Rafineri ve petrokimya tesislerinde, üretim istikrarının önemli bir kısmı ısıyı kontrol ve yönetmekle sorumlu ekipmanlara bağlıdır. Fired heater’lar ve brülörleri, bu kritik bileşenler arasında yer alır, ilk bakışta basit görünebilen, ancak uygulamada karmaşık ve belirleyici olan unsurlardır. Fired heater ve brülör tasarımı, yanma kalitesi, alev şekli, verimlilik, ısı dağılımı, yakıt tüketimi ve emisyonlar gibi önemli parametreleri belirler ve bu parametreler, petrokimya ve rafineri ünitelerinin genel performansını etkileyebilir
Endüstriyel projelerde, fired heater tasarımı ve brülör seçimi sadece teknik bir konu değil, aynı zamanda stratejik bir karardır; çünkü tasarım veya işletimde yapılacak herhangi bir hata verim düşüşüne, enerji tüketiminin artmasına veya ekipman hasarına ve yüksek maliyetlere yol açabilir. Bu nedenle, fired heater yapısını, brülörün özelliklerini ve seçim kriterlerini anlamak, bu alandaki mühendisler için en önemli kaygılardan biri haline gelmiştir.
Brülörlerin nasıl çalıştığını daha iyi anlamak ve termal sistemlerdeki rollerini tanımak için ‘Endüstriyel Brülör Nedir‘ başlıklı makaleyi okuyabilirsiniz.
Fired Heater Nedir?
Ateşli ısıtıcı, petrol, gaz ve petrokimya endüstrilerinde en önemli proses ekipmanlarından biridir. Görevi, ham petrol, gazlar veya hidrokarbonlar gibi proses akışkanlarının ısıtılması için gerekli ısıyı sağlamaktır. Ateşli ısıtıcılerde, yakıtın yanması sonucu oluşan ısı bu amaçla doğrudan kullanılır; adlandırılmalarının nedeni de bu özelliktir. Ateşli ısıtıcıler, endüstrideki en büyük yakıt ve enerji tüketicileri arasında yer almakta olup, ABD imalat sanayinde kullanılan toplam enerjinin yaklaşık %37’si bu ekipmanlarda tüketilmektedir.
Fired Heater’lerın Çalışma Prensibi
Bir ateşli ısıtıcı, boyutuna bağlı olarak yakıt yakarak gerekli enerjiyi sağlayan bir veya birden fazla brülörle donatılmıştır. Ateşli ısıtıcının duvarları boyunca ve iç kısmında, proses akışkanının içinden geçtiği çok sayıda boru bulunur. Boruların içindeki akışkan, brülörler tarafından üretilen ısıyı radyasyon, konveksiyon ve iletim olmak üzere üç ısı transfer mekanizmasının tamamı yoluyla absorbe eder ve istenen sıcaklığa ulaşır.
Fired Heater Bileşenleri
Fired heaterler, birden fazla bileşen ve bölümden oluşan nispeten büyük ekipmanlardır. Bu cihazlar çeşitli tiplerde tasarlanıp üretilir, ancak genellikle benzer işlevleri yerine getirirler ve ana parçaları birbirine benzerdir. Aşağıda, bir ateşli ısıtıcının en önemli parçaları tanıtılmaktadır.
Fired Heater Brülörü
Bir fired heater’ın en önemli bileşenlerinden biri, Ateşli ısıtıcının tabanına veya duvarlarına yerleştirilen brülör veya brülörlerdir. Temel işlevleri, gerekli ısıyı sağlamak için yakıtı yakmaktır. Bu bileşenler, fired heater’ın performansını belirlemede kritik bir rol oynar. Bu nedenle, makalenin sonraki bölümlerinde, işlevleri, özellikleri, bileşenleri ve türleri hakkında daha ayrıntılı açıklamalar sunulmaktadır.
Fired Heater’ın Radyant Bölümü (Radiant Section)
Ateşli ısıtıcıın radyant bölümünde, brülör alevlerinden proses akışkanına ısı transferinin ilk aşaması gerçekleşir. Bu bölüm, brülörlerin etrafında yatay, dikey veya spiral şekilde düzenlenmiş birden fazla borudan oluşur ve refrakter bir duvar ve izolasyon ile çevrelenir. Bu bölümde baskın ısı transfer mekanizması radyasyondur; ısı, esas olarak sıcak alevin yaydığı radyasyon aracılığıyla borulara aktarılır. Ateşli ısıtıcı tasarımına bağlı olarak, gerekli ısının yaklaşık %55–85’i bu bölümde sağlanır.
