Transcript Kömür Kokla*ma Özelli*i

Kömür Koklaşma Özelliği
Koklaşma özelliği, sadece belirli bir grup taşkömüründe
vardır. Bu kömürler, 350-500oC arasında yumuşayarak
akışkan hale gelirler, yani kömür koyu bir hamur haline
gelir ve buna kömürün plastikleşmesi adı verilir.
Plastikleşmenin nedeni ise, 350-500OC arasında, kömür
termik parçalanmaya uğrarken, bitumsü maddelerin
oluşması, yani ortamda katran birikimi meydana
gelmesidir.
Plastikleşme
• Kömürün
metalurjik
kok
üretiminde
kullanılabilmesi için, 350-500 OC arasında
yumuşayarak belli bir akışkanlık kazanması
gerekmektedir.
• Kömürün
akışkanlık
kazanmasına
"plastikleşme" ve akışkanlık derecesine de
"plastiklik derecesi" denilmektedir.
Plastometre
Kömür plastikleşme derecesi, kömürleşme derecesi ile yakından
ilgilidir. Kömür inhomojen bir yapıya sahip olduğundan önemli
istisnalar olsa bile, karbon oranı yaklaşık % 80-90 arasında olan
kömürlerde, ölçülebilecek büyüklükte plastikleşme görülmektedir.
% 80-90 C içeren kömürlerin uçucu madde oranları % 40-16
(susuz+külsüz bazda) arasındadır.
Maksimum akışkanlık yanında, yumuşama ve tekrar sertleşme
sıcaklıkları da kömürleşme derecesine bağlı olarak değişmektedir.
Normal olarak, kömürleşme derecesi ilerledikçe, yani uçucu madde
oranı düştükçe, yumuşama ve tekrar sertleşme noktaları daha
yüksek sıcaklıklara doğru kaymaktadır.
Kömür oksitlendiğinde,
kaybetmektedir.
plastiklik
özelliğini
hızlı
bir
şekilde
Kömür Koklaşma Kapasitesi
• Bir kömürün oksijensiz ortamda yavaş ısıtılmak (örneğin:
3oC/dak) suretiyle, karakteristik sıcaklıklar arasında (350500oC), plastik bir kütle oluşturma ve bu kütlenin termik
parçalanma sonunda, geride şişmiş ve bütünleşmiş bir artık
bırakma özelliğine, o kömürün koklaşma kapasitesi adı
verilmiştir.
• Kömür şişme özelliğini ölçmek için bazı yöntemler
geliştirilmiştir. Genellikle dilatometrik ölçümler olan bu
yöntemlerden
en
çok
kullanılanı
Audibert-Arnu
dilatometresi yöntemidir. Günümüzde, bu yöntemi esas
alarak imal edilmekle beraber, sonuçları farklı olan çesitli
dilatometreler
kullanılmaktadır.
Ruhr-dilatometresi,
Chevenard-Joumier-dilatometresi v.s. gibi.
Dilatasyon
Kekleşme Kapasitesi
Kömürün oksijensiz ortamda hızlı ısıtılmak (örneğin: 400oC/dak) suretiyle,
karakteristik sıcaklıklar arasında (350-500oC), plastik bir kütle oluşturma ve
bu kütlenin termik parçalanma sonunda, geride şişmiş ve bütünleşmiş bir
artık bırakma özelliğine, o kömürün kekleşme kapasitesi adı verilmiştir.
Kömür kekleşme kapasitesi, şişme indeksi ile tayin edilmektedir.
Kömür Büzülme Özelliği
• Kömür ısıtılınca, kütle kaybı yanında, hacimsel ve boyutsal olarakta
değişime uğramaktadır. Bu boyut değişimi, koklaşma özelliği olmayan
kömürlerde sadece küçülme yani büzülme şeklinde olmaktadır. Koklaşma
özelliği olan kömürlerde ise, bu büzülme tekrar sertleşmeden sonra
başlamaktadır.
