Yer altında kömür gazlaştırma için teorik model geliştirilmesi ve deneysel çalışmalar ile sonuçların yorumlanması ve karşılaştırılması

Yeraltında Kömür Gazlaştırma, düşük kaliteli ve geleneksel madencilik yöntemleri kullanılarak çıkarılması ekonomik olmayan kömür yataklarından yanıcı gaz elde edilmesini hedefleyen bir yöntemdir. Bu yöntemde kömür damarına sondaj ile iki kuyu açılır ve üretim kuyusundan gazlaştırma ajanı olarak hava, saf oksijen ve su buharı kontrollü bir şekilde gönderilerek yanıcı yapay gaz elde edilmesi sağlanır. Yapay gazın içeriği çoğunlukla CO2, CO, H2 ve CH4'ten oluşmaktadır. Yeraltında kömür gazlaştırma, tahmini ve kontrolü güç bir süreçtir. Sürecin anlaşılabilmesi için pilot denemeler ve saha deneyleri yapmak ise oldukça pahalıdır. Bu nedenle sürecin laboratuvar ölçekli deney tesisatları kullanılarak benzetiminin yapılması, YKG sürecini etkileyen parametrelerin ve en uygun çalışma şartlarının bulunması için önemli bir yöntemdir. Bunun yanında, YKG sürecinin matematik modelinin kurulması, süreç hakkında deneysel çalışmalar ile alınması güç verilerin edinilmesine, farklı işletme parametrelerinin etkisinin hızlı bir şekilde incelenebilmesine ve gerçek uygulamaların önceden benzetiminin yapılabilmesine olanak sağlayacaktır. Yapılan bu çalışmada YKG sürecinin hem matematiksel modellemesi, hem de süreçle ilgili deneysel çalışmalar yürütülmüştür. Deney düzeneği, İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi Yanma Laboratuvarlarında kurulmuştur. Düzenek, yalıtımlı ve üzerinde 20 adet sıcaklık ölçüm noktası bulunduran bir reaktörden ve elde edilen yapay gazın temizlenebilmesi için toz tutucu, soğutucu ve yıkama kolonunda oluşan bir tesisattan oluşmaktadır. Elde edilen gazın zararsız bir şekilde imha edilebilmesi için tesisatın sonunda bir adet yakıcı bulunmaktadır. Reaktör içerisinden alınan sıcaklık ölçümlerinin yanı sıra deney tesisatı üzerinde çeşitli noktalardan da sıcaklık ve basınç ölçümleri alınarak süreç kontrol edilmektedir. Ayrıca gazlaştırma ajanlarının ve üretilen yapay gazın debisini ölçmek için orifisler kullanılmıştır. Yapay gazın bileşimi, gaz kromatografi cihazı ile belirlenmektedir. Çalışma boyunca üç adet başarılı deney gerçekleştirilmiştir. Deneylerde Malkara, Pirinççeşme yöresinden çıkarılan linyit kullanılmıştır ve temel gazlaştırma ajanı olarak saf oksijen beslemesi yapılmıştır. Yapılan ilk deney toplamda 14 saat sürmüştür. Deney boyunca elde edilen yapay gazın içeriği ise ortalama olarak %30 CO, %25 H2 ve %3 CH4'ten oluşmaktadır. İkinci deneyin ise 3 bölümden oluştuğu söylenebilir. İlk bölüm yalnızca oksijen kullanılarak yapılan gazlaştırma sürecidir. Burada elde edilen gazın ortalama içeriği %40 CO, %20 H2 ve %3 CH4 olarak belirlenmiştir. Bu bölümün son bir saatinde yapay gazın kalitesinde düşüş yaşanmıştır. Deney daha sonra hava/oksijen karışımı ile devam etmiştir. Bu bölümde ise yapay gazın içeriğinde neredeyse hiç yanıcı bileşen bulunmamaktadır. Deneyin üçüncü bölümünde hava beslemesi kesilmiş ve oksijenin yanında su buharı beslemesi de yapılmıştır. Böylece yapay gazın bileşimi %30 CO ve %25 H2 barındıracak şekilde artmış, fakat bu noktadan sonra gazlaştırma sürdürülememiş ve deney sonlandırılmıştır. Üçüncü ve sonra deneme ise iki kısımdan oluşmaktadır ve deney 14 saat sürmüştür. İlk kısımda gazlaştırma ajanı olarak saf oksijen kullanılmıştır ve %30 CO, %15 H2, %3 CH4 içeriğinde yapay gaz elde edilmiştir. Deney esnasında yapay gaz kalitesinin düştüğü belirlendiğinde sisteme su buharı beslemesi yapılmıştır. Bu besleme sonunda yapay gazın içeriği %35 CO ve %20 H2 barındıracak şekilde değişmiştir. Bu işlem göstermiştir ki, su buharı beslemesi elde edilen yapay gazın kalitesini arttırmaktadır. YKG sürecinin sayısal benzetimi için kurulan modelde kömür bloğu iki boyutlu aksisimetrik olarak ele alınmıştır. Gazlaştırma kanalı içerisindeki gaz akışı ise eksenel yönde tek boyutlu olarak düşünülmüştür. Tepkimeler, Arrhenius tipi kimyasal kinetik denklemleri kullanılarak hesaba katılmışlardır. Bu çerçeveler içerisinde süreklilik, kimyasal bileşenlerin kütle korunum denklemi ve enerji korunum denklemleri yazılmış, yazılan bu denklemler sonlu hacimler yöntemine göre ayrıklaştırılmıştır. Açığa çıkan lineer olmayan denklem takımları iteratif yöntemler kullanılarak çözülmüştür. Kurgulanan matematik model kullanılarak YKG süreci için önem arz eden gazlaştırıcı bileşimi, besleme debisi ve kömür bloğunun ilk sıcaklığı gibi birkaç parametre değiştirilerek bu parametrelerin sürece etkileri tartışılmıştır. Ayrıca kurulan modele özel ısı taşınım faktörü ve gaz nüfuz derinliği gibi bazı parametrelerin sonuçlara etkisi de gösterilmiştir. Matematik modelleme sonuçları ile deney sonuçları karşılaştırıldığında ise kurgulanan matematik modelin gazlaştırma sürecinde yaşanan kuruma ve piroliz süreçlerini kapsamıyor olmasında dolayı yaşanan sapmalar tespit edilmiştir. Bunun yanında matematik modelin oyuk gelişimini ve kömür bloğu içerisindeki sıcaklık dağılım karakterini doğru tahmin etmiş olduğu görülmektedir. Son olarak, deneysel çalışma ve literatürden elde edilen sonuçlar birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, yapılan diğer çalışmalar ile karşılaştırıldığında genel yönelimin doğru olduğu, ölçülen değerlerde gözlemlenen farklılıkların ise gazlaştırma için kullanılan kömür özelliklerinin farklı olmasından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır.