ANKARA ÜNİVERSİTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ. KYM 442 Kimyasal Teknolojiler KATI YAKITLAR

Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KYM 442 Kimyasal Teknolojiler KATI YAKITLAR Grup Begüm Dikeçoğlu Besim Alper Bayramcı Cüneyt Altındaş Mayıs, 2015 Ankara 1

2 İÇERİK 1. Giriş 2. Kömür 2.1. Kömürün Sınıflandırılması 2.2. Kömürün Özellikleri 2.3. Kömürün Kullanım Alanları 2.4. Kömürün Kullanıldığı Prosesler 3. Biyokütle 3.1. Enerji Ormancılığı 3.2. Katı Atık Biyokütle Enerji Üretimi 4. Nükleer Yakıt 4.1. Uranyum 4.2. Toryum 5. Roketler İçin Katı Yakıt 6. Değerlendirme Kaynakça 2

3 1.GİRİŞ Katı yakıt çeşitleri; Kömür Biyokütle Nükleer Katı Yakıtlar Roketler için Katı Yakıtlar olarak sınıflandırılır. 3

4 2.KÖMÜR Kömür, değişik oranlarda organik ve anorganik bileşenler içeren tortul bir kayaçtır. Kömürün temel bileşeni karbondur. Kömür uygun ortamlarda bitki kalıntılarının zaman içerisinde biyokimyasal ve fiziksel etkilerle değişimi sonucu oluşur [1]. [1] Orhan Kural(ed.), Kömür Kimyası ve Teknolojisi, Güney Grafik, İstanbul (1990), s.? 4

5 2.KÖMÜR Şekil 1. Ülkelere Göre (a) 2013 Yılı Kömür Üretimleri (b) 2012 Yılı Kömür Tüketimi [2] [2] Anonim, Kömür Sektör Raporu, Türkiye Kömür İşletmeleri Kurumu, Ankara (2013), s

6 2.1.Kömürün Sınıflandırılması Kömürlerin sınıflandırılmasında nem, kül, koklaşma değeri, uçucu madde içeriği, elementel bileşimi (C, H, N, O, S), ısı değerlerinin bilinmesi gerekir. Bu çeşitlenmede en önemli faktör zamandır. Bunun yanı sıra oluştuğu yer,sıcaklık,basınç gibi birçok parametre vardır. Turba Linyit Taş Kömürü [3] F. Ocakoğlu, Kömür Jeolojisi Ders Notları, [İnternet], Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü, erişim: ( 6

7 2.1.Kömürün Sınıflandırılması Turba: Kömürleşme sürecinin ilk basamağında yer alan ve bitki artıkların su tablası altında değişime uğraması ile ulaşan kömür çeşididir. Bataklık kömürü olarak da bilinir [3]. Şekil 2.Kömür Çeşitleri [3] F. Ocakoğlu, Kömür Jeolojisi Ders Notları, [İnternet], Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 7 erişim: (

8 2.1.Kömürün Sınıflandırılması Linyit: Turbanın dönüşüme uğramasıyla ortaya çıkar. Pirit veya kolayca oksitlenebilen maddelerin varlığı linyitin yanmasını kolaylaştırır. Linyitler, taş kömürüne nazaran daha çok uçucu madde içeriğine sahip olduklarından daha az kararlıdırlar [4]. [4] Aral Olcay, Kimyasal Teknolojiler, Gazi Kitabevi, Ankara (1998),s

9 2.1.Kömürün Sınıflandırılması Taş Kömürü: Linyitin dönüşmesiyle oluşan kömür türüdür. Taş kömürünün ısıl değeri çok yüksektir [4]. Antrasit, en kaliteli taş kömürüdür. [4] Aral Olcay, Kimyasal Teknolojiler, Gazi Kitabevi, Ankara (1998),s

10 2.2.Kömürün Özellikleri Çizelge 1. Kömür çeşitlerinin özellikleri [5] Yakıt Cinsi Uçucu madde (kurukülsüz kömürde) Ortalama elementer analiz değerleri (%) C H 2 O 2 N 2 S Nem (%) Kül (%) Alt ısı (kcal/kg) Turba Ocak çıkışı -Havada kuru > ,5 0, ,1-1,8 0,4-9, Yumuşak Linyit Sert Linyit ,5 74,0 5,5 5,5 25,0 18,5 1,0 1,5 1,0 0, Taşkömürleri Uzun Alevli Gazlı Yağlı Az Yağlı Yağsız , ,5 1, Antrasitler , [5] Anonim, Kömür Türleri, [İnternet], Dokuz Eylül Üniversitesi, erişim: (web.deu.edu.tr/maden/docs/komur/komur_tek_2.hafta.pptx 10