• Büzülmenin nedeni kütle kaybıdır.
• Kömür ısıtılınca, daha kuruma esnasında hacimsel küçülmeye
uğramaktadır. Sıcaklık arttıkça küçülme miktarıda (büzülme) artmaktadır.
Ancak büzülme hızı, değişik sıcaklıklarda farklı miktarlarda
gerçekleşmektedir.Genel olarak, iki sıcaklık bölgesinde, maksimal büzülme
hızı ölçülmektedir. Birinci bölge, kömür cinsine göre 400-500oC’lar, ikinci
bölge ise 650-750oC’lar arasındadır.
• Kömür büzülme oran ve hızını etkileyen iki önemli faktör, kömürleşme
derecesi ve ısıtma hızıdır. Kömürleşme derecesi ilerledikçe (uçucu madde
oranı azaldıkça) kömürün büzülme oranı ve büzülme hızıda azalmaktadır.
• Isıtma hızına gelince, yükselen ısıtma hızı ile, büzülme hızı artmakta ve
maksimal büzülme sıcaklıkları daha yüksek sıcaklıklara doğru kaymaktadır.
Kömür Petrografik Yapısı
Vitrinit-Grubu; Koklaşma özelliği ve metalurjik kok üretimi açılarından çok
önemli bir maseral grubudur. Uçucu madde oranı % 19-33 (kuru, külsüz
kömürde) arasında olan vitrinit, 350-500 OC’lar arasında plastikleşerek
kömüre koklaşma özelliği kazandırmaktadır. Bu değerlerden daha
yüksek ve daha az uçucu madde içeren vitrinitler ise plastikleşme, yani
koklaşma özelliğini kaybetmektedir.
Eksinit Grubu; hidrojence zengin ve diğer maseral gruplarına göre daha
yüksek uçucu madde içeren maserallerden oluşmaktadır. Kömürlerde,
genellikle %5-10 arasında bulunurlar. Isıtıldıklarında (350-500 OC’lar
arası) vitrinitlere göre daha akışkan bir kütle oluştururlar. Yüksek uçucu
madde içerikleri dolayısıyla, kok verimleri vitrinitlerden azdır
İnertinit Grubu’ndaki maseraller, ısıtıldıklarında herhangibir yumuşama
ve plastikleşme göstermezler. Sadece termik parçalanmaya uğrayarak
gaz ve sıvı ürünler verirler. Geride kalan kok ise, toz halindedir. Bir
kömürün sağlam parçalar halinde kok verebilmesi için, inertinit grubu
maserallerinde, vitrinit ve eksinit grubu maseraller tarafında
bağlanmaları, yani birbirlerine yapıştırılmaları gerekmektedir.
Kömürün Optik Özelliği
• Bir ışık demeti parlak bir yüzeye düştüğünde, ışığın bir
kısmı tekrar geri yansımaktadır. Parlak yüzeyin bir kısım
ışığı tekrar geri yansıtma özelliğine o yüzeyin
refleksiyon özelliği denilmektedir.
• Kömür maseral grupları, kömürleşme derecesine bağlı
olarak, üzerlerine düşen ışık demetini, farklı olarak
yansıtırlar. Genel olarak, tüm maseral grupları,
kömürleşme dereceleri ilerledikçe yani karbon oranları
arttıkça, ışığı daha fazla yansıtırlar. En düşük refleksiyon
değerlerini eksinitler vermektedir. En yüksek
refleksiyon değerleri ise, inertinitlerde görülmektedir.
KÖMÜR KARBONİZASYONU
(Koklaştırma)
• Kömürün, oksijensiz bir ortamda termik işleme tabi
tutularak karbon oranının artırılmasına, karbonizasyon
adı verilmektedir. Oksijensiz bir ortamda ısıtılan kömür
molekülü parçalanmakta ve uygulanan sıcaklığa bağlı
olarak miktarları değişen gaz, sıvı ve katı ürünlere
ayrılmaktadır.
