaşmakta ve 1400 C dolayında ergime başlamaktadır. Uçucu kül tuğla rengine dönüşür, ısıtma ergime sıcaklığından önce kesildiğinde uçucu kül taneleri birbirini yapışarak aglomere olur (EEİ, 1979) Manyetik Özellik Uçucu kül içerisine bir mıknatıs daldırıldığında bir miktar uçucu külün mıknatısa yapıştığı görülür. Manyetik özelliği olmadığı halde yapışan tanecikler hafif bir hava akımı ile uzaklaştırılır. Yapılan deneyler sonucu uçucu küllerin yaklaşık %25'i mıknatısta kaldığı görülmüştür. Kimyasal analizlerde mıknatıs tarafından tutulan numunenin %63'nün Fe 2 O 3 olduğu tespit edilmiştir (EEİ, 1979) Mekanik Dayanım Uçucu külün mekanik dayanımları bünyesindeki boşluklu malzeme yüzdesine bağlı olarak değişmektedir. Bilyeli değirmede ezilen uçucu külün yoğunluğunda ve spesifik yüzeyinde artış görülmüştür. Örneğin ilk 15 dakika öğütme sonunda 1,90 g/cm 3 olan yoğunluk 4 saatlik öğütme sonunda 2,67 g/cm 3 'e ve 2400cm 2 /g olan spesifik yüzey cm 2 /gr a yükselmiştir (EEİ, 1979) Absorbsiyon Özelliği Boşluklu tanelerden oluşan uçucu külle, absorbsiyon özelliklerinden faydalanılarak endüstri atıkları ve suların temizlenmesinde kullanılırlar (EEİ,1979). 18

30 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Suda Çözünürlük Uçucu külün bünyesinde bulunan SO 2 ve Toprak alkali metal bileşiklerin büyük bir çoğunluğu saf suda çözünürler. Bunun dışındaki bileşikler çok az çözünür. Uçucu kül içerisindeki amorf ve camsı silis oda sıcaklığında ve saf suda çok az çözünür ancak sıcaklığın artması ile çözünürlükte belirgin bir artış izlenir, bu durum puzolanik özellik istenen karışımlar için iyi olmayan bir özelliktir (EEİ, 1979) Uçucu Küllerin Kimyasal ve Mineralojik Özellikleri Uçucu küller genel olarak camsı yapıdaki alüminyum silikatlardan oluşurlar. Ana bileşenleri SiO 2, Al 2 O 3, CaO ve Fe 2 O 3 'tür. Uçucu küllerin ph değerleri 8-14 arasında değişmektedir. Yüksek kükürtlü ve düşük Ca'lu küller; asidik küller, düşük kükürtlü ve yüksek Ca'lu küller; bazik küllerdir (Adriono, 1980; Page, 1979; USEPA, 1988). Kimyasal yapısı yaklaşık olarak %50 SiO 2, %30 Al 2 O 3, % 7 Fe 2 O 3 (Fe 2 O 3, FeO veya Fe 3 O 4 şeklinde), % 4 K 2 O, %2 CaO, %2 MgO, % l Ti0 2, %0,5 S0 3, % l Na 2 O, eser miktarda berilyum, germanyum, fosfor, molibden ve bordan meydana gelmiştir. Yanma biçimine bağlı olarak esas elemanlar, silis ve alüminyum veya kireç ve kükürttrioksit olabilir. Demiroksit, manyezit, sodyum ve potasyum ve titan sekonder olarak bulunur. Fe 2 O 3, CaO, MgO ateşten uzak olduğu oranda azalmakta, dolu küresel taneler artmakta ve birim hacim fazlalaşmaktadır (Barry&Russell, 1998). Bu oksitler külün toplam bileşiminin %95 ile %99'nu oluşturur. Minör bileşenler (Mg, Ti, Na, K, S ve P) ise külde %0,5-3,5 arasında değişmektedir. Termik santral külleri ayrıca sayıları arasında değişen iz elementleri de içerirler. Mineralojik analizlerde genel olarak uçucu kül içindeki silisin bir kısmının kuvartz kristalleri halinde, diğer bir kısmının ise alüminyumla birleşerek mullite (2SiO 2. 3Al 2 O 3 ) geri kalanının ise camsal yapıda olduğu saptanmıştır. Demirin kısmen manyetit (Fe 2 O 4 ) ve hematit (Fe 2 O 3 ), geri kalanının da camsı fazda olduğu görülür. Genellikle ideal şartlarda elde edilen uçucu küllerin % 66-88'i camsı yapıda 19

