Kömür Kullanımı ve İlgili Çevre
Kirlenmesi
1. GİRİŞ
1960'lardan sonra gerek kitleler ve gerekse dev
letler ve endüstriyel kuruluşlarda çevre kirlenmesi,
bunun doğa üzerindeki etkileri ve doğal dengenin
korunması konusunda çalışmalar yoğunlaşmıştır.
Çevre kirlenmesi, doğanın kendi içerisinde sürüp
giden olaylar yanında endüstriyel ve ticari etkinlik
lerin durumuna da bağlıdır. Herhangibir bölge
de bunların hangisinin çevre kalitesi üzerinde daha
etkili olduğunu tahmin etmek, endüstriyel ve ticari
etkinliklerin çevre üzerinde etkisi var ise bunun
esas olarak kömür hammadde girdili enerji üreti
minden mi yoksa diğen endüstriyel etkinliklerden
mi oluştuğunu mevcut bilgiler ışığında kesin ola
rak söylemek zordur. Dolayısıyla, kömür ve petrol
kullanımının çevre üzerindeki etkisi karmaşık bir
olaydır.
Kömür kullanımında çevreyi etkileyen faktörler
gürültü, toz S0
2
, NOx ve diğer gaz ürünlerle birlik
te artıkların atılması problemidir. Son yıllarda S0
2
ve NO 'in uzun mesafe taşınması ve C0
2
'y
e
bağlı
iklim değişimi olasılığı konuları da ilgi toplamak
tadır. Kömür kullanımının çevre üzerindeki etkisi
nin incelenmesi, insan sağlığına, tarım ürünlerine,
yapılar ve malzemeye, ormanlar ve doğal dengeye
olan etkileri dolayısıyla, yerel, bölgesel ve ulusal
çerçevede olmak üzere yürütülmektedir. Geçen on
yıl içinde çevre kirliliğine artan ilgi nedeniyle de
ğişik çevre politikaları saptanmış ve bunlar tekno
lojik bilgilerin ve pratik sonuçların ışığında gözden
geçirilerek geliştirilmekte ve kömür kullanımında
yeni yatırımların doğmasına neden olmaktadır. Fa
kat değişik ülkeler ve projeler için bu yaptırımlar
ülke genel politikası ve yerel politikaların bir fonk
siyonu olarak gelişen çevre yönetmeliklerine göre
değişmektedir.
Kömür ilgili çevre sorunlarını tartışmadan önce
kömür ve kullanım yöntemlerinin mevcut durumu
na ve bu sahalardaki problemlere göz atmakta ya
rar vardır. Böylece özellikleri ve kontrolü hakkında
daha sağlam fikirler yürütülebilir.
2. KÖMÜR
Genel olarak kömür, hemen hemen bütün v\<i-
mentleri ilgilendiren mineral kısmı ve çok sayıda
organik materyali içeren organik kısmı ile bir or
ganik kayaç olarak tanımlanır. Kömür, günümüz
turbalıklarına benzer bataklık kökenlidir ve batak
lık şartlarının değişmesine bağlı olarak buralarda
34
biriken organik maddelerin "Kömürleşme" olarak
tanımlanan olay sonucu değişimeuğramasıylaoluş-
muştur. Kömürleşmenin birinci evresi, organik ma
teryalin biyo-kimyasal bozunmasıdır ve ortamın
bakterilerin yaşamasına elverişsiz derecede asidik
oluşuna kadar sürer. İkinci evre metamorfizmanın
özellikleri, zamana bağlı olarak basınç ve sıcaklığın
değişmesidir, kömürün kalitesi uğradığı metamor-
fizma ile doğru orantılı olarak değişir ve linyitten
antrasite doğru oksijen ve hidrojen içeriğinin azal
ması, karbon içeriğinin ve alt ısı değerinin yüksel
mesi olarak gözlenir (Çizelge 1).
