Kömürlerin Oluşumu, Özellikleri ve Hazırlanması

Kömür, bitki, hayvan ve diğer organik maddelerin bataklıklar altında kalması ile oluşan, yanabilir bir kayaç olarak tanımlanır. Uygun koşullar altında uzun yıllar sonucu tamamlanan fiziksel ve kimyasal değişimlerle kömür oluşur. Bu değişim, turbaların oluşumu ve turbaların kömürleşme süreci olmak üzere iki aşamada gerçekleşir

Turbalaşma: Kömürleşmenin ilk evresi olan, bataklıklardaki bitki ve organik artıkların biyokimyasal süreci olarak tanımlanır

Kömürlerin ataları olarak bilinen turbaların oluşumda rol oynayan en önemli faktörler; coğrafi, biyokimyasal, fiziksel şartlar ve jeolojik iklim olarak sıralanabilir. Uygun coğrafi koşullar altında, bitki artıkları, sıcaklık ve nemin etkisiyle bataklıklardaki bakteriler aracılığıyla biyokimyasal bozunmaya uğrar. Biyokimyasal bozunma sonucunda hümik asit ve türevleri oluşur. Böylece organik kütlenin aromatikliği artmış olur. Hümik asit ve türevlerinin kömürleşmenin sonraki evrelerinde belirleyici bir rolü vardır. Bu maddeler, bataklık ortamındaki organik maddelerin homojenizasyonunu sağlar. Bitki artıklarının bozunma süreci sona erdiğinde ortamdaki karbon içeriği %60’ın üzerine çıkarken oksijen yüzdesi azalır. Bu süreçte bataklık suyunda bulunan inorganik maddeler bitki artıkları ile karışır. Turba yapısına benzer yapıya dönüşen bitki artıkları zamanla yer kabuğunun derinliklerine yerleşir. Derinliğin artmasıyla beraber anaerobik bakterilerin işlevi de artar. Bu bakteriler bitkilerin dokularındaki oksijeni kullanılırlar. 10 m derinlikten sonra bakterilerin kolayca yok edebilecek maddelerin varlığı sona erdiği için mikrobiyal yaşam sona erer. Biyokimyasal bozunma, hümik maddelerin polimerleştiği kahverengi kömür (linyit) evresinde son bulur.

Mikrobiyal aktivitelerin izlenmediği, turbaların kimyasal ve jeolojik etkiler ile çeşitli derecedeki kömürlere dönüşüm süreci ‘kömürleşme’ olarak tanımlanır. Kömürleşmeye etki eden parametreler; sıcaklık, zaman, basınç, gömülme derinliği ve jeolojik olaylardır. Parametrelere bağlı olarak kömürleşme sürecinde farklılıklar meydana gelir. Bu farklılıklar ‘kömürleşme derecesi (kömürün olgunluk derecesi)’ olarak adlandırılır. Sürecin herhangi bir aşamada durması durumunda en azdan en çok olgunluğa doğru sırasıyla turba, linyit (kahverengi kömür), taş kömürü (bitümlü kömür), antrasit oluşur. Kömürleşme sürecinde gözenekliliğin azalması, optik anizotropinin artışı gibi parametreler fiziksel değişikler arasında gösterilirken kömürleşme derecesi kimyasal parametreler aracılığıyla belirlenir. Kömürleşme derecesinin artmasına bağlı olarak ısıl değer artar, nem içeriği azalır. Kömürleşme sürecini doğrudan etkileyen diğer faktörler ise sıcaklık, basınç ve zamandır. Sıcaklık arttıkça zamanla kömürleşme etkisi de artar. İlk aşamada basıncın etkisiyle azalmaya başlayan nem içeriği, gözenekliliğin azalması ve daha az oranda hidrofil grupların bozunmasıyla ilişkilidir. Linyit-altbitümlü kömür aşamasında, lignin ve selüloz kalıntıları hümik asitlere dönüşür. Bitümlü kömürler 150-200°C sıcaklık aralığında oluşur.

Jeotermal gradyan: Her 100 m derinlikle, yer kabuğu sıcaklığındaki artış miktarı.

Jeotermal gradyan, yeraltı sıcaklığının en önemli nedenidir. Ortalama 2,5-3°C/100m olan jeotermal gradyan, 2000-3000 m derinliklerde yüksek dereceli kömürlerin oluşmasını sağlayacak sıcaklıklara ulaşır. Antrasit oluşum aşaması için gerekli sıcaklık (600-800°C), çok derinlerde veya magma sokulumlarının etkili olduğu bölgelerde görülür. Bu aşamada nem, uçucu madde, hidrojen ve oksijen içeriği azalır, karbon içeriği artar. Böylece, yüksek dereceye sahip antrasit kömürler oluşur.

