Kömür, bitkisel kökenli organik maddeler ve inorganik bileşenlerden oluşan tortul bir kayaçtır. Bataklıklarda bitki ve ağaç kalıntılarının üst üste yığışarak çökelmesi ve milyonlarca yıllık bir süreç içerisinde kimyasal ve fiziksel etkilerle değişime uğraması sonucu oluşur. Kömürün diğer bir tanımını; bitki kalıntıları ile inorganik minerallerin yüksek basınç ve sıcaklığa maruz kalarak sıkışması ve katılaşması neticesinde oluşan organik ve inorganik bileşenlerden meydana gelen tortul bir kayaçtır, şeklinde de yapabiliriz.
Kömür, kömürleşme süreci denilen fiziksel (basınç, çökelme vb) ve kimyasal olaylar (ısı, bozulma ve dönüşme vb) sonucu meydana gelmektedir.
(Şekil-1)
Kömürün oluşum süreci kısaca şu şekilde özetlenebilir: Bitki topluluklarının birikimi ve çökelmesi şeklinde birinci faz, biyokimyasal ve jeokimyasal bozulmaların olduğu ikinci faz ve termokimyasal dönüşümlerle fiziksel, petrografik ve kimyasal özelliklerin oluştuğu üçüncü faz (Şekil 1).
Kömürleşme sürecinde jeolojik zaman önemli parametrelerden biri olup, karbonifer, permiyen ve kraters-tersiyer dönemleri kömürleşmenin oluştuğu dönemlerdir.
Kömürleşme derecesine rank adı verilmekte olup en düşük düşük kömürleşme derecesine (rank) sahip olanları turbalardır. Bunlar tam katılaşmamış, açık kahverenkli, gözenekli ve su oranı yüksek organik çökellerdir.
(Şekil-2)
Turbalardan sonra daha yaşlı yani uzun dönemlerde oluşan kömürler sırasıyla linyit, alt bitümlü kömür, taş kömürü ve antrasit olarak adlandırılır. Sertlikleri de bu sıra ile artar ve turba en genç olanları antrasitler ise en yaşlı olanlarıdır. Rank değeri yükseldikçe yaş ile birlikte kalite ve ısıl değerler de artar. Yukarıda kömür oluşumu ve süreçleri verilmektedir (Şekil 2).
Kömürler bünyelerinde kil, silt, kum ve değişik oranlarda inorganik (mineral) madde bulundururlar. Kömürlerin içerisinde bulunan bu inorganik maddeler kömürün kalitesini direkt olarak negatif yönde etkilerler. Bir kömürün kalitesi, kullanıldığı alana göre ölçülmektedir. Örneğin, kok kömürü eldesi için şişen, gözenekli hale gelebilen, dayanıklı olan ve okside olmamış kaliteli kömürler kullanılmaktadır. Yakıt hammaddesi olarak ise koklaşabilir kömürlerden ziyade, alt ısıl değeri yüksek olan, düşük kül, kükürt ve nem oranına sahip kömürler kullanılmaktadır.
Netice itibariyle kömür hangi amaçla kullanılırsa kullanılsın, içeriğindeki inorganik madde oranının her zaman düşük olması istenmektedir. Kömür homojen olmayan, mikroskobik boyutlardaki organik (maseral) ve inorganik (mineral) parçacıklardan oluşur. Maseral yani organik maddeler; vitrinit (hüminit), liptinit (rezinit), inertit (füzinit) şeklindeki gruplarda oluşur. İçerisinde yüzdelik olarak daha çok karbon (C), daha az miktarda hidrojen (H), oksijen (O), kükürt (S) ve azot (N) elementleri vardır. Mineral yani inorganik maddeler ise kil mineralleri, kuvars, pirit, kalsit, dolomit vb. maddelerdir.
KÖMÜRLERİN FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLERİ
KÖMÜRÜN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
Yoğunluk: İçerdikleri inorganik madde ve nem oranına bakarak artmasına rağmen 1,1 ile 2,2 gr/cm3 arasında değişmektedir. Turbaların ise 1,0 gr/cm3 olarak kabul edilir.