Fired Heaterın Konveksiyon Bölümü (Convection Section)
Konveksiyon bölümünde ısı transferi esas olarak konveksiyon yoluyla gerçekleşir; bu nedenle bölüm bu şekilde adlandırılmıştır. Bu bölüm, radyant bölümün çıkışında yer alan ve sıcak yanma gazlarının akışına dik olarak düzenlenmiş bir boru paketinden oluşur. Proses akışkanı önce konveksiyon bölümüne girer ve burada radyant bölüm borularına geçmeden önce ön ısıtılır. Radyant bölümden çıkan yanma gazları hâlâ yüksek sıcaklığa sahipken, bu bölümdeki borulara kalan ısı enerjilerinin bir kısmını aktarır. Sonuç olarak, baca gazlarının sıcaklığı önemli ölçüde düşer.
Shield Section veya Shock Section
Konveksiyonlu ısı transferi bölümü ile radyant bölüm arasında, konveksiyon bölümündeki boruları doğrudan alev radyasyonundan korumak amacıyla birkaç sıra boru yerleştirilir. Bu kısım Shield bölümü olarak adlandırılır.
Breeching (baca bağlantısı) ve Fired heater Bacası
Yanma ürünleri, konveksiyonlu ısı transferi bölümündeki serpantinlerin üzerinden geçtikten sonra bacaya yönlendirilir ve baca aracılığıyla atmosfere atılır. Konveksiyonlu ısı transferi bölümü ile baca arasındaki ara kısma breeching adı verilir.
Fired Heater Duvarları (Fired Heater Walls)
Dış duvarlar genellikle çelik levhalardan imal edilir. İç kısımda ise hem duvarlar hem de zemin, fired heaterın içindeki yüksek işletme sıcaklıklarına ve yoğun ısıya dayanırken enerji kayıplarını en aza indiren refrakter ve yalıtım malzemeleriyle kaplanır.
Fired Heater Yapı Tipleri
Fired Heaterler, yapısal tasarım ve radyant bölümdeki boru düzeni açısından farklı konfigürasyonlarda tasarlanır ve üretilir. Fired Heaterın yapısı silindirik veya kübik olabilir ve radyant bölümdeki borular yatay, dikey, spiral veya kemer şeklinde yerleştirilebilir. Farklı fired heater yapı tiplerine örnekler aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Fired Heaterlerde Hava ve Yanma Ürünleri Akışı
Fired heaterler, içlerindeki hava akışı ve sıcak gazların oluşum şekline göre dört türe ayrılabilir:
Doğal Akış (Natural Draft): Bu, ateşli ısıtıcıların en yaygın tasarım şeklidir ve hava akışını oluşturmak için fan gerektirmez. Bu yöntemde, ısıtıcı içindeki gazların yoğunluğu çevredeki havadan daha düşük olduğu için, kaldırma kuvveti, aşağıdan yukarıya doğru bir akış oluşturur. Bu fenomen, baca etkisi olarak da bilinir, hava alt kısımdan (brülör girişinden) çekilir ve yanma ürünlerini fired heaterın en yüksek noktası olan baca çıkışından dışarı atar. Hava akışının şiddeti, ısıtıcı içindeki gazların sıcaklığına ve yüksekliğine bağlıdır.
Zorunlu Taslak (Forced Draft): Bu yöntemde, bir fan kullanılarak çevreden hava çekilir ve brülör girişine üflenir. Bu kurulumu oluşturan fan, FD fanı olarak adlandırılır.
İndirgenmiş Akış (Induced Draft): İndirgenmiş akışa sahip ateşli ısıtıcılarda, bir fan ısıtıcının çıkışından hava çeker ve bunu atmosfere atar. Bu yöntemde kullanılan fan, ID fanı olarak adlandırılır.
Dengelenmiş Akış (Balanced Draft): Bu ateşli ısıtıcılar, girişte bir FD fanı ve çıkışta bir ID fanı ile donatılmıştır, her ikisi de ısıtıcı içindeki hava akışını ve gaz hareketini oluşturmaya yardımcı olur.
Fired Heater Brülörü Nedir?
