Yer altı kömür gazlaştırma teknolojisi ile Eskişehir-Alpu linyit rezervinden sentez gazı üretimi: Tekno-ekonomik değerlendirmeler
Production of the synthesis gas from Eskisehir-Alpu lignite reserve with underground coal gasification: Techno-economic assessments
Yazar: FATMA ÜNAL
Danışman: PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Gazlaştırma = Gasification

Özet:
Türkiye'de artan nüfusa ve gelişen sanayiye paralel olarak enerjiye olan talep her geçen yıl artış göstermektedir. Yeterli doğal gaz rezervine sahip olmayan Türkiye, bu enerji talebini karşılamak için fosil yakıtlara yönelmektedir. Türkiye'de en fazla miktarda bulunan fosil yakıt kömürdür. Son yıllarda yapılan sondaj çalışmaları ile ülkemizdeki kömür rezervi kapasitesi 17 milyar tona ulaşmıştır. Türkiye'de bulunan kömürler genellikle düşük ısıl değerliğe sahip linyitlerdir. Yüksek oranda nem ve kükürt içerdikleri için bu linyitlerin doğrudan yakılarak değerlendirilmeleri çevreye zarar vermektedir. Ayrıca elde edilen sentez gazının düşük ısıl değerliğe sahip olması nedeniyle bu linyitlerin klasik madencilik yöntemleriyle değerlendirilmeleri ekonomik değildir. Gazlaştırma teknolojileri bu linyitlerin değerlendirilmesinde kullanılabilecek en uygun yöntemlerden biridir.
Yer altı kömür gazlaştırma teknolojisi ısıl değeri düşük olan ve rezervin jeolojisi nedeniyle yeraltından çıkarılamayan kömürlerin yerinde gazlaştırılmasına imkan tanıyan bir prosestir. Bu proses sayesinde kömür madencilik işlemi gerektirmeden oksitleyici (hava/oksijence zenginleştirilmiş hava/saf oksijen ve su buharı) kullanılarak yerinde gazlaştırılmaktadır. Yer altı kömür gazlaştırma teknolojisinde gazlaştırma reaktörleri, kömür yatağında yanma sonucu meydana gelen doğal oyuklardır. Oyuklarda kömür, oksijen ve su buharı ile birlikte yanma sıcaklığına getirilmektedir. Ancak oksijen miktarı dikkatlice ayarlanarak kömür tam yakılmadan (kısmi oksidasyon) gazlaştırma reaksiyonları başlatılmaktadır. Gazlaştırma sonucu oluşan ürün (sentez gazı) yüzeye sondaj kuyuları aracılığıyla alınarak değerlendirilmektedir. Sentez gazından ön temizleme işlemlerinden sonra elektrik, kimyasal hammadde veya sentetik sıvı yakıt üretiminde yararlanılmaktadır.
Bu yüksek lisans tezi kapsamında Eskişehir-Alpu linyit rezervi özellikleri kullanılarak yer altı kömür gazlaştırma prosesi tekno-ekonomik açıdan incelenmiştir. Elde edilen sentez gazından entegre bir gazlaştırma kombine güç santralinde elektrik üretildiği öngörülmüştür.
Tezin ikinci bölümünde yer altı kömür gazlaştırma teknolojisinin tarihsel gelişimi ve dünya ülkelerindeki uygulamaları detaylı olarak verilmiştir. Ayrıca geliştirilen proses modeli çeşitleri, prosesin uygulanacağı bölgenin seçim kriterleri ve sentez gazının kullanım alanları bu bölümde açıklanmıştır. 
Tezin üçüncü bölümünde gazlaştırma reaksiyonlarının termodinamik özelliklerinden yararlanılarak bir denge modeli kurulmuştur. Model ile Eskişehir-Alpu linyit rezervinden üretilen sentez gazı bileşiminin ve ısıl değerliğinin elde edilmesi amaçlanmıştır. Denge modelinin kurulması ile elde edilen denklem takımı bir algoritma haline getirilerek MATLAB programı geliştirilmiştir.  Kullanım amacına bağlı olarak sentez gazının bileşimi farklılık göstermektedir. Bu nedenle sentez gazının bileşimini kontrol etmek için prosese etki eden çeşitli parametrelerin incelenmesi gerekmektedir. Tez kapsamında kullanılan oksitleyici gaz çeşidinin, kömürdeki kükürt içeriğinin, su buharı/hava oranının ve  sistem basıncının sentez gazı bileşimine ve ısıl değerliğine etkisi incelenerek en uygun çalışma koşulları belirlenmiştir. 
