Kazan Verimliliğini Optimize Etme ve NOx Emisyonunu Azaltma Yöntemleri

“NOx” terimi birçok makalede yer almıştır, ancak birçok kişi bunun ne olduğunu bilmiyor olabilir.NOx (nitrojen oksitler), doğal gaz veya dizel gibi fosil yakıtların yanması sırasında yayılan zararlı bir kirleticidir. Gezegen ve canlılar üzerinde çok yıkıcı etkileri vardır. NOx mg/kW veya ppm cinsinden ölçülür. Bu emisyonunu azaltmak için bilim adamları ve mühendisler tarafından baca gazı geri beslemesi (FGR) önerilmektedir. Bu makalede daha ayrıntılı olarak açıklanacaktır

NOx ve Çevre Üzerindeki Etkisini Anlamak

NOx, doğal gaz veya dizel gibi fosil yakıtların yanma sürecinde azot oksitlerin (NO ve NO2) temsilcisidir. Bu kirletici mg/kW.h veya ppm cinsinden ifade edilir. Yanma sonucu oluşan NOx kazan bacasından çevreye verilir. Küresel ısınmaya çok zararlı etkileri vardır, asit yağmurlarına, hastalıklara, ozon tabakasının delinmesi neden olur.
Baca gazı geri beslemesi (FGR), NOx azaltımı amacıyla yanma ürünlerinin yeni bir yanmalı çevrime döndürülmesi anlamına gelir. Bu makalede bu prosesin bilimsel ve pratik etkileri anlatılmış ve pratik çözümler sunulmuştur.
Dünya Sağlık Örgütü tarafından 2015 yılında yapılan çalışmalarda, Avrupa Birliği’nde hastalık ve ölüme yol açan kirliliğin neden olduğu yıllık maliyet 1,6 trilyon dolar olarak tahmin edilmiştir. NOx ve karbon monoksitin bu problemde çok önemli rolü vardır.

Bu, Avrupa ülkelerinde çevre standartlarının üçüncü dünya ülkelerine kıyasla daha katı olmasına rağmen böyledir. 26 Eylül 2018 tarihinde Avrupa Birliği, bu kirleticinin zararlı etkileri nedeniyle su ısıtıcılarındaki nitrojen dioksit miktarının kwh başına yakıt tüketimi için 56 mg’ı geçmemesi gerektiğini açıkladı. Bu konuyla ilgili olarak Büyük Londra Otoritesi (GLA), gazlı ısıtma sistemleri için izin verilen maksimum NOx emisyon limitinin 40 mg/kWh olarak beyan edildiği kurallar oluşturmuştur. Almanya ve Danimarka gibi ülkelerdeki uygulama alanlarındaki başarılı projelerin ardından, NOx ve karbon monoksit limitlerine ilişkin çevresel gereklilikler, ilgili tüm ülkeleri (İran dahil) 2020 yılına kadar kirlilik durumunu iyileştirmeye zorlayan bir anlaşma olan Paris Antlaşması’nda (veya 2020 Antlaşması) bir yasa haline geldi. İran’daki önemli sıcak su ve buhar kazanı üreticilerinden biri olan Packman Company, NOx küresel gerekliliklerine uygun olarak NOx etkilerini iyileştirmek için bir adım atmaya çalışmaktadır.

NOx emisyonunun azaltılması

NOx, otomobil, pişirme, ısıtma sistemleri gibi farklı endüstriler tarafından yayılmaktadır. Gaz yakıtlı ısıtma sistemleri bu konuda %35’lik bir paya sahiptir. Doğal gazın yanmasından kaynaklanan NOx genellikle üç kaynaktan gelir: termal NOx, yakıt NOx ve hızlı NOx.

Şekil 1. Londra’daki NOx kaynakları

Termal NOx:

1200°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda nitrojen ve havanın oksidasyonu sonucu oluşur. Doğal gaz yakıt üretiminde en büyük payı alan bu NOx iki faktöre bağlıdır: yanma sıcaklığı ve nitrojen molekülünün bu sıcaklıkta kalma süresi. Alev sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, nitrojenin moleküler parçalanma olasılığı da o kadar yüksek olur ve daha fazla termal NOx üretilir.

Yakıt NOx:

yakıttaki nitrojenin yanma havasına yakın olması durumunda oluşur. Yakıt NOx’in payı doğal gazda yüksek değil ancak dizel gibi sıvı yakıtlarda ve kömür gibi katı yakıtlarda dikkat çekicidir.

