PLAZMA KÖMÜR GAZLAŞTIRMA

Transkript

1 PLAZMA KÖMÜR GAZLAŞTIRMA 1 Beycan İBRAHİMOĞLU, 2 Elif Simge VURAL, 3 Şahika YÜREK, 4 Orhan DEMİREL 1 Makine Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Ankara ( beycanibrahimoglu@yahoo.com) 2 Anadolu Plazma Teknoloji Merkezi, Gazi Üniversitesi Teknopark, Ankara ( esimgevural@gmail.com) 3,4 Türkiye Kömür İşletmeleri Genel Müdürlüğü, Ankara Ö z e t Plazma kömür gazlaştırma yöntemi, gazlaştırma reaktörü ortamında plazmanın yüksek sıcaklığı ve içerdiği yüklü partiküllerden dolayı hızlanan gazlaşma tepkimeleri, temiz sentez gazı üretimi ve yükselen gazlaştırma verimi gibi özellikleri ile gazlaştırma sürecinde avantaj sağlamaktadır. Geliştirdiğimiz deney sisteminde Soma/MANİSA linyitleri, partiküler halde reaktöre beslenerek, ark yöntemiyle plazma haline getirilen gazlaştırma ajanları ile gazlaştırma işlemine tabii tutulmuştur. Plazmatron güç kaynağı 3.5 kw olarak seçilmiştir. Bu çalışma kapsamında kömür besleme hızı sabit tutulmuş, plazma haline getirilen gazlaştırma ajanı (su buharı) oranı değiştirilmiştir. Deneyler sırasında reaktör sıcaklığı ölçülmüş, deney koşullarının ortam sıcaklığına etkisi gözlenmiştir. Deneylerden alınan gaz ürünlerin hidrojen (H 2 ), karbonmonoksit (CO), karbondioksit (CO 2 ) ve hidrokarbon derişimlerinin, gazlaştırma ajanlarının oranlarına bağlı değişimi incelenmiştir. Ayrıca plazmanın farklı frekanslarda oluşturulması ile yapılan deneylerde, plazma frekansının ürün gaz derişimleri üzerine etkisi incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: plazma, kömür, gazlaştırma, sentez gazı A b s t r a c t Plasma coal gasification method is providing advantages with the features like quick gasification reactions because of high heat in reactor, producing clear synthesis gas, and having higher gasification efficiency. In our experiment, feeding the reactor with particulate lignites of Soma/MANISA, these coals are put in a gasification process with gasifying agents which have transformed to the plasma by arc method. Plasmatron power source is choosen with a power of 3.5 kw. During the process, the speed of feeding maintaned, beside, the rate of gasifying agent (steam) which was transformed to plasma was changed. During the experiments, the heat is measured and the effects are considered. The hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and hydrocarbon consentrations of the yields are researched depending on different rates of gasifying agents. Also, in the experiments of producing plasma with different frequencies, the effects of plasma frequency on gas consentrations are researched. Keywords: plasma, coal, gasification, syngas 1. GİRİŞ Günümüzde linyit kömürlerin gazlaştırılmasında farklı yöntemler kullanılmaktadır. Son zamanlarda biyokütlenin, düşük kaliteli linyitlerin, evsel ve sanayi atıklarının, tıbbı atıkların dönüşüm süreçlerinde plazma gazlaştırma sistemleri öne çıkmaktadır. Bu amaçla da farklı plazma gazlaştırıcılar geliştirilmiştir. Kömür tozlarının Yüksek frekanslı plazmatronla (sulukömür karışımı, oksijenli veya buharlı, aşamalı gazlaştırma sistemlerinin yanında ark metoduyla plazma oluşturan, su buharlı plazmatronlar kullanılmaktadır. Bu yöntemlerin her birinin avantaj ve dezavantajları vardır. Verimli ve çevreci şekilde linyitlerin gazlaştırılması amacıyla en perspektifli proses olarak plazma gazlaştırma öne çıkmaktadır. Gazlaştırma sürecinde gazlaştırıcı reaktant olarak hava, oksijen veya su buharı kullanılmaktadır. Plazma teknolojileri kullanımında her üç reaktantla