Kömürler makroskobik olarak incelendiğinde yapısında gözle görülebilen parlak, yarı parlak veya mat bantlar bulunmaktadır. Bu bantlı bileşenlere litotip ismi verilir. Kömürleri oluşturan litotipler farklıdır. Litotipler, taşkömürlerinde çok daha belirgin şekildedir. Taşkömürleri vitren, klaren, düren ve füzen olmak üzere dört ayrı litotip içerir. Linyitler ise hüminit, liptinit ve inertinitten oluşur.

Mikroskop altında incelendiğinde kömürlerin küçük organik parçalardan oluştuğu saptanmıştır. Çeşitli bitkilerin tamamen kömürleşmesinden oluşan ve farklı mikrolitotipleri oluşturan organik maddelere maseral adı verilir. Maseraller, kendini oluşturan çeşitli bitki parçalarının fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre vitrinit, eksinit ve inertinit olarak üç grupta sınıflandırılır. Vitren ve füzen sırasıyla vitrinit ve inertinitten, klaren ve düren ise farklı maserallerin heterojen karışımından meydana gelir. Bazı maseraller koklaşabilme özelliği gösterebildiğinden kömür teknolojisinde çok önemlidir.

Kömürün yapısında ağırlıkça %50’den az inorganik madde bulunur. Farklı kömür tipleri içerisinde 120 çeşit inorganik madde saptanmıştır. Örneğin; bitümlü kömürlerde silikatlar (kil mineralleri, kuvars, kalsedon, feldspat ve turmalin), karbonatlar (kalsit, dolomit, siderit, aragonit, ankerit, davsonit, stronsiyanit), sülfitler (pirit, markasit, sfalerit, galen), sülfatlar (jips, barit, anhidrit, bassanit) ve diğer mineraller (apatit, anataz, rutil, hematit, götit ve zirkon) bulunmaktadır.

Kömürün içerisinde bulunan inorganik maddeler kökenlerine göre üç grupta incelenir: • Primer bitkilerden gelen inorganik maddeler (örneğin; kalsiyum, magnezyum, demir, sodyum vb.), • Turba oluşumu esnasında su ve rüzgar gibi etkenlerle taşınarak kömürün bünyesine giren inorganik maddeler, • Kömürleşme sürecinden sonra derinden ve yüzeyden gelen suların etkisi ile çatlak ve boşlukları dolduran mineral maddeler.

Kömürleşme derecesi arttıkça kömürün içerdiği nem yüzdesi azalmaktadır. Kömürlerin içerisinde bünye ve yüzey nemi olmak üzere iki çeşit nem bulunmaktadır. Bünye nemi kömürün yapısında bulunur. Kömür tarafından absorbe edilmiş olan ve kömürün içerisinde bulunan inorganik maddelere bağlı olan sudan meydana gelir. Yüzey nemi ise kömürde serbest hâlde bulunan su, kömürün sulu bir ortamla temas hâlinde olması ve rutubetli hava şartları nedeniyle oluşur. Nem, kömürün içerisindeki safsızlıklardan biri olarak kabul edilir. Bu yüzden kömürdeki nem oranının düşük seviyede olması istenir.

Belirli bir hacmi dolduran kömürün ağırlığından yararlanılarak, kömürün gözeneklerinin işleme katılmasıyla hesaplanan birim hacminin kütlesine denir.

Belli bir ağırlığa sahip kömürün kütlesinin, hacmi kadar yer değiştiren sıvı hacmine (görünür hacim) bölünmesine denir

Gerçek Yoğunluk: Kömürün kütlesinin gerçek hacme bölünmesiyle elde edilen gözeneksiz katının birim hacminin kütlesine denir.

Gözeneklilik, katı bir maddenin sahip olduğu boşluk ya da gözenek hacminin yüzdesi olarak tanımlanır. Kömürler oldukça gözenekli bir yapıya sahiptir ve toplam hacminde çok sayıda küçük gözenekler bulunur. Kömürün gözenekliliği sıvılaştırma, gazlaştırma ve koklaştırma gibi kullanıldığı birçok süreç için çok önemlidir

Kömürün gerçek ve görünür yoğunluğu biliniyorsa gözenekliliği aşağıdaki şekilde hesaplanır.

