Yakıtlar ve Yanma 6.Hafta

... konulu sunumlar: "Yakıtlar ve Yanma 6.Hafta"— Sunum transkripti:

1 Yakıtlar ve Yanma 6.Hafta

2 Bitkisel Yağların Tek Başına Diesel Yakıtı Olarak Kullanımı
Bitkisel yağlar tek başlarına enerji içerikleri açısından petrol kökenli yakıtlarla hemen hemen aynı düzeydedirler. Ancak diesel yakıtına göre viskoziteleri 10 – 20 kat daha fazladır. Bitkisel yağların tek başına yakıt olarak kullanılmalarının sakıncaları; Enjektörlerde tıkanma, Yağlama yağında seyrelme, Diesel yakıta göre yüksek sıcaklıklarda donma, Bitkisel yağların tek başına direkt püskürtmeli diesel motorlarında uzun süreli kullanımları mümkün olmayıp (yanma odası cidarları, piston üst yüzeyi ve supap oturma yüzeylerinde is oluşturma), sadece rafine yağların bölünmüş yanma odalı motorlarda kullanımları söz konusu olabilir. Bitkisel yağların diesel yakıtı olarak değerlendirilebilmesi için öncelikle yüksek viskozite problemlerinin çözülmesi gerekir.

3 Bitkisel yağların viskozitelerini düşürmek için uygulanan yöntemler şunlardır:
Makroemülsiyon Oluşturarak Seyreltme : Bitkisel yağlar çeşitli oranlarda diesel yakıtı ile seyreltilir. Ancak iki farklı sıvı fazı meydana gelebilir. Mikroemülsiyon Oluşturma : Metanol veya etanol gibi kısa zincirli alkollerle bitkisel yağlar belirli oranlarda karıştırılarak böylece düşük viskoziteli faz ayrımına uğramayan bir çözelti (mikroemülsiyon) meydana gelir. Ancak bu alkollerin setan sayıları düşük olduğu için çözeltinin de setan sayısı düşük olur. Piroliz Yöntemi : Uzun zincirli yağ molekülleri yüksek basınç ve sıcaklık altında daha kısa zincirli moleküllere parçalanır (kraking). Ancak maliyeti yüksek bir yöntemdir. Biodiesel Üretimi Biodiesel üretiminde kullanılan yağlı tohum bitkileri; Kolza Ayçiçek Soya Aspir Kanola Palm Ayrıca atık bitkisel ve hayvansal kızartma yağları.

4 Transesterifikasyon Yöntemi
Bitkisel yağların bir katalizör vasıtasıyla alkolle reaksiyona sokulup yeniden esterleşmesinin sağlandığı işlemdir. R : Radikal yani eşleşmemiş elektronu olan atom, molekül veya iyon.

5 Transesterifikasyon Yöntemi
Enzim Katalizörlü Baz Katalizörlü Asit Katalizörlü Lipaz kullanılarak yapılır. Üretilen gliserin, kolayca ayrılmakta ve yag asidi esterinin saflastırılması kolaylasmaktadır. Maliyeti yüksektir. Daha hızlı ve yüksek verimlidir. Ara basamaklara gerek duymaz. Günümüzde çok tercih edilir. Katalizör miktarının yetersizliği veya fazlalığı sabunlaşmaya yol açar. Yüksek yag asidi ve su içeren gliseritlere uygulanır. Asit katalizör sülfirik asit ve hidroklorik asit kullanılır.

6

7 V : Biodiesel’e dönüştürülecek bitkisel yağ miktarı [l]
Alkol ve Katalizörün Karıştırılması (Metaoksit oluşumu): V : Biodiesel’e dönüştürülecek bitkisel yağ miktarı [l] NaOH Miktarı = 3.5xV [g] CH3OH Miktarı = 0.2xV [l] 2. Reaksiyon: Önce alkol/katalizör (Metaoksit) karışımı doldurulur sonra üzerine bitkisel yağ ilave edilir oC (ideal sıcaklık 60oC) sabit sıcaklıkta 1- 8 saat karıştırılarak bekletilir. 3. Ayırma: Gliserinin özgül kütlesi biodisele göre fazla olduğundan reaktör içerisinde iki faz oluşur ve gravitesi fazla olan gliserin çöktürme kabı içerisine alınır. 4. Alkolün Uzaklaştırılması: Gliserin ve biodiesel kullanılan miktardan arta kalan önemli miktarda metanol içerir. Damıtma (destilasyon) ile geri kazanılır. 5. Gliserin Nötralizasyonu: Gliserin kullanılan katalizör ve bir asit ile nötralize edilerek hammadde haline dönüştürülür. 6. Yıkama : Biodiesel; kalıntı, katalizör ve sabunlardan uzaklaştırılmak amacıyla çalkalanarak yıkanır ve sonrasında su uzaklaştırılır.

