Türkiye`deki termik santrallara beslenen kömürlerin ve yanma sonucu oluşan katı atıkların çevresel etkileri

Abstract

ÖZET Ülkemizde toplam elektrik enerjisi üretiminde kömüre dayalı termik santralların payı yaklaşık %33'lük bir orana sahiptir. Termik santrallarda en önemli çevresel sorunun sadece hava kirliliği olduğu düşünülür, ancak termik santrallarda kül oranı yüksek, düşük kaliteli kömürlerin yakılması sonucu büyük miktarlara ulaşan katı atıklar (uçucu kül ve taban külü) oluşmaktadır. Bu katı atıkların santrallardan uzaklaştırılması ve depolanması çevre kirliliğinin yanısıra işletme, enerji üretim kaybı v.b. konularda parasal ve teknik problemler yaratabilmektedir. Bu nedenle santrallara beslenen kömür ve yanma sonucu oluşan katı atıkların özelliklerinin bilinmesi çevresel açıdan büyük önem taşımaktadır. Tez çalışması, Türkiye'deki termik santrallarda yakılan kömür ve yanma sonucu oluşan katı atıkların kaba kimyasal, mineralojik ve jeokimyasal özelliklerini incelemek ve kömür- kül ilişkileri hakkında bilgi edinmek; kömür ve katı atıkların özelliklerinin zamansal ve üniteler arasında bir değişimin olup olmadığını seçilen Çayırhan Termik Santralında ayrıntılı olarak araştırmak; elde edilen verilen ışığında kömür ve yanma sonucu oluşan küllerin çevresel etkilerini belirlemek; uçucu küllerden sentetik zeolit minerallerinin elde edilmesine yönelik deneysel çalışmalar yapmak amacı taşımaktadır. Tez çalışması kapsamında ülkemizdeki 10 termik santralın 13 ünitesinden toplam 39 adet örnek (beslenen kömür, uçucu kül ve taban külü) alınmış ve analizleri yapılmıştır. Beslenen kömür örneklerinde, ortalama olarak %26.1 toplam nem ve havada kuru bazda %7.6 nem, %44.2 kül, %29.1 uçucu madde, %2.05 toplam kükürt ve 2991 Kcal/kg üst ısıl değeri saptanmıştır. XRD toz difraktogramları yardımıyla kömür örneklerinin çoğunda kuvars, feldispat, kalsit, dolomit, aragonit, pirit, jips ve siderit tanımlanmıştır. Uçucu ve taban küllerinde ise kuvars, feldispat, anhidrit, kireç, hematit, manyetit, gehlenit, kristabolit ve portlandit saptanmıştır. Jeokimyasal analız sonuçlarına göre bir çok termik santrala beslenen kömür örneklerinde Cr, Cs, Mn, Mo, Ni, Rb, Th, U ve V elementlerin içerikleri, Dünya'daki çoğu kömürlere ait maksimum sınır değerini aşmaktadır. Uçucu küllerde Nb ve U, taban küllerinde As, Cr, Li, Pb, Ta ve U içeriği Dünya'daki diğer termik santrallara göre zenginleşme göstermektedir. Termik santrallara beslenen kömür ve yanma sonucu oluşan katı atıklardan elde edilen kimyasal analiz sonuçlarını çevresel açıdan değerlendirebilmek amacıyla kütle denge hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Hesaplama sonuçlarına göre Zn, Sn, Pb, As, Mo, Tl, ve Ge elementlerinin uçucu karakter gösterdiği ve uçucu küller üzerinde zenginleştiği belirlenmiştir. Çalışma kapsamında Çayırhan termik santralının iki ünitesinden periyodik olarak toplam 48 ömek (beslenen kömür, uçucu kül ve taban külü) alınmış ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında beslenen kömür, uçucu kül ve taban külü örneklerine ait analiz sonuçlarında, gerek üniteler arasında ve gerekse zamansal olarak önemli bir değişimin olmadığı görülmüştür. Çayırhan termik santralına beslenen kömürler havada kuru bazda yüksek nem (ort. %8.2), kül (ort. %44.9) ve kükürt (ort. %5.1) içeriğine sahiptir. XRD toz difraktogramları yardımıyla kömür örneklerinde klinoptilolit, analsim, jips, feldispat, pirit, dolomit, kalsit ve kil mineralleri tanımlanmış ir. Uçucu ve taban küllerinde ise anhidrit, feldispat, kuvars, hematit, manyetit, kristabolit, CaMg-silikat (diyopsit ?), kireç, maghemit ve gehlenit belirlenmiştir. Beslenen kömürlerde bazı elementlere (As, Bi, Mn, Th, U, W ve Zr) ait ortalama değerler, Dünya'daki çoğu kömürlere ait sınır değerleri aşmaktadır. Tez kapsamında uçucu küllerden sentetik zeolit minerallerinin elde edilmesine yönelik deneysel çalışmalar yapılmış; SEM ve XRD toz difraktogramları yardımıyla elde edilen ürünlerde sentetik zeolit mineralleri (zeolit Na-X, sodalit oktahidrat ve faujasit) tanımlanmıştır.

