ZONGULDAK BİTÜMLÜ KÖMÜRÜNÜN YAĞ AGLOMERASYONU MEHTAP GÖRGÜN ERŞAN, İLKAY ÜNAL* Cumhuriyet Üni. Kimya Müh. Böl., 58140-Sivas, mersan@cumhuriyet.edu.tr; *iunal@cumhuriyet.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, yüksek kül içeriğine sahip (% 28.81) Zonguldak bitümlü kömürünün (-250 µm) farklı yağlarla yağ aglomerasyonu yapılmıştır. Bağlayıcı yağ olarak petrol bazlı yağlardan; gazyağı ve fuel-oil, bitkisel yağlardan; ayçiçek yağı ve haşhaş yağı; hayvansal yağlardan ise balık yağı kullanılmıştır. Ayçiçek yağı, haşhaş yağı ve balık yağında yağ miktarı arttıkça kalite ve geri kazanım değerlerinde artış gözlenmiştir. Fuel-oil miktarı arttıkça kalite artmış fakat geri kazanım değerinde bir artış gözlenmemiştir. Gazyağı kullanıldığında ise yağ miktarı ile kalite değişmezken geri kazanım artmıştır. Ayrıca gazyağı kullanılarak karıştırma süresi, katı içeriği ve parçacık boyutunun yağ aglomerasyonuna etkisi incelenmiştir. Karıştırma süresinin aglomerasyona dikkate değer bir etkisi olmazken, artan katı içeriği ile kalite düşmüştür. Parçacık boyutunun küçülmesi ile kalite artmış, geri kazanım ise azalmıştır. Anahtar Kelimeler: Bağlayıcı yağ; Bitümlü kömür; Yağ aglomerasyonu 1 GİRİŞ İnce kömürlerden mineral maddelerin 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, n-hegzan, gazyağı, mazot, diğer petrol türevleri, kömürün Soxhlet ekstraksiyonundan elde edilen kömür sıvıları (yağ ve asfalten) ve bitkisel yağlar kullanılabilmektedir [1-4]. Yağ aglomerasyonu yönteminde belirli karıştırma hızlarında yüzeyi yağla kaplanan tanecikler büyüyerek küresel aglomeratları oluştururlarken, aglomere olmamış mineraller ve fazla miktarda mineral madde içeren kömür parçacıkları da yoğunluk farkından dibe çökerek ayrılırlar. Son yıllarda kullanılan yağın geri kazanılması üzerine yapılan çalışmalar yağ aglomerasyonu tekniğinin önemini artırmıştır [5]. Mekanik karıştırma işlem etkinliğini etkileyen en önemli parametrelerden birisidir. Yağın kömür taneciklerinin yüzeyini iyice kaplaması için optimum sürede karıştırılması gereklidir. Çok uzun süre karıştırma yapıldığında artan kalitenin azaldığı ve oluşan aglomeratların tekrar parçalanarak geri kazanımı düşürdüğü gözlenmiştir [6]. 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 [7,8]. 2 DENEYSEL Çalışmalarda Zonguldak bitümlü kömürü kullanılmış ve yapılan işlemin akım şeması şekil 1. de gösterilmiştir. Linyit önce çeneli kırıcıyla kırılmış ve kırılmış ürün çubuklu değirmende öğütülmüştür. 250 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. Kömür Elek üstü Kırma Öğütme Kömür Eleme Aglomerasyon Damıtık Su Bağlayıcı Yağ Islak Eleme (su ile yıkama) Aglomerat Sulu Faz (Atık) (süspansiyon) Kurutma Su Su Buharlaştırma Asetonla Yıkama Asetonla Yıkama Vakum Etüvünde Kurutma Vakum Etüvünde Kurutma Kül Analizi Kül Analizi Şekil 1. Deneysel akım şeması
Yağ aglomerasyonu işlemi için, karıştırma kabında katı içeriği %10 olan süspansiyon hazırlanmış, 1700 rpm hızda bağlayıcı yağ ilavesi ve dakika süre ile aglomerasyona tabi tutulmuştur. Aglomere olmuş hidrofobik tanecikler ve aglomere olmamış mineral ve mineralce zengin tanecikleri içeren kap içindeki karışım, 250 µm gözenek açıklı elek üzerine dökülmüş ve damıtık su ile yıkanmıştır. Yıkanmış aglomeratlar açık havada kurutulmuş, atıkların bulunduğu süspansiyondaki su buharlaştırılmış, toplam atık ve aglomerat miktarı hesaplanmıştır. Aglomerattaki ve varsa atıktaki bağlayıcı