11 2.3. Kömürün Kullanım Alanları Çizelge 2. Kömürün çeşitlerine göre kullanım alanları [4] Çeşit Turba Linyit Taş Kömürü Kullanım Alanı Gübre üretiminde, izolasyon plakası yapımında, briket üretilmesinde, santrallerde enerji üretiminde, kok ve aktif kömür üretiminde kullanılır. Termik santrallerde elektrik enerjisi üretiminde, azot, çimento, şeker, tekstil sanayinde, kimyasal hammadde olarak ve ev ısıtmasında kullanılır. Demir-çelik endüstrisinde, kok üretiminde kullanılır. [4] Aral Olcay, Kimyasal Teknolojiler, Gazi Kitabevi, Ankara (1998),s

12 2.4. Kömürün Kullanıldığı Enerji Prosesleri Kömürün; Yakılması Koklaştırılması Sıvılaştırılması Gazlaştırılması Enerji eldesinde kullanılan proseslerdir. Ayrıca temiz kömür teknolojileri adı verilen düşük CO 2 salınımı olan yeni prosesler geliştirilmektedir [4]. [4] Aral Olcay, Kimyasal Teknolojiler, Gazi Kitabevi, Ankara (1998),s

13 Kömürün yakılması İnsanlığın ısınmak amacıyla eskiden beri kullandığı yöntemdir. Sanayi Devrimi nden sonra buhar üretimi ve elektrik enerjisi üretiminde kullanılmaya başlanmıştır. 13

14 Kömürün yakılması Şekil 3. Kömürün yakılma prosesinin akım şeması [6] [6] Anonymous, Coal Bottom Ash/Boiler Slag-Material Description, [İnternet], Recycle Resource Center, erişim: ( 14

15 Kömürün koklaştırılması Kok, uçucu maddelerin kömürden uzaklaştırılmasıyla geriye kalan sert, gözenekli, sünger yapılı ve C yüzdesi çok yüksek olan kısma denir. Kömürün havasız bir ortamda ısıtılarak uçucu maddelerini kaybetmesiyle birlikte kok oluşması olayına koklaşma denir [7]. [7] B.G. Miller, Coal Energy Systems Elsevier Academic Press, London (2005), p

16 Şekil 4. Auscoke Prosesinin akım şeması [8] [8] M. Kemal, M. Saraçoğulları, H. S. Erben, Metalurjik Kok Üretimine Elverişli Kömür Bazının Genişletilmesi Olanakları, [İnternet], TMOBB Maden Mühendisleri Odası, erişim: ( 16

17 2.4.3.Kömürün Sıvılaştırılması Doğrudan sıvılaştırma veya dolaylı sıvılaştırma yöntemi ile kömür sıvı ürünlere dönüştürülür. Doğrudan sıvılaştırmada (kömür hidrorejenerasyonu); kömür hidrojen verici bir çözücü ile karıştırılır. hidrojen veya sentez gazı ile tepkime vererek basınç ve sıcaklık altında sıvı yakıta dönüştürülür [7]. [7] B.G. Miller, Coal Energy Systems Elsevier Academic Press, London (2005), p

18 Dolaylı sıvılaştırmada kömür önce gazlaştırılarak sentez gazı üretilir. Fischer-Tropsch sentezi ile bu gaz karışımında sıvı yakıt üretilir. Şekil 5. Fischer-Tropsch dolaylı sıvılaştırma prosesinin akım şeması [9] [9] Anonymous, Conversion of Coal to Liquid Fuels, [İnternet], McKetta Department of Chemical Engineering The University 18 of Texas at Austin, erişim: (

19 Kömürün Gazlaştırılması Kömür gazlaştırılarak gaz yakıt, sıvı yakıt ve çeşitli kimyasal maddeler üretilebilir. Kömürün gazlaştırılmasıyla; İçerisinde bulunan safsızlıklar uzaklaştırılır. Kullanımı ve taşınması kömüre göre daha kolay, temiz bir yakıt haline gelir. Böylece karbon salınımı da azalır. Petrol rezervleri fakir ancak kömürce zengin olan ülkeler için kömürün gazlaştırılması özellikle ilgi çekici bir konudur [7]. [7] B.G. Miller, Coal Energy Systems Elsevier Academic Press, London (2005), p

