FARKLI KONSANTRASYONLARDA
UÇUCU KÜL KULLANIMININ ÇİMENTO ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE ETKİLERİ
Gökçen KAYA YÜKSEK LİSANS TEZİ
Kimya Anabilim Dalı
Danışman: Prof. Dr. Muzaffer CAN
2010
GAZİOSMANPAŞA ÜNİVERSİTESİ
FENBİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KİMYA ANABİLİM DALI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
FARKLI KONSANTRASYONLARDA UÇUCU KÜL KULLANIMININ
ÇİMENTO ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE ETKİLERİ
GÖKÇEN KAYA
TOKAT
2010
Dalı’nda yüksek lisans tezi olarak kabul edilmiştir.
Başkan: Prof. Dr. Muzaffer CAN İmza: Üye : Doç.Dr. Ömer IŞILDAK İmza: Üy : Doç Dr. Sedat KARAMAN İmza:
Yukarıdaki sonucu onaylarım.
Prof.Dr. Metin YILDIRIM Enstitü Müdürü ……./……../……
Tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu tezin yazılmasında bilimsel ahlak kurallarına uyulduğunu, başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunulduğunu, tezin içerdiği yenilik ve sonuçların başka bir yerden alınmadığını, kullanılan verilerde herhangi bir kısmının bu üniversite veya başka bir üniversitedeki başka bir tez çalışması olarak sunulmadığını beyan ederim.
i
Yüksek Lisans Tezi
FARKLI KONSANTRASYONLARDA
UÇUCU KÜL KULLANIMININ ÇİMENTO ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE ETKİSİ
Gökçen KAYA
Gaziosmanpaşa Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Muzaffer CAN
Özellikle termik santrallerde atık olarak tonlarca uçucu kül elde edilmektedir. Bu uçucu küllerin değerlendirilmesiyle ilgili pek çok çalışma yapılmış ve yapılmaya da devam edilmektedir. Çimento üretiminde klinker yerine uçucu kül kullanılabilmektedir ve çimento maliyetini düşürmektedir. Bu çalışmamızda, tras ve kalker karışımına farklı oranlarda uçucu kül ilave edilerek çimentolar hazırlanmıştır. Bu çimento ile hazırlanan harçların dayanım özelliklerinin araştırılması ve kimyasal katkı ile dayanımlarının artırılması amaçlanmıştır. Klinker miktarı azaltılıp uçucu kül miktarı artırılarak hazırlanan çimentoların kimyasal ve fiziksel özellikleri araştırılmıştır. Bu amaçla %5 ten %15 ‘e kadar uçucu kül kullanılarak farklı inceliklerde harçlar hazırlanmış ve 2, 7, 28 günlük basınç dayanım deneyleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre %1 incelikte %8 uçucu kül kullanımında 2, 7 ve 28 günlük basınç dayanımlarında artış, % 8 ‘den sonra uçucu kül miktarındaki artışla beraber 2, 7 ve 28 günlük basınç dayanımlarında düşüş gözlenmiştir. Dayanımdaki bu düşüşün sebebi, klinker yerine kullanılan uçucu küldeki CaO miktarının düşük olması olarak açıklanmıştır. Yüksek oranda uçucu kül kullanılarak hazırlanan çimentoların dayanımının artırılması için tras, kalker ve yüksek miktarda uçucu kül içeren karışıma Ca(OH)2 ve CaCO3 tuzları ilave edilerek çimentolar
hazırlanmış ve bu çimentoların dayanımları test edilmiştir. Bu tuzların ilavesi, uçucu kül içerikli çimento dayanımlarını arttırdığını göstermiştir.
2010, 62 sayfa
Anahtar Kelimeler: Uçucu kül, tras, çimento, basınç dayanımı, klinker
ii Ms. Thesis
USİNG DİFFERENT CONCENTRATIONS FLY ASH EFFECTS ON CEMENT SPECILIATY
Gökçen KAYA
Gaziosmanpasa University
Graduate Scholl of Natural and Applied Sciens Department of Chemistry Science
Supervisors: Prof. Dr. Muzaffer CAN
Especially, in thermal stations tones of fly as hare abtained in waste form. Lots of studies on evaluation fly ashes have been a one this studies continue.In cement production, fly ash can be used instead of clinker and decrease the cost of cement.However fly ash affects the resistance of concrete negatively.In this study, cements are prepared by adding fly ash in different ratios to the trace and limestone mixture.It is aimed to seek the resistance of concretes prepared from this cement and to increase the resistance of strength by adding chemical addition.Chemical and physical feature of cements prepared by reducing clinker amount and increasing fly ash amount have been searched. Consequently, different mortars of different finesses, containing fly ashes of 5-15% concentrations were prepared to observe strength gaining levels for 2, 7 and 28 days of freezing times. Mentioned experiments showed, at 1% fineness, 8% of fly ash content, a minor increase for 2, 7 and 28-day-freezing time strength values. However, fly ash use more than 8% caused a strength decrease for same periods of freeze. The reason for the decrease in resistance is stated as the low amount of CaO in fly ash which is used instead of clinker. To increase the resistance of cement prepared by using high amounts of fly ash ,Ca(OH)2 and CaCO3 salts are added to the mixture of puzzolone, limestone
and high amount of fly ash mixture. Consequently cements are prepared and the resistance of this cements are controled. The addition of these salts, showed that the cements consisting fly ash increase the resistance.
2010, 62 pages
iii
Yüksek lisans tez çalışmam süresince bilgisini ve emeğini esirgemeyen danışmanım Prof. Dr. Muzaffer CAN ‘a teşekkür ederim.
Deneysel çalışmalarımda yardımlarını ve bilgilerini esirgemeyen ADOÇİM çimento fabrikası Kalite Kontrol Müdürü Osman TOKSOY ‘ a ve Kalite Kontrol Laboratuarında çalışan tüm arkadaşlarıma teşekkür ederim.
Her zaman yanımda olan ve destek veren aileme teşekkürü bir borç bilirim.
Gökçen KAYA 2010
iv ÖZET ... i ABSTRACT ...ii TEŞEKKÜR ...iii İÇİNDEKİLER...iv ÇİZELGELER DİZİNİ ...vii ŞEKİLLER DİZİNİ ...viii
SİMGELER ve KISALTMALAR LİSTESİ………...………...….ix
1.GİRİŞ...1
2.LİTERATÜR ÇALIŞMALARI…………...………...4
2.1. Puzolan………...5
2.2. Uçucu Kül………...6
2.2.1. Uçucu Küllerin Sınıflandırılması ………...7
2.2.1.1. Uçucu Küllerin Kimyasal Yapılarına Göre Sınıflandırılması...7
2.2.1.2. Avrupa Çimento Standardı ENV 197-1 ‘e Göre Sınıflandırma………...….7
2.2.1.3. Uçucu Küllerin Elde Edildikleri Kömürün Tipine Göre Sınıflanması………...8
2.2.2. Uçucu Küllerin Özellikleri……….…....8
2.2.2.1. Uçucu Küllerin Fiziksel Özellikleri………....…9
2.2.2.2.Uçucu Küllerin Kimyasal Özellikleri………..……..11
2.2.2.3. Uçucu Küllerin Mineralojik Özellikleri………...….12
2.2.2.4. Uçucu Küllerin Puzolanik Özellikleri………...13
2.3. Termik Santraller………....14
2.4. Türk Standartlarında Uçucu Küller………...…..17
2.5. Uçucu Küllerin Kullanım Alanları………...…...…18
2.5.1. Uçucu Küllerin Yapı Malzemesi Olarak Kullanılması………...……...18
2.5.1.1. Uçucu Küllerin Çimento Üretiminde Kullanılması………..18
2.5.1.2. Uçucu Küllerin Agrega Olarak Kullanımı………...…….18
2.5.1.3. Uçucu Küllerin Betonda Kullanımı………..18
2.5.1.4. Uçucu Küllerin Tuğla Üretiminde Kullanımı …………...19
2.5.1.5. Uçucu Küllerin Seramik ve Cam Üretiminde Kullanımı………...19
v
2.5.2.2. Dolgularda Kullanımı………...20
2.5.2.3. Enjeksiyon Malzemesi Olarak Kullanımı………..…...21
2.5.2.4.Katı Atık Depolama Yerlerinde Sızdırmazlık Malzemesi Olarak Kullanımı………....22
2.5.3. Ülkemizde Uçucu Kül Kullanımının Yaygınlaşmamasının Nedenleri………...22
2.6. Çimento Endüstrisi………...22
2.6.1. Çimento Üretiminde Kullanılan Ham Maddeler………...23
2.6.1.1. Ana Ham Maddeler………..………...24
2.6.1.2. Çimento Endüstrisinde Kullanılan Katkı Maddeleri………...…..25
2.6.2. Kimyasal Dönüşümler……….….26
2.6.3. Ham Madde Üretim Yöntemi ve Teknolojisi…………..………..…...26
2.6.3.1. Entegre bir çimento fabrikasında bulunması gereken üniteler…………...……...26
2.6.4. Çimento Üretim Teknolojileri ………....……27
2.6.4.1. Yaş Proses………...………...27
2.6.4.2. Yarı Yaş Proses………...…...…...28
2.6.4.3. Kuru Proses………..…….28
3. MATERYAL VE METOT………...……….…..29
3.1. Materyal………...…...29
3.2. Metot………..…….……....29
3.2.1. X Işınları Floresans Spektrometresi Çalışma Prensibi………...…..…..….29
3.2.2. X Işınları Spektrometresine Örnek Hazırlanması………..…..…...….30
3.2.3. Deney Örneklerinin Hazırlanması………..…...…..30
3.2.4. Harç Hazırlama ……….…...31
3.2.4.1. Harcın Bileşimi………...31
3.2.4.2. Harcın Oluşturulması……….……...……...31
3.2.4.3. Deney Örneklerinin Hazırlanması………...32
3.2.4.4. Deney Örneklerinin Deneye Hazırlanması ( şartlandırma)………..….33
