Termik santral küllerinin iz element içeriklerinin araştırılması
Investigation of trace elements content of thermal power plant ashes
Yazar: NARANBAATAR ENKHTAIVAN
Danışman: DOÇ. DR. İLGİN KURŞUN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Kömür külü = Coal ash ; Termik santraller = Thermal power plants ; İz elementler =

Özet:
İnsanoğlunun yaşamını refah içerisinde sürdürmek istemesi sosyal ve teknolojik gelişimi beraberinde getirmiştir. Sosyal ve teknolojik açıdan gelişmişliğin tüketilen enerji miktarıyla doğru orantılı olduğu gözükmektedir. Dünya nüfusunun hızlı artışı tüketilecek enerjinin de artması anlamına gelmektedir. Özellikle Türkiye?de dünya ortalamasının üzerinde bir nüfus artışı olması her geçen gün enerjiye olan ihtiyacın daha da artacağını göstermektedir. Günümüzde kömür en önemli enerji kaynaklarından biridir. Türkiye?de enerji ihtiyacını karşılamak üzere kurulan büyük kapasiteli kömür yakan termik santrallerde, düşük kalorili, kül oranı yüksek linyitler kullanılmaktadır. Kömürün yanması sonucunda uçucu kül, cüruf ve baca gazı gibi atıklar oluşur. Türkiye'de bir yılda yaklaşık 45 milyon ton kömür yakılmakta ve ortalama 20 milyon ton uçucu kül üretilmektedir. Büyük miktardaki bu küller toplum ve çevre açısından büyük sorun teşkil etmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında, Dünya ve Türkiye?deki kömür yakan termik santraller ve bu santrallerden çıkan küllerin özellikleri üzerinde önce ayrıntılı literatür çalışması yapılmıştır. Sonraki aşamada ise Türkiye?de çalışmakta olan iki termik santral seçilerek bu santrallerden kül numuneleri alınmıştır. Alınan numuneler üzerinde bir dizi karakterizasyon, cevher hazırlama ve zenginleştirme deneyleri ve son olarak liç deneyleri gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında tane boyut analizi, nem analizi, yoğunluk tayini, pH profili ölçümleri, zeta potansiyeli ölçümleri, kimyasal analizler, mineralojik analizler ve iz element içeriği analizleri gerçekleştirilmiştir. Cevher hazırlama ve zenginleştirme çalışmaları kapsamında ise laboratuvar ölçekli kimyasal çözündürme deneyleri yapılmıştır. Kimyasal ve mineralojik çalışmaların ışığında, küllerin iz element içerikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Küllerin değerlendirilebilmesi için sülfürik (H2SO4), hidroklorik (HCl) ve asetik (CH3COOH) asit ile liçi incelenmiş ve en uygun liç parametreleri araştırılarak küller içindeki uranyum ve toryum metallerinin kazanım imkanları irdelenmiştir.
Uçucu küllerinin mineralojik yapılarının ortaya konulabilmesi amacıyla XRD analizleri gerçekleştirilmiştir. XRD analizleri sonucunda Yatağan Termik Santrali uçucu kül numunesinin yüksek oranda kuvars-SiO2 ve nispeten daha düşük miktarlarda albit-Na(AlSi3O8) ve kalsit CaCO3 minerallerini içerdiği, Soma Termik Santrali uçucu kül numunelerinin ise kireç, kuvars-SiO2, albit-Na(AlSi3O8), kalsit CaCO3 , klorit, serpantin, pirit, montmorillonit minerallerini içerdiği belirlenmiştir. Uçucu küllerdeki silisin bir kısmı kuvars kristalleri halinde, diğer bir kısmı ise alüminyumla birleşerek mullite (2SiO2, 3Al2O3) dönüşmüş halde, geri kalanın ise camsı yapıda olduğu belirlenmiştir. Demir ise kısmen manyetit (Fe2O4) ve hematit (Fe2O3) geri kalanın da camsı yapıda olduğu saptanmıştır. Mineralojik incelemeler ışığında Soma TS külünde uranyumun uraninit (UO2), toryumun ise torit (Th(SiO4)) formunda olduğu, Yatağan TS külünde ise uranyumun uraninit (UO2), toryumun ise monazit ((Ce, La, Nd, Th)[PO4]) ve torit (Th(SiO4)) formunda olduğu düşünülmektedir.
Termik santral uçucu kül numunlerinin kimyasal içeriklerinin belirlenmesi amacıyla ICP yöntemiyle komple kimyasal analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda her iki kül numunesinin majör oksit ve iz element içerikleri ortaya konmuştur. Her iki numunenin de V, Zr, Sr, U, Th ve Ba içeriklerinin yüksek olduğu görülmüştür. 