20 Kömürün Gazlaştırılması Şekil 6. Winkler gazlaştırıcısının akım şeması [10] [10] D. A. Bell, B. F. Towler, M. Fan, Coal Gasification and Its Applications, Elsevier, Great Britain(2011), p

21 3. BİYOKÜTLE Katı biyokütle, tahta, talaş, tahıl artığı ve hayvan dışkısının doğrudan veya kömürleştirilerek briket şekline getirilmesiyle elde edilen yakıt türüdür. Biyokütle Dünya nın enerji talebinin karşılanmasında büyük bir potansiyele sahiptir [11]. Ayrıca gelişmemiş ve gelişmekte olan ülkelerde pişirme, su ısıtma ve ev ısıtması amacıyla kullanılır [12]. [11] M. Genç, D. Yıldız, A. Deligöz, Enerji Ormancılığı ve Temiz Enerji Üretimindeki Rolü, [İnternet], Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi, erişim: ( [12] Anonymous, Biomass as a Solid Fuel, [İnternet], Practical Action erişim: ( ) 21

22 3.1.Enerji Ormancılığı Enerji ormancılığı, birim alanda en kısa sürede odun hammaddesi üreterek enerji için kullanılmasını amaçlayan orman yetiştirme yöntemidir. Bununla ilgilenen bilim dalına da silvikültür denir [13]. Odun, insanlığın tarih öncesinden beri ısınma amacıyla kullandığı yakıt türüdür. Odundan enerji eldesi, klasik enerji ormancılığı olarak da adlandırılabilinir. [13] M. Genç, D. Yıldız, A. Deligöz, Enerji Ormancılığı ve Temiz Enerji Üretimindeki Rolü, [İnternet], Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi, erişim: ( 22

23 Çizelge 3. Odunun Özellikleri [5] Uçucu madde (kuru-külsüz kömürde) Ortalama elementer analiz değerleri (%) Nem (%) C H 2 O 2 N 2 S Kül (%) Alt ısı (kcal/kg) Yaş Odun Kuru Odun > ,1-0,5 0,2-0, [5] Anonim, Kömür Türleri, [İnternet], Dokuz Eylül Üniversitesi, erişim: (web.deu.edu.tr/maden/docs/komur/komur_tek_2.hafta.pptx) 23

24 3.1.Enerji Ormancılığı Modern enerji ormancılığı mevcut ormanları enerji üretiminde kullanmak yerine söğüt, huş, kavak çeşitleri (karakavak, balzam kavakları v.b), okaliptüs gibi bazı hızlı büyüyen türlerin kullanıldığı yöntemdir. Bu ağaç türleri diğerlerine göre daha hızlı büyür, hatta biyoteknolojik yöntemlerle daha da hızlı büyütülebilirler. [13] M. Genç, D. Yıldız, A. Deligöz, Enerji Ormancılığı ve Temiz Enerji Üretimindeki Rolü, [İnternet], Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi, erişim: ( 24

25 Genelde 5 yılda bir tıraşlanarak yeniden büyümeleri sağlanır. Hasat edilen dallar biyokütle kaynağı olarak kullanılır. [13] M. Genç, D. Yıldız, A. Deligöz, Enerji Ormancılığı ve Temiz Enerji Üretimindeki Rolü, [İnternet], Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi, erişim: ( 25

26 3.2. Katı Atık Biyokütle Enerji Üretimi Katı atıklar (çöpler) evsel, endüstriyel ve her türlü insan faaliyetleri neticesinde ortaya çıkan, sahibi tarafından istenmeyen katı maddelerdir. Gelişmiş ülkelerde 1970 li yıllardan itibaren düzenli depolama ve yakma teknolojileri katı atıkların bertaraf edilmesinde kullanılmaya başlanmıştır [14]. [14] N. Akpınar, Kentsel katı atıklardan enerji üretimi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Enerji Enstitüsü, İstanbul (2006), s

27 1990 ve 2000 li yıllarda ise gazlaştırma ve anaerobik çürütme teknolojileri atık yönetim sistemlerindeki yerlerini almaya başlamışlardır. Katı atıktan enerji üretimi; düzenli depolama, termal yöntemler, biyolojik yöntemlerle gerçekleştirilmektedir [14]. [14] N. Akpınar, Kentsel katı atıklardan enerji üretimi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Enerji Enstitüsü, İstanbul (2006), s