3.2.4.4.1. Basınç Dayanımı ………...………..…..34
vi
3.2.7. Hacim Genleşmesi (Şatölye) Tayini………..………..…36
3.2.8. İncelik Tayini……….…..…37
3.2.9.Kızdırma Kaybı Tayini ………..…………..……38
4. ARAŞTIRMA SONUÇLARI ve TARTIŞMA ………..…….…39
4.1.Kimyasal Analiz Sonuçları………..…39
4.2. Fiziksel Analiz Sonuçları ………..…39
4.3. Sentezlenen Uçucu Küllü Çimentoların Fiziksel ve Kimyasal Analiz Sonuçlar……40
4. SONUÇ ve ÖNERİLER………...……….…………...…57
KAYNAKLAR………...…58
vii
Çizelge Sayfa
2.1. Uçucu küllerin fiziksel özellikleri………10
2.2. Uçucu küllerin ASTM-C 618 ve TS 639 Puzolan olarak kullanılabilirlik sınırları…12 2.3. Türkiye’de kömürle çalışan termik santraller………..……….………..16
2.4. Türkiye’deki termik santrallerden elde edilen uçucu küllerin kimyasal bileşimleri...16
2.5. Türkiye’deki termik santrallerden elde edilen uçucu küllerin fiziksel özellikleri...17
2.6. Türkiye’deki termik santrallerden elde edilen uçucu küllerin mineralojik kompozisyonları……….……….17
2.7. Çimento Sanayinde kullanılan CaCO3 oranına göre yapılan sınıflandırma………....24
2.8. Klinker üretiminde fırın içerisinde gerçekleşen kimyasal dönüşümler………..26
4.1. Klinker ve uçucu külün XRF analiz sonuçları………39
4.2. Klinker ve uçucu külün fiziksel analiz sonuçları………...…………...…..40
4.3. Analiz edilen çimentolarının kimyasal analiz sonuçları…………..………...41
4.4. Analiz edilen çimentolarının %1 incelikte (90 Mikron) fiziksel analiz sonuçları..…42
4.5. Analiz Edilen çimentolarının %4 incelikte (90 Mikron) fiziksel analiz sonuçları...43
4.6. Ca(OH)2 ve CaCO3 ilavesi ile elde edilen basınç dayanım sonuçları…………..…...54
viii
Şekil Sayfa
2.1. Çeşitli renkteki uçucu küller………...9
2.2. Uçucu kül tanelerinin 2000 kat büyütülmüş hali………...10
3.1. X-ray analiz yöntemleri………...30
3.2. Harç karıştırma cihazı………...32
3.3. Kalıpların sarsma tablasına yerleştirilmesi……….………33
3. 4. Basınç Dayanım cihazı………..34
3.5. Blaine Cihazı………..36
3.6. Hacim genleşmesi ölçüm çubukları………37
3.7 Alphine elek ………38
4.1. %Uçucu kül değişimine karşılık % SiO2 değişim grafiği………..….45
4.2. %Uçucu kül değişimine karşılık % Al2O3 değişim grafiği………...46
4.3. %Uçucu kül değişimine karşılık % Fe2O3 değişim grafiği……….47
4.4. %Uçucu kül değişimine karşılık % CaOdeğişim grafiği………..….48
4.5.%Uçucu kül değişimine karşılık, %1 incelikte (90 mikron) 2 günlük basınç dayanımı değişim grafiği………….………...49
4.6. %Uçucu kül değişimine karşılık, %1 incelikte (90 mikron) 7 günlbasınç dayanımı değişim grafiği……….………...50
4.7. %Uçucu kül değişimine karşılık, %1 incelikte (90 mikron) 28 günlük basınç dayanımı değişim grafiği……….………..51
4.8.%Uçucu kül değişimine karşılık, %4 incelikte (90 mikron) 2 günlük basınç dayanımı değişim grafiği……….…………..52
4.9. %Uçucu kül değişimine karşılık, %4 incelikte (90 mikron) 7 günlük basınç dayanımı değişim grafiği………...………53
4.10. %Uçucu kül değişimine karşılık, %4 incelikte (90 mikron) 28 günlük basınç dayanımı değişim grafiği………...54
ix
Si mgel er Açıkl ama µ Mikron
N/mm2 Newton/milim et re kare cm2/ g Santim etrekare/ gra m µm Mikrometre g/ cm3 gram/santimetreküp % Yüzde MW Megavat kN/m3 KiloNewton/metreküp Kısaltmalar Açıklama
XRF X ışınları floresans spektrometresi DSİ Devlet Su İşleri
ASTM-C The American Standard for Testing and Materials
TS Türk Standartları
TSE Türk Standartları Enstitüsü EİE Elektrik işleri Etüt İdaresi
TEAŞ Türkiye Elektrik Üretim İletim Anonim Şirketi
SSB Silindirle Sıkıştırılmış Beton S+A+F SiO2+Al2O3+Fe2O3
UK Uçucu Kül Day Dayanım
1.GİRİŞ
Ülkemizde her geçen gün artan nüfus ihtiyacına paralel olarak gelişen kentleşme ve sanayileşmenin, karşılanması gereken en önemli gereksinimlerinden biri enerjidir. Bu ihtiyacın kendi olanaklarımızla karşılanması ve ucuza elde edilmesi önemlidir. Bu nedenle mevcut kaynakları değerlendirerek elektrik enerjisi üretiminde hidroelektrik santraller ve yakıt olarak pulverize (toz halinde) kömürün yaygın olarak kullanıldığı termik santraller kurulmuştur. Son yıllarda bunlara ek olarak doğalgaz santralleri de katılmıştır. Türkiye‘de sadece kömür ile çalışan 15 tane termik santral faaliyet göstermektedir. Çatalağzı, Çolakoğlu ve Sugözü-İskenderun termik santrali dışındaki tüm santraller, linyit kömürü ile çalışmaktadır.
Ülkemizde elektrik enerjisinin yaklaşık yarısının üretildiği termik santrallerde 55 milyon ton/yıl düşük kalorili linyit kömürü yakılmakta ve yanma kalıntısı olarak bacalardan 15 milyon ton/yıl uçucu kül elde edilmektedir.
Uçucu kül, toz halinde veya öğütülmüş taş kömürü veya linyit kömürünün yüksek sıcaklıklarda yanması sonucu oluşan ve baca gazları ile sürüklenen silis ve alimünosilisli toz halindeki bir yanma kalıntısıdır (Anonim, 1975 ).
Yanma işlemleri sırasında daha iri taneli olan ve baca gazları ile birlikte atmosfere sürüklenemeyerek kazan tabanına düşen küllere de taban külü denilmektedir (Mehta, 1986).
Kömür yakılarak üretilen elektrik enerjisi kullanan sanayinin1930‘lu yıllardan itibaren gelişmesi ile uçucu kül terimi yaygınlaşmaya başlamıştır Uçucu külün kullanılmasıyla ilgili ilk kapsamlı bilgi 1937‘de Kuzey Amerika'da bulunmaktadır. Enerji maliyetindeki hızlı artışa paralel olarak 1970‘1i yıllarda çimento fiyatlarındaki önemli derecedeki artış uçucu külün tüm dünya genelinde kullanılmaya başlamasını sağlamıştır (Gökçe, 1995).
Dünyada bir yılda üretilen uçucu külün %25‘den daha azı farklı alanlarda değerlendirilmektedir. Ancak Almanya, Hollanda ve Belçika‘da üretilen toplam uçucu
külün %95‘inden fazlası, İngiltere‘de ise yaklaşık %50‘si kullanılmaktadır. Büyük miktarlarda uçucu kül üretilen ABD ve Çin‘de ise üretilen külün sırasıyla yaklaşık %32 ve %40‘ının kullanıldığı görülmektedir (Bhattacharijee, 2002).
Türkiye‘de 1990 yılı verilerine göre uçucu kül kullanım oranı %1‘den daha azdır (Tokyay, 1993). Ülkemizde çimento üretiminin yıllık 25 milyon ton dolayında olduğu düşünüldüğünde yılda 15 milyon ton civarında üretilen ve yalnızca %1‘i değerlendirilen uçucu külün depolanması, saklanması veya atılmasının çevreye vereceği zararların önemi ortaya çıkmaktadır.
Uçucu küllerin bacalarda elektro filtreler yardımıyla tutulmasıyla tesislerin yarattığı çevre kirliliği kısmen önlenmektedir. Açığa çıkan bu uçucu küller, taşıma ve depolama sırasında önemli sorunlar oluşturmaktadır. Bu yanma kalıntılarının açık sahalarda depolamasıyla oluşan çevre problemleri arasında tozlanma, tarım ürünlerine zarar verme, yağmur ve rüzgâr erozyonu, toprakta süzülme ve radyasyon sayılabilir. Bu çevre sorunları nedeniyle su ve havanın kalitesi, tarım ürünleri, doğal hayat, bölgenin ekonomik durumu ve çevre güzelliği açısından istenmeyen sonuçlar ortaya çıkmaktadır. Karşılaşılan sorunların giderilmesi, uçucu küllerin çeşitli kullanım alanlarında değerlendirilerek ülke ekonomisine kazandırılması ile olasıdır. Uçucu küller, fiziksel ve kimyasal özelliklerinin verdiği olanaklar nedeniyle sanayide, teknikte ve inşaat endüstrisinde kil ve diğer doğal malzemenin kullanımının azaltılması nedeniyle doğal malzemenin korunmasında, zemin stabilizasyonunda, çimento ve beton üretiminde, tuğla ve ateş tuğlası üretiminde, baraj gövdesinde, enjeksiyonda, yol dolgu malzemesi olarak, temel ve alt temel malzemesinde, endüstriyel katı atık sahalarında taban ve günlük örtü malzemesi olarak geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bunlara ek olarak, asfalt yol yüzeylerinde kaymayı engelleyici katkı malzemesi olarak, tarımda sıkı toprağın gevşetilmesi ve nem tutma yeteneğini artırmak, maden ocaklarında filler olarak, petrol kuyusu sondajlarında, metal yüzeylerin püskürtme yöntemiyle temizlenmesinde kullanılabilmektedir (Erdoğan, 1993). Ülkemizde de değerlendirilmeyen uçucu küllerin santral dışına, genellikle santrallerden oldukça uzak bir yere taşınması gerekmektedir. Depolama sırasında işletmelere yüklenen ek taşıma masrafı ve taşıma sisteminde oluşabilecek arızalar nedeniyle santrallerin zaman zaman düşük kapasiteyle çalışması üretilen enerjide de kayıplara neden olmaktadır.
