DOĞAL GAZ YAKITLI BİR YAKMA SİSTEMİNDE KARBONMONOKSİT EMİSYONUNUN AZALTILMASI ÜZERİNE DENEYSEL BİR ÇALIŞMA

Transkript

1 DOĞAL GAZ YAKITLI BİR YAKMA SİSTEMİNDE KARBONMONOKSİT EMİSYONUNUN AZALTILMASI ÜZERİNE DENEYSEL BİR ÇALIŞMA *Özer AYDIN **Y. Erhan BÖKE * Dumlupınar Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü, KÜTAHYA **İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi, İSTANBUL Özet Yakıtların yanması sonucu oluşan ürünlerin insan ve çevre sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri, bu yakıtların tüketimi ile orantılı olarak artmaktadır. Bu nedenle yanma sonucu oluşan emisyonların yönetmelik ve standartlarda öngörülen sınır değerleri aşmayacak şekilde yanmanın düzenlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada bir sıcak su kazanının yanma odası hacminde yapılan değişiklilerin karbonmonoksit emisyonuna etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Yanma odasının mevcut geometrisi değiştirilmeden, iç hacmine dolgu malzemesi (kovan) yerleştirilmiştir. Dolgu malzemeleri; kalınlığı 1 mm olan yüksek sıcaklığa dayanıklı çelik malzeme sacdan yapılmış içi boş iki ucu açık silindirik elemanlardır. Deneyler, 116 kw kapasiteli TS EN 676 standardına göre tasarlanmış bir sıcak su kazanında cebri üflemeli bir brülör ile doğal gaz yakılarak gerçekleştirilmiştir. Deneylerde dolgu malzemesinin boyutları ile hava fazlalık katsayısı parametre olarak seçilmiştir. Gaz analizörü ile yanma odası boyunca farklı noktalardan ve kazanın bacasından emisyon ölçümleri yapılmıştır. Deney sonuçları, ocakta dolgu malzemesi kullanımının karbonmonoksit emisyonunu azalttığını göstermiştir. Stokiyometrik hava yakıt oranında yanma halinde, karbonmonoksit emisyonun, dolgu malzemesi kullanılmadan yapılan deneylere kıyasla büyük ölçüde azaldığı görülmüştür. AN EXPERIMENTAL STUDY ON CARBON MONOXIDE EMISSION REDUCTION AT A NATURAL GAS FIRED COMBUSTION CHAMBER Abstract Increasing fossil fuels consumption ratio increases the negative effects of the combustion products on both human and environment health. Combustion should be kept in control so that emissions are not to exceed the limitations projected by standards and regulations. In this study, effect of modification in a combustion chamber on carbon monoxide emission was investigated

2 experimentally. The filling material was placed in the combustion chamber. The filling material was cylindrical elements made of stainless steel. Experimental study was carried out on a domestic water heater described in the European Standard EN 676 and equipped with natural gas burner with the maximum capacity of 116 kw. The parameters were the dimensions of the filling materials and the excess air ratio. Carbon monoxide emission was analyzed in the combustion chamber and in the stack. It is defined that filling material decreased the carbon monoxide emission. For the stoichiometric air-fuel ratio, carbon monoxide emission, measured using filling material, decreased dramatically comparing to the case without filling material. 1.Giriş Doğal gazın son yıllarda giderek artarak konut ve sanayide kullanılması ve dünyada artan enerji fiyatları bu yakıtın uygun yanma odalarında daha verimli yakılmasını zorunlu kılmaktadır. Yanma sırasında açığa çıkan emisyonların azaltılması yakıcı ve yanma odası uyumu ile sağlanabilir. Fosil yakıt yakılarak enerji dönüşümünün yapıldığı sistemlerde yakıt tüketimi ve emisyon değerlerinin, verim azalması olmaksızın kontrol edilebilmesi gerekmektedir. Karbonmonoksit; yetersiz hava, hava ve yakıt karışımının tam olarak sağlanamaması veya yeterli büyüklükte boyutlandırılmamış yanma odası nedeniyle oluşan eksik yanma ürünüdür [1]. Yanma sonucu açığa çıkan gazların, sistem içindeki dolaşımının yetersiz olması, eksik yanma ve bunun sonucu karbonmonoksit oluşumu artırmaktadır. Emisyon kontrolünün sağlanması amacıyla bazı atmosferik brülörlü kazanlarda yanma odasının yüksek yapılması bu amaca yönelik bir örnektir. Bir başka yöntem havayakıt karışımının çok iyi sağlandığı ve alevin ısı geçiş yüzeylerine temas etmeden yakılarak ışınım yoluyla ısı transferinin sağlandığı brülör kullanmaktır [2]. Doğal gaz yakma sistemlerinde yanma sonucu oluşan emisyonlar içinde azotoksitler yüksek alev sıcaklığından dolayı en büyük paya sahiptir [3]. Alev sıcaklığının azaltılması için gerçekleştirilen çalışmada, kazanın yanma odasına konulan silindirik dolgu malzemelerinin emisyonlara olan etkilerinin araştırılmıştır [4]. Ocak içerisine konulan düz ve dış yüzeyi ocak eksenine paralel kanatlarla genişletilmiş silindirik dolgu malzemelerinin ocak içerisindeki ışınımla olan ısı geçişine olan etkisi deneysel ve analitik olarak araştırılmıştır. Yapılan bu çalışmada, dolgu maddesinin ocak içine yerleştirilmesi halinde su ile temas eden ocak cidarlarına alevden olandan ısı geçişinin arttığı görülmüştür.

