Kömürlerin petrografik özellikleri ile dayanımları arasındaki ilişkinin araştırılması Mahmut ALTINER 1, Abdulkadir ÜRÜNVEREN 2, Suphi URAL 3

Transkript

1 1st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016) Çukurova University, Congress Center, October 26-28, 2016, Adana / TURKEY Pages: , Paper ID:815 Kömürlerin petrografik özellikleri ile dayanımları arasındaki ilişkinin araştırılması Mahmut ALTINER 1, Abdulkadir ÜRÜNVEREN 2, Suphi URAL 3 1Çukurova Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Adana, Türkiye, maltiner@cu.edu.tr 2Çukurova Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Adana, Türkiye, aurunveren@cu.edu.tr 3Çukurova Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Adana, Türkiye, suralp@cu.edu.tr Özet Kömürlerin üretimini, hazırlanmasını ve kullanımını etkileyen en önemli etkenlerden birisi de mineral madde içerikleridir. Bu çalışmada, Zonguldak taşkömürü ile Çayırhan, Elbistan, Ermenek, Orhaneli, Soma, Tufanbeyli ve Tunçbilek linyitlerinin mineral madde içerikleri incelenerek, darbe dayanımları ile mineral madde miktarları ve kompozisyonları arasındaki ilişkiler araştırılmıştır. Kömür örneklerinin X-ışını difraksiyon (XRD) ve özütleme (liç) tekniği ile mineral madde içerikleri incelenmiştir. Orijinal kömür örneklerinin X-ışını difraktogram çekimleri Rietveld yöntemi ile çalışan SIROQUANT yazılımı kullanılarak değerlendirilmiş ve kristal formdaki mineraller ve bunların miktarları belirlenmiştir Kömür örneklerinin darbe dayanımını belirlemek için, her bir örneğe Düzeltilmiş Darbe Dayanım deneyleri yapılmış ve bulunan indeks değerleri ile kömür örneklerinin mineral madde içerikleri arasındaki ilişkiler araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Kömür; Mineral madde; Kantitatif X-ışını difraksiyonu; Darbe dayanımı 1. GİRİŞ Kömürlerin petrografik yapısı, atmosferik etkiler vb. sebeplerle değişmektedir. Kömürler organik ve inorganik olmak üzere iki kısımdan meydana gelir. Özellikle Elbistan, Tufanbeyli Orhaneli gibi genç kömürlerde inorganik madde miktarı organik madde miktarından daha fazla olmaktadır. İnorganik madde ise, suda ve asitlerde çözülebilen elementler ve iyonlar ile kristal formdaki minerallerden oluşmaktadır. Kömürün suda çözülebilen kısmı mekanik dayanımını önemli ölçüde düşürebilmektedir. Türkiye nin farklı bölgelerinden toplanan linyit kömürlerinin (Çayırhan, Aşkale, Bağyaka, Merkeşler, Çan, Dodurga, Akpınar, Çiftalan, Gediz, Ilgın, Mengen, Mihalıççık, Milas, Orhaneli, Seyitömer, Soma, Tepebaşı, Tınaz, Karakaya, Tunçbilek, Yatağan, Merzifon, Sorgun, Yeniköy, Elbistan) içerdiği mineral madde miktarları Yaman [1] tarafından yapılan çalışma ile ortaya konmuştur. Bu çalışma sonucunda, linyit numunelerinin mineral madde içeriğinin oldukça geniş bir aralıkta değiştiği (%7,68-47,97); örneklerin kuru bazda hesaplanmış olan mineral madde içeriği ile bıraktıkları kül miktarı arasında oldukça kuvvetli bir ilişkinin olduğu; mineral madde faktörünün, hidrat suyu kaybı ile karbonatların ve sülfürlerin ayrışması sonucu gerçekleşen ağırlık kaybı, kömürün yanması sırasında oluşan metal oksitlerin organik ve piritik kükürdün bir kısmı sülfat halinde tutması ile görülen ağırlık artışından