Yeraltı kömür gazlaştırma prosesinin nümerik ve laboratuvar simulasyonu geri ve ileri yanma teknikleri

Abstract

ÖZET Petrol ve doğal gaz gibi sonlu enerji kaynaklarının üretimlerinin azalarak fiyatlarının sürekli olarak yükselmesi karşısında dünya ülkeleri enerji gereksinimlerini gidermek üzere, alternatif kaynaklara yönelmişlerdir. Türkiye sözkonusu olunca, bu kaynaklar arasında kömür ilk akla geleni oluşturmaktadır. Çünkü Türkiye 1.4 milyar tonu taş kömür ve 7.6 milyar tonu ise linyit olmak üzere toplam 9 milyar tonluk bir kömür rezervine sahiptir. Ancak bu yatakların büyük bölümü düşük kalorifik değerlidir ve bu nedenle bilinen madencilik yöntemleri ile değerlendirilmesi ekonomik olmayabilir, ülkemiz kömür rezervlerinin çoğunu oluşturan bu tür yatakların değerlendiril mesi amacıyla yararlanılabilecek en uygun tekniklerden biri yeraltı kömür gazlaştırması (in situ veya underground coal gasification) dır. Bu yöntemin uygulanması sırasında kömür yatağı delinen besleme kuyusu yardımı ile yakı lır, üretilen yanıcı gaz ürün kuyusundan dışarı alınır. Böylece madencilik ve yeraltında insan faktörü sözkonusu olmaksızın kömür yerinde yakılmış ve tüm artıklar da yeraltında kalmış olur. Kömür yatağı yanma reaktörü vazife si görürken, yeraltı suyu prosesin su gereksinimini giderir. Burada kısaca özetlenen nedenler, yeraltı gazlaştırma tekniğinin, klasik madencilik ve onu izleyen yüzey gazlaştırma yöntemine olan üstünlüklerini yaratmaktadır. Yeraltı kömür gazlaştırması iki sınıfa ayrılabilir. Bunlardan biri geri yanma, diğeri ise ileri yanma prosesidir. Geri yanmada, yanma önü hava akımı ile ters yönde ilerlerken, ileri yanma esnasında hava ve yanma önü aynı yönde hareket ederler. İleri ve geri yanma teknikleri arasında pek çok farklılıklar vardır. Yeraltı kömür gazlaştırma proseslerinden biri ve en çok uygulananı bağlantılı düşey kuyular tekniğidir. Bu prosesin ilk kademesinde geri yanma yöntemi uygulanarak kömür -yatağının doğal geçirgenliği, besleme ve ürün kuyuları arasında bir kanal oluşturmak suretiyle artırılır. Daha sonra ileri yanma ile kömür gazlaştırılır. Yeraltı kömür gazlaştırmasını ticarî ölçekteki işletmelerde uygulamaya başlayabilmek için başarılı saha testleri gerçekleştirerek prosesin yürüyüşü tam olarak kavramak gerekir. Saha testleri ile üretilecek olan gazın debisi ve bileşimi üzerinde gerek kömür yatağının özellikleri ve gerekse işletme koşulları önemli ölçüde etkindir. Bu nedenle başarılı testler gerçekleştirebilmek için optimum şartların belirlenmesi gerekir. Ancak bu iş pahalı saha teatleri ile denemek suretiyle yapılamaz. Bu nedenle yeraltı kömür gazlaştırma prosesinin laboratuvar simulasyonunun gerçekleştirilerek, saha testleri için optimum çalışma koşullarının laboratuvar denemeleri ile saptanmasına gerek vardır. Yeraltı kömür gazlaştırma prosesinin nümerik ve laboratuvar simulasyonunu yaparak, bu tekniğin birbirini izleyen iki kademesi olan geri ve ileri yanma proseslerinin tam olarak anlaşılması ve saha testlerinde esas alınabilecek işletme şartlarının belirlenmesi bu çalışmanın ana amacını oluşturmuştur. Bu hedefe ulaşmak için, laboratuvarda adyabatik yanma reaktöründe bir seri geri ve ileri yanma denemeleri gerçekleştirilmiştir. Adyabatik reaktörde yapılan geri yanma denemelerinde farklı çalışma koşulları uygulanarak, geri yanma ile kuyular arası bağlantı sağlama kademesine ait, saha testlerinde uygulanabilecek en iyi işletme şartları araş-tırılmıştır. Denemeler, geri yanma sırasında ulaşılan maksimum sıcaklıkların 