Yarı pilot ölçek yer altı kömür gazlaştırma deney düzeneğinde Malkara Pirinççeşme kömür sahasına ait blok kömür örneklerinin gazlaştırılması
Gasification of coal block samples of Princcesme-Malkara region in semi-pilot scale ucg testing apparatus
Yazar: İREM TUNÇ
Danışman: PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Son yıllarda artan enerji ihtiyacı, petrol ve doğalgaz kaynaklarının sınırlı olması, ayrıca petrol piyasasındaki belirsizlikler gerek ülkemizde gerekse dünyada kömürün enerji üretimindeki önemini arttırmaktadır. Özellikle ülkemiz açısından ele alınacak olursa birincil enerji tüketimimizdeki artışı karşılamak adına kömürün enerji üretimindeki payının arttırılması gerekmektedir. Kömür kaynaklarının sadece %15'i geleneksel madencilik yöntemi ile çıkartılabilmektedir. Bununla birlikte geleneksel madenciliğin tehlikeli, zahmetli ve maliyetli olması kömürün yerinde gazlaştırılmasını gerekli kılmaktadır. Kömürün yerinde gazlaştırılması yeraltı kömür gazlaştırma işlemi olarak adlandırılmaktadır. Yeraltı kömür gazlaştırma prosesi düşük ısıl değerlikli ve klasik madencilik ile değerlendirilemeyen kömürlerden yararlanmayı sağlamaktadır. Bu yöntemde jeolojik koşullar nedeniyle çıkarılamayan kömürler, kömür yatağında enjeksiyon ve üretim kuyusu olmak üzere iki sondaj kuyusu açılarak, enjeksiyon kuyusundan kömürün gazlaşmasını sağlayan gazlar (hava, oksijence zenginleştirilmiş hava, oksijen, su buharı) gönderilerek yerin altında yapay gaz (syngaz) oluşmakta ve bu gaz üretim kuyusuyla yüzeye ulaşmaktadır. Elde edilen yapay gazın ana bileşenlerini karbonmonoksit (CO), karbon dioksit (CO2), hidrojen (H2), metan (CH4) ve su buharı (H2O) oluşturmaktadır. YKG prosesinde kömür yatağı reaktör görevi görürken, kömür yatağı etrafında bulunan yeraltı suları prosesteki su ihtiyacını karşılamaktadır. YKG prosesinin klasik madenciliğin yanında yüzey gazlaştırma işlemine göre de pek çok üstünlüğü bulunmaktadır. Özellikle yüzey gazlaştırıcısı kullanılmaması, kömür taşınım ve depolama giderlerinin bulunmaması, sermaye maliyetini çok ciddi ölçüde düşürmektedir. Oluşan kül ve katranın yerin altında kalması ise çevre kirliliği açısından fayda sağlamaktır. Ayrıca günümüzün en büyük sorunu olan sera gazı salınımını azalttığı için temiz kömür teknolojilerinin bir parçası olarak kabul edilmektedir. Bunun yanı sıra karbondioksitin depolanmasında da YKG prosesindeki kuyuların ve kömürün gazlaşması sonucu oluşan oyukların kullanılması, karbondioksit tutma ve depolama (CCS) tekniğinde YKG prosesini yeni ve ucuz bir yöntem olarak karşımıza sunmaktadır.
Ticari açıdan ilk olarak 1930'lu yıllarda Eski Sovyetler birliğinde ele alınan YKG prosesi ileriki yıllarda başta Amerika, Avusturalya, Kanada, Güney Afrika, İngiltere ve Çin olmak üzere pek çok ülkede bu konuyla ilgili saha testleri gerçekleştirilmiştir. Ülkemiz açısından da düşük ısıl değerli kömür rezervlerimizin değerlendirilmesi için YKG prosesinin ticari ölçekli işletmelerde uygulanmasının enerji açığımızın kapanmasına katkı sağlayacağı öngörülmektedir. Fakat ticari ölçekli denemelere geçilmeden önce başarılı laboratuvar ve saha denemeleri yapılmalıdır. Bu denemelerle elde edilen bilgiler sonucu YKG prosesi için optimum koşulların sağlanması mümkün olacaktır. Bu nedenle bu tez çalışmasında ülkemizde YKG prosesine uygun kömür yatakları belirlenmiş ve bu yataklardan Malkara Pirinççeşme Köyü 3 nolu damarına ait kömür blokları temin edilerek bu kömürlerden TÜBİTAK 1003 Projesi kapsamında İTÜ Makine Fakültesi Yanma laboratuvarına kurulan bir deney sisteminde yapay gaz elde edilmesi amaçlanmıştır. Laboratuvar simülasyonun başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için öncelikle prosesin ilerleyişinin tam olarak anlaşılması gerekmektedir. Bu nedenle tezin 2. Bölümünde YKG prosesi ayrıntılı olarak incelenmiş, yeraltı kömür gazlaştırma prosesininin uygulandığı saha testlerinden ve önemli ticari ölçekli uygulamalardan bahsedilmiş ve proses ekonomisiyle ilgili çalışmalar ele alınmıştır.  