P = dger − dgör/dger x 100 

Verilen eşitlikte;
P = Gözeneklilik, %
dger = Kömürün gerçek yoğunluğu, g/cm3
dgör = Kömürün görünür yoğunluğu, g/cm3

Kömürün sertliği karbon uçucu madde oranına göre değişiklik gösterir. Kömürün sertlik derecesi ile kırma öğütme işlemleri arasında bir ilişki mevcuttur. İşletme problemlerinde göz önünde bulundurulan sertlik derecesi, kömür-su karışımı yakıtlar ve sıvılaştırma süreçleri için çok önemlidir. Kömürleşme dereceleri farklı olan kömürler Mohs sertlik ölçeğinde sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırma, linyitler için 1-3, bitümlü kömürler için 2,5-3, antrasitler için 3-4 arasındaki değerler şeklindedir.

Kömürlerin toz yakıt olarak kullanıldığı uygulama alanları için öğütülebilirlik büyük öneme sahiptir. Öğütülebilirlik testleri ve cihazların tasarımı Hardgrove indeks değerleri doğrultusunda yapılır. En kolay öğütülebilen kömür cinsi, bitümlü kömürler; en zor öğütülebilen kömür türleri ise antrasit ve linyitlerdir. Ufalanabilirlik, bir parçanın kendinden daha küçük parçalara ayrılması şeklinde tanımlanır. Kolay ufalanabilen kömürlerin kok kalitesi düşük, yüzey alanları büyüktür. Yüzey alanının büyük olması oksitlenmeyi hızlandırır ve ani yanmalara sebep olur. En fazla ufalanma yarı bitümlü kömürlerde görülürken, ufalanabilirliğe karşı en dirençli kömür linyittir.

Kömürün tanınmasında yararlı olabilecek başka özellikleri de mevcuttur. Bu özelliklerden bazıları aşağıda verilmiştir. • Elektriksel öz direnç • pH ve hidrojen içeriği • Özgül ısı • Plastikleşme • Parlaklık • Renk ve çizgi rengi • Adsorpsiyon • Kırılganlık • Mukavemet • Elektriksel iletkenlik • Aşındırıcılık

Kömürleşme sürecinden itibaren kömürler jeolojik, petrografik, fiziksel, kimyasal ve termal özellikleri yönünden çok çeşitli özellikler gösterirler. Bu durum pek çok ülkenin kömürlerinin ortak bir paydada sınıflandırılması gereğini ortaya çıkarmıştır. Buna bağlı olarak çok farklı kömür sınıflandırma sistemleri ortaya çıkmıştır. Ülkemizde, kömürler; turba, linyit, bitümlü kömür ve antrasit olarak sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflandırma uluslararası kömür sınıfları ile uyum göstermemektedir. Bu durum da ülkemizde bulunan kömürlerin kullanımını engellemektedir

Günümüzde ticari kömür sınıflandırmalarında en yaygın kullanılan sınıflandırma, ASTM (American Society for Testing and Materials) tarafından hazırlanmıştır. Bu sınıflandırmada; ısıl değer, sabit karbon miktarı, uçucu madde içeriği, kekleşme özellikleri temel alınmıştır

Ekonomik derinlikteki maden yatağı üzerinden örtü tabakası alınarak, yerüstü uygulamalarıyla madenin üretildiği işletme metodudur

Açık işletme metodunda sırasıyla aşağıdaki adımlar uygulanır. • Bitki örtüsünün ve üst toprağın kaldırılması ile yüzeyin hazırlanması • Kaya tabakalarının kırılması ve patlayıcılar yardımıyla parçalanması. • Örtü tabakasının yüklenmesi ve araziden uzaklaştırılması • Madenin çıkarılması ve araziden uzaklaştırılması

