Yer altı kömür gazlaştırma prosesi: Denge modeli ve ekonomik analiz
Underground coal gasification process: Equilibrium model and economic analysis
Yazar: TUBA BUDAK
Danışman: PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Türkiye enerji ihtiyacını doğalgaz, petrol ve kömür gibi fosil yakıtlardan karşılamaktadır. Enerji ihtiyacının her geçen gün artması, doğal gaz ve petrol fiyatlarındaki artış Türkiye'nin alternatif kaynaklara yönelmesine neden olmaktadır. Bu kaynakların başında Türkiye'de ilk akla gelen kömürdür. Türkiye'nin diğer fosil yakıtlara kıyasla oldukça geniş (12,5 milyar ton) kömür rezervleri bulunmasına rağmen bu yatakların büyük bölümü düşük kalorifik değerli olup, klasik madencilik yöntemleri ile çıkarılması ekonomik değildir. Kömür yataklarının verimli bir şekilde kullanılabilmesi için en uygun yöntemlerden biri yer altı kömür gazlaştırmasıdır. 
Yer altı kömür gazlaştırma teknolojisi, jeolojik koşullar nedeniyle klasik madencilik yöntemleri ile çıkartılması zor olan ya da mümkün olmayan, düşük kalorifik değerli kömür yataklarında yapılan bir gazlaştırma prosesidir. Yer altı kömür gazlaştırma prosesi yer altındaki kömürün oksijen/ su buharı (hava, oksijence zenginleştirilmiş hava, oksijen/ su buharı) kullanılarak ürün gazına (sentez gazı) dönüştürülmesidir. Burada kömür yatağı bir kimyasal reaktör gibi hareket ederek kömürün bulunduğu yerde gazlaşmasını sağlamaktadır. Bu proseste kömür, su buharı ve oksijenin biraraya getirilmesi sonucunda içeriğinde 〖CH〗_4,〖 CO〗_2,H_2,H_2 O ve CO bulunan sentez gazı üretilmektedir. 
Yer altında kömürün gazlaştırılması sonucu üretilen sentez gazı kuyular vasıtasıyla kömür yatağından alınarak, son ürünü oluşturmak amacıyla kullanılır. Sentez gazı ile üretilen son ürünler, elektrik enerjisi, sıvı yakıtlar ve kimyasal maddelerdir. Yer altı kömür gazlaştırma teknolojisi, elektrik üretimi ya da sıvı yakıt üretimi amacıyla kullanıldığında kömürün kullanımından kaynaklı meydana gelen çevresel etkileri de azaltmaktadır. Ayrıca sentez gazından karbondioksitin ayrıştırılması, maliyet açısından fosil yakıtlarda uygulanan karbon yakalama teknolojilerinden daha etkilidir. 
Yer altı kömür gazlaştırma teknolojisinin klasik madencilik ve yüzey gazlaştırma proseslerine göre pek çok avantajları bulunmaktadır. Bu teknoloji, gazlaştırma reaktörü, kömürün taşınması ve depolanması gibi bir takım özel işlemlere gereksinim duymadığı için yatırım maliyeti de oldukça düşüktür. Ayrıca kömürün yer altında gazlaştırılmasında külün yerin altında kalması, klasik madenciliğe göre insan gücünün olmayışı ve gürültü kirliliğine neden olmaması gibi pek çok avantaj sayılabilmektedir. 
Bu tez kapsamında teknolojik, ekonomik ve çevresel kısıtlamalar dikkate alınarak yer altı kömür gazlaştırma ile birleşik gazlaştırma kombine çevrim santralinin Türkiye'de uygulanabilirliği değerlendirilmiştir. Birleşik gazlaştırma kombine çevrim santrali iki aşamalı prosesten oluşmaktadır. İlk olarak, temizlenen gaz elektrik üretimi için gaz türbinine beslenir, gaz türbininden çıkan atık gazdan buhar türbini için su buharı üretilir. 
Tezin ikinci bölümünde yer altı gazlaştırma teknolojisinin tarihi gelişimi ve birkaç ülkeden elde edilen tecrübeler özetlenmiştir. Bu bölüm yer altı kömür gazlaştırma uygulamaları için bölge seçimini de içermektedir. Bölge seçimi kapsamında, kömürün sınıfı, kompozisyonu, kömürün geçirgenliği, kömür yatağının kalınlığı, derinliği ve eğimi dikkate alınmıştır. 
Yer altı gazlaştırma teknolojisindeki en önemli husus sondaj işlemidir. Sondaj işlemindeki ilk adım enjeksiyon ve ürün kuyularının açılmasıdır. Gazın yatak içerisinde kolayca ilerleyebilmesi için kuyular arasındaki bağlantıların kurulması gerekmektedir. İki adet sondaj tekniği bulunmaktadır. Bu tekniklerden ilki bağlantılı düşey kuyular (ELW) diğeri ise kontrollü olarak hareket ettirilen ateşleme noktası (CRIP) tekniğidir. Tez kapsamında CRIP tekniği kullanılarak ekonomik analiz yapılmıştır.  
