Yakıtlar ve Yanma 9.Hafta

Katı Yakıt (Kömür) Yakma Sistemleri Kömürün Yüksek Sıcaklık Karşısındaki Davranışı Kömür içerisinde bulunan uçucu HC’lar buharlaşarak kömürden uzaklaşmaya başlar. Bu buharlaşma sıvı yakıt buharlaşmasından farklı olarak ekzotermik bir kimyasal reaksiyon sonucu olmaktadır. Yani basit bir faz değiştirme olayı değildir sıcaklığın düşmesi ile yoğuşma olmaz. Gazlaşma esansında sıcaklık değişkendir, gazlaşma devam ettikçe sıcaklık artar. Gazlaşmadan sonra saf karbon bakımından zengin kok oluşur. C – O2 Reaksiyon Mekanizması

C katı madde olmasına rağmen yanma katı fazda olmamaktadır. Bu katı-gaz fazında yani hterojen bir yanmadır. C gazlaşmayan bir element olduğundan ancak O2’nin ona ulaşması ile yanması olasıdır. O2, C yüzeyinde toplanır ve yanma burada başlayarak reaksiyon sonucu açığa çıkan ısı yanma ürünü olan CO’in gaz fazında serbest kalmasını sağlar. CO, O2 ile tekrar oksitlerinir ve tam yanma ürünü olan CO2 bacadan atılır. C (k) + O2  2CO (g) + ısı 2CO (g) + O2  2CO2 (g) Sonuç olarak karbonun yanması O2 difüzyonunun bir fonksiyonudur.

Endüstride Kömürün Yakılması Izgara Üzerinde Yakma Toz Halinde Yakma Siklon Fırınlarda Yakma Sabit Izgara Üzerinde Hareketli Izgara Üzerinde Yakıt Yatağında Akışkan Yatakta

Izgara Üzerinde Yakma Sabit Izgara Üzerinde Yakıt Yatağında Yakma

Yanmamış taze kömür en üst yüzeyde bulunur. Izgara bölgesinden verilen primer hava önce kül bölgesine geçer. Kül yüksek sıcaklıktaki reaksiyon bölgeleri ile ızgara arasında yalıtım yapar. C + 1/2O2  CO + ısı I. Reaksiyon Bölgesi CO serbest duruma geçer ve II. Reaksiyon bölgesinde O2 ile reaksiyona girer. CO + 1/2O2  CO2 + ısı II. Reaksiyon Bölgesi Her iki reaksiyondan çıkan ısı kömür tanelerini ısıtır. I. ve II. Reaksiyon bölgeleri yakıt yatağının en sıcak bölgeleridir. Bu bölgede O2’nin büyük bir kısmı kullanıldığından redüksiyon bölgesinde CO2 C ile reaksiyona girer. CO2 + C 2CO - ısı Redüksiyon Bölgesi Bu reaksiyon endotermik olduğundan sıcaklık düşmeye başlar. CO2 ve CO gazları kömür tabakaları arasından geçerek kömür içerisinde bulunan uçucu gazların uçmasını sağlar. Bu gazlar sekonder hava ile reaksiyona girerler. (Uçucu Gazlar + CO2 + CO) + O2 CO2 + H2O

Sabit Izgara Üzerinde Akışkan Yatakta Yakma

Delikli ızgara üzerinde kum, kireçtaşı, kül gibi taneli akışkan yatak maddeleri bulunur. Hava ızgaradan geçebilmekte ancak akışkan yatak maddeleri geçememektedir. Izgaradan geçen hava düzgün olarak dağılır ve tanecikleri yukarı doğru iter. Hava hızı belli bir değeri geçince taneler hava akımı içerisinde asılı kalır. Taneli hava kütlesi sıvı özellikleri gösterir ve yatak akışkanlaşmaya başlar. Bu durumdaki hava hızına «minimum akışkanlaşma hızı» denir. Hava hızı arttırılacak olursa sıvı özellikleri gösteren hava kütlesi içerisinden geçirilen hava yatak içerisinde kabarcıklar oluşturur. P : Yatağın taban ve üst yüzeyleri arasındaki basınç düşümü.

Akışkanlaşmanın başladığı hızdan (V0) sonra basınç düşümü sabit kalır Akışkanlaşmanın başladığı hızdan (V0) sonra basınç düşümü sabit kalır. P0 yatak yüksekliği ve yataktaki tane hava karışımının özelliklerine bağlıdır. Hava hızı minimum akışkanlaşma hızından daha yüksek hızlara doğru gittikçe taneler vortexli hareket yapmakta ve yatağın tabanından yüzeye doğru yükselip parçalanan kabarcıklar oluşmaktadır. Yatak kaynayan bir sıvı görünümü alır. Kaynamakta olan akışkan yatak yanma için çok elverişli bir ortam oluşturmaktadır. Akışkan yatak maddeleri (kum, kireçtaşı, kül gibi) ve hava yakıcı, yatağa uygun bir biçimde verilen kırılmış kömür ise yanıcıdır.

