Development of combustion tube experimental setup for underground coal gasification
Yer altı kömür gazlaştırması için yanma tüpü deney düzeneği geliştirilmesi
- Tez No: 708863
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT ÇINAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Hızla artan nüfus ile birlikte enerji ihtiyacı da artmaktadır. Ülkeler bu enerji ihtiyacını karşılayabilmek için agresif enerji üretim politikaları izlemiştir. Bunun sonucunda küresel ısınma başta olmak üzere çeşitli çevre problemleri ortaya çıkmıştır. Sanayi devrimi ile birlikte birincil enerji üretim kaynağı kömür olmuş ve kömürün sorumsuzca ve bilinçsizce kullanımı çevre sorunlarının ortaya çıkmasında etkili olmuştur. Son yıllarda artan çevresel kaygılar ve enerji ihtiyacı sebebiyle kömürden enerji üretiminde geleneksel yöntemlere kıyasla yeni teknolojiler ile birlikte görece daha temiz enerji üretilebilmektedir. Kömür yatağı gazı (coal bed methane) ve yer altı kömür gazlaştırması (YKG) gibi yeni teknolojiler sayesinde kömürden enerji üretilebilmektedir. Kömür kullanılarak enerji üretiminde geleneksel yöntemler başlıca yüzey ve yeraltı madenciliği yaparak kömür eldesine dayanmaktadır. Daha sonra elde edilen kömür esas olarak termik santrallerde yakılıp buhar kazanlarında buhar üretmek için kullanılmakla beraber ısınma amaçlı evlerde de kullanılmaktadır. Yüzey ve yeraltı madenciliği sırasında maden işçileri hayatlarını riske atarak çok zor koşullarda çalışmaktadırlar. Maalesef geçmişte kömür madenlerinde çok sayıda ölümlü kaza gerçekleşmiştir. Ayrıca termik santrallerin ve evlerin bacasında yeterli filtre kullanılmaması ve denetiminin de yeterli düzeyde yapılmaması çeşitli çevresel sorunlar doğurmaktadır. Yeraltı kömür gazlaştırması işlemi kömürün geleneksel yöntemlere kıyasla görece daha temiz ve güvenli kullanımını sağlamaktadır. Yeraltı kömür gazlaştırması işlemi başlıca üretim ve enjeksiyon kuyularının kömür damarına delinip kömürün yerinde gazlaştırılması ile açığa çıkan sentez gazının üretilmesine dayanmaktadır. Daha önce eski Sovyetler Birliği döneminde önemli çalışmalar yapılmış fakat doğalgazın daha ucuza üretilebilmesi ile bu çalışmalar sekteye uğramıştır. Daha sonra Birleşik Devletler, Avrupa ve Çin ve Avustralya'da önemli saha ve laboratuvar çalışmaları yapılmıştır. Endüstriyel ölçekte çalışan tek santral eski Sovyetlerden kalan Özbekistan'daki Angren yeraltı kömür gazlaştırma santralidir. Yeraltı kömür gazlaştırması işlemine uygun kömür damarı belirlendikten sonra üretim ve enjeksiyon kuyu çiftleri belirlenen kömür damarına delinir. Daha sonra kuyular arasında gaz akışını sağlamak için yeterli bağlantı yoksa, kuyular arasında bağlantı oluşturulur. Enjeksiyon kuyusundan kömürü gazlaştırma için gerekli akışkanlar (hava, oksijence zenginleştirilmiş hava ve buhar-oksijen karışımı) basılıp kömür gazlaştırılır. Kömür gazlaşması sırasında üç ana proses gerçekleşir bunlar kuruma, piroliz ve gazlaşmadır. Kömür içeriğindeki nem kuruma sırasında buharlaşır. Daha sonra artan sıcaklıkla beraber piroliz gerçekleşir ve ürün olarak kok açığa çıkar. Son olarak kok gazlaşarak sentez gazı açığa çıkar. Kömür gazlaştıkça gazlaşma bölgesinde boşluk (kavite) oluşur ve gazlaştırma süresince boşluk büyür. Sentez gazı esas olarak karbondioksit, karbonmonoksit, metan ve hidrojen içermektedir. Açığa çıkan sentez gazı üretim kuyusundan üretilip yüzeydeki tesise aktarılmaktadır. Daha sonra üretilen sentez gazı enerji üretmek için kullanıldığı gibi sentetik yakıt üretiminde kullanılmaktadır. Yeraltında oluşan boşluktan dolayı çökme ve yeraltı sularının gaz kaçaklarıyla kirlenme olasılıkları yeraltı kömür gazlaştırma işleminin başlıca çevresel sorunlarındandır. Saha ve operasyon parametrelerinin uygun olarak seçilerek bu sorunlar ortadan kaldırılabilmektedir. Yeraltı kömür gazlaştırma işlemi başta kömür tipi olmak üzere çok farklı parametrelere bağlıdır. Kömürün karmaşık yapısından dolayı aynı damar içinde bile heterojen bir davranış sergileyebilir. Aynı zamanda kömür özellikleri farklı rankta kömürler arasında da değişiklik göstermektedir. Bu sebeplerden dolayı yeraltı kömür gazlaştırma işleminin verimi farklı kömür tiplerinde ve aynı ranka sahip farklı kömür sahalarında farklılık gösterebilir. Minimum kömürün gazlaştırılması ile yüksek ısıl