500-700°C ı geçmediğini ve bu prosesin bir karbonizasyon prosesi olduğunu göstermiştir. Denemeler sırasında hava debisindeki artış maksimum sıcaklık ve yanma önü hızı ile gaz ürünün yanabilir bileşenlerinin konsantrasyonunu ve ısıl değerini artırmıştır. Sistem basıncının deney sonuçları üzerinde önemli bir etkisi olduğu gözlenmiş, basınç artışı, maksimum sıcaklığı düşürerek yanma önü hızını yükseltmiştir. Basıncın gaz ürün bileşimi üzerindeki etkisi yüksek basıncın metan oluşumunu artırması şeklinde görülmüştür. Besleme gazının oksijen içeriğindeki değişim deney sonuçları üzerinde önemli ölçüde etkindir. Beslenen oksijen miktarının artışı maksimum sıcaklık ve yanma önü hızı ile gaz ürünün yanabilir bileşenlerinin konsantrasyonunu ve buna bağlı olarak da ısıl değerini artırmıştır. Denemeler sonucunda, geri yanma prosesi sırasında yanma önü kömür yatağı boyunca ilerledikçe sıcaklık profilinin şeklinin değişmediği de kanıtlanmıştır. Geri yanma prosesine ait teorik model sonuçları, laboratuvar denemelerinden' elde edilen sonuçlarla kıyaslandığında iyi bir uyum içinde oldukları görülmüştür. Böylece geri yanma matematiksel modelinin geçerliliği ispatlanmıştır. Bu model, bundan böyle geri yanma saha testleri sırasında gerekli olan maksimum sıcaklık, sıcaklık profili ve yatıma önü hızı gibi parametrelerin hesaplanması amacıyla güvenle kullanılabilecektir. Laboratuvarda adyabatik reaktörde gerçekleştirilen ileri yanma denemelerinde, çeşitli çalışma koşulları değiştirilerek, bu değişimlerin deney sonuçları üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Denemeler sonucunda, ileri yanmanın tam bir yanma prosesi olduğu ve maksimum sıcaklığın 900-1200°C a ulaş tığı görülmüştür. Hava debisi yükseltildiğinde, gerek maksimum sıcaklık ve gerekse yanma önü hızı artmıştır. Denemelerde uygulanan su besleme debisin deki artış da maksimum sıcaklık ve yanma önü hızının yükselmesine neden ol muştur. Kömürün gazlaştırılması sırasında belirli bir su besleme/hava (veya oksijen) besleme oranının uygulanması gerekmektedir. Bu oran çok küçük olursa, temel gazlaştırma reaksiyonu olan su buharı/kok reaksiyonu için gerekli su ortamda mevcut olmaz ve gazlaştırma verimi düşerek gaz üründeki hidrojen ve karbonmonoksit yüzdesi azalır. Bu nedenle ileri yanma denemeleri gaz ürü nün hidrojen içeriğinin su besleme debisi ile doğru orantılı olarak arttığını göstermiştir. Su besleme/hava besleme oranının çok büyük olması halinde ise su, endotermik gazlaştırma reaksiyonları için gerekli olan ısıyı alarak bu harlaşır ve böylelikle bu reaksiyonlar gerçekleşmeyerek gazlaştırma verimi düşer. Her iki durumda da gaz ürünün ısıl değeri beklenenin altına iner. İleri yanma ile kömür gazlaştırması sırasında uygulanan basınç arttıkça gaz ürün metan içeriği de yükselmiştir. Üretilen gaz, ısıl değeri açısından düşük ya da orta ısıl değerli olarak sınıflandırılabilir. Laboratuvarda adyabatik reaktörde gerçekleştirilen ileri yanma denemelerine ait sonuçlar, aynı koşullarda yapılmış olan saha testleri sonuçları ile kıyaslandığında uyum içinde oldukları görülmüştür. Böylece adyabatik yanma reaktörünün, yeraltı kömür gazlaştırma prosesinin nümerik ve laboratuvar simulasyonu amacıyla kullanılabileceği kanıtlanmıştır. Gerçekleştirilmesi çok pahalı olan saha testleri ile optimum çalışma şartları ve parametrelerinin saptanması ekonomik açıdan mümkün değildir. Bu nedenle adyabatik reaktörle laboratuvar denemeleri yaparak çeşitli soruları cevaplamak bu gereksinimi gidermede en ideal yolu oluşturmaktadır.

