Ünite 3: Kömürlerin Oluşumu, Özellikleri ve Hazırlanması

Giriş

Günümüzde dünya birincil enerji kaynaklarının %81’i fosil yakıtlardan,%19’u ise yenilenebilir ve nükleer enerji kaynaklarından oluşmaktadır. Bunların içerisinde yaşları 15 milyon yıl ile 400 milyon yıl arasında değişen jeolojik kömürler, güvenilir ve düşük maliyetlerle elde edilebilen temiz fosil yakıtlardır.

Kömürün Oluşum Evreleri

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 evresini oluşturan biyokimyasal süreçler olarak tanımlanır. Bitki artıklarının bozunma süreci sona erdiğinde ortamdaki karbon içeriği %60’ın üzerine çıkarken oksijen yüzdesi azalır. Turba yapısına benzer yapıya dönüşen bitki artıkları zamanla yer kabuğunun derinliklerine yerleşir. Kömürün oluşabilmesi için turbaların yeterli kalınlığa ulaşması gerekir. Önemli jeolojik parametrelerden biri ise turba birikim hızıdır. Turbalar kömürleşme sürecinin ilk aşamasıdır ancak kömür sınıfına dahil edilmezler. 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. Kömürleşme süreci boyunca parametrelere bağlı olarak madenin yapısında meydana gelen farklılıklar Kömürleşme Derecesi’ni tanımlar. Jeotermal gradyan, yeraltı sıcaklığının en önemli nedenidir. Her 100 m derinlikle, yer kabuğu sıcaklığındaki artış miktarı jeotermal gradyan olarak tanımlanır. Ortalama 2,5-3°C/100m olan jeotermal gradyan, 2000- 3000 m derinliklerde yüksek dereceli kömürlerin oluşmasını sağlayacak sıcaklıklara ulaşır.

Kömürün Yapısı

Kömür, katı fazdaki organik ve inorganik maddelerin değişik oranlarda birleşmesinden oluşur. Kömürler makroskobik olarak incelendiğinde yapısında gözle görülebilen parlak, yarı parlak veya mat bantlar bulunmaktadır. Bu bantlı bileşenlere litotip ismi verilir. Litotip: Gözle görülebilen, organik kökenli bantlı bileşenlerdir. Çeşitli bitkilerin tamamen kömürleşmesinden oluşan ve farklı mikrolitotipleri oluşturan organik maddelere maseral adı verilir. Maseral: Gözle görülemeyen ve mikrolitotipleri oluşturan tamamen kömürleşmiş organik bitki parçacıklarıdır. Maseraller, kendini oluşturan çeşitli bitki parçalarının fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre vitrinit, eksinit ve inertinit olarak üç grupta sınıflandırılır. Kömürün içerisinde bulunan inorganik maddeler kökenlerine göre üç grupta incelenir:

• Primer bitkilerden Helen inorHanik maddeler,
• 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.

Kömürün Özellikleri

Kömürün özellikleri, kömürleşme derecesine, kömürün bileşimine ve oluşum şartlarına bağlıdır. Kömürleşme derecesi arttıkça kömürün içerdiği nem yüzdesi azalmaktadır. Kömürlerin içerisinde bünye ve yüzey nemi olmak üzere iki çeşit nem bulunmaktadır. Nem, kömürün içerisindeki safsızlıklardan biri olarak kabul edilir. Bu yüzden kömürdeki nem oranının düşük seviyede olması istenir. Kömür heterojen bir maddedir ve buna bağlı olarak farklı yoğunluklardaki maddelerden oluşur. Göze- nekli maddelerin yoğunluğu, yığın yoğunluğu, görünür yoğunluk ve gerçek yoğunluk olmak üzere üç farklı başlıkta incelenir. Kömürün birim hacminin kütlesine yığın yoğunluğu adı verilir. Görünür yoğunluk, kömürünün kütlesinin hacmi kadar yer değiştiren sıvı hacmine bölünmesiyle elde edilir. Gerçek yoğunluk ise kömürün kütlesinin gerçek hacme bölünmesidir. Gözeneklilik, katı bir maddenin sahip olduğu boşluk ya da gözenek hacminin yüzdesi olarak tanımlanır. Kömürün sertliği karbon uçucu madde oranına göre değişiklik gösterir. Kömürün sertlik derecesi ile kırma öğütme işlemleri arasında bir ilişki mevcuttur. Kömürlerin toz yakıt olarak kullanıldığı uygulama alanları için öğütülebilirlik büyük öneme sahiptir. 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. Ufalanabilirlik, bir parçanın kendinden daha küçük parçalara ayrılması şeklinde tanımlanır. Kolay ufalanabilen kömürlerin kok kalitesi düşük, yüzey alanları büyüktür. Isıl iletkenlik, maddenin ısıyı iletme yeteneği olarak tanımlanır. Kömür; diamanyetik, paramanyetik ve ferromanyetik karışımından oluşur. Kömürün organik bileşeni diamanyetiktir. Diamanyetik: Manyetik duyarlılığı küçük değerli ve eksi işaretli olan maddeler için kullanılır. Paramanyetik: Manyetik duyarlılığı küçük değerli ve artı işaretli maddeler için kullanılır. Ferromanyetik: Manyetik duyarlılığı büyük değerli ve artı işaretli maddeler için kullanılır. 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

Kömürün Sınıflandırılması

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.