3 M. İlbaş, vd., sıvı yakıt yakan bir kazanda yanma odasına yerleştirilen levhanın sıcaklık ve azotoksit emisyonu üzerindeki etkisini sayısal olarak incelemişlerdir. Yanma odasına yerleştirilen levhanın, yanma odası sıcaklığını azalttığı, sıcaklığın azaldığı bölgelerde de azotoksit emisyonunun azaldığı tespit edilmiştir. Bu sayısal çalışma, sayısal akışkanlar dinamiği alanında bir paket program olan Fluent programıyla yapılmıştır [5]. Ö. Aydın, TS EN 676 standardına göre imal edilmiş bir brülör test kazanında, yanma odasına yerleştirilen dolgu malzemelerinin emisyonlar ve alev sıcaklığı üzerindeki deneysel ve nümerik çalışmalar ile incelemiştir [6]. Bu çalışmada kazanın yanma odasının tasarımında değişiklik yapılmadan, yanma odasına yerleştirilen dolgu malzemelerinin karbonmonoksit emisyonları üzerindeki etkileri incelenmiştir. 2. Deneysel Çalışma Deneysel çalışmada, maksimum ocak boyu 79 mm, ocak çapı 4 mm, maksimum kazan ısıl kapasitesi 116 kw olan TS EN 676 standardına göre imal edilmiş ocak boyu ayarlanabilir alev geri dönüşlü bir brülör test kazanına cebri brülör monte edilerek laboratuar şartlarında doğal gaz yakılmıştır. Şekil 1 de deney tesisatının şematik görünüşü verilmiştir. Deneylerin gerçekleştirildiği sıcak su kazanının ocağı alev geri dönüşlü (karşı basınçlı) ocak tipindendir (Şekil 2). Alev, yanma odasının merkezinde cebri üflemeli bir brülör yardımı ile oluşmaktadır. Yanma odasında oluşan alev, gazların kazan içindeki 1. geçişini oluşturmaktadır. Gazlar ocak arkasında yön değiştirerek, alev ve yanma odası arasındaki kesitten akarak ön duman sandığına ulaşır. Böylece gazların 2. geçişi ocakta gerçekleşmektedir. Ön duman sandığında tekrar yön değiştiren gazlar, ocak etrafına yerleştirilmiş olan duman borularına girmektedir. Duman borularında 3. geçişini yapan gazlar, arka duman sandığında toplanıp bacadan dışarı atılmaktadır. Yanma odası eksenine 1 ve 175 mm uzaklıkta eksene paralel olarak alev ve yanma sonu gazlarının bileşimi ölçülmüştür. Bu amaçla kazan kapağına açılan R1 ve R175 ölçme deliklerinden örnek alma probu daldırılmıştır (Şekil 2). Her iki ölçme çizgisi üzerinde (R1 ve R175) yanma odası giriş ağzından itibaren 5 noktada 1 cm aralıklarla ölçme yapılmıştır. Şekil 3 de R1 ve R175 ölçme çizgilerinin kazan ön kapağı üzerindeki yerleri gösterilmiştir. Yanma sonu açığa çıkan karbonmonoksit derişikliği bacada ve yanma odasında Kromschoereder RGA33 gaz analiz cihazı ile ölçülmüştür. Kazanın yanma odasında yapılan ölçümler için yüksek sıcaklığa dayanıklı

