SİVAS-DİVRİĞİ ULUÇAYIR LİNYİTİNİN YAĞ AGLOMERASYONU VE MİKRODALGA ENERJİSİNİN ETKİSİ

Transkript

1 SİVASDİVRİĞİ ULUÇAYIR LİNYİTİNİN YAĞ AGLOMERASYONU VE MİKRODALGA ENERJİSİNİN ETKİSİ MEHTAP GÖRGÜN ERŞAN ve İLKAY ÜNAL* Cumhuriyet Üni. Kimya Müh. Böl., 581Sivas, ÖZET Araştırmada % kül içeriğine sahip SivasDivriği (SD) Uluçayır linyitinin (25 µm) ağır ortam ayırması ve yağ aglomerasyonu yapılmıştır. Ağır ortam ayırmasında ortam yoğunluğunun artması ile geri kazanım artmış, kalite ise azalmıştır. SD Uluçayır linyitinin ağır ortam ayırmasına parçacık boyutunun etkisi araştırılmış ve artan parçacık boyutu ile geri kazanım artarken, kalitenin azaldığı görülmüştür. Yağ aglomerasyonunda artan bağlayıcı yağ (gazyağı) miktarı ile kalitenin arttığı görülmüştür. Linyitin yağ aglomerasyonunda parçacık boyutu küçüldükçe geri kazanım ve kalite azalmıştır. Linyitin yağ aglomerasyonuna mikrodalga süresinin etkisi incelenmiş ve elde edilen mikrodalga çarının artan mikrodalga süresi ile kalitesinin de arttığı bulunmuştur. Yağ aglomerasyonunda, bağlayıcı yağ olarak gazyağı ve mikrodalga yağı karışımının kullanılması, saf gazyağı kullanılarak yapılan aglomerasyona göre, artan mikrodalga yağı miktarı ile kalite ve geri kazanımı artırmıştır. Anahtar Kelimeler: Ağır ortam; Linyit; Mikrodalga enerjisi; Yağ aglomerasyonu 1 GİRİŞ Kömür parçacıkları ağır ortam sıvısıyla santrifüjlendiğinde, sıvıdan daha düşük yoğunluktaki kömürce zengin kısım yüzen sıvı yüzeyinde toplanır. Sıvı yoğunluğundan daha yüksek yoğunluğa sahip mineral maddece zengin kısma ise çöken adı verilir. Ağır ortam ayırması santrifüj kuvvet uygulamak yerine yerçekimi etkisiyle de yapılabilir [1]. Araştırmacıların büyük bir kısmı kömürün yüzdürme çöktürme tekniği ile fraksiyonlarına ayrılmasında, yoğunlukları yüksek ve viskoziteleri düşük olduğu için organik sıvıları önermişlerdir [2]. İnce kömürlerden piritik kükürdün ve diğer organik safsızlıkların atılmasında uygulanabilecek yöntemlerden birisi de yağ aglomerasyonudur. Bu yöntemde kömür taneciklerinin arasında köprü görevi yapan bir bağlayıcı kullanılmaktadır. İnce kömürlerin aglomerasyonunda bağlayıcı olarak heptan, pentan, perkloretilen, nhegzan, gazyağı, mazot, diğer petrol türevleri, kömürün Soxhlet ekstraksiyonundan elde edilen kömür sıvıları (yağ ve asfalten) ve bitkisel yağlar kullanılabilmektedir [35]. Yağ aglomerasyonu tekniğinde kömürsu karışımına bir bağlayıcı sıvı eklendiğinde kömür partikülleri ile kapiler arayüzey arasında adhezyon kuvvetleri etkin olur. Yağ aglomerasyonu prosesi organik ve inorganik partiküllerin arasındaki yüzey özelliklerinin farklılığına dayanır. Karbon içeriği yüksek temiz kömür tanecikleri, eklenen bağlayıcı yağ ile köprü oluşturarak aglomere olur ve ayrılır. Ortamda mineralce zengin kısımlar kalır [5]. Parçacık boyutunun aglomerasyon etkinliği için önemli bir parametre olduğu bilinmektedir. Kömürün yapısında bulunan ve genel olarak homojen dağılmayan mineral maddelerin kömürden ayrılması için yüzey alanlarının büyütülmesi gereklidir. İnce öğütme minerallerin serbest hale geçme olasılığını artırdığından parçacık boyutu küçüldükçe kalitenin artması beklenirken, bazı durumlarda küçülen parçacık boyutu ile kalitenin de azaldığı görülmüştür [6, 7].

