Eyüp YAYLACI

Uçucu Kül (Fly Ash)

1. Uçucu küllerin Tanımı ve Sınıflandırılması

Uçucu kül, termik santrallerde pulverize kömürün yanması sonucu meydana gelen baca gazları ile taşınarak siklon veya elektro filtrelerde toplanan önemli bir yan üründür. Kömürün yüksek sıcaklıklarda yanması sonucu meydana gelen ergimiş malzeme soğuyarak, gaz akışı ile kısmen veya tamamen küresel şekilli kül taneciklerine dönüşmektedir. Bu kül tanecikleri çok ince (0.5-150 mikron) olup, baca gazları ile sürüklenmeleri nedeniyle, uçucu kül olarak adlandırılmaktadır.

Uçucu külde bulunan başlıca bileşenler SiO2, Al2O3, Fe2O3 ve CaO olup, bunların miktarları uçucu külün tipine göre değişmektedir. Ayrıca MgO, SO3, alkali oksitler de minör bileşen olarak bulunmaktadır. Uçucu küldeki temel oksitlerden Si02 %25- 60, AI2O3 %10-30, Fe203 %1-15 ve CaO %l-40 oranında bulunmaktadır .[1]

Termik santrallerde yakıt olarak, ülke kaynaklarına göre taş kömürü veya linyit kömürü kullanılmaktadır. Bu yüzden uçucu küller orijinlerine göre iki ana gruba ayrılırlar;

1) Taş kömürü uçucu külleri

2) Linyit kömürü uçucu külleri.

Kimyasal yapıları bakımından ise uçucu küller 4 ana sınıfa ayırmak mümkündür.

1) Süikat-Alümina esaslı uçucu küller: Bunlar taş kömürü uçucu külleridir. Yapılarının büyük kısmını kuvars (SiO2) ve bir miktar alümina (Al2O3) meydana getirmektedir. Bu uçucu küller normal sıcaklıkta ve hidrolik bağlayıcı gibi priz yaparlar.

2) Silikat-Kalsit esaslı uçucu küller: Yapılarındaki ana oksitler kuvars (SiO2) ve kalsit’tir (CaC03). Fakat kalsit miktarı oldukça yüksektir.

3) Sülfür-Kalsit esaslı uçucu küller: Yapılarının büyük bir bölümünü kükürt trioksit (SO3) ve kalsit’ten (CaC03) meydana gelmiştir. Bu sınıfa genellikle linyit kömürü uçucu külleri girmektedir.

4) Sınıflandırılmayan uçucu küller: Termik santrallerde ki yanma sisteminin homojen olmamasından dolayı belirli bir kimyasal yapıya sahip olmayan küllerdir. Kimyasal yapıları sürekli değişebilmektedir.

Uçucu küller, gözenekli veya dolu camsı küresel taneler ile yanmamış mineralleri içerene süngerimsi ve köşeli aglomere tanelerden meydana gelir.

Genellikle bir uçucu külde SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, SO3, MgO, Na2O, K2O ve TiO2 gibi oksitlerin hemen hemen tamamına rastlanmaktadır. Ancak bu oksitlerin küldeki yüzdeleri külün tipine bağlı olarak değişmektedir. TSE ve ASTM göre uçucu küllerin kimyasal özellikleri şunlardır:(2)


Aynı zamanda uçucu küllerin sınıflandırılmasında, kimyasal bileşen yüzdesine göre esas olarak ASTM C 618 ve TS EN 197-1 standartları baz alınmaktadır.