• Isıtma nedeniyle çıkan gaz ve sıvı ürünler, kömürün
uçucu maddesi adını alırken, geride kalan ve karbon
oranı artan katı kısma da kok adı verilmektedir.
• Bu üç üründen hangisinin kazanılması hedef alınıyorsa
ona göre bir karbonizasyon yöntemi seçilmekte ve o
yöntemin gereklerine uyan kömür kullanılmaktadır.
• Kömürlerin termik işleme tabi tutulması
esnasında, katran çıkışı (sıvı ürünler) 550-600
OC arasında son bulurken, gaz çıkışı 900-1000
oC’a kadar devam etmektedir.
• Eğer karbonizasyonun gayesi sıvı ürün
kazanılması ise, o takdirde 600 OC’lık bir
termik işlem yeterlidir. Ancak hedef metalurjik
prosesler için kok üretimi ise, karbonizasyon
sıcaklığı yüksek (900-1000 oC) tutulmaktadır.
• kömürlerin karbonizasyonu uygulanan sıcaklığa
göre, iki ana gruba ayrılmaktadır:
- Düşük sıcaklık karbonizasyonu (600 oC ye kadar),
- Yüksek sıcaklık karbonizasyonu (900 oC den
yüksek).
• Bu iki sıcaklık arasında da (700-800 OC) kömür
karbonizasyona
tabi
tutulmaktadır.
Bu
sıcaklıklardaki karbonizasyonlar da, hedeflenen
ana ürüne göre, yukarıdaki iki gruptan birine dahil
edilmektedirler.
• Burada iki yöntem arasındaki ana farklılığı
vurgulamakta
fayda
vardır.
Düşük
sıcaklık
karbonizasyonunda, çoğunlukla koklaşma özelliği
olmayan taşkömürü, linyit kömürü, linyit biriketi,
kullanılmaktadır.
• Koklaşmayan kömür kullanıldığında, elde edilen kokun
tane iriliği ve parça sağlamlığı, fırına verilen kömürün
tane iriliği ve parça sağlamlığından daha düşük
olmaktadır. Parça sağlamlığı zayıf ve tane iriliği
homojen olmayan kok ise, yüksek fırının istediği
özelliklere sahip değildir. Ancak, çok iyi dumansız yakıt
olan düşük sıcaklık koku, ısıtmada, kireç ocaklarında,
kimya sanayiinde v.s. kullanılmaya elverişlidir.
• Yüksek sıcaklıkta yapılan karbonizasyonda, koklaşma
özelliği olan kömür kullanılmaktadır.
• Bu nedenle de, koklaşma özelliği olan kömürün yüksek
sıcaklık
karbonizasyonu,
koklaştırma
olarak
bilinmektedir.
• Belirli koklaşma kapasitesine sahip kömür karışımı, 3-4
mm altına kırıldıktan sonra, yatay (horizontal) kamaralı
fırında koklaştırılmaktadır. Koklaşma esnasında
plastikleşen kömür taneleri, birbirleri ile kütlesel bağ
kurarak bütünleşmekte ve gözenekli yapıya sahip,
sağlam parçalar halinde kok oluşmaktadır.
• Belirli parça iriliğinde ve parça sağlamlığında olan bu
kok, yüksek fırın başta olmak üzere, metalurji
sanayinin vazgeçilmez girdilerindendir ve bu
nedenlede metallurjik kok olarak adlandırılırlar.
Düşük Sıcaklık Karbonizasyonu(LTC)
•
•
700°C’a kadar sıcaklıklarda uygulanır.
Genelde dumansız yakıt yapmak için semi-kok üretim amaçlı kullanılır.
•
Kok gazı verimi düşüktür. Yaklaşık 150-160 Nm3 gaz/ton kuru kömürdür. Gaz
veriminin düşük olması uçucu maddenin tamamen alınmamasından ve
hidrokarbonların termal parçalanma oranının düşük olmasından
kaynaklanmaktadır.
