Güç Üniteleri; Yakıtlar (fuels)


YANMA KONTROLÜNDE CO – O2 – CO2 İLİŞKİSİ

Yanma gazlarında bulunan oksijen (O2) miktarı, yanma işleminde kullanılan fazla havanın bir ölçüsü olarak kabul edilmektedir. Yanma gazları zirkonyum oksit proplu bir analizöre gönderilerek oksijen, bundan yararlanılarak da fazla hava miktarı hesaplanır.

Yakın zamanda yanma gazlarındaki oksijen yerine karbon monoksit (CO) miktarı üzerinde durulmaya başlandı. Analiz yöntemi olarak da infrared absorbsiyon analizörleri seçildi. Böylece çıkış gazlarındaki SO2, CO2, azot oksitleri, v.s. gibi tüm gazların saptanması mümkün olabildi.

Yanma veriminin arttırılmasına yönelik olarak gerek CO ve gerekse O2 analizine dayanan çok sayıda yazı yazılmıştır. Burada, yanma prosesi kimyasal ve pratik yönlerden incelenerek, O2 ve CO analizörlerinin yanma kontrolündeki fonksiyonlarının açıklanmasına çalışılacaktır.

Yanma Kimyası

Yanma, bir yakıtın hava ile oksitlenmesi sonucu ısının açığa çıktığı kimyasal bir işlemdir. Yakıtın bileşiminde esas olarak karbon (C) ve hidrojen (H2) bulunur.

Karbonun yanması, iki kademede tamamlanır. İlk kademede karbon monoksit (CO), ikinci kademede ise karbon dioksit (CO2) oluşur. Yanma olayı, O2 veya hava ile yapılabilir.

O2 ile yanma,
2C + O2 ¨ 2CO
2CO + O2 ¨ 2CO2,
veya,
C + O2¨ CO2
Hava ile yanma,
C + 5 Hava ¨ CO2 + 4N2
Reaksiyonlar, özel koşullarda tersinirdir.

1 lb C un CO2 vermek üzere yandığı zaman 14 100 Btu açığa çıktığı bilindiğine göre, C u gaz olarak düşündüğümüzde, 1 ft3 CO in CO2 e dönüşmesinde ise 340 Btu enerji elde edilir. Bu durumda 1 ft3 C un CO e dönüşmek üzere yanması sonucu ancak 130 Btu açığa çıktığı görülür.

Bu basit örnek, C un tam yanmaması halinde gerçek enerjinin ancak üçte birinden faydalanılabileceğini göstermektedir. Hidrojenin yanması,

2H2 + O2 ¨ 2H2O
veya,
2H2 + 5 Hava ¨ 2H2O + 4N2
şeklindedir. Her iki denklemde de tam yanma olayı gösterilmiştir. 1 ft3 hidrojenin yanma enerjisi 290 Btu dur. Reaksiyon, C un yanmasında olduğu gibi tersinirdir.

Gaz Hesapları
Genel gaz denklemi yukarıdaki eşitlikle verilir. Basınç (p) psia olarak ölçülürse hacim (V) ft3, mutlak sıcaklık (T) Reomür cinsindendir. R = 10,73 sabittir. W/M, gazın ağırlığının molekül ağırlığına bölümüdür ve birimi pound-moldür.

Bileşimlerin molekül ağırlığı, bileşimi oluşturan elementlerin molekül ağırlıklarının toplanmasıyla elde edilir. Şöyle ki; C = 12, H2 = 2, O2 = 32, N2 = 28, S = 32 olduğuna göre, yanma ürünlerinin molekül ağırlıkları,
Ağırlıklar pound olarak ifade edildiğinde, 12 pound C, 28 pound N2, 44 pound CO2 ve 16 pound metanın her biri 1 pound-mol dür.

Herhangi bir gazın 1 pound-mol ünün 32 0F (0 0C) derecede ve 760 mm. Hg basıncındaki hacmi sabit olup 359 ft3 tür.

14.7 x V = 10.73 x (32 + 459)    V = 359 ft3

V nin değeri, doğal olarak sıcaklık ve basınçla değişir. Karışımdaki gaz maddelerin oranı ise T ve P ye bağımlı değildir. Bu nedenle gaz hesaplamalarında temel referans p ve T değerlerini kullanmak yanlış olmaz.