yağın uzaklaştırılması için örnekler asetonla yıkanmış, süzme işleminde mavi bant süzgeç (0.45 µm) kağıdı kullanılmış ve kurutulmuştur. Aglomeratın kuru miktar tartım ve kül içeriklerinden kalite (grade) (G) ve geri kazanım (recovery) (R) değerleri saptanmıştır. Geri kazanım 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 100 (1) G = 1- ( A a / A f ) (2) 3 SONUÇLAR 3.1 Deneylerde Kullanılan Kömür Örneğinin Özellikleri Deneysel çalışmalarda kullanılan kömür örneğinin kısa analiz sonuçları çizelge 1. de, aglomerasyon deneylerinde kullanılan bağlayıcı yağların yoğunlukları ise çizelge 2. de verilmiştir. Çizelge 1. Zonguldak bitümlü kömürünün kısa analiz sonuçları Kısa Analiz Havada kuru temel (hkt) Kuru temel (kt) Kuru külsüz temel (kkt) Nem Kül Uçucu madde Sabit karbon 0.83 28.57 24.00 46.60-28.81 24.20 46.99 - - 33.99 66.01 Çizelge 2. Bağlayıcı olarak kullanılan yağların bağıl yoğunlukları Yağ tipi Bağıl yoğunluk (20ºC/20ºC) Gazyağı 0.786 Fuel-oil 0.803 Mazot 0.818 Ayçiçek yağı 0.908 Haşhaş yağı 0.918 3.2 Yağ Aglomerasyonuna Farklı Yağların Etkisi Farklı yağların, kalite ve geri kazanıma etkisi şekil 2. de gösterilmiştir. Gazyağı, fuel-oil ve ayçiçek yağı aglomeratlarının kalitesi birbirine yakınken, balık yağı aglomeratlarının kalitesi bu yağlarla haşhaş yağı aglomeratının kalitesi arasındadır. Yüksek yağ miktarlarında fuel-oil ve balık yağı aglomeratlarının kalitesinin artması yağ miktarının artmasıyla, hidrofobik kömür parçacıklarının yeterli büyüklükte aglomerat oluşturabilecek miktarda olmasından kaynaklanır. Bu nedenle kömür tipine göre seçilen bağlayıcı yağ ve miktarının çok önemli olduğu söylenebilir.
3.3 Karıştırma Süresinin Yağ Aglomerasyonuna Etkisi Bağlayıcı olarak gazyağı kullanılarak, karıştırma süresinin etkisi 3- dakika arasında değiştirilerek gerçekleştirilmiş ve sonuçlar çizelge 3. de verilmiştir. Karıştırma süresinin yağ aglomerasyonuna etkisi incelendiğinde geri kazanım değerlerinde dikkate değer bir değişim gözlenmemiştir. Ancak 10 dakika karıştırma süresinde kalitenin daha yüksek olmasından dolayı aglomerasyonda en uygun karıştırma süresi olarak seçilmiştir. 1,0 100 0,8 0,6 0,4 Gazyağı K Haşhaş K Ayçiçek K Gazyağı GK Haşhaş GK Ayçiçek GK Fuel-oil K Balık K Fuel-oil GK Balık GK 80 60 40 Geri kazanım, % 0,2 20 0,0 0 0 5 10 20 25 30 35 Yağ miktarı, % Şekil 2. Zonguldak bitümlü kömürünün yağ aglomerasyonunda farklı yağların kalite ve geri kazanıma etkisi (GK:Geri kazanım, K: ) Çizelge 3. Zonguldak bitümlü kömürünün yağ aglomerasyonunda karıştırma süresinin kalite ve geri kazanıma etkisi Karıştırma süresi (dak) 3 7 10 Bağlayıcı yağ (%, kt/kt) Atıkta kül (%) 73.40 75.63 74.28 75.27 Aglomeratta kül (yağsız, %) 25.30 25.97 25.45 26.19 0.122 0.098 0.117 0.091 Geri kazanım 99.70 98.42 99.30 98.09 kt:kuru temel 3.4 Katı İçeriğinin Yağ Aglomerasyonuna Etkisi Süspansiyondaki kömür içeriğinin aglomerasyona etkisini incelemek için bağlayıcı yağ olarak katı içeriğinin % i oranında gazyağı kullanılmıştır. Katı içeriğinin yağ aglomerasyonuna etkisi incelendiğinde artan katı içeriği ile geri kazanım değerlerinde önemli bir değişiklik gözlenmezken kalite değerleri süspansiyondaki katı içeriğinin artması ile azalmıştır (şekil 3.). Buna neden yüksek katı derişiminde parçacıklar arası uzaklığın kısalması, hidrofobik parçacıkların bağlayıcı yağ ile aglomerasyonu sırasında bazı mineral parçacıkların aralarda ve boşluklarda kalması ileri sürülebilir.