NOx’u sor:

Yanmanın ilk aşamasında elde edilen bu NOx, atmosferdeki azotun havadaki oksijen radikalleri ile reaksiyona girmesi sonucu oluşur. Oksijen radikali, oksijen molekülünün eşleşmemiş elektronlara sahip iki oksijen atomuna ayrılmasıyla oluşur. Bu NOx’in miktarı diğer iki türe kıyasla önemli değildir. Bu noktalara göre, gaz yakıt için NOx emisyonu için önemli faktör termal NOx’tir. Fazla yanma havası miktarı, alev sıcaklığı ve brülör kafasında hava ve gaz karışımı olasılığı gibi parametreler gaz yakıt için termal NOx’i etkileyen en önemli faktörlerdir. Yanma sonucu oluşan NOx emisyon miktarı, eşdeğer oran cinsinden Şekil 2’de gösterilmiştir. Eşdeğer oran, gerçek yakıtın stokiyometrik yakıta oranının sonucudur ve 1’den büyük değerler gerçek yakıtın stokiyometrik yakıttan daha yüksek olduğu anlamına gelir ve yakıt zengini olarak adlandırılır. 1’den küçük değerler yakıtın fakir olduğunu gösterir

 

Şekil 2- Metan ve propan yanmasından kaynaklanan NOx’in eşdeğer oran cinsinden değeri

Yanma havasının yakıttan daha fazla olduğu ve yanmanın tek aşamalı olduğu genel koşullarda, eşdeğer oran 1’den küçüktür. Fazla yanma havası düşük ve sıfıra yakın olduğunda (Şekil 2’de gösterildiği gibi stokiyometrik eşdeğerlik noktası civarında), NOx emisyonu minimumdur. Bunun nedeni azot atomu ile reaksiyona girecek ekstra oksijen eksikliğidir. Artan hava fazlalığı ile NOx emisyon miktarı, grafiğin en yüksek noktasına ulaşana kadar kademeli olarak artar. Bundan sonra, artan fazla hava ile (%30’dan fazla) NOx azalır, bu da alev sıcaklığının düşmesinden kaynaklanır. Bu nedenle, yanmanın aşamalı olmadığı proseslerde, fazla havanın azaltılması yanma üzerinde önemli etkilere sahip olacaktır. Hava ve yakıt ön ısıtması NOx emisyonuna ve alev sıcaklığının yükselmesine neden olsa da, kazan bacasından ısının geri dönüşümüne, kazanın genel verimliliğinin artmasına ve karbonik kirliliğin azalmasına neden olur.

Şekil 3- Metan ve Propan için ön ısıtmanın NOx emisyonu üzerindeki etkileri

 

Resirkülasyon Yanma Ürünleri

Bu makalenin ana konusu olan bu yöntemde yanma bölgesine karbondioksit, nitrojen, buhar veya… gibi nötr gazlar ilave edilerek ortalama alev sıcaklığı ve dolayısıyla termal NOx azaltılacaktır. Nötr moleküllerin mükemmel kaynaklarından biri, yanma odasına göre daha düşük sıcaklığa sahip olan kazan bacasından geçen yanma ürünleridir. Yanma ürünlerinin %10’unu ekleyerek veya yeniden sirküle ederek alev sıcaklığını %7 oranında azaltmak mümkündür.

Şekil 4- FGR sistemi olmadan %20 fazla hava ile Metanın yanması

Devridaim sistemi Şekil 4’te şematik olarak gösterilmektedir. Başlangıçta yanma ürünlerinin devridaimi aktif değildir. %20 fazla havadaki metan yanma denklemi Denklem 1’de verilmiştir. Görüldüğü gibi, yanma sonucu oluşan ve yanma enerjisini emen toplam mol sayısı, bir mol metanın yanması için 12/424 mol’e eşittir. Bu, 1300 santigrat derece aralığında bir sıcaklığa neden olur. Bu sıcaklık, termal NOx oluşumunun ana nedenidir.

Denklem 1

devridaim %10’dur, aslında esas olarak nötr moller içeren yanma ürünlerinin %10’u brülör girişine aktarılacaktır. Bu transfer, kazan bacasından brülör üzerindeki FGR girişine bağlanan boru hattı ile yapılır. İletim yolunun termal olarak tamamen yalıtılması gerekir, böylece yoğuşma meydana gelmez. Brülör girişi ayrıca su buharı yanmasının olası yoğunlaşması için bir boşaltma portuna ihtiyaç duyar. İletim küçük kapasitelerde brülörün fanı tarafından yapılır. Merkezi kontrol sisteminin bir fonksiyonu olan ayrı fanlar, büyük kapasitelerde yanma ürünlerini brülöre doğru itmek için kullanılır. Yanma ürünleri de bir miktar oksijen içerir. Bu nedenle, yanma ürünlerinin belli bir yüzdesinin aktarılmasıyla brülöre giriş havası azaltılarak yanma işleminin %20 fazla hava ile tam olarak gözlemlenmesi sağlanır. Bu durumda reaksiyon denklemi değişecek ve bir mol metanın yanması için yanma sonucu ortaya çıkan mol sayısı 13/47 mol’e eşit olacaktır. Bu mol artışı, kazanın yanma odasındaki parçacıkların artması anlamına gelir. Metanın molü sabit olduğundan yanma odasındaki enerji değişmemiştir. Bu, önceki çevrim ısısının (FGR sistemi olmadan) 12/424 yerine 13/47 oranında dağıtıldığı anlamına gelir, bu da alev sıcaklığında %7-8’lik bir azalma anlamına gelir. Bu durum daha sonraki çevrimlerde de aynı şekilde tekrarlanabilir ve sistem kısa sürede bir kaç çevrimi geçtikten sonra dengeye ulaşır. Alev sıcaklığının düşürülmesi termal NOx’i büyük ölçüde azaltır. FGR çalışmasının başlangıç döngüsündeki yanma denklemi Denklem 2’de gösterilmektedir ve süreç Şekil 5’te şematik olarak gösterilmektedir.