Yapılan bu çalışmada farklı yüzdelerde uçucu kül ve klinker kullanılarak elde edilen çimentolarda dayanımları artırmak amacıyla Ca(OH)2 ve CaCO3 ilavesi yapıldı.
2. LİTERATÜR ÇALIŞMALARI
Türkiye‘de uçucu külle ilgili ilk önemli çalışma 1964 yılında Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü Araştırma Dairesi bünyesinde yapılmıştır. Çalışmalar, özellikle uçucu külün çimento ve betonda katkı maddesi olarak kullanılması üzerinedir. Tunçbilek Termik Santralinden alınan uçucu külün betonda katkı malzemesi olarak kullanılmaya uygun olduğu görülmüştür. Değişik miktarlarda kül katılan çimento harcı ve beton karışımları üzerinde yapılan deneyler sonucu kül katkısının hidratasyon ısısını düşürdüğü, çimento içinde %20‘ye kadar katılan külün 90 gün sonra, normal beton dayanımlarından daha yüksek sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Bu verilere dayanarak Gökçekaya Baraj inşaatında uçucu kül, beton katkı malzemesi olarak başarıyla kullanılmıştır (Alataş, 1996).
Anonim, 1979. ―Türkiye Uçucu Küllerinin Özellikleri ve Kullanım Özellikleri‖ isimli çalışmasında, Çatalağzı, Tunçbilek, Soma ve Seyitömer termik santrallerinden alınan uçucu küllerin hafif agrega yapımına uygun olduğunu belirtmişlerdir.
EİE‘nin koordinatörlüğünde TCK, DSİ, Çitosan, ilgili bakanlıklar ve üniversitelerle yapılan çalışmada Türkiye uçucu küllerinin üretimi, kullanım olanakları, karşılaşılan sorunlar ve çözüm önerileri hakkında geniş bir rapor hazırlamışlardır.
Anonim (1986), karayolu ve dolgu inşaatlarında uçucu külün kullanabilirliğini araştırılmıştır. Bu çalışmada kullanılan arazi ve laboratuar test metotları hakkında açıklamalar yapılmaktadır. Ayrıca karışımların hazırlanması tasarım metotları, yapım özellikleri ve kalite kontrolü hakkında bilgi verilmektedir.
Wasti (1990), ―Uçucu Küllerin Geoteknik Uygulamalarda Kullanımı‖ adlı çalışmasında, uçucu küllerin yüksek plastisiteli killerin iyileştirilmesinde ve toprak dolgu malzemesi yerine kullanılarak değerlendirilebileceği sonucuna varmıştır.
Alataş (1996), Afşin–Elbistan Termik Santrali uçucu külünün yol stabilizasyonunda farklı malzemelerle birlikte kullanımını araştırdığı çalışmasında uçucu külün yol stabilizasyonunda, diğer bağlayıcılarla birlikte kullanılabileceğini belirtmiştir.
Atiş (2001), silindirle sıkıştırılabilen ve uçucu kül içeren betonun özelliklerini incelemiştir. Uygun uçucu kül kullanımı ile ağırlıkça %50 yer değiştirme oranında normal beton dayanımına eşdeğer dayanımında beton üretebileceği ve ağırlıkça %70 yer değiştirme oranında ise oldukça iyi dayanımda beton elde edilebileceği sonucuna ulaşmıştır.
2.1. Puzolan
Kendi kendine bağlayıcılık özelliği çok az olan veya hiç olmayan, ancak uygun su içeriğinde ve normal ortam sıcaklığında kireç ile kimyasal tepkimeye girip, bağlayıcı özelliği olan ürünler açığa çıkaran, ince toz halindeki silisli ve alüminli maddelere puzolan veya tras denilmektedir. Puzolan, bu iki madde arasındaki tepkime için kullanılır ve bu volkanik küllerin bileşimi uçucu küllerle çok benzerdir (Erdoğan, 1993). Yaklaşık 2000 yıl önce Eski Romalılar; İtalya‘nın Puuzzouli kasabasında Vezüv Dağı eteklerindeki volkanik küller ile kireci karıştırarak hidrolik bağlayıcı elde etmişlerdir. Çok yüksek sıcaklıkta ergime durumuna gelmiş silikatlar ve alimüno silikatların ani soğumaları sonucu amorf bir yapıya dönüşmesi ve puzolanik aktivite kazanması sonucu oluşmuşlardır (Akman ve Esenli, 1992). ASTM-C 618, puzolanların kimyasal bileşiminde [(SiO2, Al2O3, Fe2O3) ≥0.70] olmasını
öngörmektedir. Büyük oranda amorf olan bu oksitlerin toplamına bir alt sınır getirilmesinde amaç, normal sıcaklıkta Ca(OH)2 ile kolayca kimyasal tepkimeye
girerek bağlayıcı bir yapı oluşturabilmeleridir. Puzolanik tepkime ile çimento hidratasyon tepkimesi karşılaştırıldığında;
Portland çimentosunun hidratasyon tepkimesi ‗Eşitlik 1.1 de ‘ verilmiştir.
C2S+ C3S +aq —► CSH+ CH (1.1)
Puzolanik tepkime ‗Eşitlik 1.2 de‘ verilmiştir.
CH + S+aq—► CSH (1.2)
(C2S: Dikalsiyumsilikat, C3S: Trikalsiyumsilikat, aq: Su, CSH: Kalsiyumsilikahidrat,
İki tepkimede de ürün olarak kalsiyumsilikahidrat oluşmuştur. Çimentoya ait tepkimede kireç oluşmuş, kireç ve aktif silise (puzolan) ait tepkimede ise kireç harcanmıştır. Bu tepkime puzolanik tepkime olarak adlandırılır. Puzolanik tepkime sonucu daha yavaş mukavemet artışı oluşur ve ısı çıkışı daha düşüktür. Çimentonun hidratasyon tepkimesi ise daha hızlıdır. Temel puzolanik tepkime kireç ile silis arasındadır (Mehta,1987).
Puzolan ve Portlant çimentosu karışımı hidratasyona girince puzolanik tepkime sonucu bağlayıcı hamurundaki serbest kireç miktarı gittikçe azalır. Bu davranış puzolanik aktivitenin belirlenmesinde bir yöntem olarak uygulanır (Fratini testi). Puzolanlar doğal ve yapay olmak üzere ikiye ayrılmaktadır (Erdoğan, 1993). Doğal puzolanlar; volkanik küller, volkanik tüfler, diatomik toprak, camlar, pişmiş killer ve şeylerdir. Yapay Puzolanlar, yüksek fırın cürufu, silis dumanı, demirli olmayan cüruf ve uçucu küllerdir.
2.2. Uçucu Kül
Ülkemizde artan elektrik enerjisi talebini karşılamak için kurulan 25 km, uzaklıkta Sivas-Kangal Termik Santrali, önceleri 2 x 150 MW kurulu güç olarak planlanmış daha sonra 4 x 150 MW‘a öngörülmüştür.
Genelde ısı ile çalışan güç üretim tesislerinde öğütülmüş taş kömürü ya da linyit kullanılır. Öğütülmüş kömürün %80‘lik kısmı 75μ elekten geçebilecek inceliğe sahiptir. Bu kömür tozları sıcak hava ile karıştırılarak yanma için fırına gönderilir. Yanma sonucunda çeşitli atıklar ve bazı gazlar açığa çıkar (Erdoğan, 1993). Bu kalıntıların büyük bölümü (%75-%80) bacalardan çıkıp gazlarla birlikte, sıcaklıktan dolayı, uçup giden küllerdir. Bunların bacalardan uçmasına izin verilmez. Aksi takdirde çevre kirliliğine neden olurlar. Bu küller bacadan yukarı giderken elektrostatik filtreler ya da filtre torbaları yardımı ile tutulurlar. Çağdaş güç üretim tesislerinde gazla birlikte hareket eden bu küllerin %99‘undan fazlası tutulmaktadır (Erdoğan, 1997). Bu küller, toz halinde veya öğütülmüş, taş kömürü veya linyit kömürünün yüksek sıcaklıklarda yanması sonucu oluşan ve baca gazları ile sürüklenen silis ve alimünosilisli toz halindeki yanma kalıntısıdır ve uçucu kül olarak adlandırılırlar. Bu işlemler sırasında daha iri taneli olan ve baca gazları ile birlikte atmosfere
sürüklenemeyerek kazan tabanına düşen küllere ise taban külü denilmektedir (Mehta, 1986). Termik santralin tipine göre 1100-1600 ºC sıcaklıkta yakılan kömürlerin %10-20‘si kazan altına düşerek su ile uzaklaştırılır. Buna kazan altı cürufu denir. Bunların tane çapları 20 mikron-3 mm arasındadır (Bayazıt, 1980; Alataş, 1996) .
2.2.1. Uçucu Küllerin Sınıflandırılması
2.2.1. 1. Uçucu Küllerin Kimyasal Yapılarına Göre Sınıflandırılmaları
Uçucu küllerin içerdiği analitik CaO miktarına göre sınıflanması: CaO miktarı
%10‘dan az olanlar düşük kireçli/kalsiyumlu uçucu küller, CaO miktarı %10‘dan fazla olanlar yüksek kireçli/kalsiyumlu uçucu küller, olmak üzere
ikiye ayrılmaktadır. (Anonim, 1991 ).