31 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN olmakta ve içerisindeki SiO 2, Al 2 O 3 toplamı %70 88 geri kalan kısmı demir, kalsiyum, magnezyum, sodyum, potasyum ve titanyumdan meydana gelmektedir. Uçucu küllerdeki karbon miktarları yanma olayına bağlı olarak değişmektedir. Yanmanın iyi olduğu termik santraller de karbon yüzdesi çok düşük (%l 3) olmasına karşın eski tip santraller de bu oran % 10'a kadar yükselmektedir. Termik santral kazanlarında yüksek sıcaklıktaki yanma sonucu kömür içindeki iz elementler büyük ölçüde değişime uğrarlar. Kimyasal davranışlarına göre iz elementler üç alt grup altında toplanmaktadır (Egemen, 1993). Bunlar; a- Matriks Olamayan Elementler Yanma süreci sırasında elementlerin kaynama noktası kazan sıcaklığından düşükse buharlaşır. Hg gibi elementler yüksek uçuculuğa sahip olduklarından atmosfere deşarj olurlar. Kaynama sıcaklığı 1550 C altında bulunan element ve bileşikler genellikle matriks olmayan grup içersinde yer almaktadır. Bazı elementlerde kaynama noktaları kazan sıcaklığından düşük olmasına rağmen yoğuşma özellikleri nedeniyle bacadan çıkamadan uçucu kül taneleri üzerinde birikme özelliği gösterirler. Bu elementlerin miktarı taban küllerinde daha az oranda izlenir. Tane yüzeylerine birleşen bu elementler kömür içindeki kil ve sülfit minerallerinden kaynaklanmakta ve matriks olmayan ya da kalkofil elementler olarak tanımlanmaktadırlar. Bu elementler yüzeye yoğunlaşma ve adsorbsiyon olayları ile zenginleştiğinden partikül boyutunun azalmasıyla element konsantrasyonunda artış gözlenir. Bu iz elementler, partikül yüzeyinde bulunduklarından sulu çözeltiler ile kolaylıkla serbest hale geçebilmekte ve bu durumda uçucu küllerin potansiyel bir kirletici olması sonucunu doğurmaktadır. b- Bağlayıcı Elementler Bağlayıcı elementler Al, Fe, Mg ve Si gibi uçucu olmayan majör elementlerden oluşmaktadır. Bağlayıcı elementlerin konsantrasyonları taban ve uçucu kül de neredeyse aynı miktarda gözlenirler. Kaynama sıcaklığı 1550 C üstünde bulunan element ve bileşikler bu grup içersinde yer alır. 20

32 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN c- Ara Elementler Bir çok inorganik element matriks ve matriks olmayan elementler arasında davranış gösterirler. Bu elementler küllerin bünyesinde ve yüzeyine bağlanmış olarak gözlenmektedir. Kimyasal olarak uçucu küller başlıca camsı aluminosilikatlardan oluşur. Camlar, "Kristallenme olmaksızın katı halde soğuyan silisli inorganik maddeler" olarak tanımlanır. Bunlar gerçek katı değillerdir ve izotropik yapılarından dolayı çok viskoz sıvılar oldukları düşünülebilir. Şekil 1.13.'de silika kristali, camsı silika ve silika cam yapıları verilmiştir (Güler, R., 1992). Şekil (a) silika kristali, (b) camsı silika, (c) ikili bir silika camı yapılarının iki boyutlu gösterimi (Hemmings ve Berry, 1986) Uçucu küllerde Cam-I ve Cam-II olmak üzere iki tip cam yapısı vardır ve bunların kimyasal yapıları Şekil 1.14.'de gösterilmiştir. Şekil Uçucu küllerde cam yapıları arasındaki yapısal farklılıkların gösterimi (Hemmings ve Berry,1986). 21

