pentaoksit (V20g)'e rastlanmamıştır. Tablo l'de çeşitli bölgelerde kulla

Transkript

1 34 ARKADAN ATEŞUÎMELİ REJENERATİF FIRINLARDA DOĞAL GAZ KULLANIMI Dr. Bülent ÖZASLAN Dr. Ali ALTINER Kırklareli Cam Sanayii A.Ş. ÖZET 198^» yılında işletmeye açılmış olan Kırklareli Cam Sanayii A.Ş. fı rınlarında yakıt olarak doğal gazdan yararlanılmaktadır. Bu bildiri de 60 ton/gün kapasiteli iki fırının işletmeye açıldığından itibaren doğal gazın bekten çıkış hızının ve bek açılarının fırın parametre lerine (yanma, alev formu, ısı transferi, fırın atmosferi, yakıt eko nomisi vb.) etkileri incelenerek optimum şartları bulmaya yönelik ça lışmalar ve bunların sonuçları tartışılmıştır. Yapılan incelemeler sonucu bek açılarının artırılmasının gerek fırın daki oksidasyon şartları gerekse yakıt ekonomisi açısından olumlu so nuç vereceği anlaşılmıştır. İşletmemizde doğal gaz basıncı sabit tu tulduğundan doğal gaz ile yakma havasının temas yüzeyini artırmada farklı ölçülerdeki bek uçlarından yararlanılmış ve cam çekişi ile bek çapı arasında pratikte uygulanabilecek limitler belirlenmiştir. Doğal gazın yakma havası ile temas yüzeyinin artmasının fırın oksidasyon şartlarına pozitif etki yaptığı saptanmıştır. GİRİŞ Doğal gaz, petrolde olduğu gibi, organik maddelerin jeolojik formasyo nundan oluşmaktadır ve cam eritme fırınlarında uzun zamandan beri yo ğun bir şekilde kullanılmaktadır, örneğin, yalnızca A.B.D.'de bir dönem de kullanılan doğal gaz miktarı 6 milyar m^'ü bulmaktadır. Her ne ka dar yeryüzündeki çeşitli bölgelerde kullanılan doğal gazların bileşimle rinde oldukça farklılıklar varsa da şu genellemeler yapılabilir. Doğal ga zın bileşiminde en yüksek oran metandır. Etan ve daha yüksek karbon zincirli hidrokarbonları oranı genelde % 16'dan azdır ve inert gazların toplamı % lo'u aşmaz. Kükürt eser miktarda bulunabilirse de vanadium pentaoksit (V20g)'e rastlanmamıştır. Tablo l'de çeşitli bölgelerde kulla nılan doğal gazların bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri verilmiştir. Do

2 35 ğal gaz kullanılan bir fırında yanma, yanma ürünleri, ısı transferi, alev formu diğer yakıtlara (örneğin, fueioil, LPG) göre farklılıklar gösterir. Doğal gazın bu özellikleri kısaca özetlenirse; Yanma Doğal gazda yanma moleküler seviyede olduğundan yakma havası ile olan reaksiyon çok kısadır ve hava İle gazın fiziksel karışımının ayrı bir öne mi vardır. Yanmanın üçte ikisinin karışmış alevin üçte birinde tamamlan makta olduğu genel olarak belirtilmektedir.^'^ Yanma Ürünleri Doğal gaz yanma reaksiyonları ön ısıtmalı (havasız ortamda) ve ön ısıtmasız olarak iki kısımda ele alınabilir ki, biz sonuncusuna kısaca değine ceğiz. Metanca zengin doğal gazın şeffaf alev verme durumunda metan (CH^), oksijen ve hidroksil (Oll) radikalleri aracılığı ile kısa ömürlü (CH^.), (Cll^.) ve (CH.) ara radikalleri üzerinden karbon (C) ve hidrojen gazı (II2) ürünlerine ulaşır. Doğal gazdaki ağır hidrokarbon miktarındaki artış parlak alevin oluşma sına, yani radyasyonun artmasına sebep olur. Nitekim Veh hidrokarbon alevindeki karbon partikül radyasyonunun gaz yakıttaki hidrokarbon kon (2) santrasyonuna bağımlı olduğunu bulmuştur. Isı Transferi Yanma ve yanma ürünlerinden oluşan ısının genelde iki yolla, konveksiyon ve radyasyonla, İletildiği bilinmektedir. Doğal gaz alevinin durumuna göre (parlak veya şeffaf) ısı transfer değerlerinde değişimler söz konu sudur. Parlak alevde kemerden radyasyonla yayılan ısı, alev tarafından emilmekte, bu sebeple ısı transferi konveksiyon ağırlıklı olmaktadır. Halbuki şeffaf alev durumunda kemer refrakterlerinden yansıyan ısının