değere sahip maksimum miktarda sentez gazının üretilmesi operasyon verimliliği olarak tanımlanabilir. Kömür damarının derinliği, çevresindeki formasyon ve jeolojik yapılar da operasyon verimini etkilemektedir. Formasyon özelliklerinin yanında operasyon parametreleri de yeraltı kömür gazlaştırma işleminin verimini etkilemektedir. Enjekte edilen akışkan, enjeksiyon basıncı, kuyular arası bağlantı yöntemi ve üretim için kullanılan metod işlemin verimini etkileyen operasyon değişkenleridir. Yeraltı kömür gazlaştırma işleminin fiziksel ve kimyasal özelliklerini daha iyi anlamak ve elde edilen bilgilerle endüstriyel ölçekte uygulamalar yapabilmek için saha ve laboratuvar çalışmaları yapılmaktadır. Eski Sovyetler Birliği ile başlatılan saha çalışmaları sonradan ABD'de ivme kazanmıştır. Enjeksiyon ve üretim kuyuları arası uzaklık, kuyular arası bağlantı yöntemi, farklı kömür rankları, farklı operasyon basınçları ve üretim için kullanılan metod gibi değişkenlerin yeraltı kömür gazlaştırmasına etkisi bu saha ve laboratuvar çalışmalarıyla daha iyi anlaşılmaya çalışılmaktadır. Aynı zamanda yeraltında gazlaştırma sırasında oluşacak boşluğun büyüme hızı ve geometrisi de bu saha ve laboratuvar çalışmalarıyla incelenmektedir. Bu sayede olası göçük ihtimali önlenmeye çalışılmaktadır. Endüstriyel ya da pilot ölçekli saha çalışmalarından önce yeraltı kömür gazlaştırma işleminin en uygun verimde çalışması, gerekli operasyon değişkenleri değerleri ve kömür özelliklerinin belirlenmesi için laboratuvar çalışmalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Yeraltı kömür gazlaştırması için laboratuvar deneylerinde kömür numunesi blok olarak alınıp blok testler yapılacağı gibi parçacıklar halinde bir tüp içinde istiflenip de gazlaştırma deneyleri yapılabilir. Elbette özellikle derin damarlardan blok halinde numune almak mümkün olmamaktadır. Bu durumda örnekler karaotlar şeklinde kuyulardan alınır. YKG için önceki yanma tüpü deneylerinden bazıları, reaktörde adyabatik ortam sağlanarak gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde sistem, ısı kayıpları sıfıra yakın olacak şekilde tasarlanmıştır. Reaktörün dışındaki sıcaklık, reaktörü dışarıdan ısıtarak reaktör içindeki sıcaklığa eşit olmasına çalışılmıştır. Bu tasarımda, deney boyunca iyi sıcaklık davranışı sağlanırken, tasarım yeraltı koşullarını temsil etmekte zayıftır. Çünkü YKG operasyonu sırasında çevredeki formasyonlara önemli miktarda ısı kaybı vardır. Önceki yanma tüpü deneylerinde H2S filtresi yoktur. Bu çalışmanın deneysel tasarımı bir H2S filtresi içermektedir. Ayrıca ısı kayıpları en aza indirilmeye çalışılmıştır fakat bu çalışmada kullanılan reaktör adyabatik bir reaktör değildir. Yanma tüplerinin adyabatik çalışmasında, reaktör harici olarak ısıtıldığından, kendi kendine devam eden bir yanma cephesinin elde edilip edilmediği açık değildir. Sağlanan ısı, yanma cephesi üzerinde bir etkiye sahip olabilir. Harici ısıtmanın etkisini ayırt etmek zordur. Bu çalışmada yeraltı kömür gazlaştırma deneyleri için yanma tüpü deneyleri, petrol sahalarının yerinde yanma analizi için kullanılan yöntemlerin adapte edilmesi ile geliştirilmiştir. Yeraltında kömürün gazlaşmasının daha iyi anlaşılması, gazlaştırma sonucu açığa çıkan sentez gazlarının gazlaşma boyunca içeriği ve yanma bölgesinin ilerleme hızları takip edilmiştir. Sentez gazı içeriği ve yanma bölgesinin önündeki ve gerisindeki sıcaklıkların eğimleri incelenerek kömür gazlaştırma deneyleri için kullanılacak yanma tüpünün ölçüleri belirlenmiştir. Bu ölçüler belirlenirken sentez gazının içeriğinin ve yanma bölgesinin önünde ve gerisindeki sıcaklık profilinde eğiminin değişmediği durum stabil periyot (stable period) olarak alınmıştır. Çalışma süresince enjekte edilen akışkan, kömür rankı ve operasyon basıncı gibi parametreler de ayrıca irdelenmiştir. YKG operasyonunu etkileyen önemli etkenlerden biri de enjekte edilen akışkanın içeriğidir. Literatürde ve farklı saha uygulamalarında hava, oksijence zenginleştirilmiş hava ve buhar-oksijen karışımı kullanılarak gazlaştırma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın bir bölümünde de enjeksiyon akışkanındaki oksijen miktarının kömürün gazlaşması üzerindeki etkisi incelenmiştir. Deney sonuçlarına göre, artan oksijenle beraber üretilen sentez gazının CH4, H2, CO