ISI ÜRETEÇLERİNDE KÜKÜRT ve BİLEŞENLERİNİN DAVRANIŞI, ETKİLERİ ve ÖNLEMLERİ

Transkript

1 ISI ÜRETEÇLERİNDE KÜKÜRT ve BİLEŞENLERİNİN DAVRANIŞI, ETKİLERİ ve ÖNLEMLERİ Yrd. Dç. Dr. Atafcan AVCI - Dç. Dr. Recep YAMANKARADENİZ Uludağ Üniversitesi. Miihendislik-Mimarhk Fakültesi, BURSA ÖZET Bu çalışmada, yanma ürünlerinde kükürt ksitlerin luşumu, gaz sıcaklığı, malzeme yüzey sıcaklığı vb. parametrelere bağlı larak asit luşum mekanizması, krzyn açısından kritik sıcaklıklar ve ısı üreteçlerinde çalışılabilir sıcaklık aralıkları incelenmeştîr. Snuç larak, eknmik açıdan ısı üreteçlerinin çalıştırılmasında ahnnabilecek önlemler üzerinde durulmuştur. BEHAVIOURS, EFFECTS AND PRECAUTIONS OF SULPHUR AND IT'S COMPOUND İN HEAT GENERATION DEVICES ABSTRACT in this study, an mvertigatin was cnduced far critical \vrkable ranges f temperatures and heaî prducîin devices in îhe YÎC\\- f the mechanism f acid generatin and crrsin depending n the parameters such as generatin fso in cmbustin prducts, gas temperalure, surface îemperature f maîerials. As a result, îhe necessary precautins during the running f heatgeneratin devices is sîated in the view ftheirecnmical sides. GİRİŞ Enerji üretiminde kullandığımız katı, sıvı ve gaz yakıtlar gerek içerdikleri bileşenler ve gerekse yakma sistemi nedeniyle çevre kirliliği yanında ısı üreteçleri ve bacalara da zarar vermektedirler. Bu açıdan yakıt içinde bulunan bileşenlerin yanma esnasındaki davranışları ile yanma snu davranışlarının ve etkilerinin iyi bilinmesi gerekir. Yakıt içinde bulunan en önemli zararlı bileşenlerden biri kükürttür. Aynı tür yakıtlar farklı ranlarda kükürt içermekte ise de ısı üreteçlerinde kullanılan yakıtlarda rtalama larak sıvı yakıtlar için %4, katı yakıtlar için ( 3 l 2 ve gaz yakıtlarda (özellikle dğal gazda) ihmal edilebilir mertebededir (1,2). Yanma esnasında, özel durumlar harçi, kükürtün tamamı SO 2 ve S O, gazlarına dönüşür. Bunlar kısaca S(.\ larak bilinir. Renksiz alevlenmeyen bir gazdır. Yüksek knsantrasynlarda keskin kkusu ve hariç edici etkisiyle kendini belli eder. Tsı üreteçleri ve bacalarda uygun şartlar luştuğu takdirde yanma ürünleri içindeki su buharı ile SO X birleşerek sülfirik asit ve diğer sülfürlü bileşikler meydana gelir. Snuçta bu bileşikler ısı üreteçlerinde ve bacalarda krzyna neden lur. Çevreye atıldıklarında ise çevrede görüş uzaklığının azalmasına, malzemelerde krzyna ve canlılardabirçk zararlı etkilere sebep lur. Isı üreteçleri ve bacalarda kükürtün lumsuz etkisini gidermek için SO X gazlarının reaksiyna girmeden ya da reaksiyn ürünlerinin zararsız lduğu sıcaklıklarda çevreye atılmasını sağlamak veya özel sistemlerle cakta tutulmasını temin etmek gerekir. Bacadan atıldığında çevreye lan et- TEMMUZ-AĞUSTOS-EYLUL IW5 SAYI: 16 23