Üçüncü bölümde elde edilen sonuçlara göre sisteme beslenen gazın O_2 oranı arttıkça sentez gazının ısıl değerliğinde artma gözlenmiştir. Sadece hava kullanıldığında düşük ısıl değerlikli sentez gazı elde edilmektedir. Yer altı kömür gazlaştırma prosesi için bölge seçiminde en belirleyici faktörlerden biri kömürdeki kükürt içeriğidir. Kömürde kükürt oranı arttıkça sentez gazında bulunan H_2 S miktarı artmaktadır. Bu durum sentez gazının temizlenmesi ve kükürt giderme basamağında maliyetin artmasına neden olmaktadır. 
Sentez gazında H_2 oranını arttırmak için sisteme beslenen su buharı/hava oranını arttırmak gerekmektedir. Bu durum genellikle sentez gazından kimyasal ve sentetik sıvı yakıt üretiminde tercih edilmektedir. Sentez gazının elektrik üretiminde kullanıldığı proseslerde sisteme su buharı beslenmesine gerek yoktur. Çünkü su buharı/hava oranının artışı ile elde edilen sentez gazının ısıl değerliği azalmaktadır. Basınç artışının ise sentez gazında özellikle 〖CH〗_4 miktarını arttırdığı gözlenmiştir. 
Yer altı kömür gazlaştırma teknolojisinde maliyeti belirleyen en önemli faktörlerden biri kuyu sondajı maliyetidir. Kontrollü olarak hareket ettirilen ateşleme noktası (CRIP) modeli diğer modellere göre birtakım üstünlüklere sahiptir. CRIP modeli paralel ve lineer olmak üzere iki farklı yöntemde uygulanmaktadır. Bu nedenle Eskişehir-Alpu linyit rezervine paralel CRIP (P-CRIP) ve lineer CRIP (L-CRIP) modellerinin uygulandığı varsayılarak her iki model için sondaj maliyeti hesaplanmıştır. Maliyet hesaplamaları hava ve yüksek saflıkta (%95) O_2 ortamında yapılmıştır. Gaz soğutma, kükürt uzaklaştırma, 〖CO〗_2 Yakalama ve Depolama (CCS) ve  Hava Ayırma Ünitesi (ASU) ve güç santrali maliyetlerinin hesaplanmasında ise IECM 11.2 (Integrated Environmental Control Model) modelleme aracından yararlanılmıştır. 
P-CRIP modeli aynı anda iki kömür yatağında gazlaştırma yapabildiği için L-CRIP'e göre üstünlüklere sahiptir. Bu nedenle P-CRIP sondaj maliyeti daha düşük bulunmuştur. Her iki modelde toplam maliyet üzerinde en çok CCS teknolojisinin etkili olduğu görülmüştür. Elde edilen sentez gazı birim maliyeti 0,0210 $/Mcal ile 0,0636 $/Mcal arasında değişmektedir. Bu, doğalgazın güncel satış fiyatının (0,0367 $/Mcal) olduğu aralıktır. Sentez gazından üretilen elektriğin birim maliyeti ise 45,51 $/MWst ile 98,98 $/MWst arasında değişmektedir. Türkiye'de güncel sanayi elektriğinn satış  fiyatı (102,27 $/MWst) dikkate alındığında proses rekabet edebilecek seviyededir. Mevcut oyuk gelişimi %60 oranında alınarak her iki modelde de yapılan analiz sonucunda L-CRIP modeli maliyetinin oyuk gelişimine bağlı faktörlere P-CRIP modelinden daha fazla duyarlı olduğu görülmüştür. Faiz oranı azaldıkça tesis yatırım maliyeti de azaldığı için elektrik maliyetinde belirgin bir düşüş olduğu gözlenmiştir. CCS hariç en uygun proses havanın kullanıldığı P-CRIP modeli iken CCS dahil edildiğinde en uygun prosesin %95 O_2'nin kullanıldığı P-CRIP modeli olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Turkey's population and technological requirements are increasing every year. Consequently energy demand is also increasing. Turkey does not have enough natural gas reserves. Therefore Turkey supply the energy demand from other fossil fuels. Coal is the most commonly finded fossil fuel type in Turkey. In recent years, the amount of coal reserves in Turkey has reached 17 billion tons. But most of these are lignite which have low heating value. Since they contain high levels of moisture and sulfur content, the direct combustion is not suitable for evaluated of these coals.  It can be harm for environment. In addition, it is not economical to evaluate with these methods due to synthesis gas has low heating value. Underground coal gasification technology is one of the most suitable methods for the evaluation of the coal types.