33 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Camsı yapısı oksijen atomlarının alüminyumla oluşturduğu AlO yapısındaki tetraeder moleküllerin birleşmesinden oluşmuştur. Cam-II yapısı ise Cam-I yapısına göre daha fazla depolimerize bir yapıda olup çok sayıda bağ yapmayan oksijen atomları içerir. Uçucu küller genellikle suda çözünür. Çözelti kalsiyum ve sülfat nedeniyle alkali reaksiyon verir. Magnezyum, sodyum, potasyum ve silikat iyonları suda az çözünürler. İyi bir uçucu külde suda çözünen madde miktarı az olmalıdır (EEİ, 1979). Çizelge 1.5. Uçucu Kül Kimyasal Bileşimi Uçucu Kül (ppm) Min Max Antimon (Sb) 0,8 1000,0 Arsenik (As) 2,3 1700,0 Baryum (Ba) 96, ,0 Berilyum (Be) 1,0 1000,0 Bizmut (Bi) 10,0 30,0 Bor (B) <10,0 3000,0 Brom (Br) 0,3 670,0 Kadmiyum (Cd) 0,1 250,0 Kalsiyum (Ca) 5400, ,0 Seryum (Ce) 28,0 320,0 Klor (Cl) 13, ,0 Krom (Cr) 11,0 7400,0 Kobalt (Co) 6,0 1500,0 Bakır (Cu) 30,0 3020,0 Flor (F) 0,4 624,0 Galyum (Ga) 10, ,0 Germanyum (Ge) <10, ,0 22

34 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Altın (Au) 0,004 0,5 Demir (Fe) 7800, ,0 Kurşun (Pb) 3,1 1600,0 Lityum (Li) 77,0 120,0 Magnezyum (Mg) 4900, ,0 Mangan (Mn) 31,0 4400,0 Civa (Hg) 0,01 22,0 Molibden (Mo) 6,5 500,0 Nikel (Ni) 1,8 8000,0 Paladyum (Pd) 0,2 - Fosfor (P) 600,0 2500,0 Platin (Pt) 0,7 - Potasyum (K) 1534, ,0 Selenyum (Se) 1,2 <500,0 Silisyum (Si) , ,0 Gümüş (Ag) 1,0 50,0 Sodyum (Na) 1180, ,0 Kükürt (S) 0,11 0,25 Stronsiyum (Sr) 40,0 9600,0 Tellur (Te) 0,11 10,0 Toryum (Th) 1,8 68,0 Kalay (Sn) <3,0 4250,0 Titan (Ti) 400, ,0 Tungsten (W) 2,9 42,0 Uranyum (U) 0,8 30,1 Çinko (Zn) 14, ,0 Zirkon (Zr) 100,0 5000,0 23

35 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Puzolanik Özellik Silika alümünöz bir uçucu külün kireç ile sulu ortamda reaksiyona girmesine puzolanik özellik denir. Yüksek Ca içeren uçucu küller puzolanik özellik gösterir (Towsend ve Hodgson,1973; Towsend ve Gillhem, 1975; Brown, 1976; Adriano, 1980; Bradshowve Chadwick,1980). Belirli oranlarda birleşen kireç, uçucu kül ve su sertleşerek priz alırlar. Termik santraller de bu olaydan faydalanarak uçucu küller barajlarda etkisiz hale getirildiği gibi, çimento üretiminde kullanılmasına olanak sağlar. Son zamanlarda uçucu küllerdeki radyasyon miktarının kabul edilebilir sınırların üstünde olduğunun tespit edilmesi bu atık ürünün çimento sanayinde kullanılmasına bazı kısıtlamalar getirmiştir (EEİ,1979). Puzolanlar, kendileri hidrolik bağlıyıcı olmamalarına karşın ince olarak öğütüldüklerinde nemli ortamda ve normal sıcaklıkta kalsiyum hidroksitle reaksiyona girerek bağlayıcı özellikte bileşikler oluşturan doğal veya yapay malzemelerdir. Puzolanlar, gerek çimento yapımı sırasında klinkerle birlikte öğütülerek, gerekse şantiyede çimentoya yapının özelliğine göre değişik oranlarda katılarak beton yapımında kullanılmaktadır. Puzolanlann kullanılması ekonomi dışında çimento ve betona pek çok iyi özellikler kazandırmaktadır. Diğer bir deyimle puzolanlı çimentolara, hataları düzeltilmiş portland çimentoları denebilir. Uçucu küller de puzolanik özellikleri nedeni ile puzolan olarak kullanılabilen malzemelerdir. Ancak, çimento veya klinkere katılacak puzolanlann belirli bir özellikte olması gerekmektedir. Gerek çimento fabrikasında klinkere, gerekse şantiyede çimento içerisine katılacak uçucu külün mutlaka puzolanik özelliğinin tespit edilmesine ihtiyaç vardır. İstenen düzeyde puzolanik aktivitesi olmayan uçucu kül bu iki amaç için kullanılamaz. Gerekli puzolanik aktiviteye ek olarak, uçucu külün kimyasal özelliklerinin (SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 4, SO 3 kızdırma kaybı, nem, alkaliler) ve fiziksel özelliklerinin (incelik, basınç dayanımı, büzülme, su alma kapasitesi, çimento 24

