Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ MİKRODALGA ENERJİSİNİN KÖMÜRLERİN ÖĞÜTÜLEBİLİRLİĞİNE ETKİSİ

Transkript

1 Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ MİKRODALGA ENERJİSİNİN KÖMÜRLERİN ÖĞÜTÜLEBİLİRLİĞİNE ETKİSİ Gülhan ÖZBAYOĞLU, Tolga DEPCİ ODTÜ Maden Mühendisliği Bölümü, Ankara. ÖZET Termik santrallarda tüketilen enerjinin büyük bir kısmı kömürün öğütülme işlemi sırasında harcanmaktadır. Bu nedenle, öğütme işleminde kullanılan enerji miktarının azaltılmasını sağlayacak yardımcı işlemlere gereksinim duyulmaktadır. Öğütmeden önce uygulanan bir ön ısıtma işlemi, kömürlerin yapısında kırıkların ve çatlakların oluşmasını sağlamaktadır. Geleneksel ısıtma yöntemlerinde, hem kömür, hem de yapıda bulunan su ısınmaktadır. Mikrodalga ile ısıtmada ise, kömürün mikrodalgaya karşı transparan bir yapıya sahip olmasından dolayı, yalnızca içerdiği su ısınmakta ve faz değiştirerek yapıdan uzaklaşmaktadır. Bu çalışmanın amacı, mikrodalga ile ısıtma işleminin farklı tane boyutlarındaki kömürün öğütülebilirliği üzerindeki etkisinin araştırılmasıdır. Çalışmada, ısıl işlemler için maksimum 0.9 kw güç değerine ve 2.45 GHz frekansa sahip bir mikrodalga fırını kullanılmıştır. Kullanılan kömür numunesi bitümlü ithal kömür olup, öğütülerek ve elenerek 19,05/9,53 mm, 9,53/4,66 mm ve 4,66/0,56 mm olmak üzere üç fraksiyona ayrılmıştır. Her fraksiyon 15 ile 60 saniye arasında 0,17 kw ve 0,9 kw arası enerjide mikrodalga radyasyonuna maruz bırakılmış ve HGI değerleri belirlenmiştir. Gücün, işlem zamanının ve tane boyutunun öğütülebilirlik üzerindeki etkileri incelenmiştir. Mikrodalga işleminin sonuçları, işleme tabi tutulmamış kömürle karşılaştırılmıştır. Test sonuçları, farklı boyut aralığındaki kömürlerin mikrodalga ile ısıtma işleminden etkilendiğini ve HGI te tane boyutuna bağlı olarak % oranında, öğütme işlemi sonucu ortaya çıkan toz miktarlarında ise % oranında artış sağlandığını göstermiştir. 379

2 1.GİRİŞ: Elektrik üretimi için pulverize kömür yakan güç santrallarında kömürlerin öğütülmeleri önemli miktarlarda enerji gerektiren bir işlem olup santrallarda yakılan toz kömürün tane boyutunun genellikle %70-80 inin 75 mikronun altında olması istenmektedir. Standart bir taşkömürünün öğütülmesi için gerekli enerji miktarı, 8,4 kg/saat kapasiteli bir besleme için 266 kw dır. Diğer bir deyişle, 2000 MW lık bir güç santralını beslemek için gereken kömürün öğütülmesinde 6-8 MW enerji tüketilecektir [1,2]. Bu nedenle, kömürün öğütülebilirliğindeki herhangibir ekonomik iyileştirme değirmenin güç gereksinimini önemli ölçüde azaltacak ve enerji tasarrufu sağlayacaktır. Kömürler ön ısıl işleme tabi tutuldukları zaman yapıda gerilmeler meydana gelmekte ve bu gerilmeler kırıkları ve çatlakları arttırmaktadır. Yeni oluşan bu yapı öğütmeye karşı daha az direnç göstermektedir. Birçok ısıtma işlemi arasında, hızlı ısıtma kapasitesi ve farklı malzemeleri seçici olarak ısıtma