Malkara Pirinççeşme linyitinin laboratuvar ölçeğinde yer altı gazlaştırması sonucu oluşum kalıntılarının kirletme riskinin araştırılması

Son zamanlarda enerji tüketiminin hızla artması tüm enerji kaynakları arasında kömürü dünyanın birçok yerinde önemli kaynak olarak öne çıkarmaktadır. Kısıtlı petrol rezervleri göz önüne alındığında enerji üretiminde kömür önemli bir rol oynamaktadır. Bu noktada, temiz kömür teknolojileri çevrenin daha az kirletilerek enerjinin üretilmesine katkı sağlamaktadır. Temiz kömür teknolojileri arasında olan gazlaştırma yöntemi ile elde edilen ve genellikle düşük ve orta ısıl değere sahip olan gaz "Sentez Gazı" ekonomik değere sahiptir. Gazlaştırma teknolojisi ile üretilen sentez gazının birçok potansiyel kullanım alanı mevcuttur. Sentez gazı, bir gaz türbininde elektrik üretimi için doğrudan yakılabildiği gibi katalitik dönüşümler ile farklı kimyasalların üretimi için de kullanılabilir. Temiz sentez gazı kullanılarak katalitik yöntemlerle elde edilen ürünler arasında metanol, metan (sentetik doğalgaz) ve farklı monomerleri de örnek olarak verebiliriz. Kömür gazlaştırma işlemi için genellikle özel tesislerin, geniş kömür depolarının ve gazlaştırma sistemlerinin kurulmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bununla birlikte "Yeraltı Kömür Gazlaştırma" (YKG) metodu çıkartılan kömürün yerüstünde doğrudan gazlaştırılmasına alternatif bir yöntemdir. Bu yöntemin en büyük üstünlüğü kömürün düşük kaliteli olması veya yeraltında çok derinde bulunması durumlarında madencilik çalışmalarının ekonomik olmadığı durumlarda bir çözüm sunmasıdır. YKG yönteminde enjeksiyon ve üretim kuyuları yüzeyden delinerek kömür seviyesinde birleştirilmektedir. Kuyular birleştikten sonra, enjeksiyon kuyusu boyunca hava ya da oksijen enjekte edilmekte ve kömür kontrollü bir şekilde ateşlenmektedir. Kömür damar içinde açılan gazlaştırma kanalı temel kimyasal reaksiyon, sıcaklık ve gaz bileşimindeki farklılıklara göre üç kısma ayrılmaktadır: Bunlar oksidasyon, indirgenme kısmı ve kuru damıtmadır. Oksidasyon kısmında, gazlaştırma ajanının içerdiği oksijen ve kömür seviyesinin içerdiği karbon arasında heterojen reaksiyonlar gerçekleşmektedir. Böylelikle kömür seviyesi yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılır ve bir sonraki aşama (indirgenme) başlar. İndirgenme kısmında, yüksek sıcaklıktan dolayı H2O (g) ve CO2 arasında reaksiyon gerçekleşerek CO ve H2 oluşmaktadır. Ayrıca kömürün metalik oksitlerin katalitik etkisi altında metanlaşması gerçekleşmektedir. Endotermik reaksiyonlar indirgenme kısmının sıcaklığının indirgenme reaksiyonlarının daha fazla gerçekleşemeyeceği düşük değerlere kadar hızlıca düşmesine neden olur. Kuru damıtma kısmında, sıcaklığın etkisi, kömür seviyesinin pirolizine; CO2, H2O, CO, C2H6 ve CH4 gibi uçucu maddelerin ve katran-sıvı karışımıyla H2'nin ayrışmasına neden olur. Gazlaştırma devam ettikçe yeraltında boşluk (cavity) oluşmaktadır. Katmanların etrafındaki su, proses tamamlandıktan sonraki basınç farklarından kaynaklı olarak bu boşluğa girebilmektedir. Yeraltındaki su tabakalarının kalitesindeki dengesizliği engellemek için bazı yöntemler mevcuttur. Bu yöntemler arasında yeraltı kömür seviyesinden kirliliği