ve CO2 içerikleri ve buna bağlı olarak da ısıl değerinin de arttığı gözlenmiştir. Kömürün gazlaştırılması sırasında üretilen sentez gazı başta H2S olmak üzere çeşitli korozif gazlar içermektedir. Açığa çıkan H2S'in ana kaynağı kömürde bulunan sülfürdür. Açığa çıkan H2S'i tutmak için kostik yıkama (caustic scrubbing), metal oksitler ve alkali emdirilmiş aktif karbon gibi farklı teknikler bulunmaktadır. Bu çalışmada açığa çıkan H2S'i atmosfere vermemek için kostik yıkama kolonu kullanılmıştır. Üretilen sentez gazı atmosfere verilmeden önce bu kolona girerek içerdiği H2S'ten olabildiğince arındırılmaktadır. Yıkama kolonunun devreye girmesinden sonra, çürük yumurta kokusundaki önemli bir azalma, niteliksel olarak H2S konsantrasyonundaki düşüşü göstermiştir. Sonuç olarak, petrolün yerinde yakılması deneyleri için geliştirilen bir yanma tüpü deney düzeneği, yeraltı kömür gazlaştırma deneyleri için modifiye edilmiştir. Deney düzeneği, bir H2S yıkama kolonu ve uygun kum filtreleri eklenerek güncellenmiştir. Deneylerde karşılaşılan kum filtresi ve yoğuşturucunun tıkanması ve ikinci yanma cephesinin oluşması gibi genel problemler için öneriler sunulmuştur. Daha uzun ve daha yüksek hacimli bir sıvı tutucu kullanmak, gazın içindeki sıvının yoğunlaşmasına yardımcı olabilir. Bu, sıvı tutucu aynı zamanda fazla sıvıyı tutan bir yoğuşturucu görevi gördüğü için kum filtresi ve yoğuşturucunun tıkanmasına bir çözüm olabilir. Ayrıca enjekte edilen sıvının O2 içeriğinin etkisi de incelenmiştir. Enjekte edilen sıvının O2 içeriğindeki bir artışın sentez gazının metan, hidrojen ve karbon monoksit içeriğini arttırdığı deneyimlenmiştir. Kullanılan linyit numuneleri için 6 lt/dk enjeksiyon debisinde, 1 m uzunluğunda 7 cm çapında bir yanma tüpü için kararlı davranış gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Traditional methods of energy production using coal are mainly based on obtaining coal by surface and underground mining. Later, the obtained coal is burned in thermal power plants and used to produce steam in steam boilers, but it is also used in homes for heating purposes. During surface and underground mining, miners work in very difficult conditions, risking their lives. Unfortunately, there have been many fatal accidents in coal mines in the past. In addition, not using enough filters in the chimneys of thermal power plants and houses, and insufficient control cause various environmental problems. The underground coal gasification process provides relatively cleaner and safer utilization of coal compared to traditional methods. The underground coal gasification process is mainly based on the production of synthesis gas (syngas) formed by gasification of the coal in situ. In the former Soviet Union, important studies were carried out, but these studies were interrupted by the cheaper production of natural gas. Significant field and laboratory work have subsequently been carried out in the United States, Europe, China, and Australia. The only operating plant on an industrial scale is the Angren underground coal gasification plant in Uzbekistan, a remnant of the former Soviet Union. After a suitable coal seam is determined for the underground coal gasification process, the production and injection well pairs are drilled into the determined coal seam. Then if it is not adequate, a connection is created between the wells to ensure gas flow between the wells. Air, oxygen-enriched air, or steam-oxygen mixture can be injected from the injection well to partially oxide coal. During the gasification of coal, several reactions take place. The drying of coal, pyrolysis and gasification processes are the main processes. First, the moisture inside the coal evaporates in the drying phase and is followed by pyrolysis. Second, with the increase in the temperature coal decomposition occurs which is also called pyrolysis. Char forms as a result of pyrolysis and char gasification take place as the final step. These processes occur simultaneously as the oxidant injection continues. As the coal gasifies, a cavity is formed in the gasification region and the cavity grows during gasification. As a result of the gasification of coal, syngas is released. Syngas mainly contains carbon dioxide, carbon monoxide, methane, and hydrogen. The released