3 36 % 75'inin ergimiş cama ulaşabilmekte olduğu belirtilmiştir.^^^ Bu durum da, parlak deve nazaran şeffaf alevin % 3'lük bir ısı transferi fazlalığı olduğu hesaplanmış^^^ ve deneysel olarak gösterilmiştir/^^ Her ne kadar teorik olarak şeffaf alevin vereceği ısının daha fazla olduğu anlaşılıyorsa da pratikte parlak alev aşağıdaki iki nedenden dolayı genelde tercih edilmektedir. Birincisi, ısı transferinin büyük kısmının alevden cama konveksiyon yoluyla gelmesi tercih edilir, İkincisi, şeffaf alevi kontrol etmek güçtür. Kolaylıkla rejeneratöre veya kemere zarar verilebilir. DOĞAL GAZIN KULLANİMİ VE FIRIN PARAMETRELERİNİN İNCELENMESİ Konveksiyonla ısı iletiminin ağır bastığı bir ortamda, konu sadece ısı transferi, dolayısı ile yakıt ekonomisi açısından değil, aynı zamanda fı rın oksidasyon şartlan ve dolaylı olarak cam renk parametreleri üzerine direk etkisi olan iki önemli parametre; bek açıları ve doğal gazın bek ten çıkış hızları bu çalışmada incelenmiştir. Çalışmaların yapıldığı fırınlarla ilgili bazı parametreler Tablo Il'de veril miştir. Arkadan rejeneratörlü ve port altı ateşlemeli fırınlardaki oksidasyon şartları üzerinde bek açıları ve bek çaplarının etkileri ayrı ayrı incelen diğinde Tablo III ve Tablo IV'de özetlenen değerler elde edilmiştir. Port altı ateşlemeli fırınlarda yanma kontrolü iki şekilde, bek açılarını veya bek çaplarını değiştirerek yapılabilir. 1. Bek Açılarının değiştirilmesi Port altı ateşlemeli fırınlarda bek açılarının değiştirilmesinin etkileri şu iki ana teoride toplanabilir. a) Bek açıları yükseltilerek yakma havası ile doğal gaz arasında daha

4 37 iyi bir karışım elde edilir. Aynı zamanda bu iyi karışım neticesin de alev ile cam yüzeyi arasındaki bölgenin indirgenliği azaltılmış, (6) olur. b) Bek açıları alçaliılarak, biraz daha uzun fakat cam yüzeyine yakın olması bakımından, konveksiyonla ısı iletim şansı daha fazla olan bir alev elde edilir. Alev ile cam yüzeyi arasındaki indirgen ortam (7) yakma havası miktarı artırılarak elimine edilir. Tablo III incelendiğinde, çekiş ve doğal gazın bekten çıkış hızı sabit tutularak açı değişim değerleri sonucu % oksitlenme miktarlarına ba kıldığında artan açılarla fırındaki oksidasyon yüzdesinin arttığı görül müştür. özellikle B fırını değerlerine bakıldığında 44 ton/gün çekişte ve 9 'lik bek açısında yakma havası miktarı ancak 3.5 kat artırıldık tan sonra 12^'lik bek açısındaki % oksidasyon değerlerine erişilmekte dir. 2. Bek Çaplarının Değiştirilmesi iki gazın karışma oranlarını artırmak için hızlan arasındaki farkı ar tırmak gerekir. Doğal gazın çıkış hızının artırılması hava/gaz karışımı nı kolaylaştıracağı için yanma geride ve şeffaf olacak, aynı zamanda alev ile cam yüzeyi arasında daha yükseltgen bir ortam oluşacaktır. Tablo IV incelendiğinde elde edilen değerlerin bu teoriyi doğruladığı görülmektedir. örneğin, B fırınında gerek 9, gerekse 10^'lik bek açılarında yakma havası miktarı yaklaşık % 50 fazla olmasına rağmen bek çapı büyüdük çe daha indirgen bir ortamın oluştuğu görülmektedir. A fırınında 19 mm ve 20 mm çaplı bek uçlarından elde edilen sonuçlar teoriyle çe lişkili gibi görülmektedir. Mamafih, bilinmektedir ki belirli çekiş de ğerlerinde belli bir bek ucu değerinin altına düşüldüğünde fırın şart larını kontrol etmek güçleşmektedir. Pratikteki sonuçlar 57 ton/gün çekişte 19 mm ve 20 mm çaplı bek uçlarının oldukça yetersiz kaldığı nı ve fırın şartlarının kontrolünde zorlanıldığını göstermiştir. Bu konu ya ileride tekrar değinilecektir.