Brülörler, ateşli ısıtıcıların kalbi olarak kabul edilir ve ateşli ısıtıcıların çalışmasındaki önemleri göz önünde bulundurularak, bu makalede bu cihazlar hakkında kapsamlı bir açıklama sunulmaktadır.
Yukarıda belirtildiği gibi, brülörün temel görevi, yakıtın yanması yoluyla fired heaterın ihtiyaç duyduğu ısıyı üretmektir. Brülörler, verimlilik, güvenlik, maliyet ve emisyonlar açısından optimum performansı sağlamak için ateşli ısıtıcının özel gereksinimlerine uygun olarak bu işlevi yerine getirmelidir. Bu nedenle, bir ateşli ısıtıcı brülörünün çalışması aşağıdaki kriterleri karşılamalıdır:
- Akışkana optimum ısı transferi için uygun şekle sahip stabil bir alev oluşturmak
- Sıcak noktaların (Hot Spot) oluşmasını önleyerek ve boru yüzeylerinde uygun sıcaklık dağılımını sağlayarak kontrollü ve güvenli ısı sağlamak
- Optimum tasarım ve modern teknolojilerle NOx ve CO gibi çevresel kirleticileri azaltmak
Fired heaterlerde kullanılan brülörler, yanma odasının tabanına veya duvarlarına yatay veya dikey olarak monte edilebilir. Fired heaterlerde dört yaygın brülör montaj konfigürasyonu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Raadman’ın RSun serisi brülörleri, özellikle fired heater uygulamaları için tasarlanmıştır ultra düşük NOx emisyonları ve işletme gereksinimlerini karşılayacak şekilde optimize edilmiş uygun bir alev sunar. Bu kontrollü alev, alevin duvarlara temasını önler ve buna bağlı hasar riskini en aza indirir. Farklı boyutlarda sunulan bu brülörler, doğal çekiş modunda 8 MW’a kadar kapasiteye ulaşabilir ve zorlanmış çekiş modunda daha yüksek kapasiteleri destekler.
Fired Heater Brülörlerinin Özellikleri
Daha önce de belirtildiği gibi, fired heater brülörleri bu ekipmanların çalışma koşullarına uygun belirli özelliklere sahip olmalıdır. Bu sayede optimum, kararlı ve güvenli bir performans sağlanabilir:
1- Uygun alev şekli: Bir fired heater brülörünün alevi, onun çalışma koşullarına uygun olmalıdır. Alev çok uzun veya çok kalın olursa, borulara çarpabilir, sıcak noktalar oluşmasına ve boruların hasar görmesine neden olabilir. Buna karşılık, çok kısa bir alev, radyant bölümde ısı transferini azaltabilir ve ısıtıcının genel verimini düşürebilir. Eski fired heater brülörlerinde alev uzunluğu genellikle 1–2 m/MW arasında iken, yeni düşük NOx brülörlerde 2,5 m/MW’ye kadar çıkabilir. Ayrıca, birçok brülörde alev çapı, brülör karosunun çapının 1–1,5 katı kadardır.
2- Yakıt-hava oranının hassas kontrolü: Maksimum verimlilikle tam yanma sağlamak ve minimum kirletici oluşumunu önlemek için yakıt-hava oranı optimal seviyede tutulmalıdır.
3- Kararlı yanma: Alevin kararsız olması, verimliliğin düşmesine, emisyonların artmasına ve mali ve güvenlik risklerinin ortaya çıkmasına yol açabilir. Bu nedenle, fired heater brülörlerinin tasarımında en önemli parametrelerden biri alev kararlılığıdır.
4- Çeşitli yakıtları kullanabilme yeteneği: Rafinerilerde ve petrokimya tesislerinde bulunan farklı gaz ve sıvı yakıtlar göz önüne alındığında, brülörlerin farklı yakıtlarla çalışabilme yeteneği büyük önem kazanmaktadır. Bu birimlerde bulunan gazlar arasında doğal gaz, hidrojen karışımları, sentez gazı ve rafineri gazı yer alırken, dizel ve fuel oil gibi sıvı yakıtlar da kullanılabilir.
5- Minimum emisyon: Çevresel kaygıların artması ve ilgili standartların giderek daha sıkı hale gelmesiyle, eski ısıtıcı brülörler yeni Low NOx ve Ultra-Low NOx brülörlerle değiştirilmiştir. Bu yeni brülörlerde, NOx emisyonlarını azaltmak için yakıt kademelendirme, hava kademelendirme ve baca gazı geri dönüşü gibi çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.