syngas is produced from the production well and transferred to the facility on the surface. Later, the produced syngas is used for various purposes as electricity generation, methanol, hydrogen, and synthetic fuel production. The underground coal gasification process depends on several different parameters, especially the coal type. Coal properties vary between coals of different ranks. Due to the complex structure of coal, it can exhibit a heterogeneous behavior even within the same seam. For these reasons, the efficiency of underground coal gasification may differ in different coal ranks and different coal fields of the same rank. The depth of the coal seam, the formation, and the geological structures around it also affect operational efficiency. In addition to the formation characteristics, the operation parameters also affect the efficiency of the underground coal gasification process. Producing a maximum amount of syngas with a high heating value by gasification of minimum coal can be described as process efficiency. Injected fluid, injection pressure, connection method between wells, and the method used for production are the operational variables that affect the efficiency of the process. Field and laboratory studies are carried out to improve the understanding of the physical and chemical properties of the underground coal gasification process and to make industrial-scale applications with the information obtained. Field studies initiated with the former Soviet Union later gained momentum in the United States. The effects of variables such as distance between injection and production wells, connection method between wells, different coal ranks, different operating pressures, and the method used for production on underground coal gasification are tried to be better understood with these field and laboratory studies. At the same time, the growth rate and geometry of the cavity that is to be formed during underground gasification are also examined in this field and laboratory studies. In this way, possible subsidences are tried to be prevented. Before initiating the pilot-scale experiments and industrial-scale operations, laboratory studies are required to determine the optimum operation parameters and coal properties. Thus; the underground coal gasification process can be accomplished in an efficient and secure way. In laboratory experiments for underground coal gasification, the coal sample can be taken as a block and block tests can be carried out. However, it is not always possible to obtain block samples. In the case of deeper seams, the samples are obtained through the well as the core. Gasification experiments can also be performed by packing the coal particles in a tube. Previous combustion tube experiments have some drawbacks in terms of their design. First, some of the previous combustion tube experiments for the UCG were executed by providing an adiabatic environment in the reactor. In these experiments, the system is designed such that heat losses are almost zero. The temperature outside the reactor tried to be equal to the temperature inside the reactor by heating the reactor from outside. While this experimental design provides fine temperature behavior throughout the experiment, it does not represent the underground conditions. There is a considerable amount of heat loss through the surrounding formations. Second, previous combustion tube experiments do not have any H2S filter. The experimental design of this study includes an H2S filter. Furthermore, heat losses were tried to minimize; however, the reactor used in this study is not adiabatic.In adiabatic operation of combustion tubes it is not clear if a self sustained combustion front is achieved since the reactor is heated externally. The provided heat could have an impact on the combustion front behavior. It is hard to differentiate the effect of external heating. In this study, a combustion tube experimental setup was developed for underground coal gasification experiments through the adaptation of combustion experiments conducted for in situ combustion of oil petroleum fıelds. Content of the syngas and the progression speed of the combustion front were followed. The amount of produced gas was not measured in this study. Dimensions of