Yakıtlar ve Yanma
1.Hafta
ENERJİ
Enerji iş yapma kapasitesi olarak tanımlanmaktadır ve değişik formlarda karşımıza çıkmaktadır:
•Isı enerjisi,
•Mekanik enerji,
•Elektrik enerjisi,
•Kimyasal enerji ,
•Nükleer enerji gibi.
Enerji kaynakları genelde iki grup altında toplanırlar:
•Yenilenebilir,
•Tükenebilir (yenilenemeyen).
Yenilenebilir Enerji : Pratik olarak sınırsız varsayılan, sürekli ve tekrar tekrar kullanılabilen
enerjidir. Örneğin güneş enerjisi gibi, güneşten gelen enerji elektriğe veya ısı enerjisine
dönüştürülebilir. Rüzgar enerjisi, yerküreden gelen jeotermal enerji, bitkilerden üretilen biokütle
ve sudan elde edilen hidrogüç de yenilenebilir enerji grubunda değerlendirilmektedir.
Yenilenebilir enerji, kısa sürede yerine konulan enerjidir.
Tükenebilir enerji (Yenilenemeyen) : Kullanılan ve fakat kısa zaman aralığında yeniden
oluşamayan enerji olarak tanımlanır. Bunlar genelde, petrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil
yakıtlardır. Bu tür enerjiler, yaşamları milyonlarca yıl önce sona ermiş bitki ve hayvan gibi organik
kalıntılarının yerkürenin içinden gelen ısı ve üzerinde bulunan kayaçlardan kaynaklanan basıncın
etkisi altında oluşmuş fosillerinden meydana gelmektedir.
DÜNYADA ve TÜRKİYEDE ENERJİ
Enerji ve tercih edilen enerji kaynağı değerlendirilirken göz önünde bulundurulması gereken
hususlar:
•Kaynağın fiyatı,
•Kaynağın elde edilme kolaylığı,
•Başka ülkelere bağımlılık,
•Çevre ve insan sağlığına etkileri.
Yaklaşık 6.5 milyarlık dünya nüfusunun;
•4.5 milyarı dünya ortalamasından daha düşük enerji tükettiği;
•2.4 milyarı ticari olmayan enerji kaynaklarına (odun, bitki-hayvan artıkları) bağlı olduğu;
•1.6 milyara elektriğin ulaşmamış olduğu;
•gelişmiş ülkelerde kişi başına enerji tüketiminin gelişmekte olan ülkelere göre 7 katı yüksek
olduğu bilinmektedir.
Dünyada en hızlı gelişme gösteren enerji formu, elektriktir. Özellikle gelişmiş ve gelişmekte olan
ülkelerde toplumların gelişmeleri ve hayat standartları elektrik sistemlerinin gelişmesiyle, kişi
başına elektrik tüketimleriyle, enerji yoğunluklarıyla ölçülmektedir.
Kişi başına yıllık elektrik tüketimi (kWh);
ABD
AB
Türkiye
12 322
6000
2200
Elektrik genelde pahalı bir enerji türüdür.
Hem yenilenebilir, hem de tükenebilir kaynaklardan elde edilebilir.
Diğer taraftan, enerji kaynakları tüm ülkelere eşit olarak dağılmış durumda değildir.
Dünyada bazı ülkeler rezervlere sahip olup üretici konumundayken, diğerleri bu enerji
kaynaklarını elde etmeye çalışan tüketici konumundadırlar.
Nüfus artarken ve ülkeler daha fazla enerji kullanarak gelişirken, enerji kullanımından
kaynaklanan çevre ve sağlık sorunları dünyayı etkilemekte, atmosferdeki hava kirliliği nedeniyle
insan ölümleri ve iklim değişikliğinden kaynaklanan olumsuzluklar her geçen gün artmaktadır.
Petrol ve doğal gaz dünya enerji tüketiminin %60’ını,
Petrol, doğal gaz ve kömürden oluşan fosil kaynaklar ise %85’ini karşılamaktadır.
Son 30 yıldaki tüketim eğilimi incelendiğinde, tüketimi en hızlı artan enerji kaynağının doğal gaz
olduğu görülmektedir. Bu eğilimin süreceği ve doğal gazın toplam enerji tüketiminde %23 olan
payının 2025-2030 civarında %25’e çıkacağı düşünülmektedir.