ASTM C 618 standardına göre uçucu küller F ve C sınıflarına ayrılırlar:

a) F sınıfına, bitümlü kömürden üretilen ve toplam SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 yüzdesi %70’den fazla olan uçucu küller girmektedir. Aynı zamanda bu küllerde bu küllerde CaO yüzdesi %10’un altında olduğu için düşük kireçli olarak da adlandırılırlar. F sınıfı uçucu küller, puzolanik özelliğe sahiptirler.

b) C sınıfı uçucu küller ise, linyit veya yarı-bitümlü kömürden üretilen ve toplam SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktarı %50’den fazla olan küllerdir. Aynı zamanda, C sınıfı uçucu küllerde CaO > %10 olduğu için bu küller yüksek kireçli uçucu kül olarak da adlandırılır. C sınıfı uçucu küller, puzolanik özelliğin yanı sıra bağlayıcı özelliğine de sahiptirler. [1]


TS EN 197-1’e göre sınıflandırmada uçucu küller silissi (V) ve kalkersi (W) olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar:

l) V sımfı uçucu küller, çoğunluğu puzolanik özelliklere sahip küresel taneciklerden meydana gelen ince bir toz olup; esas olarak reaktif silisyum dioksit (SiO2 ve alüminyum oksitden (Al2O3) oluşan; geri kalanı demir oksit ve diğer bileşenleri içeren küllerdir. Bu küllerde, reaktif kireç (CaO) oranının % 10’dan az, reaktif silis miktarının %25’den fazla olması gerekmektedir.

2) W sınıfı küller ise, hidrolik ve/veya puzolanik özellikleri olan ince bir töz olup; esas olarak reaktif kireç (CaO), reaktif Si02 ve Al203‘den oluşan; geri kalanı demir oksit (Fe203) ve diğer bileşenleri içeren küllerdir. Bu küllerde, reaktif kireç (CaO) oranının %10’dan fazla, reaktif silis miktarının da %25’den fazla olması gerekmektedir. [1]

Uçucu kül içerisinde bulunan CaO miktarına göre de bir sınıflandırma yapılabilmektedir. Bu sınıflandırma uçucu küllerin aktivitesine göre yapılmakta ve uçucu külün aktivitesi CaO içeriyle tanımlanmaktadır. Uçucu küller aktivitesine göre;

a) Çok düsük aktiviteli küller: CaO < %3,5

b) Düsük aktiviteli küller: %3,5 < CaO < %7

c) Aktif küller: %7 < CaO < %14

d) Çok aktif küller: CaO > %14 olmak üzere dört farklı şekilde sınıflandırılmıştır. [3]


2. Uçucu Küllerin Özellikleri

2.1 Kimyasal Bileşim

Uçucu külün kimyasal bileşimi, kullanılan kömürün yapısı, jeolojik orjini ve proses koşullarına (kömür hazırlama, yanma, toz toplama, desülfirizasyon gibi) bağlıdır.

Uçucu külde bulunan başlıca bileşenler SiO2, Al2O3, Fe2O3 ve CaO olup, diğerleri SO3, MgO ve alkali oksitlerdir. Ayrıca, yanmamış karbon, titanyum, fosfor, berilyum, mangan ve molibden de eser bileşen olarak bulunabilmektedir.

Temel oksitler olan SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO’in miktarları, uçucu külün silissi ve kireçsi yapıda olmasına göre geniş aralıkta değişmektedir. Buna göre, uçucu külde SiO2 %25-60, Al2O32O3 %1-15 olarak ve CaO %1-40 değerleri arasında bulunmaktadır. %10-30, Fe

Diğer oksitlerden MgO en fazla %5, alkali oksitler (Na2O+K2O) %5’in altında bulunmaktadır. SO3 genellikle %0.2-2.5 arasında değişmekle birlikte, kömürün yapısı ve proses koşullarına göre %10’a kadar yükselmektedir.

Kızdırma kaybı esas olarak kömürdeki yanmamış karbona karşılık gelmekle birlikte, kömürdeki hidratlar veya karbonatların bozunması ile ortaya çıkan bağlanmamış su veya CO kaybını da içine almaktadır. Kızdırma kaybı %1-10 arasında değişmektedir.