fazla olduğunda 1 den büyük ve kömürün yanması sırasında ağırlık artışına neden olan olayların fazlalığı nedeni ile 1 den küçük olduğu; mineral madde ve kül içeriği ile mineral madde faktörü arasında net bir ilişkinin saptanmadığı; kömürlerin yanabilen kısmı (aktif madde içeriği) ile mineral madde içeriği arasında doğrusala yakın bir ilişkinin olduğu; kömürlerin mineral madde içeriğinin artması ile ısıl değerinin önemli ölçüde etkilenmiştir. Karayiğit ve ark. [2] ise Türkiye deki 10 termik santral ünitesinden beslenen kömür örneklerindeki (Çayırhan, Seyitömer, Tunçbilek, Orhaneli, Soma, Yatağan, Yeniköy, Elbistan, Kangal ve Çatalağzı) majör ve iz elementlerinin belirlenmesi ve konsantrasyonlarının karşılaştırılması üzerine odaklanmıştır. Bu çalışmaya göre; termik santrale beslenen kömür örnekleri, kil mineralleri (smektit, illit, kaolinit / klorit), 3249

2 kuvars, feldispat, kalsit, dolomit, pirit ve jips minerallerinden oluştuğu; Seyitömer, Tunçbilek ve Soma linyitlerinin fazla miktarda siderit, Elbistan linyitinin az miktarda aragonit, Çayırhan linyitinin ise fazla miktarda zeolit (clinoptilite, heulandite ve analsim) mineralleri içerdiği; Cr, Cs, Mo, Ni, Rb, Th, U ve V elementleri bakımından zengin olduğu ve As, Co, Cu, Ga, Mn, Li, Sc, Sn, Ta, Tl konsantrasyonu ve bazı nadir toprak elementlerinin mevcut elde edilebilir miktarlarda bulunduğu belirtilmiştir. Ural ve Yüksel [3] tarafından Elbistan linyit numunelerinin X-ışını difraksiyon (XRD) ve özütleme tekniği ile mineral madde içeriği incelenmiştir. Orijinal linyit numunelerinin X-ışını difraktogram çekimi Rietveld yöntemi ile çalışan SIROQUANT yazılımı kullanılarak değerlendirilmiş ve kristal formdaki mineraller ve bunların miktarları belirlenmiştir. Sonuç olarak, kantitatif XRD analizlerine göre; kömür numunelerinde değişen miktarlarda kuvars, jips, kalsit, götit, klorit ve illit minerallerine rastlanılmıştır. Bu çalışmada ise; maden işletmelerinden alınan temsili kömür numunelerinin (Zonguldak taşkömürü ile Çayırhan, Elbistan, Ermenek, Orhaneli, Soma, Tufanbeyli ve Tunçbilek linyitleri) petrografik ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada kömürlerin dayanımları ile petrografik özellikleri arasındaki ilişki ortaya konulmuştur. 2. materyal VE METOD 2.1. Materyal Bu çalışmada, Türkiye nin sekiz değişik yöresinden toplanan Çayırhan, Elbistan, Ermenek, Orhaneli, Soma, Tufanbeyli, Tunçbilek linyit kömürleri ile Zonguldak taşkömürü kullanılmıştır Metod Kirma, Öğütme ve Eleme Bu çalışmada kullanılan kömür örnekleri, Çukurova Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü kırma ve öğütme laboratuarında çeneli kırıcı ile kırılmış, pulverizatörde öğütülmüş ve elek açıklığı 212 μm olan elek ile elenmiştir. 