The underground coal gasification technology is a process that enable the gasification of coals which have low heating value and high content of moisture and sulfur.  It can be also used for gasification the coals which can not be mined due to the geology of the reserve. In the process, coal is gasified in situ by using oxidant agent (air, oxygen enriched air, pure oxygen/water vapor) without the need for mining. In underground coal gasification technology, gasification reactors are natural cavities resulting from combustion in the coal bed. In the gasification reactors, the coal reach to the combustion temperature with oxygen and water vapor. The oxygen amount is carefully controlled and gasification reactions begin before the coal is full combustion (partial oxidation). The product gas (synthesis gas) formed as a result of gasification is taken to the surface by means of drilling wells and evaluated according to the requirement. Synthesis gas is used in electricity production, chemical raw material production and synthetic liquid fuel production.
Eskisehir-Alpu lignite reserve has been recently added to the Turkey's lignite inventory. In the master thesis, the applicability of the underground coal gasification process to Eskişehir-Alpu lignite reserve evaluated technologically and economically. It is assumed that the electricity is produced from the obtained synthesis gas in an integrated gasification combined cycle.
In the second part of the thesis, the historical development of underground coal gasification technology and its applications in the world countries are given in detail. In addition, the types of process models developed, the selection criteria of the site where the process will be applied and the usage areas of the synthesis gas are described in this section.
In the third part, an equilibrium model has been developed by using the thermodynamic properties of gasification reactions. It is aimed to find the composition and heating value of the synthesis gas obtained from the Eskişehir-Alpu lignite reserve. An algorithm has been developed in MATLAB program for the solution of the obtained equation set. The composition of the synthesis gas varies depending on the using area. Therefore, several parameters affecting the process to control the composition of the synthesis gas need to be evaluated. In the thesis, optimum process conditions were determined in electricity production. Therefore the effect of the type of oxidizing gas, the sulfur content of coal, the rate of water vapor / air and the pressure of the system has been investigated. In addition, a compare analyses was made with the synthesis gas values obtained from the Eskisehir-Alpu, Tekirdağ-Malkara and Kütahya-Seyitömer coal seams under constant conditions.
According to the results obtained in the third section, the heating value of the synthesis gas increased. When only air is used, obtained synthesis gas has low heating value. One of the most decisive factors in the selection of the underground coal gasification site is the sulfur content in coal. It was observed that the amount of H_2 S in the synthesis gas increased in the same direction as the sulfur content in coal increased. This causes additional costs in the synthesis gas processing stage. 
In order to increase the content of the H_2 in the synthesis gas, the ratio of water vapor/air must be increased. This is generally preferred in the production of synthetic liquid fuel from the synthesis gas. Therefore, there is no need for water vapor to be fed into the system in the processes that generate electricity from the synthesis gas. Because the heating value of the synthesis gas decreases with the increase of the water vapor/air ratio. It has been observed that with the increase in pressure, the amount of 〖CH〗_4 in the synthesis gas increases.
One of the most important factor in selecting the underground coal gasification technology model is drilling wells. The controlled rectration and injection point (CRIP) model has some advantages to the other models. The CRIP model is applied in two different methods as parallel and linear. These methods were implemented to the Eskisehir-Alpu reserve and calculated the drilling cost for both of them. Cost calculation were made in different oxidising agent (air and high purity O_2). Gas cooling, remove the sulphur compounds, 〖CO〗_2 Capture and Storage (CCS), Air Separation Unit (ASU) and power plant costs were calculated by IECM 11.2 (Integrated Environmental Control Model) modelling tool. 
The P-CRIP model has the some advantages over L-CRIP since two coal beds simultaneously are gasified. Therefore, P-CRIP drilling cost is found to be lower. It was seen that CCS technology was the most effective unit on the total cost in both models. The cost of the synthesis gas produced varies between 0,0210 $/Mcal ile 0,0636 $/Mcal. This is the range where the current selling price of natural gas ($ 0.0367 / Mcal). Therefore the technology can compete with natural gas. The unit cost of electricity produced from synthesis gas varies between 45,51 $/MWh ile 98,98 $/MWh. Current sales price of industrial electricity in Turkey is 102,27 $/MWh. So the total process can compete with the current electricity price. In the worst scenerio analysis both of the models,  taken 60% of the existing cavity development  the cost of the L-CRIP model was found to be more sensitive to the factors associated with cavity development than the P-CRIP model. As the interest rate decreased, a significant decrease in the cost of electricity be observed because the capital cost decreased. It is observe that P-CRIP model which was used the air as oxidant is the most suitable process without CCS and  P-CRIP model which was used the %95 O_2  as oxidant is the most suitable process with CCS.