Fired Heater Brülörünün Bileşenleri
Fired heater brülörleri çeşitli türlerde olup bazı bileşenlerinde farklılık gösterebilir. Ancak, bir fired heater brülörünün temel parçaları genel olarak aşağıdaki gibidir:
1- Nozul (Yakıt ucu)
Nozul, yakıtın yanma odası içinde uygun şekilde püskürtülmesinden ve dağıtılmasından sorumludur. Fired heater brülör nozulları genellikle nispeten küçük deliklere sahiptir ve çapları 1,5 mm kadar küçük olabilir. Her nozuldaki bir veya birden fazla delik, yakıtı belirli bir açı ve hızda enjekte eder. Bir brülör, brülör tasarımına bağlı olarak bir veya birden fazla nozula sahip olabilir ve bunlar farklı konumlarda yerleştirilebilir. Nozulların tasarımı ve düzeni, yakıt–hava karışımını, alev şeklini ve NOx ve CO gibi emisyon seviyelerini etkiler.
2- Tile (Brülör Karosu)
Brülör başını oluşturan ve yanma bölgesindeki hava akış düzenini belirleyen refrakter bir parçadır (alümina içeriği %60’ın üzerindedir). Brülör karosunun geometrisi, yakıt–hava karışımını, alev kararlılığını, alev şeklini ve baca gazı geri dönüşünü etkiler; bu nedenle brülör performansında çok önemli bir rol oynar.
3- Hava Damperi (Air Register)
Hava damperi, brülöre giren hava akışını kontrol eder, böylece yakıt-hava oranı optimize edilir ve brülör başında uniform bir hava dağılımı sağlanır.
4- Pilot Brülör
Pilot brülör, ana brülörden çok daha düşük kapasiteye sahip bir brülördür ve ana brülörün güvenli bir şekilde ateşlenmesini sağlamak için küçük bir ilk alev sağlar.
5- Yakıt Kontrol Sistemi ve Vanalar
Bir brülörün yakıt hattında, akış ve basıncı kontrol etmek ve yanma sisteminin güvenliğini sağlamak için regülatörler, vanalar, sensörler ve anahtarlar dahil bir dizi kontrol cihazı kullanılır.
6- Alev Dedektörü
Bu cihazlar, güvenlik sisteminin bir parçasıdır ve alevin varlığını tespit etmekten ve alev sönerse yakıt akışını kesmekten sorumludur.
Fired Heater Brülörlerinin Çeşitleri
Fired heater brülörler, çeşitli kriterlere göre sınıflandırılabilir:
1- Hava Akışı Oluşum Yöntemine Göre
Fired heater brülörleri sınıflandırmada en yaygın kriterlerden biri, hava akışının nasıl oluşturulduğudur:
Doğal Çekişli Brülörler (Natural Draft Burners): Bu brülörler için hava, fan kullanmadan sağlanır. Hava akışı, ısıtıcı içindeki sıcak gazlar ile dış hava arasındaki yoğunluk farkı ile sağlanır; bu mekanizma genellikle baca etkisi (chimney effect) olarak adlandırılır.
Zorlamalı Hava Brülörleri (Forced Draft Burners): Bu brülörlerde yanma havası, bir fan kullanılarak sağlanır.
2- Yakıt–Hava Karışım Yöntemine Göre
Premix Brülörler: Yakıt ve hava, yanma odasına girmeden önce karıştırılır ve ateşleme brülör başında gerçekleşir.
Premix Olmayan Brülörler (Raw Gas / Nozzle Mix): Yakıt ve hava, brülör başında bir araya gelir ve yanma aynı yerde başlar.
3- Yakıt Türüne Göre
Gaz Brülörleri: Bu brülörler yalnızca gaz yakıtları yakabilir. Gaz yakıtlar arasında doğal gaz, rafineri gazı, rafineri atık gazı (off-gas) ve diğer hidrojen açısından zengin gaz karışımları yer alır. Gaz brülörlerinin yapısı ve türleri hakkında daha ayrıntılı bilgi için “Gaz Brülörlerine Giriş” başlıklı makalenin incelenmesi önerilir.
