ÇANAKKALE-ÇAN LİNYİTİNİN KURUMA DAVRANIŞI Duygu ÖZTAN a, Y. Mert SÖNMEZ a, Duygu UYSAL a, Özkan Murat DOĞAN a, Ufuk GÜNDÜZ ZAFER a, Mustafa ÖZDİNGİŞ b, Selahaddin ANAÇ b, Bekir Zühtü UYSAL a,* a Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü ve Temiz Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi (TEMENAR), Maltepe, 06570 ANKARA b Türkiye Kömür İşletmeleri Kurumu Genel Müdürlüğü, Hipodrom Cad., No.12, Yenimahalle, 06330 ANKARA *bzuysal@gazi.edu.tr Özet Bu çalışmada, Çanakkale-Çan linyitinin kuruma davranışı incelenmiştir. 5 farklı partikül boyutunda (1,5 30 mm) hazırlanan linyit numuneleri, Denver IR 35 M model nem tayin cihazında 80 160 o C sıcaklık aralığında değişen 5 farklı sıcaklıkta kurutma işlemine tabi tutulmuştur. Linyit numunelerinin ağırlık kaybı değerlerinden kritik nem ve kurutma kinetiği parametreleri (k 0, Arrhenius denklemi sabiti ve E a, aktivasyon sabiti) belirlenmiştir. Kritik nemin ortalama olarak 0,23 kg su/kg kuru linyit olduğu gözlenmiştir. Kurutma kinetiği parametrelerinden k o 0,517 s -1 ve E a 25381 kj/kmol olarak bulunmuştur. 1,5-10 mm aralığındaki partikül boylarında, linyitin nem içeriğinin % 20 nin altına düşmesi için yaklaşık 4 dakikalık kurutma işlemi yapılmasının yeterli olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Çanakkale-Çan linyiti, Kritik nem, Kurutma kinetiği. Giriş Ülkemizde bulunan linyit rezervlerinin yaklaşık % 67 sinin kalorifik değeri oldukça düşüktür. Sahip olduğumuz linyit kaynaklarından yüksek verim alınabilmesi için bazı zenginleştirme yöntemlerinin uygulanmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Kömürün kalitesini arttırmak, çevreye olan zararını azaltmak ve safsızlıklarını gidermek için çeşitli yöntemler uygulanır. Bu yöntemlerin tümünü kömür zenginleştirme teknikleri olarak ifade etmek mümkündür. Zenginleştirme yapılırken linyitin nem içeriğinin giderilmesi yani kurutulması oldukça önemlidir. Linyitin yapısında bulunan nem, linyitin kullanımı ve kimyasal/fiziksel özellikleri açısından en önemli parametrelerden birisidir. Kömürleşme derecesi düştükçe kömür içerisindeki nem miktarı artmaktadır ve bazı genç kömürlerin yapısında ağırlıklı olarak su bulunmaktadır. Bu nedenle teknolojik açıdan kurutma işlemi önem kazanmaktadır [1]. Kömürün kurutularak susuzlaştırılması ile ısıl değeri yükselir. Böylelikle, üretim noktasından tüketime taşımada, önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlanabilir. Nemli kömür, taşıma, boşaltma ve işlenmesi esnasında, soğuk iklim şartlarında nemin donması sonucu problem yaratır. Bu sebepten dolayı neminin giderilerek kullanılması uygun olmaktadır [2]. Kurutma işlemi, kömür içindeki sıvı kısmın termal enerjiyle uzaklaşmasını sağlayan fiziksel bir ayırma prosesidir. Genellikle su olan sıvı kısım buharlaştırma ile katı-sıvı bağları kırılarak serbest kalmaktadır. Bu bağlar kimyasal değildir. Kömür kurutulduğunda, içindeki nem miktarı ve kuruma süreleriyle ilgili veriler elde edilebilmektedir. Kurutma, katılardan sadece suyu değil, diğer organik sıvılar, organik çözücüler gibi maddeleri de uzaklaştırmaktır [3]. Suyun uzaklaştırılması için kullanılan teknik hesaplamalar aynı zamanda diğer organik sıvılar için de geçerlidir. Kurutmada eş zamanlı olarak enerji ve kütle transferi gerçekleşir. Kurutma hızı, kurutma zamanı vb. parametreler kurutma eğrileriyle ifade edilirler.