Yakıt-Hava Hesapları

Burada, tamamıyla yanabilen ve tamamıyla yanabilen fakat bir miktar inert gaz içeren iki örnek gaza ait yakıt-hava hesaplamaları verilecektir.

1. Tamamıyla Yanabilen Gaz

Örnek olarak metan gazının yanma olayını izleyelim:
Yakma işlemi, hacimce %10 hava fazlasının bulunduğu ortamda yapılırsa, ilave %10 hava (0.2 O2 + 0.8 N2) olduğundan çıkış gazındaki oksijen, % 1.7 bulunur.
"Fazla hava" yanma ürünlerine (yani baca gazına) göre değil, yakılan yakıta göre ifade edilen bir kavramdır. Uygulamada çıkış gazındaki O2 tayini, havanın giriş sıcaklığından çok yüksek sıcaklıkta yapılır. Ancak % hacim hesabı yapıldığından sıcaklık ve basınç farkı, sonucu önemli derecede etkilemez. Bir gaz yakıtta kullanılan fazla hava miktarı, çıkış gazında bulunan % O2 miktarını, 5-6 gibi bir faktörle çarparak yaklaşık olarak hesaplanabilir. Burada, gaz yakıtın inert ve O2 içermemesi esastır.
Metan gazının yanması sonucu %1.7 O2 bulunduğundan,

fazla hava = 1.7 x 5 - 1.7 x 6 = % 8.5 - 10.2

arasındadır Gerçekte ise %10 fazla hava kullanılarak yakma işlemi gerçekleştirilmişti. Şekil-1(a) da yakıt gazındaki oksijenin fazla hava ile olan ilişkisi görülmektedir.

2. Yanabilen Gaz ve İnert Gaz Karışımı
Gaz yakıt, yanabilen ve inert (yanamayan) gazlar karışımı olabilir. Örneğin CO yanabilen, CO2 ise yanamayan bir gazdır. Hacimce (% 30 CO + % 70 CO2 ve (% 10 CO + % 90 CO2) bulunan iki ayrı bileşimdeki gaz yakıtın %10 fazla havayla yakılmasını inceleyelim. CO in temel yanma denklemi,
(a) %30 CO + %70 CO2 gaz karışımında, 2 hacim CO için 4.7 hacim CO2 vardır. Buna göre karışım gazın yanma denklemi aşağıdaki gibidir
% 10 fazla hava olması durumunda, çıkış gazındaki O2 % 0.9 dur.

(b) % 10 CO + % 90 CO2 gaz karışımında, 2 hacim CO için 18 hacim CO2 vardır. Karışımın normal hava ile yanma denklemleri ve çıkış gazındaki O2 miktarı aşağıdaki gibidir.

             20 + 0.1 + 4.4
Buradaki örneklerde, baca gazındaki O2 miktarları %0.9 ve %0.4 dür. Oysa her iki yakıt da % 10 hava fazlasında yakılmıştır. Yakıtta bulunan yanabilen gaz miktarının azalması, aynı miktarda fazla hava kullanılmasına rağmen baca gazında daha az % oksijen bulunmasına neden olur. Açıkça görülmektedir ki yanma gazlarında saptanan O2 miktarı, fazla havanın bir ölçüsü olamaz. Veya %30 CO içeren yakıtın %10 fazla hava ile yanması sonucunda baca gazında %0.9 O2 saptandığı için, %10 CO li bir yakıtın aynı koşullarda yanmasında da çıkış gazında aynı miktar oksijen bulunmasını beklemek yanlıştır.

CO + CO2 karışımı yakıtta, CO miktarının %10 a düşmesi durumunda, çıkış gazında % 0.9 O2 bulunması istenirse, yakıtın yakılmasında kullanılacak fazla hava miktarının ne kadar olması gerektiğini hesaplayabiliriz. Normal hava ile yanma denklemini, fazla havayı A ile göstererek yazalım, (1 hacim hava 0.2 hacim O2, 0.8 hacim N2 dur):
 Yanma gazında % 0.9 O2 bulunabilmesi için, (% 30 CO + % 70 CO2) karışımı bir yakıt %10 fazla havaya, (% 10 + % 90 CO2) karışımı bir yakıt ise % 22.6 fazla havaya ihtiyaç gösterir. Proseste, iyi bir yanma için hesaplanan miktarın iki katının üstünde hava verilmesi gerekir. 