Katran verimi daha yüksektir. Yaklaşık %10 (kuru kömürde).coal
Amonyak verimi düşüktür.
Yüksek metan oranı nedeni ile gazın ısı değeri yüksektir.
Koklaşma sonrası kokun fırından çıkarılması daha zordur. Şişme sonrası büzülme
süreci olmadığı için.
Üretilen kok daha zayıf ve daha büyük ve yükske porozite nedeniyle daha reaktiftir.
Kokta kalan uçucu madde oranı %5-7 (700 oC’da)civarındadır. Uçucu madde içeriği
nedeniyle tutuşma sıcaklığı düşüktür ( yaklaşık 425°C)
Kok gazındaki hidrojen oranı düşüktür.
Kok verimi yüksektir. (Yaklaşık kömürün %77’si).
•
•
•
•
•
•
•
•
Yüksek Sıcaklık Karbonizasyonu(HTC)
•
•
•
•
•
•
•
•
1000°C sıcaklıkta gerçekleşmektedir.
Yüksek fırın ve döküm amaçlı metalurjik kok üretimi için uygulanmaktadır.
Kok gazı verimi daha yüksektir. Yaklaşık 270-300 Nm3/ton kuru kömür.
Katran verimi düşüktür (Kuru kömüre göre %3 civarında)
Amonyak verimi yüksektir. (10-15gm/N m3 kok fırını gazı).
Gazın ısı değeri daha düşüktür. Yaklaşık 4200-4400kcal/Nm3
Kokun fırından çıkarılması daha kolaydır.
Üretilen kok daha sağlamdır. Daha az reaktiftir (yüksek sıcaklıkta
gerçekleşen büyük oranlı büzülme nedeniyle)
• Uçucu madde %1-2 civarındadır. Tutuşma sıcaklığı daha yüksektir. Yaklaşık
605°C.
• Hidrojen içeriği daha fazladır. Gübre endüstrisi için önemlidir.
• Kok verimi daha azdır (yaklaşık kuru kömürün %70’i).
Düşük Sıcaklık Karbonizasyonu
• Düşük sıcaklık karbonizasyonu, çoğunlukla kömürden katran
elde etmek gayesiyle uygulanmaktadır. Yüz yılı aşkın bir
geçmişe sahip olan düşük sıcaklık karbonizasyonu, bilhassa
ikinci dünya savaşı yıllarında büyük bir gelişme göstermiştir.
O yıllarda, dışarıdan petrol alamayan Almanya, bu yolla elde
ettiği katranı hidrojenasyon ve destilasyona tabi tutarak,
karbüratör yakıtları elde etmiştir.
• Düşük sıcaklık karbonizasyonu ile elde edilen katranın,
petrole yenik düşmesi, bu yöntemin uygulanışını ve
gelişmesini engellemiştir. Ancak, petrol fiyatının aşırı
derecede arttığı 1970’li yıllarda, kömürden katran ve gaz
ürünleri elde edilmesi yeniden gündeme gelmiştir. Petrol
fiyatları tekrar istikrar kazanınca, kömürden katran elde
edilmesine yönelik çalışmalar, yeniden rafa kaldırılmıştır.
İri Kömür Düşük Sıcaklık Karbonizasyon
Yöntemleri
İri kömürlerin düşük sıcaklıkta karbonizasyonu
için çeşitli fırın tipleri geliştirilmiştir. Bu fırın
tipleri, ısıtma gazının kömürle temas edip
etmemesine göre, iki gruba ayrılmaktadır.
• - İndirekt ısıtmalı fırın tipleri,
• - Direkt ısıtmalı fırın tipleri.
İndirek ısıtmalı fırınlar
Bu türlü ısıtma şeklinde ısı transferi, koklaşma zamanını etkilemekte ve uzatmaktadır.