8 Biodiesel’in Diesel Yakıtı Olarak Motorda Kullanılması
1. Malzeme Uyumu

9 2. İlk Hareket Yüksek karışım oranlarında özellikle de soğuk ortamlarda motor kolay ilk harekete geçmez. Çünkü soğuk havalarda biodieselin viskozitesi diesel yakıta göre daha çok artar yani akıcılığını kaybeder. Soğuk ortamlarda viskoziteyi azaltacak katkı maddelerinin karışım içerine katılması gerekir. 3. Motor Yağlama Yağı Değişim Aralığı Yapılan çalışmalar B20 karışımlarında (hacimsel %20 Biodiesel + %80 Diesel) motor yağlama yağı değişim aralığının azaldığını göstermiştir. Motorinde km’de olan yağ değişim periyodu bu karışımda km’ye düşmüştür. Ancak bu biodiesel kullanımı engelleyen bir durum değildir. 4. Yağ Filtresi Değişimi Saf biodiesel (B100) kullanımda diesel yakıtının depo yüzeylerinde ve yakıt iletim hattında oluşturuduğu kalıntıları çözer. Serbest kalan bu kalıntılar filtreyi çok kısa sürede tıkar. Ancak B20 için böyle bir etki söz konusu değildir. Filtrenin tıkanması; Güç düşüklüğü, Yakıt sarfiyatının artması, Soğutma suyu sıcaklığının yükselmesi gibi mahsurları ortaya çıkarır.

10 5. Egzoz Emisyonu Biyodiesel biyolojik karbon döngüsü içinde fotosentezle CO2’i dönüştürür ayrıca sera etkisini arttırıcı yönde bir etkisi yoktur. Emisyon B20 (% azalma - artma) B100 (% azalma - artma) CO -6.9 -34.5 SOx -1.61 -8.03 NOx 2.67 13.35 Yanmamış HC 7.19 35.96 Partikül Madde (is) -6.48 -32.41

11 Biyoyakıtlı (Bioethanol – Biodiesel) Diesel Yakıt Kombinasyonları
E-Diesel bünyesinde hacimsel %15’e kadar bioethanol bulunduran diesel yakıtı olarak tanımlanmaktadır. Kuzey Avrupa ülkeleri ile ABD’inde kullanılmaktadır. Egzoz emisyonlarındaki partikül madde (is) miktarı saf diesel yakıtına göre %33 – 40 oranında azalmaktadır.

12 Gaz Yağı (Kerosen) Petrolü meydana getiren karışımlardan biri olup, toplam petrol hacminin yaklaşık % 10 ile % 25’ini teşkil eder. Birinci damıtma kulesinin 3. kademesinde motorinden sonra yaklaşık olarak 120 – 300oC sıcaklıkta elde edilir. 120oC sıcaklıkta kaynamaya başlayıp 300oC civarındaki sıcaklıkta tamamı buharlaşan komplex bir HC karışımı yakıttır. Kerosen’in Kimyasal Yapısı C sayıları çoğunlukla C8 – C16 arasında olan; - Alifatik Yapılı HC’lar (Düz- Zincir Yapısı) - Parafinler (CnH2n+2) - Olefinler (CnH2n) - Karbosiklik Yapılı HC’lar (Halka Yapısı) - Aromatikler (CnH2n-6) Ayrıca benzenin alkil türevlerini, naftalin ve naftalin türevlerini ihtiva eder.