2 da uzun süre verimli çalışması mümkündür. Bu teknoloji kullanımında, radikaller ve iyonlar içeren aktif parçacıkların oluşması kimyasal tepkimeyi hızlandır ve tepkime süresini kısaltır.[6] Laboratuvarımızda deney düzeneği tasarlanırken plazma jetinin su buharından elde edilmesi dikkate alınmıştır. Su buharlı plazmatronla çalışmalarda daha yüksek sıcaklıklara ulaşılabilmektedir ve proseste su buharının plazma oluşturucu gaz olarak kullanılması halinde gazlaştırma sürecinde inert azot gazı gereksinimi ortadan kalkmaktadır. Bu ve diğer faktörler göz önüne alınarak plazmatronun su buharıyla çalışmasına karar verilmiştir. Su buharlı plazma yöntemiyle sentez gazı üretimi için 3kW.s/kg özgül enerji gereksinimi olması, linyitlerin bu yöntemle gazlaştırılmasının ne kadar ekonomik olduğunu ortaya koymaktadır. Aynı zamanda gazlaştırma sıcaklığı ve basıncı tatbik edilen teknolojiye bağlı olup: T= o C arasında, P = 0,1-10.0MPa ve daha yüksek olabilmektedir. Yapılmış çalışmalarda[5] termal plazma koşullarında yüksek küllü kömürlerin su buharı ile gazlaşması incelendiğinde, termodinamik analizler göstermiştir ki, 2000 K altındaki sıcaklıklardaki kömürün organik kısmının gazlaştırılması sonucu, gaz fazdaki ürünler çoğunlukla(%93) sentez gazı(co-h 2 ) içerir. Diğer bileşenler asetilen, azot ve %1 in altındaki (T=1800 K) siyanürlü ve sülfürlü bileşenlerden oluşur. CO 2 ve H 2 O konsantrasyonu %0.01 den küçüktür. Sülfür, gaz fazında 3 ana şekilde görülebilir: K de H 2 S, K de CS 2 ve 3950 K den sonra S şeklinde. Yüksek küllü kömürlerin gazlaştırılmasında harcanan enerji, sıcaklıkla birlikte kademeli olarak artar. Kömür gazlaşma derecesi, 1800 K den sonra hızla artar. Bu durum, yüksek mineral içerikli kömürlerde SiO bozunmasının ve karbon monoksit oluşumunun sebep olduğu tipik bir etkidir. Ark yöntemli su buharlı plazmatronun o C sıcaklıklara ulaşılması bakımından yüksek küllü kömürlerin gazlaştırılmasında daha verimli olması ve ülkemizde bu plazmatronların üretiminin mümkünlüğü, çalışma kolaylığı dikkate alınarak laboratuvarımızda plazmatron geliştirilmesi ve linyit kömürlerin gazlaştırılmasında uygulanması söz konusudur. (Tübitak Teydeb 1507 kapsamında yürüttüğümüz numaralı proje ile geliştirdiğimiz plazmatronların (Patent No: 2012/03912), (Şekil-2) Ülkemizde ilk olmakla ve laboratuarımızda kömür gazlaştırmada da kullanılmaktadır. 2. DENEY DÜZENEĞİ VE SİSTEMİN ÇALIŞMASI Gazlaştırma amacıyla su buharlı plazmatron kullanılan deney düzeneği geliştirilerek deneyler yapılmıştır. Deney düzeneği Şekil-1 de gösterildiği gibi (1) 3,5 kw su buharlı plazmatron, (2) Redüktörlü motor, (3) Besleme konveyörü, (4) Kömür deposu, (5) Gaz borusu, (6) filtre, (7) Reaktör, (8) Cüruf tutucu, (9) Güç kaynağı kısımlarından oluşmaktadır. Su buharlı plazmatron, öncelikle gazlaştırma reaktörüne yerleştirilmiştir ve reaktör sıcaklığı o C ulaştıktan sonra reaktöre kömür verilmiştir. Kömürün gazlaştırma reaktörüne beslenmesiyle tepkimeden elde edilen sonuçları değerlendirilmiştir. Plazma jetiyle aniden termik direnç le karşılaşan o C sıcaklığındaki kömür, tüm reaktör hacmi boyunca çok küçük parçacıklara ayrılmaktadır. Bu proses yüksek sıcaklıkta plazmakimyasal bir proses olup faz dönüşümüyle sonuçlanmaktadır. Plazma jeti su buharının kısmen veya tamamen iyonlaşmasından oluşan yüksek sıcaklığa ( o C) ulaşmış plazmadır. Dolayısıyla hidrojen ve oksijenin atomlarının iyonlaşmasından meydana gelen bu prosese