TEP : Ton Eşdeğer Petrol
Her bir enerji türünün üretim ve tüketim miktarları farklı ölçü birimleri ifade edilir.
Petrol varil
Elektrik kWh
Kömür ton
Doğal Gaz m3
Farklı olan bu ölçü birimlerinin kolaylık sağlaması açısından ton eşdeğer petrol (TEP) kullanılır.
Başka bir değişle TEP; enerji üretim ve tüketim hesaplamalarında kullanılan ortak bir ölçü
birimidir. 1 ton ham petrolün eşdeğeri olarak tanımlanır.
Örnek:
1000 kWh elektrik0.086 TEP
1 ton fueloil 0.96 TEP
Bir iş yeri 1 yılda 1.000.000 kWh elektrik enerjisi, 5000 ton fueloil kullanıyor ise bu iş yerinin yıllık
enerji tüketimi;
(0.086x1.000.0000)/1000=86 TEP
5000x0.96=4800 TEP
Toplam Yıllık Enerji Tüketimi=86+4800=4886 TEP
Tüm enerji kaynakları (petrol, doğal gaz, kömür, nükleer enerji, alternatif enerji) göz önüne
alındığında dünyada her gün yaklaşık 210 milyon varil (29 milyon TEP) enerji tüketilmektedir.
Teknoloji, gittikçe enerjiyi daha verimli kullanmanın yollarını araştırmaktadır. Bu nedenle kişi
başına enerji tüketimi yerine enerji başına üretim verimliliği (enerji yoğunluğu) ülkelerin
gelişmişlik düzeylerini açıklamak amacıyla tercih edilmektedir.
Enerji Yoğunluğu
AB için yaklaşık 200 kg EP/bin euro
Türkiye için yaklaşık 500 kg EP/bin euro
Yani birim mal üretimi için Türkiye’de AB’ye göre 2.5 kat enerji harcanmaktadır.
Türkiye dünya ortalamasından daha az enerji tüketmekte iken, dünya ortalamasından daha
yüksek oranda bir enerji tüketim eğilimi göstermektedir.
International Energy Agency ve (IEA) Energy Information Administration (DOE) tarafından
yapılan bir çalışmada elde edilen tahmini dünya enerji tüketiminin 2030 yılına kadar değişimi
aşağıda görülmektedir.
ENERJİ TALEBİNİN KARŞILANMASI ve YAKITLAR
Artan enerji talebinin karşılanması için,
•Rüzgar,
•Dalga,
•Güneş,
•Biokütle,
•Jeotermal ,
gibi, yenilenebilir ve alternatif enerji kaynakları dile
getirilmektedir.
Teknolojilerindeki gelişmelerden dolayı bu tür
yenilenebilir enerji kaynaklarının maliyetleri gittikçe
düşmekte olmasına rağmen ilk yatırım maliyeti ve rahat
ulaşılamaması gibi nedenlerle, hala fosil yakıtlarla
karşılaştırılabilecek düzeyde değildir.
Fosil yakıtlara alternatif kaynaklar olarak hidroelektrik, nükleer ve yenilenebilirler düşünülebilir.
Ancak yakın gelecekte bunların fosil yakıtların yerini tamamen alması yerine belirli bir kısmını
karşılaması olasıdır.
Dünya geneline bakıldığında, yenilenebilir enerji türlerine ek olarak, nükleer gücün ve
hidrojenin 2030 ve sonrasında dünya enerji gereksiniminin gittikçe artan bir oranını
oluşturacaktır.
Konutlar ve araçlarda kullanılmak üzere elektrik üretimi için hidrojen ve oksijeni suya
dönüştüren yakıt hücreleridir. 2025 ötesinde küresel ulaşım sistemleri için uzun dönemli
vizyonlar, karbon olmayan ve karbon üretmeyen proseslerden türetilen bir yakıtı hedef
almaktadır.
Evrende en çok bulunan ve en hafif element olan hidrojen, fosil yakıtlar, yenilenebilir ve nükleer
güç gibi birçok birincil enerji kaynağından türetilebilir ve ulaşım da dahil birçok kullanım alanları
olabilir. Araçlarda güç üretirken, sadece su buharını emisyon olarak veren kullanımıyla hidrojen,
araçlardaki yakıt hücrelerinde depolanabilir.