Üçüncü bölümde yer altı kömür gazlaştırma teknolojisinin kullanılması için     Tekirdağ-Malkara-Pirinççeşme kömür yatağında bir çalışma yapılmıştır. Kütle dengesi ve termodinamik denge eşitlikleri kullanılarak, bölgede üretilecek sentez gazının bileşenleri ve ısıl değeri hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar için denge modeli kullanılmıştır. 
Kütle dengesi ve kimyasal reaksiyon  denge eşitlikleri oluşturularak, bu eşitlikler için MATLAB ortamında bir algoritma yazılmıştır. Basınç, zenginleştirilmiş oksijen oranı ve su buharı/hava oranı gibi proses parametreleri değiştirilerek, algoritma çözülmüştür. Algoritma sonuçlarına göre, yüksek basınç altında  〖CH〗_4  ve H_2 konsantrasyonları arttığı için sentez gazının ısıl değerinde de bir artış gerçekleşmiştir. Böylece basıncın gazlaştırma prosesi üzerinde pozitif bir etkisinin olduğu tespit edilmiştir. 
Gazlaştırma ajanı olarak sadece hava kullanıldığında ise düşük ısıl değerli sentez gazı elde edilmiştir. Bu nedenle yüksek ısıl değerli sentez gazı üretmek için saf oksijen ya da saf oksijen ve su buharı karışımı kullanılmalıdır. 
Ayrıca bu bölümde nem ve sabit karbon içeriği farklı olan üç bölgenin (Tekirdağ-Malkara-Pirinççeşme, Manisa-Soma-Eynez ve Kütahya-Seyitömer-İsaköy) kömürlerinin de analizi yapılarak sentez gazı bileşimleri ve ısıl değerleri karşılaştırılmıştır. Yüksek nem içerikli kömürün gazlaştırılması ile düşük ısıl değerli fakat H_2 konsantrasyonu yüksek bir sentez gazı elde edilmiştir. Sabit karbon içeriği fazla olan kömür gazlaştırıldığında ise sentez gazının ısıl değerinin arttığı gözlenmiştir. 
Dördüncü bölümde, Chemcad aracılığıyla 100 MW elektrik üreten bir IGCC sistem tasarlanmıştır. IGCC sistem iki aşamadan oluşur, ilk aşamada sentez gazı soğutularak, iki adet absorbsiyon kolonunda temizlenir. H_2 S  ve 〖CO〗_2'in ayrıştırılması için monoetanolamin (MEA) çözelitisi kullanılır. Temizlenen gaz yanma odasına gönderilerek burada 10 atm basınç altında yüksek sıcaklıkta yanma reaksiyonu tamamlanarak gaz türbinine beslenir. Gaz türbininde elektrik üretimi sonucu çıkan atık gaz, su buharı üretimi için ısı değiştiriciye beslenir. Su buharı buhar türbininde kullanılarak elektrik enerjisi üretilir. 
100 MW'lık güç için ihtiyaç duyulan sentez gazı miktarı belirlendikten sonra  sondaj, gaz temizleme ve diğer maliyetleri de içeren yer altı kömür gazlaştırma maliyeti MATLAB programında yazılan bir algoritma ile hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar, farklı proses koşullarındaTekirdağ-Malkara-Pirinççeşme, Kütahya-Seyitömer-Isaköy ve Manisa-Soma-Eynez kömür yatakları için de yapılmıştır.  
Tekirdağ-Malkara-Pirinççeşme bölgesinde saf oksijen ortamında ve su buharı/ hava oranı 0,2 olacak şekilde tasarlanan proses koşulunda yapılan analize göre                    3744,12 kcal/ m^3 ısıl değere sahip sentez gazı üretilmiştir. Bu gazın birim ısıl değerinin maliyeti ise 0,047 $/Mcal olarak hesaplanmıştır. Doğal gazın fiyatı yaklaşık olarak 0,05 $/Mcal 'dir. 
Bu tez çalışmasında kullanılan denge modeli, Tekirdağ-Malkara-Pirinççeşme kömür yatağından çıkarılan temizlenmiş sentez gazının maliyet açısından doğal gaz ile rekabet edebilecek seviyede olduğunu kanıtlamıştır. Yer altı kömür gazlaştırma prosesinin Türkiye'de uygulanabilirliğinin kanıtlanması açısından bu çalışma kapsamında yapılan analizlerin deneyler ve saha testleri ile doğruluğunun tespit edilmesi gerekmektedir.

Abstract:
Energy demand of Turkey has been met by natural gas, oil and coal. Continuously increasing of energy needs, oil and natural gas price leads Turkey to alternative energy supplies. Among these alternative sources of energy, the coal comes to mind. Although Turkey has relatively large reserves of coal (12,5 billion tonnes) compared to the other fossil fuels, these coal reserves have low heating value therefore they are not economically minable by conventional mining techniques. In order to use the current coal reserves efficiently, one of the most suitable techniques is underground coal gasification. 