2 Eklji çevre dergisi ' ISI ÜRETEÇLERİNDE KÜKÜRT kişini gidermek için ise desülfirizasyn üniteleri gerekir. Yanma Örenlerinin yüksek sıcaklıklarda dışarı atılması enerji israfına ve bacalarda prblemlere neden lduğundan arzu edilmeyen bir durumdur. Bu açıdan krzynsuz ve enerji kaybı en az lan ptimum çözümlere ulaşılması gerekir. ASİT OLUŞUMU ve YANMA ÜRÜNLERİ İÇİNDE DAVRANIŞI Yanma ürünü gazların ısı üreteçlerinden yüksek sıcaklıkta çıkması durumunda krzyn açısından önemli bir prblem lmamakla birlikte baca ömrünü azaltmakta ve enerji israfı meydana gelmektedir. Gaz sıcaklıklarının düşürülmesi ise krzyn açısından tehlikeli lup sınırlarını iyi bilmek lâzımdır. Krzyn hızı ve luşum şartlan gaz sıcaklıkları yanında yakıt bileşimindeki kükürt ve su buharı ranları, hava fazlalık katsayısı, gazların temasta lduğu yüzey sıcaklıkları vb. yakından ilgilidir. Yanma sırasında kükürt ksijenle birleşerek SC>2 ve SC>3 gazlarını luşturur. SO 3 miktarı genelde tplam kükürt ksitin %3-5 ranını aşmamasına rağmen krzyn üzerinde önemli rl ynar (3,4). Kükürt ksitlerin dğrudan ya da dlaylı luşturdukları bir çk reaksiyn snucu HSOt, H 2 SO 3, H 2 S vb. çğu asit karakterli ürünler luşur (2,4). Ayrıca CaCO 3 varlığında kalsiyum sülfat ve demirle lan reaksiynları da saymak mümkündür. Çğu asit karakterli lan bu ürünlerin luşumu ya da yüzeyler üzerinde yğuşması krzyn açısından önlenmelidir. Yakıt içeriğindeki hidrjen ve nem varlığı ile hava içerisindeki nem dlayısıyla yanma ürünlerinde su buharı luşur. Su buharının SO X ile luşturdukları asit ve asit karakterli bileşikler yanma ürünleri içerisinde kızgın buhar larak bulunurlar. Gaz sıcaklığı ya da malzeme sıcaklığı asit çiğ nktası sıcaklığına kadar düşürülürse asit yğuşma eğilimine girer. Snuçta yüzeyde yğuşan asitin demirle luşturduğu reaksiynlar snucu krzyn rtaya çıkar. Yğuşma özellikle su buharı çiğ nktası altındaki sıcaklıklarda ve asit çiğ nktasına yakın alt sıcaklıklarda çk hızlı lup krzyn hızında da benzer bir eğilim vardır. Bu nedenle özellikle su buharı çiğ nktası ile asit çiğ nktası sıcaklıkları civarında çalışan ısı üreteçleri ve bacalarda önem daha artmaktadır. İlk yğuşma gazlar (yanma ürünü) asit çiğ nktası sıcaklığına düştüğünde başlar. Sabit basınçta yğuşma devam ederse asit çiğ nkta sıcaklığının C altındaki bir sıcaklıkta yğuşma hızı ve krzyn hızı maksimuma ulaşır. Bu birinci kritik nkta, sıcaklık, hava fazlalık katsayısı, nem, SO 3 vb. bağlı larak değişir. Pratik larak, örneğin fuel-il için kritik nkta sıcaklığı C aralığında gerçekleşir. Gaz sıcaklıkları daha düşürülürse aşırı sğuma etkisinde asit yğuşması habbe halinde daha yğun bir hale dönüşür. Yüzeyler yğun bir habbe bmbardımanına maruz kalır. Bu hal birinci kritik nkta civarında maksimum değerini alır. Birinci kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklara sğuma devam ederse habbeler yüzeylerde parçalanarak gaz içinde asit sisi luşturmaya başlar. Yüzeyler üzerinde yğuşma azalırken krzyn hızı da düşer. Bu düşüş su buharı çiğ nktası sıcaklığı yakınında minimuma iner. Su buharı çiğ nktası sıcaklığı yakınında gerek yüzeyler üzerindeki asit yğuşması ve gerekse krzyn hızı en alt düzeydedir. Bu sıcaklık ikinci kritik nktadır. İkinci kritik nktanın üzerindeki sıcaklıklarda asit gaz içinde yğun sis luşturmuş kararlı bir haldedir. Yüzeyler üzerinde etkisi zayıftır. İkinci kritik nktanın altındaki sıcaklıklarda su buharı yğuşmaya başlarken asit yğuşması ve krzyn hızı hızlanır bu arada kalan SO 3 gazları da yğuşur. Krzyn ivmelenir. Su çiğ nkta sıcaklığı yakıt cinsine, türüne ve asit içeriğine 24 TEMMUZ-AĞUSTOS-EYLÜL 1995 SAYI: 16