3.5 Parçacık Boyutunun Yağ Aglomerasyonuna Etkisi Zonguldak kömüründen 5 farklı elek altı 45,-53,-63,-125 ve 250 µm kullanılarak parçacık boyutunun elde edilen aglomerat miktarı ve kül içeriğine etkileri incelenmiştir (şekil 4.). Parçacık boyutunun incelenmesinde katı içeriğinin % i oranında gazyağı bağlayıcı yağ olarak kullanılmıştır. Görüldüğü gibi parçacık boyutunun artması ile kalite azalmış, geri kazanım ise artmış ve 250 µm parçacık boyutunda en yüksek değerine ulaşmıştır. Buradan Zonguldak kömürünü ince öğütmenin mineralleri serbest hale getirdiği ve aglomerat kalitesi için önemli bir parametre olduğu görülmektedir. 1,0 100 0,8 80 0,6 0,4 0,2 Geri kazanım 60 40 20 Geri kazanım, % 0,0 0 0 5 10 20 25 30 35 Katı miktarı, % Şekil 3. Zonguldak bitümlü kömürünün yağ aglomerasyonunda katı içeriğinin kalite ve geri kazanıma etkisi 1,0 100 0,8 80 0,6 0,4 0,2 Geri kazaným 60 40 20 Geri kazanım, % 0,0-50 -100-0 -200 0-250 Parçacık boyutu, µm Şekil 4. Zonguldak bitümlü kömürünün yağ aglomerasyonunda parçacık boyutunun kalite ve geri kazanıma etkisi
KAYNAKLAR 1. Sun, S.C., McMorris III, W. L., Factors effecting the cleaning of fine coals by the convertal process, Min. Eng. Nov., 11-16, 1959. 2. Eliot, R.C., Coal desulfurization prior to combustion. Noyes data Corp., New Jersey, 1978. 3. Cebeci, Y., Eroğlu, N., Determination of bridging liquid type in oil agglomeration of lignites, Fuel 77 (5), 419-424, 1998. 4. Ünal, İ., Aktaş, Z., Effect of various bridging liquids on coal fines agglomeration performance, Fuel Processing Technology, 69, 141-5, 2001. 5. Abdelrahman, A.A., Brookes, G.F., An economic assesment of using surfactants in cleaning coal by the oil aglomeration method. Energy Progress, 7(1), 47-50, 1987. 6. Capes, C.E, McIlhinney, A.E., Coleman, R.D, Beneficiation and balling of coal, Trans. AIME., 247; 233-237, 1970. 7. Güleç, C., Küresel yağ aglomerasyonu tekniği ile kömürden mineral madde uzaklaştırılması. Yüksek lisans tezi, A.Ü. Mühendislik Fakültesi, 1999. 8. Ünal, İ., Kömürün yağ aglomerasyonu ve ekstraksiyon çarının iyileştirilmesi. Doktora Tezi, A.Ü. Mühendislik Fakültesi, 1999. 9. Woodburn, E.T., Some observations on the utility of separation measures in coal flotation tests, Chem. Eng. J. 27, 113-1, 1983.