UCG is a gasification process carried on low calorific value, non mined or no minable coal seams due to the geological conditions. UCG process converts coal in situ into product gas (syngas) by using oxygen/ steam mixture (air, enriched air, oxygen/vapor). Here the coal beds react as a chemical reactor, thus gasification process is maintained underground rather than conventional gasification methods. In this process; coal, steam and oxygen are brought together and it has been resulted in synthesis gas included  〖CH〗_4,〖CO〗_2,H_2,H_2 O and CO. 
The product gas is occured by in-situ coal gasification  is extracted through wells and used as feedstocks to produce end-use products. Potantial end-use products include power generation, liquid fuels, and chemical feedstocks. UCG has potantial  to greatly increase  the availability of otherwise unusable coal resources. When utilized for power generation or liquid fuels, UCG can reduce the environmental impacts of utilizing coal. In addition removing carbon dioxide from syngas can be more cost effective than carbon capture  for other fossil fuel technologies.
UCG offers many advantages over the conventional mining and gasification process.  UCG also reduces the capital investment by eliminating the necessity for specialized coal processing (transport and stock) and gasification reactor. UCG has other advantages such as increased work safety, no surface disposal of ash, low dust and, noise pollution.
This thesis assesses  the viability of  UCG-IGCC in Turkey, taking into account technological, economic, environmental constraints. The analysis  provided  in this thesis considers power generation as the primary end-use for UCG. IGCC systems use a two-step process to more effectively convert the energy of the feedstock into power. This is accomplished by recycling heat from a combustion turbine to increase the efficiency of the electrical generating unit. Initially, purified syngas feeds a gas combustion turbine which produces electricity. The system uses the exhaust heat from the gas turbine to produce steam for a steam turbine. 
In the second chapter, historical overview of UCG technology and some experiences gained from several countries have been summarized. It considers coal site selection for UCG applications. As part of coal selection, coal rank, coal composition, coal porosity and permeability, coal seam thickness, seam depth and angle. 
The most important issue of  UCG technology is drilling. The first step in drilling involves the creation of injection and production wells. The connections between the injection and production wells may be required. There is used two methods as a drilling techniques. The one of the these methods is Extended Linked Wells (ELW), and the other method is Continuous Retraction Injection Point (CRIP). Within the scope of this thesis, CRIP method has been used and economic analysis has been made for CRIP.  
In the third chapter, Tekirdağ-Malkara-Pirinççeşme region is selected for UCG study. The selected region is studied if coal reserves in this region can be utilized by the underground coal gasification technology. For the region, the gas compositions and heating values of syngas produced by the plants established in the region is calculated by using the mass balance and thermodynamic equilibrium equations. Equilibrium model has been performed to estimate the synthesis gas compositions and heating value. 
An algorithm that includes the mass balance and chemical reaction (water-gas shift and metanation reactions) equilibrium equations is prepared and this algorithm is formulated by using MATLAB software. This algoritm is solved by using different process parameters such as pressure, enriched oxygen ratio in air and water/air ratio. Regarding the results of algoritm, 〖CH〗_4  and H_2 concentrations increase in the highest pressure condition and also syngas heating value increases. The pressure positively impacts the performance of coal gasification.    
When only air as a gasifying agent is used, a syngas with low heating value is obtained. Therefore the pure oxygen or a combination of steam and pure oxygen is used to ensure syngas with high heating value. 
Besides, in this chapter three regions (Tekirdağ-Malkara-Pirinççeşme, Manisa-Soma-Eynez ve Kütahya-Seyitömer-İsaköy) with different moisture and fixed carbon content is compared according to syngas composition and heating value. When the coal seam with higher moisture is gasified, syngas with higher H_2 content is produced but heating value is lower than the others because of the high moisture. The syngas calorific value is higher by gasifying the coal seam with higher fxed carbon content.
In the forth chapter, IGCC system produces 100 Mwe, which is simulated means of Chemcad. IGCC system consists of two step, in the first step syngas is cooled and then cleaned with two absorption columns. Monoethanolamine (MEA) is used to remove H_2 S  and 〖CO〗_2 from the syngas. The cleaned gas is fed to combustion chamber in which syngas is burned and is increased the temperature at 10 atm then the gas is fed to gas turbine to produce electricity. The exhaust gas is lead to heat exchanger to save the heat of exhaust gas and then the electricity is produced in the steam turbine. 
After the requested amount of the syngas is determined to produce 100 Mwe, UCG cost which includes drilling, gas clean-up and the other costs, is calculated by using an algoritm in MATLAB program.  This calculation is performed for different process parameters and coal seams. Kütahya-Seyitömer-Isaköy and Manisa-Soma-Eynez coal seams are evaluated in this study.   
Regarding to economic analysis is used in Tekirdağ-Malkara-Pirinççeşme region, when process conditions with 1 atm pressure, pure oxygen and steam/oxygen ratio with 0,2, heating value with 3744,12 kcal/m^3 is obtained. The production cost of gases per heating value is estimated to be 0,047 $/Mcal. The natural gas price is almost 0,05 $/Mcal. 
The equilibrium model used in this thesis has proved gas price of the cleaned synthesis obtained from Tekirdağ-Malkara-Pirinççeşme can compete with natural gas price. In order to prove the feasibilty of UCG for coal reserves in Turkey, analysis performed in this study needs to be validated with experiments and also field tests.