3 ISI ÜRETEÇLERİNDE KÜKÜRT bğ 11 krzyn rnı % mksımum krzyn Eklji çevre dergisi * sıcaklığı arasındaki ilişki gösterilmiştir (3). Asit luşumu aynı zamanda su buharı varlığı ve miktarı ile yakından alâkalıdır. Su buharının asıl kaynağı yakıt içindeki hidrjen bileşimi lduğundan hidrjence zayıf yakıtlarda kükürt varlığında asit luşum miktarı ve snuçta su çiğ nkta sıcaklıkları da düşüktür. Bu nedenle yakıt cinsine bağlı larak minimum gaz sıcaklıkları ya da malzeme yüzey sıcaklıkları da değişir. Şekil-2'de bazı yakıtlar için kükürt ranına bağlı larak iyi çalışma yartları altında birinci kritik nkta açısından inilebilecek minimum yüzey (çalışma) sıcaklıkları görülmektedir (1,5). _Şekil-l: Fuel-il için gaz sıcaklığına bağlı larak asit ve su buharı yğuşması ile krzyn arasındaki ilişki (3). bağlı lmakta ise de standartlarda yakıtlar için istenen değerlere göre kükürt ksit ve asit içeriksiz fuel-il gazlan için 49 C, kümürde 35 C ve dğal gazda 56 C dir (1,5). Ortalama larak yakıtlar için su buharı çiğ nkta sıcaklığı C civarında değerler alır. Duman gazı içindeki SO' miktarı ya da asit miktarı arttıkça su buharı çiğ nkta sıcaklığı artar. Bu nedenle gerçekte su çiğ nkta sıcaklıkları bu verilen değerlerden daha yüksektir (6). Bu yüzden kullanılan değişik yakıtlarda gözönüne alındığında su buharı çiğ nkta sıcaklıklarının daha yüksek lacağı söylenebilir. Şekil-1'de asit ve su buharı yğuşma hızı ve krzyn hızı ile gaz 125 _, US je 10 s v "7 O Q S y5 ll c 80 S0 3 ETKİSİ Gaz içerisindeki SO X gazına göre SO 3 miktarı asit çiğ nktası açısından önemli bir faktördür. Oluşum şartları ve miktarı bilinirse daha düşük yüzey ya da çalışma sıcaklıklarında çalışılabilir. Ancak yanma esnasında, emniyet açısından, SOs gazının üst sınırlarda luştuğu düşünülerek daha yüksek fuei il kamu (stker) cd -""" «&\ <> *** s &M =5 70 tz kömürü ' PPM 10 PPM Ağırlık yüzdesi larak yakıttaki kükürt miktarı Şekil-2: Bazı yakıtlarda kükürt ranına bağlı larak minimum malzeme yüzey sıcaklıkları (1,5). TEMMUZ-AĞUSTOS-EYLÜL 1995 SAYI: 16 25

4 Eklji çevre dergisi * ISI ÜRETEÇLERİNDE KÜKÜRT (fi O 140 >.s> 'üi r 12 < 100 * '. > - f -*,-- 1 * - --" ü44 --'" <" " - -e.-' 1- -" p" iff *",-tı L*!* ' ' f** ' f-' r* *. k." -,»,-* p-- 1 * 1 K-* *** x r-".;»-' * -r e. -* *" -,* <* «Fuel-ii'de kükürt miktarı % rf* ' r* * ç-. mn IU.U w s !' in ı-u : n 1 S â c a Şekil-3: Değişik kükürt ranlarında SO X içindeki SOj ranım asit çiğ nktası üzerinde etkisi (3). sıcaklıklarda çalışılması uygun labilir. Örneğin, 0.1 bar kısmî su buharı basıncında %4 kükürt içerikli bir fuel-il için % 0.1 SÛ3 ranında çiğ nkta sıcaklığı 120 C, %0.5 ranında 135 C, %2 ranında 145 C ve %10 ranı için 160 C lmaktadır. Şekil-3'de SÜ3 