Yanma Nedir? Temel Kavramlar ve Süreçlere Genel Bakış

Mart 12, 2025

İçindekiler

Yanma, günlük yaşam ve endüstriler için gerekli enerjinin temel kaynaklarından biridir. Temel ilkelerinin anlaşılması, yanma süreçlerinin etkin şekilde optimize edilmesi ve kontrolü açısından kritik öneme sahiptir. Bu sürecin temelini oluşturan kimya, yanma kavramlarının altyapısını oluşturur. Dolayısıyla, aşağıda ele alınan temel kimya prensiplerinin incelenmesi ve vurgulanması, yanma sürecinin daha iyi anlaşılmasını sağlar.

Yanma Süreci

Bu süreç, oksitlenme kapasitesine sahip yakıt karışımındaki bileşenlerin oksitlenmesiyle gerçekleşen bir süreçtir ve kimyasal bir denklemle ifade edilebilir. Bu süreçte, her elementin kütlesi sabit kalır; dolayısıyla, kütlenin korunumu yasası tüm reaksiyonlar için geçerlidir. Denklem 1’e göre, en basit reaksiyon türü, karbon ile oksijen arasında gerçekleşen reaksiyondur.

Denklem 1

C + O₂ → CO₂

Denklem 1, 12 kg (bir kilomol) karbonun, 32 kg (bir kilomol) oksijenle reaksiyona girerek 44 kg (bir kilomol) karbondioksit oluşturduğunu gösterir. Yanma reaksiyonuna katılan maddelere reaksiyon maddesi, yanma süreciyle elde edilen ürünlere ise ürün denir. Bir reaksiyonunun genel formu Denklem 2’de verilmiştir.

Denklem 2

Yakıt + Oksitleyici → Su Buharı + Karbon Dioksit + Azot + Enerji

bu reaksiyonlarda, su buharı ve karbon dioksit ana ürünlerdir. Ürünler, sıcaklık ve basınca bağlı olarak su, sıvı veya buhar şeklinde görünebilir. Çoğu durumda, oksitleyici olarak saf oksijen yerine belirli bir miktar hava kullanılır. Havanın bileşimi, molar bazda, %21 oksijen, %78 azot, %1 argon ve diğer gazlardan oluşur. Yanma hesaplamalarında genellikle argon ve diğer gazlar göz ardı edilir ve hava, molar bazda %21 oksijen ve %79 azot içeriyor kabul edilir. Bu varsayımla, havadaki her bir mol oksijen için 3,76 mol azot bulunur.

Temiz yakıtlarla ilgili kapsamlı bir açıklama, “Temiz Yanma” başlıklı bir makalede sunulmuştur. Daha fazla bilgi için bu makalenin okunması önerilir.

Yanma reaksiyonunun şematiği | raadman — Yanma reaksiyonu

Teorik Hava ve Fazla Hava

Yakıtın tam yanması için gerekli olan minimum hava miktarı, teorik (veya stokiyometrik) hava olarak adlandırılır. Bu miktarda hava ile yapılan bir reaksiyonda, ürünler tarafında hiç oksijen kalmaz ve reaksiyon Denklem 3’te gösterildiği gibi ifade edilebilir.

Denklem 3

$\displaystyle C_x H_y + v_{O_2} (O_2 + 3.76N_2) \rightarrow v_{CO_2} CO_2 + v_{H_2O} H_2O + v_{N_2} N_2$

Denklem 3’teki stokiyometrik katsayılar, kütle dengesi ilkeleri kullanılarak belirlenebilir. Bu katsayılar, Tablo 1’de listelenmiştir.