Gözeneklilik: Kömürleşme derecesine göre değişmektedir. (% 3’ten % 25’e kadar)
Gaz emme: Kömür oda sıcaklığında su buharı, etil alkol ve benzen buharlarını emebilir. Linyit kömürleri kimyasal yapı bakımından gaz ve buhar adsorpsiyonuna elverişli kömürlerdir. Ocaktan çıkan linyit kömürü hacminin 1,5 katı hava ve CO2 adsorbe edebilmektedir.
Kömürlerin Yansıma Özellikleri: Yansıma değerleri, havza kömürlerinin gerçek kömürleşme derecelerini vermektedir.
Kömürlerin Flüoresans Özellikleri: Kömürlerin flüoresans özellikleri, yansıma özellikleri ile zıt değerler ortaya koymaktadır. Yansıma değerleri düşük olan turba ve kömürlerde flüoresans özellikler tam tersine yüksek değerlerdedir. Flüoresans değerleri yüksek maddeler daha açık renklerde (açık yeşil vb.), düşük olan maddeler ise daha koyu renklerde (kırmızı, koyu kahverengi gibi) görünürler. Liptinitlerin detay özellikleri ve inorganik maddelerden (kil vs.) rahatça ayırt edilebilmesi için genel de bu metot kullanılmaktadır.
KÖMÜRÜN KİMYASAL ÖZELLİKLERİ
Koklaşma: Kömürleşme derecesi yüksek olanlar (taşkömürleri) ısıl işlem altında önce yumuşarlar. Daha sonra şişerek gazlarını çıkartırlar ve yeniden sertleşirler. Bu olaylar sonucunda oluşan oldukça gözenekli ve hafif maddeye “kok kömürü” adı verilmektedir.
Nem içeriği: Kömürlerin nem içeriği, farklılıkları, kömürleşme mertebeleri ilerledikçe hidrofil karakterdeki fonksiyonel grupların azalarak yok denecek oranlara düşmesiyle açıklanabilmektedir. Kömürler, bünye nemi, kaba nem ve molekül suyu olarak adlandırılan nem içeriklerine sahiptir.
Kömürün ısıtılmadan önceki ağırlığı ile özel fırınlarda 105-1100C’ ye kadar ısıtıldıktan sonraki ağırlığı arasındaki fark alınarak hesaplanmaktadır.
Uçucu madde içeriği: Kömür oksijensiz ortamda ısıtıldığında kimyasal olarak değişikliğe uğrar ve karbondioksit ile su buharı gibi yanmayan gazları ve katran buharlarını da içeren uçucu madde çıkışı olur. Isıtmaya bağlı çıkan bu gaz ve sıvı maddelere, kömürün uçucu maddesi ve bunun toplam kömür ağırlığına olan oranına da, kömür uçucu madde oranı denilmektedir. Kömürün ısıtılmadan önceki ağırlığı ile 950±250C derecede (ABD, ASTM standardı) ısıtıldıktan sonraki ağırlığı arasındaki fark bulunarak hesaplanmaktadır.
Kül İçeriği: Kömür yandığı zaman içerdiği mineral maddeler temel bazı değişikliklere uğrarlar ve sonucunda da arta kalan inorganik atık kül oluşur. Kül %’ si, kömürün kalitesini belirlemekte ve kül oranı arttıkça kalite düşmektedir. Kuru örneklerdeki kül yüzdelerine göre yapılan sınıflama;
- < % 5 çok düşük,
- %5-10 düşük,
- %10-20 orta,
- %20-30 oldukça yüksek,
- %30-50 yüksek.
Sabit Karbon İçeriği: Sabit karbon içeriği doğrudan analiz edilememektedir, nem, kül ve uçucu madde yüzde değerleri toplamının yüzden çıkarılması ile tespit edilmektedir.
%su + %mineral madde + %uçucu madde + %sabit karbon (C) = %100
Kömürün Isıl Değeri: Bir yakıtın ısıl değeri; birim kütlesindeki yakıtın tamamen yanması sonucunda açığa çıkan ısı miktarıdır.
Karbon ve Hidrojen İçeriği: Kömüre ait organik madde içinde; C ağırlık %’ si olarak % 70 – 95, H ise % 2-6 oranındadır.
