YANMA GAZ ANALİZLERİ VE DOĞALGAZ UYGULAMA
YANMA GAZ ANALİZLERİ VE DOĞALGAZ UYGULAMALARINDAKİ ÖNEMİMustafa DURU KAN
1957 Kayseri de doğdu 1980 yılında Maden Mühendisi olarak mezun oldu. 1981-1984 yılları arasında E.İ.E.İ Genel Müdürlüğünde, Dünya Bankasınca finanse edilen "Türk Sanayiinde Enerji Tasarrufu isimli projede görev aldı ve özellikle kazanlarda yanma verimliliği ve enerji tasarrufu konularında çalışmalarda bulundu.1984 yılında Enersistem Mühendislik Danışmanlık Ltd. Şti.'ni kurdu. Halen, Endüstriyel-Ticari ölçekli tesislerdeki enerji verimliliğini artırıcı sistem ve ekipmanlar, iş ve işçi güvenliğine yönelik gaz dedeksiyon cihazları ve yüksek enerji verimli radyant ısıtma sistemlerinin anahtar teslim satışı konusunda, Ankara ve İstanbul ofisleri ile faaliyetini sürdüren bu şirkette yönetici mühendis olarak görev yapmaktadır.
ÖZET:
Doğal gaz temiz ve verimli yakılabilirlik açılarından üstün niteliklere sahip ender yakıtlardan birisidir. Ancak bu üstün niteliğinden maksimum faydalanımı sağlamak, en son teknoloji ile donatılmış kazan/fırın ve brülör sistemlerinin kullanım gereksinimi ile birlikte hassas bir yanma ayarı ve doğru hava/yakıt oranlarının tesisine bağlıdır.
Bu ayar ve kontroller günümüzde artık BACA ANALİZ cihazları ile son derece pratik ve hassas bir biçimde kolayca gerçekleştirilebilmektedir. Ancak, çok açıktır ki, yanma konusundaki bazı temel bilgi ve kavramların yemince özümsenmediği ve yanmanın niteliğine doğrudan gösterge özelliği taşıyan ölçüm sonuçlarının içerdiği anlamların açıkça sağlanması söz konusu olamayacaktır.
Bu anlam içerisinde, bu yazı kapsamında, yanma ve yakıt kimyası ve yanma ile ilgili bazı temel ölçümler ve baca gazı analiz cihazlarına özlü olarak değinilmekte ve pratik verim hesap formülleri, Yanma-Verim tablosu gibi bazı rehber nitelikli bilgilere yer verilmektedir.
Çok değil sadece 20 yıl öncesine kadar ülkemizde ve dünyada yanma-yakma-ısıtma sistemlerinden istenen, çok sık bakım onarım gerektirmeden ve devre dışı kalmadan emniyetli çalışabilmesiydi.
Ancak 1973-78 döneminde yaşanan petrol krizi sonucunda yakıt fiyatlarında %325 lere varan artışlar, yakıt maliyetlerinin toplam maliyet içerisindeki oranını çok büyük miktarlara taşımış ve yakıt maliyetinin azaltılması VERİMLİ YANMAYI öncül hedef haline getirmiştir.
Buna ilave olarak 80'li yıllarda tüm dünyanın gündemine bir panik halinde giren çevre kirliliği ve buna dair toplumsal duyarlılığın artışı da TEMİZ YANMAYI zorunlu kılmıştır. Bugünün yakma sistemlerinden istenen temel işlevler DAHA VERİMLİ, TEMİZ VE GÜVENLİ yanmayı sağlamaktır.