Deneysel Çalışma Çanakkale-Çan linyitinin ilk önce kaba analizi yapılmıştır. Daha sonra kırma ve eleme işlemleri sonucunda 5 farklı partikül boyutunda (1,5; 2,6; 5,6; 10 ve 30 mm) kurutma işlemine hazır hale getirilmiştir. 24 saat su içerisinde bekletilen linyit numuneleri ayrıca 24 saat oda sıcaklığında ön kurutmaya bırakılmıştır. Her bir numuneden yaklaşık 10 ar gram alınarak, 80, 100, 120, 140 ve 160 C sıcaklıklarda Denver IR 35 M model nem tayin cihazında kuruma işlemine tabi tutulmuştur. Linyit numuneleri, çalışılacak sıcaklığa ayarlanan cihaza yerleştirildikten sonra zamanla ağırlıkta meydana gelen değişimler bir bilgisayar programı yardımıyla belirlenmiş ve MS Excel dosyası olarak kaydedilmiştir. Elde edilen bu veriler kullanılarak linyitin kritik nem değerleri ve kurutma kinetiği parametreleri belirlenmiştir. Bulgular ve Tartışma Kurutma kinetiğinin belirlenmesinde kullanılacak linyit partiküllerinin boyutları 1,5; 2,6; 5,6; 10 ve 30 mm olarak alınmıştır. Bu boyutlardaki numunelerin 80, 100, 120, 140 ve 160 C sıcaklıklardaki kuruma davranışları incelenmiştir. Farklı boyutlardaki numunelerin farklı sıcaklıklarda kuruma hızına karşı nem değerleri grafiğe geçirilip buradan her bir numune için kritik nem değeri belirlenmiştir. Kritik nem değerinin bulunması [4] için Şekil 1 de, partikül boyu 5,6 mm olan numunenin 160 o C sıcaklıkta alınan veriler değerlendirilerek kuruma hızına karşı nem değerleri görülmektedir. Bu şekilden görüldüğü gibi bu deney sonucunda kritik nem 0,188 olarak belirlenmiştir. Her bir numune için belirlenen kritik nem değerleri belirlenen diğer verilerle beraber Tablo 1 de verilmiştir. Şekil 1. Havada kurutulmuş Çanakkale-Çan linyitinin 160 C sıcaklıkta kuruma hızı-nem grafiği (Kömür Boyutu = 5,6 mm) Tablo 1 de elde edilen kritik nem değerlerine göre yapılacak bir kurutma işlemi ile Çanakkale-Çan numunesi neminin 0,20 seviyelerine kadar düşürülebileceği görülmüştür ve bu kurutma işlemi için de yaklaşık 4 dakikalık bir sürenin yeterli olacağı belirlenmiştir.
Tablo 1. Çanakkale-Çan linyitinin farklı partikül boyutlarında ve farklı sıcaklıklarda kurutma işlemi sonucunda elde edilen kritik nemleri, kuruma süreleri ve kurutma hızları (kaba nem=% 24,49) LİNYİTİN BOYUTU (mm) 1,5 2,6 5,6 10 30 SICAKLIK ( C) KRİTİK NEM (X c ) (kg su / kg kuru linyit) KRİTİK NEME KADAR GEÇEN KURUTMA SÜRESİ KRİTİK NEMDEKİ KURUTMA HIZI (kg su/ kg kuru linyit-s) (s) (dak) 80 0,377 150 2,5 0,000716 100 0,331 150 2,5 0,000955 120 0,276 210 3,5 0,001040 140 0,267 210 3,5 0,001624 160 0,257 270 4,5 0,001462 80 0,304 210 3,5 0,000480000 100 0,284 210 3,5 0,000705000 120 0,271 180 3,0 0,001139327 140 0,270 210 3,5 0,001202797 160 0,265 280 4,7 0,001379310 80 0,247 210 3,5 0,0006335 100 0,216 210 3,5 0,0007130 120 0,202 240 4,0 0,0006830 140 0,192 240 4,0 0,0009900 160 0,188 270 4,5 0,0012000 80 0,180 210 3,5 0,000251 100 0,221 270 4,5 0,000477 120 0,273 210 3,5 0,000596 140 0,171 240 4,0 0,000681 160 0,070 1110 18,5 0,000200 80 0,103 810 13,5 0,0000564972 100 0,141 510 8,5 0,0001170000 120 0,137 630 10,5 0,0001910000 140 0,155 600 10,0 0,0002060000 160 0,150 570 9,5 0,0002470000 Linyitin kuruması sırasında meydana gelen suyun azalan hız devresindeki ağırlık kaybı aşağıda verilen Denklem 1 ile modellenmiştir. dw/dt = -k 1 w (1) Burada w, linyit örneğinin herhangi bir zamandaki ağırlığının ilk ağırlığına bölünmesi ile ortaya çıkan boyutsuz bir ağırlıktır. Boyutsuz ağırlığın (w) doğal logaritması zamana karşı verilen tüm koşullarda doğrusal olarak azalmıştır. Bu davranış ağırlık kaybı sabitinin (k 1 ) işlem boyunca sabit kaldığını göstermektedir.