Çizelge 1. Kömürün Kimyasal Bileşiminin Değişimi
Kütlesel yüzde (dmmf)
Malzeme
Karbon Hidrojen Oksijen
Ağaç (Selüloz)
Turba
Linyit
Subbitümlü Kömürler
Bitümlü Kömürler
Antrasit
Grafit
%
44
59
71
74
84
94
100
%
6
6
5
5
5
3
_
%
50
35
24
21
11
3
_
2.1. Kömürün Kimyasal Yapısı
Kömürün kimyasal yapısı konusunda çok geniş
araştırmalar yapılmış olup son yıllarda kömür kul
lanımını daha cazip hale getirmek için var olan sı
kıntıları çözecek araştırmalar yapılmaktadır. Araş
tırmalarda en büyük özellik homojen yapıda numu
nelerle çalışmaktır ve günümüzde sorulan soru ho
mojen numunenin varlığı konusudur. Hatta, alınan
numuneler ne kadar iyi seçilirse seçilsin farklılık
göstermesi ve kömürün turbadan antrasite doğru
gelişiminde ana kimyasal özelliklerinin değişiklik
göstermesi "Kömürün kimyasal yapısı var mıdır"
sorusunu ortaya koymaktadır.
Fakat kuramlar sonucu varılan nokta, kömürün
temel yapısının üç boyutlu polimerik sisteme ben
zer, molekül ağırlığı 400 civarında olan ana parça
ların oluşturduğu bir sistem ve bu sistemin boşluk
larında düşük moleküler ağırlıklı materyalin bulun
duğu şeklindedir. Kömürün kimyasal yapısı, sıvı-
laştırma ve pyrolysis davranışları için önemli, gaz-
Page 3
laştırma ve yanma olaylarının incelenmesinde
önemsizdir.
mesi noktalarıdır. 35 MW'dan büyük ünitelerde
kullanılmaz.
3. KÖMÜRÜN YANMASI
Kömürün yanma mekanizması kimyasal olarak
çok karmaşık bir olaydır. Ortam şartlarına bağlı
olarak karmaşıklık daha da artar (Elliot, 1981 bö
lüm 19,20). Basit olarak kömürün ve katı yakıtların
yanmasını sağlamak için, oksitleyici ortamın (ha
va) yakıtla tam temas etmesi gereklidir. Bütün
yakıtın oksitlendiği böyle bir ortamı bütün eleman
lar oksitlenmiş olarak C0
2 )
H
2
0, NO
x
, S0
2
ve
S0
3
halinde terkederler.
Kömürün enerji üretim amaçlı yakılmasında ge
nel olarak üç sistem kullanılmaktadır. Bunlar kö
mürün sabit yatakta yakılması, kömürün askıda ya
kılması ve kömürün akışkan yatakta yakılmasıdır.
3.1. Sabit Yatakta Yakma
Kömür sabit ya da hareketli bir ızgaranın üzerin
dedir ve hava düşük hızda aşağıdan yukarıya doğru
kömürün içinden hareket eder. Kül ızgara altından
alınır. Günümüzde bu sistemlerle ilgili birçok prob
lem çözülmüştür ancak, hâlâ araştırma isteyen
noktalar yanma randımanının arttırılması, yakma
hızı, kül toplanma ve kül aşındırmalarının önlen-
3.2. Askıda Yakma
(Pulverize Kömür Yakma)
Hemen hemen bütün termik santraller pulverize
kömür kullanarak buhar üretimi için askıda yakma
sistemine dayalı kazanlar kullanmaktadır (Edgar,
1983 bölüm 9). Sistemin prensibi, kömürün 74
mikron altına öğütülüp hava ile kazana taşınması
ve sıcak zonda asılı halde yanmasıdır.
Kazanın uygun dizaynı dolayısıyla kömür ka
rakteristiklerinden fazla etkilenmeyişi, yüksek ısı
açığa çıkarma, tam yanma ve düşük duman emis
yonu özellikleri sistemin kullanımını cazip hale ge
tirmiştir.
Şekil VĞe görüldüğü gibi pulverize kömür yak
ma üzerine dizayn edilmiş modern bir termik sant
ralde kömür kırma ve öğütme işlemleri sırasında
kurutulur.
Pulverize kömür kazanın merkezinde yanar ve
oluşan ısı (2700°F) süper ısıtıcılara hizmet eder,
sıcak gazlar kazanın daha ileri safhasında yerleşti
rilmiş olan buhar tüpleri arasından geçer ve bunları
ısıtır. Gazlar daha sonra kazana beslenen su ve ha-
Şekil 1. Bir termik santralın ana özellikleri
35
Şekil 2. Buhar Üretim Sistemi.
vayı ön ısıtmada kullanılır. Gazlar en sonunda kül
tutuculardan ve bazı ünitelerde sıcak gaz kükürt-
süzleştirme işleminden sonra atmosfere verilir.