212 μm elek altı malzemeler numune poşetlerinde saklanarak, tezin bundan sonraki kısımlarında bu numuneler kullanılmıştır Elementel Analiz Orijinal kömür örnekleri, Çukurova Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü laboratuarlarında 750 C de kül haline getirilmiş ve TÜBİTAK, Marmara Araştırma Merkezi, Malzeme ve Kimya Teknolojileri Araştırma Enstitüsü nde bir Philips PW-2404 model dalga boyu dağılımlı X-ışını Flüoresans Spektrometre cihazı ile yarı kantitatif element analizi yaptırılmıştır Kantitatif XRD Analizi Orijinal kömür örneklerinin XRD çekimleri Anadolu Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü nde gerçekleştirilmiştir. XRD çekimleri Rigaku difraktometre ile Cu Kα tüple, 5-60º arasında, 0,02 / dakika ganyometre hızında yapılmış ve sonuçlar sayısal olarak bir dosyaya kaydedilmiştir. Bu dosyalar SIROQUANT bilgisayar yazılımına tanıtılarak kristal haldeki mineraller ve bunların miktarları belirlenmiştir. Rietveld [4] en küçük kareler yöntemini kullanarak, XRD grafiğinin herhangi bir noktasında bir mineralin şiddetini hesaplayabilen bir formül geliştirmiştir. Taylor [5] ise bir karışımdaki 25 farklı mineralin miktarlarını belirleyen Rietveld temelli SIROQUANT yazılımını hazırlamıştır. Numunelerde varlığı tahmin edilen her bir mineral fazı için Rietveld formatında XRD veri dosyaları hazırlandıktan sonra elde edilen kristal formdaki minerallerin ağırlıkça yüzdeleri elde edilmiştir. SIROQU- ANT her fazın toplam kristal formdaki mineraller içerisindeki ağırlıkça oranını, yine her faz için Rietveld ölçek faktörüne göre standart sapmasını ve orijinal XRD grafiği ile modellenen XRD grafiği arasındaki uygunluk değerini (χ 2 bölünmesi) vermektedir. χ 2 değerinin 1 olması XRD grafiği ile modellenen XRD grafiği arasındaki uygunluluğun tam olarak sağlandığını göstermektedir Özütleme (Liç) Yöntemi Kömür numunelerinin suda ve asitlerde çözünebilen inorganik madde miktarını belirlemek için Ward 3250

3 [6] un kullandığı teknik esas alınarak, numunelere özütleme (liç) yöntemi uygulanmıştır. Özütleme deneyi sıvılarının kimyasal analizleri de ASS yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Toplam mineral madde miktarının önemli bir kısmını oluşturan ve suda ve asitlerde çözünebilen inorganik madde miktarını belirlemek üzere kömür numunelerine önce su banyosu, daha sonra da amonyum asetat ve HCl asit ile muamele edilerek mineral maddenin suda ve asitte çözünen kısmı ağırlıkça belirlenmiştir Düşük Sıcaklık Külü Özütleme (liç) yönteminden sonra geriye kalan numunelerden AS (2000) standardına uygun olarak 370 C de Düşük Sıcaklık Külü (DSK) ile Çukurova Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü laboratuarlarında kül elde edilmiştir. Kömür numuneleri 370 C bir sıcaklıkta ısıtılarak oksitlenmiş; organik madde, düşük sıcaklık oksidasyon artığının elde edilmesi için, minerallerin ayrıştırılması ile uzaklaştırılmıştır. Sonra oksidasyon artığı atmosferde dengeye getirilerek tartılmıştır Düzeltilmiş Darbe Dayanım Testi Kömür örneklerinin darbe dayanım deneyi, Çukurova Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü laboratuarlarında yapılmıştır [7]. 3. araştırma bulguları 3.1. Kömür Numunelerinin Kimyasal Özellikleri Kömür numunelerinin XRF yöntemiyle yapılan analizinde, numunelerde Na 2 O, MgO, Al 2 O 3, SiO 2, SO 3, K 2 O, CaO, ve Fe 2 O 3 tespit edilmiştir (Tablo 1). Tufanbeyli numunesinin CaO oranı diğerlerine oranla daha yüksektir. Numunelerin SiO 2 oranı %15 50 arasındadır. SO 3 oranı genellikle %15 30 arasında iken, bu oran Soma, Tunçbilek ve Zonguldak kömür numunelerinde %5 civarındadır Kantitatif XRD Analizi Daha önce faz analizi ile varlığı tespit edilen her