Hidrojen halen oldukça pahalıdır; üretilmesi, iletilmesi, depolanması ve dağıtılması konularında
henüz verimlilik sağlanamamıştır. Dolayısıyla bir ulaşım yakıtı olarak hidrojenin kullanımında
maliyeti azaltmak için teknolojik devrimler gerekmektedir.
2015 yılı için tahmin edilen enerji talebinde, bugüne göre petrol tüketiminde %20 ve doğal gaz
tüketiminde %45 artış beklenmektedir.
YAKIT
Güneş enerjisini bünyelerinde depolamış ve uygun koşullarda enerji serbest bırakan maddelere
YAKIT denir.
Güneş enerjisini depolama şekline göre yakıtlar 2 ana gruba ayrılır:
•Fosil Yakıtlar (Bünyelerinde karbon, hidrojen, oksijen ve kükürttün yanı sıra su, kül gibi bazı
yabancı maddeleri içerirler.)
- Katı Fosil Yakıtlar (Kömür)
- Sıvı Fosil Yakıtlar (Petrol)
-Gaz Fosil Yakıtlar (Doğal Gaz)
•Nükleer Yakıtlar
YAKITLARDA ARANAN GENEL ÖZELLİKLER
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Maliyet
Kolay Tutuşma ve Yanma
Uygun Alev Sıcaklığı
Isıtma Yeteneği
Zararsız Olma
Termik Direnç, Mukavemet ve Reaktivite
1. Maliyet
Doğada bol olmalı kolay elde edilebilmeli.
2.Kolay Tutuşma ve Yanma
İlk yanmanın başlayabilmesi için en az enerji ve zaman harcanmalı.
3. Uygun Alev Sıcaklığı
Yanma esnasındaki alev sıcaklığı bu yakıtın kullanım amacının gerektirdiği sıcaklık değerlerine
erişebilmeli.
Yüksek alev sıcaklıkları için;
o Yanma ürünleri arasında yanmaya katılmayan madde (gaz) miktarının az olması,
o Yakıtın önceden ısıtılması ve yanma esansında sıcak havanın kullanılması,
4. Isıtma Yeteneği
Yanma esnasında meydana gelen ısı, ısıtılacak sisteme sistemin çok sıcak olması durumunda
dahi kolayca ve tamamen geçebilmelidir.
5. Zararsız Olma
Yanma sonucu ortaya çıkan katı, sıvı ve gaz halindeki yanma ürünleri ne doğaya, ne insanlara
ne çevreye, ne de yanma işlemi esnasında kullanılan sisteme zarar vermemeli.
6. Termik Direnç, Mukavemet ve Reaktivite
Yakıtın yanma esnasında her tarafının eşit sıcaklıkta olmasına engel olan dirence «termik
direnç»,
Özellikle katı yakıtların büyük yüklere ezilmeden dayanabilmesine «mukavemet»,
Yakıtın kimyasal reaksiyon hızına «reaktivite» denir.
KATI FOSİL YAKITLAR
KÖMÜR
Yanabilen sedimanter organik kayaya «kömür» denir.
Kömür, başlıca karbon, hidrojen ve oksijen gibi elementlerin bileşiminden oluşmuş olup, diğer
kaya tabakalarının arasında damar halinde milyonlarca (300 milyon) yıl ısı, basınç ve
mikrobiyolojik etkilerin sonucu meydana gelmiştir.
KÖMÜR OLUŞUMU
KÖMÜR OLUŞUMUNU AÇIKLAYAN TEORİLER
Kömürün oluşumu için ileri sürülen teoriler şunlardır:
1. Allokton Teorisi (FOYOL Delta Teorisi)
Bitkisel artıkların tatlı veya acı sulu göllere veya denizlere taşınarak buralarda çökeldiği ve bazı
değişim olaylarından sonra kömürleştiği öne sürülmektedir.
2. Otokton Teorisi
Bitkisel artıkların çökelimi ve kömürleşmesi bitkilerin geliştiği ortamda olmakta, bir taşınma söz
konusu edilmemektedir.
3. Lagün Teorisi
Kömür yataklarında bitkilerin kök, gövde, dal gibi artıklarına çok az rastlanır. Tabakanın büyük
kısmı bitkilerin ayrışmaya uğramış küçük ve mikroskobik kırıntılarının birikmesinden oluşmuştur.
