Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Buca/İZMİR Endüstriyel Kaynaklı Hava Kirliliği Prof.Dr. Abdurrahman BAYRAM Telefon: 0232 3017494 Faks: 0232 3017498 E-Mail: abayram@deu.edu.tr ÇEV 4021 Endüstriyel kaynaklı hava kirliliği
Terimler Hava kirletici: Havanın doğal bileşimini değiştiren her türlü madde Emisyon: Kirletici kaynaklardan (evler, sanayi, araçlar) çevreye verilen gaz veya toz haldeki kirleticiler Hava kalitesi: Hava kirliliğinin derecesi Emisyon faktörü Kirletici kaynaklarda birim ürün, hammadde veya yakıt başına oluşan kirletici miktarı
Birimler Parametre Emisyon Hava kalitesi Kütlesel kons. mg/m 3 ;mg/nm 3 mg/m 3 ; µg/m 3 Hacim kons. cm 3 /m 3 ; ppm v ppb; ppt Kütlesel debi kg/saat; g/s - Birikim - mg/m 2 /gün Emisyon faktörü kg/t; kg/gj; g/km - Etki dozu µg/kg
Birimler - ppm (milyonda bir kısım) cm 3 /m 3 - mg/m 3 = ppm x yoğunluk - yoğunluk= molarkütle/molarhacim - mg/m 3 = ppm (molarkütle/(r x T / P )) - T, sıcaklık ( K) - P, basınç (atm) - R, 0,08207 (lt x atm/ K x gmol)
0 C ve 1 atm koşullarında 1 ppm SO 2 = 2,86 mg/nm 3 (= 1 x 64 /(0,08207 x 273 / 1) 1 ppm NO x = 2,053 mg/nm 3 (NO 2 olarak) (= 1 x 46 /(0,08207 x 273 / 1) 1 ppm CO = 1,25 mg/nm 3 (= 1 x 28 /(0,08207 x 273 / 1)
Hava kirletici kaynaklar DOĞAL KAYNAKLAR Orman yangınları Volkanlar Çöller Denizler, okyanuslar İNSAN KAYNAKLILAR Noktasal - Sanayi tesisleri Alansal - Evsel ısınma - Yerleşim alanları - Sanayi bölgeleri - Büyük maden işletmeleri (açık ocak) Çizgisel - Trafik, araçlar YANMA 7 / 18
Yanma Yanma, yakıtın içindeki yanabilir elementlerin oksijenle hızla reaksiyona girerek ısı açığa çıkarmasıdır. Bu yanabilir maddeler, başta karbon (C) ve hidrojen (H) olmak üzere, kükürt (S), azotun (N) karışımıdır. C + O 2 CO 2 + ısı 97000 kcal/kmol C + ½ O 2 CO + ısı 28500 kcal/kmol 2 CO + O 2 2 CO 2 + ısı 68000 kcal/kmol 2 H 2 + O 2 2 H 2 O + ısı 68000 kcal/kmol S + O 2 SO 2 + ısı 97000 kcal/kmol 8 / 18
Yakma işlemi Yakıtın tutuşma sıcaklığına kadar ısıtılması Yakıt hava karışımı Kimyasal reaksiyonlar ve ısının açığa çıkması Oluşan ısının transfer edilmesi Bazı yakıtlar için tutuşma sıcaklıkları Linyit 250-400 C Taş kömürü 400-500 C Fuel oil 210 C Odun 300-350 C 9 / 18
Tam yanma Yanma reaksiyonları sonucu oluşan gazlarda hiçbir yanıcı madde bulunmuyorsa yanma tamdır. Tam yanmada, yakıt bileşimindeki karbon, hidrojen ve hidrokarbonlar CO 2 ve H 2 O na dönüşür. Baca gazlarında CO bulunması, yanmanın tam olmadığını gösterir. Basit bir hidrokarbon yakıtın tam oksidasyonu: C n H m + (n + m/4) O 2 n CO 2 + m/2 H 2 O 10 / 18