$\Large % تغییر سایز به بزرگ‌تر \renewcommand{\arraystretch}{2} % افزایش فاصله‌ی عمودی برای وسط‌چین شدن متن \begin{array}{|c|c|} \hline \multicolumn{1}{|c|}{x + \frac{y}{4}} & \multicolumn{1}{c|}{v_{O_2}} \\ % وسط‌چین \hline \multicolumn{1}{|c|}{x} & \multicolumn{1}{c|}{v_{CO_2}} \\ % وسط‌چین \hline \multicolumn{1}{|c|}{\frac{y}{2}} & \multicolumn{1}{c|}{v_{H_2O}} \\ % وسط‌چین \hline \multicolumn{1}{|c|}{3.76\left(x + \frac{y}{4}\right)} & \multicolumn{1}{c|}{v_{N_2}} \\ % وسط‌چین \hline \end{array}$

Tablo 1: Yanma Reaksiyonunun Stökiyometrik Katsayıları

Bu nedenle, Denklem 3’te belirtilen kimyasal formüle sahip bir mol hidrokarbon yakıtının tam yanması için (x + y/4) × 4.76 mol hava gereklidir. Bu miktar hava, %100 teorik hava ile eşdeğerdir. Ancak pratikte, tam yanma, sağlanan hava miktarının teorik hava gereksiniminden biraz daha fazla olduğu durumlarda gerçekleşir. Bu süreç için gerekli fazla hava miktarını belirlemek amacıyla, AF ve λ parametreleri tanımlanır. AF parametresi, hava-yakıt oranını temsil eder ve sırasıyla kütle ve mol bazında Denklem 4 ve Denklem 5’te gösterildiği gibi tanımlanır.

Denklem 4

$AF_{mass} = \frac{m_{air}}{m_{fuel}}$

Denklem 5

$AF_{mole} = \frac{n_{air}}{n_{fuel}}$

Eşdeğerlik oranı (ϕ), Denklem 6’da teorik hava-yakıt oranının gerçek hava-yakıt oranına bölümü olarak tanımlanır.

Denklem 6

$\phi = \frac{AF_s}{AF_a}$

Eğer ϕ < 1 ise, karışım yakıt açısından fakir olup, yanma fazla hava içeriyor olarak kabul edilir. Eğer ϕ > 1 ise, karışım yakıt açısından zengin olarak kabul edilir. Kullanılan gerçek hava miktarı, fazla hava yüzdesi (λ) cinsinden Denklem 7’de gösterildiği gibi ifade edilebilir.

Denklem 7

$\displaystyle \lambda = \left(\frac{1}{\phi} - 1\right) \times 100 = \left(\frac{AF_a}{AF_s} - 1\right) \times 100$

Alt simge “s”, parametrenin stokiyometrik durumdaki değerini belirtir. %20 fazla hava kullanım (%λ = 20), endüstriyel yanma süreçlerinde yaygın bir uygulamadır.

Yanma Sonucunda Ortaya Çıkan Kirleticiler

Sanayide, tam yanma, sağlanan hava miktarının teorik hava gereksiniminden biraz daha fazla olduğu durumlarda gerçekleşir. Eksik yanmada ise çeşitli yan ürünler üretilir. Karbon monoksit ve NOx (azot oksitleri), Bu süreçın en önemli kirleticileridir. Fazla hava miktarının ayarlanmasıyla, bu kirleticilerin üretimi kontrol altına alınabilir. Aşağıdaki grafik, hava-yakıt oranına bağlı olarak karbon monoksit ve NOx üretiminin nasıl değiştiğini göstermektedir.

Fazla hava yüzdesine göre emisyon konsantrasyonu | raadman — Fazla hava yüzdesine göre emisyon konsantrasyonu diyagramı

NOx üretimi, stoikiometrik hava-yakıt oranına yakın bir değerde zirve yapar. Hava-yakıt oranı azaldıkça NOx üretimi düşerken, karbon monoksit emisyonları artar. Stoikiometrik havaya göre fazla hava miktarı arttığında, her iki kirletici de—karbon monoksit ve NOx—aynı anda azalır. Ancak, fazla hava oranı çok fazla arttığında, alev sıcaklığı düşerken, baca kayıpları artar. Bu iki durum birlikte, verimliliğini olumsuz etkiler. Bu nedenle, her sürecinde optimal bir fazla hava seviyesi dikkate alınmalıdır.