Uçucu küllerin yapısındaki kireç ve SO3 miktarına göre sınıflanması: Esas yapısı
silika aluminatlardan oluşan, SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 (S+A+F) toplamı %70‘in üzerinde
olan ve genellikle taşkömüründen elde edilen silika alüminalı uçucu küller, linyit kömüründen elde edilen, S+A+F toplamı %50 ile %70 arasında olan ve kireç ile silika miktarı yüksek olan silika kalsit uçucu küller, linyit kömüründen elde edilen, S+A+F toplamı %50‘in üzerinde olan ve diğerlerine göre daha fazla SO3 ve CaO ihtiva eden
sülfo kalsit uçucu küllerdir. Yukarıda belirtilen silika alüminalı uçucu küller, F sınıfındadır. Silika kalsit uçucu küllerin bazıları F sınıfı içinde, bazıları da C sınıfı içinde yer almaktadır. Sülfo kalsit uçucu küllerin çoğu, C sınıfı uçucu küller olarak isimlendirilmektedir. (Aitcin, 1986 ).
2.2.1.2. Avrupa Çimento Standardı ENV 197-1’e göre sınıflanması Çimentolarda kullanılabilecek uçucu küller silisli uçucu küller (V) Kalkerli uçucu küller (W)
V sınıfı küller esas itibariyle reaktif silika ye alüminadan meydana gelmiş olan, reaktif CaO miktarı %5‘in altında, reaktif SiO2 miktarı ise %25‘in üstünde olan uçucu
küllerdir. W sınıfı uçucu küller ise reaktif CaO, reaktif SiO2 ve alüminadan oluşan,
2.2.1.3. Uçucu Küllerin Elde Edildikleri Kömürün Tipine Göre Sınıflanması Linyit uçucu külü: Uçucu maddesi fazla ve genel olarak esmerdir. Bu uçucu küllerin kullanılma olanakları tamamen fiziksel ve kimyasal yapılarına bağlıdır. Etkili fiziksel özellikleri, su absorpsiyonu, görünen yoğunluk, spesifik yüzey olarak tanımlanabilir. Spesifik yüzey ve kömürün granülometri ezilme durumuna göre her ülkede ve santralde farklıdır.
Taş kömürü uçucu külü: Taş kömürü uçucu külü genel olarak 3-1000 mikron incelikte elde edilir. Bunlar tamamen kuru olarak elde edilirler (Bayazıt, 1980; Alataş, 1996).
Uçucu küller için yukarıda görüldüğü gibi birçok sınıflanma vardır ve bunlar yeterli değildir. Uçucu küllerin kimyasal kompozisyonlarının elde edildikleri kömürün jeolojik geçmişiyle, kömürün alındığı düzeylerde ilişkili olması sınıflandırılmalarını zorlaştırmaktadır.
Yapılan sınıflandırmalarda, bazı uçucu küller birden fazla sınıfın özelliklerini taşırken bazıları da neredeyse kendileri bir sınıf yaratacak kadar özel niteliklere sahip olabilirler. Bazı araştırmacılar uçucu külleri sınıflandırılmaya çalışılmasına radikal bir biçimde yaklaşarak her uçucu külün bizzat kendi sınıfını oluşturduğunu belirtmektedirler.
2.2.2. Uçucu Küllerin Özellikleri
Uçucu küllerin fiziksel ve kimyasal özellikleri birçok değişkene bağlıdır. Bunlar kömür cinsi, yanma sistemi, öğütme inceliği, filtre sistemi, kömür kaynağı, külün alındığı düzey vb. olarak hem ortaya çıkacak olan uçucu kül miktarına etki etmekte hem de kömürün kimyasal bileşimi içerisinde yer alan inorganik maddeler ile oluşacak külün kimyasal bileşimini belirlemektedir.
2.2.2.1. Uçucu Küllerin Fiziksel Özellikleri
Renk: Uçucu küllerin renkleri açık kremden koyu kahverengiye kadar değişiklik gösterir. Renk yanmamış kömür miktarından, demirce zengin tanelerden ve nemden etkilenir (Joshi ve Nagaraj,1987). Linyit uçucu külü taş kömürü uçucu külünden daha koyu renktedir. İyi yanmış uçucu kül, iyi yanmamış uçucu külden daha açık renge sahiptir (Şekil 2.1). İyi yanmamış küle koyu rengi veren yanmamış karbon tanecikleridir (Erşan, 1996). Yüksek demir oksit içeriği siyaha yakın renk verir (Sevim, 2003).
Şekil 2.1. Çeşitli renkte uçucu küller
Tane Şekli ve Boyutu: Uçucu küllerin tane boyutu kullanılan kömürün cinsine ve öğütülme derecesine bağlıdır. Taşkömürü uçucu külleri linyit küllerinden daha incedir. Tane inceliğine etki eden diğer faktör, küllerin bacada ileri tekniklerle tutulmasıdır. Bacadan toz olarak kaçan kısım azaldıkça tane inceliği artar. Elektro filtrelerde tutulan uçucu küller siklonlarda tutulanlardan daha ince tanelidir. Uçucu küller çimentoya göre daha ince ve özgül yüzeyleri daha büyüktür. Uçucu kül parçacıklarının çapları 1-150 µm arasında değişim göstermekle birlikte % 75'den fazlasının çapı 45 μm'den daha küçüktür. Bu küresel parçacıkların içi dolu veya boş olabilmektedir. İçleri boş olan kül parçacıklar toplam külün ağırlık olarak % 5'ini, hacim olarak ise yaklaşık % 20'sini oluşturmaktadır ( Uysal, 1987; Erşan, 1996).
Uçucu küller çok ince taneli, dokunulduğunda yumuşak bir malzemedir. Mikroskopta incelendiklerinde süngerimsi boşluklu ve boşluksuz küresel taneciklerden oluştuğu görülür (Şekil 2.2) (Erşan, 1996). Uçucu boşluklu taneler cenosphere olarak adlandırılır
ve içeriği %5 ile %20 arasındadır (Sevim, 2003) .
Şekil 2.2. Uçucu kül tanelerinin 2000 kat büyütülmüş hali (Anonim, 2003)
Yoğunluk: Uçucu küller çimentodan daha düşük yoğunluğa sahiptirler. Uçucu külün yoğunluğu silikat, alümunat, demir ve yanmamış karbon miktarı ile değişmektedir. Yüksek demir içeriği uçucu külün yoğunluğunun daha yüksek olmasına, yüksek miktarlarda alümunat, silikat ve yanmamış karbon ise, daha düşük bir yoğunluğa neden olur. Yoğunluk külün mineralojik yapısına göre de değişmektedir. İçi dolu küresel tanelerden oluşan uçucu küllerin yoğunlukları yüksek iken, süngerimsi tanelerden oluşanlar daha düşüktür. Normalde uçucu külün yoğunluğu 2,1 ile 2,7 gr/cm3
dolaylarındadır.
Yoğunluğun yüksekliği uçucu külün inceliği ile ilgilidir. İnce küller kabaya göre daha fazla yoğunluk verirler (Sevim, 2003). Uçucu küller, doğal zeminlerle karşılaştırıldığında daha düşük özgül ağırlık değerlerine sahip, silt boyutunda oldukça uniform malzemelerdir (Erşan,1996; Uysal, 1987). Uçucu Küllerin fiziksel özellikleri Çizelge 2.1‘de özetlenerek verilmiştir.
Çizelge 2.1. Uçucu küllerin fiziksel özellikleri
Ç Çap (µm) Şekil Renk Yoğunluk (g/cm3) İncelik
1-200 Yuvarlak Gri 2.2-2,7 Çimento inceliğinde
Karbon Miktarı: Yanmanın kaliteli olduğu termik santrallerde yanmamış karbon miktarı çok düşük olmaktadır. Yeni tip santrallerde % 3‘un altında kalmaktadır. Uçucu külün karbon miktarı yanma kaybından az olmalıdır. Yanma kaybı değeri ampirik
olarak 0,9 ile çarpılarak yaklaşık yanmamış karbon miktarı bulunabilmektedir (Yılmaz, 1992). Uçucu küllerdeki karbon, yanıcı olan tanelerin üzerinde ince karbon tabakası veya ayrı taneler olarak bulunmaktadır. Uçucu küllerdeki karbon tanelerinin tane boyutu çoğu zaman diğer tanelerden daha büyüktür (Atanur, 1971).
2.2.2.2. Uçucu Küllerin Kimyasal Özellikleri
Uçucu külün kimyasal bileşeni yanan kömürün tipine, kömür içinde bulunan yanıcı olmayan maddelerin miktarına, yanmanın etkinliğine ve sürekliliğine bağlıdır. Genelde linyit kömürünün yanmasıyla elde edilen uçucu kulun CaO bileşeni fazla, Fe2O3
bileşeni ise taş kömürünün yanmasıyla elde edilen külün Fe2O3 bileşeninden azdır.
Linyitten elde edilen uçucu külün yanmamış karbon içeriği çok azdır.
Suda Çözünürlük: Uçucu küller %2–3 oranında suda çözünürler. Çözelti kalsiyum ve sülfat bileşenlerinden oluşmaktadır. Uçucu küller saf su içersine bırakıldıklarında birkaç saat içinde içlerindeki sülfatın tamamı çözünür. SiO2, AI2O3, K2O, MgO,
Na2O ye Fe2O3 suda çok az çözünürler. Sıcaklık arttıkça çözünürlük artar. Puzolanik
özellik istenen karışımlarda ve iyi bir uçucu külde suda çözünebilen maddeler az olmalıdır (Toros, 1987).
Asitlerin Etkisi: Uçucu küllere asitlerin etkisi çok azdır. Seyreltik asit içerisinde uçucu küllerin çözünürlüğü en fazla %15‘tir. Ancak bu miktar küllerin kimyasal ve mineralojik yapısına bağlı olarak değişebilmektedir.