Direkt ısıtmalı fırınlarda ise, kömür içinden sıcak gaz geçirilmekte (O2-oranı çok az) ve
kömür parçaları her yanından ısıtıldığı için, koklaşma zamanı bir öncekine nazaran
oldukça kısa olmaktadır.
Direk ısıtmalı
Direkt ısıtmalı fırınlarda ısı gereksinimi, indirekt ısıtmalı fırınlara göre daha azdır. Ancak direkt
ısıtmalı fırınlarda, katran veriminde önemli bir değişiklik olmazken, yanma gazları koklaşma
gazlarına karıştığı için, gaz seyrelmektedir.
• Gerek indirekt ve gerekse de direkt ısıtmalı
fırınlarda, genel olarak linyit kömürleri düşük
sıcaklık karbonizasyonuna tabi tutulmuştur.
• Indirekt ısıtmalı fırınlarda kömür tane iriliği 1-20
mm arasında olabilirken, direkt ısıtmalı fırınlarda
daha dar tane iriliğinde ve daha iri kömür
istenmektedir.
• Bu bakımdan, direkt ısıtmalı fırınlarda, sağlam
parçalı linyitlerle (sert linyitler, odunumsu linyitler
v.s.), linyit biriketleri karbonizasyona tabi
tutulabilmektedir.
Lurgi Direkt Isıtmalı Fırını
Birinci gövde kısmında kuruyan ve 150 OC’a kadar ısınan kömür
karbonizasyon bölgesine inmektedir. Karbonizasyon bölümünde, kömür
500-850 oC’a kadar ısıtılabilmektedir. Karbonize olan kömür daha da
aşağı indikçe, soğuk inert gazla soğutulmakta ve fırından alınmaktadır.
•
•
Karbonizasyon
bölgesinde
oluşan karbonizasyon gazları
(ısıtma
gazı
ile
seyrelmiş
durumda),
fırından
çıktıktan
sonra, sırası ile soğutucu, katran
tutucular, son soğutucular ve
benzin
yıkayıcı
v.s.
den
geçirilmekte ve bir kısmı fırını
ısıtmada kullanılırken, artan
kısımda satılmaktadır.
Lurgi – direkt ısıtmalı fırını ve yan tesisleri
• İri kömürün düşük sıcaklık karbonizasyonu neticesinde
elde edilen semikok, önemli ölçüde ufalanmış ve
tozlanmış durumdadır.
• Parça veya biriket durumunu koruyan seminkokun
sağlamlığı da (ufalanma ve kırılma sağlamlıkları) çok
düşüktür. Bu bakımdan, düşük sıcaklık karbonizasyonu
ürünü semikokun, yüksek fırın gibi kokta belirli bir parça
büyüklüğü ve parça sağlamlığı isteyen proseslerde
kullanılması mümkün değildir.
• Kokta fazla sağlamlık gerektirmeyen ve ince taneli kok
kullanabilen prosesler için, düşük sıcaklık karbonizasyonu
ürünü semikok iyi bir yakıttır. Örneğin, gazlaştırma
reaktörleri, kireç yakma fırınları, ark fırınları (ferrokrom,
ferrosilisyum, karpit, v.s. üretimi) ve birçok sanayi kolları,
bu semikokun kullanılabildiği alanlardır.
İnce Kömür Düşük Sıcaklık Karbonizasyonu Yöntemleri
Koklaşma özelliği olmayan taşkömürleri ve linyitleri,
ince kömür halinde karbonize ederek, semikok, gaz ve
katran elde etmek gayesi ile de, bazı yöntemler
geliştirilmiştir. İnce kömürün karbonizasyonunu
mümkün kılan yöntemleri, ana hatları ile üç grup
altında incelemek mümkündür:
• Akışkan yatakta ince kömür karbonizasyon yöntemi,
• Kızgın kok dolaşımlı ince kömür karbonizasyon
yöntemi,
• Salem fırınında ince kömür karbonizasyonu.