Azotla İlgili Kirlilik

Atmosferdeki azot oksitleri (NOx), sis, asidik yağmur, küresel ısınma ve ozon tabakasının incelmesi gibi çevresel sorunların oluşumuna önemli ölçüde katkı sağlar. Azot oksitlerinin ana üretim kaynağı, fosil yakıtların ocaklar ve içten yanmalı motorlarda yakılmasıdır. Başlıca azot oksit bileşenleri, azot monoksit (NO), azot dioksit (NO₂) ve azot oksit (N₂O) olarak sıralanabilir.

Yanma sırasında üretilen azot oksitleri | raadman — Azot oksitleri yanma sırasında

bu süreç sırasında azot oksitlerinin oluştuğu üç ana mekanizma vardır: termal NOx mekanizması, anlık NOx mekanizması ve yakıt NOx mekanizması.

Termal NOx, genellikle büyük miktarlarda azot ve oksijenin bulunduğu yüksek sıcaklıklarda oluşur. Bu koşullarda, azot molekülleri yüksek ısının etkisiyle parçalanır ve oksijenle reaksiyona girer. Bu tür NOx, özellikle endüstriyel ekipmanlarda, kazanlar, gaz türbinleri ve içten yanmalı motorlar gibi pek çok yanma sürecinde en yaygın olanıdır.

Hızlı Nox (Prompt Nox), bu süreç sırasında üretilen serbest radikallerin reaksiyonlarıyla oluşur. Bu reaksiyonlar genellikle yanmanın erken aşamalarında gerçekleşir ve hızla azot oksitlerine dönüşen dengesiz azot bileşenlerinin oluşmasına yol açar.

Yakıt NOx, yakıtın kimyasal yapısındaki azot bileşenleri bu süreç sırasında parçalandığında ve serbest kalan azot atomları oksijenle reaksiyona girdiğinde oluşur. Bu tür NOx, özellikle sıvı ve katı yakıtlarda, örneğin fuel oil ve kömür gibi yakıtlarda yaygın olarak üretilir. Üretilen yakıt NOx miktarı, yakıtın kimyasal bileşimi, yanma koşulları ve alev sıcaklığına bağlıdır.

Karbon Monoksit (CO) Kaynaklı Kirlilik

Karbon monoksit (CO), genellikle eksik yanma sonucu sınırlı sayıda yanma sürecinde oluşur. Renksiz, kokusuz, tatsız ve genellikle aşındırıcı olmayan bir gaz olan karbon monoksit, yanıcıdır ve karbon bazlı yakıtlar kullanan tüm yanma ürünlerinde bulunur. Denge durumunda, karbon monoksit Denklem 8’e göre oluşur.

Denklem 8

CO₂ → CO + 0.5O₂

Karbon monoksit yoğunluğu, sıcaklık ve fazla havaya bağlıdır. Yakıt açısından zengin bölgelerinde, yeterli oksijen olmadığı için karbon monoksit seviyesi artar. Karbon monoksit seviyesi yalnızca yeterli hava, yüksek sıcaklıklarda yakıtla karıştığında düşer. Düşük yakıtla yapılan yanmalarda, karbon monoksit havayla birleşerek karbondioksit molekülleri oluşturur.

Karbon monoksit, genellikle bir hidrokarbon yakıtının eksik yanması sonucu üretilir. Yakıt açısından fakir bir bölgede, ateşleme sistemi tam yanmayı sağlamak ve karbon monoksit emisyonlarını en aza indirmek için fazla oksijen kullanır. Aşağıdaki şekil, bir sürecindeki hava-yakıt oranını ve buna karşılık gelen karbon monoksit kirletici emisyonlarını gösteren bir grafik sunmaktadır. Bu grafikte yatay eksen, bu süreç sürecindeki hava-yakıt oranını temsil eder. Stoikiometrik hava-yakıt oranı bir olarak kabul edilir.

