YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KÖMÜR TEKNOLOJİLERİ ENTEGRE GAZLAŞTIRMA KOMBİNE ÇEVRİMİ SİSTEMLERİ Eren SOYLU 100105045 ernsoylu@gmail.com 2015, Yalova
1. Giriş Gazlaştırma, kömür gibi karbon içerikli maddelere sınırlı miktarda oksijen,hava,hava-su buharı karışımı ve zenginleştirilmiş oksijen içerikli hava verilerek yanabilen gaz bileşenlerinin (CO, H2, CH4 vb. ) oluşumunu sağlayan süreçtir. Kullanılan yakıt cinsine, kullanım amacına ve system kapasitesine göre en çok tercih edilen gazlaştırıcı tipleri sabit yataklı, akışkan yataklı ve sürüklemeli akış yataklı gazlaştırıcılardır. Temiz kömür teknolojileri kapsamında kömür kaynaklarından ileri dönüşüm teknolojileri kullanılarak elektrik, sıvı yakıt ve çeşitli kimyasallar elde etmek ve bunların temiz ve verimli bir şekilde enerji üretimi, ulaşım ve diğer sektörlerde kullanımına yönelik uygun AR-GE ve teknoloji uygulama çalışmaları devam etmektedir. Halen işletimde veya inşa halinde olmak üzere kömür ve biyokütleden gazlaştırma yolu ile elektrik, sıvı yakıt veya çeşitli kimyasalların üretildiği çok sayıda ticari işletme mevcuttur ve bunların sayıları giderek artmaktadır. (Atay & Karaaslan, 2006) Gazlaştırma tabanlı sistemlerin genel bir kategorisi ise Entegre Gazlaştırma Kombine Çevrimi (IGCC) dir. IGCC, kömürün esnek kullanımı, ağır yağlar, petrol koku, biokütle, atık yakıt gibi yakıtların elektrik üretiminde birincil yakıt olarak kullanımını sağlayan gelişmiş bir güç üretim teknolojisidir. Tipik bir IGCC sistemi sulfur vb. maddeleri ise yan ürün olarak üretir. Bir çok yan ürün üreten bunun gibi sistemlere polijenerasyon sistemleri de denir.igcc sistemlerinin temel avantajı ise yüksek termal verimlilik ve pulverize kömür yakan sistemlere nazaran daha az emisyona sahip olmasıdır. 2. Sistem Tasarımı ve Bileşenleri Temel bir IGCC sisteminin ilüstürasyonu şema olarak Şekil 1 de verilmiştir. Bir IGCC güç santralinde; gazlaştırıcıya giren besleme akımından gazlaştırma ile içeriği çoğunlukla karbon monoksit ve hidrojen olan sentez gazı eldesi gerçekleşir.bazı partikül maddeler ve çözdürülebilir gazlarından tamamen arındırılması için gaz temizleme sisteminden geçen sentez gazı kombine çevrim güç santralinden kullanılır.
Kömür gazlaştırma sistemi, oksitleyici ve gaz temizleme sistemine bağlı olarak bir çok çeşit IGCC sistemi bulunmaktadır. Tipik bir IGCC sisteminde bulunan bölümler; Yakıt Hazırlama Gazlaştırma Yüksek Sıcaklıktaki Gazın soğutulması Düşük Sıcaklıktaki gazın soğutulması ve gazın temizlenmesi Asit-Gaz Ayrıştırıcısı Yakıt Gaz Doyurma Gaz türbini Isı Kazanımlı Buhar Jeneratörü Buhar Türbini Sülfür Yan Ürün Geri Kazanımı Olarak sıralanabilir. Gazlaştırma ve Yüksek Sıcaklıtaki Gazın Soğutulması gibi tüm bu sistemlerin kendi içlerindeki farklı tasarımları kendine has IGCC sistemlerini oluşturur. 3. Gazlaştırıcı Tipleri Temelde 3 farklı gazlaştırıcı vardır. Bunlar hareketli yataklı veya karşı akımlı gazlaştırıcılar, akışkan yataklı gazlaştırıcılar ve sürüklemeli akış reaktörleridir. Tüm tipteki reaktörlerde; reaktöre beslenmiş yakıt reaktörde kısmi oksitleyici ve ajan yardımıyla ( su veya buhar ) sentez gazına çevrilir. Oksitleyici yakıtın kısmi olarak oksitlenmesi için gereklidir. Su veya buhar ise gazlaştırma reaksiyonundaki hidroliz için kullanılırlar. 4. Gazlaştırma Soğutma Sistemleri Yüksek Sıcaklıktaki Gazın Soğutulması Yüksek sıcaklıktaki sentez gazının soğutulması sistemi genel manada gazlaştırıcıya göre değişmektedir. Sürüklemeli akış gazlaştırıcı sisteminin soğutma sistemi gereksinimi diğer gazlaştırıcılara göre daha yüksek sıcaklıkta sentez gazı talep eder. Bunun nedeni reaktörde çökme veya sürüklenen akışkanlaşmış yakıtın donmamasıdır. Tipik bir gaz soğutma sisteminde sıcak gaz bir ısı eşanjöründe termal enerjiyi soğutucu akışkana aktarmak ve buhar üretmek için kullanılır. Bu tip soğutucuların ilk tasarımlarda termal verimlilik yüksekken, maliyet fazla olmasına rağmen daha sonra oluşturulan tasarımlarda maliyet düşürülerek daha optimize edilmiş tasarımlar oluşturulmuştur.
