“NOx” terimi birçok makalede yer almış olabilir, ancak birçok kişi bunun ne olduğunu tam olarak bilmiyor olabilir. NOx (azot oksitleri), doğal gaz veya dizel gibi fosil yakıtların yanması sırasında ortaya çıkan zararlı bir kirleticidir. Bu kirletici, gezegen ve canlılar üzerinde çok yıkıcı etkilere sahiptir. Azot oksitleri, mg/kW veya ppm cinsinden ölçülür. Bilim insanları ve mühendisler, bu kirleticinin emisyonunu azaltmak için Baca Gazı Geri Dolaşımı (FGR) yöntemini önermektedir. Bu yazıda bu konu daha ayrıntılı bir şekilde açıklanacaktır.
NOx’in Anlaşılması ve Çevre Üzerindeki Etkileri
Azot oksitleri, fosil yakıtların (doğal gaz veya dizel gibi) yanma sürecinde ortaya çıkan azot oksitleri (NO ve NO2) anlamına gelir. Bu kirletici, mg/kWh veya ppm cinsinden ifade edilir ve yanma sonucu ortaya çıkan Azot oksitler, kazan bacası aracılığıyla çevreye salınır. NOx’in küresel ısınma, asit yağmurları, hastalıklar ve ozon tabakasının incelmesi üzerinde çok zararlı etkileri vardır. “Baca Gazı Geri Dolaşımı” (FGR), yanma ürünlerinin yeni bir yanma döngüsüne geri kazandırılması anlamına gelir ve Azot oksitleri azaltma amacı taşır. Bu sürecin bilimsel ve pratik etkileri bu yazıda açıklanmış ve uygulanabilir çözümler sunulmuştur.
Azot Oksitleri Kirliliğinin Maliyeti ve Düzenleyici Önlemler
Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından 2015 yılında yapılan çalışmalara göre, kirlilikten kaynaklanan hastalıklar ve ölümler nedeniyle Avrupa Birliği’nde yıllık maliyetin 1,6 trilyon dolar olduğu tahmin edilmiştir. NOx, karbon monoksit ile birlikte bu çevresel ve sağlık sorunlarında önemli bir rol oynamaktadır. Avrupa ülkelerinde çevre standartlarının üçüncü dünya ülkelerine göre daha sıkı olmasına rağmen, NOx hâlâ büyük bir sorun teşkil etmektedir.
26 Eylül 2018 tarihinde Avrupa Birliği, bu kirleticinin zararlı etkileri nedeniyle su ısıtıcılarında azot dioksit miktarının tüketilen yakıt başına kWh başına 56 mg’ı geçmemesi gerektiğini açıkladı. Buna paralel olarak, Londra Büyükşehir İdaresi (GLA), gazla ısınma sistemleri için maksimum izin verilen Azot oksitler emisyon limitini kWh başına 40 mg olarak belirledi. Almanya ve Danimarka gibi ülkelerdeki başarılı uygulama projelerinin ardından, Azot oksitler ve karbon monoksit sınırları ile ilgili çevresel gereksinimler Paris Anlaşması’nda (veya 2020 Anlaşması) bir yasa hâline geldi. Bu anlaşma, 2020 yılına kadar dahil olan tüm ülkelerin (İran dâhil) kirlilik durumunu iyileştirmesini zorunlu kılmaktadır.
Azot oksitler emisyonunun azaltılması
İran’ın önde gelen sıcak su ve buhar kazanı üreticilerinden biri olan Packman Şirketi, ürünlerini küresel Azot oksitleri azaltma standartlarına uygun hale getirmek için çalışmalar yapmaktadır. İleri teknoloji entegrasyonu ve çevresel sorumluluk bilinciyle hareket eden şirket, uluslararası düzenlemelere uygun olarak NOx emisyonlarının zararlı etkilerini en aza indirmeyi amaçlamaktadır.
Bu yazıda, Azot oksitleri emisyonlarını azaltmak ve küresel çevre standartlarına uymak isteyen üreticiler ve sanayiler için uygulanabilir çözümler daha ayrıntılı bir şekilde ele alınacaktır.
Termal NOx:
1200°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda, havadaki azotun oksitlenmesi sonucu oluşur. Doğal gaz yakıtlı sistemlerde en büyük paya sahip olan bu NOx, iki faktöre bağlıdır: yanma sıcaklığı ve azot molekülünün bu sıcaklıkta kaldığı süre. Alev sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, azot moleküllerinin parçalanma olasılığı o kadar artar ve daha fazla termal NOx oluşur.
Yakıt NOx:
Yakıt içindeki azotun, yanma havasıyla bir araya geldiğinde oluşur. Doğal gazda yakıt NOx payı çok yüksek olmasa da, dizel gibi sıvı yakıtlarda ve kömür gibi katı yakıtlarda önemli bir paya sahiptir.