Kimyasal Yapıları: Uçucu külün %85‘inden fazlası SiO2, Al2O3, CaO, ve
Fe2O3‘den oluşmuştur. Bu oksitlere ilave olarak düşük oranda MgO ve SO3 ve
alkaliler de bulunur. Uçucu kül bacadan toplanırken, içinde bazı yanmamış karbon partikülleri de uçucu külün önemli bir bileşenini oluştururlar. Kullanılan kömüre bağlı olarak bazı tiplerinde yüksek miktarda CaO bulunabilmektedir. TSE 639 ve ASTM-C 618 e göre uçucu küllerin kimyasal bileşimleri Çizelge 2.2‘de verilmiştir.
Çizelge 2.2. Uçucu küllerin ASTM-C 618 ve TS 639 Puzolan olarak kullanılabilirlik sınırları Kimyasal Bileşik ASTMC618(%) TS 639 (%) F C SiO2 + Al2O3+ Fe2O3 En az % 70 En az % 50 En az % 70
MgO En çok % 5 En çok % 5 En çok % 5 SO3 En çok % 5 En çok % 5 En çok % 5
Na2O+K2O En çok % 1.5 En çok % 1,5
-Nem 3 (max) 3 (max) 3 (max)
Yanma Kaybı En çok % 12 En çok % 6 En çok % 10
2.2.2.3. Uçucu Küllerin Mineralojik Özellikleri
Uçucu küllerin kimyasal ve mineralojik bileşimleri arasında doğrudan bir ilişki bulunmamasına karşın, mevcut ulusal ve uluslararası standartlarda yalnızca kimyasal oksit analizi kullanılarak bu malzemelerin kullanılabilirliği belirlenmektedir. 0ysa uçucu küllerin reaktivitesi mineralojik yapılarıyla ilgilidir (Tokyay, 1993).
Düşük kireçli uçucu küllerdeki camsı faz miktarı, yüksek kireçli uçucu küllerden daha fazladır. Düşük kireçli uçucu küllerde mineral faz olarak, camsı faz, mullit (Al6Si2O13),
hematit (Fe2O3), manyetit (Fe2O4), kuvars (SiO2) vb. bulunurken yüksek kireçli uçucu
küllerde sayılanlara ek olarak serbest kireç (CaO), anhidrit (CaSO4), trikalsiyum
aluminat (Ca3Al2O6), plajiyoklaz, gehlenit, feldspat gibi kalsiyum silikatlar
bulunmaktadır (Tokyay, 1993).
Uçucu küller gözenekli veya dolu camsı küresel taneler ile yanmamış mineralleri içeren süngerimsi ve köşeli aglomere tanelerden oluşmaktadır. Uçucu küllerde en fazla bulunan mineraller silikat (SiO2), mullit (3Al2O3.2SiO2), hematit (Fe2O3), manyetit
(Fe3O4), kalsit (CaCO3 ) ve gibsittir (anbidrit(CaSO4)). Uçucu küllerin bir kısmı SiO2
ve Al2O3 den meydana gelirken, diğer bir kısmi alkali elementlerin özellikle SiO2 ve
Mineralojik analizlerde genellikle uçucu kül içerisindeki silisyumun bir kısmının kuvars kristalleri halinde bir kısmının ise alümunat ile birleşerek mullit, geri kalanının ise camsı yapıda olduğu saptanmıştır. Demirin kısmen manyetit (Fe2O4) ve hematit (Fe2O3)
bileşiminde geri kalanın ise camsı yapıda olduğu görülmüştür. Uçucu küllerin % 66-88'i camsı yapıda, %70-88‘i SiO2 ve Al2O3 geri kalan kısmı ise demir, kalsiyum,
magnezyum, sodyum, potasyum ve titanyumdan oluşmaktadır (Joshi ve Nagaraj, 1987).
2.2.2.4. Uçucu Küllerin Puzolanik Özellikleri
Uçucu küller, baca gazları ile sürüklenir ve hava ile temas ederek ani soğuma ile puzolanik özellik kazanırlar (Bayazıt, 1980; Alataş, 1996). Uçucu küller çoğunlukla kendi başlarına bağlayıcı özelliği olmayan ancak sulu ortamda kireçle birleştirildiklerinde bağlayıcılık özelliği kazanan puzolanik malzemelerdir. Kireç ve su ile karıştırıldıktan sonra artan süre ile birlikte uçucu küllerin puzolanik özellikleri artmaktadır. Ayrıca CaO miktarı yüksek uçucu küller daha iyi puzolanik özellik göstermektedir (EİE, 1979). Oda sıcaklığında kül-kireç-kumdan oluşan harç numuneleri belirli bir süre sonunda mekanik dayanım kazanmaya başlarlar. Harçlar en yüksek dayanımlarına 5-6 yılsonunda ulaşmaktadır. Uçucu küldeki puzolanik etki külün bileşimine ve inceliğine bağlı olarak değişmektedir. Puzolanik özelliği etkileyen faktörleri şöyle sıralayabiliriz. Uçucu kül içerisindeki SiO2 ve Al2O3 miktarının artması
ve bu bileşiklerin amorf yapıda olması puzolanik etkiyi arttırır. Kül içinde bulunan CaO, SO3 ve alkali oksitlerin puzolanik özelliği ne şekilde etkilediği tam olarak
bilinmemektedir.
Külde yanmamış karbon miktarının artması puzolanik özelliğin azalmasına neden olur. Uçucu küldeki karbon, boşluklu yapıya sahiptir. Dayanımı düşüktür ve karışım su gereksinimini artırır. Uçucu küllerin puzolanik özelliği ve mekanik dayanımı incelikle birlikte artmaktadır. Uçucu külün puzolanik malzeme olarak kullanılabilirliği, fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlıdır. Oluşan değişiklikler sadece uçucu külü oluşturan mineral bileşimin değişen miktarından değil, kömürün yakıldığı kazanın çalışma sisteminden, kömürün yanmadan önceki öğütülme inceliğinden ve hava kirliliği kontrolü için kömürle karıştırılan katkı maddelerinden de oluşur. Küldeki bu değişiklik
puzolanik aktiviteyi etkiler (Joshi ve Nagaraj, 1987). Puzolanik aktiviteye ek olarak birçok linyit uçucu külleri kendi kendine sertleşme özelliğine de sahiptirler. Bu küller su ile karıştırılıp kompaksiyona tabi tutulduklarında çimentolaşmadan dolayı sertleşirler. Genel olarak bu etki, küldeki serbest kirece ve suda çözünebilen maddelere bağlıdır (Joshi ve Nagaraj, 1987).
Silika alümunaz bir uçucu kül, kireç ile sulu ortamda tepkimeye girer. Buna puzolanik özellik denir. Belirli oranlarda birleşen kireç-uçucu kül-su bir süre sonra suda dayanım kazanır. Ancak uçucu külün kireç olmadan bağlayıcı özelliğinin olmayacağı da bilinmelidir. Çok nadir olarak bazı silika alümunaz uçucu küller su ile sertleşebilirlerse de genel olarak su ile priz yapmazlar. Uçucu külde dayanım için belli surelerde beklemek gerekir. Uçucu külün inceliği ve sıcaklığı, tepkime hızına pozitif yönde etkir. Aynı şekilde beton yapılırken kullanılan çimentonun bir kısmi yerine uçucu kül katıldığında, ileriki günlerde yalnızca çimento ile yapılan betonlara oranın daha yüksek dayanımlar elde edildiği bilinmekte ve bundan ise özellikle hidrolik yapılarda yararlanılmaktadır (Bayazıt, 1980; Alataş, 1996).
Uçucu kül kullanmadan önce fiziksel ve kimyasal özelliklerinin yani sıra puzolanik özelliğini belirlemek üzere puzolanik aktivite deneyi TS 639‘a uygun olarak yapılmalıdır. Bu aktivite çimento ve uçucu külle harç dökülerek belirlenir. Bir uçucu külün puzolanik özelliğinin var sayılması için uçucu küllü karışımın yalnız çimento ile yapılan karışımın verdiği dayanımının en az %70‘ini vermesi gerekmektedir (Anonim, 1975. TS 639; Alataş, 1996).
2.3. Termik Santraller
Elektrik enerjisi elde etmek için kullanılan iki önemli üretim kaynağından birisi hidroelektrik enerjisi sağlayan barajlar, diğeri genellikle yakıt olarak pulverize kömürün kullanıldığı termik santrallerdir. Türkiye‘deki toplam elektrik enerjisi üretiminin yaklaşık yarısı, hatta yarıdan biraz daha fazlası, termik santrallerden sağlanmaktadır (Erdoğan, 1993). Yetmişli yıllarda birkaç kez yaşanan ve zaman zaman ortaya çıkan enerji krizleri, gelişen endüstrinin giderek artan elektrik gereksinimi, Türkiye‘de yeni santrallerin ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Bilindiği gibi, hidroelektrik potansiyel
yönünden ülkemiz, Norveç‘in ardından Avrupa‘da ikinci sırada bulunmasına rağmen, bu potansiyelimizin ancak küçük bir kısmını değerlendirebilmektedir. Hidroelektrik santrallerinin, yapımı uzun süre alan ve çok büyük mali kaynaklara gerek duyulan yatırımlarla gerçekleşebilmesine karşılık, termik santraller çok daha kısa sürede inşaa edilebilmektedir. Türkiye‘de elektrik enerjisinin yaklaşık yarısının üretildiği termik santrallerde 55 milyon ton/yıl düşük kalorili linyit kömürü yakılmakta ve bunun sonucunda da 15 milyon ton/yıl uçucu küller elde edilmektedir (Anonim, 2000).
Ülkemizde yaygın linyit yatakları bulunmaktadır. Linyitin Türkiye‘nin enerji üretimindeki payı 1975‘de %9,5 iken, 1985‘de %19,1‘e çıkmıştır. Linyit rezervinin yarısına yakın bölümü K.Maraş-Elbistan yöresinde bulunmakta ve kalitesi düşük olup, kül oranı da yüksektir. Son yıllarda yapılan termik santrallerle bu düşük kaliteli kömürlerin değerlendirilmesine çalışılmaktadır (Tuğal, 1989).