ranının asit çiğ nktası üzerindeki etkisi görülmektedir (3). Asit çiğ nkta sıcaklığı, yakıt bileşimindeki %0-0.5 kükürt ranları arasında 45 C'den C'ye kadar kademeli larak artmaktadır. %1 üzerindeki kükürt ranlarında asit çiğ nktası fazla değişmemektedir. Bu değişim 15 C'yi aşmamakta ve asit çiğ nktası maksimum 145 C civarına ulaşmaktadır. Bu açıdan % l üzerindeki kükürt ranlarında kükürt etkisinden ziyade 803 ranı örem kazanmaktadır. Hava fazlalık katsayısının artması O 2 fazlalığı nedeniyle SO 3 luşumunu hızlandırır. Bu ise gerek krzyn hızını ve gerekse asit çiğ nkta sıcaklığını artırır. Şekil-3'de SO 3 etkisi açıkça görülmektedir. â Asit luşumu ve krzyn açısından gaz sıcaklıklarına nazaran yüzey sıcaklıkları daha önemlidir. Yüzey sıcaklığının asit çiğ nkta sıcaklığının altına düşmesi halinde asit, yüzey üzerinde yğuşacağından krzyn açısından tehlikelidir. Bu nedenle Şekil-2'den de anlaşılacağı gibi uygun yakıtla uygun şartlarda çalışılması önemlidir. Esas prblem 60 C civarında ısı üreteçleri ile C civarında çalışan alçak basınçlı buhar ya da sıcak su üreteçlerinde görülmektedir. Dikkat edilirse birinci grup ikinci kritik nkta civarında ikinci grup ise birinci kritik nkta civarında bulunmaktadır. Bunun dışında yüksek sıcaklıklarda çalışılması halinde dönüş akışkanının ısı üretecine girdiği bölgeler krzyn açısından tehlikeli lup gerekli önlemler alınmalıdır. TARTIŞMA ve SONUÇ Kazan ve bacalarda krzyndan krunmak için asit çiğ nkta sıcaklığından daha yüksek gaz ve yüzey sıcaklıklarında, ısı kayıplarını da minimum yapmak için ise minimum krzyn şartlarında ya da uygun yakıtla mümkün minimum sıcaklıkta çalışılmalıdır. Bu amaçla öncelikle ptimum çalışma şartları veya çalışma aralığı belirlenmelidir. Bu çalışma aralığında kritik çalışma sıcaklığının (yüzey ve gaz) asit çiğ nkta sıcaklığı üzerinde kaldığı yada Şekil- 2'de verildiği gibi en yakın çözüm sağlayacak yakıt seçilmelidir. Böylece ısı kayıpları en düşük seviyeye indirilerek krzyna maruz kalmadan çalışılabilir. Isı üreteci sürekli aynı yakıtla ya da asit çiğ nktası açısından daha iyi bir yakıtla çalıştırılmalıdır. Gaz sıcaklıkları asit çiğ nktası sıcaklıkları altına düşmemeli, C üzerinde lmalıdır. Eğer kükürt ve nem içeriği yüksek ya da belirsiz yakıtlar kullanılıyrsa emniyet açısından gaz sıcaklıkları 180 C altına düşmemeli hatta yüzey sıcaklıkları düşükse daha yüksek lmalıdır. Buna kar- TEMMUZ-AGUSTOS-EYLUL 1995 SAYI: 16

5 ISI ÜRETEÇLERİNDE KÜKÜRT şılık kükürtsüz yakıtlar kullanıldığında su buharı çiğ nktası yakınına kadar düşürülebilir. Baca uygun dizayn edilmişse su buharı bacada yğuşturulabilir. Kazan yüzey sıcaklıkları asit çiğ nktası sıcaklıkları altına düşmemeli en az 5-10 C üzerindem kalmalıdır. Ancak pratikte bir çk kazanın ptimum çalışma sıcaklığı birinci kritik bölge civarında kalmaktadır. Bu durumda yakıt seçimi yeterli ya da uygun değilse minimum krzyn luştuğu ikinci kritik bölge civarında çalışılmalıdır. Eknmizör, alçak basınçlı kazanlar, su ısıtıcıları gibi ısı üreteçlerinde birinci kritik