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. 2011 yılı itibariyle dünyada kömür üretimi dikkate alındığında yaklaşık 119 yıl yetecek kömür rezervi olduğu bilinmektedir.

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

Turbaların Oluşumu

Turbalaşma, kömürleşmenin ilk evresini oluşturan biyokimyasal süreçler olarak tanımlanır. Kömürlerin ataları olarak bilinen turbaların oluşumda rol oynayan en önemli faktörler; coğrafi, biyokimyasal, fiziksel şartlar ve jeolojik iklim olarak sıralanabilir. Kömürün oluşabilmesi için turbaların yeterli kalınlığa ulaşması gerekir. Önemli jeolojik parametrelerden biri ise turba birikim hızıdır. Kömürün oluşabilmesi için turba birikim hızı birçok etmene bağlıdır. Bunlar: turbanın içinde bulunduğu jeolojik ortamın çökme hızı, bitki bolluğu ve organik maddelerin bozunma hızıdır. Turbalar kömürleşme sürecinin ilk aşamasıdır ancak kömür sınıfına dahil edilmezler.

Turbaların Kömürleşme Süreci

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 sürecini doğrudan etkileyen diğer faktörler ise sıcaklık, basınç ve zamandır. Jeotermal gradyan, her 100 m derinlikle, yer kabuğu sıcaklığındaki artış miktarıdır.

Kömürün Yapısı

Kömür, katı fazdaki organik ve inorganik maddelerin değişik oranlarda birleşmesinden oluşur. Bu maddelere ek olarak, kömürün içeriğinde su ve gaz da bulunabilmektedir. Kömürün yapısındaki bileşenler hakkında bilgi sahibi olmak, ileride bahsedilecek konuları öğrenmek açısından önem taşımaktadır.

Kömürü Oluşturan Organik Maddeler

Kömürler makroskobik olarak incelendiğinde yapısında gözle görülebilen parlak, yarı parlak veya mat bantlar bulunmaktadır. Bu bantlı bileşenlere litotip ismi verilir. Taşkömürleri vitren, klaren, duren ve fuzen olmak üzere dört ayrı litotip içerir. Linyitler ise hüminit, liptinit ve inertinitten oluşur. 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.

Kömürü Oluşturan İnorganik Maddeler

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), sulfitler (pirit, markasit, sfalerit, galen), sulfatlar (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:

a. Primer bitkilerden gelen inorganik maddeler (örneğin; kalsiyum, magnezyum, demir, sodyum vb.),

b. Turba oluşumu esnasında su ve rüzgar gibi etkenlerle taşınarak kömürün bünyesine giren inorganik maddeler,

c. 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. Kömürün özelliklerinin bilinmesi; sınıflandırılmasında, kullanım alanlarının belirlenmesinde ve jeofizik yöntemlerle aranmasında büyük önem taşır.

Nem

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.

Yoğunluk

Kömür heterojen bir maddedir ve buna bağlı olarak farklı yoğunluklardaki maddelerden oluşur. Kömürün yoğunluğu kömürleşme derecesine, uçucu madde, nem ve içerdiği kül oranına bağlıdır. Gözenekli 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

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.

Sertlik

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.

Öğütülebilirlik ve Ufalanabilirlik

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. 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.

Isıl İletkenlik

Isıl iletkenlik, maddenin ısıyı iletme yeteneği olarak tanımlanır. Isıl iletkenliği etkileyen faktörler; uçucu madde oranı, sıcaklık, nem ve yoğunluktur. Kömürün yaşı arttıkça ısıl iletkenliği azalır.

Manyetik Duyarlılık

Kömür; diamanyetik, paramanyetik ve ferromanyetik karışımından oluşur. Kömürün organik bileşeni diamanyetiktir. Diamanyetikler sıcaklık ve alan şiddetinden etkilenmez. Kömürün inorganik maddeleri ise paramanyetik veya ferromanyetik özellik taşır. Ferromanyetikler, sıcaklıktan etkilenir.

Kömürün Diğer Özellikleri

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

Kömürleşme sürecinden itibaren kömürler jeolojik, petrografik, fiziksel, kimyasal ve termal özellikleri yönünden çok çeşitli özellikler gösterirler. Ülkemizde, kömürler; turba, linyit, bitümlü kömür ve antrasit olarak sınıflandırılmaktadır. Ayrıca kömürün ısıl analizi, yanma özellikleri, kömürleşme derecesi, koklaşabilme özellikleri, kül ergime sıcaklığı akışkanlık ve dilatasyon testleri ile belirlenir.

Kömür Üretim Metotları

Kömür işletmeciliğinde, kömürün kullanıma hazır hâle getirilmesi için genel olarak açık işletme metodu ya da yeraltı işletme metodu tercih edilmektedir. Seçilen metot, kömür damarının kalınlığına, derinliğine, eğimine, birikimin jeolojik konumuna ve çevre koşullarına göre belirlenir.

Açık İşletme Metodu

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.

Yeraltı İşletme Metodu

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. Maden yatağındaki üretim çalışmalarının başlaması için işçilerin ocağa girmeleri, gerekli havanın ocak içerisinde dolaşımını sağlayacak yolların yapılması ve üretim yerlerinin açılması gerekmektedir. 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. İşlemler genellikle yan kayaç içerisinde yürütülür. Hazırlık işlemleri; delme, dinamit doldurma, ateşleme, taş yükleme, taşların taşınması, açılan yeri tahkim etme ve çalışma bölgesine temiz hava gönderilmesi adımlarından oluşur.

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
• Yanal 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.

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.

Madende bulunan kirli hava, hava dönüş yolunu takip ederek dışarı atılır. 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 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. Kömür zenginleştirme (yıkama) tesislerine lavvar adı verilir. Lavvardan elde edilen temiz kömüre lave , atık maddeye şist , ara maddeye ise mikst denir.

Kömürün Yıkanabilme Özellikleri

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.

Kömürün Zenginleştirilmesinde Kullanılan Yöntemler

Zenginleştirme işlemleri, kömürün içerisinde bulunan safsızlıkların giderilmesi için uygulanan işlemlerdir.

Boyutlandırma ve Kurutma ile Safsızlıkların Giderilmesi

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.

Özgül Ağırlık Farkına Göre Safsızlıkların Giderilmesi (Gravite Zenginleştirme Yöntemleri)

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.

Yüzdürme ve Çöktürme ile Safsızlıkların Giderilmesi

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.

Manyetik Ayırma ile Safsızlıkların Giderilmesi

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.

Düşük Sıcaklık Karbonizasyonu ile Safsızlıkların Giderilmesi

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.