Nox Azaltma Yöntemleri

Son yüzyılda NOx adı verilen azot oksit emisyonları sürekli artıyor. Azot oksitlerin toplum sağlığı ve çevre üzerindeki yıkıcı etkilerinden dolayı, sanayileşmiş ülkelerde farklı yanma kaynaklarından kaynaklanan emisyonlar değerlendirilmiştir. NOx’i kontrol etmek ve yanma kaynaklarından kaynaklanan emisyonları azaltmak için çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir. Bu teknolojilerin gelişimi Azot oksitlere karşı kimyasal reaksiyonların anlaşılmasına bağlıdır. NOX oluşum reaksiyonlarıyla ilgili ana parametreler yanma sıcaklığı, oksitleyici konsantrasyonu ve yüksek sıcaklıktaki yanma bölgesinde bulunma süresidir. Bu parametrelerdeki herhangi bir değişiklik NOx’i artıracak veya azaltacaktır. Ayrıca şu sonuçlar da elde edilebilir: su veya buhar enjeksiyonu yoluyla yanma sıcaklığının düşürülmesi, geometrinin optimize edilmesi ve baca gazlarının yeniden sirküle edilmesi.

Azot, etrafımızdaki havanın yaklaşık %79’unu oluşturan nispeten inert bir diyatomik moleküler gazdır. Bununla birlikte, tek bir atom olarak Azot çok reaktif olabilir ve bir ila beş arasında iyonlaşma seviyelerine sahip olabilir. Bu nedenle, bu atom birkaç farklı oksit oluşturabilir. NOx ailesi bileşikleri ve öne çıkan bazı özellikleri aşağıdaki tabloda toplanmıştır.

Formula	Name	Nitrogen Valence	Properties
N2O5	dinitrogen pentoxide	5	white solid very water soluble decomposes in water
N2O4 NO2	dinitrogen tetroxide nitrogen dioxide	4	red-brown gas very water soluble decomposes in water
N2O3	dinitrogen trioxide	3	black solid water-soluble decomposes in water
N2O2 NO	dinitrogen dioxide nitric oxide	2	colorless gas slightly water soluble
N2O	nitrous oxide	1	colorless gas water-soluble

Yanmadan kaynaklanan NOx emisyonu öncelikle NO formundadır. Zeldovich denklemlerine göre, NO 1300 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda havada mevcut oksijen sınırına kadar üretilir. 760 °C’nin altında NO çok daha düşük konsantrasyonlarda üretilir veya hiç üretilmez. Yanma prosesinde NO, hava-yakıt oranının bir fonksiyonu olarak üretilir. Zeldovich denklemleri aşağıdaki gibidir:

N + O → NO + N

N + O₂ → NO + O

N + OH → NO + H

Yukarıda belirtildiği gibi, 1300 °C’nin çok altında sıcaklıklara sahip yanma süreçleri çok daha az miktarda “termal NOx” yayar. Termal NOx azot ve oksijen konsantrasyonu ve yanma sıcaklığı tarafından kontrol edilir. NOx’in bir başka şekli de kömür gibi Nitrojen içeren yakıtlardan yayılan “yakıt NOx “tir. “Hızlı NOx”, havadaki moleküler Azotun yakıtla birleşmesi sonucu, tüm yanmalarda bir dereceye kadar var olan yakıt açısından zengin koşullarda oluşur. Bu Azot daha sonra yakıtla birlikte oksitlenir ve tıpkı yakıt NOx’i gibi yanma sırasında NOx’e dönüşür.

NOx’i kontrol edebilen ve azaltabilen teknoloji nispeten karmaşıktır. Bu bölümde kullanılan yöntemleri tanıtarak NOx azaltma ve kontrol yöntemlerinin yapısını oluşturmaya çalışıyoruz. Daha sonra kirliliğin azaltılması ve emisyonun kontrol altına alınması için daha etkili stratejiler anlatılacaktır.