2.2 Mineralojik Bileşim

Uçucu külün mineralojik bileşimi, kömürde bulunan minerallere(kil, kuvars, pirt alçıtaşı, karbonatlar(Ca, Mg, Fe)) ve proses koşullarına (kömür hazırlama ve yanma gibi) bağlıdır. Uçucu küllerin mineralojik yapısı, külün tipine göre değişen dağılımda olmak üzere camsı (kristalsiz) ve kristal yapılı bileşenlerden oluşmaktadır.

Genellikle düşük CaO içeren küller başta camsı faz ve minör olarak da kuvars(SiO2), müllit (3Al2O3.2SiO2), manyetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3) içermekte, yüksek CaO’li uçucu küller kuvars, hematit, anhidrit (CaSO4), serbes kireç, C3A(3CaO. Al2O3), CS(CaO. Al2O3), C2S (2CaO. Al2O3), gehlenit (Ca2Al2Si2O7), mellilit (Ca2(Mg,Al)(AlSi)2O7), merwinit (Ca3(Mg)(SiO4)2) gibi mineraller ve camsı faz içermektedir. Bu bileşenlerin yanı sıra yüksek kireçli küllerde kalsit, portlandit (Ca(OH)2), trisülfoalüminat (4CaO.3Al2O3.32H2O) ve müllit de bulunabilmektedir. Her iki külde de alkali feldispatlara rastlanmaktadır.

Düşük ve yüksek kireçli uçucu küllerin camsı fazı karakterize eden X-ışınları difraksiyon piklerinin maksimum durumları da birbirinden farklıdır. Camsı fazın difraksiyon pikinin maksimum olduğu bölge, düşük kireçli uçucu külde 22-27° 2Ө (Cu Kα) bölgesinde iken, yüksek kireçli bölgede 30-34° 2Ө (Cu Kα) bölgesinde yer almaktadır. Silissi camsı fazın 22-34° 2Ө arasında değişmesi, silisyum dioksit kristal örgü ağının (siliko tetrahedral), Al, Ca, Na gibi çeşitli katyonlar ile modifiye edilmesinden kaynaklanır.

Uçucu küllün mineralojik bileşimi (camsı fazın durumu, kristal yapıları), külün puzolanik özelliklerini etkilemektedir. Özellikle camsı fazın durumu uçucu külün reaktivitesinde etkin olmaktadır. Düşük kireçli uçucu küldeki camsı fazın yapısı SiO2 açısından zengin oldukça polimerize silissi veya alüminyum da içeren alminosilikat bileşimindedir. Silissi veya alümino silikat camsı fazı, düşük kireçli külün reaktif bileşeni olup su ve kalsiyum hidroksitle reaksiyona girerek küle puzolanik özellik kazandırmaktadır.

Yüksek kireçli külde ise aktif bileşen içinde silisyum da içeren kalsiyum alüminat camsı fazının yanı sıra aktif kristalize fazlardır. Burada saf silika camı, Ca ve Al iyonları ile modifiye olmuştur. Bu faz bir bakıma curuftaki yapıya da benzemektedir. %20’nin üzerinde CaO içeren küllerde kalsiyum alüminat camsı fazı 12CaO.7Al2O3 bileşimindedir. Yüksek kireçli külün camsı ve kristalize fazları külün puzolanik özelliğin yanı sıra kısmen kendiliğinden bağlayıcı özelliğe de sahip olmasını sağlamaktadır.

Düşük kireçli uçucu küldeki yüksek silisli camsı faz genellikle kalsiyum, alkali ve hidroksit ilavesi halinde yavaş olarak reaksiyona girerken yüksek kireçli küldeki kalsiyum aluminosilikat camsı fazı su ile reaksiyona girerek bağlayıcı fazları oluşturur. Bu nedenle yüksek kireçli uçucu külün camsı fazının düşük kireçliden daha az ancak daha reaktif olduğu bilinmektedir.

2.3 Morfolojik Özellikler

Tanecik morfolojisi (şekli) ve büyüklük dağılımında kömürün orjini ve uniform olması, kömürün pulverizasyon durumu yanma koşulları (sıcaklık ve oksijen seviyesi), yanmanın uniformluğu ve  toz toplama sistemi tipi gibi prosese bağlı faktörler etkili olmaktadır.