özelliği ile mikrodalga enerjisi, ısıtma işlemi olarak dikkat çeken bir yöntemdir. Kömürlerin öğütülebilirliklerini etkileyen faktörlerin arasında kömürün nem oranı, petrografik kompozisyonu (maseral dağılımı) ve yaşı önemli rol oynamaktadır.kömürün ön ısıtma işleminden geçirilmesi, öğütmeyi olumlu yönde etkilemekte ve boyut küçültme işlemini kolaylaştırmaktadır [3]. Konvansiyonel ısıtma işlemleri genelde döner veya akışkan fırında gerçekleştirilmektedir. Bu tip ısıtmada ısı yüzeyden içeriye doğru ilerlemektedir. Buna alternatif olarak ortaya atılan mikrodalga ısıtma işleminde ise ısı içeriden dışarıya doğru yayılmakta olup, konvansiyonel ısıtmadan çok farklıdır. Mikrodalga fırınında ısıtma homojen olmayıp, seçimlidir. Yani, maddenin farklı kısımları mikrodalga radyasyonunu absorplama kabiliyetine göre farklı ısınma özelliği göstermektedir. Örneğin kömür, heterojen bir kaya olup yanabilir özellikli organik bir yapıyla, yanmayan ( inorganik yapıda kül oluşturan) mineral maddelerden oluşmaktadır. Kömürün içerisinde ayrıca bünyesel ve yüzeysel nem bulunmaktadır. Kömürün organik yapısının mikrodalga enerjisini absorplama özelliği zayıftır. Buna karşın, kömürün nem içeriğini oluşturan su molekülleri polar olup iyi bir mikrodalga enerjisi absorplayıcısıdır. Mikrodalga enerjisine maruz kalan kömürün içerisindeki suyun hızla ısınması sonucu su molekülleri faz değiştirerek buharlaşmakta ve bünyeden ayrılarak kömürün yapısında kırık ve çatlakların oluşumuna neden olmaktadır. Bu da kömürün öğütülmesini kolaylaştırmaktadır. Su moleküllerinin ısınma hızı 0.65 kw güç ve 2.45 GHz frekanstaki mikrodalga radyasyonunda 0,9 C/saniye olarak hesaplanmıştır [4,5]. Kömürde mikrodalga enerjisini yüksek derecede absorlama özelliği gösteren diğer bir madde kömürün içerisinde bulunan pirit mineralidir. Yukarıda bahsedilen mikrodalga koşullarında, kömürün inorganik yapısını oluşturan kuvars 0,08 C/saniye, pirit ise 1 C/saniye ısınma hızı göstermektedir [6]. Bu çalışmanın amacı, farklı boyutta hazırlanan kömür numunesinin mikrodalga enerjisiyle ısıtılması sonucunda öğütülebilirliğine olan etkilerinin saptanmasıdır. 380

3 Öğütülebilirlikteki değişimlerin tesbitinde nümunelerin Hardgrove Öğütülebilirlik Indeksi(HGI) nin tayini ve aynı şartlarda öğütülmeleri sonucu ortaya çıkan -74 mikronluk toz miktarı esas olarak alınmıştır. 2. MATERYAL VE METOD 2.1. Materyal Bu çalışmada, ısınma amacıyla ithal edilen bir taşkömürü kullanılmıştır. Kömürün kısa analizi Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1 Isınma amaçlı ithal kömürün kısa analizi Analiz % Nem 10,39 Kül 18,37 Uçucu Madde 30,32 Sabit karbon 40,92 Yanar Kükürt 0,78 Toplam Kükürt 0,84 Alt Isı Değeri 4576 Kcal/kg 2.2.Ekipman: Deneylerde 2,45 GHz frekanslı ve azami 900 W güçlü Moulinex marka, mutfak tipi bir mikrodalga fırını kullanılmıştır. 