Değişik oranlarda CO içeren (CO + CO2) karışımı yakıtın, sabit, %10 fazla hava ile yakılmasıyla çıkış gazındaki %O2 miktarı hesaplanarak yakıttaki % CO e karşı grafiğe alındığında Şekil-1b deki eğri elde edilir.

İçinde inert gaz bulunan diğer yakıtlar için de benzer eğriler çizilebilir. Pek çok yakıtın bileşimi tam olarak bilinemeyeceğinden çıkış gazındaki CO2 miktarı yerine, yakma havasındaki % fazla havanın sabit tutulması tercih edilmelidir.

Yakıt içindeki yanabilen maddeler miktarının uygun ekipmanlarla saptanabilmesi durumunda, çıkış gazındaki O2 ayar-noktasının otomatik olarak ayarlanabilmesi de mümkün olmaktadır.

Şekil-1: (a) Çeşitli yakıtlar için yakıt gazındaki oksijenin fazla hava ile ilişkisi, (b) % 10 fazla hava olduğunda çıkış gazındaki % O2 in, karışımdaki % CO ile ilişkisini, gösteren grafikler

Btu Hesapları

1 pound karbonun yanması ile 14100 Btu ısı açığa çıkar. Karbonu gaz olarak düşünürsek, 1 pound-mol karbonun hacmi 359 ft3 tür; yani 1 pound karbon 359/12 = 30 ft3 tür. 1 ft3 karbon ise 14100/30 = 470 Btu enerjiye sahiptir.

Çeşitli gaz yakıtların yanma ısıları, C için 470, H2 içinde 290 Btu alınarak kolaylıkla hesaplanabilir. Örneğin benzenin yanma ısısı: C6H6 = 6 x 470 + 6 x 290/2 = 3690 Btu bulunur. Bu şekilde hesaplanan Btu değerleri yaklaşıktır. Bazı gazların 1 atm. ve 32 0F deki gerçek ve hesapla bulunmuş olan Btu değerleri aşağıda verilmiştir.

Çıkış Gazındaki Yanabilen Maddeler

Verimli bir yanma için uygun hava/yakıt oranının seçilmesi dışında etkin olan üç faktör: (1) fırındaki yakıt ve havanın iyi bir şekilde karıştırılması, (2) yakıt-hava karışımının yanabileceği sıcaklığa erişmesi, (3) yanma işleminin tam olabilmesi için, yakma sıcaklığının yeterli zaman sürecinde devam ettirilebilmesidir. Zaman, sıcaklık ve karıştırma olayı da önemli olan faktörlerdir.

Genel olarak mükemmel denilebilecek bir yakıt hava karışımı yoktur. Keza, mükemmel yanmayı sağlayacak şekilde karışımın sıcaklığını yanma sıcaklığının üstünde yeterli süre tutmak her zaman mümkün olamaz. Bu sebeplerden fırın çıkış gazlarında çoğunlukla yanmamış maddeler bulunur. Yanmanın kontrol altında sürdürülebilmesi, iyi bir yanma olayında üzerinde durulacak en önemli husustur. Yanmadaki üç temel faktör olan zaman, sıcaklık ve karıştırmanın yanında, çıkış gazlarındaki yanabilen madde miktarının minimum, yanma olayının da ekonomik olması önemlidir. Yakma havasındaki fazla havayı bir miktar arttırmakla, çıkış gazındaki yanabilen madde miktarını azaltmak mümkündür. Böyle bir yol izlenirken, yanma sonucu açığa çıkan yanma ısısından ne şekilde yararlanıldığı da dikkate alınarak, enerji kaybına neden olmayacak şekilde dengenin sağlanması gerekir.

Gaz yakıtın hava ile karıştırılması, fuel oilün hava veya buharla iyi bir şekilde atomize edilmesine rağmen yanma olayı, damlacıkların sıvı yüzeylerinde gerçekleşir. Keza, kömürün yanmasında da aynı şekilde pulverize edilen kömür taneciklerinin katı yüzeyleri üzerinde yanma başlar. Kömür ve diğer katı yakıtların yakılması oldukça zordur. İri taneler halindeki kömürün toplam yüzey alanı, pulverize kömüre göre çok az olacağından yanması daha da zorlaşır. Baca gazındaki CO miktarı, uygun yakma koşulları altında 100 - 500 ppm. seviyelerinde olabilmektedir.