 

Şekil 5- Metanın %20 fazla hava ve %10 baca gazı devridaiminde yanması

Denklem 2

Resirkülasyon için uygulanabilir yüzde, brülör tipine ve kafa karıştırma gücüne bağlıdır.

Şekil 6’daki diyagram, NOx azaltımını NOx cinsinden göstermektedir. devridaim yüzdesi. Görüldüğü üzere bu yöntem NOx’i %50 oranında azaltabilmektedir. Genellikle brülör imalatçılarına %20 oranında deneme yapılması tavsiye edilir.

NOx azaltımı amaçlı devridaim bu değeri aşarsa brülör alevi çok hacimli hale gelir ve kazan yanma odasındaki ısı transfer seviyelerini olumsuz etkiler. Bu durumda kullanıcının kapasiteyi düşürmesi gerekir.

 

Şekil 6- resirkülasyon yüzdesi açısından NOx azaltımı

 

FGR kurulum koşulları

Kazanın iki veya daha fazla brülörü varsa, her brülörün ayrı FGR portu olacaktır. Yönetim sistemi, alevin genel NOx’ini azaltmak amacıyla her birinin devridaim miktarını ayrı ayrı ayarlar. Alev sıcaklığı daha düşük olduğundan devridaimin verim üzerinde önemsiz olumsuz etkileri vardır ve bu da ısıl kapasiteyi bir miktar azaltacaktır. Bu azalmayı telafi edecek genel çözüm, ısı transfer yollarındaki karışımın arttırılmasıdır. Bir diğer olumsuz etki ise brülörün gerçek fiyatıdır. FGR sisteminin kurulması, brülörün toplam fiili fiyatının yaklaşık %20’sine mal olacaktır. Bu maliyete borular, sensör, brülör portuna bağlı modüler motor vb. dahildir.
Düşük kapasitede kw başına yakıt tüketimi için bu maliyet daha fazla olacaktır. ABD Çevre Koruma Ajansı’nın raporuna göre, NOx azaltım yöntemleri arasında 500 kW’ın üzerinde kapasiteye sahip brülörler için en ekonomik yöntem FGR’dir.
Amerika ve Avrupa Birliği’ndeki tesisler alanında çalışan araştırmacılarla senkronize olan bu raporda açıklanan tüm işlemler Packman’da kurulmakta olup 1700kw üzeri kapasiteye sahip brülörler için pratik olarak uygulanabilir. Şekil 7’de 10Mw ve 5Mw kapasiteli iki brülörde FGR uygulamasının bir örneği gösterilmektedir.
Isıtma ve buhar sistemlerinden kaynaklanan NOx’in ülke kirliliğinin %35’ini oluşturan %50 oranında azaltılmasıyla çevre sağlığının korunması ve gelecek nesiller için korunması yönünde güçlü ve etkili bir adım atılması umulmaktadır.

Sonuç olarak FGR’nin NOx emisyonlarının azaltılmasında önemli bir etkisi vardır. Şekillere ve diyagramlara göre bu sistem NOx’i %50’ye kadar azaltabilmektedir. Devridaim için geçerli yüzdenin brülör tipine ve kafanın karıştırma gücüne bağlı olduğuna dikkat edilmelidir. Endüstrinin tavsiyelerine göre deneylerin %20 oranında yapılması üreticilere tavsiye edilmektedir çünkü bu değerin aşılması olumsuz etkilere neden olacaktır. Bu nedenle, kazanın sürekli çalışması için NOx azaltımı ile brülör kapasitesi arasında bir dengenin korunması çok önemlidir.
Verimliliğin nasıl artırılacağı ve gezegenin nasıl korunacağı konusunda üreticileri bilgilendirmek için bu alanda daha fazla bilimsel araştırmaya ihtiyaç var.

Yazarlar: Brülör Fabrikası Araştırma Departmanı, Packman Şirketi, Vahid Azizi tarafından yönetilmektedir

Referans:

1. Economic cost of the health impact of air pollution in Europe – accessed 9 November 2016.
2. Nitric oxide: Toxicity – accessed 9 November 2016.
3. Commission Regulation (EU) No 814/2013 of 2 August 2013 implementing Directive 2009/125/EC on ecodesign requirements for water heaters and hot water storage.
4. Sustainable design and construction, Greater London Authority, 2014.
5. Implementation of Clean Air Zones in England – accessed 9 November 2016.
6. City of London Air Quality Strategy 2015 – 2020, City of London Corporation.
7. Hazelhurst J, Tolley’s Industrial and Commercial Gas Installation Practice – Gas Service Technology Volume 3, Taylor & Francis, 2012.