nktası yüksek yakıtlar seçilerek ya da asit çiğ nkta sıcaklığını yükseltecek önlemler alınarak ikinci kritik nktanın C üzerindeki sıcaklıklara kadar çalışılabilir. Bu durumda ısı üretecinin temizliğine ve su sirkülasynuna dikkat edilmelidir. Su tarafında birikecek kirlilik yüzeyin gaz tarafı sıcaklığını yükselteceğinden minimum krzyn hızının hakim lduğu bölgeden ikinci kritik bölge civarına (mars, krzyn) kayılabilir. Snuç tehlikeli lacağından akışkan tarafı yüzey temizliğine dikkat edilmeli ve bu amaçla su sirkülasynun (debisi) gerekli sınırlarda kalması sağlanmalıdır. Yakıt kuru larak kullanılmalıdır. Çünkü nemin yüksek lması su buharı çiğ nkta sıcaklığını artırırken asit luşumu hızlanmakta ve asit çiğ nkta sıcaklığı artmaktadır. Gaz içinde asit varlığına bağlı larak su buharı çiğ nkta sıcaklığı da arttığından özellikle ikinci kritik bölgede çalışan ısı üreteçlerinde krzyn eğilimi artmaktadır. Ayrıca ısı kayıpları da diğer arzu edilmeyen snuç larak karşımıza çıkmaktadır. Hava fazlalık katsayısı mümkün mertebe küçük tutulmalıdır. Fazla hava SOj luşumunu teşvik etmekte da su ve asit çiğ nkta sıcaklığını artırmaktadır. Snuçta krzyn eğilimi artarken fazla hava ve yüksek sıcaklık ihtiyacı nedeniyle ısı kaybı da katlanarak artmaktadır. Eklji Çevre dergisi ' İyi dizayn edilmemiş ya da önlem alınmamış kazanlarda gidiş-dönüş sıcaklıkları arasındaki fark arttığında sğuk akışkanın temasta lduğu yüzeyin gaz tarafı sıcaklığı asit çiğ nkta sıcaklığı altına düşebileceğinden tehlikeli labilir. Bunu önlemek amacıyla tmatik larak dönüş suyuna gidiş suyu ilâve edilerek uygun sıcaklıkta kazana girmesi sağlanmalıdır. Kazanın krzyndan krunması yanında bacalarında uygun dizaynı gerekir. Yüksek gaz sıcaklıklarına maruz bacalarda krzyndan ziyade yüksek sıcaklık nedeniyle ömür azalmaktadır. Buna karşılık düşük sıcaklıklarda ya da iyi izle edilmemiş bacalarda gerek su buharı ve gerekse asit yğuşması nedeniyle bacalarda sızma, göçme gibi snuçta istenmeyen durumlar rtaya çıkmaktadır. Bu nedenle bacalar iyi izle edilmeli, değişik yakıtların yakılmasına elverişli lacak şekilde dizayn Şdilmeli ya da mevcut baca kullanılacaks yakıt na göre seçilmeli veya uygun sı* caklıklarda çalışılmalıdır. Snuç larak iyi dizayn ve ptimum çalışma şartlarında kullanılan ısı üreteci ve bacalarla uzun ömür ve minimum enerji kaybı ile eknmik çalışma sağlanabilir. Aksi halde ya ömür ya da ısı kaybından veya her ikisinden fedakârlık etmek gerekir: KAYNAK 1. Küçükyalı, R., "Dğal Gazlı Çelik ve Döküm Kazanlarının Karşılaştırılması", Dğal Gaz, Sayı 6, Brat, O., Sürmen, Ali., Balcı, M., "Yanma Bilgisi", Ders Aletleri Yapım Merkezi Mtb., Ankara, Mackenzie-Kennedy, C., "District Heating", Pergamn Press, Lndn, Dağsöz, A.K., "Bacalar", Mapsan Ltd. Şti., İstanbul, Arısy, A., "Kazanların Dğal Gaza Dönüşümü", Dğal Gaz, Sayı 2, Nnhebel, G., "Gas Purificatin Prcesses", Butterwrth & C. Ltd. Lndn, Perry, R.H., Chiltn, C.H., "Chemical Engineers Handbk", Mc Gravv-Hill Kagakuska Ltd., Tky, TEMMUZ-AĞUSTOS-EYLÜL 1995 SAYI: 16 _