Güneş enerjisiyle çalışan bir sistem tasarlanarak kömürlerin kurutulması ve kalitelerinin arttırılması
Drying and quality improvement of coals by designing a system powered by solar energy
Yazar: İSMAİL DEMİR
Danışman: PROF. DR. ŞAFAK GÖKHAN ÖZKAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Bu tez çalışmasında, güneş enerjisinden yararlanan kurutucu bir sistem tasarlanarak, kömürlerin kalitelerinin arttırılması amacıyla kullanılabilirliği araştırılmıştır. Çalışma beş ana bölüme ayırılmaktadır. Tezin amacının belirtildiği giriş bölümden sonra, Türkiye ve Dünya'da enerji, kömür, kömürde nem, güneş enerjisi ve kömür kurutma hakkında yapılan yayınların bir derlemesinin yapıldığı genel bilgiler kısmı yer almaktadır. Tezin 3. bölümü olan malzeme ve yöntem bölümünde tez kapsamında numune alınan bölgeler, çalışma sırasında izlenen yol ve yöntemler, numuneler üzerinde yapılan deneysel çalışmalar ve analizler hakkında bilgiler yer almaktadır. 4. bölümde yani bulgular bölümde ise yapılan çalışmalardan elde edilen veriler yer almaktadır. Son bölümde ise tez çalışmasından elde edilen sonuçlar ve bu sonuçlara göre öneriler sunulmuştur. 
Tez çalışması kapsamında literatür taraması sonucunda Türkiye'nin önemli kömür yataklarının bulunduğu bölgelerden (Zonguldak - Armutçuk, Kahramanmaraş - Afşin, Çanakkale - Çan ve Manisa - Soma) kömür numuneleri alınmıştır. Alınan bu numuneler üzerinde başta nem analizleri olmak üzere, boyut analizi, kül analizi, uçucu madde analizi, kalorifik analiz, elementer (CHNSO) analiz ve Hardgrove öğütülebilirlik indeksi tayini deneyleri yapılmıştır. Ayrıca kömür kurutma deneylerinde farklı kurutma yöntemleri ve kurutucular (laboratuvar ortamında kurutma, açık hava ortamında kurutma, etüvde kurutma, mikrodalga kurutucu ile kurutma, halojen kurutucu ile kurutma) kullanılarak enerji tüketim ölçümleri, yüzey sıcaklık değişimi ölçümleri, miktar değişimi ve maliyet hesapları yapılmıştır. Bunun yanı sıra alınan numunelerin açık havada yapılan deneyleri sırasında güneş enerjisi, rüzgar hızı ve yönü, hava sıcaklığı ve nemi gibi hava verileri ölçülmüş ve kaydedilmiştir.
Tez çalışması kapsamında yapılan analiz, ölçüm ve deneylerin sonucunda elde edilen veriler kullanılarak, kömür kurutmada kullanılabilecek güneş enerjisinden yararlanan bir cihazın tasarım parametreleri oluşturulmuştur. Literatür çalışmaları ve belirlenen parametrelerin değerlendirilmesi ile parabolik oluk tipi güneş enerjisi sisteminden yararlanan bir kurutucunun kömür kurutma için uygun olduğuna karar verilmiş ve eldeki imkanlar dahilinde bir prototipi imal edilmiştir. İmal edilen prototip kurutucuyla yapılan kurutma deneyleri ile diğer kurutucularda yapılan kurutma deneyleri arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. Ayrıca farklı kurutma yöntemleri ile tasarlanan cihazın işletme maliyeti, kurutma süresi ve kurutma verimi açısından karşılaştırmaları yapılmıştır. 
Bu tez çalışmasında uygulanan kurutma deneylerinde, kurutma süresinin, kurutucuya beslenen kömürün tipine, nem içeriğine, tane boyutuna ve özgül ısısına bağlı olduğu saptanmıştır. Kurutma deneylerinde 3,5 saatlik zaman dilimi baz alınarak, başlangıç nemi %7,80 olan Zonguldak-Armutçuk taşkömürü numunesi için açık havada (26.07.2015) %1,07 neme, 105 oC'ye ısıtılan etüvde (2 saatte) kuru baza, güneş enerjisinden yararlanan prototip kurutucuda (26.07.2015) ise kuru baza ulaştığı; başlangıç nemi %54,30 olan Kahramanmaraş-Afşin linyit numunesi için açık havada (12.05.2015) %25,28 neme, 105 oC'ye ısıtılan etüvde %4.15 neme, güneş enerjisinden yararlanan prototip kurutucuda (12.05.2015) ise %18,45 neme ulaştığı; başlangıç nemi %19,40 olan Çanakkale-Çan linyit numunesi için açık havada (31.07.2015 Sabah) %9,01 neme, 105 oC'ye ısıtılan etüvde kuru baza, güneş enerjisinden yararlanan prototip kurutucuda (31.07.2015 Sabah) ise %4,08 neme ulaştığı; başlangıç nemi %16,10 olan Manisa-Soma linyit numunesi için açık havada (01.08.2015 Sabah) %7,98 neme, 105 oC'ye ısıtılan etüvde (1,5 saatte) kuru baza, güneş enerjisinden yararlanan prototip kurutucuda (01.08.2015 Sabah) ise %5,81 nem değerlerine ulaştığı görülmüştür.
