Yanma Kaynaklı Kirleticiler

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Buca/İZMİR Yanma Kaynaklı Kirleticiler Prof.Dr. Abdurrahman BAYRAM Telefon: Faks: ÇEV 3016 Hava Kirliliği ve Kontrolu Bahar YY; Ders-4 : Yanma ve kirleticiler

2 Partikül maddeler Yanma kaynaklı partikül madde emisyonları; - yakıt içindeki inert maddelerden (kül) - eksik yanma sırasında oluşan is ve kurumdan meydana gelir. Partikül maddelerin önemi: * küçük ağırlıklara fakat büyük yüzeylere sahip olması nedeniyle görünürler (ışığı kırar, yansıtır) * Solunabilirler (kendileri toksik olabilir veya toksik maddeleri taşıyabilir) * Baca gazı filtrasyonunda tamamının tutulması zordur. Küçük partiküller baca gazına karışabilir. 2 / 38

3 Partikül maddeler Yanma sırasında; * parçalanma ve kısmi yanma ile büyük partiküller oluşur. Bu mekanik etkinin bir ürünü olarak uçucu kül meydana gelir. * yoğuşma ve çekirdek oluşumu ile buharlaşan ve uçuşan küller toz haline dönüşür. * kondense olamayan küller, aerosol olarak bacadan atılır. * yanmanın tamamlanmaması sonucu is oluşur. (yeterli oksijen olmaması, hidrokarbon oksidasyonunun bastırılması) 3 / 38

4 Kömür yanması sırasında partikül madde oluşumu 4 / 38

5 Yanma sırasında oluşan partiküllerin iriliği ve miktarı, yakma tesisi türlerine göre değişir. 5 / 38

6 PM oluşumunu etkileyen faktörler: Yanma sırasında partikül madde oluşumu etkileyen faktörler: 1- Yakıt türü : inert madde (kül) içeriği 2- Yakıt hazırlama: - katı yakıtlarda kırma, parçalama, pulverizasyon - sıvı yakıtların buharlaşması ve atomize olması 3- Yanma koşulları: - alev sıcaklığı: alevin soğuk bölgelere teması ile hidrokarbon oksidasyonunun bastırılması - yetersiz yakıt hava karışımı - oksijen eksikliği (oksijen eksikliğinde ve yetersiz yakıt hava karışımında, eksik yanma nedeniyle yanabilir nitelikteki bileşikler is-kurum oluşturarak bacaya karışır) 6 / 38

7 İs-kurum oluşumu Hidrokarbon içeren yakıtlar, oksijensiz ortamda ısıtılırsa termal dekompozisyon işlemi oluşur. Bu işlemde hidrojen açığa çıkar ve son ürün olarak is oluşur. İs; - elementer karbonun aglomerasyonunu - hidrokarbonların aglomerasyonunu içerebilir. İs parçacıkları; halka kapanması, halkalı bileşikler veya çoklu halkalı bileşikler yoluyla oluşur. İs; - oksijen eksikliği - yetersiz yakıt/hava karışımı - yüksek sıcaklık Sadece yanma koşullarına değil, yakıt türüne de bağımlıdır. Hava eksikliği varsa; yüksek C/H oranına sahip yakıtlar, düşük C/H oranına sahip yakıtlara göre daha fazla is oluşumuna neden olur. Örneğin: CH4 -- C2H2 7 / 38

8 Sıvı ve gaz yakıtlarda is-kurum oluşumu Kurum parçacıklarının kuagulasyonu Kurum parçacıklarının yüzey gelişim reaksiyonları İlk is-kurum parçacıklarının oluşumu Yakıtça zengin bölgelerde daha büyük hidrokarbonların oluşumu Yakıt moleküllerinin daha küçük hidrokarbonlara parçalanması 8 / 38

9 Kömür ve fueloilde PM oluşumu 9 / 38

10 İs oluşumu 10 / 38

11 Karbon monoksit (CO) Karbonmonoksit (CO), hidrokarbonların eksik yanmalarının ürünüdür. CO oluşumunda 3 temel neden vardır: - yakıt ve oksijenin yetersiz karışımı, - oksijen eksikliği, - alıkonma süresinin çok kısa olması. 11 / 38