Işınımlı ve Taşınımlı Sentez Gazı Soğutma Sistemi Tasarımı Işınımlı ve Taşınımlı gazlaştırma sisteminin tasarımı Şekil 2 de gösterilmiştir. Her bir gazlaştırıcı için bir tane ışınımlı ısı değiştiricisi bide tane de taşınımlı ısı değiştiricisi bulunmaktadır. Sıcak Sentez gazı ışınımla ısı transferi gerçekleştirilerek eşanjörde soğutulur. Yüksek basınçlı buhar taşıyan borular gazlaştırıcı iç çeperine yerleştirilmişrir. Eriyik haldeki atık ışınımlı ısı değiştiricisinin içinde soğuyarak cüruf toplama bölmesine doğru damlar. Soğumuş gaz ısı değiştiricisini yaklaşık 1500 F da terkeder. Sentez gazı sonra taşınımlı ısı değiştiricisine doğru hareket eder ve burada gaz 650 F a kadar soğur.
5. Gaz Temizleme Sistemleri Gaz temizleme sistemlerindeki temel amaç sırasıyla partikülün uzaklaştırılması, sülfürün uzaklaştırılması ve NO x emisyonunun azaltılmasıdır. Bu işlemlerden partikül maddelerin uzaklaştırılması seramik ve siklon filtrelerin yardımı ile, SOx ve NOx emisyonlarının azaltılması ise buhar ve su kombinasyonu ile sentez gazının tıkanması ve sülfür içeriğinin ger dönüştürülebilir bir ürün olarak eldesi ile olmaktadır. Şekil 1- Bazı IGCC Projeleri için Sentez Gazı İçerikleri Sülfürün Uzaklaştırılması Sıcak sentez gazından gelen sülfür, H2S, COS, CS2 ye indirgenerek tutulur. Günümüzde çinko tabanlı rejeneratif sorbentli sülfür uzaklaştırma sistemleri kullanılmaktadır.bu reaksiyonları 650 C civarından gerçekleşmektedir. Ayrıca sülfür gazlaştırıcı içerisinde kireçtaşı karışımı kullanılarakta tutulmakta ve sentez gazından uzaklaştırılmaktadır. Bu uygulama genellikle hava üflemeli akışkan yataklı gazlaştırıcılarda gerçekleştirilir. Kireçtaşında tutulan sülfür %90 oranında verimlilik sağlar ve kül ile birlikte gazlaştırıcıdan uzaklaştırılır. Su-Gaz Değişim Reaksiyonları
Su-Gaz Değişim Reaksiyonlarında genellikle sülfür sentez gazından H2S ve COS olarak uzaklaşturulur. Bu sülfür içeren bileşikler bazı shift reaksiyonlara zarar verir ve reaksiyonların aktivasyonlarını düşürerek inert hale getirirler. Gazlaştırıcıdan çıkan ham sentez gazı önce soğutulur ve partikül maddelerden temizlenir. Sonrasında partikül maddelerden temizlenmiş sentez gazı daha da soğutularak Sülfür uzaklaştırıcı birincil reaksiyona doğru yol alır. Temizlenmiş sentez gazına karbon buhar dengesine sadık kalacak miktarda buhar eklenerek su-gaz değişim reaksiyonuna doğru gönderilir. Su-gaz değişim reaksiyonu yüksek ve düşük sıcaklıkta olmak üzere iki kademede gerçekleşir. Burada düşük sıcaklığın elde edilmesinde bir ısı eşanjörü kullanılmaktadır. İki aşamalı gerçekleşen reaksiyonlarda yüksek sıcaklıkta olanında ticari olarak uygunluğuna göre demir tabanlı katalizörler, düşük sıcaklıkta olanda ise bakır tabanlı katalizörler kullanılmaktadır. Her iki katalizörle gerçekleşen reaksiyonda da yerinde indirgenme adımlarına ihtiyaç vardır. Demir ve Bakır tabanlı katalizörlerin ömürlerini belirleyen temel parametre katalizörün zararlı maddeyi emme miktarıdır. Bu zararlı maddeler proseste dolaşan gazlarda ( örn. Sentez gazı ) varlıklarını gösterirler veya su buharı şeklide varlıklarını belli ederler. (Rubin, Berkenpas, & Frey, 2007) (Industries, 2014) 6. Sonuç Bir çok düşük kalorifik değere sahip ve içindeki sülfür ve partikül madde bulunan kömür yataklarına sahip ülkemizde kömürün değerlendirilmesi açısından gazlaştırma ve entegra gazlaştırmalı güç üretimi teknolojilerine önemin artması enerjide dışa bağımlılıpımızı ve milli enerji kaynaklarının kullanımı arttırarak ekonomik kalkınmaya yardımcı olmanın yanında, bu kömür kaynaklarında üretilen enerjinin de çevre dostu teknolojiler ile üretilmesine yardımcı olmaktadır. Ayrıca üretilen yan ürünlerle atmosfere salınan kükürt emisyonları ise azaltılarak, kükürt kullanan endüstrilere ham veya bileşik halde kükürt tedariki yapmaya olanak sağlamaktadır. Aynı zamanda bu sistemler kojenerasyon sistemleri ile de birleştirildiklerinde hem termal hemde elektriksel verimi arttırılarak enerji kaynaklarında çeşitliliğin arttırılmasına da olanak sağlamaktadırlar. Referanslar Atay, U., & Karaaslan, M. (2006). Kömür Gazlaştırma Teknolojileri Çağrı Metni. Ankara: Tübitak. Industries, M. P. (2014, 4 20). IGCC. Retrieved from Mitsubishi Hitachi Power Systems: https://www.mhps.com/en/products/category/integrated_coal_gasfication_combined_cycl e.html Rubin, E., Berkenpas, M., & Frey, C. (2007). Technical Documentation: Integrated Gasification Combined Cycle Systems (IGCC) with Carbon Capture and St orage ( CCS ). Carneige Mellon University Research Showcase.