Karbon monoksit oluşum oranı diyagramı | raadman — Hava/yakıt oranına bağlı olarak karbon monoksit oluşum oranı diyagramı

Raadman brülörleri, hassas mühendislik tasarımlarıyla düşük fazla hava ile çalışabilme yeteneğine sahiptir; bu da verimliliği artırır, kirletici üretimini azaltır ve yakıt tüketimini optimize eder. Fazla hava miktarını hassas bir şekilde kontrol etmek için, AutoFlame gibi CO/O₂ Trim sensörleri kullanılabilir. Bu sistemler, egzoz gazlarındaki oksijen ve karbon monoksit seviyelerini sürekli olarak ölçer ve akıllı bir kontrol cihazının yardımıyla hava-yakıt oranını ayarlar.

Adyabatik Alev Sıcaklığı

Isı kayıpları olmadığında, bu süreç ürünlerinin sıcaklığı maksimum seviyeye ulaşır ve buna adyabatik alev sıcaklığı denir. Aşağıdaki şekil, üç farklı yakıt—hidrojen, metan ve propan—için adyabatik alev sıcaklığını eşdeğerlik oranına göre göstermektedir.

Eşdeğerlik oranına bağlı olarak adiabatik alev sıcaklığı — Üç belirli yakıt için eşdeğerlik oranına bağlı olarak adiabatik alev sıcaklığı

Yukarıdaki şekildaki yakıtlar için pik sıcaklık (maksimum sıcaklık), stoikiometrik koşullara yakın bir durumda gerçekleşir. Birçok gerçek alevde maksimum sıcaklık, fakir yakıt koşullarında meydana gelir. Bunun nedeni, eksik yanmanın engellenmesidir ve bu süreç için daha fazla oksijen gereklidir. Neredeyse tüm endüstriyel uygulamalar, düşük karbon monoksit seviyelerini sağlamak için fakir yakıt koşullarında çalışmaktadır. Bu nedenle, gerçek brülör tasarımına bağlı olarak, alev sıcaklığı pik sıcaklığa (ısı transferini maksimize etmek için optimal koşullar) yakın olabilir.

Yanma odasının dayanabileceği en yüksek sıcaklık, odanın malzemesine bağlıdır. Bu nedenle, adyabatik alev sıcaklığı, gaz türbinleri, kazanlar ve diğer sistemler için yanma odası tasarımında önemli bir faktördür. Tablo 2, çeşitli yakıtlar için adyabatik alev sıcaklıklarını göstermektedir.

adyabatik alev sıcaklığı | raadman — Tablo 2 : Farklı yakıtlar ve oksitleyiciler için adyabatik alev sıcaklığı

Yüksek sıcaklıklı alevlerdeki en büyük zorluklardan biri, NOx üretiminin maksimuma çıkmasıdır. Termal NOx üretimi, sıcaklıkla birlikte üssel olarak artar. Bu nedenle, birçok modern tasarım, NOx üretimini minimize etmek için alev sıcaklığını düşürmeye odaklanmaktadır. Bu bağlamda, raadman brülörleri, gelişmiş tasarımlarıyla, yakıt ve havanın dağılımını, maksimum sıcaklık bölgelerinin oluşumunu engelleyecek şekilde optimize eder ve böylece NOx üretimini en aza indirir.

Yanma Türleri

bu, aşağıda tartışılan iki şekilde gerçekleşir.

Önkarışımlı Yanma (premix yanma)

Homojen bir önkarışımlı alevde, yakıt ve hava önce tamamen karıştırılır ve ardından bir ateşleme kaynağı (örneğin bir kıvılcım) kullanılarak ateşlenir. Kıvılcımdan alev oluşur ve yayılmaya başlar. Yanan ve yanmamış kısımlar arasındaki arayüz, alev cephesi olarak adlandırılır. Alev cephesi, henüz reaksiyona girmemiş alanlara doğru belirli bir hızla hareket eder ve bu süreçte yanma yoğunluğu çok yüksektir.