Yanma prosesi sırasında ve sonrasında, temel yanma reaksiyonlarından başka reaksiyonlar da olur. Örneğin, indirgen bir ortamda doğal gazın yakılmasıyla tamamıyla karbon olan lamba isi meydana gelir ve fırında karbonlaşmaya neden olur.

Çıkış gazında bulunabilecek az miktardaki yanabilen maddeler gerçekte fazla önemli değildir. Bunu bir örnekle açıklayalım: 100 000 lb/saatlık buhar jeneratörünün doğal gaz yaktığını varsayalım; verim %100 kabul edilirse kazan yaklaşık olarak 1000 ft3/sa 1000 Btu luk gaz ister. Bu miktarda gazın yakılabilmesi için de 1 000 000 ft3/sa havaya ihtiyaç vardır. Yakma işlemi %10 hava fazlası ile yapıldığında gerekli hava 1 100 000 ft3/sa dir. Bu koşullarda baca gazındaki CO in 200 ppm. (%0.02) olduğunu kabul edelim. ve CO in 500 ppm e yükselmesi halinde enerji kaybının % kaç olduğunu hesaplayalım.

CO in 200 ppm den 500 ppm e yükselmesiyle baca gazında 300 ppm lik (%0.03) bir CO artışı olacaktır. Bu miktar CO, ft3/saat cinsinden hesaplarınsa,
112 200 Btu, 112.2 lb/saat buhar üretildiğine göre, çıkış gazında CO in 200 ppm den 500 ppm e yükselmesi sadece,
Çıkış gazındaki CO in 500 ppm den 200 ppm e düşürülmesi için %1 fazla hava kullanılması düşünüldüğünde, bu miktar hava, 1 000 000 x 0.01 = 10 000 ft3/sa olacaktır. 10 000 ft3/sa hava, ortam ısısı 70 0F dan, baca gazı çıkış sıcaklığı olan 600 0F e ısıtılacağına göre, ne kadar enerjiye ihtiyaç vardır. Havanın öz ısısı 0.25 Btu/1b.hava.0F alındığında, 1 lb. havanın hacmi 359/28.8 = 12.5 ft3,
Bu miktar enerji, 112 200 Btu ile kıyaslanabilecek düzeydedir.

Bir yanma işleminde, çıkış gazlarındaki CO veya yanabilen maddelerin kontrolüne göre yapılacak toplam hava akışı ayarlaması oldukça riskli bir yöntemdir. Çıkış gazındaki CO, çoğu zaman atomizasyonun iyi yapılamaması, yakıcıların kirlenmesi ve fırındaki kaçaklar gibi nedenlerden kaynaklanır. CO in sadece yakma havasının yetersizliğinden ileri geldiği varsayıldığında, otomatik olarak hava miktarı arttırılırsa da ayar noktasının üstünde hala CO görülür. Böyle hallerde hava fazlası verimin düşmesine neden olabilir.

İyi bir verim elde edilmesi, baca gazındaki yanabilen madde miktarındaki büyük değişikliklerin, küçük miktarlarda hava artışı yapılarak sağlanmasıyla elde edilir. Bir fırın için genel kural, sistemin test şartları altında kontrol edilmesi ve kullanılan yakıta göre optimum yakıt/hava oranının saptanmasıdır. Test sonuçları, şu bilgileri kapsamalıdır: (1) buhar üretim kapasitesi, (2) relatif hava akış miktarı, (3) çıkış gazındaki % O2 miktarı, (4) çıkış gazındaki % yanabilen maddeler miktarı.

Çıkış gazındaki CO, çoğu hallerde yanabilen maddeler olarak kabul edilebilir; tam doğru ifade ise CO + H2 toplamıdır. Yukarıdaki bilgilerden başka baca gazının sıcaklığı, yakıcının tipi ve yakıtın Btu değeri de bilinmelidir. Bir buhar üretim fabrikasındaki mühendis, test şartlarının daima yaklaşık değerler olduğunu bilir, günlük çalışmalarda karşılaşılan çeşitli zorluklara rağmen buhar jeneratörünü test koşullarına en yakın değerlerde çalıştırabilmek için gerekli tüm önlemleri alır.