ABSTRACT The electricity production from coal-burning power plants in our country is about 33% within total electricity production. Only air pollution is considered to be a single environmental problem in thermal power plant areas, beside this, important amounts of solid wastes (fly ash and bottom ash) result from the use of high ash and low quality coals. Removing of the solid wastes from thermal power plants and its storage may not only cause environmental pollution but also result in financial and technical problems such as processing, energy loss etc. Therefore, having knowledge on the properties of coal used in thermal power plants and of solid wastes is vital. The purpose of this study is to investigate proximate analysis, mineralogy and geochemical properties of feed coals and solid wastes in Turkish thermal power plants; to get knowledge about coal-ash relations; to find out whether or not the properties of coal and solid wastes change in time and between power plant units in selected Çayırhan power plant in detail; to determine environmental effects of coal and ash resulting from its combustion under the light of the data obtained and to make experimental studies for the formation of synthetic zeolite minerals from fly ashes. During this study, a total of 39 samples (feed coal, fly ash and bottom ash) from 13 units of 10 Turkish power plants have been collected and analysed. In the coal samples, 26.1% total moisture, and on an air-dried basis 7.6% moisture, 44.2% ash, 29.1% volatile matter, %2.05 total sulphur and 2991 kcal/kg gross calorific value have been determined. Quartz, feldspar, calcite, dolomite, aragonite, pyrite, gypsum and siderite have been identified in most feed coal samples from XRD powder diffractograms. In the fly ash and bottom ash samples quartz, feldspar, anhydrite, lime, hematite, magnetite, gehlenite, cristobalite and portlandite have been detected. The results of the geochemical analyses show that Cr, Cs, Mn, Mo, Ni, Rb, Th, U and V contents in most feed coal samples of Turkish thermal power plants exceed maximum values of most world coals. The Nb and U contents in the fly ash samples and As, Cr, Li, Pb, Ta and U contents in the bottom ash samples are relatively higher than those of other thermal power plants in the world. Mass balance calculations are made in order to environmentally evaluate the chemical analysis results which are obtained from the feed coal into power plants and solid wastes resulting from its combustion. The calculations show that Zn, Sn, Pb, As, Mo, Tl and Ge show volatile character and they are higher concentrations in the fly ash. A total of 48 periodic samples (feed coal, fly ash and bottom ash) from two units of the Cayirhan thermal power plant have been collected and they are analysed in this study. The analysis results show that there is no important difference between the units or in time. The feed coals on an air-dried basis contain high moisture (av. 8.2%), ash (av. 44.9%) and sulphur (av. 5.1%). Clinoptilolite, analcime, gypsum, feldspar, pyrite, dolomite, calcite and clay minerals have been identified in the feed coal samples from XRD powder diffractograms. On the other hand, anhydrite, feldspar quartz, hematite, magnetite, cristobalite, CaMg-silicate (diopsite?), lime, maghemite and gehlenite have been identified in the fly ash and bottom ash. The means for some element concentrations (As, Bi, Mn, Th, U, W and Zr) in the feed coals exceed the range values of most world coals. Experimental studies for the formation of synthetic zeolite minerals from the fly ashes have been performed in this study. Synthetic zeolite minerals (zeolite Na-X, sodalite octahydrate and faujasite) have been identified in the experimental products by the SEM and XRD powder diffractograms.