5 38 BEK AÇI VE ÇAP DEĞİŞİMLERİNİN FIRIN VERİMİNEYAKIT EKONOMİSİ AÇİSİNDAN ETKİLERİ Tablo V'de bek açı değişimlerinin sabit bek çapları ve çekişle özgül ya kıt tüketimlerini, habbe sayısı, canı kırığı oranı ve cam kırıklı harman nemini dikkate alarak incelendiğinde, açının artırılması ile özgül yakıt miktarında azalma görülmektedir. Bilindiği gibi doğal gazın oluşturduğu difüzyon tipi alevde maksimum ısının salıverildiği nokta, havagaz karışı (8) minin gerçekleştiğinoktanm hemen önündedir. Bu noktanın geriye çe kilmesiyle; a) Sıcak nokta geriye kaymakta, dolayısı ile cam kırıklı harmanın eri mesi kolaylaşmaktadır. b) Alevin pozisyonu poria daha yaklaşmakta olduğundan soğuk yakma havasının fırına girişi azalmakta ve gaz çıkış sıcaklığı minimuma in dirgenmekledir. Bek ucu çaplarının yakıl ekonomisine etkilerini incelemek için 'i'ablo VC ya bakıldığında, düşük bek çaplarında yakıt harcamasının azaldığı görül mektedir. Ancak hemen belirtmek gerekir ki, yakıt harcamasında dikkate alınacak en önemli faktörlerden biri camdaki habbe miktarıdır. Habbe sayısı ile cam çekişi ve yakıt tüketimi arasında basit bir bağıntı bulun, (8) muştur. Habbe sayısı (toplam yakıt) Bu bağıntı aşağıdaki şekle çevrilebilir. Habbe sayısı = k (cam çekişi)^ ^2) (toplam yakıt) (2) bağıntısındaki k sabiti, cam kırığı yüzdesi, cam kırıklı harman nemi, fırın basıncı vb. gibi birçok faktörleri içerir. Biz bu değerleri sabit ola rak kabul ettiğimizde, yani k=l olduğunda İkblo V ve Vl'daki "teorik

6 39 habbe" karşılaştırma değerleri elde edilmiştir. Gerek bu karşılaştırma de ğerleri, gerekse cam kırığı oranı ve cam kıtıklı harman nemi dikkate alındığında bek çapları ile yakıt tüketimi arasındaki doğru orantının her zaman sıhhatli bir yaklaşım olmadığı 'görülür, örneğin, A fırınında 20 mm ve 26 mm çaplarındaki beklere ait değerler karşılaştırıldığında her nekadar 20 mm çaplı bekte Nm^/ton cam civarında yakıt tüketiminde olumlu bir fark varsa da, 20 mm çaplı bek kullanılırken cam kırığı oranı % 37 ve habbe sayısı 20 iken 26 mm çaplı bek kulfanılırken bu miktarlar sırası ile % 30 ve 5'tir. Tüm bu değerler karşılaştırıldığında 26 mm'iik bek tercih edilir. Pratikteki çalışmalar göstermiştir ki, belli çekiş sınır larında bek çaplan bakımından alt ve üst limitler vardır. Tablo VlI'de bu sınırlar gösterilmektedir. SONUÇ 60 ton cam/gün kapasiteli fırınlarımızda her ne kadar çeşitli bek açıları denenerek teoriyi doğrulayan sonuçlar elde edilmişse de, optimum çalış ma şartlarının bulunmasıyla ilgili çalışmalar devam etmekledir, örneğin, her iki fırında 9^'lik bek açısından 3570 lon/cam/gün çekiş sınırlan içinde 19 mm28 mm çaplı bir seri bek ucu değerleri dikkatle incelen miştir. Aynı inceleme 10^'lik bek açısında da sürdürülmekte ve 9 'ye na zaran daha verimli şartlarda çalışıldığı alınan sonuçlarla teyid edilmekte dir. Doğal gazın bekten çıkış hızının 7590 m/sn olduğu sınırlarda optimum yanma şartları elde edildiği saptanarak Tablo Vll'de pratikteki sonuçlara uygun bir genelleme yapılmıştır.