bir mineral fazı için Rietveld formatında XRD veri dosyaları hazırlandıktan sonra ağırlıkça yüzdeleri elde edilmiştir. SIROQUANT her fazın toplam kristal formdaki mineraller içerisindeki ağılıkça oranını, yine her faz için Rietveld ölçek faktörüne göre standart sapmasını ve orijinal XRD grafiği ile modellenen XRD grafiği arasındaki uygunluk değerini (χ 2 bölünmesi) vermektedir. χ 2 değerinin 1.0 olması XRD grafiği ile modellenen XRD grafiği arasındaki uygunluluğun tam olarak sağlandığını göstermektedir (Tablo 2). Numune Adı Tablo 1. Kömür numunelerinin kimyasal analiz sonuçları Na2O MgO Al2O3 SiO2 SO3 K2O CaO Fe2O3 Çayırhan 1,12 3,15 13,02 42,08 15,58 1,24 9,04 13,81 Elbistan 0,10 2,63 13,35 25,15 25,43 0,66 25,78 5,32 Ermenek 0,90 9,13 9,99 15,67 27,46 0,36 22,97 11,93 Orhaneli (ara kesme) 0,10 4,24 14,24 16,80 32,77 0,71 22,69 7,18 Orhaneli (orijinal) 0,06 1,64 25,39 38,45 14,66 0,92 9,56 8,30 Soma 0,12 1,00 33,15 48,73 4,72 1,13 4,95 4,83 Tufanbeyli 0,03 0,85 11,15 17,50 16,64 0,53 47,13 5,13 Tunçbilek 0,04 1,69 26,71 49,75 3,23 1,04 2,68 13,44 Zonguldak 0,16 1,18 28,71 42,65 6,19 2,32 9,68 7,

4 Tablo 2. Kömür numunesinde kristal formdaki mineral dağılımı (ağırlıkça %) Mineral Soma Zonguldak Çayırhan Elbistan Ermenek Orhaneli Tufanbeyli Tunçbilek Kuvars 5,0 0,5 5,0 1,5 0,6 0,3 1,5 3,4 Kristobalit 0,8 0,5 İllit 6,0 8,2 0,9 4,0 2,2 Kaolinit 3,3 10,9 2,1 1,7 2,2 6,3 Montmorillonit 1,2 2,8 Halloysit 0,8 Analsit 0,1 Klorit 2,0 6,5 Klinoptilolit 12,4 Muskovit 3,0 K-feldspat 6,5 Albit 2,8 2,7 0,6 Pirit 0,5 3,2 1,5 0,7 0,7 0,9 1,9 Kalsit 3,8 1,9 1,0 0,9 1,6 4,0 0,6 Dolomit 2,2 3,7 Aragonit 1,3 5,8 Siderit 0,1 1,1 Jips 4,1 4,0 8,2 3,4 4,0 11,0 0,5 Hematit 1,4 0,9 Götit 0,7 Toplam 22,3 33,4 36,1 17,6 17,2 17,8 16,5 23,1 Şekil 1 de numunelere ilişkin XRD çekimleri verilmiştir. Numunelerde değişik oranlarda kuvars, kaolinit, montmorillonit, illit, kalsit, aragonit, jips, feldspat ve pirit minerallerine rastlanılmış olup kuvars ve kil mineralleri majör minerallerdir. Numunelerdeki toplam mineral madde miktarları %5,7 ile 84,4 arasında değişmektedir. Ayrıca bu mineral madde miktarlarının %1,9 ile %22,4 arasındaki bir kısmı da suda ve asitlerde çözünmektedir Intensity (cps) Tufanbeyli Tunçbilek Orhaneli Ermenek Elbistan Soma Çayırhan Zonguldak θ Şekil 1: Kömür numunelerinin XRD patternleri.. Elbistan, Orhaneli ve Tufanbeyli kömürü gibi genç bir kömürde, mineral madde miktarının üçte biri ile yarısı arasındaki bir kısmının suda ve asitlerde çözünmesi bu kömürlerin hazırlanmasını ve kullanımını etkileyen önemli bir özelliği olarak ortaya çıkmaktadır. Özütleme deneylerinden geriye kalan numunelerden 370 ºC Düşük Sıcaklık Külü (DSK) elde edilmiştir (Tablo 3). 3252

5 Tablo 3. Kömür numunelerinin Düşük Sıcaklık Külü miktarları Numunenin alındığı yer DSK Çayırhan 30,70 Elbistan 10,65 Ermenek 3,65 Orhaneli (ara k.) 5,86 Orhaneli 12,25 Soma 23,74 Tufanbeyli 43,85 Tunçbilek 14,30 Zonguldak 11, Düzeltilmiş Darbe Dayanım İndisi Maden Mühendisliği Bölümü laboratuarında, her kömür numunesine on kez düzeltilmiş darbe dayanımı deneyi uygulanarak ortalama değerleri alınmıştır (Tablo 4). Numunelerin darbe dayanımı değerleri %37-71 arasındadır. Elbistan numunesinin