VI SUMMARY NUMERICAL AND LABORATORY SIMULATION OF UNDERGROUND COAL GASIFICATION PROCESS- REVERSE AND FORWARD COMBUSTION TECHNIQUES The oil exporting countries started decreasing their production and increasing the price in 1973, so that the energy crjsis was initiated in the world. As known, oil is a nonrenewable finite energy resource, just like natural gas, which will be depleted in the near future. Realizing this, the countries in the world have begun studies on alternative energy supplies. When Turkey is in consideration, the coal immediately comes to mind among these alternative sources of energy. Because, the coal reserves of this country are estimated to be 9 billion tons; 1.4 billion tons of this amount is antracite and 7.6 billion tons is lignite. However much of Turkish coal is lignite type and has a relatively low heating value, therefore it is not economically minable.by conventional coal mining techniques. Thus, in order to contribute solving the energy problem of this country, it is essential to place extra emphasis on developing methods to utilize the low grade coal. In order to recover the energetic and chemical content of coal and to replace it with natural gas, the coal must be economically converted to a usable gaseous fuel. The process of generating a combustible gas from coal is called coal gasification. This can be accomplished in two ways. The first technology, which exists commercially, gasifies coal in surface gasifiers after mining it by conventional techniques. The second potential method for commercial coal gasification is to generate gaseous products from coal in place, that is, In-situ or Underground Coal Gasification (UCG). During in-situ coal gasification, the coal is ignited injecting a gaseous oxidizing agent through a bore hole drilled into the coal seam. The most critical step in an underground coal gasification operation is the creation of a highly permeable pathway between the injection and production wells. The natural permeability of the coal seam is not sufficient for an efficient UCG process. The enhancement of the natural permeability of the coal seam can be accomplished by five different methods which are known as direct ic drilling, electrolinking, hydrofracturing, explosives and reverse combustion. One of the UCG processes, that is currently being developed in the U.S. is the Linked Vertical Well (LVW) Process. The majority of U.S. field experiments have involved this process, and in the Soviet Union, the LVW process has been utilized on a commercial scale. This process employes reverse combustion to enhance the permeability of the coal bed by forming a highly- vıı permeable pathway between the injection and production wells. In LVW process, after the enhancement of the permeability of the coal seam, the coal is gasified by forward combustion which is the other mode of UCG process. The produced gas is taken to the ground surface via the production well. The main difference between forward and reverse combustion processes is the direction of movement of flame front which is cocurrent to the flow of air in forward combustion and countercurrent to the flow of air in reverse combustion. Underground Coal Gasification has some advantages over classical mining followed by surface gasification. In in-situ gasification process coal seam is utilized as a chemical reactor, so that the capital investment is much less when compared with surface gasification. The process is carried out underground, ash and waste product remain under the surface. This method eliminates environmental problems and safety and health hazards to miners, associated with present mining of coal and surface processing or combustion. The water consumption is less than that for surface gasifiers; because, while surface gasifiers require massive amount of cooling water, UCG utilizes ground water in-situ. Thermal efficiency that is defined as the percentage of heat liberated by the coal that appears at the surface in a combustible form, ranges from 75 percent to 90 percent. This value is 70 percent for Lurgi surface gasifiers. Most of the sulfur is in the form of H2S rather than SO2, and H2S can be removed easily before combustion; therefore, the amount of air pollution is substantially less than for direct coal combustion. In order to employ UCG in commercial scale plants, it is necessary to understand the technique completely by carrying out successfull field tests. Field tests can be conducted at various operating conditions, and they also can be applied to various coal seams with different properties. Therefore, it is essential to know how coal seam properties and operating conditions affect the production gas flow rate and composition. It is not economically feasible to find out the best operating conditions for UCG, through expensive field tests. Therefore, the burden of exploring various coals and operating conditions must be placed on numerical and laboratory simulations of the process. <p The main objective of this work is to determine the best operating conditions for UCG and to help understand better the two different modes of the process, reverse and forward combustion, and the differences between them, by accomplishing the numerical and laboratory simulation of the UCG process. In order to achieve this objective, a series of forward and reverse combustion experiments have been conducted in combustion tube in the laboratory. The coal gasification tube is built of a 1.22m. x 12.7cm. dia.310 stainless steel tube with a 1.27 cm. thick lining of high alumina castable refractory. The reactor is housed in a heavy steel vessel in order to enable it to be operated at high pressures. In order to achieve an adiabatic- Vi.ll laboratory simulation, and to simulate the process as closely as possible to.the field conditions, it is necessary to minimize the radial heat losses froi the reactor. For this purpose, eleven heaters are placed around the center section of the gasification tube. Each heater has a pair of thermocouples, one inside the reactor wall and one between the heater and the outside of the reactor wall. If the inside wall thermocouple which is monitored by the heater controllers, is hotter than the outside wall thermocouple, the heater turns on. There are also six center thermocouples placed along the. axis of the reactor which are used. to determine the temperature profile. During a gasification experiment, air is supplied from compressed gas cylinders, and before injecting it into the reactor, the air is reduced to a working pressure. Air and water are injected into the top of the reacto The liquids are removed by liquid collectors