KÖMÜR GAZLAŞTIRMA
Kömürden Gaz Üretimi
Kömürden gaz üretimi 2 yolla mümkün olmaktadır:
•Kok üretimi esnasında uçucu maddenin parçalanması sonucu
oluşan gaz,
•Gazlaştırma reaksiyonları sonucu elde edilen gaz.
Koklaştırma esnasında yan ürün olarak önemli miktarda gaz
çıkmaktadır. Kömür cinsine göre, 1 ton kömürden, 320-410 m3
gaz elde edilmektedir ve bu gaz 3800-4000 kcal/m3 ısı değerine
sahiptir.
Koklaştırma esnasında elde edilen gazın ısı değeri yüksek
olduğundan, şehir gazı olarak kullanılabilmektedir.
Koklaştırmada elde edilen gaz türleri
Gaz türleri
CH4
Hacimsel (%)
25,0
C2H4
1,5
H2
55,0
CO
6,0
C02
1,5
N2
11,0
Gazlaştırma yolu ile kömürden gaz üretimi
Gazlaştırma yolu ile kömürden gaz üretimi, kömürün belirli
bir sıcaklıkta, oksijen veya hava, su buharı, hidrojen ve
karbondioksit gibi gazlaştırıcılarla, reaksiyona sokulması
sonucu elde edilmektedir.
Kömürün hava, oksijen ve
ekzotermik bir reaksiyondur.
hidrojenle
reaksiyonu,
Su buharı ve karbondioksitle reaksiyonu ise endotermiktir.
Gazlaştırma reaksiyonları yüksek sıcaklıkta meydana
gelmektedir, yani gazlaştırma işlemi yüksek sıcaklık
prosesidir.
Kömür Gazlaştırma Teknolojileri
– Ana başlıklar
•
•
•
•
•
Kömür
Kontollü oksidasyon
H2, CO2, CH4, ve diğer ürünler
H2 saflaştırılarak elde edilebilir
Kül/curuf geriye kalan
– 3 tip gazlaştırıcı vardır
• Hareketli yataklı
• Akışkan yataklı
• Sürüklemeli (toz kömür püskürtmeli)
– Yeraltı kömür gazlaştırma
• Dikey kuyular ve yatay bağlantı
• Kontrollü gerli çekmel enjeksiyon noktası
Birçok gazlaştırma proseslerinde, reaktörün giriş
kısmında kömür ısınmakta ve koklaştırma gazları
çıkmaktadır.
Kömür, reaktörün gazlaştırma zonuna geldiğinde,
gazlaştırma
reaksiyonları
gerçekleşmekte
ve
gazlaştırma gazları elde edilmektedir.
Sonuçta ise, iki gazın karışımı bir gaz elde
edilmektedir. Bu tip gazlaştırma için verilebilecek en
iyi örnek, parça kömür gazlaştırılmasında kullanılan
döner ızgaralı gazlaştırıcılardır.
Havagaza Reaksiyonu
Hava alttan yukarı doğru çıkarken, önce kızgın külden geçmekte ve bundan sonra kızgın
kokla karşılaşmaktadır. Hava + kızgın kok, aşağıdaki formüle göre reaksiyona girmekte,
yani yanma olayı meydana gelmektedir.
C + O2 = CO2 - 97 000 kcal/kmol
Yanma olayının olduğu bu bölgeye, oksidasyon bölgesi (zonu) adı verilir. Bu olay,
ızgaralı yakma sisteminde meydana gelen yakma olayından farklı bir olay değildir.
Oksidasyon bölgesinde meydana gelen CO2, karbonunun yanması sonucu oluşan ısıyı
yüklenmiş olarak yukarı çıkarken tekrar kızgın karbonla karşılaşır ve şu reaksiyon
meydana gelir.