Ülkemizde artık en son teknik ile donatılmış kazan/fırın ve brülörler kullanılmaya başlanmıştır. Bu denli gelişmiş sistemlerin devreye alma gerekse de rutin bakım işlemlerinde, günümüzde halen uygulama bulabilen operatörün göz ve kulağı veya orsat tipi yöntemlerin yerini, taşıması ve kullanımı kolay elektronik kompakt bir BACA GAZI ANALİZ CİHAZI almaktadır. Bu tür cihazlar ile baca gazı içerisindeki O2 yüzdesi CO, SO2, NOx emisyon miktarı, CO2 yüzdesi, gaz ve yakma hava sıcaklıkları, baca çekiş basıncı, islilik testi, verim, fazla hava oranı gibi parametreler anında sayısal ekranda izlenmekte ve istenildiğinde yazıcısı ile bu değerler kayıtlı birer veri haline dönüştürülebilmektedir. Bu analiz sonuçları ile;
* Yanma verimindeki iyileştirme yaparak yakıt tasarrufu,
* Çevre kirliliği yönetmeliklerine uygun emisyon oranlarına erişme,
* Kazan ve Brülör bakım-onarım gereksinimlerini belirleme,
* Emniyetli bir çalışma imkanları sağlanmaktadır.
Gerek bu tür sistemlerden edinilecek bilgileri değerlendirerek maksimum faydayı sağlamak, gerekse de yanma ile ilgili eksikliği hissedilen ve bunun sonucunda bazı kavram kargaşalarına neden olan temel teknik bilgi ve kavramlara ilerleyen bölümlerde detaylı olarak değinilmektedir.
1-YANMA
Yanma yakıt içindeki yanıcı C ve H in hava içindeki oksijen ile hızlı bir kimyasal birleşim yapması olarak tanımlanır.
İdeal-stokiyometrik koşullarda C ve H in tam yanması halinde yanma denklemi
Teneffüs edilen ve yanma havası olarak kullanılan hava kompozisyon olarak, hacimsel bazda
% 20.95 oksijen (O2)
% 78.09 azot (N2)
% 0.93 argon
% 0.03 karbondioksit (CO2)'den oluşur.
Yanma için kullanılan hava nadiren kuru olup çoğunlukla su buharı içerir. Su buharı miktarı bağıl nem ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Örneğin 25 °C sıcaklıktaki 1 kg hava:
%20 bağıl nem içeriyorsa 0.004 kg su %90 bağıl nem içeriyorsa 0.020 kg su taşımaktadır.
Havanın içerdiği bu su belirli bir miktar ısıyı soğurup ısı kaybına neden olmasına rağmen özellikle soğuk iklimlerde diğer kayıpların yanında bu kayıp ihmal edilebilinmektedir.
Yakıtların kalorifik değerleri Net ya da Alt kalorifik değer, Gross ya da Üst kalorifik değer olarak iki tür verilir. Bunların arasında fark çok iyi bir şekilde kavranmalıdır ki yanma verimleri konuşulurken bir hataya düşülmemeli ve karmaşa yaşanmamalıdır.
Birçok yakıt yanma sırasında su buharı haline dönüşen hidrojen ihtiva eder. Eğer yanma gazı ortam sıcaklıklarına (20 °C) düşürülürse, su buharı sıvı hale geçer ve aynı esnada buharlaşma gizli ısısı açığa çıkar. Bu şekilde tespit edilen ısıl değer Gross ya da Üst Kalorifik değerdir. Uygulamada ise yanma gazları yüksek sıcaklıktadır. Bu durumda gazın gizli ısısı açığa çıkma ve elde olunan ısıl değer Net ya da Alt ısıl değeri ifade eder.
Bu açıklamalardan da anlaşılacağı gibi alt ve üst ısıl değer arasındaki fark tamamen yakıtın içerdiği hidrojenin bir fonksiyonu olup, diğer birçok yakıtta bu değerler birbirine çok yakın iken Doğal Gazda (yaklaşık %24 oranında H2 içermesi nedeni ile) oldukça fazla farklılık gösterir. Bu nedenle %80, %90 gibi yanma verimler konuşulurken bu verimlerin Net yada Gross ısıl değerler bazında olduğu da mutlak belirtilmeli % e ısıl kayıp miktarı ve gerekli dizayn-hesaplamaları buna göre yapılmalıdır.