Tez çalışması kapsamında HGI – Bond iş indeksi dönüşümleri ile yapılan öğütme maliyeti hesaplarında, -40 mm boyutundan 0,1 mm boyutuna indirmek için gerekli enerji tüketim miktarları ve maliyetleri hesaplanmıştır. Buna göre, %7,8 nem içeren Zonguldak – Armutçuk bölgesi kömürlerinin kuru baza geçmesi durumunda ise %6,87 oranında, %54,3 nem içeren Kahramanmaraş – Afşin bölgesi kömürlerinin kuru baza geçmesi durumunda %46,59 oranında, %19,4 nem içeren Çanakkale - Çan bölgesi kömürlerinin kuru baza geçmesi durumunda %19,69 oranında ve %16,1 nem içeren Manisa - Soma bölgesi kömürlerinin kuru baza geçmesi durumunda ise %10,14 oranında öğütme maliyetinin azalacağı hesaplanmıştır.
Tez kapsamında imal edilen prototip cihazla yapılan denemelerde, açık havada kurutmaya nazaran aynı sürede, kömür nem içeriğine ve hava verilerine bağlı olarak %50'ye varan verim oranlarında daha fazla nem giderildiği görülmüştür. Tez kapsamında yapılan çalışma ve elde edilen sonuçlar ışığında daha gelişmiş ve sürekli çalışan bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistemle ve eklenebilecek modüllerle verimin daha da arttırılabileceği öngörülmektedir. Yapılan bu tez çalışması, enerji elde etmekte kullanılan kömürlerimizin yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisini kullanarak kalitelerinin arttırılabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this dissertation, a drying system using solar energy was designed and its usability in the increasing the quality of coals was investigated. This study was divided into five main chapters. In the first chapter the aim of the study was presented. The literature about energy, coal, moisture of coals, solar energy, coal drying, in the world and in Turkey were mentioned in the second chapter. The third chapter (Materials and Method) contains information on sample locations, study methods, tests and analyses. The forth chapter (Findings) consists of the data obtained from the experimental work.
In the scope of this study, after the literature survey, coal samples were taken from various regions of Turkey (Zonguldak - Armutçuk, Çanakkale - Çan, Kahramanmaraş - Afşin and Manisa - Soma) which have important coal reserves. Moisture, size, ash, volatile matter, calorific, elemental (CHNSO) analyses and hardgrove grindability tests of the samples were carried out. Different moisture removal methods (drying in laboratory environment, drying in open air, drying by stove, drying by microwave, drying by halogen dryer) were used. Energy consumption, change in surface temperature and mass were measured and costs were also calculated. Moreover, solar energy, wind velocity and direction, ambient temperature and moisture were measured and recorded during open air experiments.
In this dissertation, the parameters of a solar energy using drying device for coal drying were determined using the data obtained from the analyses, measurements and experiments. After literature survey and evaluation of determinated parameters it was decided that a parabolic through type solar energy system was suitable for coal drying and a prototype was produced. Solar drying device test results were compared with other drying tests. Furthermore, solar drying device were compared with other drying methods in terms of operating cost, drying time, and drying efficiency.
In the drying experiments which were carried out in the concept of this study, it was found that drying time of the coal is depends on the type, moisture content, particle size and specific heat of the coal.
The results of the drying experiments are as follows; The moisture of the Zonguldak-Armutcuk hard coal sample with 7.80% initial moisture decreased to 1.07% in open air (26.07.2015). It reached to dry base with solar drying device in 3.5 h (26.07.2015), and in a drying oven at 105 oC in 2 h. The moisture of the Kahramanmaraş-Afsin lignite sample with 54.30% initial moisture decreased to 25.28% in open air, and 18.45% with solar drying device (12.05.2015). It decreased to 4.15% in a drying oven at 105 oC. 3.5 h drying time used for all experiments. The moisture of the Canakkale-Can lignite sample with 19.40% initial moisture decreased to 9.01% in open air, and 4.08% with solar drying device (31.07.2015-morning). It decreased to dry base in a drying oven at 105 oC. 3.5 h drying time used for all experiments. The moisture of the Manisa-Soma lignite sample with 16.10% initial moisture decreased to 7.98% in open air, and 5.81% with solar drying device (01.08.2015-morning) in 3.5 h. It decreased to dry base in a drying oven at 105 oC in 1.5 h. 
In the concept of this dissertation, the energy consumptions and costs were calculated for reducing the coal from -40 mm to -0.1 mm particle size using HGI-Bond work index conversions. Therefore, the reducing costs of the dry based coals decreased 6.87%, 46.59%, 19.69%, and 10.14% in respect to original coals of Zonguldak-Armutcuk (7.8% initial moisture), Kahramanmaras-Afsin (54.3% initial moisture), Canakkale-Can (19.4% initial moisture), and Manisa-Soma (16.1% initial moisture), respectively.
In this study, the coals dried up to 50% more effectively when solar drying device used instead of air during. In addition to the solar drying device used in this study another solar drying system which is more developed and continuous was suggested. It is estimated that the drying efficiencies can be increased further with the suggested new system and its additional modules. This dissertation shows that the quality of the Turkish coals can be increased by solar drying.