Buhar üretim sistemi (Şekil 2) yakma işlemine
paralel olarak yürür. Yanmadan dolayı açığa çıkan
ısı birincil buhar üretimi ünitelerinde buhar oluş
masını sağlar. Buhar kazanında toplanan buhar, sü
per ısıtıcılara gönderilir ve önceki sıcaklığının çok
üstüne çıkarılarak yüksek basınç türbinine oradan
tekrar ısıtmaya ve düşük basınç türbinine daha son
ra yoğunlaştırıcılara gider. Yoğunlaştırılmış su, ba
sıncı yükseltilerek buhar üretimi için önce ekono-
mizer'a oradan kazan içi su tankına ve birincil ısıt
ma ünitelerine beslenir.
3.2.1. Pulverize Kömür Yakma Dizayn
Özellikleri
Sistem dizaynı ve operasyonu zaman, sıcaklık
ve türbülans prensiplerine dayanır. Yüksek sıcaklık
yanma zamanını kısaltmış ancak, kazan yapısına
zararlı olması ve NO
x
gazlarının oluşması olasılığı
ile sınırlandırılmıştır. Yüksek sıcaklık ve düşük ok
sijen seviyeleri de külün erimesine ve kazan içi sı
vanmalara neden olmaktadır. Türbülans, yüksek
reaksiyon hızlarının ve kömürün kazanı terketme-
den tam kullanımının sağlanması için önemlidir ve
hava/yakıt üfleyici uçlarında taşınma hızları 60-80
ft/sn arasındadır. Kömürün ve havanın kazan için
de kaldığı zaman yanma kapasitesini, kazan boyut
larını, maliyeti ve atılan küller içindeki karbon ora
nını etkiler. Genelde % 99,5 yanma randımanı sağ
lamak için kazanda kalış zamanı 2 saniye civarında
olmalı ve bunu sağlamak içinde en üst seviyedeki
üfleyici ile kazan çıkışı arası uzaklığı 45-60 feet ol
malıdır. Bu uzaklık kazan çıkış noktasında sıcaklı
ğın külün ergime sıcaklığı altında olmasını sağlar.
Sistemin dizaynı sırasında önemli olan diğer pa
rametreler alev stabilitesinin sağlanması için yakıt/
hava oranının seçilmesi, net ısı açığa çıkma hızı,
gazların hızı, korozyon, ısı transferinin gerçekleşti
ği ünitelerin yeri ve miktarı ve yardımcı ünitelerin
yerleşimidir.
Kazan şekilleri kullanılan üfleyici sistemlerine
ve kül alma şekline göre değişebilir.
36
Page 5
Şekil 3. Akışkan Yatak.
3.3. Akışkan Yatakta Yakma (FBC)
Şekil 3'de görülen bir akışkan yataklı kazanda,
yatak kömür, kül, kireçtaşı ve kumdan oluşmuş
tur. Ve kömür konsantrasyonu oldukça düşüktür.
Askıda yakma sistemine nazaran düşük sıcaklıklar
da (1400-1700°F) çalışır. Nedeni de ortaya çıkan
ısının % 60'ının yatak içindeki tüplere transferi do
layısıyla yüksek gaz sıcaklığın^ gerek olmamasıdır.
Yatakta açığa çıkan ısının % 35'i sıcak gazların su
ısıtıcı ünitelerde kullanılmasından sonra % 5'i gaz
larla atmosfere taşınır.
Sistemin avantajları;
a) Gerekli yüzeyin azalmasına karşın yüksek ısı
transferi,
b) Düşük kömür hazırlama maliyeti,
c) Yüksek ya da değişken kül içerikli kömürle
rin kullanılabilmesi,
d) Küçük kazan boyutlarıyla yüksek ısı üretim
hızı,
e) Düşük sıcaklıktan dolayı azaltılmış koroz-
yon, erozyon ve sıvanma,
f) NO gazlarının üretiminde azalma,
g) Temizlenmiş baca gazlarının gaz türbininden
geçirilme olasılığıdır.
Ancak, akışkan yatak prensipli üniteler her za
man dizayn hedeflerinin altında çalışırlar.