2 Mikrodalga enerjisi bir manyetik radyasyondur (33. MHz). Moleküllerin hareketine iyon gücü ve dipol dönmeler yol açar. Dipol dönme çözücü içindeki moleküllerin ve örneklerin dipol momentinden ileri gelir. Partiküler çalışmalarda, düşük dielektrik sabitli çözücü kullanılır. Bunu soğuk bir çözücü ile çözünenlerin ekstraksiyonu takip eder. Şimşek [8], mikrodalga enerji etkisiyle kömür dönüşümü ve kömür özellikleri arasındaki ilişkileri incelemek amacıyla kömür numunesi ve tetralini farklı sürelerde mikrodalga enerjisi etkisiyle hidrojenasyona tabi tutmuştur. Mikrodalga ile işlem süresi 6 dakika olana kadar kömürün % dönüşümü artmış bu süreden sonra azalmaya başlamıştır. Buna neden olarak, mikrodalga enerji etkisiyle oluşan kömür radikallerine tetralinin yeterince H sağlayamadığını ve oluşan bu radikallerin kendi aralarında tepkimeye girerek yeniden polimerleşme tepkimeleri gerçekleştiğini ileri sürmüştür. 2 DENEYSEL Çalışmalarda SivasDivriği (SD) Uluçayır linyiti kullanılmıştır. Linyit önce çeneli kırıcıyla kırılmıştır. Kırılmış ürün çubuklu değirmende öğütülmüştür. 25 µm lik açıklığa sahip eleklerde elenmiştir. Eleme işlemi için Retch marka paslanmaz çelik elekler kullanılmıştır. Toplanmış kütle homojenize edilmiştir. Parçacık boyutunun aglomerasyona etkisini belirlemek için, 45, 53, 63 ve 125 µm boyutundaki örnekler, homojenize edilmiş stok kömürden alınan örneklerin tekrar öğütülmesinden elde edilmiştir. Ağır ortam sıvısı olarak izopropil alkol ve karbontetraklorür (IPA+CCl 4 ) karışımı kullanılarak ortam yoğunluğu, 1.35, 1., 1.45 ve 1.5 (g/cm 3 ) olan değişik yoğunluklarda ağır ortam sıvıları hazırlanmıştır. 6 g kömür örneği (%6) katı içerecek şekilde santrifüj ağır ortam sıvısı ile santrifüjleme işlemine tabi tutulmuştur. Santrifüjleme işlemi Hettich Universal santrifüjü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Santrifüjleme süresi 1 dakika ve hızı rpm olarak belirlenmiştir. Elde edilen yüzen ve çöken fraksiyonlar mavi bant süzgeç kağıdından süzülerek ağır ortam sıvısından ayrılmış, bir vakum etüvünde 8 ± 5 C da 24 saat süreyle kurutulmuştur. Yağ aglomerasyonu işlemi için, karıştırma kabında katı içeriği %1 olan süspansiyon hazırlanmış, 17 rpm hızda gazyağı ilavesiyle aglomerasyona tabi tutulmuştur. Aglomere olmuş hidrofobik tanecikler ve aglomere olmamış mineral ve mineralce zengin tanecikleri içeren kap içindeki karışım, 25 µm gözenek açıklı elek üzerine dökülmüş ve damıtık su ile yıkanmıştır. Yıkanmış aglomerat ve atıktaki su uzaklaştırılmış, toplam atık ve aglomerat miktarı hesaplanmıştır. Aglomerattaki ve varsa atıktaki bağlayıcı yağın uzaklaştırılması için örnekler asetonla yıkanmış, süzme işleminde mavi bant süzgeç (.45 µm) kağıdı kullanılmış ve kurutulmuştur. Aglomeratın kuru miktar tartım ve kül içeriklerinden kalite (grade) (G) ve geri kazanım (recovery) (R) değerleri saptanmıştır. ve kalite değerleri (1) ve (2) nolu eşitlikler yardımıyla belirlenmiştir [9]. Bu eşitliklerde; C a ve C f yüzen fraksiyonun ve orijinal beslenen kömürün kuru külsüz kömür (g) içeriği, A a and A f orijinal beslenen ve yüzen fraksiyonun % kül içeriğidir. R = ( C a / C f ) x 1 (1) G = 1 ( A a / A f ) (2) Mikrodalga deneylerinde Bosh marka mikrodalga fırın kullanılarak 6 W mikrodalga enerjisi altında çalışılmıştır. 