Kompozisyonu : (mol yüzdesi olarak) Metan % 85 (min)
Etan % 7 (max)
Propan % 3 (max)
Bütan % 2 (max)
Pentan vd.HC % 1 (max)
CO2 % 3 (max)
Azot % 5 (max)
C% (ağırlık bazında) : % 74.35
H% (ağırlık bazında) : % 23.71
Üst Isıl Değer (ortalama) 9055 kcal/nm3
Alt Isıl Değer 8250 kcal/nm3
Max CO2 yüzdesi % 11.92
(stokiyometrik kuru bazda)
Gerektirdiği Teorik Hava miktarı : 10.98 m3 hava/m3 gaz
Teorik Atık Baca Gazı Miktarı :
Kuru bazda 8.76 m3/m3 Doğal gaz
Islak bazda 10.78 m3/m3 Doğal gaz
Yoğunluğu : 0.65-0.70 kg/m3
Baca Gazındaki Suyun Çiğ Noktası : 56 °C
Yukarıdaki verilenlerden de görüleceği gibi doğal gaz içindeki karbon oranı kömür (%78 ) ve fuel oil (%86) den az olmasına karşılık hidrojen oranı kömür (% 3.5) den 7 kat, fuel oil (%11) den 2 kat daha fazladır. Hidrojen oranının artması ise baca gazındaki su buharını artırır. Ayrıca Doğal gaz içindeki Azot miktarı Fuei oil'den 35 kat, kömürden 2 kat fazla olmaktadır.
Diğer yakıtlarda muhtelif oranlarda bulunan ok kükürt, su buharı ve kül Doğal Gazda hiç yoktur. Bu doğal gazın diğer yakıtlara olan üstünlüğü gösterir. Doğal gazda yanma havası ihtiyacı diğer yakıtlara göre daha azdır. Baca gazlarındaki CO2 oranı da düşüktür. Isıl değeri de diğer yakıtlardan fazladır. İs kurum olmadığı için ısı transferi yüzeyleri kirlenmez v transferi engellenmez, bakım onarım gerektirmez.
5- OKSİJEN ÖLÇÜMÜ
Oksijen ölçümü verimli bir yanma için gerekli fazla havanın sağlanmasında en güvenilir ve pratik bir yoldur. Fazla havanın tayininde başlangıçta orsat tipi CO2 ölçümü kullanılmaktaydı. Çünkü o dönemlerde oksijen ölçümü bugün olduğu gibi hem teknik hem de ekonomik açıdan ticari kullanıma uygun bir teknolojiye sahip değildi.
Karbondioksit ve fazla hava oranı arasındaki korelasyon yakıt tiplerine göre büyük farklılıklar göstermesine karşın, oksijen ölçümü ile fazla hava oranı arasındaki korelasyon doğrudandır. Bu oksijen ölçümünün bir avantajını oluşturur. Oksijen ölçümünün bir diğer avantajı ise sadece fazla hava ile çalışılması durumunda ortaya çıkmasıdır. Halbuki CO2 esaslı ölçümde, hava/yakıt oranının, fazla hava yönünde mi yoksa yoğun yakıt yönünde mi olduğuna dair tespit imkanına sahip değilsiniz.
Çok yüksek hava oranı genellikle ideal değerden fazla yanma havası temini ile veya aşırı baca çekişi ile ortaya çıkar. Bu durumun karşılıda yine yetersiz yakıt teminidir. Aşırı fazla hava ile çalışma, baca gazı sıcaklığının artmasına ve önemli oranlarda verim kaybına yol açar. Burada kastedilen "aşırı hava" deyişini biraz daha açmak gerekecektir. Çünkü artan fazla hava ile birlikte sıcaklığında artması, bu fazla havanın belirli bir büyüklüğüne kadar geçerlidir.
Genelde geçerli görülen %3 oksijen karşılığı %15 fazla hava, doğal gazlı bir yanma için ideal bir orandır. Bu oranın üzerindeki %5 ve hatta %7 ye kadar oksijen karşılığı fazla hava konumlarında kazana sağlanan oksijen, herhangi bir yanma işlemine girmeksizin doğrudan içerideki sıcaklığı alıp sıcaklığı artarak dışarı çıkacaktır. Ancak daha fazla aşırı hava konumuna ise yanma odasının sıcaklığının ve yanma dengesinin bozunması sonucunda atık gaz da sıcaklık artışı değil aksine azalış söz konusu olacaktır.