Yapılan deneysel çalışmalara örnek olarak 5,6 mm boyutunda ve 160 C sıcaklıkta linyit numunesinin ağırlık kaybı sabitinin (k 1 ) bulunması için ln w zamana karşı grafiğe geçirilmiştir ve Şekil 2 de verilmiştir. 0-0,05 ln (w) -0,1-0,15-0,2-0,25 150 170 190 210 230 250 270 290 310 Zaman (s) Şekil 2. Havada kurutulmuş Çanakkale-Çan linyiti için boyutsuz ağırlığın doğal logaritmasının zamana göre değişimi (Kömür Boyutu = 5,6 mm, Sıcaklık = 160 C) Şekil 2 den Çanakkale-Çan linyiti için 5,6 mm boyutunda ve 160 C sıcaklıkta ağırlık kaybı sabiti (k 1 ) 0,0011 s -1 olarak hesaplanmıştır. Benzer şekilde diğer numuneler için de elde edilen k 1 değerleri yukarıda verildiği gibi belirlenerek Tablo 2 de verilmiştir. Sıcaklığın k 1 sabiti üzerine etkisini incelemek için aşağıda verilen Arrhenius eşitliği kullanılmıştır. k 1 = k o exp (-E a / RT) (2) Burada, k o frekans faktörü, E a aktivasyon enerjisi, R gaz sabiti ve T mutlak sıcaklıktır. Denklem 2 nin logaritması alınarak aşağıda verilen Denklem 3 elde edilmiştir. ln k 1 =ln k o E a /RT (3) Bu denkleme göre ln k 1-1/T ye karşı grafiğe geçirildiğinde elde edilen doğrunun kaymasından k o, eğiminden de E a değerleri hesaplanmıştır. Beş farklı partikül boyutu için Çanakkale-Çan linyitinin k o ve E a değerleri belirlenmiştir. Örnek olarak 5.6 mm partikül boyu için ln k 1-1/T grafiği Şekil 3 te ve benzer şekilde diğer partikül boyutları için de elde edilen bu değerler Tablo 2 de verilmiştir.
-6-6,5 lnk1 (1/s) -7-7,5-8 -8,5-9 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 100/T (1/K) Şekil 3. Çanakkale-Çan linyiti için k o ve E a sabitlerinin hesaplanması için hazırlanan Arrhenius grafiği (Kömür boyutu = 5,6 mm) Tablo 2. Çanakkale-Çan linyiti için k o ve E a sabitlerinin hesaplanması için hazırlanan kinetik parametreler Boyut Sıcaklık ( C) (mm) k 1 (s -1 ) 0,0003 0,0005 0,0006 0,0008 0,0009 1,5 k o (s -1 ) 0,321 E a (kj/kmol) 20043 2,6 5,6 10 30 k 1 (s -1 ) 0,0002 0,0004 0,0007 0,0008 0,0010 k o (s -1 ) 0,787 E a (kj/kmol) 25252 k 1 (s -1 ) 0,0002 0,0005 0,0006 0,0009 0,0011 k o (s -1 ) 0,638 E a (kj/kmol) 25748 k 1 (s -1 ) 0,0001 0,0003 0,0004 0,0005 0,0007 k o (s -1 ) 0,472 E a (kj/kmol) 28449 k 1 (s -1 ) 0,00003 0,00006 0,00009 0,0001 0,0002 k o (s -1 ) 0,367 E a (kj/kmol) 27412
Tablo 2 incelendiğinde, kurutma kinetiği parametrelerinin (k o ve E a ) partikül boyu ile belirgin bir şekilde değişmediği görülmüştür. Çanakkale-Çan linyit numunesinin çalışılan beş farklı partikül boyu için k o ve E a nın ortalama değerleri sırasıyla 0,517 s -1 ve 25381 kj/kmol olarak belirlenmiştir. Semboller E a : Aktivasyon enerjisi, [kj/kmol] k o : Frekans faktörü, [s -1 ] k 1 : Suyun azalan hız devresindeki ağırlık kaybı sabiti, [s -1 ] R : Gaz sabiti, [kj/kmol.k] t : Zaman, [s] T : Sıcaklık, [K] w : Linyit örneğinin herhangi bir zamandaki ağırlığının ilk ağırlığına bölünmesi ile ortaya çıkan boyutsuz bir ağırlık Kaynaklar 1. Gündüz, U., Ar, F., Uysal, B. Z., Himmetoğlu Kömürünün Kuruma Davranışı, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Cilt 12, No: 1, Ocak 1999. 2. Kural, O., Kömür Özellikleri, Teknolojisi ve Çevre İlişkileri, İstanbul, Ocak 1998. 3. Güngör A., Özbalta N., Endüstriyel Kurutma Sistemleri, III. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi Bildiriler Kitabı, II. Cilt, İzmir, Kasım 1997. 4. Geankoplis, C., Transport Processes and Unit Operations, Third Edition, Prentice Hall, 1993.