Hemen hemen tüm yanma kaynaklarının baca gazında NOx gibi büyük miktarlarda kirlilik bulunmaktadır. Yanma işleminde NOx emisyon oranını ortadan kaldırmak veya azaltmak için tüm azaltma stratejileri şu yedi yöntemden birine dayanmaktadır:

1. Yanma sıcaklığını düşürme
2. Kalma süresini azaltma
3. Azot giderme
4. NOx’in kimyasal olarak azaltılması
5. NOx’in oksidasyonu
6. Sorpsiyon yapma
7. Yukarıdaki yöntemlerin kombinasyonu

Kirliliği, özellikle NOx’i yok etmek veya ortadan kaldırmak için iyi bilinen ve etkili azaltma ve kontrol teknolojilerinden bazıları aşağıdaki gibidir:

1. yanma ürünü resirkülasyonu

yanma ürünü resirkülasyonu (CPR), yanma ürünlerini (POC’ler) alev oluşum bölgesine geri döndüren bir işlemdir. İlk bakışta, NOx Emisyonunun sıcaklıkla doğrudan ilişkisi nedeniyle CPR işleminin NOx’i artıracağı görülmektedir.
Baca gazı sıcaklığının alev sıcaklığından çok daha düşük olduğu, dolayısıyla CPR’nin NOx üretimini azaltacağı dikkat çekmektedir. Alev sıcaklığına göre NOx oluşum diyagramı aşağıda gösterilmiştir.

Brülörün tasarlanmış geometrisinin aerodinamik açıdan optimize edilmesi, yüksek yakıt ve hava karışım oranına ulaşmak için gereklidir. Amaç sıcak noktaların oluşumunu engellemek ve alevde homojen bir sıcaklık oluşturmaktır, böylece düşük alev sıcaklığında açığa çıkan ısı artarken NOx üretim hızı da azalacaktır. Yanma ürünlerinin alev oluşum bölgesine devridaimine ilişkin standart yöntemler Fırın Gazı Devridaimi (FuGR) ve oda yığınından Baca Gazı Devridaimidir (FGR). FGR yönteminde, şekle göre, yanma ürünlerinin ürünleri bacadan brülöre yeniden sirküle edilir.

Bu süreçte POC’leri fırın veya yakıcı içerisinde sirküle edebilecek bir fan veya cihaza ihtiyaç vardır. Brülör, POC’lerin geri dönüşü nedeniyle aşırı akışı ve sıcak gazların geri dönüşü nedeniyle yanma prosesinde reaktanların sıcaklığının artmasını kontrol edecek şekilde tasarlanmalıdır.

FGR yönteminde POC’leri bacadan brülöre çıkarmak için ilave bir fana ihtiyaç vardır. Egzoz gazı sıcaklığı yeterince düşükse, brülör fanı yanma havasını ve bacadaki sıcak egzoz gazlarının akışını brülöre yönlendirebilir. Bu yöntem genellikle egzoz gazı sıcaklığının çok daha düşük olduğu buhar kazanı brülörlerinde kullanılır. FGR yönteminin dezavantajlarından biri, bacadan çıkan sıcak gaz akışının geçiş yollarının yalıtılması ihtiyacıdır, bu da brülörün boyutlarında bir artışa yol açar. Brülörün iç bileşenleri aynı zamanda devridaim yapılan baca gazının yüksek sıcaklığına da dayanabilmelidir.

Fırınlarda yapılan bir işlem olan FuGR yönteminde, fırın içindeki POC’ler brülöre geri gönderilir. Geri dönen gazlar alev sıcaklığını dengeler. Bu süreç aşağıda gösterilmiştir.

Başka bir yöntemde, fırından gelen POC’ler yanma brülör kafasında oluşturulan yola geri gönderilecek ve brülöre giren hava ile birleşerek alevin sıcaklığını düşürecektir.

2. Yakıt Değişimi

Yakıt değişimi kirliliği azaltmanın en kolay yollarından biridir. Örneğin nitrojen bileşikleri içeren hafif veya ağır yağların yanması yakıt NOx’inin artmasına neden olur. Doğal gaz (NG) genellikle ya hiç nitrojen molekülü içermez ya da daha az miktarda nitrojen molekülü içerir. Hafif/ağır yağın kısmen veya tamamen NG ile değiştirilmesi (sıvı yakıt kullanmak için herhangi bir kuvvet gerekmiyorsa) NOx emisyonunu önemli ölçüde azaltabilir.

3. Oksitleyici Değişimi

Hava en yaygın oksitleyicidir. Hava yerine saf oksijen kullanılarak NOx azaltımında önemli sonuçlar elde edilebilir. Örneğin, metan (CH4) yanmasında, hacimsel ölçekte %79 azot içeren hava oksijen ile değiştirilirse, NOx üretecek azot molekülleri olmadığından NOx emisyonu prosesten tamamen çıkarılabilir.

Genellikle NOx, prosesteki Azot miktarı azaltılarak düşürülür. Bununla birlikte, hava yerine yüksek saflıkta oksijen kullanmanın yüksek ekstraksiyon maliyeti gibi sorunları vardır, ancak gelecekte oksijeni havadan ayırmak için ucuz yöntemlerin azaltılmasıyla, bu yöntemi endüstrilerde yaygınlaştırmak mümkündür.