the combustion tube to be used for coal gasification experiments were determined by examining the synthesis gas content and the slopes of the temperature profiles in front of and behind the combustion zone. While determining these measurements, the situation where deviations in the composition of the syngas are small, and the slope of the temperature profile in front of and behind the combustion zone does not change was taken as a stable period. During the study, parameters such as injected fluid, coal rank, and operating pressure were also examined. One of the important factors affecting the UCG operation is the content of the injected fluid. In the literature and different field applications, gasification has been carried out using air, oxygen-enriched air, and a vapor-oxygen mixture. In a part of this study, the effect of the amount of oxygen in the injection fluid on the gasification of coal was investigated. According to the results of the experiment, it is observed that the CH4, H2, CO, and CO2 contents of the produced syngas increases with increasing oxygen content in the injected fluid. Hence, the heating value of the syngas increases with increasing oxygen content in the injected fluid. The syngas produced during the gasification of coal contains various corrosive gases, primarily H2S. The main source of released H2S is sulfur in coal. There are different techniques such as caustic scrubbing, metal oxides, and alkaline impregnated activated carbon to trap the released H2S. In this study, a caustic scrubbing column is used to mitigate H2S production. Before the syngas is released into the atmosphere, it enters this column and is purified as much as possible from the H2S. However, the H2S amount at the inlet and the outlet of the scrubber could not be measured since neither in the gas chromotagraph or the gas analyser H2S measurements are available. After the introduction of the scrubber, a substantial decrease in the rotten egg smell indicated qualitatively the decrease in the H2S concentration. In conclusion, a combustion tube experimental setup that was developed for the in-situ combustion of oil experiments was modified for the underground coal gasification experiments. The experimental setup is updated by adding an H2S scrubber and appropriate sand filters. Recommendations are provided for the common problems faced in the experiments such as clogging of the sand filter and condenser and occurrence of the second combustion front. Using a liquid trap with a longer length with a higher volume can aid the condensation of the fluid inside the gas. This can be a solution for the clogging of the sand filter and condenser since the liquid trap also acts as a condenser that keeps the excess amount of liquid. Furthermore, the effect of the O2 content of the injected fluid was also examined. It is experienced that an increase in the O2 content of the injected fluid enhances the methane, hydrogen, and carbon monoxide content of the syngas. The stable behavior can be observed for a 1 m length 7 cm diameter combustion tube with an injection rate of 6 lt/min for the lignite samples used.
Benzer Tezler
- Atıkların yüksek sıcaklıkta sürekli pirolizi için yarı-pilot ölçek yeni bir vidalı reaktör geliştirilmesi
Development of a new semi-pilot scale screw reactor for continuous pyrolysis of wastes at high temperature
ANIL ÜNSAÇ
Doktora
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
- Experimental and numerical analyses at combustion chamber of ramjet engines
Ramjet motorları yanma odasında deneysel ve sayısal analizler
MEHMET ALTUĞ YAVUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KODAL
- Katmanlı kompozit panellerin anlık basınç yüküne dinamik cevabı
Dynamic response of laminated composite panels subjected to blast loading
HALİT S. TÜRKMEN
Doktora
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Karbür kesici takımların süper alaşım talaşlı imalat performanslarına borlama işleminin etkisi
The effect of boriding process on super alloy machining performance of carbide cutting tools
RİFAT YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Yüksek hızlı sürekli yanma sistemlerinde alev kararlılığının incelenmesi
A Study on flame stabilization in high speed continuous combustion system
SEZGİN SARAÇOĞLU