Lagün teorisi çeşitli tipteki kömürleri meydana getiren bitkisel yığınları açıklamakta ancak bu
kömür tipleri arasındaki kimyasal farklılıkları açıklayamamaktadır.
Kömür tipleri arasındaki kimyasal farklılıkları açıklayan teoriler ise Selüloz ve Linyin (FischerSchrader) teorisi’dir.
4. Selüloz Teorisi ve Linyin Teorisi
Bir çok araştırmacı kömürün ana maddesinin selüloz olduğunu kabul etmekte ve sentez yoluyla
selülozdan diğer kömür türleri oluşmaktadır. Bergius isimli araştırmacının ortaya attığı bu
teoriye göre kömür oluşumu havasız yerde selülozun yavaş yavaş ayrışmasının bir sonucudur.
Buna göre;
- Selüloz ve linyin yapıları bakımından birbirinden tamamen farklı iki maddedir.
- Bakterilerin etkisiyle selüloz, CO2, CH4 ve H2O’ya ayrılarak tamamen kaybolur
- Selülozun kaybolması ile geriye kalan kısım linyin bakımından zenginleşir.
- Linyinin sabunlaşması ile hümik asitler oluşur.
- Hümik asitin yoğuşması ve moleküllerinden su çıkarması ile hümik maddeler oluşur.
- Hümik maddelerden H2O, CO2 ve CH4 çıkarak linyitler ve taşkömürleri oluşur.
KÖMÜRLEŞME (Coalification)
Organik Maddeler
Turba
Linyit
H2O, H2O Buharı, CO2, O2 uzaklaşır
Alt Bitümlü Kömür
Taşkömürü
H2 uzaklaşır
Antrasit
Grafit (Saf C)
KÖMÜR TİPLERİ
1. Turba
2. Linyit
a. Sarı Linyit
b. Kahverengi Linyit
c. Siyah Linyit
d. Yağlı Linyit
3. Taşkömürü (Maden Kömürü)
4. Antrasit
1. Turba
Kömür tiplerinin ilk oluşanıdır.
Ülkemizde çok az bulunur.
Endüstriyel bir önemi yoktur.
Bu kömür sıcaklıkları 5-8oC arasında bulunan,
berrak ve oldukça su içeren yerlerde oluşur.
Elemanter Analizi (kütlesel)
C
%(25-60)
H2
%(5-8)
O2
%(20-55)
N2
%(0.5-3.5)
Kimyasal yapısı bulunduğu yere göre değişir.
Bazen %50(kütlesel) ‘ye kadar külde bulunabilir.
Alt ısıl değeri düşüktür.
Hu=14.000-20.000 kJ/kg
250-270oC sıcaklıkta alevlenir.
2. Linyit
İkinci ve üçüncü zamanda oluşmuşlardır.
Isı açısından fakirdirler.
Dokuları amorf, ağaçsı veya lifli, yüksek oranda rutubet ihtiva eder,
Çıkartıldıkları bölgelerde kullanılırlar. Linyit rezervlerine bağlı olarak termik santrallerin
kurulması bu kömür tipini daha rasyonel hale getirmiştir.
a. Sarı Linyit
İs bırakan uzun alevlerle yanarlar.
Hu=10.500 kJ/kg
Elemanter Analizi (Kütlesel)
C
%60
H2
%5
O2,N2
%(30-40)
b. Kahverengi Linyit
Kolay kırılabilen, büyük kütleler halinde, hafif
yağlı, S içermeyen, %50’ye kadar nemi olan
kömürlerdir.
Hu=12.500-21.000 kJ/kg
c. Siyah Linyit
Bileşimlerinde S bulunur.
Hu=21.000-27.000 kJ/kg
Elemanter Analizi (Kütlesel)
C
%70
H2
%(5-6)
O2,N2
%(23-25)
d. Yağlı Linyit
Bu kömürlere bitümlü linyit adı da verilir.
Kükürt içerdiği için yandığında pis koku çıkar.