36 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN alkalinitesi ile şişme) de bilinmesi gerekmektedir. Farklı ülkelerin standartlarında bu sayılan fiziksel ve kimyasal özelliklerin bazıları veya tümü istenmektedir. Yukarıda belirtildiği gibi, uçucu küllerle ilgili olarak Türk Standartları Enstitüsü'nce hazırlanmış olan iki standart bulunmaktadır. TSE 639 Uçucu Kül: Uçucu küllerin tanımı, sınıflandırılması, özellikleri, deney yöntemleri ve kalite kontrolü ile ilgilidir. Uçucu küllerin kimyasal özellikleriyle ilgili olarak getirilen sınırlandırmalar aşağıda Çizelge 1.6 da verilmiştir. Çizelge 1.6. TS 639'da Belirtilen Uçucu Külün Kimyasal Özellikleri Özellikler Standart Sınırlar SiO 2 + A1 2 O 3 + Fe En az %70 MgO En çok %5 S0 3 En çok %5 Rutubet En çok %3 Kızdırma Kaybı En çok%10 TS 640 "Uçucu Küllü Çimento": Bu standart; uçucu küllü çimentoların tarifine, fiziksel ve kimyasal özelliklerine, muayene ve deneylerine, piyasaya arz şekilleri ile denetleme esaslarına aittir (Kefelioğlu, 1998) Uçucu Küllerin Sınıflandırılması Uçucu küllerle ilgili olarak literatürde oldukça çok sınıflandırma vardır. Bu sınıflandırmaların çoğunda uçucu küllerin kimyasal kompozisyonu esas alınmıştır. Uçucu kül sınıflandırılmalarının dört tanesi aşağıda kısaca açıklanmıştır. Kireç ve SO 3 miktarına göre sınıflandırma: Bu sınıflandırmaya göre; o Ana kimyasal yapısı silikoalüminatlardan meydana gelen ve genellikle taşkömürünün yakılmasından elde edilen uçucu küllere silikalüminoz uçucu küller adı verilir. Taş kömürünün uçucu külü genel olarak µm incelikte ve 200 no lu elek üzerinde % kalacak incelikte tamamen kuru olarak elde edilir. Taneciklerin büyük bir kısmı camsı minerallerden meydana gelmektedir. Spesifik yüzeyleri linyit uçucu küllerine göre daha büyüktür. Bu uçucu küller 25

37 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN oda sıcaklığında kireci bağlama özelliğine sahiptirler, bir başka deyişle hidrolik bir bağlayıcı gibi sulu ortamda priz yaparlar. Tane yapılarının çok ince ve camsı oluşu, çok miktarda silis ve alüminyum içermeleri nedeniyle diğer hidrolik bağlayıcılar gibi özellik gösterirler. o Genellikle linyit kömürlerinden elde edilen ve diğerlerine oranla yüksek miktarda SO 3 ve CaO içeren küllere sülfokalsif uçucu küller. Bu linyit uçucu külünde toprak alkali metalleri taş kömürüne oranla daha fazladır. Bu özelliğinden dolayı daha çok uygulama alanı vardır. o Genellikle linyit kömürlerinden elde edilen kireç ve silika miktarı yüksek uçucu küllere ise silikokalsik uçucu küller olmak üzere üç sınıfa ayrılmaktadır (Tokyay ve Erdoğdu, 1998, EEİ 1979). CaO miktarına göre sınıflandırma: Bu sınıflandırma uçucu külün içerdiği CaO miktarına dayanmaktadır. Buna göre CaO miktarı %10'nun altında olan uçucu küllere düşük kireçli veya düşük kalsiyumlu, %10'nun üstünde olanlara ise yüksek kireçli veya yüksek kalsiyumlu küller olarak adlandırılmaktadır (Tokyay ve Erdoğdu, 1998). USEPA (1986) Sınıflandırması: Bu sınıflandırma uçucu küllerin çevresel etkileri dikkate alınarak yapılmıştır. Uçucu küllerde asetik asit çözeltisi ile reaksiyona tutulmasından sonra açığa çıkan 7 element (Ag, As, Ba, Cd, Cr, Hg, Mn ve Se) ve 44 organik bileşiğin konsantrasyonların ölçülmesi ile sınıflandırma yapılmakta ve küller toksik ve toksik olmayan olarak iki sınıfa ayrılmaktadır (Mattigod, 1990). ASTM C 618 (1988) Sınıflandırılması: Günümüzde pek çok yayında yaygın olarak kullanılan ve geniş bir kabul görmüş olan ASTM sınıflandırılmasında ise uçucu küller iki gruba (F ve C sınıfı) ayrılmıştır. Bu sınıflandırmanın temelini yakılan kömürün niteliği ve uçucu külün majör element oksit içeriği oluşturmaktadır. "F" sınıfı uçucu küller antrasit ve bitümlü kömürlerin 26