Açık işletme metotları, sürekli ve kesikli olmak üzere iki gruba ayrılır. Sürekli sistemlerde malzeme akışı devamlı olup çalışmalar aralıksız olarak sürdürülür. Kesikli sistemlerde ise çalışma şartları ve teçhizat tipine göre periyodik çalışmalar yapılır. Yüzeyin hazırlanması işlemleri kayaçların yapısına bağlıdır. Sürekli sistemler yumuşak ve kolayca kazılabilir zeminde sürdürüldüğünden yüzeyin hazırlanmasına gerek yoktur. Çok sert arazilerde çalışıldığında kesikli sistemlerde yüzey delme ve patlatma işlemleri ile hazırlanır. Önceden belirlenen delik çaplarında delik delme makinaları ile delikler açılır. Açılan deliklere uzman kişilerce patlayıcı yerleştirilerek sert kayaç patlatılır. Patlatma ile gevşetilmiş kayaçlar, ekskavatör adı verilen kazıcı yükleyici iş makinaları ile yerlerinden sökülerek yüksek taşıma kapasitesi olan kamyonlara yüklenir. Sürekli sistemlerde, bantlı konveyör ile taşıma işlemi yapıldıktan sonra dökme işlemleri aktarıcı veya yayıcı ile yapılır. Yüksek miktarda üretim yapılan kömür ocaklarında yüksek kapasiteli dragline (çekme kepçe) adı verilen kazı makinaları kullanılır. İş makinaları ile kazılıp bantlı konveyör veya kamyonlara yüklenen kayaçlar, döküm sahalarına dökülür. Kazılan ve nakliye araçlarına yüklenen kömür ise stok sahalarına ya da kömür hazırlama tesislerine nakledilir. Açık işletmelerde örtü tabakasının doğal yapısı bozulabilir. Madencilik faaliyetleri sonucu bozulan arazide, işlemler tamamlandıktan sonra arazinin düzenlenmesi dozerler ile yapılır. Çalışma yapılan arazi dekapaj malzemesi ile doldurulur. Daha sonra dekapaj işlemleri sırasında biriktirilen verimli toprak, düzenlenen arazinin en üst kısmına serilir. Böylece arazi kullanılır hâle getirilir.

Açık işletme metodunun uygulanamadığı, örtü tabakasının çok kalın olduğu durumlarda tavanın göçertilmesi, açılan boşluğun doldurulması ya da topuklar bırakılması gibi uygulamalara sahip üretim sistemleri yeraltı işletme metodu olarak adlandırılır.

Yeraltı işletmeciliğinin temel işlemleri; • Hazırlık, • Üretim, • Tahkimat, • Nakliyat, • Havalandırma, • Su atılması olarak sıralanabilir.

Tahkimat: Derinleşen kuyu ile birlikte göçük oluşmaması ve kuyunun sağlam kalması için uygulanan işlemdir.

Ramble: Kömürün üretim süreci esnasında meydana gelen boşlukların uygun bir malzeme ile doldurulması işlemidir

Sübsidans: Yeraltı madencilik faaliyetleri nedeniyle bölgenin sürekli veya kesikli olarak alçalmasıdır.

Ocak havalandırmasının amaçları:• Çalışanlar ve hava ile çalışan açık alevli lamba ve motor gibi ekipmanlar için gerekli oksijenin sağlanması, • Tehlikeli gazların izin verilebilir oranda tutulması ve ocaktan atılması, • Toz miktarının belirli bir seviyenin altında tutulması, • Derinliği fazla olan ocaklarda sıcaklığın azaltılması, • Nemi fazla olan ocaklarda nemliliğin azaltılması şeklinde sıralanabilir

Evsel ve endüstriyel enerji kaynağı olarak kullanılan kömür, çevre kirliliğine neden olmaktadır. Kömürün yapısında yer alan inorganik maddeler, kükürt ve nem gibi safsızlıklar yanma esnasında çevreye zehirli maddelerin yayılmasına neden olur. Kömürün kül yüzdesinin düşürülmesi ve yanma oranının artması safsızlıkların uzaklaştırılması ile ilgilidir. Safsızlıklar, boyut küçültme işlemleri ile serbest hâle getirildikten sonra fiziksel zenginleştirme yöntemleri ile kömürden uzaklaştırılır.

Ülkemizde Zonguldak, Çatalağzı, Armutçuk, Amasra, Soma ve Tunçbilek’te kömür zenginleştirme tesisleri bulunmaktadır.

Kömürlerin yıkanabilme özellikleri yüzdürme-batırma adı verilen deneyler ile belirlenir. Deney öncesinde kömürler, farklı elek çapları ile elenerek boyutlarına göre sınıflandırılır. Değişik yoğunluklarda hazırlanan ağır sıvı banyolarında yüzdürme-batırma işlemine tabi tutularak deneyler gerçekleştirilir. Ağır sıvı olarak çinko klorür çözeltileri kullanılır. Farklı tanecik boyutuna sahip kömürler, yoğunluğu sırayla artan banyolarda ayrı gruplar hâlinde yüzdürülür. İlk banyoda yüzen kısım alınır, yıkanır, tartılır ve kül analizleri yapılır. Batan kısım ise bir sonraki banyoya beslenir. Yüzen ve batan kısımlar için işlemler tekrar edilir. Farklı tanecik boyutuna sahip kömür için ayrı ayrı yüzdürme-batırma çizelgeleri hazırlanır.