2.3.Yöntem: Kömür numunesi mm nin altına kırılmış ve sonra (-19,05 + 9,53)mm, ( - 9,53 + 4,66 )mm ve (-4,66 + 0,56 )mm lik 3 fraksiyona ayrılmıştır. Herbir elek fraksiyonundan temsili numuneler alınarak HGI leri tayin edilmiştir. Daha sonra bütün elek fraksiyonları 15, 30, 45 ve 60 saniye süresince mikrodalga enerjisine maruz bırakılmış ve tekrar herbirinin hemen HGI leri saptanmıştır. Mikrodalga işlemi uygulanmamış ve uygulanmış numuneler 28 meş ( 0,595 mm) nin altına öğütülmüş ve sonra elek analizleri yapılarak 74 mikronluk kısmın miktarı bulunmuştur. Mikrodalga ısıtma işleminin etkileri orijinal kömüre göre HGI teki değişimler ve - 74 mikronluk ince kısımdaki farklılaşmalar bazında değerlendirilmiştir. 3.DENEYSEL SONUÇLAR VE İRDELENMESİ 3.1. Orijinal nümunenin öğütülebilirliği Deneylerde kullanılan orijinal nümunenin farklı tane boyutlarının HGI i ve elek fraksiyonlarının ayrı ayrı-28 meş (0,595 mm) in altına öğütülmesi sonucu ortaya çıkan 74 mikronluk toz miktarı Tablo- 2 de verilmiştir. 381

4 Tablo 2 Orijinal nümunenin farklı tane boyutlarının HGI i ve öğütüldükten sonraki toz oranı HGI -74 mikron miktarı, %** Tane boyutu Havada Fırında Havada Fırında (mm) kurutma kurutma* kurutma kurutma -19, ,60 22,12-9,53+4, ,95 21,50-4,66+0, ,90 19,42 * Nümuneler fırında C de 2 saat kurutulmuşlardır. ** Nümuneler kurutulduktan sonra -28 meş (0,595 mm) in altına öğütülmüş ve 74 mikronun altına geçen toz miktarı saptanmıştır. Tablo 2 den görüldüğü gibi nümunenin elek fraksiyonlarının HGI leri 62 ile 72 arasında değişmekte olup iri fraksiyon daha yüksek değer göstermektedir Mikrodalga ile yapılan ısısal işlemin kömürün öğütülebilirliğine olan etkisi Farklı tane boyutlarındaki kömürlerin değişik güçteki mikrodalga enerjisiyle farklı sürelerde radyasyona maruz bırakılmaları sonucu elde edilen neticeler Tablo 3 te gösterilmiştir. Tablo 3 Mikrodalga enerjisi ile ısıl işlemin kömürün öğütülebilirliğinde yarattığı artış oranları Güç kw Hava Kuru 0,40 0,62 0,90 Radyas yon (- 19,05 + 9,53) mm (-9,53 + 4,66) mm (-4,66 + 0,56) mm Süresi -74 HGI -74 µm HGI -74 µm HGI (sn) µm % % % % % %

5 Mikrodalga ısısal işleminde radyasyon süresinin HGI e etkisi Tablo 3 te görüldüğü gibi deneylerde radyasyon süresi 15 ile 60 saniye arasında değiştirilmiştir. Radyasyon süresinin artması kömürlerin öğütülebilirliğini olumlu yönde etkilemiş ve HGI değerlerini arttırmıştır. Radyasyon süresinin 15 saniyeden 60 saniyeye çıkarılması, 0,90kW güçte iri fraksiyonun HGI inde % 5 lik bir artış sağlarken, bu ince fraksiyonda %10 nisbetinde gerçekleşmiştir. Yine 0,90kW gücünde sürenin 15 saniyeden 60 saniyeye çıkarılmasının toz üretimine olan katkısı iri fraksiyonda %9, ince fraksiyonda ise %12 oranında olmuştur. Görüldüğü gibi mikrodalga radyasyon süresinin tane boyutuna bağlı toz oluşumuna olan etkisi daha sınırlı kalmıştır. Mikrodalga fırını 0,90 kw gücünde çalıştırıldığında 60 saniyenin üzerindeki sürelerde nümunelerin yanmaya başladıkları görülmüştür. Lester ve Kingman [1] kömürlerdeki liptinit maserallerinin