13 Antioksidanlar (oksidasyonu önleyici maddeler)
Katkı olarak; Antioksidanlar (oksidasyonu önleyici maddeler) Metal deaktivatörleri (Metal tozlarının yüzeyinde film oluşturarak yakıt içindeki metalleri zararsız hale getiren maddeler. Özellikle jet yakıtı olarak kullanılacaksa.) Statik elektrik dağıtıcılar Korozyon önleyiciler Boya gibi maddelerin bir veya bir kaçını içerir. Doğada kolay çözümez. Anaerobik (oksijensiz) koşullarda özelliklerini korur. Suda yaşayan canlılar üzerinde toksik etki yapabilir. Büyük miktarlarda ürün toprağın içine geçecek yeraltı sularını kirletebilir. Buharı havadan ağır olup zeminde yayılır ve oldukça uzun bir mesafe katedebilir. Renk Berrak, su beyazı/sarı,saman rengi. Fiziksel Görünüm Ortam sıcaklıklarında sıvı halde. Buhar Basıncı 40°C’de < 0.1 kPa. İlk Kaynama Noktası 150°C civarında. Son Kaynama Noktası 275°C civarında. Özgül Kütle 15°C’de kg/m3. Alevlenme Noktası Minimum 40o C Kendi Kendine Tutuşma Sıcaklığı 220°C’in üstündedir. Donma Noktası oC Kinematik Viskozite 40°C’de mm2/s.

14 Kullanım Alanları Günümüzde yakıt ve çözücü madde olarak kullanılmaktadır. Kullanım yerleri; - Aydınlatma ve ısıtma. - Traktör yakıtı. - Jet yakıtı. Kullanım alanına bağlı olarak bu yakıttan beklenen özelliklerde değişiklik göstermektedir. Aydınlatma ve ısıtma amaçlı kullanıldığında, Isıl değerinin yüksek olması, S oranının maksimum kütlesel %0.2 olması, Büyük alevle ve az isle yanması Parlak ışık vermesi beklenir. Kerosen’in Traktör Yakıtı Olarak Kullanılması Kerosen ile çalışan traktör motorları otto motoru prensibine göre çalışır. Bu yüzden yakıtta araancak en önemli iki özellik; Vuruntuya karşı direnç (ON) Uçuculuk

15 Oktan Sayısı: Oktan sayısı yakıtın vuruntuya karşı direncini göstermektedir. Kerosen’in ON’ı yaklaşık olarak 55’dir. Benzinin ise 95 – 98’dir. Kerosen ile çalışan traktör motorlarının vurunya maruz kalmamaları için sıkıştırma oranları benzinle çalışan motorlara nispeten çok düşüktür. Uçuculuk: Kerosen’in benzine göre kaynama sıcaklığı yüksektir. İlk kaynama noktaları; Benzin : oC Kerosen : oC Bu durumda havanın içerisindeki kerosenin tamamı buharlaşamaz ve sıvı zerrecikler halinde kalır. Motor soğuk ortamlarda kolay ilk harekete geçemez. Kerosenle çalışan traktör motorlarının kolay ilk harekete geçebilmesi için yakıtın uçuculuğunu arttırmak gerekir. Bu sebeble; Yakıtın içerisine bir miktar benzin ilave edilir. Karbüratöre buharlaşmayı kolaylaştırmak için buharlaştırıcı (veya difüzör) denilen parça eklenir. (Venturiye açılan borunun ucundaki daralan kesitli bölüm. Şekil)

16 Kerosen’in Jet Yakıtı Olarak Kullanılması

17 Jet motorları; Kompressör Yanma Odası ve Gaz Türbini’nden oluşur. Kompressörün verdiği basınçlı hava yanma odasında yakıt ile karışır. Yakıt yanma odasında yanarak yüksek basınçlı egzoz gazlarına dönüşür. Bu gazların bir kısmı gaz türbininden bir kısmı da lüleden geçer. Lüleden geçen gazlardan tepki kuvveti elde edilir (Direkt tepkili motorlar). Burada gaz türbinin görevi kompressörü çalıştırmaktır.