Uçucu külde büyüklükleri 0.5 µm – 150  µm arasında değişen hem camsı küresel hem de düzensiz şekilli tanecikler bulunmaktadır. Bu taneciklerin şekli ve büyüklük açısından farklılıkları uçucu külün tipinden kaynaklanmaktadır.

Camsı küresel şekilli tanecikler içi boşluksuz küresel yapılar, boşluklu küreler, büyük bir küre içinde küçük kürerler kümesi içeren yapılar, yüzeyi düzensiz dağılmış şekilsiz boşluklar içeren yapılar, yüzeyinde sıvı damlacıklar bulunan yapılar, yüzeyi kristal ile kaplanmış yapılar deforme yapılar, yüzeyinde şekilsiz birikimler olan yapılar gibi çeşitli şekiller halinde bulunabilir.(şekil 4.2)

Küresel olmayan tanecikler kömürden geçen ve yanma reaksiyonlarına katılmamış mineraller, düzensiz şekilli ve gözenekli yapılardan oluşmaktadır.

Düşük kireçli küllerde çoğunlukla camsı faza karşılık gelen içi boşluksuz tam küresel tanecikler ve bunun yanı sıra senosfer ve plerosferler bulunmakta olup; bu küller şekil dağılımı açısından genellikle homojen olan mikroyapıya sahiptirler.

Yüksek kireçli küllerde mikroyapı içinde hem küresel hem de köşeli düzensiz şekilli taneciklerin bir arada bulunması sonucunda homojen olmayan şekil dağılımı mevcuttur.(şekil4.3) Ayrıca küresel taneciklerin yüzeyi de düşük kireçli küller kadar düzgün değildir.[1]

Uçucu külün inceliği öncelikle kazana verilen kömürün öğütülme derecesine bağlıdır, inceliğe etki eden ikinci faktör, küllerin mümkün olabildiğince bacadan kaçmasına mani olunarak tutulmasıdır. Bacadan kaçan kısım azaldıkça incelik artar. Boyutları genellikle 0.5 ile 200 mikron arasında değişen, camsı ve çoğunlukla küresel karakterdeki parçacıklardır. Özgül yüzeyleri 1800 – 5000 cm2/gr arasında değişmekle birlikte, ortalama 2800 – 3800 cm²/gr dolayındadır. Uçucu külün yoğunluğu; inceliğine ve mineralojik yapısına bağlıdır. İçi dolu küresel tanelerden meydana gelen uçucu küllerin mutlak yoğunluğu 2.2 – 2.7 (ortalama 2.4) gr/cm3 arasındadır. Uçucu küle ait bir SEM görüntüsü Sekil 4.1’de verilmiştir .

Uçucu kül taneleri genellikle küresel şekilli katı parçacıklardır. Ağırlığının yaklaşık % 5’i (hacminin % 20’si) içi bos (nitrojen veya karbon dioksitle dolu) parçacıklardan oluşmaktadır. [3]

Sekil 4.1. Uçucu küle ait bir SEM görüntüsü [3]

Uçucu külün granülometrik bileşiminin çoğunun 40 µm’nin altında olması ve şeklinin de genellikle küresel olması puzolanik aktiviteye olumlu etki etmektedir. Özellikle yüzeyi pürüzsüz ince küresel tanecikler büyük yüzey alanına sahip olduğu için kireç-silikat reaksiyonlarına daha hızlı girmektedir.