uzaklatırmak için boşluğu su veya buhar ile boğma önemlidir. Böylelikle kirliliğin difüzyonla etraftaki su tabaksına ulaşması önlenir. Zamanla su tabakalarının kalitesi gazlaştırma öncesine yakınlaşabilse de YKG esnasında ve sonrasında hala su kirliliği riski mevcuttur. Çevresel kaygılar nedeniyle bu risk birçok araştırmanın konusudur. Bu çalışmanın amacı, YKG katı kalıntılardan (çar) ve proses suyundan (sıvı kalıntı) ağır metal, sülfat ve amonyak gibi inorganik yapıların yeraltı suyuna ve boşluk çevresindeki su tabaklarına potansiyel geçiş riskinin incelenmesidir. Çalışmada su kirliliği yönünden gazlaştırma ve yakma işlemlerinin karşılaştırılması için ham kömür, ASTM 3174-02 yöntemiyle küle çevrilmiştir. Katı örnekler (kömür, kül ve çar) mikrodalga asit parçalama (EPA 3052) metodu kullanılarak çözündürülmüş ve metal konsantrasyonları da ICP-OES cihazı kullanılarak belirlenmiştir. TCLP ve EN12457-2 yıkama testleri YKG çarlarına ve kömürün yanmasıyla elde edilen küllere uygulanmıştır. Bu yöntemler yardımıyla suya külden ve çardan geçen elementlerin su ile yıkanabilirlikleri ve hareketlilikleri karşılaştırılmış ve YKG çarlarının çevresel tehlike seviyeleri belirlenmiştir. Ayrıca, proses suyunun içindeki ağır metal, sülfat ve amonyak seviyeleri de ölçülmüştür. Çalışmalarda çar örneklerindeki yüksek bor ve antimon gibi tehlikeli elementlerin yüksek konsantrasyonlarda olması gazlaştırma sonunda bu elementlerin çardan etraftaki su tabakasına geçebileceğini göstermektedir. Ancak, TCLP yönteminde kullanılan pH'ı 2.62 ve 4.33 olan yıkama çözeltilerinde YKG çarlarının TLCP'ye göre toksik olmadığı görülmüştür. YKG katı atıkları (çar) EN 12457-2'ye göre inert atık olarak sınıflandırıldığı için katı atık depolama endişeleri ortadan kalkar. İnorganik su kirliliği özellikle de bor kirliliği açışından mukayese edildiğinde gazlaştırmanın, yakmaya göre daha temiz bir proses olduğu gözlenmiştir. Proses suyu olarak adlandırılan, gazlaştırma prosesi sırasında oluşan kirli suyun içerdiği metal konsantrasyonları çar sızıntısının içerdiği metal konsantrasyonundan çok daha fazladır. Yine de Cu dışındaki konsantrasyonlar "Standards for Process Effluent Discharged to Municipal Sewage Systems" standartlarına göre belirtilen sınırları aşmamaktadır. Ancak, proses suyu örneğindeki amonyak konsantrasyonu "Non-Specific Source of Effluent Discharged to Environment" standartlarında belirtilen sınırları çok aşmaktadır. Proses suyundada sülfat olması durumunda gazlaştırma atıkları "Criteria and procedures for the acceptance of waste at landfills (Council of European Union)"'e göre tehlikeli sınıfına dahil olmaktadır. Ham kömürden proses suyuna metal geçişi ile ilgili iki mekanizma vardır. Birincisi, sıcaklığa bağlı uçuculuktur. Metaller uçuculuk derecelerine göre proses suyuna geçmektedirler. Daha uçucu olan elementler, uçucu olmayan metallere göre daha yüksek derecede sentez gazına geçme ve yoğunlaşma eğilimindedirler. İkincisi ise, sentez gazının siklonda sıcaklık düşüşü nedeni ile yoğuşması ve gazın içinde taşınan uçucu küllerin yoğuşan sıvı içinde çözünmesidir. Sıcaklık düşüşüne bağlı olarak yoğuşan sıvının asitlik derecesi arttikca söz konusu metallerin proses suyuna geçişi de o oranda artmaktadır.