18 Jet Yakıtı Olarak Kerosen’den Beklenenler
Motorda iyi bir çalışma için yakıtın yanma odasında homojen ve tamamen yanması gerekir. Yanma esnasında oluşan uzun bir alev türbin kanatlarının aşınmasına neden olacağından yakıtın son kaynama noktası 225oC’ın üzerinde olmamalıdır. Kaynama noktasının çok düşük olması durumunda ise yüksek irtifalarda hem atmosfer basıncının hem de sıcaklığının düşük olması sebebiyle yakıt tankları içerisindeki kerosen buharlaşır. Yakıt kaybına ve buhar tıkacına neden olur. Yakıtın donma noktası -50oC’an daha yukarı olmamalıdır. Alevlenme noktası 40oC’ın altında olmamalıdır. Yani bu sıcaklığın altında herhangi bir alevle temas halinde yanmamalıdır. Bu özellik kaza halinde yangın çıkarma riskini minimize eder. Yakıtın içinde su bulunmamalıdır. Su yüksek irtifalardaki düşük sıcaklık nedeniyle donar ve yanma odasına yakıt gitmesine engel olur (buzlanma olayı). Ayrıca motor elemanları üzerinde korozif etki yapar. S oranı düşük olmalıdır. En fazla kütlesel %0.3 İssiz yanmalıdır. Kerosen jet yakıtı olarak kullanılacaksa is oluşumunu azaltmak için içerisindeki aromatik HC’ların miktarı hacimsel olarak en fazla %25 olmalıdır. Yakıt sisteminin hareketli parçaları için uygun yağlamayı sağlamalıdır.

19 Fuel-Oil

20 Destile Fuel-Oil Destile-Residue Residue
Ham petrolün destilasyonundan bir takım artıklar kalır. Bu artıkların diğer destilasyon ürünleri ile (motorin) değişik esaslara göre karıştırılarak farklı viskozite değerlerinde Fuel-Oil adı verilen ağır HC yapısına sahip yeni ürünler elde edilir. Fuel-Oil Eldesi Destile Fuel-Oil Normal destilasyonda kulenin en alt kısmında kalan ürünler (Ağır yağ tortusu). Destile-Residue Destilasyondan alınan motorinin destilasyon artıkları (ağır yağ tortusu) karıştırılması. Residue Kraking ünitesinden veya ham petrolün destilasyonundan gelen ağır tip fraksiyonlar. Element Oran [kütlesel %] C H2 S Tortu 0 – 0.25 H2O 0 – 1.0 20

21 Fuel-Oil’in Sınıflandırılması
ASTM standartlarına göre fuel-oiller 5 farklı tip olarak verilmektedir. Fuel-Oil Tipi Özellik No.1 Destile bir yakıttır. Buharlaştırıcı brülörlerde yakılır. Kütlesel olarak maksimum %5 S içerir. No.2 Destile bir yakıttır. Orta dereceli buharlaşmalı bir sistem için uygundur. Genellikle ısıtma amaçlı kullanılır. Kütlesel olarak maksimum %5 S içerir. No.3 Düşük viskoziteli yakıt yakabilen sistemler için uygundur. Ön ısıtma tertibatı olmayan brülörlerde yakılabilir. Kütlesel olarak maksimum %0.75 S içerir. No.4 Tortul bir yakıttır. Orta viskoziteli yakıt yakabilen sistemler için uygundur. Yakmak için ön ısıtma tertibatı olan brülörler gerektirir. S sınırı yoktur. No.5 Yüksek viskoziteli yakıttır. Yakmak için ön ısıtma tertibatı olan brülörler gerektirir. S sınırı yoktur.

22 Türkiye’de bu tip bir sınıflandırma yapılmamıştır.
Motorin, marine diesel, ASTM No.4, ASTM No.5 ve No.6 (6numaralı fuel-oil) olarak ihtiyaçlar karşılanmaktadır. Fuel-Oillerden Beklenen Özellikler 1. Isıl Değer : Genellikle ısıtma amaçlı ve endüstride buhar eldesinde kullanıldığı için ısıl değerinin mümkün olduğunca yüksek olması gerekir. Hu=9600 – kJ/kg 2. C artığı : Brülörlerle yakılan fuel-oillerin yanması sonucu birikecek C artığı ergitme ocakları ve küçük yanma odalı fırınlar için önemlidir. Fuel-oilin yanması sonucu kalan C miktarı az olmalıdır. 3. Kül miktarı : Fuel-oilin içinde kül yapacak madeni madde miktarı kütlesel olarak %0.01 – 0.1 arasında bulunmakta ise de bu çok az miktarda külün yapabileceği zarar büyüktür. Külü oluşturan maddeler şunlardır: Al, Ca, Fe, Mg, Ni, Si, Na, V ve Zn