Kükürt İçeriği: Kömürün kalitesini belirleyen bileşenlerdendir. Kömürün içerdiği kükürt türleri organik kükürt ve inorganik (sülfit ve sülfat) kükürttür. Organik kükürt oranı ağırlık yüzdesi olarak:<%3, Sülfatlara ait “S” oranı genelde % 0,1’den küçüktür. Kömür 13500C’de yakılmakta, kömür içindeki S, SO2’ ye; SO2 de sülfürik asite dönüştürülmekte ve elde edilen sülfürik asitten toplam S miktarı hesaplanmaktadır.
Azot içeriği: Kömürdeki azot, genellikle protein kaynaklı olup, azot ihtivası zengin olan bitkilerden kaynaklanmaktadır. Azot içeriği kömürün yaşıyla orantılı olarak değişmemektedir. Azot içeriği Kjeldahl yöntemi ile belirlenmektedir. Sülfürik asit kullanılarak azot, amonyum sülfata dönüştürülmekte, oluşan amonyum sülfat miktarından hesaplama yapılmaktadır.
Oksijen İçeriği: Kömürdeki organik bileşenlerde, suda, kil ve karbonat minerallerinde bulunmakdır. Organik oksijen miktarı, kömürleşme derecesinin belirleyicisidir. Linyit ağırlık %’si olarak ortalama %25, taşkömürü, %10 ve antrasit %3 oksijen bulundurmaktadır (Ediger, 2014). Ediger (2014)’e göre oksijen yüzde hesabı altta sunulmaktadır:
O2 (%) = 100 – (C + H + N + S org.)%.
DÜNYADA VE ÜLKEMİZDE KÖMÜR
Dünya kömür üretimi son otuz beş yılda iki katına yakın artmıştır. Kömür üretimindeki artış, büyük ölçüde başta Çin olmak üzere Asya kıtasındaki elektrik enerjisi talebinden kaynaklanmaktadır. Son on yılda Asya-Pasifik Bölgesi’nin toplamındaki elektrik enerjisi üretim artışı yaklaşık 2 kat olup, elektrik üretiminde en yoğun olarak kullanılan kaynak kömür olmuştur.
Dünyada türlerine göre kömürün kaynak dağılımına baktığımızda %45 ile bitümlü kömür ve antrasit en fazla orana ulaşmakta olup bunu %32 ile alt bitümlü kömürler ve %23 ile linyitler takip etmektedir (Şekil 4).
(Şekil 4)
1998 yılından 2013 yılına kadar, yani 14 yıl boyunca kesintisiz artan küresel kömür üretimi 2016 yılında bir önceki yıla göre %5,3 oranında azalarak 7.324 milyon ton düzeyine gerilemiş, 2017 yılında ise %3,26 oranında artarak 7.563 milyon ton düzeyine yükselmiştir (IEA, 2019) (s.4). 2000-2014 yılları arasındaki üretim artış oranı %73 düzeyindedir.
Aynı dönemde buhar kömürü üretimindeki artış oranı %85,4 ve koklaşabilir kömür üretimindeki artış oranı ise %77,7 düzeyinde olmuştur. Linyit üretimi ise %4 oranında düşmüştür (Şekil 5) (IEA, 2019).
(Şekil 5)
2017 yılında dünya kömür üretiminin %45’ini (3.397,2 milyon ton) tek başına Çin gerçekleştirmiştir. İkinciliği ABD’den devralan Hindistan’ın payı %10 (725,5 milyon ton); ABD’nin payı %9 (702,7 milyon ton) ve Avustralya’nın payı ise %7 (499,5 milyon ton) oranındadır.
Bu ülkeleri; Endonezya (494,7 milyon ton), Rusya Federasyonu (387,7 milyon ton), Güney Afrika Cumhuriyeti (256,8 milyon ton) ve Almanya (175,1 milyon ton) izlemektedir (Şekil 6). Bu sekiz ülkenin küresel kömür üretimi içindeki toplam payları %90’a yakın düzeydedir.
(Şekil 6)
Ülkemiz kömür kaynağı ve üretim miktarları açısından linyitte dünya ölçeğinde orta düzeyde, taşkömüründe (antrasit) ise alt düzeyde değerlendirilebilir. Ülkemizin en önemli taşkömürü kaynağı, Zonguldak ve civarındadır. MTA’nın güncel raporlarına göre 736 milyon tonu görünür olmak üzere taşkömürü kaynağı yaklaşık 1,52 milyar ton’dur (TTK, 2020).