hızlı ısınmadan çok fazla etkilendiklerini, bunun da sıcaklığın C yi geçmesi durumunda gerçekleştiğini göstermişlerdir. Yine aynı araştırmacıların diğer bir çalışmasında 8 kw gücündeki bir mikrodalga fırınında saniyenin küçük bir bölümünde bile kömürlerin öğütülebilirliğinin değiştiği vurgulanmıştır [7]. Çalışmanın amacı kömürde herhangibir kimyasal bozunmaya neden olmadan öğütülebilirliğin iyileştirilmesinin araştırılması olduğu için süre 60 saniye ile sınırlandırılmıştır Mikrodalga gücünün değişiminin kömürün öğütülebilirliğine etkisi Mikrodalga radyasyonunun etkisi gücün derecesine bağlı olarak değişmektedir. Mikrodalgada gücün arttırılması radyasyonu ve mikrodalga enerjisinin absorplanmasını arttırmaktadır. Çünkü, absorplama elektrik şiddetinin karesi ile artmaktadır. Bu durum Tablo 3 te açıkça görülmektedir. Mikrodalga gücünün artması kömürlerin HGI değerlerininde yükselmesine neden olmuştur. Mikrodalga radyasyonuna maruz bırakılmış kömürlerin HGI lerindeki bu değişim orijinal kömüre nazaran en fazla % 125 oraninda gerçekleşmiştir. Gücün en yüksek olduğu 0,90kW şartlarında toz miktarlarındaki artış ise en fazla % 118 ler civarında olmuştur Mikrodalga ısısal işlemin kömürlerin tane boyutuyla ilişkisi Nümunelerin tane boyutunun küçültülmesi yüzey alanının artmasına ve daha fazla su tutmalarına neden olmaktadır. Bu nedenle kömürlerde ince taneler, iri tanelerden daha yüksek nem içeriğine sahiptirler. Diğer taraftan kömürlerde nem, yüzey nemi ve bünyesel nem olmak üzere iki tipte bulunmaktadır.yüzeysel nem havada kurutma ile giderilirken,kömürün kılcal yapısı ve gözeneklerinde bulunan bünyesel nemin kömürden ayrılması daha zor ve yavaştır. Mevcut çalişmada farklı tane boyutunda hazırlanan nümunelerin mikrodalga işleminden sonra ağırlıklarında olan kayıplar farklı güç alanları için tesbit edilmiş ve bunlara karşın HGI ve toz oranlarındaki artışlar hesaplanmıştır. Sonuçlar Tablo 4 te gösterilmiştir. 383

6 Tablo 4: Mikrodalga ısısal işlemin farklı tane boyutlarındaki kömürlerin HGI lerinde ve -74 mikron boyutundaki toz üretiminde yarattığı artış oranları Güç kw Ağırlı k Kaybı % (-19,05+9,55) mm (-9,55+4,66) mm (-4,66+0,56) mm -74 µm HGI Ağırlık -74 µm HGI Ağırlı -74 µm HGI Ağırlık Kaybı Ağırlık k Ağırlık % % % % % Kaybı % % % 0,40 3, , , ,62 5, , , ,90 8, , , Deneyler, farklı tane boyutlarındaki kömürlerin 0,90 kw güçteki mikrodalga ısısal işlemleri sonucu 60 saniye sonunda ince boyutta % 13, iri boyutta ise % 8,88 oranında ağırlık kayıplarına uğradıklarını göstermiştir. Kömürlerdeki nemin faz değiştirerek bünyeden ayrılması sonucu yapıda meydana gelen çatlak ve kırıklar kömürlerin öğütülebilirliğini olumlu yönde etkilemiştir. Elek fraksiyonlarının orijinal HGI değerleri ve -74 mikronluk toz miktarları mikrodalga ısısal işleminden geçirilmiş kömürlerin değerleriyle karşılaştırıldığında radyasyona uğramış kömürlerin çok daha yüksek değerlere sahip oldukları, diğer