23 Fuel-oil içerisindeki külün sakıncaları;
Madeni elemanları korozyona uğratması, Yakma sistemindeki dar kesitlerin tıkanması ve hava geçişinin önlenmesi. Fuel-oilin yanması sonucu oluşan kül cinsleri ve bunların ergime sıcaklıkları aşağıdaki gibidir: Kül Ergime Sıcaklığı [oC] Alüminyum Oksit : Al2O3 2050 Kalsiyum Oksit : CaO 2572 Kalsiyum Sülfat : CaSO4 1450 Demir Oksit : Fe2O3 1565 Demir Sülfat : Fe2(SO4)3 480 Sodyum Sülfat : Na2SO4 880 Sodyum Demir Sülfat : Na3Fe(SO4)3 540 Vanadyum Tetra Oksit : V2O4 1970 Vanadyum Penta Oksit : V2O5 675 Sodyum Meta Vandan : Na2O-V2O5 630 Sodyum Vandil, Sodyum Vandanat : Na2O-V2O4 , Na2O-V2O5 625

24 Özellikle Na-V’lu bileşiklerin ergime sıcaklıkları düşüktür (625 – 630 oC).
Bu maddeler soğutulmamış veya yüksek kızdırma sıcaklıkları kullanılan meta kızıdırcı yüzeylerde yumuşayıp yapışırlar. Yüksek sıcaklıktaki vanadyum penta oksit (V2O5) demir yüzeye yapışarak bunu eritebilir, sıcaklık ve demirin etkisi ile vanadyum tetra oksit (V2O4) ve çok aktif olan atomik oksijen açığa çıkarır. Bu aktif oksijen demiri oksitler ve aşındırır. Vanadyum tetra oksit (V2O4) çok kararlı olmadığından ortamdan yeniden oksijen alarak vanadyum penta oksit (V2O5) oluşturur. Bu olaya «sıcak korozyon» denir.

25 GAZ FOSİL YAKITLAR Sıvılaştırılmış Petrol Gazı (LPG) Doğal Gaz Sıvılaştırılmış Petrol Gazları (LPG) Ham petrolün rafinerilerde destilasyonu sırasında veya petrol yataklarının üzerinde bulunan doğal gazın ayrıştırılması ile elde edilir. Ham Petrolün distilasyonu ile elde edilen LPG, sudan arıtılır ve içerdiği kükürt miktarı standartlara uygun sınıra indirilir. Bir hidrokarbon olup, temel olarak propan ve bütan karışımıdır. Oda sıcaklığında ve 1 atm basınçta gaz halinde olup, basınç uygulandığında sıvılaşır.

26 Sıvılaştırılmış petrol gazının özelliği ve kalitesi içerisindeki propan ve bütan oranına göre değişmektedir. Yakıt içerisindeki propan ve bütan miktarları üretildikleri ülke iklim şartlarına ve kullanım yerlerine göre değişir. Türkiye’de Kullanılan LPG’nin Çeşitleri Ticari Propan Ticari Bütan Ticari Propan-Bütan Karışımı Özel Hizmet Propanı Ticari Propan Esas olan propan ve propilenden meydana gelen fiziki metotlarla sıvılaştırılabilen gaz karışımıdır. Uçuculuğu yüksek olan bir hidrokarbondur. Soğuk iklimli bölgelerde daha homojen bir karışım oluşturur. Evlerde, ticari ve endüstriyel amaçlı yerlerde kullanılan ticari propan, kütlesel % 95 saflıktadır.

27 Ticari Bütan Esas olarak bütan ve bütilenden meydana gelen fiziki metotlarla sıvılaştırılabilen gaz karışımıdır. Uçuculuğu düşük olan bir hidrokarbondur. Ilıman iklimli bölgelerde yakıt olarak kullanılan ticari bütan kütlesel % 95 saflıktadır. Ticari Propan – Bütan Karışımı Ticari propan – bütan karışımının uçuculuğu orta seviyededir. Karışım oranları geniş aralıklarda olabileceğinden belirli ihtiyaçları karşılayabilecek özellikte yakıt elde edilmesi mümkündür. Bu karışım evlerde, ticari ve endüstriyel amaçlı kullanımlarda geniş bir alanda uygulanır. Türkiye’de TÜPRAŞ rafineri işletmelerinde %30 Propan (C3H8) ve %70 Bütan (C4H10)’dan oluşan Mix LPG kullanılmaktadır.