Hızlı (Prompt) NOx:
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 miktarı diğer iki türe kıyasla önemli değildir. Bu noktalara göre, gaz yakıt için Azot oksitler 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
Yanma sonucu oluşan Azot oksitleri emisyonu, eşdeğer oranı açısından Şekil 2’de gösterilmiştir. eşdeğer oranı, gerçek yakıtın stokiyometrik yakıta oranının sonucudur ve 1’den büyük değerler, gerçek yakıtın stokiyometrik yakıttan fazla olduğunu, yani yakıtın zengin olduğunu ifade eder. 1’den küçük değerler ise yakıtın fakir olduğunu gösterir. Genel olarak, yanma havasının yakıttan fazla olduğu ve yanmanın tek kademeli olduğu koşullarda denklik oranı 1’den küçüktür. Yanma fazlası havanın düşük olduğu ve sıfıra yaklaştığı durumda (stokiyometrik denklik noktasına yakın, Şekil 2’de görüldüğü gibi), Azot oksitler emisyonu minimum seviyededir. Bunun sebebi, azot atomu ile reaksiyona girecek ekstra oksijenin bulunmamasıdır. Fazla hava arttıkça, Azot oksitleri emisyonu yavaşça artar ve grafikteki en yüksek noktaya ulaşır. Bu noktadan sonra, fazla hava %30’dan fazla olduğunda, Azot oksitleri azalmaya başlar, bu da alev sıcaklığının düşmesiyle ilgilidir. Bu nedenle, yanmanın kademelendirilmediği proseslerde, fazla havanın azaltılması yanma üzerinde önemli etkilere sahip olacaktır. Her ne kadar hava ve yakıtın ön ısıtılması NOx emisyonunu ve alev sıcaklığını artırsa da, bu durum kazan bacasından ısının geri kazanılmasını sağlar, kazanın genel verimini artırır ve karbonik kirliliği azaltır.
Resirkülasyon Yanma Ürünleri
Bu makalenin ana konusu olan bu yöntemde, yanma alanına karbondioksit, azot, buhar gibi nötr gazlar ekleyerek ortalama alev sıcaklığı ve dolayısıyla termal NOx miktarı azaltılmaktadır. Nötr moleküllerin mükemmel kaynaklarından biri, yanma odasına göre daha düşük sıcaklığa sahip olan kazan bacasından geçen yanma ürünleridir. Yanma ürünlerinin %10’unu ekleyerek veya dolaşımını sağlayarak alev sıcaklığını %7 oranında azaltmak mümkündür.
Şekil 4’te, resirkülasyon sistemi şematik olarak gösterilmektedir. Başlangıçta, yanma ürünlerinin geri akışı aktif değildir. %20 fazla hava ile metanın yanma denklemi, Denklemi 1’de belirtilmiştir. Görüldüğü gibi, yanma sonucu oluşan toplam mol sayısı, bir mol metanı yakmak için yanma enerjisini emen 12/424 mol olarak hesaplanmaktadır. Bu, yaklaşık 1300 derece Celsius aralığında bir sıcaklığa neden olur. Bu sıcaklık, termal NOx oluşumunun ana sebebidir.
Denklem 1
Eğer resirkülasyon %10 ise, aslında yanma ürünlerinin %10’u, çoğunlukla nötr mol içerir, yanıcıya girişe aktarılacaktır. Bu aktarım, kazan bacasından FGR girişine bağlanan bir boru hattı aracılığıyla yapılır. Aktarım yolu, üzerinde yoğunlaşma oluşmaması için tamamen ısı yalıtımı yapılmalıdır. Yanıcı girişinin, su buharının yoğunlaşması için bir boşaltma portuna da ihtiyacı vardır. Aktarım, küçük kapasitelerde yanıcı fanı tarafından gerçekleştirilir. Büyük kapasitelerde, yanma ürünlerini yanıcıya doğru itmek için merkezi kontrol sisteminin işlevi olan ayrı fanlar kullanılır. Yanma ürünlerinde ayrıca bir miktar oksijen bulunur. Bu nedenle, yanma ürünlerinin bir yüzdesinin aktarılmasıyla, yanıcıya gelen hava miktarı azaltılır; böylece yanma işlemi %20 fazla hava ile tam olarak gözlemlenir. Bu durumda, tepkime denklemi değişecek ve bir mol metanı yakmak için yanma sonucunda oluşan mol sayısı 13/47 mol olacaktır. Bu mol artışı, kazanların yanma odasındaki parçacıkların arttığı anlamına gelir. Yanma odasındaki enerji değişmemiştir, çünkü metan molü sabittir. Bu, önceki döngü ısısının (FGR sistemi olmadan) 12/424 yerine 13/47 olarak dağıtıldığı anlamına gelir; bu da alev sıcaklığında %7-8’lik bir azalma anlamına gelir. Bu işlem, aynı şekilde sonraki döngülerde tekrarlanabilir ve sistem kısa bir süre içinde bazı döngüler geçtikten sonra dengeye ulaşır. Alev sıcaklığının azaltılması, termal NOx’ı önemli ölçüde azaltır. FGR’nin çalışmaya başladığı ilk döngüdeki yanma denklemi Denklem 2’de belirtilmiş ve süreç Şekil 5’te şematik olarak gösterilmiştir.