Kömür Üretim Metotları

Kömür işletmeciliğinde, kömürün kullanıma hazır hâle getirilmesi için genel olarak açık işletme metodu ya da yeraltı işletme metodu tercih edilmektedir. Maden yatağı üzerinde bulunan örtü tabakanın alınmasıyla üzeri açılan maden kitlesinin üretiminin yapılması olarak tanımlanan maden işletme yöntemine açık işletme metodu adı verilir. Kömür damarının üzerindeki örtü tabakasının kaldırılması işlemi dekapaj olarak bilinmektedir. 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 sis- temlerde malzeme akışı devamlı olup çalışmalar aralıksız olarak sürdürülür. Kesikli sistemlerde ise çalışma şartları ve teçhizat tipine göre periyodik çalışmalar yapılır. Çok sert arazilerde çalışıldığında kesikli sistemlerde yüzey delme ve patlatma işlemleri ile hazırlanır. Patlatma ile gevşetilmiş kayaçlar, ekskavatör adı verilen kazıcı yükleyici iş makinaları ile yerlerinden sökülerek yüksek taşıma kapasitesi olan kamyonlara yüklenir. Yüksek miktarda üretim yapılan kömür ocaklarında yüksek kapasiteli dragline (çekme kepçe) adı verilen kazı makinaları kullanılır. 1 ton kömür üretmek için üzerinden kaldırılması gereken örtü tabakası hacmi dekapaj oranı olarak tanımlanır. Açık işletme ve yeraltı üretim maliyetlerini eşitlemek için kullanılan orana ekonomik dekapaj oranı adı verilir. Açık işletme metodunun uygulanamadığı, örtü tabakasının çok kalın olduğu durumlar- da 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

Hazırlık aşamasında, arazinin yapısına uygun olarak yeryüzünden itibaren maden yatağına ulaşmak için galeriler, desandriler ve kuyular açılır. Üretim aşamasında, kömür damarına ulaşıldıktan sonra kömür çıkarılır. Yeraltı üretim metotları, damar kalınlığı göz önünde bulundurularak kömürün kazıldığı arına göre aşağıdaki gibi sınıflandırılır;

• Uzun Kazı Arınlı Yöntemler
  • Uzun Ayak Üretim Yöntemi
  • Çapraz Ayak Üretim Yöntemi
• Dar Kazı Arınlı Yöntemler
  • Tavan Arınlı Ayak Yöntemi
  • Taban Arınlı Ayak Yöntemi
  • Tanal Arınlı Ayak Yöntemi
• Topuklu Yöntemler
  • Göçertmeli Topuklu Ayak Yöntemi
  • Dolgulu Topuklu Ayak Yöntemi
  • Çapraz Topuklu Ayak Yöntemi
  • Travers Ayak Yöntemi
  • Kara Tumba
  • Ara Katlı Göçertme Yöntemi
• Oda Yöntemi
  • Oda-Topuk Yöntemi
  • Oda Yöntemi

gibi çok sayıda üretim yöntemi mevcuttur. Ülkemizde kalın damarlardan kömür kazanılmasında arkadan göçertmeli uzun ayak yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır.

Yeraltı işletmeciliğinde çalışma yerine temiz hava sağlanması en önemli önceliklerden biridir. Yeraltına hava gönderme mekanik ve doğal olmak üzere iki şekilde gerçekleştirilir. Mekanik havalandırma pervaneler yardımıyla yapılır ve maden ocağında yedeği bulundurulur. Doğal havalandırma ise kuyu veya galerilerin giriş ve çıkışındaki hava yoğunluğunun farklı olmasından kaynaklanan basınç farkı nedeniyle oluşur. 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.

Kömür Hazırlama

Evsel ve endüstriyel enerji kaynağı olarak kullanılan kömür, çevre kirliliğine neden ol- maktadır. Kömür zenginleştirme (yıkama) tesislerine lavvar adı verilir. Lavvardan elde edilen temiz kömüre lave, atık maddeye şist, ara maddeye ise mikst denir.

Kömürlerin yıkanabilme özellikleri yüzdürme-batırma adı verilen deneyler ile belirlenir. 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. Yüzdürme-batırma çizelgeleri kullanılarak yalnızca verilen yoğunluktaki değerler hakkında bilgi edinilmektedir. Bu değerlerle çizilen kömür yıkama eğrileri ile daha geniş bilgilere ulaşılabilir. Kömür yıkama eğrileri; yüzen kısım kül eğrisi, batan kısım kül eğrisi, parça külü eğrisi, yoğunluk ve ±0,1 dağılım eğrisi olmak üzere beş tanedir.

Kömürün Zenginleştirilmesinde Kullanılan Yöntemler

Zenginleştirme işlemleri, kömürün içerisinde bulunan safsızlıkların giderilmesi için uygulanan işlemlerdir. Kömürün oluşum koşulları, yapısı ve içerisinde bulunan safsızlıklar göz önüne alınarak gerçekleştirilir. Kömürün zenginleştirilmesinde kullanılan ve basit teknikler arasında yer alan boyutlandırma ve kurutma işlemi, kömürün kalitesini iyileştirmek amacı ile uygulanır. Kömür zenginleştirmede en çok kullanılan yöntemlerden birisi Özgül Ağırlık Farkına Göre Safsızlıkların Giderilmesi (Gravite Zenginleştirme Yöntemleri) yöntemidir. Günümüzde en çok kullanılan gravite zenginleştirme yöntemleri; ağır ortam ayırması, jigler, ağır ortam siklonları, hidrosiklonlar ve sallantılı masalardır. Yüzdürme ve Çöktürme ile Safsızlıkların Giderilmesi yöntemi 0,5 mm boyutunun altındaki ince kömürlerin zenginleştirilmesi için kullanılan bir yöntemdir. Manyetik Ayırma ile Safsızlıkların Giderilmesi yöntemi farklı manyetik iletkenliğe sahip olan taneciklerin yapay bir manyetik alanda birbirinden ayrılması esasına dayanan yöntemdir. Düşük Sıcaklık Karbonizasyonu ile Safsızlıkların Giderilmesi yöntemi daha çok linyit kömürlere uygulanmaktadır.