from the bottom of the reactor. The product gas is filtered and its pressure is adjusted by a back-pressure regulator. Flow rate of production gas is measured, part of the gas stream passes through a gas chromatography for analysis and the rest is vented out.. Before the start of a run, preparation of the coal must be performed. The coal used for the experiments is subbituminous coal and is taken from the Rosebud mine near Hanna Wyoming, U.S.A. In order to prevent the coal from oxidation it is stored under water and air-dried before the run. The dried coal is crushed and sorted with a particle diameter between 0.58 mm. and 0.84 mm. Before packing the reactor, bulk density, porosity and moisture content of the coal is determined, and proximate and ultimate analysis are also carried out. The coal bed is formed in the combustion tube and the equipment is assembled. The coal is ignited from the bottom of the reactor for reverse combustion experiments and from the top of the reactor for forward combustion experiments, while air is injected from the top of the gasification tube. During a coal gasification experiment : - The temperatures along the center of the coal bed, and along the inside and outside wall of the reactor are continuously recorded on temperat recorders by thermocouples. - Injection and production gas flow rates, system pressure and due point temperature are recorded every 1/2 hour. - The liquid products collected in the liquid collecters placed at the bottom of the reactor, are removed to a sample container and weighed every 1/2 hour. - The composition analysis of product gas is conducted by the gas chromatography every 1/2 hour. When the flame front reaches the top or the bottom of the reactor depending on the mode of combustion, the combustion process in the tube is completed and at this moment air and water supplies are shut off. After the reactor is cooled sufficiently, the combustion tube is removed from the pressure shell and disassembled. The combusted coal is weighed, the proximaland ultimate analysis of the char are made, the coal tar is separated from the water and analyzed, the production gas composition is determined and the heating value is determined. The reverse combustion experiments conducted in the coal gasification tube in the laboratory, have been carried out at different operating conditions, parameters such as air injection rate, system pressure, and oxygen content of injected air are changed in order to help understand this process better and to determine the best operating conditions for expensive field tests. Basing on the results of the experiments it was concluded that the reverse combustion is only a carbonization process rather than a complete combustion. The maximum temperatures reached during this process have never been exceeded 500-700 C. During the experiments, the increase in air injection rate has caused the maximum temperature and the combustion front velocity to increase. It was also concluded, that the system pressure has a significant effect on the results of the experiments. It was seen that a higher pressure results in a lower maximum temperature and a higher combustion front velocity. The effect of pressure on the composition of product gas has been observed as higher methane concentration yielded by a higher system pressure. The oxygen content of injection gas has a substantial effect on the results of reverse combustion experiments. The increase in oxygen concentration has caused maximum temperature and combustion front velocity to increase. A higher oxygen content of injection gas has led to a higher concentration of combustible components of the product gas and an increased heating value. It was also observed by the experiments that the shape of the temperature profile of reverse combustion does not change as the flame front propagates through the coal bed. Reverse combustion laboratory experimental results have been compared with the calculated results obtained from the mathematical model of the reverse combustion. The good agreement observed between the results of the experiments and the predicted data allows the one dimensional model to be validated. Therefore, this model will be used with confidence in field tests, in order to predict the temperature profile, the maximum temperature and the combustion front velocity which may -be expensive to measure by direct means. A series of forward combustion experiments have been conducted in the combustion tube in the laboratory at various operating conditions, in order to explore the best operating conditions for field tests. Basing on the results obtained by the experiments, it was concluded that the forward combustion is a complete combustion process with the maximum temperatures of 900-1200°C. The effect of higher air injection rate has been observed as a higher maximum temperature and a faster front velocity. A higher water injection rate resulted in a higher maximum temperature and a higher combustion front velocity. It is necessary to use an optimum water injection/air (or oxygen) injection ratio during the UCG process. If this ratio is too low, then the amount of water is not sufficient for the basic gasification reaction, steam/ coke reaction; therefore, the gasification yield decreases and the hydrogen and carbonmonoxide concentrations of product gas also decrease. The laboratory forward combustion experiments also showed that the hydrogen content of productgas has increased with an increased water injection rate. In the case of a very high water injection/air (or oxygen) injection ratio, the water vaporizes absorbing the heat necessary for the endothermic gasification reactions. Hence, these reactions do not take place and the gasification yield gets lower. For the both extreme cases, the heating value of the product gas decreases below the expected value. During the forward combustion experiments, an increased system pressure has resulted in a higher methane concentration of product gas. The gas produced by these experiments can be classified as low or medium heating value gas. The results of the forward combustion experiments performed in the gasification tube in the laboratory have been. compared with the results of the field experiments, conducted at the same operating conditions. The agreemen observed was satisfactory. Therefore, it was proved that the adiabatic reactor can be used successfully for the numerical and laboratory simulation of underground coal gasification. The adiabatic reactor is an indispensable tool for exploring the best underground coal gasification operating conditions which may be very costly other wise.