C + CO2 = 2CO + 38 200 kcal/kmol
Boudouard reaksiyonu denilen bu reaksiyonun meydana geldiği bölgeye de redüksiyon
bölgesi adı verilir. Yukarıda verilen formüller toplanıldığında,
C + O2 = CO2 - 97 000 kcal/kmol
C + CO2 = 2CO + 38 200 “
“
2C + O2 = 2CO – 58800 “ “
194 000 = 135 200 + 58 800 kcal/kmol
eşitliği bulunur. Görüldüğü gibi karbon, saf oksijenle gazlaştırmaya tabi tutulduğunda,
karbonmonoksit (CO) gazı meydana gelmekte ve 58.800 kcal/kmol ısı açığa
çıkmaktadır.
Gazlaştırma reaksiyonunda oksijen yerine hava kullanıldığında, 1 kmol oksijenle,
reaktöre 3,76 kmol’de N2 gazı girecektir. O zaman eşitlik şöyle yazılabilir:
2C +O2 + 3,76 N2
= 2CO + 3,76 N2 - 58 800 kcal/kmol 6-4
Bu suretle elde edilen gazın, % 65,3‘ü N2 gazı ve geri kalan 34,7 ‘si ise, CO gazı
olmaktadır.
Boudouard reaksiyonu, sıcaklığa bağlı olarak belirli bir
dengeye gelmektedir. Yani CO oluşumu sıcaklığa
bağlıdır.
Düşük
sıcaklıklarda,
reaksiyon
geri
dönüşümlüdür.
Takriben 650 oC ‘larda CO2/CO oranı eşittir. Ancak 800
oC ‘tan sonra CO oranı % 80-90 ‘a varmaktadır. Bu
bakımdan hava gazı reaksiyonu 800-1000 OC arasında
yapılmaktadır.
Su ve Karışık Gaz Reaksiyonları
Gazlaştırmanın sadece O2 veya hava ile yapılması ekonomik değildir. Reaksiyon
esnasında açığa çıkan ısı, oksidasyon zonunun ve buna bağlı olarakta baca
gazının sıcaklığını yükseltmektedir. Bunun önlenmesi ve ısıdan azami istifade
edilmesi için, gazlaştırma reaktörüne hava ile beraber su buharıda verilmektedir.
Buhar oksidasyon bölgesinden ısı alarak, sıcaklığın fazla yükselmesini önlediği
gibi, açığa çıkan enerjinin de, gaz enerjisi haline dönüşmesini sağlamaktadır.
C + H2O = CO + H2 + 28 200 kcal/kmol
Su buharının, kızgın kokla reaksiyona girerek CO ve H2 gazı elde edilmesi,
endotermik bir reaksiyondur ve su gazı reaksiyonu olarak bilinmektedir. Su gazı
reaksiyonunda, ortamın sıcaklığına göre CO veya CO2 oluşmaktadır. Yüksek
sıcaklıkta CO oluşumu artmakta ve CO2 oranı azalmaktadır. Reaktör sıcaklığı
800 OC‘ın üzerinde tutulduğunda, CO2 oluşumu oldukça azalmaktadır
Karışık gaz reaksiyonunda, hava ve su gazı reaksiyonları beraberce meydana
gelmektedir. Su gazı reaksiyonu endotermik bir reaksiyondur. Karışık gaz
reaksiyonunda, hava gazı reaksiyonunun çıkardığı ısı, su gazı reaksiyonunun ısı
gereksinimini karşılamaktadır.
2C + O2 + 3,76 N2 = 2CO + 3,76 N2 - 58 800 kcal/kmol oksijen
2,08 (C + H2O)
= 2,08 (CO + H2 - 28 200) “ “su buharı
4,08 C + O2 + 2,08 H2O + 3,76 N2 = 4,08 CO + 2.08 H2 + 3,76 N2
C + 0,245 O2 + 0,509 H2O + 0,920 N2 = CO + 0,509 H2 + 0,9 N2
Isı dengelenmesi yapıldığında, yukarıdaki eşitlik elde edilmektedir. Bu eşitlikle elde
edilen gazın bileşimi de şöyledir:
% 41,2 CO
% 20,9 H2
% 37,9 N2
Bu gazın teorik ısı değeri 1780 kcal/m3 ve gaz verimi de 4,5 m3/kg karbondur.