12 Hava fazlalığı ile CO ve HC değişimi 12 / 38

13 Hava fazlalığının yanma verimine etkisi 13 / 38

14 Kükürt dioksit (SO 2 ) SO 2, yakıtın bileşimindeki kükürdün yanması sonucu meydana gelir. Kömür, fuel oil, doğal gaz gibi fosil yakıtlar oluşurken, amino asitler yoluyla bileşimlerinde kükürt ve azot bulunur. Çünkü, aminoasitler bitki proteininin temel bileşenidir. Methionine COOH Cysteine COOH H2N C H H2N C H CH2-CH2-SCH3 CH2SH 14 / 38

15 Kömürde kükürt Yakıtın dönüşüm aşamalarına bağlı olarak, organik kükürt bileşenleri değişik bileşiklere dönüşürler. Madde ne kadar yaşlı ise, organik bileşikler o kadar mineralize olurlar. En eski fosil yakıt olan mineral kömürde kükürt bileşikleri, büyük çoğunlukla anorganik formda (piritik kükürt, sülfit ve sülfat) bulunur. Kömürde uçucu madde ne kadar çoksa, o kadar çok organik kükürt bulunur. Değişik yakıtlarda S oranları: - kömürde %0,2-9 - hampetrolde %0,2-3 - Biokütlede %0,02-0,25 15 / 38

16 Pirit reaksiyonları FeS 2 FeS + ½ S 2 FeS FeS + ½ S 2 FeS 2 + H 2 FeS + H 2 S FeS + H 2 Fe + H 2 S FeS 2 + CO FeS + COS FeS + CO Fe + COS 16 / 38

17 Fuel-oilde kükürt Karbonun, hidrokarbon formunda bulunduğu mineral yağlarda, kükürt bileşikleri organik bağlı olarak bulunur (merkaptanlar). Organik kükürtlü bileşikler, onların saf hidrokarbon yapısına göre daha yüksek kaynama noktasına sahiptirler. C 2 H 5 -SH (etilmerkaptan: 35 C) C 2 H 6 (etan: -88,6 C) Bu nedenle kükürt bileşikleri, rafinasyon sırasında daha ağır fraksiyonlarda birikirler. 17 / 38

18 Ham petrolde kükürt 18 / 38

19 Doğal gazda kükürt Doğal ve sentetik gaz yakıtlarda kükürt, H 2 S formunda bulunur. Sağlık ve korozyon etkisi nedeniyle H 2 S, dağıtım öncesinde alkali gaz yıkama veya sulu amin çözeltisi ile giderilir. Bağlı H 2 S, ısıtma ile uzaklaştırılır ve Claus prosesi ile işletilir. 2 H 2 S + 3 O 2 2 H 2 O + 2 SO 2 2 H 2 S + SO 2 2 H 2 O + 3 S 19 / 38

20 Reaksiyonlar Fuel-S RS SO SO 2 SO 3 Doğrudan mümkün RS: HS, CS, CH 3 S CH 3 -SH + 3 O 2 - SO 2 + CO H 2 O X + SO 2 + M = XSO 2 + M Y + XSO 2 = XY + SO 2 X, Y : H, O, OH 20 / 38

21 SO 3 Oluşumu SO 3, çok korozif ve mutlaka kontrol edilmesi gereken bir gaz. Katalizör varlığında SO 2 nin oksidasyonu ile oluşur. Homogeneous SO 2 + O + M = SO 3 + M SO 3 + O = SO 2 + O 2 Heterogeneous SO 2 + ½ O 2 = SO 3 (Vanadyum katalizörlüğünde) 21 / 38

22 H 2 S oluşumu Tam yanma sırasında (hava eksikliğinde) yüksek sıcaklıkta elementer kükürt ve H 2 S oluşur (yakıtın indirgenme koşullarında) CH 3 -SH + ½ O 2 H 2 S + HCHO 2 H 2 S + O 2 2 H 2 O + 2 S Çoğu yakma proseslerinde indirgenmiş kükürt bileşikleri çok azdır. 22 / 38

23 SO 2 kontrolu 1. Yanma sırasında kontrol (yakıta ve yanma bölgesine katkı ilavesi) 2. Baca gazı arıtımı Kullanılan yakıt ve yakma teknolojisine bağlı olarak; yakıta, yanma bölgesine veya baca gazına CaCO 3, Ca(OH) 2, CaO ilavesi ile yüksek verimde SO 2 gidermek mümkündür. CaCO 3 CaO + CO 2 Ca(OH) 2 CaO + H 2 O CaO + SO 2 CaSO 3 CaSO 3 + ½ O 2 CaSO 4 23 / 38