ASTM C618 standardına göre Yatağan termik santral uçucu kül numunesi;  SiO2 , Al2O3 ve Fe2O3 içerikleri toplamının % 72.38 oluşu ile F uçucu kül sınıfında, Soma termik santral uçucu kül numunesi ise SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 içerikleri toplamının % 64.54 oluşu ile C uçucu kül sınıfında yer aldığı görülmüştür.  Aynı zamanda bu küller CaO yüzdeleri % 10?un üstünde olduğu için yüksek kireçli kül sınıfında yer almaktadırlar.
Liç deneylerinde; üç farklı asit kullanımı ve bu asitlerde denenen tüm parametreler sonucunda, en iyi sonuç sülfürik asit (H2SO4) kullanımında ve %30 PKO, 120 g/ton H2SO4 miktarı, 240 dakika liç süresi ve 60 oC liç sıcaklığı koşullarında elde edilmiş olup Yatağan termik santrali kül numunesi için %97,12 uranyum çözünme verimi ve %91,21 toryum çözünme verimi, Soma termik santrali kül numunesi için de %94,71 uranyum çözünme verimi ve %93,21 toryum çözünme verimi elde edilmiştir.

Abstract:
The desire of mankind live within welfare has brought social and technologic developments. From social and technologic view, the development seemed to be proportional to the energy is consumed. As the growing world population, it should mean that the energy will increase as so. Especially in Turkey, where there is an increasing population with over average world population growing rate shows that the need for energy will increase. Nowadays coal is one of the most important sources of energy. Lignites that has low calorific value and high-ash are used in coal-burning thermal power plants with large capacity which were built to meet the needs of Turkey`s energy consume. In the result of burning of coal, it produces wastes like volatile ash, slag and chimney gases. In Turkey, about 45 million tons of coal is burned and average of 20 million tons of volatile ash is produced in one year. This large quantity of ashes constitutes problems for society and environment.
Within the context of this thesis studies a detailed literature review has been made on coal-fired power plants in the world and in Turkey and the properties of fly ash from the power plants. In the next phase two thermal power plants which are currently running in Turkey are chosen and ash samples had taken from those power plants. Over the taken ash samples a series of characterization, ore enrichment and leaching experiments were performed. On the ashes, particle size analysis, moisture content analysis, ore preperation, enrichment,  hydrometallurgical and chemical  testing, mineralogical analysis and trace element analysis? were made. In the context of  mineral processing studies laboratorty scale leaching experiments were carried out. In the light of the chemical and mineralogical studies, trace element contents of ashes were examined in detail. To evaluate the ashes, sulfuric (H2SO4), hydrochloric (HCl) and acetic (CH3COOH) acids with leaching method was applied and opportunities of recovery of precious metals in the ash by optimum leaching parameters were investigated.
XRD analysis was performed to determine mineralogical structure of fly ashes. As a result of the XRD analysis;  the sample of Yatagan Thermal Power Plant fly ash includes high percentage  of  quartz- SiO2 and relatively low amounts of albite-Na (AlSi3O8) and calcite CaCO3 minerals. But the sample of Soma Thermal Power Plant fly ash includes limestone, quartz-SiO2, albite-Na (AlSi3O8), calcite CaCO3, chlorite, serpentine, pyrite and montmorillonite minerals. It is determined that some part of the fly ash silica is crystalline quartz, while another part is converted into mullite (2SiO2, 3Al2O3) because of the combination with aluminum and the rest has glassy structure. The structure of iron were found to be partially magnetite (Fe2O4) and hematite (Fe2O3) and the rest has glassy structure. In the light of mineralogical studies it is tought that  uranium found as uraninite (UO2) and thorium found as thorite (Th(SiO4)) forms in Soma fly ashes and uranium found as uraninite  (UO2) and thorium found as monazite ((Ce, La, Nd, Th)[PO4]) and thorite (Th(SiO4)) forms in Yatagan fly ashes.
In order to determine the chemical content of a thermal power plant fly ash samples, complete chemical analysis? were performed with ICP method. As a result of analysis, major oxides and trace element contents of both ashes have been revealed. Both samples?  V, Zr, Sr, U, Th and Ba were found to be high.
According to ASTM C618 standard, sample of Yatagan thermal power plant fly ash is in F fly ash class, because of sum of contents of SiO2, Al2O3 and Fe2O3 is 72.38%. But the sample of Soma thermal power plant fly ash is classified at C fly ash class, because of being 64.54% of SiO2, Al2O3 and Fe2O3 contents? sum. These ashes are also located in high-lime ash class. Because they have above 10% CaO rate.
The result of leaching experiments using three different acid; the best result was obtained with usage of sulfuric acid (H2SO4) and under the condition of 30% solids, 120 g/t H2SO4 amount, 240 minutes leaching time and the 60°C leaching temperature.  Also for the Yatagan thermal power plant fly ash sample; 97.12% of uranium dissolution yield, 91.21% of thorium dissolution yield, for the Soma thermal power plant fly ash sample; 94.71% of uranium dissolution yield, 93.21% of thorium dissolution yield was obtained.