YÜKSEK FIRINLARDA PÜLVERİZE KÖMÜR ENJEKSİYONU KONUSUNDA GELİŞMELER VE NÜMERİK İNCELEMELER

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Ebat: px
Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "YÜKSEK FIRINLARDA PÜLVERİZE KÖMÜR ENJEKSİYONU KONUSUNDA GELİŞMELER VE NÜMERİK İNCELEMELER"

Transkript

1 YÜKSEK FIRINLARDA PÜLVERİZE KÖMÜR ENJEKSİYONU KONUSUNDA GELİŞMELER VE NÜMERİK İNCELEMELER Serl KARAKUŞ Zonguldak Karaelmas Ünverstes Müh. Fak. Makna Mühendslğ Bölümü Zonguldak tel:(0372) Özet: Br yüksek fırının erformansını yükseltmeye yardımcı olmak çn üfleme borusu ve tüyerde ülverze kömürün yanma karakterstkler k farklı enjeksyon şekl le nümerk olarak modellenmştr. Yakıtın özellkler ve okstleycnn kütle akış oranları aynı olmasına rağmen, tek lans kullanımı le mukayese edldğ zaman çft lans kullanımının ülverze kömürün yanma vermllğn artırdığı görülmüştür. Bundan dolayı br yüksek fırında ülverze kömür enjeksyonu tek lanslıdan çft lanslıya dönüştürülmüştür. Sonuç olarak ülverze kömürün ratktek enjeksyon oranı 110 dan 153 kg/thm (ton of hot metal) e yükseltlmştr. Bu da yüksek fırının şletme malyetn düşürmüştür. Bu makale, Çn Çelk Şrketlernde yaılan ve uluslararası derglerde yayınlanan [1], [2], [3] çalışmaların çevrs ve derlemes olarak hazırlanmıştır. Anahtar kelmeler: Yüksek fırın; ülverze kömür; tüyer; enjeksyon 1. Grş Şekl 1. Üfleme borusu, lans ve tüyern geometrk şekl. Enerj ve endüstryel uygulamalarda kömürün öneml br rolü olduğu blnmektedr. Örneğn 18.yüzyılda endüstr devrm meydana geldğnden ber kömür, buhar maknalarında güç üretmnde kullanılmaktadır. 19. yüzyıl sonlarında ülverze kömür, çmento endüstrsnde kurutma fırınlarında kullanılmaya başlamıştır. Günümüzde ülverze kömür, termk elektrk santralarında elektrk üretmnde yaygın olarak kullanılmaktadır. Aynı zamanda metalurj endüstrsnde metaller arıtılmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Demr çelk üretm göz önüne alındığında yüksek sıcaklıktak kömür ürünü olan kok, yüksek fırında sıcak metaln çnde demr cevherlernn reaksyonuna yardımcı olur. Son yıllarda tüyerden ülverze kömür enjeksyonu teknğ, kok üretmnn yern alacak şeklde gelştrlmştr. Eğer ülverze kömür enjeksyon oranı y ayarlanırsa yüksek fırının şletme malyetn öneml ölçüde düşüreblr. Pülverze kömür yüksek fırında yakıta yardımcı olarak kullanılır ve şletme malyetn düşüren br değere sahtr. Yne de yanma bölgesndek tamamlanmamış yanmanın sebe olduğu yanmamış veya kalıntı karbon yüksek fırında brkecektr, bu da karbondokst ve curufun reaksyonu vasıtasıyla boşaltılacaktır. Eğer fırındak karbonun brkme oranı boşaltılan orandan daha fazla se sıcak fırının çalışma temosu düşecektr. Bu sonuçlar lerde yüksek fırının çalışmasını önleyecek br basınç dalgalanmasına sebe olur. Sonuç olarak ülverze kömürün yanma oranının yükseltlmes ve yanmamış karbonun brkmnn azaltılması yüksek fırının erformansını dengede tutmaya yarayan metotlardan brdr. Pülverze kömürün enjeksyonu şlem yüksek fırının erformansıyla 307

