Termik santrallerde kullanılan kömürün kurutma tekniklerinin araştırılması
The investigation of coal drying techniques used in thermal power plants
Yazar: MEHMET MUSTAFA YATARKALKMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA BAHADIR ÖZDEMİR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Ekonomik ve sosyal kalkınmanın temelini oluşturan enerjinin arz güvenliği her geçen gün önemini artırırken, bu durum ülkeleri, enerji kaynaklarını etkin ve rasyonel bir şekilde kullanmaya itmektedir. Türkiye gibi yerli enerji kaynakları sınırlı olan ülkeler için enerjinin verimli şekilde kullanılması büyük önem arz etmektedir. Türkiye'de yerli enerji kaynaklarının çoğunluğunu düşük ısıl değere ve yüksek nem oranına sahip linyitler oluşturmaktadır. Termik santrallerde kullanılan bu linyitler nem oranı ve ısıl değerleri nedeniyle düşük verimliliklere neden olmaktadır. Bu yüzden de termik santrallerde kömürün kurutulması zorunluluk haline gelmektedir. Çalışma, kömürün ön kurutulması işleminin termik santral üzerine etkilerinin incelendiği teorik bir kısımdan ve teorik analizde kullanılacak kömür numunelerinin kurutma karakteristiklerinin ve özelliklerinin elde edildiği deneysel kısımdan oluşmaktadır. Çalışmanın deneysel kısmında, farklı başlangıç nem içeriğine sahip olan kömür numunelerinin analizleri yapıldıktan sonra kurutma işlemine tabi tutularak numunelerin kurutma eğrileri ve karakteristikleri elde edilmiştir. Daha sonra kurutulmuş kömürlerin analizleri tekrar gerçekleştirildikten sonra deney sonuçları teorik analizde kullanılmıştır. Teorik analiz kısmında baca gazının atık ısı kaynağı olarak kullanıldığı akışkan yataklı kurutucu, pnömatik kurutucu ve döner kurutuculardan oluşan ön kurutma sistemleri tasarlanmıştır. Referans santralde Afşin-Elbistan linyiti kullanıldığında ön kurutma yapılmadan verim %40,7 iken, akışkan yataklı ön kurutma sistemi kullanıldığında santral verimi %45,1'a yükselmektedir. Aynı şartlar altında pnömatik kurutuculu ön kurutma sistemi kullanıldığında verim %44,91'e, döner kurutuculardan oluşan sistemde %44,54'e yükselmektedir. Referans santralde Yatağan linyiti kullanıldığında ön kurutma yapılmadığında verim %41,25 iken, akışkan yataklı sistemde %44,77, pnömatik sistemde %44,66 ve döner kurutuculu sistemde %44,44 olmaktadır. Sistem tasarım sonuçların ekonomik analizleri yapılarak ön kurutma sistemlerinin amortisman süreleri hesaplanmıştır. Ekonomik analizde ön kurutma derecesi arttıkça sistemlerin amortisman sürelerinin kısaldığı sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca amortisman süresi linyit türünden ve başlangıç nemlerinden bağımsız olarak en kısa akışkan yataklı kurutuculu sisteme aittir, bunu pnömatik kurutuculu sistem ve döner kurutuculardan oluşan sistem takip etmektedir. Yapılan çalışmanın, ön kurutma sistemleri ile termik santrallerde enerji verimliliğinin iyileştirilmesi ilkelerini sunması açısından benzer alanda çalışma yapmak isteyen tasarımcılara yol göstereceği ve literatürdeki boşluğu dolduracağı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
While security of supply of energy that is the basis of economic and social development gains importance day by day, this situation forces countries to use their energy resources effectively and rationally. It is particularly important for the countries with limited domestic energy sources such as Turkey to use energy effectively. A great majority of domestic energy resources in Turkey consist of lignite with a low calorific value and high humidity. The lignite used in the thermal power plants causes low efficiency due to its humidity and calorific values. Therefore, it necessitates drying of coal in thermal power plants. This study is composed of a theoretical part investigating the effects of the pre-drying process of coal on the thermal power plant and an experimental part revealing the drying characteristics and properties of the coal samples to be used in its theoretical analysis. In the experimental part of the study, the drying curves and characteristics of the samples were obtained by being subjected to a drying process after analyzing the coal samples with different initial moisture content. In what follows, subsequent to a replication of the analyses of the dried coals, the test results were used in the theoretical analysis. In the part of the theoretical analysis, the pre-drying systems which consist of fluid bed dryer, pneumatic dryer and rotary dryers and in which flue gas was used as waste heat source were designed. For Afsin-Elbistan lignite, the efficiency of the reference power plant without a pre-drying system is 40.7% while the efficiency of the plant with a fluidized bed pre-drying system increases to 45.1%. Under the same conditions, the efficiency of the power plant with a pre-drying system of a pneumatic dryer is increased to 44.91% whereas the efficiency is 44.54% in the pre-drying system consisting of rotary dryers. For Yatagan lignite, the efficiency of the reference power plant without a pre-drying system is 41.25% whereas the efficiency is 44.77% in a fluidized bed pre-drying system, 44.66% in a pneumatic pre-drying system and 44.44% in a rotary dryer pre-drying system. The payback periods of the pre-drying systems were calculated by an economic analysis of the system design results. In the economic analysis, it was concluded that as the pre-drying degree increases, the payback periods of the systems decrease. In addition, while the shortest payback period belongs to a fluid bed dryer system regardless of the lignite type and initial humidity, a pneumatic dryer system and a rotary dryer system follow it respectively. This study concludes that it will guide those designers who want to conduct similar research to provide the principles of energy efficiency improvement in coal fired power plants with a pre-drying system and will fill the gap in the literature.