4 seramik gaz örnekleme probu kullanılmıştır. Bu probun monte edildiği bir ısıtma sistemi ile emilen gazın içindeki su buharının cihazın ölçüm hücrelerine ulaşmadan yoğuşması önlenmiştir. Bacadan yapılan ölçümler için ise çelik prob kullanılmıştır. SU BESLEME DEPOSU ISI DEĞİŞTİRİCİSİ BACA Su Akış Yönü KAZAN BRÜLÖR POMPA SU SAYACI GAZ SAYACI Şekil 1. Deney tesisatının şematik görünüşü. Arka Duman Sandığı Bacaya 3. Geçiş Su Çıkışı Ön Duman Sandığı R1 ve R175 Ölçme Çizgileri Hareketli Ocak Arka Yüzeyi ALEV 1. Geçiş Brülör R 1 R Geçiş Yanma Odası Ağzı Su Girişi Duman Borusu Su Yanma Odası Şekil 2. Deney kazanının yandan görünüşü.

5 Şekil 3. Kazan kapağındaki R1 ve R175 ölçme delikleri. 3. Deney Parametreleri ve Deneyin Yapılışı Deneylerde hava fazlalık katsayısı ve ocak içerisine konulan dolgu malzemelerinin geometrik boyutları parametre olarak ele alınmıştır. Hava fazlalık katsayısı : Yapılan ön deney çalışmaları ile hava fazlalık katsayısının 1.26 değerinde baca gazı içindeki karbonmonoksit derişikliliğinin en düşük değeri aldığı tespit edilmiştir. Yanma odası içine yerleştirilen dolgu maddesinin karbonmonoksit oluşumuna etkisini incelemek amacıyla hava fazlalık katsayısı 1.26 ve 1.2 değeri için deneyler yapılmıştır. Dolgu maddesi : Dolgu malzemeleri (kovanlar); kalınlığı 1 mm olan yüksek sıcaklığa dayanıklı çelik sac malzemeden yapılmış içi boş iki ucu açık silindirik elemanlardır. Kovan, yanma odası ile eş eksenli yerleştirilebilmesi için akışı engellemeyecek şekilde ayaklarla teçhiz edilmiştir. Deneylerde ocak içerisine konulan dolgu maddesinin çapı ve boyu parametre olarak alınmıştır. Kullanılan kovanların çapları ve boyları, ölçüler cm biriminde olmak üzere, Ø2x2, Ø25x2, Ø25x4, Ø3x2, Ø3x4 dır. Şekil 4 de dolgu maddeleri görülmektedir. Yakıt sarfiyatı kazan anma ısı gücüne karşılık gelen değerine ayarlanmıştır. Deneylere başlamadan önce su, giriş ve çıkış sıcaklığı

6 sırasıyla 7 ve 9ºC oluncaya kadar ısıtılmıştır. Deney düzeneğinde dolaşan suyun debisi, su giriş ve çıkış arasında 2ºC farkı sağlanacak şekilde ayarlanmıştır. Bacadan yapılan gaz analizine göre brülörün hava klapesi ile hava fazlalık katsayısı ayarı yapılmıştır. Kararlı yanma ve deney şartları oluştuktan sonra ölçmeye başlanmıştır. 4. Deney Sonuçları Şekil 4. Yanma odasına yerleştirilen dolgu maddeleri Yanma odasında yapılan ölçümler Yanma odası eksenine paralel olarak karbonmonoksit emisyonun değişimi ölçülmüştür. Oluşturulan ölçme çizgileri yanma odasının 1 ve 175 mm yarıçaplı yayları üzerinde yer almaktadır. R1 ve R175 kısa yazılımı ile gösterilen bu ölçme çizgileri boyunca 1 cm aralıkla ocak ağzından itibaren 5 ayrı ölçme noktasında gaz örneği alınarak analiz edilmiştir. R1 ölçme çizgisi alev dış çapındaki (1. geçiş), R175 ölçme çizgisi ise alev geri dönüşündeki (2. geçiş) karbonmonoksit emisyonlarının yanma odasındaki değişimini göstermiştir. R1 ( cm) ölçme noktası alevin başlangıcını, R175 ( cm) ölçme noktası ise alev geri dönüşünün sonunu göstermektedir. 2 cm boyundaki kovanlarda 3 ve 4 cm ölçme