Hatta fazla hava nedeniyle tamamen azalan CO emisyonunda değişip, bozulan yanma dengesi ile birlikte ani tepe değerlere çıkacaktır. Fazla hava oranının yetersiz olması durumu ise yakıta oranla yanma havası miktarının az olması ve baca çekişinin düşük olması nedenlerine bağlanabilir. Bu durumda yoğun duman ve yüksek CO emisyonu ortaya çıkar. Şekillerde görüleceği gibi:
* Teorik/optimum yakıt/hava oranlı
* Aşırı fazla hava oranlı
* Yetersiz fazla hava oranlı tipik yanma durumlarına ait gösterimleri bulabilirsiniz.
Yanma verimi açısından en önemli parametrelerden biriside baca gazı sıcaklık ölçümüdür. Buradaki baca gazı sıcaklığından kastedilen "net değer" olup bacadaki ile yanma havası arasındaki fark sıcaklık anlaşılmalıdır.
Baca gazının ideal sıcaklık değerlen, kullanılan yakıt ve yakma sistemi ile doğrudan ilişkili olup, çok belirgin sınır değerler verebilmek mümkün değildir.
Örneğin kömür ve fuel-oil gibi kükürt içeriği fazla olan yakıtların, bacadaki SO2/SO3 bileşenleri ve su buharı ile 140-160 °C aralarında tepkimeye girerek H2 SO4 asiti oluşumuna yol açması nedeniyle sıcaklığın gazın atmosfere atış noktasına kadar bu değerin altına düşürülmemesi önemli bir teknik sınırlamadır.
Gaz yakıtlarda, kükürt olmaması nedeniyle bu tür bir olumsuzluk olmamasına karşın, baca gazı içerisindeki su buharının yoğuşma sıcaklığı olan 55-60°C lik bir sınırın bulunduğu göz önünde tutulmalıdır. Doğal gazlı yakma sistemlerinde baca gazının atmosfere atıldığı noktaya kadar bu sıcaklığa düşmemesi için gerekli kazan çıkış baca gazı sıcaklığının ne olacağı, baca boyutları, uzunluğu ve izolasyon durumu ile belirlenen bir husustur. Özellikle dönüşüm öncesi kömür ile çalışan kazan bacaları, kömürlü yanma da açığa çıkan atık gaz miktarının fazlalığı nedeni ile doğal gaza kıyasla daha büyük kesitlerde olmaktadır. Bacanın, doğal gaza dönüştükten sonra aynı kesit de bırakılması halinde gaz geniş kesit nedeniyle daha yavaşlayacak ve süratle soğuyarak içindeki su buharı kondens olacaktır. Bu çoğunlukla tuğla/sıva yapılı apartman kazan bacalarında bacaların yoğuşan su nedeniyle çürümesine yol açmaktadır. Ankara'daki doğal gaz uygulamalarında sonradan fark edilen bu sorun, bu tip bacaların içine yoğuşan suyun tahliyesini de içeren çelik baca kılıfı ile çözümlenmeye çalışılmıştır.
Baca gazı sıcaklığı ile ilgili alt limitler, yukarıdaki açıklamalardan da anlaşılacağı gibi çoğunlukla önlem alınmadığında problem oluşturucu teknik nedenlerle belirlenmektedir. Bunun karşılığında ideal değerin üstündeki yüksek sıcaklıklarda, verimi düşüren en belirgin parametredir. Bu nedenle baca gazı sıcaklığının ölçümü ve kontrolü, yüksek verim ve düşük yakıt maliyeti açısından birincil önceliğine sahip olması gereken bir enerji tasarrufu çalışmasıdır.
Baca gazında düşürülmeyen yüksek sıcaklığın nedeni çok çeşitli olabilir.
Kazan kapasitesine kıyasla büyük seçilmiş brülör ve aşırı yakıt, yoğun yanma yada hatalı dizayn edilmiş eşanjör, başlangıçta tesisden kaynaklanan ve aşırı sıcaklık oluşturan başlangıç nedenler olarak sayılabilir. Yine hatalı dizayn nedenleri arasında sayılabilecek bir diğer hususta aşırı baca çekiş basıncıdır. Aşırı çekiş basıncı gazın yanma odasında kalış süresini kısaltarak ısı transferini azaltacak ve sonuçta yüksek baca gazı sıcaklığına neden olacaktır. Kirli ısı transfer yüzeyleri ve ideal değerin üzerindeki fazla hava oramda, diğer yüksek baca gazı sıcaklığını oluşturan nedenler arasında sayılabilir. Tüm bu nedenlerden hangisinin yüksek baca gazı sıcaklığını oluşturduğunu, baca gazında yapılacak, oksijen, karmondioksit, islilik (doğal gaz da geçerli değildir) ve baca çekiş basıncı ölçümleri ile kolayca belirleyebiliriz.