(Şekil 7)
Ülkemiz kömür kaynaklarının henüz üçte birinin etüt ve fizibilite çalışmaları tamamlandığı için çok az bir kısmı rezerv olarak nitelendirilmektedir. Son yıllarda yürütülen arama ve rezerv geliştirme çalışmaları sonucunda ciddi bir kömür kaynağı artışı sağlanmıştır. Türkiye’de toplam kömür kaynağı yaklaşık olarak 20,84 milyar tondur (MTA, 2020; TKİ 2020) (Şekil 7).
Toplam 20,84 milyar ton kömür kaynağımızın yaklaşık olarak 19,32 milyar tonu linyittir. Bunların sektörel dağılımı Şekil 8’ de verilmektedir.
(Şekil 8)
ENERJİ
Enerji, kısaca hareket ettirici güç veya iş yapabilme gücü şeklinde tanımlanmaktadır. Her üretim faaliyeti, belli bir enerji harcamasını gerektirir. Çeşitli yöntem ve teknikler kullanılarak ekonomik amaçlarla enerji elde edilebilen kaynaklara enerji kaynakları denilmekte olup çeşitli biçimlerde sınıflandırılmaktadır:
A- Sürdürülebilirlik (Daimilik, Tükenebilirlik) Durumlarına Göre Enerji Kaynakları: Enerji kaynağının kendini yenileyebilme durumuna göre yapılan sınıflandırma türüdür.
- Yenilenebilir (Alternatif) Enerji Kaynakları: Kendini yenileyebilmesi ile tanımlanır. Güneş, rüzgar, hidrolik, jeotermal, biyokütle, hidrojen, dalga ve gelgit enerjileri yenilenebilir enerji kaynaklarıdır.
- Yenilenemeyen (Fosil, Konvansiyonel, Geleneksel) Enerji Kaynakları: Bunlara, birincil kaynaklar, primer kaynaklar, konvansiyonel kaynaklar gibi adlar da verilir. Bu grup enerji kaynaklarının özelliği, yenilenemez yani bir kez kullanılır veya tükenir olmalarıdır. Kömür, bitümlü şeyl, petrol, doğal gaz, uranyum ve toryum gibi kaynaklar bu grupta yer almaktadır.
B- Dönüştürülebilirliklerine Göre Enerji Kaynakları: Enerji kaynaklarının doğrudan/dolaylı olarak enerji kaynağı olarak kullanılması durumuna göre yapılan sınıflandırmadır.
- Birincil Enerji Kaynakları: Kullanıldıklarında esas nitelikleri değiştirilmeden doğrudan doğruya enerji veren kaynaklar bu kategoride yer almaktadır. Kömür, nükleer, biyokütle, hidrolik, dalga enerjisi bu kategoride sayabileceğimiz enerji kaynaklarıdır.
- İkincil Enerji Kaynakları: Farklı bir enerji kaynağı durumuna getirildikten sonra yararlanılan kaynaklar bu kategoride yer almaktadır. Elektrik, benzin, mazot, ikincil kömür, kok, LPG enerjisi bu kategoride sayabileceğimiz enerji kaynaklarıdır.
C- Yeraltı-Yerüstü Kaynaklı Olmalarına Göre Enerji Kaynakları: Enerji Kaynağının yerüstünde/yeraltında oluşmasına göre yapılan sınıflandırmadır.
- Yeraltı Enerji Kaynakları: Bunlar kömür, petrol, doğalgaz, jeotermal, bitümlü şeyl ve nükleer (radyoaktif) gibi enerji kaynaklarıdır.
- Yerüstü Enerji Kaynakları: Güneş, rüzgar, biyokütle gibi kaynaklar bu kategoridedir.
D- Fiziksel Haline Göre Enerji Kaynakları: Enerji kaynağının oda koşullarındaki fiziksel durumuna göre yapılan sınıflandırmadır.
- Katı Enerji Kaynakları: Kömür, odun, biyokütle atıkları, uranyum gibi kaynaklardır.
- Sıvı Enerji Kaynakları: Petrol, LPG, Mazot, biyodizel gibi kaynaklardır.
- Gaz Enerji Kaynakları: Doğalgaz, metan gazı, biyogaz gibi kaynaklardır.