Akışkan Yatakta Karbonizasyon Yöntemi
• Taneleri yukarı taşımadan, sadece akışkanlaştırmak suretiyle, tanelerle gazın
birbirine çok iyi teması sağlanmaktadır.
• Izgara altında hava+yanıcı gaz karışımı yakılmakta ve oluşan sıcak gaz ızgaradan
yukarı doğru çıkarken, üzerine ince kömür verilmektedir. Sıcak gazla temasa geçen
kömür, birkaç saniye içinde karbonize olmaktadır. Karbonize olan ince kömür,
reaktörün alt kısmından dışarı çıkmakta ve gaza karışan toz ise, siklonda tutularak
ince semikoka karıştırılmaktadır.
• Akışkan yataklı fırınlarda, karbonizasyon gazlarının bir kısmı, enerji
gereksinimi için kullanılabileceği gibi, reaktöre önceden hesaplanan
miktarda hava göndererek, bir kısım kömürün (% 3-5) yakılması
suretiyle de, ısı gereksinimi karşılanmaktadır.
• Bu reaktörlerde kömürü 500-900 oC arasında karbonize etmek
mümkündür. Ancak yüksek sıcaklıklarda, kömürün karbonizasyonu
yanında, kömür ve oluşan kok, sıcak gaz içindeki CO2 ve su buharı
ile reaksiyona girerek gazlaşmakta ve kütle kaybına uğramaktadır.
• Bu bakımdan, akışkan yataklı ince kömür karbonizasyonu
yönteminde, normal olarak 650-700 OC’tan daha yukarı
çıkılmamasına dikkat edilmelidir.
• Akışkan yataklı karbonizasyon fırınlarının kapasiteleri 40-50 t/h
arasındadır. Isı verimi açısından, bunların birkaçının, kurutma, ön
ısıtma, karbonizasyon yapmak üzere, arka arkaya bağlanmaları
uygun olmaktadır.
Kızgın Kok Dolaşımlı Karbonizasyon Yöntemi
•
Bu yöntemde, karbonizasyona uğrayan kömürün
bir kısmı daha yüksek sıcaklığa ısıtılarak, tekrar
karbonizasyon reaktörüne verilmekte ve reaktöre
verilen taze kömürü ısıtarak karbonize etmektedir.
•
Boru fırın içinde sıcak gaz veya hava ile yukarı
taşınan kok, ya sıcak gazın ısısı veya hava ile bir
bölümü yanarak (akışkan yatakta olduğu gibi)
öngörülen sıcaklığa kadar ısıtılmaktadır. Isınarak
yukarı çıkan kızgın kok, siklonlarda gazdan
ayrılarak, karbonizasyon reaktörüne girmektedir .
•
Bu yöntemin en önemli özelliklerinden biri,
karbonizasyon reaktörüne yabancı gaz girmemesi
ve buna bağlı olarakta, zengin karbonizasyon gazı
kazanılmasıdır. Kullanılan kömürün özelliğine bağlı
olarak, 4200-4600 kcal/m3 ısı değeri olan gaz elde
edilmektedir.
Salem Fırını
•Salem Fırını, alt kısmı dönen ve üst kısmı sabit duran iki kısımdan
oluşmaktadır. Fırın 800-900 oC’a ısıtıldıktan sonra, yan üst kısımdan fırına
kömür verilmektedir. Sıcak fırına giren kömür hemen karbonize olmakta ve
karbonizasyon gazları, fırına verilen hava ile yakılmaktadır ve ilk ateşleme
dışında, fırının ısıtılması karbonizasyon gazının yakılması ile karşılanmaktadır.
•Fırın içinde, kömür tabakasının kalınlığı 100-150 mm arasındadır. Fırının üst
kısmına bağlı karıştırıcılar, fırın alt kısmının dönmesi ile, kömürü karıştırmakta
ve ortaya doğru taşımaktadır. Fırın içinde üç zon gözlenmektedir:
•- Yanma zonu
•- Henüz yanmayan gazlar zonu
•- Kok zonu