28 Özel Hizmet Propanı (otogaz)
Propandan meydana gelen, içten yanmalı benzinli motorlarda vuruntusuz çalışmayı sağlayan özel sıvılaştırılmış bir petrol gazıdır. Kütlesel % 98 saflıktadır. LPG’nin Özellikleri Havadan ağırdır. Bu sebepten dolayı zemine çökerek yayılır. Renksiz ve kokusuzdur. Rafineri tarafından etilmerkaptan (C2H5SH) ile kokulandırılır Parlayıcı ve patlayıcıdır. Hava ile kütlesel %2 ile %8. 7 oranlarındaki LPG karışımı, kapalı ortamlarda yanıcı ve patlayıcı bir karışım oluşturur. Benzine göre buhar basıncı yüksektir. % 100 temiz yanar. Kurum bırakmaz. Bileşiminde çok az miktarda kükürt ihtiva eder. (20 – 100 mg/m3) Silindir içinde daha homojen bir yakıt - hava karışımı sağlar. Atmosferik basınçta propan – 43oC, bütan 0oC sıcaklıkta sıvı fazına geçer.

29 LPG, normal şartlar altında gaz fazında bulunur
LPG, normal şartlar altında gaz fazında bulunur. Fakat basınç altında ve sıvı halde saklanır. Hava içinde %2 ila %9 arasında bulunması patlama riskini doğurur. LPG, ülkemizde ticari olarak; Miks LPG (%30 propan ve %70 bütan), propan (%95 ve üzeri saflıkta) ve otogaz olarak piyasaya sürülür.

30

31 Yakıtların Eş Değerlikleri (Alt Isıl Değer Üzerinden)

32 LPG Kullanımının Nedenleri
Propan, bütan ve ilişkili bileşiklerden oluşan bir karışımdır. Doğal gaz çıkarımı sırasında doğal olarak açığa çıkmaktadır. Ayrıca ham petrol rafinasyonunun da otomatik bir ürünüdür. Düşük karbonlu, çevreye yükü az bir yakıt olduğu ve sera gazı salınımını azalttığı bilimsel çevrelerce kabul edilmiş olup, pek çok ülkede ve Birleşmiş Milletlerce teşvik edilmektedir. Hem doğal gaz çıkarımından hem de ham petrol rafinasyonundan elde edilebildiği için temininde hiçbir güçlük yoktur. Özellikle ülkemize yakın havzalarda artan bir şekilde yeni doğal gaz kaynakları bulunup, doğal gaz ayrıştırma tesisleri kurulmakta olduğundan temin kolaylığı daha da artacaktır. Fosil bir yakıt olmasına rağmen LPG, yenilenebilir enerji kaynaklarının kesintisizlik desteği olarak kullanılabilir. Her yere taşınabilen, mobil bir enerji kaynağı olduğundan kırsal bölgelerin en önemli enerji kaynağı olabilir.

33 LPG Kullanım Alanları Konutlarda, Ticarethanelerde;
Isınma Soğutma Sıcak Su Pişirme Turizm Sektöründe; Isınma Sıcak su Buhar temini Pişirme Küçük Sanayi İşletmelerinde; Alüminyum-metal ergitme Boya-ahşap-kağıt kurutma Isıl işlemler Seramik pişirme Buhar-sıcak hava temini Tarım (Sera) ve Hayvancılıkta (Tavuk Çiftlikleri); Isıtma Buhar temini Sıcak su Tahıl kurutma

34 LPG Kullanım Alanları Gıda Sektöründe; Pişirme Buhar temini Sıcak su
Kurutma Kojenerasyon Enerji Üretiminde; Yakıt Binek Araçlarda; Teknelerde ve Karavanlarda; Forklift ve Ağır Taşıtlarda; Açık Havada; Isıtma Kimya ve Parfüm; İtici gaz (kokusuz)