Ancak, işletmelerde yukarıda belirtilen teorik dönüşümlere ulaşılamamaktadır.
Normal basınçta, karışık gaz reaksiyonu ile elde edilen gazın ısı değeri yaklaşık
olarak 1200 kcal/m3 civarında olmaktadır.
Metanizasyon ve Hidrojenasyon Reaksiyonları
Havagazı ve su gazı reaksiyonlarıyla, normal şartlarda, CO ve H2 içeren bir gaz
elde edilmektedir. Bu gazların ısı değerleri fazla yüksek değildir. (CO =3020
kcal/m3 ve H2 =2580 kcal/m3). Daha yüksek ısı değerli gaz elde etmek için,
metan (CH4 =8580 kcal/m3) içeren gaz elde edilmesi gerekmektedir. Metan
gazı, aşağıda verilen 2 reaksiyonla elde edilmektedir:
C + 2H2 = CH4 - 21 100 kcal/kmol
CO + 3H2O = CH4 + H2O - 49 200 kcal/kmol
Bu reaksiyonlardan birincisi, kömürün hidrojenasyonu yolu ile metan üretimini
göstermektedir. İkinci reaksiyon ise, metanizasyon reaksiyonu olarak
bilinmektedir.
Metan gazı üretimini mümkün kılan 2 reaksiyonda eksotermik reaksiyonlardır ve
bu nedenle de ısı kayıpları biraz yüksektir.
Metan gazı elde edilen iki reaksiyonun sonunda, gaz hacmi küçülmektedir, yani
gazlaştırmanın basınç altında yapılması, metan oluşumunu arttırmaktadır.
Gazlaştırma reaktöründe, gazlaştırma sıcaklığı, gazlaştırma basıncı
ve
reaksiyona giren kok ve gazlaştırıcıların oranları, gaz bileşimini tayin etmektedir.
CHEMICAL REACTIONS
DURING GASIFICATION
•
•
•
•
Combustion of carbon C + O2 —> CO2
Partial oxidation C + 1/2 O2 —> CO
Oxidation CO CO + 1/2 O2 —> CO2
Water gas shift CO + H2 O —> CO2 + H2
Methanation CO + 3H2 —> CH4 + H2 O
Hydrogenization C + 2H2 —> CH4
• Boudouard’s reaction C + CO2 —> 2CO
• Reaction steam-carbon C + H2 O —> CO + H2
Loosening of hydrogen 2H (in coal) —> H2 (gas).
Gaz Türleri
Zayıf Gaz, ısı değeri, 1000-1800 kcal/m3 arasında olan gazlardır. Gazlaştırıcı olarak
hava veya hava+buhar karışımı kullanılarak elde edilen gazların ısı değerleri, bu
sınırlar içindedir ve bu gazlar zayıf gaz olarak sınıflandırılırlar. Zayıf gazlar,
endüstride kullanılır (Siemens-Martin fırınlarında, cam sanayinde, kok fırını
ısıtılmasında v.b. gibi). Diğer taraftan koklaştırma gazına ilave edilerek, kalori
ayarlaması yapılmasında da kullanılırlar.
Su Gazı, kızgın kok üzerine sadece su buharı verilerek elde edilen bir gazdır (C +
H2O = CO + H2). Bu gazın ısı değeri 2600 kcal/m3 civarındadır. Su gazı, geleceğin
gazı olarak geliştirilmesine rağmen, kimya endüstrisinde sentez gazı ve şehir gazına
ilave gaz gibi bazı kullanım alanları bulabilmiştir.
Oksijen-Su Gazı, gazlaştırmada, O2+H2O buharı kullanılarak elde edilen bir gazdır.
Isı değeri 2500 kcal/m3 civarındadır. Bu gaz da, sentez gazı ve hidrojenasyon için H2
üretiminde kullanılmaktadır.
Teknik Karbonmonoksit, Oksijen ve CO2 ile gazlaştırma sonucunda, teknik
karbonmonoksit gazı elde edilir. Karbonmonoksit gazı, daha çok kimyasal
sentezlerde kullanılır.