Karbonmonoksil ölçümü eksik-yetersiz yanmanın en iyi göstergesidir.
Yüksek CO emisyonunun nedenleri şöyle sıralanabilir.
-Alevin yanma odasındaki soğuk yüzeylere çarpması ve bunun sonucunda ateşleme için gerekli sıcaklığın altına düşülmesi ile o noktadaki yanmanın son bulması. Soğuk yüzeylere çarpması için alevin gereğinden çok daha fazla geniş hacime ulaşması ana neden olmakla birlikte, yanlış alev konumu ve hatalı yanma odası dizaynı da karşılaşılabilen diğer nedenlerdir.
- Yetersiz yanma ve yüksek CO emisyonunun bir diğer nedeni de çok düşük baca çekişidir.
- Üçüncü neden olarak da gereğinden az miktarda fazla hava ile çalışma sayılabilir.
8- İSLİLİK (SMOKE) TESTİ
Her ne kadar Doğal Gaz'lı uygulamalarda söz konusu olmasa da çoğunlukla bilinmeyen ya da önemsenmeyen islilik testine fuel-oil kömür yakıtlı yanmalarda çok büyük verim kayıplarına yol açması nedeni ile değinmek yararlı olacaktır.
İslilik, yetersiz yanmanın en iyi bir göstergesidir. Yetersiz yanma sonucunda ısı transfer yüzeylerinde biriken kurum en iyi kalite bir ısı yalıtım gerecidir. Aşağıdaki grafikte tipik kurum kalınlıklarına karşın yakıt tüketimindeki artışı görebilirsiniz.
İslilik testi Bacharach skalasına göre numaralandırılır.
Bacharach tarafından yapılan bir dizi test çalışması sonucundaki çalışmaları özetleyen yukarıdaki grafik bu testin önemini daha da çarpıcı bir şekilde vurgulamaktadır.
Kurumlaşmanın artışı yetersiz hava, yetersiz baca çekişi basınç ve aşırı yakıtlı yanma ile ortaya çıkabilir. Bunların dışında brülör yakıt/hava karışım kafalarında ve memelerindeki hatalarla yakıt sıcaklık ve basınçlarındaki yanlışlıklar da buna neden olabilir. Baca gazlarının komple analizi ve islilik test sonuçlan birlikte değerlendirilerek hata kaynağı yine net bir şekilde tespit edilebilir
9. BACA ÇEKİŞ (DRAFT) BASINÇ ÖLÇÜMÜ
Verimli bir yanma tesisi için ölçümü gerekli bir parametrede baca çekiş basıncıdır. Bu değer yanma gazlarının kazan içerisinden geçiş hızını belirler. Çekiş ayrıca dışarıdan kazan içine emilecek ikincil hava miktarını da etkiler.
Aşırı çekiş basıncı fazla hava miktarını ve baca gazı net sıcaklığını artırır.
Çekiş başmandaki geçici dalgalanımlar, baca ile ilgili bazı problemlere (yetersiz kesit, yükseklik veya çatıdaki tıkanmalar) işaret eder.
Kazanın anma ısı göre gücüne istenen ideal çekiş oranlarına dair TS 4040 dan alınan grafik aşağıda verilmiştir
10- YANMA VERİM HESABI VE İDEAL HAVA/YAKIT DEĞERLERİ
Yakıtların Kalorifik Değerlerinin tanımı ile ilgili bölümde de bahsedildiği gibi verim hesabı ve değerleri mutlaka brüt ya da net ısıl değer belirtilerek hesaplanmalı ve verilmelidir. Ayrıca kazan verimi ile yanma veriminin farklı kapsamlar içerdiğine de dikkat edilmelidir.