2 oldukça lgldr. Bu çalışmanın amacı nümerk smülasyonlar (benzetmler) yoluyla br yüksek fırında ülverze kömürün yanma karakterstklern ncelemektr. Pülverze kömürün enjeksyon şeklnn değştrlmes le yüksek fırındak ülverze kömürün yanma davranışları üzerndek etks ele alınacaktır. Dahası elde edlen sonuçlar üzernde ülverze kömür yanmasının düzeltlmesnde ratk br stratej ortaya konacaktır. Termler A Kömür artkülünün alanı C Kömür artkülünün özgül ısısı E Aktf enerj h Konvektv ısı transfer katsayısı k Sürekl reaksyon hızı veya türbülanslı knetk enerj m Kömür artkülünün ağırlığı t Zaman T Kömür artkülünün sıcaklığı T Gaz sıcaklığı x Uzaysal koordnat Y 1, Y 2 Düşük ve yüksek sıcaklıklarda yayılan uçucu maddenn kütle arçaları ε Türbülanslı knetk enerjnn dağılması ε Kömür artkülünün dağılım gücü µ Vskozte σ Stefan-Boltzmann sabt (= 5, W/m 2 K 4 ) f Yakıt (fuel) o Okstleyc Kömür artkülü Gaz fazı 2. Matematksel formülasyon 2.1. Pülverze kömürün yanma şlem Şekl 1 de br yüksek fırının ç yaısı şematk olarak gösterlmektedr. Bu çalışma üfleme borusu ve tüyer bölgelernde ülverze kömürün yanması üzerne odaklanmıştır. Şeklde gösterldğ gb kömür üfleme borusu çne enjekte edldğ zaman yüksek sıcaklıktak br çevreye grecektr. Bu yüzden, hızlı ısıtma, yüksek fırında kömürün ayrışma reaksyonu, uçucu maddelern okstlenmes, yanmamış kalıntı karbonun yanması ve karbonun gazlaşması tecrübe edlecektr. Ayrışma reaksyonunu, kömürün yanmasının başlattığı blnmektedr. Pülverze kömür yanmasının ncelenmesnde en öneml şey, ayrışma reaksyonu modelndek arametrelern belrlenmesdr. Böylece yaılan çalışmalarda, kömür artküllernn lk kmyasal reaksyonları test edlmş olacak ve nümerk metotların geçerllğn garant edecek şeklde doğrulanmış olacaktır. Şekl 1. Br yüksek fırının ç yaısı. 308

3 2.2. Br kömür artkülünün momentum ve enerj denges Br kömür artkülünün hareket düşünüldüğünde, hareketn küresel veya Lagrange tnde olduğu kabul edlr ve artkülün yörünges tek br artkülün momentum denklemnn çözümüyle elde edlr. Yan momentumun değşm oranı artkülün dış kuvvetlerne eşttr. Çok küçük kömür artküllernn hesabı üzerne br araştırma yaıldığında csmn ağırlık kuvvetnn hmal edlmes ve sadece sürüklenme kuvvetnn göz önünde bulundurulması uygundur. Sonuç olarak artkülün hareket denklem şu şeklde fade edlmştr: m (1) dv dt F Enerj denges dkkate alındığında artkülün ısısı konveksyon ve radyasyon le taşınır. Böylece artkülün sıcaklığı aşağıdak enerj denklemler le tanımlanablr. m (2) C dt dt ha ( T T ) A ( T 4 T 4 ) şlem fazla olduğu zaman kömürden uçucu maddelern yayılması daha fazladır. Aşağıdak denklemlerde k aralel yanma reaksyonu denklem verlmştr. k 1 kömür (1-Y 1 ) * Karbon 1 + Uçucu madde ( düşük sıcaklık) (3) k kömür 2 (1-Y 2 )* Karbon 2 + Uçucu madde ( yüksek sıcaklık) (4) knetk reaksyonlar şu şeklde yazılablr. dv dt ( k Y k Y ) E Coal ; k1 A1 ex( ) RT 2 ; k A ex( ) (5) 2 2 E RT Burada V ve R uçucu maddenn kütle arçası ve gaz sabtdr. Y 1, k 1, Y 2, k 2, E 1 ve E 2 arametreler ayrışma şlemnde hayat br öneme sahtrler. (Tablo 1) 2.3.Kömür artkülünün ayrışma model Br kömür artkülünün ayrışma şlem, ısıtma oranına, reaksyon zamanına ve kömürün sınıfına bağlıdır. Isıtma Tablo 1: Pülverze kömürün ayrışma şlemnde kullanılan arametreler Kobayash ye [5] göre Ubhayakar a [6] göre Y 1 0,3 VM Y 2 1 1,5. Y 1 k 1 (1/s) 200 3, k 2 (1/s) 1, , E 1 (kj/mol) 1, E 2 (kj/mol) 1, Tablo 2. Burgess e [7] çalışma şartları Reaktör çaı (mm) 50 Yüksek fırın sıcaklığı (K) 1243 Sıcak hava hızı (m/s) 68 kömür artkülü çaı (µm) 40 Pülverze kömürde uçucu madde (db), % 35,9 Pülverze kömür enjeksyon oranı (kg/h) 5,3 309