7 noktalarında yapılan ölçümler kovan dışında, 4 cm boyundaki kovanlar için tüm ölçümler kovan içindedir. R1 ölçme çizgisinde hava fazlalık katsayısının 1.26 değeri için alevin ilk 1 cm lik kısmında hemen hemen tüm durumlarda karbonmonoksit 2 ppm değerinin altındadır. Kovansız ve tüm kovanlı durumlarda CO emisyonu ocak arkasına doğru gidildikçe artmaktadır (Şekil 5). Yanma odasının ölçüm yapılan ilk 4 cm lik bölümünün sonunda karbonmonoksit oluşumunun devam ettiği görülmektedir. Uzun kovanla (boy 4 cm) yapılan deneylerde kovan sonunda (4 cm ölçüm noktasında) CO emisyonu ani artış göstermiştir. Kısa kovanlarda (boy 2 cm) yanma odası boyunca ilerledikçe karbonmonoksit emisyonu, tüm ölçüm noktalarında aldığı değerlerin ortalamaları etrafında dağılım göstermiştir. Kısa kovanlarda en büyük CO emisyonu 1 ppm değerini almıştır. Çapı ve uzunluğu Ø25*2 ve Ø3*2 olan kovanlarda CO emisyonu, kovansız duruma kıyasla tüm ölçme noktalarında düşüktür. CO (ppm, %3 O2) Ocak ağzından olan mesafe (cm) Kovansız 2*2 25*2 3*2 25*4 3*4 Şekil 5. R1 ölçme çizgisi üzerinde CO emisyonlarının değişimi (Yakıt debisi=1.72 Nm 3 /h, HFK=1.26). Yanma odasında kovan dışındaki alev geri dönüşünde emisyon ölçümü R175 ölçüm çizgisi üzerinde yapılmıştır. Alev geri dönüşünde karbonmonoksit emisyonunun, alev içindeki (R1) emisyona göre oldukça düşük değerler aldığı görülmektedir. (Şekil 6). Tüm kovanlarda karbonmonoksit emisyonu 1 ppm değerinin altındadır. Yanma odasının, kovanın mevcut olmadığı, alev geri dönüşünün gerçekleştiği arka bölümünde

8 karbonmonoksit emisyonu azaldığı alev geri dönüşünde ölçülen değerlerden görülmektedir. Çapı ve uzunluğu Ø3*4 cm olan kovan hariç tüm deneylerde karbonmonoksit emisyonunun, ocak çıkışına doğru ilerledikçe azaldığı, kovansız duruma kıyasla daha düşük veya sıfır değerini aldığı tespit edilmiştir. 12 CO (ppm, %3 O2) Ocak ağzından olan mesafe (cm) Kovansız 2*2 25*2 3*2 25*4 3*4 Şekil 6. R175 ölçüm çizgisi üzerinde CO emisyonlarının değişimi (Yakıt debisi=1.72 Nm 3 /h, HFK=1.26). Hava fazlalık katsayısının 1.2 değerinde yanma odasının R1 ve R175 ölçüm çizgileri üzerinde özellikle kovansız durum için CO emisyonu artmıştır (Şekil 7, 8). Kovanın CO emisyonunu azaltıcı etkisi olduğu görülmektedir. Tüm kovanlarla R1 üzerinde ölçülen CO emisyonu HFK = 1.26 şartında yapılan deneylere göre daha düşük değerler almıştır (Şekil 5, 7). Kovansız deneyde ise CO değeri ocak ortasında HFK = 1.26 ile yapılan deneye göre 6 misli daha fazla değer almıştır. Hava fazlalık katsayısı 1.2 için R175 ölçüm çizgisi (alev geri dönüşünde) üzerinde karbonmonoksit emisyonunun, alev içindeki (R1) emisyona göre daha yüksek değerler aldığı tespit edilmiştir (Şekil 8). Kovanın mevcut olmadığı yanma odasının ikinci yarısında, gazların yön değiştirdiği arka bölümünde, karbonmonoksit emisyonunun özelikle kovansız deneyde ppm aralığında değer aldığı görülmektedir. CO emisyonu alev merkezine yakın bölgede oluşurken azalan hava fazlalık katsayısı ile birlikte yanma odası cidarına doğru yayılmaktadır (Şekil 7, 8). Kovanlı deneylerde ise CO emisyonu oldukça