Zenginleştirme işlemleri, kömürün içerisinde bulunan safsızlıkların giderilmesi için uygulanan işlemlerdir. Kömürün oluşum koşulları, yapısı ve içerisinde bulunan safsızlıklar göz önüne alınarak gerçekleştirilir. Bu işlemler çok basit teknikler olabileceği gibi karmaşık ve gelişmiş teknikler de olabilir.

Kömürün zenginleştirilmesinde kullanılan ve basit teknikler arasında yer alan boyutlandırma ve kurutma işlemi, kömürün kalitesini iyileştirmek amacı ile uygulanır. Bu yöntemde kömürün kalitesini düşüren kil ve nem uzaklaştırılır. En önemli safsızlıklardan biri olan nem nakliye, stoklama esnasında ve fırınlarda gereksiz ağırlık oluşturur. Ayrıca nem, sıcaklık değişimlerinde buharlaşarak ufalanmalara neden olmaktadır. Tanecik boyutu yüksek olan kömürlerin yüzey nemi eleme işlemi ya da silolarda drenaj yolu ile giderilir. Tanecik boyutu düşük olan kömürlerin neminin uzaklaştırılmasında ise ısıl işlemler uygulanır.

Kömür zenginleştirmede en çok kullanılan yöntemlerden birisidir. Günümüzde en çok kullanılan gravite zenginleştirme yöntemleri; ağır ortam ayırması, jigler, ağır ortam siklonları, hidrosiklonlar ve sallantılı masalardır. Ağır ortam ayırma yönteminde genellikle manyetit kullanılarak ekonomik olarak temiz kömür üretilir. Ağır ortam ayırıcıları ve hidrosiklonlar bu işlem esnasında kullanılır. İnce öğütülmüş manyetit ile karıştırılan kömür numunesi, basınç altında siklonlara beslenir ve ayırım sağlanır. Özgül ağırlık farkına göre zenginleştirmede en çok kullanılan cihazlardan biri de jiglerdir. Jigler, iri kömürlerin zenginleştirilmesini sağlar. Su ve kömür karışımı jigin haznesine beslenir. Piston aracılığı ile karışımın yukarı ve aşağı doğru hareketi sağlanır. Bu işlem sonucunda, yoğunluklarına göre dizilen bir tabaka oluşur. Tabakanın en üstünde düşük yoğunluklu kömür, en altında ise yüksek yoğunluklu inorganik maddeler yer alır. Orta tabakada ise ara ürün bulunur. Ürünlerin ayrı ayrı alınmasıyla işlem tamamlanır. İnce boyutlu kömürlerin zenginleştirilmesinde kullanılan diğer ayırıcı, sallantılı masalardır. Kömür hazırlama tesislerinde 5 mm boyutuna kadar olan kömürler zenginleştirilebilmektedir.

0,5 mm boyutunun altındaki ince kömürlerin zenginleştirilmesi için kullanılan bir yöntemdir. Kollektör olarak kerosen tipi yağlar kullanılan yüzdürme işlemi, aşağıda belirtilen amaçlar için uygulanmaktadır. Bu amaçlar; • Yıkama suyu içerisinde kalan toz kömürü geri kazanmak, • Proses suyunun temizlenmesi, • Kömürün kükürdünün giderilmesi, • Kömürde bulunan çeşitli maseralleri ayırarak koklaşabilir kısımların hazırlanması şeklinde sıralanabilir. Yüzdürme işleminde kömür, su ile karıştırılır ve bir hücreye beslenir. Karışımın içerisindeki kömür, kollektörler aracılığıyla hava kabarcıklarına yapışarak yükselir ve zenginleştirme işlemi gerçekleştirilir. Çöktürme işleminde ise kömür tanecikleri su içerisinde bir araya getirilerek inorganik maddelerden ayrılır.

Farklı manyetik iletkenliğe sahip olan taneciklerin yapay bir manyetik alanda birbirinden ayrılması esasına dayanan yöntemdir. Kömürün içerisinde yüksek miktarda bulunan demir sülfürlü mineraller bu yöntem ile kömürden ayrılır.

Bu işlem, daha çok linyit kömürlere uygulanmaktadır. Uygulamanın amacı, yüksek nem ve düşük sabit karbon yüzdesine sahip linyit kömürlerin 700°C’nin altında oksijensiz bir ortamda ısıtılması ile kalitenin arttırılmasıdır.