Yakma Havası

Çoğu zaman, havanın bileşiminin sabit olduğu kabul edilir; kuru havanın bileşimi, aşağıdaki tabloda verildiği gibidir. Oysa havada, bulunduğu yere ve mevsime göre bir miktar nem vardır. Ayrıca çok az miktarlarda neon, helyum, kripton, ksenon ve ozon (O3) bulunur. Bunlara ilaveten havada yine az miktarlarda hidrokarbonlar, hidrojen peroksit, kükürt bileşikleri, klorürler, sülfürik asit ve toz vardır. Anlaşıldığı gibi hava heterojen bir karışımdır. Havadaki toz miktarı, temiz deniz havasında 250 tanecik/cm3 iken, tozlu bir ortamda 2 000 000 tanecik/cm3 seviyesindedir. Havada CO de bulunur ve temiz dağ havasında sıfır olan bu gaz, şehir havasında 50 - 100 ppm, endüstri bölgelerinde ise 200 - 400 ppm e kadar yükselir. Havada bulunan hidrojen, en temiz havada bile 100 ppm seviyesindedir.

Hava Sızıntıları
Genellikle, fırındaki basınç atmosfer basıncına yakın değerdedir. Yakma gazları üniteye girdiği zaman basınç düşmeye başlar ve çekici fana yakın kısımlarda 10 inç su sütununa kadar düşebilir. Fırındaki basınç ile çıkış negatif basıncı arasındaki farktan kaynaklanan hava sızıntısı, yakma sıcaklığının altında bulunan kazan çıkışında meydana gelir. Hava sızıntısı ile beraber gelen baca gazında O2 bulunduğu halde, esas yanmanın meydana geldiği fırında yeterli yanma havası olmayabilir. Bu durumda yakıt gazı hem O2 ve hem de CO içerir.

Baca gazındaki CO in hava sızıntısına bağlı olmadığını söylemek doğru değildir. Yakma havasında sabit olmayan miktarlarda CO bulunur. Sızan havada CO olmaması halinde, baca gazındaki CO azalacak ve buna bağlı olarak kontrol sistemi yakma havasının miktarını azaltacaktır. Benzer şekilde eğer sızıntı havada fazla miktarda CO bulunuyorsa, sistem hava akışını arttıracak, fırına gereken miktardan fazla yakma havası çekilmiş olacaktır.

Uygulamada karşılaşılan sorunlar başlıca yakıcıların kirlenmesi ve uygun olmayan biçimde yerleştirilmeleri, hava ısıtıcılarının delinmesi, yakıt püskürtücülerinin tıkanması ve fırın bafıllarının arızalanmasından ileri gelmektedir.

Yüksek sıcaklık zirkonyum oksit problar 2800 0F gibi sıcaklıklarda hem O2 ve hem de yanamayan maddeleri algılayabilmektedir. Bu tip analizörler halen çelik, cam, aliminyum ergitme fırınlarında kullanılmakta olup, buhar üretiminde henüz uygulamaya alınmamıştır. Normal zirkonyum oksit problar ise 1400-1500 0F da çalışırlar ve kazan fırın kısmına en yakın yere monte edilirler.

Yanma prosesinde, çıkış gazındaki O2 miktarını tayin eden zirkonyum oksit problu analizörler son yıllarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, eser miktarda CO tayini yapan İnfrared analizörler de yanma kontrolünde kullanılmaya başlanmıştır. Ancak her iki sistem de tek başına yanma prosesinde karşılaşılan sorunları çözmekte yeterli olamamaktadır.

Zirkonyum oksit – O2 analizörü ile infrared - CO analizörünün fonksiyonlarını bir arada toplayan mikroprosesser kontrol sistemleri ile, flue gazdaki O2 ve CO miktarları tayin edilerek fırın havasının kontrol altında tutulması mümkün olabilmektedir. Oksijen kontrolüne dayanan yüksek ve düşük ayar noktalarıyla yakıt-hava oranı, CO 1000 ppm i geçmeyecek şekilde ayarlanabilmektedir.


GERİ (proje çalışmaları)