Tezin üçüncü bölümünde Türk linyit yataklarının yeraltı kömür gazlaştırma prosesine uygulanabilirliği araştırılmış ve bu tekniğin uygun olabileceği düşünülen kömür sahaları belirlenmiştir. Bu sahaların belirlenmesinde kömürün fiziksel ve jeolojik özellikleri ile yeraltı gazlaştırma prosesinin yapılacağı bölgenin özellikleri ve sahanın rezerv durumu dikkate alınmıştır. Yeraltı kömür gazlaştırma prosesine uygun bulunan sahalardan Trakya Malkara bölgesinde yer alan ve projemize destek veren Uysal Madencilik şirketine ait Malkara Pirinççeşme sahası seçilmiştir. Bu bölümde ayrıca Uysal Madencilik Şirketi açık ocak işletmesinin çalıştığı 3 nolu damarın özellikleri yer almaktadır. 
Tezin dördüncü bölümünde Uysal Madencilik şirketinden temin edilen kömürlerin özellikleri yeraltı kömür gazlaştırma prosesi açısından büyük önem taşıdığı için, kömürün kısa, elementel ve ısıl değer analizleri, kül ergime analizleri ve kükürt türleri tayini TÜBİTAK-MAM Yakıt Teknolojileri Bölümü'nde yapılmıştır. Kömür analizlerinin ardından yeraltı gazlaştırma deneylerinin yapılacağı deney düzeneği ve deneyin yapılışından bahsedilmiştir. Deneylere başlamadan önce hazırlık aşaması bulunmaktadır. Deneyler esnasında farklı çalışma koşulları uygulamak adına hava ve oksijen farklı debilerde ve farklı sürelerde verilmiş ve bu uygulamanın deneye etkisi incelenmiştir. Yapılan deneylerde sıcaklıklar 1000 oC'nin üzerine çıkmış, yanabilir gaz elde edilmiştir. Edilen bu gazın içeriğinin yaklaşık %37'sini CO, %26'sını H2 ve %3,5'ini CH4 oluştururken, gazın ısıl değeri ise ortalama 9 MJ/m3'tür. Bu değerler literatürden elde edilen bilgilerle kıyaslandığında, benzer çalışma koşullarında gerçekleştirilen laboratuar ve saha testlerinin sonuçlarından daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
The significance of  coal in energy generation are becoming highly essential due to the fact that the energy demand in the world is increasing drastically and as proven statistically oil and natural gas reserves are depleted considerably. Coal is so abundant source for energy that it is expected to play an increasingly important role in energy generation in both Turkey and the rest of World.  Especially, the energy generation share of coal must be increased significantly in order to be able to meet the primary energy consumption in Turkey. 
Mining is the most conventional method of extracting coal, however it has been estimated that only 15% of the total coal resources can be converted into the energy generation in this manner. In addition to this, as conventional mining operations requiring more time, personnel and more expenses,   gasification of coal in-situ, becomes more necessary. Hence, in-situ coal gasification is called as Underground Coal Gasification (UCG). UCG has been presented as an alternative technology making use of coal reserves cleanly and efficiently. Underground Coal Gasification is the process of in situ conversion of coal deposits to combustible gaseous products which subsequently can be used to produce heat, power or as a feedstock for chemical products such as hydrogen, methanol or synthetic natural gas. UCG could increase the coal resource available for utilization enormously by gasifying otherwise unmineable deep or thin coals under many different geological settings. In the UCG process coal reacts in situ with gasification agents (such as oxygen, air, steam or their mixture) and synthesis gas is produced. The synthesis gas consists of mainly hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane and nitrogen. 