Türkiye‘de bulunan termik santrallerde atık olarak oluşan uçucu küller genel olarak C sınıfı uçucu küllerdir. Ayrıca birçoğu da yüksek kireçli uçucu kül sınıfında yani CaO>%10 üzerinde yer almaktadır.
Türkiye‘de kömürle çalışan termik santraller Çizelge 2.3‘de verilmiştir. Bu termik santrallerde açığa çıkan uçucu küllerin kimyasal bileşimleri Çizelge 2.4‘de, fiziksel özellikleri Çizelge 2.5‘de, mineralojik kompozisyonları ise Çizelge 2.6 ‘da verilmiştir.
Çizelge 2.3. Türkiye‘deki kömürle çalışan termik santraller
No Santral adı Yakıt cinsi Kurulu güç (MW) Bulunduğu il 1 Afşin-Elbistan A Linyit 1355 Kahramanmaraş 2 Afşin-Elbistan B Linyit 1440 Kahramanmaraş
3 Çan Linyit 320 Çanakkale
4 Çatalağzı Taşkömürü 300 Zonguldak 5 Çayırhan Park Linyit 620 Ankara 6 Çolakoğlu 2 Taşkömürü 190 Kocaeli 7 Kangal Linyit 457 Sivas 8 Kemerköy Linyit 630 Muğla 9 Orhaneli Linyit 210 Bursa 10 Seyitömer Linyit 600 Kütahya 11 Soma A-B Linyit 1034 Manisa 12 Sugözü- İskenderun İthal kömür 1210 Adana 13 Tunçbilek A-B Linyit 429 Kütahya 14 Yatağan Linyit 630 Muğla 15 Yeniköy Linyit 420 Muğla
Çizelge 2.4. Türkiye‘deki termik santrallerden elde edilen uçucu küllerin kimyasal bileşimleri (Tokyay, 1993)
Uç.Kül Oksit (%)
Afişin
Elbistan Çatal-ağzı Seyit- ömer Soma B Tunç-bilek Orhan-eli YatağanTS639 Limitleri ASTM C 618 F C SiO2 27,4 56,8 40,6 39,8 56,4 48.8 51,2 - - -Aİ2O3 12,8 24,1 9,1 22,3 23 19.6 22,9 - - -Fe2O3 5,5 6,8 7,7 4,4 10,1 6.5 7,8 - - -Si+Al+F 39,7 87,7 57,4 66,5 89,5 68.4 81,9 >70 >70 >50 CaO 47 1,4 19,9 25,4 2,1 10.1 13 - - -MgO 2,5 2,4 3,1 1,9 3,3 4 2,8 <5 <5 <5 SO3 6,2 2,9 10,6 4,8 0,4 4.2 0,3 <5 <5 <5 Alkali 0,3 3 1,4 0,4 0,9 1.7 2,9 - - <1.5 Ti 0,7 1,1 - 0,6 - 0,9 - - -Kız.Kayb ı 2,4 0,6 1,4 0,4 1,1 0,4 <10 <12 <6
Çizelge 2.5. Türkiye‘deki termik santrallerden elde edilen uçucu küllerin fiziksel özellikleri (Tokyay, 1993)
Özellik Af.-Elbistan Çatalağzı Seyitömer Soma-B Tunçbilek Yatağan
incelik (%) 200 µm elek 90 µm elek 3,30 14.9 2,7 11,5 1,0 3,0 3,0 19,0 4,5 13,5 1,9 12,8 Özgül ağırlık kN/m3 26,3 19,7 24,6 24,2 19,9 21,5 Su ihtiyacı (% kontrol) 111,8 102,7 112,4 110,0 104,2 106,5
Çizelge 2.6. Türkiye‘deki termik santrallerden elde edilen uçucu küllerin mineralojik kompozisyonları (Tokyay, 1993)
l, Mineral % Uçucu kül
Afşin-Elbistan Çatalağzı Seyitömer Soma B Tunçbilek Yatağan
Mullit 1.0 18.1 1.2 4.3 8.8 6.0 Kuvartz 4.5 10.9 5.6 5.1 13.9 22.4 Manyetit 0.8 0.2 2.5 0.6 4.1 2.9 Hematit 4.0 0.1 6.0 2.0 3.0 7.0 Anhidrit 12.2 - 9.3 7.4 - -Serbest CaO 18.6 0.7 5.5 9.8 0.9 1.0 Plajiyoklaz ~28 - ~15 ~20 - ~25 Camsı ve amorf faz ~30 ~70 ~50 ~50 ~70 ~35
2.4. Türk Standartlarında Uçucu Küller
Türk Standartları Enstitüsü, uçucu küller ile ilgili olarak beş tane standart yayınlamıştır. Bunlar sırasıyla, TS 639, TS 640, TS EN 450, TS EN 451–1 ve TS EN 451–2 standartlarıdır. TS 640, AB‘ye uyum çerçevesinde yürürlükten kaldırılmış ve yerine TS EN 197–1 ―çimento-Bölüm 1:Genel çimentolar‖ standardı uygulamaya konulmuştur (Anonim, 2002).
2.5. Uçucu Küllerin Kullanım Alanları
2.5.1. Uçucu Küllerin Yapı Malzemesi Olarak Kullanılması 2.5.1.1. Uçucu Küllerin Çimento Üretiminde Kullanılması
1980'li yıllardan itibaren Türkiye‘de katkılı çimentoların çimento üretimindeki payı, %90‘lari aşmıştır. Uçucu küllerin çimentoda hammadde, katkı maddesi, ikame malzemesi olarak kullanıldığı görülmektedir (Erdoğan, 1993). Çimento yapımında kullanılan ham maddelerin içeriği (CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3) uçucu küllerin
bileşiminde de bulunduğundan çimento üretiminde kullanılmaktadır. Uçucu kül çimento klinkerine katılarak birlikte öğütülebilirler. Böyle çimentolara uçucu küllü çimento denir (Intron, 1992).
2.5.1.2. Uçucu Küllerin Agrega Olarak Kullanımı
Uçucu kül, hafif öğütülmüş katı yakıt, su ve yeterli katkı (%1–5 kireç) karışımın 1000– 1200 C°‘de sinerleştirilmesi sonucu pellet veya nodüller üretilir. Taneler arasında kalan boşluklarla hafif agrega üretimli sağlanır. Oluşan hafif agregalar elenerek boyutlarına göre ayrılır. Tane özgül ağırlığı 13-21 kN/m3‘ arasında değişmektedir (Helmuth, 1987;
Yılmaz 1992).
2.5.1.3. Uçucu Küllerin Betonda Kullanımı
Uçucu külleri puzolanik özellikleri sayesinde çimento ile yer değiştirerek kullanmak olasıdır. Uçucu küller daha büyük özgül yüzey alanına ve inceliğe sahip olduklarından, ince ve çimentolaşabilen malzeme hacminde artış sağlanır. Bu sayede çimentodan tasarruf sağlanır. Çimentonun ağırlıkça %20‘si yerine uçucu kül eklendiğinde toplam bağlayıcı malzeme miktarında %10‘luk artış sağlanabilmektedir (Toros, 1987; İlhan, l995).
2.5.1.4. Uçucu Küllerin Tuğla Üretiminde Kullanımı
Uçucu küller çok ince taneli olmaları, sertleştiklerinde yüksek dayanım vermeleri ve kilin yapısındaki oksitleri içermesinden dolayı tuğla üretiminde kullanılması olasıdır ve üretiminde iki şekilde kullanılır.
Yardımcı ve düzeltme malzemesi olarak: Uçucu kül su içeriği yüksek killerin fazla suyunu emer, plastik killerin çatlamasını, kabarmasını önler ve çiçeklenme olayını engeller.
Esas malzeme olarak: Killerle harmanlanıp basınç altında kalıplara koyulan karışıma ısıl işlem uygulanır. Uçucu kül puzolanik özelliği ve inceliği nedeniyle malzemede dayanımın önemli miktarda artmasını sağlar (Yılmaz, 1992; Erdinç, 1995).
2.5.1.5. Uçucu Küllerin Seramik ve Cam Üretiminde Kullanımı
Uçucu küller kil ve feldspat ilavesi yapılarak sanatsal seramiklerin üretiminde kullanılmaktadır. Uçucu küller seramik sanayinde kullanıldığında sağladığı avantajlar, tane boyunun küçüklüğü, öğütme masraflarının olmayışı, maliyetinin çok az olması ve içerdiği karbon miktarının pişirme sırasında sağladığı enerji tasarrufudur. Uçucu küllerden aynı zamanda cam seramiklerinin üretiminde de yararlanılmaktadır.
2.5.1.6. Uçucu Küllerin Diğer Kullanım Alanları
Tarımda sıkı toprağın gevşetilmesi ve nem tutma yeteneğinin artırılmasında, petrol kuyusu sondajlarında, maden ocaklarında filtre malzemesi olarak, döküm kumu olarak, asfalt yol yüzeylerinde kaymayı engelleyici olarak, metal yüzeylerin püskürtme ile temizlenmesinde kullanılmaktadır (Erdoğan, 1993).
2.5.2. Uçucu Küllerin Jeoteknik Çalışmalarda Kullanımı
Jeoteknik mühendisliğinde uçucu küller geniş kullanım alanına sahiptir. Bu alanlar: 1) Zemin iyileştirmede iyileştirici katkı malzemesi olarak,
2) Enjeksiyon malzemesi olarak,
3) Dolgu malzemesi olarak (Kanal kaza dolgu malzemesi, baraj dolgu malzemesi, temel altı dolgusu, istinat duvarı arka dolgusu, yol inşaatında dolgu malzemesi ve iyileştirme malzemesi olarak),
4) Atık depolama tesislerinde taban, yan ve üst sızdırmazlık tabakası olarak kullanırlar.