4. Fazla Hava Yüzdesi (%EA)

Stokiyometrik koşullar (Yakıt Zengin Bölge) öncesinde fazla hava miktarının arttırılması NOx emisyon oranını arttırmaktadır. Fazla hava yüzdesinin daha da artmasıyla NOx emisyon oranı azalacaktır. Yakıt açısından zengin bölgede NOx’in artmasının ve daha yüksek EA seviyesinde azalmasının iki nedeni vardır. Bunlardan ilki, yani hava fazlalığının düşük düzeyde olması halinde NOx’in artmasının nedeni, kimyasal reaksiyonlarda oksijenle reaksiyonun öncelikli olmasıdır. Yüksek alev sıcaklığı, düşük EA seviyelerine yakın (stokiyometrik koşullara yakın) NOx artışının ikinci nedenidir. Mevcut oksijen ve yüksek sıcaklığın birleşimi termal NOx’te artışa yol açar.

5. Alevsiz Yanma

Alevsiz yakma, yakma sistemlerinde yüksek termal verimliliği korurken sera gazı emisyonlarını azaltmak için geliştirilmiştir. Bu yanma türünün öne çıkan özellikleri; kirleticilerin azaltılması, alev sıcaklığının homojen dağılımı, gürültü kirliliğinin azaltılması ve ısıl gerilim azaltılmasıdır.
Alevsiz yanma çıplak gözle görülemez. Yanma odası duvarındaki yüksek sıcaklık ve buradan gelen yüksek radyasyon göz yorgunluğuna neden olur ve alevi göremezsiniz.

6. kademelendirme

Kademeli yanma, NOx’i azaltmanın etkili bir yoludur. Bu yanma türünde yakıt, oksitleyici madde veya her ikisi de yanma öncesindeki birincil aşamaya eklenir. Örneğin, toplam giriş yakıtının bir kısmı olarak birincil ve ikincil kademelerdeki yakıt miktarının alev oluşum bölgesine enjekte edilmesi ve alev varlığında kimyasal bir denge oluşturulması mümkündür. Bu yöntemdeki genel stokiyometrik koşullar, geleneksel bir yakıcıyla aynıdır. Yakıt kademelendirme modunda alevin tepe sıcaklığı normal moddan çok daha düşüktür çünkü yanma süreci ayrı ayrı gerçekleşirken ısı alevden eş zamanlı ve sürekli olarak yayılır. Yakıt kademelendirmesindeki düşük tepe sıcaklığı, NOx emisyonlarının azaltılmasına yardımcı olur. Yakıt kademelendirmesi NOx’i azaltmanın uygun maliyetli yollarından biridir.

 

7. Su Enjeksiyonu

NOx azaltma yöntemlerinde önemli noktalardan biri de yanma veriminin düşmesini engellemektir. Alev içine su enjeksiyonu NOx azaltma yollarından biridir. Bu durumda su, alevin ısısını emer ve yanmadan kaynaklanan enerjinin bir kısmını yanma ürünleri ile birlikte bacadan haznenin dışına yönlendirir. Bu yöntem yanma verimliliğini azaltacaktır. Bir başka fikir de buhar kullanmaktır. Buhar kullanmanın sıvı suya kıyasla birçok avantajı vardır. Buhar sıcaklığı sıvı sudan çok daha yüksektir ve suyu buhara dönüştürmek için gerekli olan buharlaşmanın gizli ısısıni da içerir. Yanma prosesine su enjekte edildiğinde, prosese büyük bir termal yük getirebilir çünkü sıvı su, yüksek buharlaşmanın gizli ısısı nedeniyle buharlaşmadan önce büyük miktarda enerji emebilir. Su buharı kullanıldığında termal verim, suya göre daha az enerji emdiği için sıvı suya göre daha fazladır ve bunun sonucunda ısıl verim, sıvı suya göre daha fazla düşmez. Sıvı su kullanılması halinde suyun yanma gazları içinde eşit olarak yayılması için bir nozüle ihtiyaç vardır. Su buharı kullanılıyorsa nozüle gerek yoktur ve buhar yanma gazlarına kolayca karışır, bu nedenle su buharının yanma ürünlerine karıştırılması çok daha kolaydır. Su enjeksiyonunun bir diğer avantajı da su akış hızının kolayca ayarlanabilmesidir.