Akışkan Yataklı Yakma Sistemlerinin Üstünlükleri %60’a kadar kül %2’ye kadar S içeren kalitesi düşük kömürler yakılabilir. Vortexli hava hareketinden dolayı yanma esnasındaki ısı transfer katsayısı büyüktür. Çevre kirliliği kontrol altında tutulabilir. Yüksek S oranlı yakıtlar yakılırken oluşan SO2 yatağa uygun biçimde katılan kireçtaşı taneleri yardımı ile kül içinde tutulabilir. Ayrıca yanma esnasında sıcaklığın düşük olması (800 – 850oC) NOx miktarlarını da azaltır. Yakıta bağımlılık yoktur. İster katı ister gaz ve küçük değişikliklerle istenirse sıvı yakıtlar yakılabilir. Yanma verimi çok yüksektir. Yanmayan C’nu baca çıkışından alıp tekrar beslemek koşulu ile yanma verimi %98’e kadar çıkartılabilir. Yanmanın yoğunluğu yüksektir. Yatağın birim yüzeyi başına üretilen ısı enerjisi yüksek olduğundan yakıcı ve kazan boyutları küçük tutulabilir. Korozyon ve diğer aşınmalar azdır. Düşük sıcaklılarda yanma gerçekleştiği için K, Na gibi alkali tuzlar buharlaşamaz kül içinde kalır. Ayrıca kireçtaşı da SO2’i tuttuğu için H2SO4 oluşmaz Yakıt hazırlama giderleri düşüktür. Bu sistemde kullanılan kömür taneleri 6 – 25 mm büyüklüğündedir. Dolayısıyla kömür öğütme masrafları azdır. Yatak sıcaklığı kül ergime sıcaklığının altında olduğundan cüruf oluşumu engellenir. Böylece kurum üfleme donanımına gerek duyulmaz.

Hareketli Izgara Üzerinde Yakma Önce kolay yanabilen maddeler yakılmak suretiyle ocak içi ısıtılır. Refrakter malzemelerden yapılmış ocak cidarların vermiş olduğu ısıl radyasyon ve daha sonra ocağa giren kömürün yanması sonucu meydana gelen alev radyasyonu ile ızgara üzerinde bulunan kömürün üst kısmı ısınarak kurumaya başlar bu sırada içerisinde bulunan uçucu gazlar uzaklaşır ve kömür kok haline dönüşür. Izgaranın altında duran kömür tabakaları ise yakma havasından ısı alarak yavaş da olsa ısınarak koklaşır.

Tutuşma yüzeyden başlar. Yüzeydeki tutuşma sıcaklığı 600 – 950 oC’tır. Kömürün ısınması ile kömürden ayrılan gazlar havanın O2 ile CO2 ve H2O buharı oluşturacak şekilde yanar. Koklaşan kömür CO şeklinde gaza dönüştükten sonra O2 ile birleşerek yanar ve CO2’e dönüşür. Yanma esnasındaki CO – CO2 arasındaki denge; kömür tabakasının kalınlığına, sıcaklığına ve hava türbülansına bağlıdır. Kömür tabakası kalın Tabaka sıcaklığı yüksek Hava hareketi az CO miktarı fazla Kömür tabakası ince Tabaka sıcaklığı normal Hava hareketi fazla CO2 miktarı fazla

Tam yanma CO miktarında azalma CO2 miktarında artma. Hareketli Izgarada Yakmada Tam Yanma İçin Gerekenler Sabit yanma hızı sağlamak. Izgaranın ön tarafında başlayan gazlaşma ve bunu takip eden kömürden ayrılan gaz karışımlarını yakmak için ızgaranın ön tarafında daha fazla hava verilmeli, ızgaranın sonunda ise hava miktarı azaltılmalıdır. Kömür koklaşması sırasında çıkan gazların yanma odasında tam yanabilmeleri için hava ile çok iyi karışmalarını sağlamak. Özel yanma odası tasarımları kullanmak ve yanma odasına 300 – 400 mmSS basınç altında yardımcı hava (sekonder hava) göndermek. Yakma havasını önceden ısıtmak. Baca gazlarından yararlanarak havayı 150 – 250 oC sıcaklığa kadar ısıtmak. Tam yanma CO miktarında azalma CO2 miktarında artma.