Sıvı Yakıtlı Brülörler: Motorin veya fuel oil gibi sıvı yakıtlarla çalışan brülörlerdir.
Kombine (Çift Yakıtlı) Brülörler: Hem gaz hem de sıvı yakıtlarla çalışabilme özelliğine sahip brülörlerdir.
4- NOx Emisyon Seviyesine Göre
Fired heater brülörleri, NOx emisyon seviyelerine göre genellikle üç ana gruba ayrılır: geleneksel (eski tip) brülörler, Low NOx brülörler ve Ultra-Low NOx brülörler. Bu sınıflandırma için kesin sınırlar bulunmamakla birlikte, her bir kategori için yaklaşık NOx emisyon aralıkları aşağıdaki gibidir:
- Geleneksel (Eski Tip) Brülörler: NOx emisyonları 80–150 ppm aralığında veya daha yüksek
- Low NOx Brülörler: NOx emisyonları 30–80 ppm aralığında
- Ultra-Low NOx Brülörler: NOx emisyonları 30 ppm’in altında
Fired Heater ve Brülörleri için Tasarım Standartları
Fired heater tasarımı, termal performans, güvenlik ve verimliliğin kabul edilebilir seviyelerde sağlanabilmesi için tanınmış uluslararası standartlara uygun olmalıdır. Bu alandaki en önemli referans, petrol ve gaz endüstrisinde kullanılan fired heaterlerın tasarımı, malzemeleri, imalatı, muayenesi, test edilmesi ve hazırlanmasına ilişkin gereklilikleri tanımlayan API 560 standardıdır. ISO 13705, fired heater tasarımı için kullanılan bir diğer standart olup, API 560’ın uluslararası eşdeğeri olarak kabul edilmektedir.
API 560, fired heaterlerın tasarımı için genel bir standart olmakla birlikte, brülörlerin bir ısıtıcının kritik bir parçasını oluşturması nedeniyle brülörlere ilişkin rehberlik ve gereklilikler de sunmaktadır. Buna ek olarak, API 535 özellikle fired heaterlarda kullanılan brülörler için geliştirilmiş olup, bu brülörlerin performansı, teknik özellikleri, imalat malzemeleri ve testlerine yönelik gereklilikleri tanımlamaktadır.
Bu standartların birlikte kullanılması, fired heaterlerın ve brülörlerinin doğru şekilde tasarlanması için kapsamlı bir çerçeve sunarak sistemin yüksek verimlilik, yeterli güvenlik ve minimum emisyon ile çalışmasını sağlar.
Fired Heaterlerın ve Brülörlerinin Doğru Seçilmesinin Önemi
Fired heaterlerin ve bunların brülörleri, rafineri ve petrokimya ünitelerinin en kritik bileşenleri arasında yer alır. Tasarım ve seçim kalitesi; enerji verimliliğini, işletme güvenliğini, işletme maliyetlerini ve ünitenin emisyon seviyesini doğrudan etkiler. Isıtıcının yapısının, ısı transfer mekanizmalarının, bileşenlerin rollerinin ve özellikle yanma sisteminin kalbi olan brülörün öneminin iyi anlaşılması, mühendisler ve tasarımcılar için büyük önem taşımaktadır.
API 560, API 535 ve ISO 13705 gibi geçerli standartlar, bu cihazların tasarımı ve imalatı için güvenilir bir bilimsel ve mühendislik çerçevesi sağlar; ancak bir ısıtıcının nihai performansı, termal tasarımın doğru kombinasyonu, uygun brülör seçimi, yanma ayarları ve doğru işletme ile belirlenir.
Teknolojideki ilerlemeler ve Low NOx ile Ultra-Low NOx brülörlerin kullanıma girmesiyle, artık yüksek verimlilik, artırılmış güvenlik ve emisyonlarda önemli bir azalma aynı anda sağlanabilir. Bu nedenle, akıllıca brülör seçimi ve tasarım standartlarına uyum, ısıtıcının performansını optimize etmekle kalmaz, aynı zamanda işletme maliyetlerini ve ünitenin çevresel etkilerini de önemli ölçüde azaltır.
Genel olarak, bir fired heater görünüşte basit bir cihaz gibi görünse de tasarım açısından karmaşıktır; başarılı işletme, bu karmaşıklıkların doğru anlaşılmasına ve gelişmiş yanma teknolojilerinin uygulanmasına bağlıdır.