Bunun nedenleri;
a) Yükselen yakıt parçalarının yanmasına yet
meyen serbest yükseklik,
b) Yüksek orandaki küçük parçacıkların yanma
dan taşınması,
c) Eksik yanmaya sebep olan zayıf türbülans ve
yetersiz yatak yüksekliği.
3.3.1. Akışkan Yatakta Yakma Dizayn
özellikleri
Bu sistemde yakılan yakıt miktarı nedeniyle ka
pasite, kazana beslenen havaya doğrudan bağlıdır.
Verilen hava yakıtı hareketlendirmen fakat yatak
tan uzaklaştırmamalıdır. Küçük kömür, kül ve ki-'
reçtaşı parçacıkları gazlarla taşınmamalıdır. Sıcak
lık çok iyi ayarlanmalıdır. 1400°F'in altında ise
S0
2
gazlarını tutmak için kullanılan kireçtaşı etki
siz kalır ve
CaC0
3
+ S0
2
+ 1/2 0
2
-»"CaSC^ + C0
2
reaksiyonu yavaşlar, kömür hızlı yanmaz ve ısı
transferi yok olur. 1800-2000°F sıcaklıkta ise yu-
kardaki reaksiyon tersine döner.
37
Page 6
4. ÇEVRE KİRLENMESİ
Kömürün kullanımı sonucu atmosfere katılan
kirletici elemanlar, ince toz, kükürt oksitler, azot
oksitler, karbon dioksit, hidrokarbonlar ve aldehit
ler olarak özetlenebilir (Edgar, 1983 bölüm 10).
Bu elemanların°doğal dengeyi ve çevreyi etkilemesi
ise asit yağmuru ve atmosferdeki CO2 artışı gibi
iki noktada önem kazanmaktadır.
Asit yağmuru, pH 5,6'dan az olan yağmur ola
rak tanımlanmakta ve buna neden olarak da SO
ve NO
x
gazlarının H
2
S0
4
ve HNO3 oluşturması
gösterilmektedir. Her ne kadar bu gazların sülfat ve
nitrat trasformasyonu kesinlikle açıklanmamış olsa
da bir takım aç ıklamalar mevcuttur.
SO inS0
4
'e dönüşmesi iki tür reaksiyonla olur.
a) NO ve gündüz saatlerinde hidrokarbonların
foto-oksidasyonu sonucu oluşan kuvvetli oksitleyi
ci radikallerle gaz-fazı çarpışması sonucu S0
2
'nin
homojen oksidasyonu,
b) S0
2
'nin
i) Su damlaları içinde transition metalleri
tarafından katalitik oksidasyonu,
ii) Sıvı fazında ozon gibi kuvvetli oksitleyici
ler tarafından oksitlenmesi,
iii) Katı (bilhassa elemental karbon) parçala
rıyla çarpışmasında, sülfür dioksitin yüzey
katalitik oksitlenmesi.
NO 'in HNO3 (nitrik asit) dönüşümü de çok
karmaşıktır ve ozonun varlığında birbirini takip
eden çeşitli safhalardan sonra NO N0
3
'e dönüşür.
Sülfat ve nitrat parçacıkları üzerinde yoğunla
şan su buharı zamanla su damlacıklarını oluşturur.
Damlacık içinde eriyen sülfat ve nitratlar kimyasal
değişime maruz kalır ve damlaların yağmur olarak
yeryüzüne ulaşmasıyla asit yağmuru gerçekleşir.
Azot gazlarının zehirli olması, diğer kirleticiler ile
foto-kimyasal reaksiyonlara girerek oluşturduğu
bileşiklerin insan sağlığı ve doğayı olumsuz yönde
etkilemesi diğer bir çevre problemidir.
C0
2
güneşten gelen kısa dalga ışınların dünyaya
ulaşmasını engellemez fakat yeryüzünden yansıtı
lan kızılötesi ışınları absorbe ederek yeryüzüne ye
niden yansıtırlar. Böylece C0
2
artışı kızılötesi ışın
ların daha çoğunun geri dönmesi ve dünyanın ısın
ması demektir. C0
2
emisyonu böyie devam ederse
önümüzdeki yüzyıl içinde dünyadaki C0
2
miktarı
ikiye katlanacak ve sonuçta yüzey sıcaklığında
3° + 15
C
C artış kutuplara daha yakın olmak üzere
gerçekleşecektir (OECD, 1983).