Hu=27.000-29.000 kJ/kg
Elemanter Analizi (Kütlesel)
C
%75
H2
%(6-9)
O2,N2
%(15-18)
Türkiye Linyitleri
Batı Linyitleri
Isıl değerleri düşük
Doğu Linyitleri
Isıl değerleri düşük
Kül ve S’ü az
Kül ve S’ü fazla
Kalın tabaklar halinde
İnce tabakalar halinde
3. Taşkömürü (Maden Kömürü)
Turba ve linyite göre daha ileri karbonizasyon sonucu oluşmuşlardır. Bu kömürlerde bitki
kalıntılarını gözle görmek imkansızdır. Bu kömürler kok imalinde kullanılırlar.
Hu=31.500-37.000 kJ/kg
Elemanter Analizi (kütlesel)
C
%(80-90)
H2
%(4.5-5.5)
O2
%(3-11)
Uçucu Madde
%(10-45)
Sabit Karbon
%(25-80)
Kül
%(0.5-40)
Bileşiminde uçucu maddesi %(30-37)’den az olan taşkömürleri kok eldesinde kullanılırlar.
Yanma esnasında daha az duman çıkardıkları için çevre kirliliği açısından uçucu maddesi az olan
kömürler tercih edilir.
Kok: Bazı yağlı taşkömürlerinin havasız ortamda tüm uçucu bileşenleri uzaklaştırılana kadar
ısıtılmasından sonra kalan katı artık.
Kok kömürü başta C olmak üzere az miktarda H2, N2, S ve O2 oluşur.
Hu=28.000 kj/kg
4. Antrasit
Tam kabonizasyona uğramış kömürlerdir. C miktarı çok fazla olduğundan zor tutuşurlar. Fakat
tutuştuktan sonra kararlı bir şekilde yanarlar.
Hu=34.300-36.000 kj/kg
Elemanter Analizi (kütlesel)
C
%(90-96)
H2
%(2-5)
O2
%(4-11)
Uçucu Madde
%(3-10)
Sabit Karbon
%(90)
Kül
%(2-3)
Uçucu madde miktarı az olduğundan hem kok imalinde kullanılırlar hem de çevre kirliliği
açısından daha az zararlıdırlar.
KÖMÜRÜN ENDÜSTRİYEL ANALİZİ
Bütün kömürlere uygulanan ve endüstrinin gereksinimine cevap veren analizlerdir.
1. Nem Miktarının Saptanması
2. Kül ve Madeni Madde Miktarının Saptanması
3. Uçucu Maddenin Saptanması
4. Sabit Karbon ve Kok Miktarının Saptanması
1. Nem Miktarının Saptanması
a. Yüzey Nem
b. Bağıl Nem
c. Kombine Nem
a. Yüzey Nem
Kömüre dışarıdan geçici olarak karışan nemdir.
Normal atmosferik koşullarda buharlaşır ve genel olarak %(2-3) arasındadır.
Ergitme fırınlarındaki ızgaralarda optimum bir yanma için tane büyüklüğüne bağlı olarak: %5-12
Koklaşma işlemi için: %3-5
Ölçülmesi: 10 kg kömür güneşsiz ve hava akımı olmayan bir ortamda 24 saat bekletilir ve
yeniden tartılır. İlk ağırlık ile son ağırlık arasındaki fark yüzey nemine karşılık gelir.
b. Bağıl Nem
Kömürün kılcallığına ve madeni kısmının bileşimine bağlıdır. Kılcallık etkisi ile nem kömürün
bünyesine girmiştir.
Ölçülmesi: Oksitlenmesi hesaba katılmayacak kadar az ve uçucu madde miktarı düşük olan
kömürler 100oC’ta ısıtılır ve sıcaklık sabit tutularak nem ölçülür.
10 ile 100 g arasındaki numunelerle 30 dakika ara ile yapılan iki tartmada aynı sonuçlar elde
edilinceye kadar ısıtmaya devam edilir. Tartma işlemleri numunenin soğutulmasından sonra
yapılır. İlk ve son ağırlıklar arasındaki fark bağıl nemi verir.
Eğer kömür kolay oksitlenen türden ise iki farklı metot ile bağıl nem ölçülür.
-Ksilen Metodu: Bu yöntemde kömürdeki suyun sıcak ksilen gazı ile sürüklenerek bir kapta
toplanması ile bağıl nem ölçülür.
