Erzurum (Oltu) Umutbaca kömürünün katalitik pirolizinin termal analiz yöntemi ile incelenmesi
Investigation of the catalytic pyrolysis of Erzurum (Oltu) Umutbaca coal by thermal analysis methods
Yazar: ELVAN KÜÇÜK
Danışman: DOÇ. DR. JALE NAKTİYOK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Ülkemizin yerli linyit kaynaklarını temiz kömür teknolojilerini (gazlaştırma, sıvılaştırma, piroliz, verimli yanma vb.) kullanarak potansiyellerini belirlenmesi ve özellikle kömür proselerin temelini oluşturan pirolizin ayrıntılı olarak araştırılması ve incelenmesi gerekmektedir. Piroliz işleminde yüksek sıcaklıklarda düşük karbon dönüşümü ve istenmeyen ürünler de elde edilebilmektedir. Bu durumun önüne geçebilmek için katalitik piroliz işlemi yaygınlaşmaktadır. Bu amaçla çalışmamızda Erzurum (Oltu) Umutbaca kömürünün katalitik pirolizinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bunun için katalitik etkisi olacağını düşündüğümüz Na2O ve CaO kömüre ilave edilmiştir. Piroliz boyunca oluşan gaz ürünler ve karbonlaşmış katının (char) yapısal özellikleri araştırılmıştır.
Yöntem: Ham kömür ve farklı oranlarda (%1, 2.5, 5) Na2O/CaO ilave edilmiş olan kömür örnekleri termal analiz cihazında 10°C/dak'lık ısıtma hızında azot atmosferinde piroliz edilmiştir. Bozunma boyunca açığa çıkan gazların analizleri TG-FTIR cihazında yapılmıştır. Karbonlaşmış katının (char) analizleri ise FTIR, SEM ve BET cihazlarında gerçekleştirilmiştir.   
Bulgular: Umutbaca kömürü daha yüksek sıcaklıklarda yanabilen linyit kömürüdür. Piroliz sonucunda 800°C'de elde edilen charın gözenekliliği başlangıçtaki kömürün yüzey alanına göre yaklaşık olarak 100 kat artmış ve daha da çok aromatik yapıların yoğunlaştığı karbonlaşmış bir katı haline dönüşmüştür. Na2O ve CaO ilavesi ham kömürün yapısına yakın bir gözeneklilik kazandırmıştır.  %1, 2.5 Na2O ve CaO ilavesinde pirolitik davranışın ham kömürün davranışı ile aynı olduğu görülmektedir. Ancak %5 Na2O ve CaO katkılı  Umutbaca kömürünün TG-DTG profilindeki sıcaklık değerlerini düşürmüştür. Tüm örneklerin pirolizinde TG-DTG grafikleri iki bölgeye ayrılmaktadır. Birinci bölge kömürdeki su kaybını gösterirken ikinci bölge ana piroliz bölgesidir. Ana piroliz bölgesi için gerekli aktivasyon enerjileri TG-DTG verilerinden faydalanarak Ortega ve KAS metoduna göre hesaplanmıştır. Tüm örneklerde yürütücü mekanizma ise F2:(1-α)-1-1 yani 2. dereden kimyasal reaksiyondur. Ham kömürün pirolizi için 70.67 kJ/mol aktivasyon enerjisi gerekli iken %5 Na2O'te 62.81 kJ/mol, %5 CaO' te ise 60.84 kJ/mol'e düşmüştür.   
Sonuç: % 5 Na2O ve % 5 CaO oranındaki ilaveleri kömrürn pirolitik davranışını oldukça değiştirmiştir. Daha düşük aktivasyon enerjisi ile daha düşük sıcaklıklarda yüksek dönüşümler elde edilmiştir. Üstelik 800°C sonunda oldukça gözenekli charlar elde edilmiştir. Bununla beraber Umutbaca kömüründe gaz ürünlerden metan gazı üretimini artırmış, sera gazı etkisiyle bilinen CO2 gazı üretimini de azaltmıştır. Umutbaca kömürünün gazlaştırmasında %5 CaO ve Na2O ile beraber olumlu sonuçların elde edilmesinin yanında oldukça gözenekli karbonlaşmış bir katı olarak değerlendirilmesinin daha uygun olacağı çalışmamızda görülmüştür,

Abstract:
It is necessary to determine the potential of our country's domestic lignite resources by using clean coal technologies (gasification, liquefaction, pyrolysis, efficient combustion, etc.). In particular, the pyrolysis process, which forms the basis of coal gasification and liquefaction, needs to be investigated and examined in detail. In the pyrolysis process, undesirable products can be obtained with low carbon conversion and low efficiency. In order to prevent this situation, the catalytic pyrolysis process is becoming widespread. For this purpose, our study aimed to investigate the catalytic pyrolysis of Erzurum (Oltu) Umutbaca coal. For this, Na2O and CaO, which we think will have a catalytic effect, were added to the coal. The gas products formed during the pyrolysis and the structural properties of the carbonized solid (char) were investigated.
Method: Raw coal and coal samples to which Na2O/CaO was added at different rates (1, 2.5, 5%) were pyrolyzed in a thermal analyzer at a heating rate of 10°C/min in nitrogen atmosphere. The analyzes of the gases released during the decomposition were made in the TG-FTIR device. The carbonized solid (char) were carried out in FTIR, SEM and BET devices.
Findings: Umutbaca coal is lignite coal that can burn at higher temperatures. The porosity of the char pyrolyzed at 800°C increased 100 times, compared to the surface area of the original coal and turned into a carbonized solid with more aromatic structures. The addition of Na2O and CaO gave a porosity close to the structure of the raw coal. In addition of 1, 2.5% Na2O and CaO, it is seen that the pyrolytic behaviour is the same as the behaviour of raw coal. However, 5% Na2O and CaO added to coal decreased the temperature values in the TG-DTG profile of Umutbaca coal. In the pyrolysis of all samples, the TG-DTG graphs are divided into two regions. The first region shows the water loss in the coal, while the second region is the main pyrolysis region. The activation energies required for the main pyrolysis zone were calculated using the TG-DTG data according to the Ortega and KAS method. In all examples, the driving mechanism is F2:(1-α)-1-1, that is, a second-order chemical reaction. While 70.67 kJ/mol activation energy was required for the pyrolysis of raw coal, it decreased to 62.81 kJ/mol in 5% Na2O and 60.84 kJ/mol in 5% CaO.
Results: It is seen that the pyrolysis behaviour of Na2O and CaO added coals occurs with higher conversion at lower temperatures, especially in samples with 5% CaO. In other words, char production can be realized with high efficiency at lower temperatures. However, gas product yield of Umutbaca coal is quite low compared to solid product yield. As a result of our study, it has been understood that it would be appropriate to evaluate our regional coal, Umutbaca coal, as a porous carbonized solid instead of the gasification process.