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 12 322 AB 6000 Türkiye 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

AB için yaklaşık 200 kg EP/bin euro 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.

YAKITLARDA ARANAN GENEL ÖZELLİKLER 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 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; Yanma ürünleri arasında yanmaya katılmayan madde (gaz) miktarının az olması, 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 (Fischer-Schrader) 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 H2O, H2O Buharı, CO2, O2 uzaklaşır Linyit Alt Bitümlü Kömür Taşkömürü Antrasit H2 uzaklaşır 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 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.

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 Doğu Linyitleri Isıl değerleri düşük Kül ve S’ü az Kalın tabaklar halinde Isıl değerleri düşük Kül ve S’ü fazla 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. Nem Miktarının Saptanması Kül ve Madeni Madde Miktarının Saptanması Uçucu Maddenin Saptanması Sabit Karbon ve Kok Miktarının Saptanması Nem Miktarının Saptanması a. Yüzey Nem b. Bağıl Nem c. Kombine Nem 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.

KÖMÜRÜN ELEMANTER ANALİZİ 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. 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.