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, plastiklik özelliğini hızlı bir şekilde kaybetmektedir.

Kömür Koklaşma Kapasitesi Bir kömürün oksijensiz ortamda yavaş ısıtılmak (örneğin: 3oC/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 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 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