38 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN yakılması sonucu oluşurlar ve SiO 2 +Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 majör oksitlerinin toplamı minimum %70 olmalıdır. "C" sınıfı uçucu küller ise linyit ve altbitümlü kömürlerin yakılması ile meydana gelirler ve belirtilen majör oksitlerin toplamı minimum %50 olmalıdır. "F" sınıfı uçucu küllerde kireç oranı (CaO) % 10'nun altındadır. "C" sınıfı uçucu küllerin Ca içeriği daha fazladır. Bu tip küller suyla kendi kendine çimentolanma özelliği gösterirler (Mattigod, 1990, EEİ, 1979, ASTM C618). C ve F tipi uçucu küllerin kimyasal kompozisyonları (%ağırlık) Çizelge 4,2 de verilmiştir. (Rohatgi, 1994, Kolukısa, 1999) Çizelge 1.7. ASTM ve TSE ye Göre Uçucu Kül Fiziksel ve Kimyasal Tanımlamaları ASTM C ve TSE ye Göre Fiziksel ve Kimyasal Tanımlamalar Kimyasal Şartlar Silikon Dioksit, Alüminyum Oksit, Demir Oksit (SiO 2 +Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 ), Min % Mineral Karışım Sınıfları TSE N F C Sülfür Trioksit (SO3),Max % Nem İçeriği, Max % Kızdırma Kaybı, Max % (A) 6.0 Alkaliler, Max % Magnezyum Oksit MgO, Max % Fiziksel Şartlar Tane Boyutu, Max %, (+325 Mesh)

39 1.GİRİŞ Selahattin VOLKAN Çizelge 1.8. C ve F tipi Uçucu Küllerin Kimyasal Kompozisyonu (% ağırlık) (Kolukısa, 1999) Uçucu Kül Kimyasal Kompozisyonu (% ağ) C Tipi F Tipi SiO Al 2 O Fe 2 O CaO ,6-13 MgO K 2 O 0,3-2 0,7-5,6 Na 2 O 0,4-6,4 0-3,1 TiO 0,9-2,8 0,7-5,6 SO 3 0,5-7,3 0-4 FeO 0,2 1 LOI 1, Uçucu Küllerin Kullanım Alanları Uçucu kül üzerinde yapılan araştırmalar son 25 yılda büyük yoğunluk kazanmıştır. Önceleri daha çok uçucu külün genel yapısı ve özellikleri ile kullanım olanaklarına yönelen çalışmalar, zamanla laboratuar ve arazide geçekleştirilen analizlerle geliştirilmiş, sonuçta uçucu külün inşaat alanında, özellikle yol yapımında kullanılmasının, termik santrallerde büyük miktarlarda atık madde olarak oluşan bu malzemenin uzaklaştırılması veya değerlendirilmesi sorununa çözüm getireceği açığa kavuşmaktadır. Yapılan çalışmaların sonucunda, uçucu külün özellikle yol yapımında, zemin stabilizasyonunda, ayrıca dolgu ve enjeksiyon işlemlerinde kullanılması öngörülmüştür (Seals, 1977). Uçucu kül hem sanayi atığı durumunda iken hemde ekolojik sorun giderici değerli bir hammadde olabilmektedir (Henry, Thomas, Uschi, 1998). Aynı zamanda uçucu kül çevre rehabilitasyonları, atık yönetimi ve polimerlerde kaplayıcı olarak kullanılmaktadır (Kruger, 1997). Çeşitli nedenlerle uçucu külün yapısı ve özellikleri zamana ve yere göre büyük değişkenlik gösterdiğinden, birçok gelişmiş ülke külün farklı alanlarda 28