Buna bağlı olarak yüksek kireçli külün aktivitesinde kristalize aktif fazla ve az camsı faz rol oynamakta, düşük kireçli de ise taneciklerin şekli büyüklük dağılımı ve camsı fazın fazlalığı önem taşımaktadır.[1]

A)    Yüzeyinde birikintiler ve sıvı damlaları olan küresel tanecik

B)    Camsı küresel tanecik

C)    Yüzeyi düzensiz boşluklar içeren tanecik

D)    Boşluklu küresel tanecik

Şekil 4.2 : Uçucu Kül Taneciklerinin Morfolojik Yapısı

(a)


(b)

(c)

(a) Yüksek Silisli Uçucu Kül

(b) ve (c) Yüksek Kireçli Uçucu Kül

Şekil 4.3 : Uçucu Kül Tipleri

2.4  Manyetik Özellikleri

Uçucu küllerin arasına bir manyetik sokulduğunda, bir miktar uçucu kül mıknatısa yapışır. Mıknatıs bir hava akımına tutularak manyetik olmadığı halde yapışan taneler uzaklaştırılır. Bu deney birkaç defa yapıldıktan sonra uçucu küllerin %25’inin mıknatısa kaldığı görülür. %7.7 Fe203 içeren bir uçucu külde, mıknatısa yapışan kısım yaklaşık %6.8 olmaktadır. Kimyasal analizde; mıknatısta tutulan kısmın yaklaşık %63’ünün Fe2O3 olduğu, mıknatısa yapışmayan kısımdaki Fe203 miktarının ise %4 olduğu tespit edilmiştir [2].

3.Termik Santrallerde Atık Uçucu Küllerin Toplanması

Termik santraller ile elektrik üretiminde yanma işlemi sonucunda oluşan atık küller; kömür cinsine, kül oranına, kimyasal yapısına, kazanlara yükleme programına ve kül temizleme işlemleriyle kazan tipine bağlı olarak farklı özellikler göstermekledir. Termik santrallerde, toz ve parça kömürler takılmaktadır. Toz kömür yakan termik santrallerde 0.09 mm tane boyutunda öğütülmüş kömürler kullanılır. Parça kömürler ızgaralı kazanlarda yakılmakta olup, oluşan küllerin %1-5’i uçucu küllerdir. Toz Kömürlerin kullanılmasında ise bu oran %80’lere ulaşmaktadır [4].

Uçucu küllerin toplanmasında elektro filtreler, siklonlar, nemlendirme, ultrasonik çöktürme, filtreler, kontrol prosesleri gibi yöntemler kullanılmaktadır. Termik santrallerde en çok kullanılan kül tutma yöntemleri, elektro filtre ve siklonlardır. Uçucu küllerin tane boyutunun büyük olduğu durumlarda siklon gibi mekanik tutucular, küçük olduğu durumlarda ise elektro filtreler kullanılır. Nemlendirme yönteminde su ile ıslatılarak çöktürülmesi esasına dayanır. Ancak yöntemin çok su tüketmesi ve toplanan küllerin değerlendirilememesi ve yüksek maliyeti nedeniyle pek kullanılmamaktadır.

Filtreler, ultrasonik çöktürme ve kontrol prosesleri ile 1µm  tane boyutuna kadar uçucu küller yakalanabilmektedir. Bacadan kaçan kül miktarı azaldığı için çevre kirliliğini azaltan bu yöntemlerin yatırımı ve işletme maliyeti çok yüksektir [4].


Kaynaklar:

[1] TÜRKER P. , ERDOĞAN B. , “Türkiyede ki Uçucu Küllerin Sınıflandırılması ve Özellikleri”, AR-GE TCMA, 2004 Ankara

[2] YILMAZ Ş. , “Seyitömer Termik Santrali Atık Uçucu Küllerinin Yapı Malzemesi Olarak Değerlendirilmesi” , Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü, 1992

[3] GÖRHAN G. ,KAHRAMAN E. , BASPINAR S. ,  DEMİR İ. “Uçucu Kül Bölüm II: Kimyasal, Mineralojik ve Morfolojik Özellikler” Yapı Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 5, No: 2, 2009 (33-42)

[4] ERDEMİŞ S. , ” Termik Santral Artık Uçucu Küllerinin Sinterleme Davranışına B203’ün Etkisi”, Bitirme Ödevi, Sakarya Üniversitesi, 2001

Eyüp YAYLACI