24 Ca/S mol oranları ile SO 2 giderme ilişkisi 24 / 38

25 NO x (NO, NO 2, N 2 O) oluşumu Azotoksitler (NOx), yüksek sıcaklıktaki yanma işlemlerinde, - yanma havasındaki azotun oksidasyonu - yakıttaki azotun oksidasyonu ile oluşur. Normal yanma koşullarında %95 NO, %5 NO 2 oluşur. Düşük sıcaklıklarda az oranda N 2 O oluşur Öncelikle NO oluşur. Baca gazında yeterli oksijen varsa daha zehirli olan NO 2 oluşur. Atmosferde bu dönüşüm artar. Yanma sırasında NO oluşumunda 3 mekanizma vardır. - Termal NO (yavaş) - Yakıt NO (yavaş) - Ani (prompt) NO (hızlı) Normal yanma koşullarında yakıt ve termal NO baskındır. 25 / 38

26 Yanma sıcaklığı ile NOx türlerinin ilişkisi 26 / 38

27 Yanma sıcaklığı ile NOx türlerinin ilişkisi 27 / 38

28 Termal NO oluşumu (Zel dovich Mekanizması) 1300 C ın üzerinde ve artan sıcaklıklarda atomik oksijen (O) konsantrasyonu O 2 ayrışması ile artar. O 2 2O Alev bölgesinde, O 2 nin yüksek olduğu bölgelerde: O + N 2 NO + N N + O 2 NO + O 1300 C ın üzerinde ve yakıtça zengin bölgelerde: N + OH NO + H 1600 C ın üzerinde, termal NO oluşumu çok önemli rol oynar. 28 / 38

29 Alev içinde radikal konsantrasyonları 29 / 38

30 Termal NO oluşumunu etkileyen faktörler * Reaksiyon bölgesindeki hava/yakıt oranı atomik oksijen konsantrasyonunu etkilediği için NO artar. NO emisyonları, azalan hava/yakıt oranı ile azalır. * Reaksiyon bölgesindeki sıcaklık: Oksijen ayrışması yüksek sıcaklıkta artacağı için NO artar. O2 2O O + N2 NO + N * Max. Sıcaklıkta gazın bekleme süresi veya reaksiyon sonrasındaki soğuk reaksiyon ürünleri ile karışım hızı: Kısa bekleme süresi, daha az NO. 30 / 38

31 Yakıt NO Fosil yakıtların bileşimindeki azot, organik azot şeklindedir (Pyrole, Pyridine, Quinoline). Piroliz, gazlaşma ve yanma sırasında bunların oranları değişir. Kömürde %0,8-1,5 Fuel-oilde %0,1-0,6 Piroliz sırasında yaklaşık %60 ı uçucu maddeler yoluyla açığa çıkar. Kalan kısım, heterojen reaksiyonlarla oksitlenir. Organik azot oksidasyonu, sıcaklığa daha az bağımlıdır. 31 / 38

32 Yakıt NO 32 / 38

33 Alevin yakıtça zengin kısmında hem yakıta bağlı hem de termal NO oluşabilir. Bu sırada yakıttaki organik azottan oluşan NO, yakıt partikülleri (is) üstünde moleküler N 2 ye ayrışabilirler. NH 3 ½ N 2 + 3/2 H NO + CO ½ N 2 + CO 2 HCN + 2 NO 3/2 N 2 + CO 2 + ½ H 2 Yakıta bağlı NO, prensip olarak; - kömürde ençok, - petrolde daha az - gaz yakıtlarda en az oluşur. 33 / 38

34 Değişik yakıtlarda Yakıt-NO oluşum miktarları 34 / 38

35 35 / 38

36 Ani (prompt) NO Alevdeki düşük oksijen bölgelerinde, moleküler nitrojen ile yakıt radikalleri yoluyla NO oluşur. (Fenimore) CH + N 2 HCN + N C + N 2 CN + N CN + H 2 HCN + N CN + H 2 O HCN + OH HCN, CN + O NO + R CN radikalleri, HCN e dönüşür. Bu arada N açığa çıkar. Siyanürlü bileşikler ve N, NO ya oksitlenir. 36 / 38

37 N 2 O oluşumu ve giderimi 37 / 38

38 NOx kontrolu Yanma sırasında NOx emisyonlarının azaltılması: * Yanma koşullarının kontrolu: Sıcaklık ve hava fazlalığı * Yakıcı veya yanma bölgesine baca gazlarının sirkülasyonu * Alevde veya yanma bölgesinde kademeli yakma * Kademeli yakıt besleme 38 / 38