Oksijen-Basınç Gazı, O2 + H2O buharı, 20-25 atmosfer basınç altında kızgın kok
üzerine verildiğinde CH4 oranı yüksek bir gaz elde edilir. Bu gaz belli oranda CO2
içerir ve CO2 yıkandığında, 4000 kcal/m3’e varan ısı değeri ile, şehir gazı olarak
kullanılabildiği gibi, bazı kimyasal sentezlerde de kullanılabilmektedir.
Zengin Gaz, Metan oranı yüksek ve ısı değeri 6000-8000 kcal/m3 arasında olan
gazdır. Yüksek basınç altında, kızgın kok üzerine H2 verilmek suretiyle veya
metanizasyon reaksiyonu ile elde edilir.
Gazlaştırma ile Elde Edilen Gazların Kullanım Alanları
Kömürlerin gazlaştırılması ile elde edilen gazların şu alanlarda kullanılması
mümkündür.
- Elektrik üretiminde,
- Kimya endüstrisinde (sentezlerde),
- Metalurji sanayinde,
- Doğal gaz yerine.
Elektrik üretimi için, zayıf gaz yeterlidir. Önceki bölümde de verildiği gibi, zayıf gaz,
hava veya hava + su buharı ile kömürün gazlaştırılması (hava ve karışık gaz
reaksiyonları) sonucu elde edilmektedir. Zayıf gaz, üretildiği yerde tüketilmektedir. Zira,
uzun mesafelere nakledilmesi ekonomik değildir.
Kimyasal sentezler için, sentez gazı adı verilen CO + H2 gazları gereklidir. Bu
bileşimde gaz, su gazı ve karışık gaz reaksiyonlarıyla elde edilmektedir. Kimyasal
sentez yolu ile, hidrokarbonlar (benzin ve mazot v.s.), metanol (sentetik malzeme
üretiminin temel maddesi), amonyak (gübre ve patlayıcının ana girdisi) üretimi
yapılmaktadır .
Su gazı ve karışık gaz reaksiyonları ile elde edilen CO ve H2 gazları, aynı zamanda
redüksiyon gazlarıdır. Bu gazların, direkt redüksiyonda, hatta yüksek fırında kullanılma
olanağı vardır. Bilindiği gibi, redüksiyonlarda gaz kullanılması, tercih edilmektedir.
Gazlaştırma Yöntemleri
Gazlaştırma yöntemlerini, reaktörün çalışma prensibi ve kömürün reaktör içindeki
durumuna göre üçe ayırmak mümkündür.
- Döner ızgaralı gazlaştırma yöntemleri,
- Akışkan yataklı gazlaştırma yöntemleri,
-Toz kömür püskürtmeli gazlaştırma yöntemleri.
Diğer taraftan gazlaştırma için gerekli enerjinin (ısının) reaktör içinde üretilmesi
(autoterm) veya dışarıdan gaz veya katı ısı taşıyıcılarla reaktöre verilmesi
(alloterm) durumuna göre de, gazlaştırma yöntemleri ikiye ayrılmaktadır.
Döner Izgaralı Gazlaştırma Yöntemi
Döner ızgaralı gazlaştırma yönteminde, reaktörün ızgarası küllükle beraber
yavaşça döndürülmektedir. Bu dönme, şu avantajları beraberinde getirmektedir:
•Küllüğe indirilen kül taşıyıcı, küllükten devamlı kül çıkarır,
•Eksantrik olarak yerleştirilmiş ızgaralar dönerken, üzerlerindeki külü parçalar ve
küllüğe düşmesini sağlarlar. Bunun sonucu olarak, ızgara üzerinde kül sertleşmesi
ve birikmesi önlenmiş olur,
•Havanın, kömür içinde daha ìyi ve homojen dağılması sağlanır.
Döner ızgaralı gazlaştırma reaktörleri, çapı 3-4 m olan silindirik yapılı reaktörlerdir .