25 ml hacminde, ısıya dayanıklı cam beherlere kütlece kömür/çözücü miktarı 1/6 olacak şekilde SD Uluçayır linyiti ve toluen eklenmiştir. Kömür ve toluenin iyi bir şekilde karışması sağlandıktan sonra, mikrodalga enerjisi altında 4, 8 ve 1 dakika sürelerle işleme tabi tutulmuş ve linyit süzülerek çar ve sıvı ürünlere ayrılmıştır. Çar THF ile Soxhlet ekstraksiyonuna tabi tutularak yıkanmış ve ilk süzüntü ile yıkama sonucu elde edilen süzüntü birleştirilmiştir. Soxhlet ekstraksiyonu mikrodalga işlemine tabi tutulan SD Uluçayır linyitine

3 uygulanmıştır (yaklaşık 48 saat). Ekstraksiyon tamamlandıktan sonra çar vakum etüvünde 11 ºC sıcaklıkta 24 saat kurutulmuştur. Çözücü, ekstrakttan bir döner buharlaştırıcı yardımıyla uzaklaştırılmış ve fraksiyonlara ayrılarak ekstrakt elde edilmiştir. Soxhlet ekstraksiyonu ve ilk süzüntüden elde edilen ekstrakt; yağ, asfalten ve prasfalten olarak fraksiyonlarına ayrılmıştır. S D Uluçayır linyiti ile en iyi sonuçlar % gazyağı kullanarak elde edildiğinden, deneylerde 3 g linyit için 4.5 g gazyağı kullanılmıştır. 3 SONUÇLAR 3.1 Deneylerde Kullanılan Kömür Örneğinin Özellikleri Deneysel çalışmalarda kullanılan kömür örneğinin kısa analiz sonuçları çizelge 1. de verilmiştir. Bağlayıcı yağ olarak ise bağıl yoğunluğu (2/2 C),786 olan gazyağı kullanılmıştır. Çizelge 1. SivasDivriği (SD) Uluçayır linyitinin kısa analiz sonuçları Kısa Analiz Havada kuru temel (hkt) Kuru temel (kt) Kuru külsüz temel (kkt) Nem Kül Uçucu madde Sabit karbon Ağır Ortam Ayırma ve Yağ Aglomerasyonu Sonuçları SD Uluçayır linyitinin ağır ortam ayırmasında (AOA), ortam yoğunluğunun artmasıyla yüzen fraksiyonun miktarı artmış ve kalite değeri düşmüştür..697 den.245 değerine düşerken geri kazanım %89.5 den %99.31 e çıkmıştır (şekil 1.). SD Uluçayır linyitinde ortam yoğunluğu ile geri kazanım önemli ölçüde artarken, kalitede ise kararlı bir şekilde düşüş gözlenmiştir. Bu sonucun, artan ortam yoğunluğunda minerallerin yoğunluğunun, ağır ortam sıvısının yoğunluğundan daha düşük olması ve bu nedenle mineral içeriği düşük linyitle birlikte yüzen fraksiyonunda toplanmasından kaynaklandığı söylenebilir. Böylece linyitin geri kazanım değeri artarken kalitesi azalmıştır. 1, 1,8 8,6,4 6, %,2 Geri kazaným, 1,3 1,35 1, 1,45 1,5 Ortam Yoğunluğu, gcm 3 Şekil 1. SD Uluçayır linyitinin AOA ortam yoğunluğunun kalite ve geri kazanıma etkisi Parçacık boyutunun ağır ortam ayırma işlemine etkisi incelendiğinde, yapılan deneylerde 45 ve 53 µm parçacık boyutunda tam bir ayırma yapmak mümkün olamamış ve kül analizinin yapılması için yeterli miktarda yüzen fraksiyon elde edilememiştir (çizelge 2.). En yüksek kalite değeri.732 ile 63 µm parçacık boyutunda elde edilmiştir. 25 µm parçacık 2