2.5.2.1. Zemin İyileştirmede Kullanımı
Uçucu külün puzolanik malzeme olarak kullanılabilirliğinde, fiziksel ve kimyasal özellikleri belirleyicidir. Oluşan değişiklikler yalnızca uçucu külün oluşturduğu mineral malzemenin değişen miktarından değil, kömürün yakıldığı kazanın sisteminden, kömürün yanmadan önceki öğütülme boyutuna ve çevre kirliliği kontrolü için kömürle harmanlanan katkı maddelerinden de oluşur. Küldeki bu farklılık puzolanik aktivite tayinini ve standart puzolanik aktivite testlerinin yapılmasını engeller. Puzolanik aktiviteye ek olarak linyit kömürünün yakılmasıyla oluşan uçucu küller, kendi kendine sertleşme özelliğine sahiptirler. Bu küller su ile karıştırılıp kompaksiyona tabi tutulduklarında çimentolaşmadan dolayı sertleşirler. Bu etki genel olarak küldeki serbest kirecin ve su ile çözünebilen elemanların varlığı ile ilgilidir (Joshi ve Nagaraj, 1987).
2.5.2.2. Dolgularda Kullanımı
Uçucu küller sahip oldukları özelliklerle dolguların mühendislik özelliklerini olumlu yönde desteklerler. Çimentolaşma sonucu kohezyon özelliği gösterirler. Sürtünme özelliğine sahip tanesel yapıda olduklarından, ince taneli zeminlerden daha yüksek bir içsel sürtünme açısına sahiptir. Kullanılan uçucu kül kendi kendine sertleşme özelliğine sahipse meydana gelecek çimentolaşma etkisiyle dolgu daha geçirimsiz, yatay ve düşey basınçlar altında daha az deformasyon yapan nitelikte ve dolgunun oluşturacağı yatay ve düşey gerilmeler daha az olacaktır. Uçucu küle kireç katılması sonucu puzolanik tepkime oluştururak dolgunun dayanımının artması da sağlanabilmektedir. Taban dolgusunda, uçucu külün homojenliği ve puzolanik özelliğinin incelenmesi gerekir. Gerekli inceleme yapılmadığında farklı oturma sorunları oluşabilir (Büyüköner, 1989).
Yol yapımında taban zemininin iyileştirilmesi, temel ve alt temelde agrega olarak ve kaplama tabakasının hazırlanmasında karışıma eklenerek kullanılabilmektedir (Atanur,1971; Hamamcı; 1991; Alataş, 1996).
Barajlarda uçucu kül, silindirle sıkıştırılmış beton (SSB) şeklinde kullanılmaktadır. SSB farklı miktarlarda ve kullanım yerine göre istenen miktarda üretilmekte ve jeoteknik kurallara uygun olarak titreşimli silindirlerle sıkıştırılmaktadır (Akman, 1993; İlhan, 1995).
Kanal ve diğer kazıların doldurulmasında uçucu kül harcı dolgu malzemesi olarak kullanılabilmektedir (Özturan, 1990; Akman, 1993; İlhan, 1995; Fincan, 1996) Duvar arka dolgusu olarak kullanıldığında uçucu külün kendi kendine sertleşmesinden dolayı yanal basınçlar azalmakta ve istinat duvarının duyarlılığı artmaktadır. Donatılı zemin duvarlarda da uygulanabilmektedir (Erşan, 1996).
2.5.2.3. Enjeksiyon Malzemesi Olarak Kullanımı
Enjeksiyon; şev stabilizesi, toprak dolgu, havaalanı pist iyileştirmeleri, çöp depolama tesislerinde, kullanılan veya kapatılmış madenler de yüzey çökmesinin kontrolü ve temellerde kullanılmaktadır. Uçucu külleri, tane boyutu ve şekli, tane dağılımı ve puzolanik özelliği sebebiyle önemli bir enjeksiyon malzemesi olarak kullanmak olasıdır. Kireç harcı enjeksiyonu, zeminlerin arazide hacim değiştirme potansiyellerini düşürmek ve bazı durumlarda onarım taşıma kapasitelerini arttırmak amacıyla yapılan bir zemin iyileştirme yöntemidir. Kil miktarı düşük zeminlerde kireç tek başına beklenen iyileşmeyi sağlayamamaktadır. Uçucu küller SiO2 ve/veya Al2O3 bileşimine
sahip olduklarından zeminlerin iyileştirmelerinde kireçle birlikte kullanılarak çimentolaşma özelliğine sahip uygun malzemeyi sağlamaktadır. Uçucu kül-kireç bileşiminin en önemli özelliği kendi kendine katılaşma mekanizmasıyla zemindeki çatlak ve boşluklar arasındaki çimentolaşmayı sağlamasıdır. Çimentolaşma özelliğinde bir malzemeye fazla miktarda gereksinim duyulan enjeksiyonlarda, uçucu kül kullanımı için en ekonomik malzemedir. Uçucu kül-kireç enjeksiyonu, dolguların oturmasını azaltarak taşıma gücünü arttırır ve sızdırmazlığı azaltır (Joshi ve Nagaraj, 1987; Erşan, 1996; Günal, 1996).
2.5.2.4. Katı Atık Depolama Yerlerinde Sızdırmazlık Malzemesi Olarak Kullanımı
Atık depolama yerlerinde alt, yan ve tavan sızdırmazlık tabakası olarak kullanılabilir. Katı atık depolaması gibi tabakalı dolgularda kullanılacak malzemenin permeabilite katsayısının en az 10-9 cm/sn olmalıdır. Uçucu kül ile bu değer sağlanabilmektedir, Uygun dayanımda ve mevsim koşullarından kaynaklanan ıslanma-kuruma ve donma-çözünme çevrimlerine karşın yeterli dayanıma sahip olmalıdır. Uçucu külün bu çevrimlerde geçirimlilik ve elastisite modülü değerlerinde önemli farklılıklar oluşmadığı görülmüştür.
2.5.3. Ülkemizde Uçucu Kül Kullanımının Yaygınlaşmamasının Nedenleri
Ülkemizde uçucu kül kullanımının yeterince yaygınlaşmamasının başlıca nedenleri; Üretici ve tüketiciler olarak konunun yeterince kavranmaması ve termik santrallerde baca külü ile taban külünün karıştırılması, depolama ve sınıflandırmada gerekli özenin gösterilmemesi, inşaat sektörünün tutucu yapısı, bilgilendirme eksikliği ve uçucu külün yeterince tanınmaması, külün santral koşullarından ve kömürün yapısından kaynaklanan homojenliğinin olmaması. çimento sanayinin tutumu, uçucu külün çevresel etkileri, bazı uçucu küllerde radyoaktivite bulunması, olarak belirtilebilir (İlhan, 1995).
2.6. Çimento Endüstrisi
Çimento: Su ile karıştırıldıklarında yavaş yavaş sertleşen mineral karışımlarıdır.
Portland Çimentosu: Hidrolik kalsiyum silikatlardan oluşan, toz edilmiş klinkerden elde edilen ürün. Kalsinasyondan sonra su ve ham CaSO4‘den başka hiç bir katkı
içermeyen çimentodur. Ancak üretici isteğine göre %1‘in altında diğer maddelerden katılabilir.
Türk Standardı TS EN 197-1‘e ―CEM Çimentoları‖ 27 alt çeşidi kapsayan 5 ana tiptir:
• CEM I: Klinker sadece kalsiyum sülfat ve minör bileşen olarak ağırlıkça en fazla %0-5 arası mineral katkı ile öğütülürek Portland Çimentosu elde edilir.
• CEM II: Katkı miktarı %6-35 arasındadır.
• CEM III: Yüksek fırın cürufu %36-95 arasındadır.
• CEM IV: %11-15 oranında puzolan ve uçucu kül katkıları ile birlikte Puzolanik çimentoları oluşturur.
• CEM V: Klinker %20-64, cüruf %18-50, puzolan ve uçucu kül %18-50 kullanılarak kompoze çimentoları oluşturur.
2.6.1. Çimento Üretiminde Kullanılan Ham Maddeler
Çimento üretiminde kullanılan ana ham maddeler jeolojide sedimenter kayaçlar olarak bilinen kireçtaşı, kil ve marndır. Klinker üretiminin ana komponentleri olan CaO için kalker (kireçtaşı); SiO2, Al2O3, ve Fe2O3 için de kil mineralleri temel kaynaklardır.
Marn gibi bu dört oksidi bünyesinde bulunduran diğer malzemeler de çimento hammaddesi olarak kullanılmaktadır. Çimento üretiminde kullanılacak ham maddelerin uygunluk dereceleri onların kimyasal bileşimleri ile orantılıdır. Kireçtaşı bileşeni için kireç standardı bir kriter olarak kullanılmaktadır. Bu değer SiO2, Al2O3, Fe2O3 gibi
bileşenler hakkında bilgi verir ve aynı zamanda CaO içeriği konusunda da aydınlatıcıdır. Kil minerali olarak kullanılacak kayaçlarda, silikat ve alümina oranı göz önüne alınarak değerlendirilmektedir. Çimento üretiminde kullanılan ham maddelerin % CaCO3 Çizelge 2.7 ‗de verilmiştir.(Olcay, 1998)
Çizelge 2.7. Çimento Sanayinde kullanılan CaCO3 oranına göre yapılan sınıflandırma
Ham Madde Adı % CaCO3
Mermer 99-100 Kireçtaşı (kalker) 90-98 Kalkerli Marn 75-90 Marn 40-75 Killi Marn 10-40 Marnlı Kil 2-10 Kil 0-2
2.6.1.1. Ana Ham Maddeler
Kireçtaşı; Kimyasal bileşiminde en az %90 CaCO3 (kalsiyum karbonat) bulunan
kayaçlara kalker ya da kireçtaşı adı verilmektedir.
Kil; Mineralojik bileşiminde %90‘a kadar kil mineralleri bulunan kayaçlardır. Kil minerallerinin temel özelliği kimyasal bileşimlerinde alüminyum oksit (Al2O3)
bulunması ve sulu alüminyum silikatlardan oluşmasıdır. Demir, alkaliler ve alkali topraklarda değişik miktarlarda yer almaktadır.
Marn; Kalker ve kilin doğada, %50-70 oranında kalker ve %30-50 oranında kil karışımından oluşmuş kayaca marn denilmektedir.