9 düşük değer almıştır. Çapı ve uzunluğu Ø25*2 olan kovanda alev geri dönüşünde CO emisyonu ortalama 1 ppm ile en düşük değerdedir. CO (ppm, %3 O2), Kovanlı Ocak ağzından olan mesafe (cm) Kovanzız 2*2 25*2 3*2 25*4 3*4 Kovansız Şekil 7. R1 ölçüm çizgisi üzerinde CO emisyonlarının değişimi (Yakıt debisi=1.72 Nm 3 /h, HFK=1.2). CO (ppm, %3 O2), Kovanlı Ocak ağzından olan mesafe (cm) Kovanzız 2*2 25*2 3*2 25*4 3*4 Kovansız Şekil 8. R175 ölçüm çizgisi üzerinde CO emisyonlarının değişimi (Yakıt debisi=1.72 Nm 3 /h, HFK=1.2) Bacadan yapılan ölçümler Kazanın bacasından ölçülen CO emisyonun değişimi Şekil 9 da verilmiştir. Hava fazlalık katsayısının 1.26 değerinde tüm deneylerde baca gaz içindeki CO derişikliği 2 ppm değerinin altında ölçülmüştür. Hava

10 fazlalık katsayısının 1.2 değeri için karbonmonoksit emisyonu artmıştır. HFK=1.26 değerinde kovansız durumda karbonmonoksit emisyonu 18 ppm iken HKF=1.2 için 1411 ppm değerine yükselmiştir. HFK=1.2 değerinde Ø25*2 kovanı için CO emisyonları 2766 ppm ile en düşük değeri almıştır. Diğer kovanlarda ise kovansız durumdaki emisyonun yarısından daha az değerler ölçülmüştür. CO (ppm, %3 O2) HFK = 1.26 HFK = KOVANSIZ 2*2 25*2 3*2 25*4 3*4 5. Sonuç Şekil 9. CO emisyonlarının HFK ile değişimi. Gaz yakıt yakılan yanma odalarında, diğer fosil yakıtlarla kıyaslandığında düşük hava fazlalık değerlerinde tam yanmaya yakın şartların sağlanması mümkündür. Hava fazlalık katsayısının stokiyometrik değerde olması halinde karbonmonoksit emisyonu eksik oksijen yüzünden artmaktadır. Stokiyometrik ve üstü hava fazlalık katsayılarında yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar bu artışı göstermiştir. Yanma odası içine yerleştirilen çeşitli çap ve boydaki kovanların, stokiyometrik şartlarda yanma halinde karbonmonoksit emisyonunun düşmesini sağladığı tespit edilmiştir. Yapılan deneylerden kovan kullanımının, kovansız duruma göre karbonmonoksit emisyonunu, %75 oranında düşürdüğü görülmüştür. Kullanılan kovanların boyları 2 ve 4 cm dir. 2 cm boyundaki kovanların emisyon azatlımı için daha etkili olduğu görülmektedir. Kovan çapı açısından incelendiğinde, alev çapına en yakın değerdeki 25 mm çapının en düşük emisyon değerini oluşturduğu tespit edilmiştir.

11 Yanma odası içine kovan şeklindeki ilave yüzeylerin yerleştirilmesinin, alev ve alev geri dönüşü bölgelerini birbirinden ayırarak, stokiyometrik yanma halinde yanıcı ve yakıcı karışımının daha iyi sağladığı ve bunun sonucu olarak karbonmonoksit emisyonunu düşürdüğü belirlenmiştir. KAYNAKLAR 1. Turns, S. R., 2, An Introduction to Combustion, McGraw-Hill, Inc., New York, Akgüngör, A. A., 2, Doğal gaz yanması ve emisyon oluşumu, İTÜ Yüksek Lisans Tezi. 3. Arısoy, A., Çelik, C., 1995, Doğal gaz yanmasında azotoksit oluşumu, Doğal Gaz Dergisi, Sayı : 4, 4. Tucer, S., 25, Katı yüzey ışınımı ile gaz yakıtlı ocaklarda ısı geçişinin artırılması, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi. 5. İlbaş, M., Yılmaz, İ., Yıldırım, A., 23, Ocak sıcaklığının NOx emisyonu üzerindeki etkisinin nümerik olarak incelenmesi Mühendis ve Makina, Sayı : Aydın, Ö., Böke, Y.E., Alanyalı, S., 25, Emission Control of a Natural Gas Combustion System, Second International On Applied Thermodynamics, Yıldız Technical University, İstanbul, Aydın, Ö., 25, Gaz Yakıtlı Ocaklarda Katı Yüzeyin Emisyona ve Verime Etkisi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi. 8. Onat, K., Genceli, O. F., Arısoy, A., 1998, Buhar kazanlarının ısıl hesapları, Teknik Yayıncılık Tanıtım A.Ş. 9. TS EN 676, 26, Brülörler Otomatik üflemeli Gaz yakıtlar için.