Yanma verimi hesabında göz önünde tutulması gerekli ısı kayıp kaynakları şu başlıklar altında toplanır. Burada herhangi bir yakıta özgün belirleme yapılmamıştır. Özellikle a,b ve d verilen kayıplar tüm yakıtlar için geçerli iken c sadece katı yakıtlar için geçerlidir.
a) Baca Gazı Duyulur Isı Kaybı (O2 ve Baca Gazı Sıcaklığına Bağlı Kayıp)
b) Baca Gazı Gizli Isı Kaybı (Nem ve Hidrojene Bağlı Kayıp)
c) Yanmamış karbon ile oluşan kayıp (Katı yakıtlarda cüruftaki C ile ilgili kayıp)
d) Yanmamış Gaz (CO gibi) ile oluşan kayıp
Yukarıda sayılan kayıplara ilave olarak Blöfle oluşan kayıp ve kazan dış yüzeyinin sıcaklığına bağlı olarak radyasyon ile oluşan kayıp miktarlarını da ilave ettiğinizde kazan verimini tespit edebilirsiniz.
Net Isıl Değer Bazında Yanma Verim Hesabı:
Burada verilecek olan dolaylı yöntem bazında yanma verim formülleri, elektronik baca gazı analiz cihazlarında da standart olarak programlı formüller olup ilgili ülkelerin standartlarında kabul görmüş kabul edilir yaklaşık hassasiyette sonuç vermektedir.
İngiliz standartını net ısıl değer bazında verim hesabı aşağıda verilen formül ile hesaplanmaktadır.
Her ülkenin kullandığı formüllerin de verilmesi mevcut ekipmanların ölçüm sonuçları arasında oluşan farkın nedeninin izahına yöneliktir.
Doğal gaza özgün olarak formülü, yukarıdaki ilgili katsayıları yerine yerleştirerek ve ölçülen oksijenin yerine konulduğunda verim hesaplanabilecek daha pratik bir formata getirebiliriz.
Baca Gazındaki oksijen % si: %3 ile 5 arası
Baca Gazındaki CO emisyonu: Maksimum 100 ppm
Burada Çevre yönetmeliğinin 100 mg/rrr (80 ppm) sınır tayin ettiğini hatırlatırım.
Baca Gazı Sıcaklığı: Ortalama 150 °C
(Burada baca boyunca gazın atmosfere atılana kadar su buharının yoğuşma sıcaklığı olan 55 °C nin altına düşmemesi göz önünde bulundurulmalıdır).
Baca gazındaki NOx emisyonu: Yanma verimi açısından bir katkısı yoktur. Bu nedenle çevre yönetmeliğince belirtilen 500 mg/m3 (CV 380 ppm) sınıra uyulmalıdır.
Bu bölüm başlığı altında şu ana kadar sağlanan özlü bilgiler aşağıdaki alt bölümlerde daha detaylı olarak ve size referans bir kaynak teşkil edecek teknik nitelikler dahilinde verilmelidir.
10. A-YAKITLARIN KALORİFİK DEĞERLERİNİN HESABI
YAKITLARIN ELEMENTER ANALİZLERİNE ESAS;
BRÜT KALORİFİK DEĞER:
QH= 8100xC+ 34000xH+2500xS
NET KALORİFİK DEĞER:
QL= QH-600x(9xH+W)
Burada QH ve Ql Kcal/kg birimindedir. C,H,S ve W yakıt içindeki % Ağırlık bazındaki kısımlarıdır.
9= 18/2 si mol ağırlığının/H mol ağırlığına oranıdır. 600: Suyun gizli (latent) ısısıdır.
Botaş'tan temin olunan ve önceki bölümlerde verilen bilgiler doğrultusunda tarafınca hesaplanan elementer (C ve H) analize esas doğal gazın ısıl değerleri.
Buradan da görüleceği gibi Doğal Gaz da Brüt ve Net kalorilik değer arasında çok önemli bir fark söz konusu iken bu fark 6 numara i'uel oil de çok az kömürde ise (yaklaşık %3.5 H2 içermesi nedeni ile ) ihmal edilecek düzeydedir.
Cevap Yaz
Cevap yazabilmeniz için Giriş yapmanız gerekiyor.