7 TABLO.I. ÇEŞİTLİ DOÖAL GAZLARIN KOMPOZİSYONU VE ISIL DEĞERİ: B.Almanya Hollanda Fransa İtalya A.B.D. S.S.C.B. Türkiye Bentheim De Lier Sahara Turin Pensilvan.Saratovf Hamitabat Doğal gaz analizi '^n"2n+2 co^ ea CO ^2 "2 2 H^S 0.5 Üst ısıl değ. (kcal/nm^) Alt ısıl değ, (kcal/nm^) Ol d^= dg/ Wobbe sayısı TABLO.II. K.C.S. FIRINLARINA AİT BAZI PARAMETRELER: Maksimum kapasite Ergitme uzunluğu ton/gün Ergitme genişliği Uzunluk/Genişlik 1.37 Ergitme alanı m 1 R Port kemer açısı Port altı bek taşı ekseninin yataya açısı 10 2

8 4) TABLO.III. BCK AÇİ DLĞİÇİMLCRİNİN FIRIN OKaİDAGYüN ŞARTLARINA ETKİLİ: Fırın Bek Bek çapı Çekiş % [Fe«] % Değer açısı (mm) Cton/gün) Oksijen Oksitlen. sayısı B B B B A A A A A o o TABLO.IV. BEK ÇAPI DEĞİŞİMLERİNİN FIRIN OKSİÜASYÜN ŞARTLARINA ETKİSİ: Fırın Bek çapa D.gazın bek Bek Çekiş % [Fa"] i Değer (mm) ten çıkış hızı (m/sn) açısı (ton/gün) Oksijen ^2 3] V Oksitle. sayısı A A A A A B B B B

9 42 TABLO.V. H O O BEK ACI DEĞİŞİMLERİNİN YAKIT TÜKETİMİNE ETKİSİ: Pırın Bek Bek çapı Çekiş Harmandaki % Özgül yakıt iabbe Teorik Değer açısı (mm) [ton/gün) % Nem (Nm /toncam) Habbe sayısı cam kırığı B E A * A A A 9 21^ A TABLO,VI. 0 o 1 1 BEK ÇAPI DEĞİŞİMLERİNİN YAKIT TOKCTİMİNE ETKİSİ: o o H1 1 Fırın Bek çapı (mm) Bek açısı Çekiş (ton/gün) Harmandaki % cam kırığı % Nem Özgül yakıt 3 (Nm /toncam) Habbe Teorik habbe^ Değer sayısı A ? A A t A A B B B B 22.5 B X : Afjıklanıa için sayfa Ve bakınız.

10 43 TABLO VII DOÖAL GAZIN BEKTEN ÇIKIy HIZI BEK ÇAPI VE ÇEKfS AKASINDAKt BAflINTI 17 1; Bek Çapı (D) ' '' 73, ? 101 4i'' " 75''^ ' X' ''XX/ ' 73' «'K X Vx Xx luu 9i 83/ 70 ' ^ 78/ X/ ^ / '' '^76/ f 64 :X 74, Siv^yy X72 ' m «V y^ y y X/ '' XX" ny Ş y 88 ' y M 6? X/ '90/' y '85'' , y 69 XX/ y f y y Doğal gazın bekten çıkış hızı V (m/sn) Çekiş (ton cam/gün)

11 44 RCFEKANSLAR 1. R.W.H. Bracegirdle, Glass Tech, V0I.I6, No.5, October (1975). 2. Natural üas Firing in ülass Melting Furnaces. p.2v (1968). 3. E.Abbott, Glass lech. Vü1.15, Nu.5, Octuber (1967). "t. J.M.CabreF.Valle (1973) Üyınp.le'iaboration du verre. Madrid. 93, G.Datschefski, Glass Tech. V0I.8, IkS (1967). 6. Prof. E.R.Plumat. Kırklareli Cam Sanayii A.Ş.'deki toplantı G.Nelson, Kırklareli Cam Sanayii A.Ş.'deki toplantı. 17.'» R.P.Wood, Glass Tech. Vol.22, No.2, April (1981).