28 4.NÜKLEER KATI YAKIT Fisyona uğrayarak enerji üretmesi için reaktöre konulan malzemelere nükleer yakıt denir. Yakıt maddeleri reaktör içinde reaktör türüne göre metal, metal alaşımı, metal oksit veya kimyasal çözelti şeklinde olabilir. Yakıt seçimi önemlidir çünkü, yakıta göre reaktör tasarlanır. [15]. [15] Ö.F. Akyüzlü, Nükleer reaktör yakıt imalatı öncesi uranyumun saflaştırılması ve zenginleştirme prosesleri, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul (2008), s. 6 28

29 4.1. Uranyum Nükleer reaktörde en çok kullanılanı uranyum yakıtıdır. Reaktörlerde yakıt maddesi olarak bölünebilen (fisil) U 235,U 233 ve Pu 239 kullanılır. İçersindeki U 235 miktarının doğal değerinin üzerine çıkartılmış uranyuma, zenginleştirilmiş uranyum, bu işleme zenginleştirme denir [15]. [15] Ö.F. Akyüzlü, Nükleer reaktör yakıt imalatı öncesi uranyumun saflaştırılması ve zenginleştirme prosesleri, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul (2008), s. 6 29

30 Çizelge te Bilinen Uranyum Rezervleri [16] Ton U Dünya daki yüzdesi Avustralya 1,706,100 29% Kazakistan 679,300 12% Rusya Fed. 505,900 9% Kanada 493,900 8% Nijer 404,900 7% Namibya 382,800 6% Güney Afrika 338,100 6% Brezilya 276,100 5% ABD 207,400 4% Çin 199,100 4% Moğolistan 141,500 2% Ukrayna 117,700 2% Özbekistan 91,300 2% Botswana 68,800 1% Tanzanya 58,500 1% Ürdün 33,800 1% Diğer 191,500 3% Dünya Toplamı 5,902,500 [16] Anonymous, Supply of Uranium, [İnternet], World Nuclear Association, erişim: ( 30

31 4.2. Toryum Toryum nükleer yakıt olarak önemli bir potansiyele sahiptir. Kendiliğinden bölünebilen (fisil) bir çekirdeğe sahip olmayan Th ile nükleer enerji üretimi henüz ticari ölçekte yapılmamakla birlikte, uranyuma göre daha güvenli olması ve radyoaktif atık miktarının azlığı dikkat çekmektedir[17]. [17] V. Altın, Toryum dosyası, Bilim ve Teknik, 483:56-63 (2008) 31

32 4.2. Toryum Toryumun yakıt olarak kullanıldığı sistemler; toryum plütonyum karışımı yakıt çubuğu, sıvı florürlü toryum reaktörü, hızlandırıcı sürümlü sistem olarak sıralanabilir [17]. [17] V. Altın, Toryum dosyası, Bilim ve Teknik, 483:56-63 (2008) 32

33 4.2.Toryum Türkiye toryum açısından zengindir. Türkiye de Eskişehir- Sivrihisar ve Isparta- Aksu bölgelerinde toryum rezervleri tespit edilmiştir. [18]. [18] M. Arık, S. Sultansoy, M.A. Çetiner, A. Çalışkan, P. S. Bilgin, Yeşil nükleer enerji, proton hızlandırıcıya dayalı toryum yakıtlı enerji sistemi, Bilim ve Teknik, 537:46-51 (2012) 33

34 Çizelge 5. Dünya Toryum rezervleri [19] Ülke Ton Th Hindistan Brezilya Avusturalya ABD Mısır Türkiye Venezuela Kanada Rusya Fed Güney Afrika Cum Çin Norveç Grönland (Danimarka) Finlandiya İsveç Kazakistan Diğer Toplam [19] Anonymous, Thorium, [İnternet], World Nuclear Association, erişim ( 34

35 5. ROKETLER İÇİN KATI YAKIT Rokette katı yakıt bir yanma kamarasında bulunur. Burada yanma gazlarının dışarıya atıldığı bir egzoz mevcuttur. Yakıt bir oksitleyici ile yakılır. Yakıt olarak doğal asfalt yağı (Galcit), çeşitli polimerler (poliüretan v.b.) kullanılır. Genellikle gücün artırılması için alüminyum tozu yakıta karıştırılır. Oksitleyici olarak KClO 4, NH 4 ClO 4, NH 4 NO 3 gibi maddeler kullanılır [20]. [20] İ. Benayyyat, Katı yakıtlı roket motoru, Bilim ve Teknik, 109:46-47(1976) 35