Önkarışımlı türde, önkarışımlı brülörlerde, gelişmiş Raadman brülörleri de dahil olmak üzere kullanılır. Bu endüstriyel brülörler, yakıt ve havanın, yanma odasına girmeden önce karıştırılacak şekilde tasarlanmıştır ve yanma süreci, alevin oluştuğu yerde gerçekleşir. Bu teknoloji, daha yüksek verimlilik ve CO ve NOx gibi kirletici maddelerde belirgin bir azalma sağlar, bu da raadman önkarışımlı brülörlerinin başlıca avantajlarındandır.

Premix brülörü resmi | raadman — raadman’ın premix brülörü

Non-Premixed Combustion (Ön Karışımlı Olmayan)

Ön karışımlı olmayan bir alevde, bu reaksiyonları yakıt ve oksitleyicinin karışmasından önce gerçekleşir. Yakıt ve hava yanma odasına girdikten ve karıştıktan sonra, bu moleküllerinin oksitleyiciye nüfuz etmesiyle birlikte ateşleme aynı anda gerçekleşir. Bu tür alevlerdeki yanma şiddeti, yakıt ve oksitleyicinin karışma derecesine bağlıdır. Dizel motorları, gaz türbinleri, kibrit ve buji alevleri, fırın brülörleri ve daha fazlası, ön karışımlı olmayan yanma örnekleridir.

Ön karışımlı olmayan yanma, nozül karışımlı brülörlerinde kullanılır. Bu tür brülörlerde, yakıt ve hava nozülden çıkana kadar ayrı ayrı hareket ederler. Taze hava ve yakıt, nozül ağzına veya sonrasına ulaştığında birleşir ve yanma gerçekleşir. Packman, yüksek teknik bilgisiyle nozül karışımlı brülörlerini ulusal ve uluslararası standartlara göre tasarlar ve üretir. Raadman brülörleri, kirleticileri azaltmaya ve enerji tüketimini optimize etmeye odaklanarak tasarlanır ve çeşitli endüstrilerdeki yanma süreçlerini iyileştirebilir.

nozül karışımlı brülör | raadman — Raadman’ın RLGB-M/M-1750-DB nozül karışımlı brülörü

Son Düşünceler: İleri Düzey Endüstriyel Brülörlerle Optimizasyonu Sağlamak

Endüstriyel brülörler, verimliliği artırmak ve çevresel kirliliği en aza indirmek konusunda temel bir rol oynamaktadır. Yanma ilkelerinin derinlemesine anlaşılması—stoikiometrik oranlar, adyabatik alev sıcaklığı ve NOx ile CO gibi kirleticilerin oluşum süreçleri—etkili sistemler tasarlamak için çok önemlidir. Fazla hava miktarının hassas bir şekilde kontrol edilmesi ve brülör tasarımında yenilikçi teknolojilerin entegrasyonu sayesinde, verimliliği artırabilir ve zararlı emisyonları azaltabiliriz.

Bu bağlamda, Raadman brülörleri, gelişmiş tasarımlarıyla öne çıkarak optimal yakıt ve hava karışımını sağlar. Bu, yalnızca verimliliği artırmakla kalmaz, aynı zamanda çevresel kirleticilerin azaltılmasına da katkıda bulunur. Bu teknoloji, daha iyi alev sıcaklığı kontrolü sağlar ve aşırı yüksek sıcaklık bölgelerinin oluşumunu engelleyerek NOx emisyonlarını en aza indirir. Sonuç olarak, mühendislik uzmanlığı ve ileri teknolojilerin brülör tasarımına entegre edilmesi, çevresel etkileri azaltmak ve optimize edilmiş, sürdürülebilir bir yanma sağlamak için güçlü bir çözüm sunar.

Paylaş

İçindekiler

Bir yanıt yazın Yanıtı iptal et

İlgili Makaleler