4 2.4. Türbülanslı yanma model Gaz fazında akış hareket hızlıdır. k-ε model türbülanslı yanma smülasyonuna uygulanmıştır. Pülverze kömür enjeksyonu oerasyonunda kömür artküllernden uçucu maddelern salıverlmesn takben oksjen, alev yayılması şeklnde uçucu maddenn etrafını kuşatacaktır. Bu gb durumlarda, kütle arçası yoğunluk model reaksyon olayına en uygun modeldr. Sstem çn k reaksyon vardır. Yakıt ve okstleycden baret ülverze kömür yanması yaklaşık olarak bulunablr. 1 kg yakıt + kg okstleyc (1 + ) kg ürün (6) katsayısı yakıt ve okstleyc arasındak stokometrk dengey temsl eder. İletm türbülanslı olduğu zaman x arçasının transformasyonu aşağıdak şeklde elde edleblr. X = M f M 0 / (7) f karışım arçası şu şeklde tanımlanmıştır: f (8) X X X f 0 X 0 Burada M f, M 0, X f, X 0 yakıtın ve okstleycnn kütle arçaları olarak kullanılır. Karışım arçası f, konservatf br büyüklüktür ve hacm kontrol değerdr. (ortalama- zaman) se f nn br anlık konservatf denklemnn çözümü çn hesalanablen br değerdr. ( f ) ( u t x 1 f f ) ( ) S x x (9) Yukarıdak denklemlerde ρ, µ, X ve S m sırasıyla yoğunluk (gr/cm 3 ), dnamk vskozte (N s/m 2 ), uzaysal koordnat, ve kömürün gaz fazına geçşnden kaynaklanan br termdr. σ 1, hesalanablr br arametredr.değer 0,9 olarak verlmştr [8]. Akışkan konsantrasyonunun değernn kares anlamına gelen g, aşağıdak eştlk yoluyla hesalanablr. g) t x 1 g g ( u g) ( ) Cg ( ) Cd g x 1 x x k (10) ( 1 Burada C g ve C d sırasıyla 2,8 ve 2,0 olarak verlmş hesalanablr arametrelerdr. Karışım arçası f ye göre her br gaz türünün molar arçası, yoğunluğu ve hacm kontrolü çn sıcaklığı hesalanablr. 3. Sonuçlar ve Tartışma 3.1. Parametre seçm 1 m f Tablo 3. Pülverze kömür enjeksyonu çn çalışma şartları (Çn Çelk Brlğ) Sıcak fırının şartları Sıcaklık: 1423 K; basınç: 4,5 atm Kütle akış oranı: 3,9 kg/s; oksjen çerğ: %21 Pülverze kömürün özellkler Sabt karbon: %55,09; Uçucu madde: %35,13 Kül: %6,23; nem: %3,55 Pülverze kömürün artkül dağılımı 90 µm %5; 63µm:%25; 45 µm %55; 20µm: %15 Dğerler Lans açısı: 15º ; lans ç çaı: 20 mm Taşıyıcı gaz kütle akış oranı: 0,026 kg/s Pülverze kömür enjeksyon oranı. 0,4 kg/s Tüyern ısı kaybı: 900 W/m 2 Yanma modelndek arametrelern doğru seçm, öncek çalışmaların katkısı le gerçekleştrlmştr. Şu anda ncelenmekte olan çalışma, Burgess n [7] n deneysel verler le karşılaştırılmıştır (Tablo 1). Parametrelern detayları Tablo 2 de verlmştr. Üfleme borusu ve tüyerlerdek sıcaklık dağılımı Şekl 2 de görülmektedr. Şeklde Kobayash nn arametreler kullanıldığı zaman sıcaklığın değşmez olduğu anlaşılmaktadır. Açıkçası sonuçlardan daha öneml olan se deneysel ölçümler le olan zıtlıktır. Ubhayakar ın arametrelerne göre şekl 2 de görüldüğü gb, ncelenen sıcaklık dağılımları deneysel verlere yakındır. Deneysel verler. ubhayakar ın önerdğ arametreler tak eder ve daha gerçekç tahmnlerdr. Bu yüzden bugünkü çalışmalarda bu arametreler geçerldr. Sıcaklık dağılımının ncelenmesnde lans çıkışındak mesafenn artması le eğrnn düzgün br artışla karakterze edlmes dkkate değer. Bu rofl k bölüme ayrılablr. Brnc aşamadak hızlı yükselş ve knc aşamadak akış yönünde lerleyen artış. İlk aşamadak yükselmelern sebeb oksjen le uçucu maddelern yayılarak yanmasıdır. knc aşamadak yavaş artış 310

5 karbon ve oksjen arasındak reaksyonun br sonucudur. Pülverze kömür üfleme borusuna üflendkten sonra kmyasal reaksyon önce gaz fazında yanma sonrada katı fazda okstlenme le yerne getrlr. Şekl2. İk ayrışma model ve br deneysel ölçüm arasındak gaz sıcaklık dağılımının mukayeses Enjeksyon çeşdnn etks İlk başlarda da bahsedldğ gb sunulan çalışmada vurgulanan şey, üfleme borusu ve tüyerdek ülverze kömürün yanma karakterstkler üzernedr. Farklı enjeksyon çeştler le ülverze kömürün yanma davranışlarını değerlendrmek çn Tablo 3 de görülen fırının çalışma şartları model olarak kullanılmıştır. Bu bağlamda üfleme borusu ve tüyern fzksel geometrler Şekl 3 de resmlendrlmştr. Pülverze kömür yanmasında enjeksyon şeklnn etks dkkate alınarak tek lanslı ve çft lanslıdan baret k farklı durum, ülverze kömürün Şekl3. Üfleme borusu ve tüyern bu çalışmadak boyutları. 311