Döner ızgaralı reaktörlere kömür yukarıdan verilmekte ve hava (veya O2) ile su
buharı alttan verilmektedir, yani ters akımlı bir gazlaştırma yapılmaktadır. Kömürün
kesikli olarak verildiği reaktörler olduğu gibi, sürekli olarak kömür verilebilen
reaktörlerde geliştirilmiştir.
Yüksek Basınçlı Gazlaştırma Yöntemi
. Yüksek basınçlı gazlaştırma reaktörü Lurgi firması tarafından geliştirildiği için, Lurgi basınçlı
gazlaştırma reaktörü olarakta bilinmektedir.
Lurgi basınçlı gazlaştırma reaktörü, diğer ızgaralı gazlaştırma reaktörlerine benzemektedir.
Silindirik gövdesi, iki katlı çelik saçtan yapılmıştır ve bu katlar arasında su mantosu bulunmaktadır.
Bunlarda da ters akımlı bir proses uygulanmakta ve kömür yukarıdan, su buharı + O2 alttan
reaktöre girmektedir.
Yüksek basınçlı gazlaştırma reaktörlerinde, kömür yukarıdan bir basınç kabini vasıtasıyla
verilmekte ve kül aşağıdan yine basınç kabini vasıtasıyla dışarı alınmaktadır. Lurgi basınçlı
gazlaştırma reaktörü, 20-25 atm. basınç altında çalışmaktadır ve reaktör içinde sıcaklık 1300 oC’a
kadar çıkmaktadır.
Yüksek basınç, gaz içinde CH4 oranının artmasını
sağlamaktadır. Aynı zamanda, CO2 oranıda artıyorsa bile,
CO2 sonradan yıkanarak gazdan temizlenebilmektedir.
Basınçlı gazlaştırmada, uçucu madde içeriği ve
dolayısıyla reaktivitesi yüksek kömürler (linyitler ve linyit
biriketleri) daha zengin gaz vermektedir. Örneğin
linyitlerden, CO2 yıkandıktan sonra 4200-4500 kcal/m3 ısı
değerinde gaz elde edilirken, taşkömürlerinden elde
edilen gazların ısı değerleri biraz daha düşük olmaktadır.
Akışkan Yataklı Gazlaştırma Yöntemleri
•
•
İnce kömür (0-6 mm), O2 + su buharı üzerine verilmekte ve akışkan halin verdiği
avantaj ile hızlı ve verimli bir gazlaştırma reaksiyonu gerçekleşmektedir.
Akışkan yataklı gazlaştırma yönteminde toz kömür kullanılmaktadır .
Akışkan Yataklı Gazlaştırma Yöntemleri
Bu reaktörlerde, kömürün kuruması, reaksiyon
sıcaklığına ısınması ve gazlaştırılması için
gerekli ısı, kömür tarafından karşılanmaktadır.
Üretilen gaz, reaktörü sıcak olarak
terketmektedir
Winkler jeneratörlerinin kapasiteleri büyüktür.
Saatta 60 000 m3/h gaz üreten jeneratörler
inşa edilmiştir.
Dolaşımlı Akışkan Yatak
Toz Kömür Püskürtmeli Gazlaştırma
Toz Kömür Püskürtmeli Gazlaştırma Yöntemi
Koppers Totzek
gazlaştırıcısı, toz kömür püskürtmeli gazlaştırma yöntemi için
verilebilecek en iyi örnektir.1950 yıllarında geliştirilen Koppers Totzek gazlaştırma
yönteminde toz kömür, oksijen+su buharı ile beraber, 90 derece aralıkla 4 farklı yerden,
sıcak reaktör içine püskürtülmektedir. Koppers-Totzek yönteminde, kömürün gazlaşma
randımanı yüksektir. Üretilen gaz genel olarak CO+H2 içermektedir ve CH4 içeriği eser
miktardadır. Proses yüksek sıcaklıkta (1400-1500 oC) gerçekleşmektedir. Elde edilen
gazın ısı değeri 2500 kcal/m3 civarındadır.
Generic Coal Gasification Reactors
Underground coal gasification in
horizontal coal seem.
Download

KÖMÜR GAZLAŞTIRMA Kömürden Gaz Üretimi Kömürden gaz