1. Çimento klinkeri ortalama %70 kalker ve %30 kil içeren hammadde karışımının öğütüldükten sonra yüksek sıcaklıklarda pişirilmesi ile elde edilmektedir.
2. Marn doğal olarak bu bileşimi taşıdığından veya bu bileşime çok yakın özellikte bulunduğundan ideal çimento ham maddesidir. Ayrıca kalkere göre daha yumuşak olması nedeniyle kolay öğütülebilmekte, kırma-öğütme işlemleri sırasında enerji tüketimi düşük olmaktadır.
3. Çimento yapımında genellikle % 70 kalker ve % 30 kil içeren ―Marnlı Kalker‖ kullanılması klinkerin kimyasal bileşimine en yakın doğal kayaç olduğu için yeğlenmektedir (Olcay, 1998).
2.6.1.2. Çimento Endüstrisinde Kullanılan Katkı Maddeleri
Puzolonik Maddeler: Puzolonik maddeler, kendi başlarına hidrolik bağlayıcı özelliğine sahip olmadıkları halde ince olarak öğütüldüklerinde nemli ortamda ve normal sıcaklıkta kalsiyum hidroksitle tepkimeye girerek bağlayıcı özellikte bileşikler oluşturan doğal veya yapay maddelerdir. Puzolonik maddelerin özelliği, yüksek miktarda SiO2 ve Al2O3 içermeleridir. Bu nedenle Ca(OH)2 ile tepkimeleri kolaydır ve
bu özellikleri nedeniyle bağlayıcı özellik gösterirler. Çoğu doğal puzolonik maddeler volkanik kökenli olup, en çok bilineni tüflerdir.
Uçucu Küller: Uçucu küller ya da pulverize yakıt külleri, özellikle elektrik üretim tesislerinin pulverize kömür ile işleyen fırınlarının toz tutma ünitelerinden sağlanan materyallerdir. Küresel biçimde olup, SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 içerirler. Diğer puzolonik
maddeler gibi, Ca(OH)2 ile tepkimelerinde hidrolik bağlayıcı nitelik kazanırlar. Diğer
taraftan yanmış karbon kalıntılarını da içermesi olasıdır. Bu da çimento ve beton dayanımlarını olumsuz yönde etkiler. Uçucu küllerin spesifik yüzeyi ne kadar büyükse reaktivitesi de o kadar yüksektir.
Alçıtaşı (Jips): Alçıtaşı, kimyasal bileşimi kalsiyum sülfat olan bir mineraldir. Bileşiminde iki molekül kristalizasyon suyu bulunan türüne jips (CaSO4.2H2O) denir.
Susuz kalsiyum sülfat ise anhidrit (CaSO4) olarak adlandırılır. Çimento sanayi alanında
genellikle jips kullanılmaktadır. Gerek jips gerekse anhidrit hiçbir zaman saf halde bulunmazlar. Bu iki mineralden her biri yarı dengeli olup biri diğerine dönüşebilmektedir. Ayrıca alçıtaşı yataklarına oluşum sırasında veya sonradan yabancı maddeler karışmış olabilir. Bunun sonucu olarak alçıtaşı ancak %85-95 saflıkta bulunmaktadır. Çimento sanayisinde genellikle maden ocağından çıktığı kalitesi ile hiçbir işleme tabi tutulmadan kullanılmaktadır. Jips ya da jibs-anhidrid karışımını içeren hammaddeler son öğütme işleminde %3-5 oranında klinker ve/veya diğer katkı maddeleriyle birlikte öğütülerek değişik tür çimentolar üretilmektedir. Alçıtaşı gibi sülfat içerikli maddelerin katılması çimentonun donma süresinin ayarlanmasında etkili rol oynamaktadır.
Demir Cevheri: Sanayinin en önemli hammaddelerinden birini oluşturan demir, saf halde gümüş parlaklığında olup kolayca oksitlendiğinden doğada serbest halde ender olarak bulunur. Demir cevherleri oksitler, sülfürler, sülfatlar ve karbonatlar olmak üzere dört grupta toplanırlar.
2.6.2. Kimyasal Dönüşümler
Klinker üretiminde döner fırın içerisinde gerçekleşen reaksiyonlar ve bunların ısısal davranışları Çizelge 2.8‘de verilmiştir. (Olcay, 1998)
Çizelge 2.8. Klinker üretiminde fırın içerisinde gerçekleşen kimyasal dönüşümler
Sıcaklık (°C) Reaksiyon Isı değişimi 100 Serbest suyun buharlaşması Endotermik >500 Birleşik suyun uzaklaşması Endotermik >900 Amorf yapılı kil dehidrasyon ürünlerinin
kristalizasyonu
Ekzotermik
>900 Kalsiyum karbonattan CO2 çıkışı Ekzotermik
900-1200 Kil ve kireç arasındaki reaksiyon Ekzotermik 1250-1280 Sıvı faz oluşumunun başlangıcı Endotermik >1280 Sıvılaşmanın devamı ve çimento oluşumunun
tamamlanması
Denge, Endotermik
2.6.3. Ham Madde Üretim Yöntemi ve Teknolojisi
Ana hatları ile üretim aşamaları: Hammadde üretim ve hazırlama prosesi,Pişirme prosesi,çimento öğütme ve paketleme prosesi olmak üzere üç kategoriye ayrılırlar.
2.6.3.1. Entegre bir çimento fabrikasında bulunması gereken üniteler
Ham madde ocakları, kırıcı ünitesi, ön homojene ve ham madde stoklama ünitesi, ham madde değirmen ünitesi, stok ve homojene siloları, döner fırın ve klinker soğutucu ünitesi, kömür öğütme ünitesi, çimento öğütme ünitesi, katkı kırma ünitesi, çimento siloları ve paketleme ünitesidir.
2.6.4. Çimento Üretim Teknolojileri
Çimento üretiminde öncelikle kalker ve kilin belli oranlarda karıştırılması ile oluşan karışımın yüksek sıcaklıklarda sinterleşmesi sonucu klinker denen yarı mamul madde üretilir. İkinci aşamada ise, alçıtaşı, cüruf, puzolan gibi katkılar klinkere ilave edilerek öğütülerek çimento üretilir. Çimento üretim aşamaları klinkerin elde ediliş biçimine göre farklılık gösterir. Klinker üretiminde yaş, yarı yaş ve kuru yöntem olmak üzere 3 ana teknoloji bulunmaktadır.
2.6.4.1. Yaş Yöntem
Bu yöntem yüksek oranda nem içeren ham maddeler ile çimento yapımında kullanılır. Yaş yöntemde ham madde su ile %45-50 oranında karıştırılarak çamur değirmenlerinde öğütülür ve bulamaç halinde stoklanır. Öğütülmüş ve homojene hale getirilmiş ham madde çamur pompalarıyla döner fırına beslenir. Ham madde döner fırında aşağıda belirtilen fiziksel ve kimyasal değişimlere uğrar;
1) 100 C° dolayında hammadde karışım suyunu kaybeder.
2) 850 C° dolayında ham madde içindeki karbonatlar dekarbonasyona uğrar. 3) Dekarbonasyon sonucu ham madde kuru ağırlığının yaklaşık %35 ‗ini kaybeder.
CaCO3 CaO+CO2 (1.3)
4) 1350-1500 C° dolayında dekarbonasyon sonucu oluşan CaO, MgO, SiO2, Al2O3 ve
Fe2O3 ana oksitler kendi aralarında reaksiyona girerek çimentonun yarı mamul maddesi
olan klinkeri oluştururlar. Oksitler arasındaki reaksiyonlar topluluğu kısaca sinterleşme veya klinkerleşme deyimi ile ifade edilir. Yaş sistemde, klinker pişirme kalorisi 1350-1550 KCal/kg klinker dolayındadır. Yaş proses sistemi hammaddenin çok nemli olması durumunda ekonomik olmaktadır. Aksi halde, klinker pişirme kalorisinin yüksek olması nedeniyle diğer sistemlere göre ekonomik değildir.(Olcay, 1998)
2.6.4.2. Yarı Yaş Yöntem
Bu yöntemde, oranlanmış olan ham madde karışımı, ham madde değirmenlerinde (Farin değirmenlerinde) 90 µ elekte %10-17 bakiye bırakacak şekilde öğütme ve kurutma işlemine tabi tutulur. Öğütülmüş ham madde (farin) stok ve homojene silolarında stoklanır. Farin, granoletörde %10-15 arasında su ile karıştırılarak granül hale getirilir. Granül edilmiş farin, döner fırın girişindeki lepol ızgara sisteminde 650–750 C° kadar ısıtılır. 650-750 C° kadar ısıtılmış ve kısmen dekorbanize olmuş farin döner fırına alınır. Kısmen dekorbanize olmuş halde fırına verilen farinin fırın içindeki geçirdiği evreler yaş sistemdeki prosesin aynısıdır. Bu proseste klinker pişirmede kalori sarfiyatı 1100– 1200 Kcal/kg klinkerdir. Ön ısıtmalı kuru proseslere göre klinker pişirme kalorisi yüksektir. Bu nedenle bu sistem kuru prosese göre ekonomik değildir. Ancak yaş sisteme göre ekonomiktir. (Olcay, 1998)
2.6.4.3. Kuru Yöntem
Kuru yöntemde hammadde yarı yaş yöntemde olduğu gibi öğütülerek farin haline getirilir.
Farin çok kademeli siklonlardan oluşan ön ısıtıcıda ısıtılır. Burada hammaddenin dekorbanizasyonu % 80–90 oranında tamamlanır. Malzeme daha sonra diğer sistemlere oranla kısa boylu bir döner fırında klinkerleştirilir ve soğutucuya gönderilir.
Kuru yöntemin kullanımı, diğer işlemlere göre daha düşük olup 750–950 kcal/kg klinker dolayındadır.
Klinker pişirme kalorisinin düşük olması nedeniyle kuru proses mevcut üretim yöntemleri içinde en ekonomik yöntemdir. (Olcay, 1998)