4 boyutunda %89.5 ile en yüksek değeri almıştır. Buradan 25 µm parçacık boyutunun SD Uluçayır linyitindeki minerallerin yeterince serbest hale geldiği sonucu çıkarılabilir. Bu boyutta kalitede önemli ölçüde azalma olmadığından parçacık boyutu için en uygun değerin seçildiğini göstermektedir. Görüldüğü gibi (çizelge 2.) artan parçacık boyutu ile geri kazanım önemli ölçüde artmakta, kalite ise düşmektedir. Buna neden; öğütme işlemi sırasında küçük minerallerin kömürün gözeneklerine sıkışmış yani tutuklanmış olmasıdır. Böylelikle linyit parçacıklarının yoğunluğu ağır ortam sıvısının yoğunluğundan daha yüksek olduğundan çöken fraksiyonun miktarı artmış ve geri kazanım düşmüştür. Bugüne kadar yapılan çalışmalarda linyitlerin ağır ortam ayırmasında artan parçacık boyutu ile kalite değerlerinin yükseldiği, geri kazanım değerlerinin ise düştüğü görülmüştür [7]. Buna neden olarak SD Uluçayır linyitinin ağır ortam ayırmasında parçacık boyutunun azalması ile serbest hale gelmiş mineral maddelerin ve mineral içeriği yüksek çok küçük linyit parçacıklarının, çöken fraksiyonunda toplanması ve bu nedenle yüzen fraksiyonunda daha az miktarda ancak mineral madde içeriği düşük linyit elde edilmesidir. Böylece azalan parçacık boyutlarında kalite artmış ancak geri kazanım düşmüştür. Çizelge 2. SD Uluçayır linyitinin ağır ortam ayırmasında parçacık boyutunun etkisi Parçacık boyutu (µm) Ortam yoğunluğu (g cm 3 ) Yüzen Çöken miktar (%) kül (%) miktar (%) kül (%) Geri kazanım Yağ miktarının SD Uluçayır linyitinin yağ aglomerasyonuna etkisinin incelenmesi için bağlayıcı yağ olarak gazyağı kullanılmış ve yağ miktarı katı içeriğinin %5 i ile %3 u arasında değiştirilmiştir (şekil 2.). Gazyağı az viskoz olduğundan ve karışım içinde daha fazla yayılabildiğinden dolayı kömür parçacıklarıyla olan etkileşiminin fazla olduğu söylenebilir [9]. Elde edilen sonuçlardan gazyağı miktarının artmasıyla kalite ve geri kazanım değerlerinin arttığı görülmüştür. Bu nedenle gazyağı bağlayıcı olarak kullanıldığında küresel aglomerat oluşumuna yardım ettiği ve linyitin mineral kısımlarından ayrılmasına yardımcı olarak kaliteyi yükselttiği söylenebilir. 1, 1,8 8,6,4 6, %,2 2, Gazyağ ı miktarı, % Şekil 2. SD Uluçayır linyitinin yağ aglomerasyonunda kalite ve geri kazanımın gazyağı miktarı ile değişimi

5 Yağ aglomerasyonuna parçacık boyutunun etkisi yağ miktarı % olan gazyağı kullanılarak incelenmiştir (çizelge 3.). Parçacık boyutu arttıkça kalite ve geri kazanım değerleri artmıştır. İnce öğütme mineral maddelerin serbest hale geçme olasılığını arttırdığından parçacık boyutu küçüldükçe kalitenin artması beklenirken SD Uluçayır linyitinde yukarıda belirtildiği gibi parçacık boyutu küçüldükçe kalite ve geri kazanımın düştüğü görülmektedir. Bu sonuç, SD Uluçayır linyitinin aglomerasyonunda bağlayıcı yağ olarak kullanılan gazyağının, hidrofobik kömür parçacıklarını yeterli büyüklükte aglomerat oluşturabilecek miktarda olmamasından kaynaklandığını gösterir. SD Uluçayır linyitinin parçacık boyutunu 25 µm ye düşürmekle mineral maddenin hemen hemen tamamının serbest hale geçtiği ve bu parçacık boyutunun linyitin yağ aglomerasyonu ile temizlenmesi için yeterli olduğu sonucu çıkartılabilir. Çizelge 3. SD Uluçayır linyitinde yağ aglomerasyonunda parçacık boyutunun etkisi Parçacık boyutu (µm) Bağlayıcı yağ (%) Atıkta kül (%) Aglomeratta kül (yağsız, %) Bağlayıcı yağ: gazyağı; yıkama suyu: 5 