Denklem 2
Resirkülasyon için uygulanabilir yüzde, brülör tipine ve kafa karıştırma gücüne bağlıdır.
Şekil 6’daki diyagram, resirkülasyon yüzdesine göre NOx azaltımını göstermektedir. Gözlemlendiği gibi, bu yöntem NOx’ı %50 oranında azaltabilir. Genel olarak, brülör üreticilerine %20’ye kadar deney yapmaları önerilmektedir.
Eğer NOx azaltımı amacıyla geri akış bu değeri aşarsa, brülör alevi çok hacimli hale gelir ve bu durum, kazan yanma odasındaki ısı transfer seviyeleri üzerinde olumsuz etkilere yol açar. Bu durumda, kullanıcının kapasiteyi azaltması gerekir.
FGR kurulum koşullari
Eğer kazan iki veya daha fazla brülöre sahipse, her brülörün ayrı bir FGR portu olacaktır. Yönetim sistemi, genel NOx’ı azaltma amacıyla her brülörün geri akış miktarını ayrı ayrı ayarlar. Geri akışın verimlilik üzerinde önemsiz negatif etkileri vardır, çünkü alev sıcaklığı düşer ve bu da termal kapasiteyi biraz azaltır. Bu azalmayı telafi etmenin genel çözümü, ısı transfer yollarında karışımı artırmaktır. Bir diğer negatif etki ise brülörün gerçek fiyatıdır.
FGR sisteminin kurulumu, brülörün toplam gerçek fiyatının yaklaşık %20’sini oluşturacaktır. Bu maliyet, borulama, sensör, brülör portuna bağlı modüler motor gibi kalemleri içerir. Düşük kapasitelerde, yakıt tüketimi başına maliyet daha fazla olacaktır. ABD Çevre Koruma Ajansı’nın raporuna göre, tüm NOx azaltma yöntemleri arasında, FGR, 500 kW üzerinde kapasiteleri olan brülörler için en ekonomik yöntemdir. Bu raporda belirtilen tüm işlemler, Amerikan ve Avrupa Birliği’ndeki tesisler alanındaki araştırmacılarla uyumlu olarak Packman’da kurulmuş olup, 1700 kW üzerindeki kapasiteler için pratik olarak uygulanabilir. Şekil 7, 10 MW ve 5 MW kapasitelerine sahip iki brülörde FGR uygulamasına bir örnek göstermektedir. Umulur ki, ısınma ve buhar sistemlerinden kaynaklanan NOx’ı %50 oranında azaltarak çevresel sağlığın korunması ve gelecek nesiller için korunmasına yönelik güçlü ve etkili bir adım atılabilir; bu sistemler ülkenin kirliliğinin %35’ini içermektedir.
Etkili Azot oksitlerinin Kontrolu ve Azaltma Stratejileri
Azot oksitler emisyonları, özellikle sanayi ve enerji üretim talepleri dünya genelinde artmaya devam ettikçe önemli bir çevresel ve sağlık sorunu teşkil etmektedir. NOx emisyonlarını kontrol etme ve azaltma teknolojileri evrilmiş olup, hem NOx oluşumunu önlemeye hem de yanma sonrası bu gazı gidermeye yönelik bir dizi strateji bulunmaktadır.
Anahtar stratejiler arasında, yanma ürünü resirkülasyonu, yakıt değiştirme, fazla hava kontrolü ve alevsiz yanma gibi yöntemler, yanma süreci sırasında NOx oluşumunu yönetmek için etkili yollar sunmaktadır. Yanma sonrası işlemler olan Seçici Katalitik İndirim (SCR), su enjeksiyonu ve aşamalı yanma ise emisyon kontrol yeteneklerini daha da artırmaktadır.
NOx oluşumunun temel mekanizmalarını anlayarak, endüstriler bu teknolojilerin en etkili kombinasyonunu uygulayarak çevresel düzenlemelere uyum sağlayabilir ve çevre üzerindeki etkilerini azaltabilir
Referans:
- Economic cost of the health impact of air pollution in Europe – accessed 9 November 2016.
- Nitric oxide: Toxicity – accessed 9 November 2016.
- 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.
- Sustainable design and construction, Greater London Authority, 2014.
- Implementation of Clean Air Zones in England – accessed 9 November 2016.
- City of London Air Quality Strategy 2015 – 2020, City of London Corporation.
- Hazelhurst J, Tolley’s Industrial and Commercial Gas Installation Practice – Gas Service Technology Volume 3, Taylor & Francis, 2012.