UCG has got numerous advantages comparing to conventional mining as well as surface coal gasification, which is the other alternative method of gasification of coal, from economic, environmental, health and safety aspects. From economical point of view, the capital expenses of UCG plants would be reduced substantially comparing to the equivalent plant fed by surface gasifiers since there is no need to use gasifiers. In addition to that, the operation expenses are likely to be much lower because of the lack of coal mining, the absence of the coal transportation and storage expenditure and significantly reduced ash management facilities. Taking environmental aspects into account, UCG has no surface disposal of ash and coal tailings, has lower dust and water consumption, larger coal reserves exploitation as well as lower volatile organic components. In addition, It's claimed as a part of clean coal technology that It considerably decreases greenhouse gas effects. Besides this, using injection and production wells and cavities as a carbon dioxide storage reveal new and cost-effective method at carbon dioxide capture and storage activites. Third of all, the major motivational aspect of UCG involves increased worker health and safety by using UCG equipment and devices instead of sending coal worker to the  mine. Comparing to conventional mining techniques, UCG considerably reduces occupational accidents and deaths leading to reveal more safe working conditions. 
The theoretical and experimental studies on the in situ techniques of coal gasification had been started by former Soviet Union in 1930s. On the following years, the number of other countries such as the United States, Australia, Canada, South Africa, The United Kingdom and China has carried out relevant studies taking oil and natural gas prices into consideration. Over the last few years, the number of activities throughout the world focusing on UCG has rapidly increased. It is highly foreseen that in order to resolve the lack of energy in Turkey, low calorific value lignite resource should be evaluated by the energy companies which are implementing the UCG method as the primary method of energy generation from coal. Before running the commercial scale UCG plants, related field and laboratory tests must be carried out successfully. With the aid of outcomes from succesfull tests, best operation condition for UCG process can be found out. 
Therefore, the main motivation of the project is to implement UCG technique to Turkish Lignites, make some assessments and acquire outcomes whether it is viable or not. Within the scope of project so called TUBITAK 1003, coal blocks taken from the third seam of Pirinccesme/Malkara/Tekirdag has been analysed in such a way that a system, which UCG experiments can be carried out, has been designed in ITU Mechanical Faculty Combustion Laboratory. In order to carry out the simulation successfully, the progression of the process must be well understood. Hence, in chapter 2, UCG processes has been discussed in detail. In this chapter, chemical processes, the historical development and, advantage and disadvantage of UCG, linkage methods prefferably LVW and CRIP methods, the field tests as well as commercial scale applications. This chapter also reviews studies about economics of underground coal gasification, the chemical characterization of  coal seam and the most convenient geological condition for UCG process to be carried out. The Process variables of UCG has been summerized including gasification agent, temperature and pressure effects, cavity growth as well as heat loss.
Chapter 3 undertakes clearly the assessment of the viability of the Turkish Lignites with respect to UCG technique leading to determine precisely the most eligible coal regions. In order to be able to decide the most convenient coal regions, physical and geological characterization of the coal, the accessibility and transportation facilities of the coal region and the reserve limitation of the coal region have been taken into seriously consideration. Having done the previous studies, Princcesme/Malkara site which is owned by one of the private company namely Uysal Mining Co. has been chosen. Uysal Mining Co. located in Princcesme/Malkara has admitted to support this project due to the suitability of UCG technique within other coal sites. This chapter also explains in detail the fundamental characterization of the third seam in Princcesme/Malkara lignite site which is managed by Uysal Mining Co. 
In chapter 4th of the thesis, the ultimate analysis, proximate analysis and calorific value analysis of the coal, ash melting analysis and sulphure types has been analysed in TUBITAK-MAM due to the highly significance to UCG technique. After analysing the characterization of the coal, in the last part of the fourth chapter of the thesis consists of the design of the testing apparatus where UCG experiments take place and experimental procedures of UCG runs. Before starting up the experiments, there is a preparation step which must be performed. During the experiments, various flow rates of air and oxygen has been injected in different time of run in order to find out the best operation condition. Also, the effect of this implementation has been analysed. The results of the experiment have been figured out that temperatures in reactor exceed 1000 oC and syngas has been obtained. The approximate CO, H2 and CH4 contents in syngas were 37vol.%, 26vol.% and 3,5vol%  respectively and the calorific value was 9 MJ/m3.
The results of experiment performed in the laboratory comparing with the results of relevant field and laboratory tests show us more proper results.