3 klasik kimyasal tepkime yöntemiyle bakmamız çok da doğru değildir. Bu proses plazmakimyasal bir proses olmasından dolayı farklı yaklaşmamızı zorunlu kılmaktadır. Bizim incelemelerimiz göre, bu plazma-kimyasal prosesin çok kısa bir zaman diliminde (1-5 s) oluşması, gaz ve katı fazların yüzey alanlarının hızla artmasına neden olmaktadır ki bu da tepkimeyi hızlandırmaktadır. Bu tepkime, kömürün uçucu gazlarından (СО, СО 2, СН 4, С 6 Н 6, N 2, Н 2 О) gaz fazında atomik formda (О, Н, N, C, S), radikallerden (NН, СН, СN, ОН vb) elektronlardan (e - ), pozitif (С +, Н +, N +, CO ++, Si +, K + vb) ve negatif iyonlardan (О -, Н -, N 2 - ) oluşmaktadır. 3. SONUÇLAR Sonuç olarak plazma yöntemiyle gazlaştırmada diğer yöntemlerden farklılık göstermektedir. 1. Su buharlı plazma yöntemiyle gazlaştırma prosesinde yüksek sıcaklığa ulaşılması mümkündür (Sıcaklık gazlaştırma reaktörü çıkışında o C ye ulaşmıştır.) ve plazmatronun frekansına bağlı olarak değişen sıcaklık sonucunda farklı ürünler elde edilmiştir. Yapılan deneyler sonucu alınan sentez gazlarının analizleri incelendiğinde, H 2 konsantrasyonunun; %76,98 - %81,27 aralığında, CO 2 konsantrasyonunun; %21,5 - %2,5 aralığında, CO konsantrasyonunun ise %0,19-%1,45 aralığında değiştiği gözlenmiştir (Bknz. Ek-a). İncelemeler göstermektedir ki, H 2, CO ve CO 2 konsantrasyon aralığı plazma frekansına bağlı olarak değişmektedir. 2. Katı fazdaki kömürün aniden termik dirence uğraması çok küçük parçacıklara dönüşmesi, katı ve gaz fazındaki parçacıkların yüzey alanının artırılmasına neden olmaktadır. 3. Katı ve gaz fazdaki yüzey alanı artırılmış parçacıklar, plazmanın içerdiği yüklü partiküller ve yüksek sıcaklık sayesiyle çok hızlı tepkimeye girmektedirler. Reaksiyon hızının diğer yöntemlerle kıyaslandığında 10 kat daha fazla olduğu bilinmektedir. 4. Su buharlı plazma gazlaştırma sonucu daha az cüruf oluşmaktadır. Teşekkür Projemiz Türkiye Kömür İşletmeleri Genel Müdürlüğü tarafından desteklenmedir.

4 1. Plazmatron 2. Redüktörlü motor 3. Besleme konveyörü 4. Kömür deposu 5. Gaz borusu 6. Filtre 7. Reaktör 8. Cüruf tutucu 9. Güç kaynağı Şekil-1. Plazma Gazlaştırma Sistemi 1. Elektrot çubuk 2. Tungsten elektrot 3. Nozul 4. Başlık 5. Bakır boru 6. Quartz boru 7. Yay 8. Su Deposu 9. Su deposu kapağı 10. Pul 11. Start-Stop Yayı 12. Start-stop Kapağı 13. Bilezik 14. Dış kabuk 15. Keçe Şekil-2. Su buharlı plazmatronun parçaları

5 Ek-a: Gaz Kromatografi Sonuçları

6 Referanslar [1] Beycan İbrahimoğlu, Şahika Yürek, Orhan Demirel, Plazma yöntemi ile kömürün gazlaştırılması, IV. Ulu sal Hidrojen Enerjisi Kongresi ve Sergisi, Kocaeli, Türkiye, Ekim [2] İbrahimoglu, B., The Prospects for Plasma Technologies, Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Sistems (CNCEHS 2010), Yalta, Ukraine June, [3] Patent Su buharlı plazmatron No 2012/ [4] Krujulin. N. G. Kömür gazlaştırmada plazma teknolojileri Kimya No 11, 198. s [5] Fridman, A. (2008). Plasma Chemistry.Cambridge University Press: New York [6] Qui, J.; He, X; Sun, T.; Zhou, Y.; Guo, S.; Zhang, J.; Ma, T. Fuel Process. Technol. 2004,85,