Toz Halinde Yakma Kömürün Toz Halinde Yakılmasının Tercih Sebepleri Düşük kaliteli özelikle de fazla kül içeren kömürlerin yüksek verimle yakılması sağlanır. Çok büyük güçteki ünitelerin çalıştırılmasında iyi bir yanma sağlamaktadır. Toz kömür yakan bir tesisin işletme elastikiyeti fazladır. Kazan kullanılmadığında yakıt kesilir ve gereksiz yakıt harcamı azalır. Toz kömür yakma sistemi kullanan tesislerin ızgaralı yakma sistemi kullanan tesislere göre avantajları da şunlardır: Kolaylıkla fuel-oil gibi sıvı yakıt veya LPG gibi gaz yakıt yakabilir hale dönüştürülebilirler. Kül miktarı bağıl olarak daha azdır ve kolaylıkla temizlenebilir. Kazan dairesi temiz olarak korunabilir. Kömürün verilmesi ve külün alınması daha az işçilik gerektirir. Duman miktarı daha azdır.

Toz Kömür Brülörü Önce LPG kullanılarak pilot alev oluşturulur. Sonra fuel-oil devresi açılır ve ocak sıcaklığı yaklaşık 900 oC’ta geldiğinde toz kömür devresi açılarak fuel-oil devresi kapatılır. Kararlı bir yanma ve maksimum alev hızını veren hava oranı stokiometrik orandan büyüktür. Bunu sağlayabilmek için iki hava akımı kullanılır. Primer hava gerekli yakıtı (toz kömür) taşıyabilecek miktardadır. 0.6 – 1.0 kg-kömür/kg-hava Sekonder hava akımı ise maksimum alev hızını sağlamak için buharlaşmış ksımların yanmakta olduğu bölgeye verilir ve tam yanma sağlanır.

Toz Kömür Yanmasına Etki Eden Faktörler Tane Büyüklüğü : Taneler ne kadar küçük ise yanma o kadar daha çabuk ve daha iyi olur. (30 – 70 m.) Uçucu Gaz Miktarı : Uçucu gaz miktarı artıkça yanma süresi kısalır. Hava Türbülansı : Havaya hareket veren elemanı (türbülatör) bulunmayan brülörlerde alev boyu daha uzundur. Hava Fazlalık Katsayısı () : Hava fazlalık katsayısı artıkça yanma iyileşir. Ancak hava fazlalık katsayısının 1.3’den büyük olması yanmayı yavaşlatır. Ocak Sıcaklığı : Ocak sıcaklığı artıkça yanma hızı artmaktadır. Toz Kömür Yakmanın Dezavantajları Alev hızının maksimum değerine ancak çok fazla hava ile ulaşılıyor olması alev boyunu çok uzatmakta buna bağlı olarak büyük boyutlu yanma odalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Kül bacadan dışarı çıkarken bacayı veya alev borularını tıkayabilir. Bu sebeple alev borulu kazanlarda toz kömür yakma sistemleri kullanılmamalıdır.

Siklon Fırınlarda Yakma 6 mm çaplı kömür taneleri kullanılır. Kömür yakıcıya teğetsel olarak girer. Yanma için gereken havanın %15’i birincil (primer) ve üçüncül hava olarak yakıcıya girer. Bu havalar kömür taneciklerine dönme hareketi verir. Taneciklerin dönmesi teğetsel olarak gönderilen sekonder hava ile daha da arttırılır. Yanma siklon içinde olmakta ve yüksek sıcaklığın etkisiyle kül ergiyerek ince tabaka halinde siklonun iç cidarlarına yapışmaktadır. Daha büyük kömür taneleri santrifüj kuvvetin etkisiyle cidarlara doğru savrulur, sekonder hava ve büyük kömür taneleri cidarlardaki erimiş kül tabakalarını kopararak yeniden yanmasını sağlarlar. Siklon fırın ve toz kömür yakma sistemleri arasındaki fark: Toz kömür fırınlarında kömür tanecikleri kazan boyunca hava ile birlikte akar bu yüzden yanmanın tamamlanabilmesi için çok uzun fırınlar gerekir. Siklon fırınlarda ise kömür fırın içinde tutulur ve hava kömür üzerinden geçer. Böylece çok büyük miktarlardaki yakıt çok küçük hacim içinde yanar.

Sıvı Yakıt Yakma Sistemleri Sıvı Yakıt Damlasının Yanma Mekanizması Farklı HC’lardan oluşan sıvı yakıt damlası sıcak ortama girdiğinde ısınmaya başlar. Önce hafif HC’lar buharlaşır. Bu HC’ların O2 ile yaptıkları ekzotermik reaksiyon sonucu açığa çıkan ısı damlanın sıcaklığını daha da arttırarak ağır HC’ların da buharlaşmasını sağlar. Buharlaşan ağır HC’ların yanması damla sıcaklığını artırmaya devam eder. Böylece buharlaşma ve yanma hızı artar. Artan buharlaşma ve yanma hızı sonunda damla sıcaklığı o kadar yükselir ki buharlaşmadan damlayı oluşturan HC’lar ayrışır (cracking).