g; nem: %17.11; katı içeriği: %1; kül(kt): %13.27; karıştırma süresi ve hızı:1 dak., 17 rpm 3.3 SivasDivriği Uluçayır Linyitine Mikrodalga Süresinin Etkisi SD Uluçayır linyiti çarının mikrodalga süresinin artmasıyla kalitesi.278 den.311 e çıkmıştır (şekil 3.). Buna neden, linyitin mikrodalga işlemi sırasında kömür radikallerine H aktarımının sağlanması ve bu sırada linyit gözeneklerindeki toluende çözünebilen maddelerin ekstrakte edilmesidir. Mikrodalga işlemi sırasında linyitten fonksiyonel grup içeren bileşikler uzaklaştırıldığından, linyit çarlarının yüzeyi daha hidrofobik özellik kazanmıştır. 1, 1,8 8,6,4 6, %,2 2, Mikrodalga süresi, dk Şekil 3. SD Uluçayır linyiti çarının gazyağı ile aglomerasyonunda kalite ve geri kazanımın mikrodalga süresi ile değişimi

6 3.4 SivasDivriği Uluçayır Linyiti Ekstrakt Yağının Aglomerasyona Etkisi SD Uluçayır linyitinin mikrodalga işlemi sonunda elde edilen mikrodalga ekstrakt yağının aglomerasyona etkisinin incelenmesi için, gazyağına değişik oranlarda mikrodalga ekstrakt yağı katılmıştır. Bağlayıcı yağ olarak %5, %1, %, %2, %25 ve %3 mikrodalga ekstrakt yağı içeren 4.5 g gazyağıekstrakt yağ karışımı kullanılmıştır (şekil 4.). Toplam bağlayıcı yağ içindeki mikrodalga ekstrakt yağ miktarının artmasıyla geri kazanım ve kalite önemli ölçüde artmıştır..249 dan.32 ye çıkarken, geri kazanım %66.44 den %98.55 e artmıştır. Görüldüğü gibi mikrodalga ekstrakt yağı eklendiğinde, kalite ve geri kazanımda artış gözlenmektedir. Bu nedenle de mikrodalga işlemi sırasında oluşan ekstrakt yağının içeriğinin, gaz yağına göre oldukça farklı olduğu söylenebilir. Toplam bağlayıcı yağ içindeki mikrodalga ekstrakt yağı miktarının artması SD Uluçayır linyitinin aglomerasyonunda daha etkili olmuştur. Bu nedenle kömür tipine göre seçilen bağlayıcı yağ ve miktarının aglomerasyonda oldukça önemli rol oynadığı söylenebilir. 1, 1,8 8,6,4 6, %,2 2, Mikrodalga yağı miktarı, % Şekil 4. Sivas Divriği Uluçayır linyitinin yağ aglomerasyonunda kalite ve geri kazanımın mikrodalga yağı miktarı ile değişimi KAYNAKLAR 1. Özbayoğlu, G., Mamurekli, M., Super clean coal production from Turkish Bitiminious coal, Fuel, 73, , Bird, B.M., Byron, M., Messmore, H.E., Report of investigetions. Serial 2586, US Bureau of mines Sun, S.C., McMorris III, W. L., Factors effecting the cleaning of fine coals by the convertal process, Min. Eng. Nov., 1116, Ünal, İ., Aktaş, Z., Effect of various bridging liquids on coal fines agglomeration performance, Fuel Processing Technology, 69, 1415, Cebeci, Y., Investigation of kinetics of agglomerate growth in oil agglomeration process, Fuel 82, , Güleç, C., Küresel yağ aglomerasyonu tekniği ile kömürden mineral madde uzaklaştırılması. Yüksek lisans tezi., A.Ü. Mühendislik Fakültesi, Ünal, İ., Kömürün yağ aglomerasyonu ve ekstraksiyon çarının iyileştirilmesi. Doktora Tezi, A.Ü. Mühendislik Fakültesi, Şimşek, E., Türk kömürlerinin mikrodalga enerji etkisiyle tetralindeki hidrojenasyonu. Doktora Tezi, A.Ü. Mühendislik Fakültesi, Woodburn, E.T., Some observations on the utility of separation measures in coal flotation tests, Chem. Eng. J. 27, 1131, 1983.