Kömür gazlaştırma ürünlerinin kimyasal denge kuramı ile incelenmesi
Investigation of coal gasification products with chemical equilibrium theory
Yazar: EKİN KAYA
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KÖKSAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Temiz Tükenmez Enerjiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Hidrojen üretimine yönelik olarak Türk linyitlerinin gazlaştırılabileceği fikri üzerine hazırlanan bu çalışmada, gazlaştırıcı sistemlerin stokiyometrik olmayan kimyasal denge modelleriyle benzeştirilebilmesi için gerekli temel bilgiler ortaya konmuştur. Ayrıca çeşitli kömür gazlaştırma sistemleri, geliştirilen tek fazlı bir kimyasal denge modeliyle incelenmiş ve modelin yeterliliği sorgulanmıştır. Hazırlanan model aracılığıyla tipik bir Türk linyitinin gazlaştırılması esnasında, hidrojen gazı derişiminin temel işletme değişkenleriyle olan ilişkisi de araştırılmıştır.Stokiyometrik olmayan tek fazlı kimyasal denge modelinin geliştirilmesi esnasında ortaya çıkan doğrusal olmayan denklem setinin çözümlenebilmesi için RAND algoritmasından faydalanmış ve iteratif çözümlemeyi gerçekleştirebilmek için bir MATLAB kodu yazılmıştır. Yazılan kod sadece sayısal çözümlemeyi gerçekleştirecek şekilde değil aynı zamanda bir gazlaştırıcadaki çeşitli çalışma koşullarının ve yakıt içeriğinin gazlaştırıcıdan çıkan gaz derişimine olan etkisini de ortaya koyabilecek şekilde genişletilmiştir.Geliştirilen modelin kullanılmasıyla çeşitli yataklarda yapılan incelemeler, kimyasal denge modellerinin gazlaştırıcıların gerçek çalışma durumlarını canlandırma becerisinin gazlaştırıcıların hidrodinamik yapılarına, çalışma koşullarına ve yakıt içeriğine önemli ölçüde bağlı olduğunu ortaya koymuştur. Hazırlanan tek fazlı modelin bazı durumlarda kabul edilemez düzeyde uyumsuz tahminler yaptığı gözlenmiştir. Bu nedenden ötürü kimyasal denge modeli üzerinde çeşitli uyumlama yöntemleri denenmiştir. Elde edilen sonuçlar, karbon dönüşüm oranı üzerinde yapılan uyumlamaların, incelenen tüm gazlaştırıcı türleri için kabul edilebilir düzeyde iyi tahminler yapılabilmesini sağladığını göstermiştir. Bu nedenle uyumlanmış bir tek fazlı stokiyometrik olmayan kimyasal denge modeli, tipik bir Türk linyitinin hidrojen üretimi amacıyla gazlaştırılmasının modellenmesi sürecinde kullanılmıştır.Tunçbilek kömürünün atmosferik dolaşımlı bir akışkan yatakta değişken sıcaklık, hava fazlalık katsayısı ve buhar miktarıyla gazlaştırılma işleminin canlandırıldığı son bölümde elde edilen sonuçlar, hidrojen derişiminin bu üç değişkenden önemli ölçüde etkilendiğini göstermiştir. Sıcaklık ve hava fazlalık katsayısı değerleri hidrojen derişimi üzerinde değişken etkiler göstermiştir. Buhar ise miktarında gerçekleşen belli bir düzeydeki artışla hidrojen derişimini önemli ölçüde arttırmıştır fakat sonrasında devam ettirilecek artışın hidrojen derişiminde önemli bir etkisinin olmadığı görülmüştür.Anahtar Kelimeler: Kimyasal denge modeli, stokiyometrik olmayan, Lagrange çarpanları yöntemi, RAND algoritması, karbon dönüşüm oranı, kömür gazlaştırma, hidrojen üretimi, Türk linyiti, Tunçbilek

Abstract:
In the present study, non-stoichiometric chemical equilibrium modelling of the gasifier systems was carried out considering Turkish lignites. In addition, various gasifier systems were investigated by a single phase equilibrium model and the prediction capability of the model was discussed. The developed model was also used to determine the effects of the main operating parameters on the hydrogen gas concentration.During the development period of the model, a non-linear equation set was obtained and the so-called RAND algorithm was used to solve the corresponding equation set. The model was implemented in MATLAB to investigate the effects of the various operating conditions and fuel content on syngas composition.The results show that the prediction capability of the chemical equilibrium models strongly depend on the hydrodynamics structure inside the gasifier, operating conditions and fuel content. Unacceptable predictions for the developed single phase model was also observed for some cases and relevant modifications for remedy were tested. The results show that modification of carbon conversion value leads to acceptable predictions for coal gasification for all types of gasifiers investigated. Thus, a modified single phase non-stoichiometric equilibrium model was used to simulate the gasification process of a typical Turkish lignite for the objective of hydrogen production.In this respect, the model was used to investigate the effects of operating parameters such as temperature, air ratio, steam ratio on hydrogen concentration using Tunçbilek lignite in an atmospheric circulating fluidized bed. Temperature and air ratio were found to have varying effects on H2 concentration. The steam addition was found to increase the H2 concentration up to a limit beyond which no additional increase was observed.Keywords: Chemical equilibrium model, non-stoichiometric, Lagrange multipliers method, RAND algorithm, carbon conversion ratio, coal gasification, hydrogen production, Turkish lignite, Tunçbilek