36 Katı yakıtlı roket motorları güvenli ve basit olmaları sebebiyle; güdümlü mermi, askeri füze sistemleri ve uzay araçlarında kullanılır. Olumsuz tarafı; yanma olayı başladıktan sonra kontrolünün zor olmasıdır. Sıvı roket motorlarında olduğu gibi tüm motor yönünün döndürülmesi mümkün değildir. [20] İ. Benayyyat, Katı yakıtlı roket motoru, Bilim ve Teknik, 109:46-47(1976) 36

37 6.DEĞERLENDİRME Katı yakıtlar Dünya nın enerji talebinin karşılanmasında önemli bir yeri vardır. Özellikle kömür elektrik üretiminde önemli bir paya sahiptir. Çevresel etkileri olumsuz olan kömürü mevcut teknolojileri iyileştirip, modern, temiz ve yeni teknolojilerle çevresel etkilerini azaltıp daha verimli kullanmak mümkündür. İnsan nüfusunun ve buna bağlı kişi başına tüketimin artması sebebiyle sürdürülebilir çevre için biyokütleden enerji elde etmek önemlidir. 37

38 KAYNAKLAR [1] Orhan Kural(ed.), Kömür Kimyası ve Teknolojisi, Güney Grafik, İstanbul (1990), s [2] Anonim, Kömür Sektör Raporu, Türkiye Kömür İşletmeleri Kurumu, Ankara (2013), s [3] F. Ocakoğlu, Kömür Jeolojisi Ders Notları, [İnternet], Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü, erişim: ( /K%C3%B6m%C3%BCr%20Jeolojisi-Eyl%C3%BCl% pdf) [4] Aral Olcay, Kimyasal Teknolojiler, Gazi Kitabevi, Ankara (1998),s [5] Anonim, Kömür Türleri, [İnternet], Dokuz Eylül Üniversitesi, erişim: (web.deu.edu.tr/maden/docs/komur/komur_tek_2.hafta.pptx [6] Anonymous, Coal Bottom Ash/Boiler Slag-Material Description, [İnternet], Recycle Resource Center, erişim: ( [7] B.G. Miller, Coal Energy Systems Elsevier Academic Press, London (2005), p [8] M. Kemal, M. Saraçoğulları, H. S. Erben, Metalurjik Kok Üretimine Elverişli Kömür Bazının Genişletilmesi Olanakları, [İnternet], TMOBB Maden Mühendisleri Odası, erişim: ( [9] Anonymous, Conversion of Coal to Liquid Fuels, [İnternet], McKetta Department of Chemical Engineering The University of Texas at Austin, erişim: ( [10] D. A. Bell, B. F. Towler, M. Fan, Coal Gasification and Its Applications, Elsevier, Great Britain(2011), p

39 KAYNAKLAR [11] M. Genç, D. Yıldız, A. Deligöz, Enerji Ormancılığı ve Temiz Enerji Üretimindeki Rolü, [İnternet], Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi, erişim: ( [12] Anonymous, Biomass as a Solid Fuel, [İnternet], Practical Action erişim: ( ) [13] M. Genç, D. Yıldız, A. Deligöz, Enerji Ormancılığı ve Temiz Enerji Üretimindeki Rolü, [İnternet], Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi, erişim: ( [14] N. Akpınar, Kentsel katı atıklardan enerji üretimi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Enerji Enstitüsü, İstanbul (2006), s [15] Ö.F. Akyüzlü, Nükleer reaktör yakıt imalatı öncesi uranyumun saflaştırılması ve zenginleştirme prosesleri, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul (2008), s. 6 [16] Anonymous, Supply of Uranium, [İnternet], World Nuclear Association, erişim: ( Uranium/) [17] V. Altın, Toryum dosyası, Bilim ve Teknik, 483:56-63 (2008) [18] M. Arık, S. Sultansoy, M.A. Çetiner, A. Çalışkan, P. S. Bilgin, Yeşil nükleer enerji, proton hızlandırıcıya dayalı toryum yakıtlı enerji sistemi, Bilim ve Teknik, 537:46-51 (2012) 19] Anonymous, Thorium, [İnternet], World Nuclear Association, erişim ( [20] ] İ. Benayyyat, Katı yakıtlı roket motoru, Bilim ve Teknik, 109:46-47(1976) 39

40 DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİZ 40