değeri %71 ile en yüksek olanıdır. Tablo 4. Kömür numunelerinin düzeltilmiş darbe dayanımı değerleri Numunenin alındığı yer MISI Çayırhan 37,83 Elbistan 43,80 Ermenek 50,47 Orhaneli (ara k.) 57,69 Orhaneli 63,65 Soma 65,90 Tufanbeyli 66,70 Tunçbilek 71,08 Zonguldak 37,83 Mineral maddenin suda ve asitlerde çözünebilen miktarı arttıkça, kömür numunelerine ilişkin darbe dayanım değerleri azalmaktadır (Şekil 2). Şekil 2: Darbe dayanım değeri ile suda ve asitlerde çözünebilen mineral madde miktarı arasındaki ilişki 4. SONUÇLAR Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıdadır: Toplam mineral madde miktarlarının %5 ile %84 ü, özütleme işlemleri ile suda ve asitlerde çözünmüştür. Elbistan ve Tufanbeyli kömürü gibi genç bir kömürde, mineral madde miktarının üçte biri ile yarısı arasındaki bir kısmının suda ve asitlerde çözünmesi bu kömürlerin hazırlanmasını 3253

6 ve kullanımını etkileyen önemli bir özelliği olarak ortaya çıkmaktadır. Zonguldak kömürünün ise sadece %5 i suda ve asitlerde çözünmüştür. Numunelerin DSK oranları %3 ile 43 arasındadır. Numunelerde değişik oranlarda kuvars, kaolinit, montmorillonit, illit, kalsit, aragonit, jips, feldspat ve pirit minerallerine rastlanılmıştır. Kristal formdaki minerallerin önemli bir bölümünü kuvars ve kil mineralleri oluşturmaktadır. Çayırhan kömür numunesinde ise kristalin formdaki minerallerin üçte birini zeolit mineralleri oluşturmaktadır. Kömür numunelerindeki, suda ve asitlerde çözünebilen mineral madde miktarı arttıkça, darbe dayanım değerleri düşmektedir. Elbistan, Tufanbeyli ve Orhaneli gibi genç kömürlerin bulunduğu işletmelerde, kömür tabakalarının mekanik dayanımlarına ilişkin, şev stabilitesi ve benzeri mühendislik hesaplamalarında, bu kömürlerin su ve asitlerde çözünebileceği dikkate alınmalıdır. Aksi takdirde, özellikle açık maden işletmelerinde, örtü kazı işlemlerinden sonra, açığa çıkan kömür tabakalarının mekanik dayanımları, orijinal değerlerinin altına düşebilmektedir. 5. TEŞEKKÜR Yazarlar çalışma sırasında teknik destek sağlayan New South Wales Üniversitesi Öğretim Üyelerinden Colin Ward a teşekkürü bir borç bilir. REFERanslar [1] Yaman, S. (1992) Bazı Türk linyitlerinin içerikleri, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul. [2] Karayiğit, A.I, Gayer, R.A, Querol, X, Onacak, T (2000) Contents of major and minor trace elements in feed coals from Turkish coal-fired power plants. International Journal of Coal Geology 44, p [3] Ural, S, Yüksel, F (2004) Kömürün mineral madde içeriğinin belirlenmesi. Türkiye 14. Kömür Kongresi, s [4] Rietveld, H.M. (1969) A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. Journal of Applied Crystallography 2, p [5] Taylor, J.C. (1991) Computer programs for standardless quantitative analysis of minerals using the full powder diffraction profile. Powder Diffraction 6, p Adana. [6] Ward, C.R. (1991) Mineral matter in low-rank coals and associated strata of the Mae Moh Basin, northern Thailand. International Journal of Coal Geology 17, p [7] Ural, S (1999) Afşin-Elbistan linyitlerinin sınıflandırılarak termik santralin performansı üzerindeki etkilerinin araştırılması. Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 3254