-Etkimesiz (inert) Gaz Akımında Bağıl Nem Ölçme Metodu: Kömür üzerinde kimyasal etkisi
olmayan bir gaz ile ısıtılır. İnert gaz olarak CO2 kullanılır.
A:Numunenin Ağırlığı (g)
a:Kömürden alınan Suyun Ağırlığı (g)
c. Kombine Nem
Kimyasal olarak kömüre bağlanmış sudur. Kimyasal işlem olmadan kömürün bünyesinden
alınamaz. Bu neme “Gevşek Bağlarla Bağlanmış Nem” de denir.
2. Kül ve Madeni Madde Miktarının Saptanması
Her kömürün içerisinde tam yanma sonunda yanmayan madde olarak kalan anorganik
maddelere “Kül” denir. Külün 2 kökeni vardır:
-Kömürü oluşturan bitki kalıntıları içerisindeki madeni maddeler.
-Kömüre dışarıdan karışmış madeni maddeler.
Ölçülmesi:
1 gram numune 60x35x12 mm boyutlarındaki bir kapsüle konur.
Kapsül 800-850oC sıcaklıkta tutulan bir 300oC’ta kadar ısıtılır (İşlem 1 saat sürer).
Kapsül fırından çıkartılır soğutulduktan sonra tartılır.
1 g kömürden kapsülde kalan kısım o kömürün kül miktarıdır.
Kül miktarı bulunduktan sonra madeni madde miktarı bulunur.
PARR Denklemi (USA)
%Madeni Madde=1.08xKül+0.55xS
KING-GROSBY Denklemi (Avrupa)
%Madeni Madde=1.1xKül+0.53xS+0.74xCO2-0.32
S: Kömür içindeki toplam S miktarı.
CO2: Kömür içindeki karbonatlardaki toplam CO2 miktarı
3. Uçucu Maddenin Saptanması
Uçucu maddeler 3 kısımdan oluşur.
-Gazlar: H2, CO,CH4 (Metan),C2H6(Etan), H2S(Hidrojen Sülfür)
-Zift:Benzen,toluen,fenol gibi hidrokarbonlar ile bir miktar serbest karbondan oluşur.
-Amonyum Eriği:Azot, kükürt ve siyanürün su içindeki eriğikleridir.
Ölçülmesi: a gram kömür 927oC sıcaklıkta havasız bir ortamda 2400 s (40dk) ısıtılırsa belli bir
ağırlık kaybına uğrar. Yeni ağırlık b gram ise aradaki fark (a-b) uçucu madde miktarını verir.
4. Sabit Karbon ve Kok Miktarının Saptanması
Bir kömürde bulunan sabit karbon miktarı (%)=100-(%Uçucu Madde+%Nem+%Kül)
Kok Miktarı (%)=%Sabit Karbon+%Kok
KÖMÜRÜN ELEMANTER ANALİZİ
Kömür içerisindeki, C, H2, S, N2 ve O2 elementlerinin miktarlarının saptanması veya kömürün ne
ölçüde oksitlenmiş olduğunun anlaşılabilmesi için yapılan analizlerdir.
1. C, H2 ve O2 Analizi
Bu 3 element kömürün ana maddeleridir ve özelliğini belirler.
Hu=34013c+125600h+10900(s-o)-2512(9h+w) kJ/kg (Oranlar kütlesel)
O2 miktarındaki %1’lik artış Hu’da %1.7’lik düşüş meydana getirir.
Kömür içerisinde O2’nin H2 ile birleşmiş olduğu kabul edilir ve bu sebeple ısı verecek H2 miktarı
azalır.
O2 kömürün koklaşmasını da bozar
2. N2 Analizi
%0.5 ile %2.5 arasındadır ve kömür kalitesi açısından önemi yoktur.
3. S Analizi
Kömür kalitesi açısından önemli bir elementtir ve %0.5 ile %2.5 arasındadır.
Kömür içinde 3 şekilde buluınur.
-Demir ile birleşmiş şekilde FeS2 (Pirit)
-CaSO4
-Zift
4. Arsenik ve Fosfor
Bu iki madde kömürde çok az bulunur. Kömür Isıtma amacı için kullanıldığında bu iki maddenin
önemi yoktur. Kömür metalurjik amaçla kullanılırsa (Örneğin:Ergitme) bu maddelerin miktarları
öenm kazanır.
Download

enerji