Püskürtmeli Brülörler Sıvı Yakıt Brülörleri Sıvı yakıtın küçük zerreciklere (damlacıklara) ayrılması hava ile temas eden toplam yüzey alanının artmasına neden olur böylelikle buharlaşma kolaylaşır ve hızlanır. Endüstride fazla yakıtın yakılması gerektiğinden yakıtın küçük zerreciklere ayrışarak hızlı buharlaşması ve hava ile karışması ancak püskürtmeli brülörler ile sağlanır. Püskürtmeli Brülörler Jet Tipi Brülörler Enjektörlü Emülsiyon Tipi Dönel Tip

Jet Tipi Püskürtmeli Brülör

Türbülatör: Vantilatörün üflediği havayı döndürerek yakıt ile karışmasını sağlayan elemandır. Ateşleme trafosu: Akım trafosu ile kıvılcım oluşturarak ateşlemeyi sağlar Fotosel: Alev oluşumunu görerek yanmanın devamlılığını sağlar. Fan-Motor: Hava hareketi sağlar ,ayrıca yakıt pompası hareketi fan motorundan alır. Yakıt Pompası : Pot depodan yakıtın emilmesini ve brülör memesinden sevkini sağlar. Brülör Memesi: Sevk edilen yakıtın, sevk miktarı ile pülüverizasyonunu sağlar Damper Motoru : Giren hava debisinin ayarlanmasını sağlar.

Enjektörlü Brülörler Çok düşük basınçta meme ucuna ulaşan yakıt ocağa hızlı püskürtmek için hava veya buhar kullanılır. Her türlü yakıt yakılabilir fakat yol vermede önce motorin ile çalıştırılır.

Emülsiyon Brülörleri Primer hava kompresöründen hava ile birlikte yakıtta geçer. Emülsiyon bölgesinde ikiye ayrılırlar, altta yakıtça zengin emülsiyon, üst tarafta havaca zengin emülsiyon vardır. Havaca zengin olan emülsiyon meme dışından ilerler Yakıtça zengin emülsiyon havanın etkisi ile boru içinden ilerler ve memeden püskürür. Püskürtme Memesi Türübülatör Ateşleme Elektrodu Fotosel Ateşleme Trafosu Sekonder Hava Vantilatörü Şamandıralı Besleme Ventili Primer Hava Kompresörü Dozaj Pompası Membranlı Yakıt ventili Dişli Pompa Filtre

Dönel Brülörler Bu tip brülörlerde yakıt 3000-6000d/d ile dönen bir püskürtme çanağının yardımı ile ocağa fırlatılır. Mil içinden gelen yakıt konik yüzeyde ince yakıt filmi oluşturur ve bu yakıt filmi çanağın kenarına taşınarak yanma odasına ince bir şekilde fırlatılır. Fakat bu şekilde parçalanma yeterli gelmeyeceğinden gerekli yanma havasına %10-20 oranında yakıt buharı verilir. Yüksek viskoziteli yakıtlar ısıtılmadan yakılabilir.

Sıvı Yakıt Yakma Tesisatı

Gaz Yakıt Brülörü

Bek Tipi Gaz Yakıcılar

Brülör İşletmeciliği Yakıt sıcaklığı gereken seviyede tutulmalıdır. Yakıtın fazla ısınması, hava kabarcıkları yapar, yakıtın boruların içinde akışı zorlaşır, yakıtın az ısınması ise kötü ve isli yanmaya neden olur. Yakıt basıncı brülör pompasına takılan manometre ile kontrol edilmeli ve her zaman sabit değerde olmalı. Brülöre verilen hava iyi ayar edilmeli ve açık renkte bir alev görünmelidir. Meme çapı elden geldiği kadar küçük olmalıdır. Bacadan siyah duman çıkması halinde meme çapı küçültülür ve hava miktarı artırılır.Beyaz duman çıkması halinde hava miktarı kısılır. Püskürtme olayı esnasında alevde siyah çizgiler görülüyor ise meme temizlenmelidir. Yanma esnasında cızırtılı bir ses duyuluyorsa yakıtta su olduğu anlaşılır. Depodaki suyun tahliyesi gerekir. Brülör pompasında vuruntu sesleri geliyor ise yaktı filtreleri sökülüp temizlenmelidir. İşletme esnasında kazan sarsılıyor ise yanma havası az demektir. Hava miktarı artırılmalıdır. Yanma havası mümkün olduğu oranda ısıtılmalıdır. Soğuk hava yanma verimini düşürür.