6 Şekl 5. a) Tek lans b) Çft lans çalışma durumunda üfleme borusu ve tüyeredek zotermal şekller. kütle akış oranı ve taşıyıcı gazın sabt olduğu durumda hesalanmıştır. Buna göre lansların çaları tek lans ve çft lans olmaları durumunda sırasıyla 20 ve 14 mm dr. Pülverze kömürün yanma vermllğn gösteren yanma oranı aşağıdak gb tanımlanmıştır. M e Yanma oranı (%) =. 100 % (11) M Burada M e ve M sırasıyla tüyern çıkışında ülverze kömürün ağırlık kaybı ve üfleme borusunun grşnde orjnal ülverze kömürün ağırlık kayılarıdır. Hesalamalarda tek lansın çft lansa dönüştürülmes le yanma oranı %4,9 dan %12,2 ye yükselmştr. Şekl 4 de tek ve çft lansın erformansı le lgl olarak üfleme borusu ve tüyerdek zotermal şekller görülmektedr. Her k durumda da ülverze kömür ve taşıyıcı gazın üfleme borusuna lk grş oda 312

7 sıcaklığındadır. İzotermal şekller karşılaştırıldığında sonrak ateşlemenn önceknden daha erken meydana geldğ görülür. Bu da, çft lans kullanılmasının üskürtülen sıcak hava ve ülverze kömür arasındak karışımı kolaylaştırableceğn göstermektedr. Dolayısıyla tüyer çıkışındak yanmamış karbon oluşumunu azaltır. Yukarıdak sonuçlar, yüksek fırının erformansı le lgl ratk br görüş sağlamıştır. Smulasyonların temelnde, önceden tek lans kullanılan br yüksek fırına, yenden çft lans dzayn edlmes düşünces vardır. [7] J.M. Burgess, A.S. Jamaluddn, M.J. McCarthy, J.G. Matheson, M. Nomura, J.S. Truelove, F. wall, Pulverzed coal gnton and combuston n the blast furnace tuyere zone, Jont Symosum of ISIJ and AIMM, Tokyo, Jaan, 1983, [8] L. Zhou, Theory and Numercal Modellng of Turbulent Gas Partcle Flows and Combuston, CRC Pres, Florda, İk farklı enjeksyon şeklnn kullanılması le ülverze kömürün yanma karakterstkler ncelenmştr. Nümerk çözümler, ülverze kömür enjeksyonunda çft lans kullanımının çok daha üstün br yanma sağladığını açıklamıştır. Çft lanslı enjeksyonun bu özellğ, yakıtın daha erken tutuşması sonucu, ülverze kömür ve üskürtülen sıcak hava arasındak karışıma yardımcı olmuştur. Sonuç olarak ülverze kömürün ratktek enjeksyon oranı 110 kg/thm den 153 kg/thm (ton of hot metal) a %40 cvarında yükseltlmştr. Bu sebele yüksek fırının şletme malyetnn azaltılması başarılmıştır. Kısacası nümerk çalışmalar yüksek fırının erformansının ratk olarak yleştrlmesnde fayda sağlamıştır. Kaynaklar [1] S.W. Du, W.H. Chen, Numercal redcton and ractcal mrovement of ulverzed coal combuston n blast furnace, Internatonal Communcatons n Heat and Mass Transfer 33 (2006) [2] S.W. Du, W.H. Chen, J. Lucas, Performances of ulverzed coal njecton n blowe and tuyere and varous oeratonal condtons, Enerj Converson and Management 48 (2007) [3] C.W. Chen, Numercal analyss fort he mul-hase flow of ulverzed coal njecton nsde blast furnace tuyere, Aled Mathematcal Modellng 29 (2005) [4] J.G. Matheson, J.S. Trueove, H. Rogers, Toward an understandng of coal combuston n blast furnace tuyere njecton, Fuel 84 (2005) [5] H. Kobayash, J.B. Howard, A.F. Sarofm, Coal devolatlzaton at hgh temerature, Proceedngs of the Combuston Insttute 16 (1976) [6] K. Ubhayakar, D.B. Stckler, C.W.V. Rosenberg, R. Ganon, Rad devolatlzaton of ulverzed coal n hot combuston gases, Proceedngs of the Combuston Insttute 16 (1976)