bir deyişle öğütülebilirliklerinin kolaylaştığı ortaya çıkmaktadır. Elek fraksiyonlarının HGI lerinde olan bu artış 0,90 kw güç ve 60 saniyelik radyasyon süresi için iri boyutta % 107, ince boyutta ise % 125 tir. Aynı koşullarda toz miktarlarındaki artış ise iri ve ince boyutta sırasıyla % 112 ve % 115 tir. Mikrodalga ısısal işlemi HGI te tane boyutuna bağlı olarak onemli farklılıklar yaratırken üretilen toz miktarında önemli bir fark yaratmamaktadır. 4. SONUÇLAR 1. Bütün farklı tane boyutlarında,kömürlere uygulanan mikrodalga enerjisi öğütülebilirliği önemli ölçüde artırmaktadır. Heterojen bir madde olan kömürün organik ve inorganik bileşenlerinin radyasyon enerjisi karşısındaki davranışlarının farklı olması, yani kömürün içerdiği nemin iyi bir mikrodalga absorplayıcısı olmasına karşın kömürün organik yapısının mikrodalgadan etkilenmemesi mikrodalga ısısal işlemini konvansiyonel ısıtmaya karşı daha avantajlı kılmaktadır. Nemin kömürün bünyesinden hızlı bir şekilde ayrılması sonucunda yapıda çatlak ve kırıklar oluşmakta ve kömürün öğütmeye olan direncini azalmaktadır. 2. Mikrodalga enerjisinin gücü ve radyasyon süresi öğütülebilirliğe etki eden en önemli faktörlerdir. Gücün ve sürenin artması kömürlerin öğütülebilirliğini arttırmaktadır. 0,90 kw güçte ve 60 saniye süreli bir mikrodalga ısısal işlemi sonucunda kömürün HGI inde % 125 lere varan artış sağlanmaktadır. Aynı koşullarda mikrodalga radyasyonuna uğramış kömürün öğütülmesi sonucu ortaya çıkan 74 mikronluk toz miktarındaki artış ise % 115 ler civarındadır. 384

7 3. Mikrodalga radyasyonu altındaki kömürlerin tane boyutları ve içerdikleri nem oranları öğütülebilirliği etkilemektedir. Tane boyutu düştükçe kömürün nem tutma kapasitesi artmaktadır. Bu da mikrodalga işlemi sonucunda ince tane boyutunda önemli miktarda ağırlık kaybına neden olmaktadır. İnce boyutlardaki fazla miktardaki ağırlık kaybı HGI te önemli artışlara neden olurken aynı fraksiyonun öğütülmesi sonucu ortaya çıkan toz miktarını aynı ölçüde etkilememektedir. KAYNAKLAR: [1] Lester,E., Kingman, S., Effect of microwave heating on the physical and petrographic characteristics of a U.K.Coal, Energy and Fuels, 2004, 18, [2] Lester,E., Kingman,S., The effect of microwave pre-heating on five different coals, Fuel 83 (2004), [3] Lytle,J., Choi,N., and Prisbrey,K., Influence of preheating on grindability of coal, International Journal of Mineral Processing, 36 (1992), [4] Harrison,P.C.,Ph.D. Thesis, The University of Birmingham, England, 1997 [5] Marland,S., Han, B., Merchant,A., Rowson,N., The effect of microwave radiation on coal grindability, Fuel 79(2000), [6] Marland,S., Han, B., Rowson,N.A., Merchant,A.J., Microwave embrittlement and desulphurization of coal, Acta Montanistica Slovaca, Rocnik 3 (1998), 3, [7] Lester,E., Kingman,S., Dodds, C., Increased coal grindability as a result of microwave pretreatment at economic energy inputs, Fuel, 84, 2005,