Gerçek yanma Yakıt içerisinde safsızlıklar da bulunduğundan bunlar da yanmaya katılır ve yanma sonunda başka bileşiklere dönüşüp (oksidasyon) yanma ürünleri olarak baca gazı ile birlikte atmosfere atılırlar. Yakıt saf oksijen yerine hava içindeki oksijenle yandığından havadaki azot yanmaya katılır ve NOx oluşturur. Yanma her zaman tam yanma olmaz ve baca gazında yanabilir bileşikler (CO, C x H y ) bulunur. Metanın yanması: CH 4 CH 3 OH HCHO HCOOH CO CO 2, H 2 O metan metanol formaldehit formikasit 11 / 18
Eksik yanma C n H m + (2n + m)/4 O 2 n CO + m/2 H 2 O C n H m + y O 2 2y CO + (m/2) H 2 + (n-2y) C s C n H m +? O 2 CO 2 + CO + H 2 O + H 2 + HC 12 / 18
Yakıt: Odun, kömür Motorin, fuel-oil LPG, doğal gaz Yanma kaynaklı kirleticiler Yakma tesisi: Soba, kalorifer Sanayi kazanı Termik santral YANMA İŞLEMİ Tam Yanma * CO 2 * H 2 O Eksik yanma * CO * İs, kurum * Hidrokarbonlar Tam yanma yan ürünü: NO x Yakıt safsızlığı * SO 2, SO 3, H 2 S * NO x * Uçucu kül Emisyon Kontrolu Yanma Kontrolu * Tesis tasarımı * Yakıta uygun tesis seçimi * İşletme kontrolu * Yakıt seçimi * Baca gazı arıtımı Bacadan çıkan kirleticiler (standartları sağlamalı) 13 / 18
3T kuralı İyi bir yanmanın olabilmesi için 3 temel faktör: Sıcaklık (Temperature) Karışım (Turbulance) Zaman (Time) 14 / 18
Yanma havası bileşimi Yanma havası % hacim Mol ağırlığı Azot 78,09 28,016 Oksijen 20,95 32,000 Argon 0,93 39,944 CO2 0,03 44,010 Oksijen, ağırlıkça %23,14 Pratik olarak havanın bileşimini; %20,9 oksijen ve %79,1 azot alırsak her 1 mol oksijen 79,1/20,9 = 3,78 mol N 2 taşır. 15 / 18
Yanma havası C n H m + (n + m/4) O 2 n CO 2 + m/2 H 2 O C n H m +(n + m/4)(o 2 + 3,78 N 2 ) n CO 2 + m/2 H 2 O + 3,78(n+m/4) N 2 Yanan her mol yakıt 4,78 (n+m/4) mol hava gerektirir ve 4,78 (n+m/4) + m/4 mol yanma ürünü oluşturur. Stokiyometrik koşullarda molar yakıt/hava oranı: 1/ 4,78 (n+m/4) Baca gazı bileşimi molar olarak verildiğinde; Y, CO2 = n / 4,78 (n+m/4) + m/4 Y, H2O = (m/2) / 4,78 (n+m/4) + m/4 Y, N2 = 3,78(n+m/4) / 4,78 (n+m/4) + m/4 16 / 18
Hava fazlalığı Pratikte yakıt ile havanın temasının daha iyi sağlanabilmesi için sisteme gerekli havadan biraz daha fazlası verilir. Fazladan verilen havayı da içeren toplam havanın, gerekli hava miktarına oranına hava fazlalık katsayısı denir. ( ) = Verilen hava miktarı / Stokiyometrik hava ihtiyacı = CO 2,max / CO 2 = 21 / (21 - O 2 ) 17 / 18
Hava fazlalığı ve karışım Hava fazlalığı, yanma verimini etkileyen en önemli faktördür. Hava eksikliği eksik yanmaya neden olur. İyi bir karışım sağlanabiliyorsa küçüktür, sağlanamazsa büyür. Karışımın daha iyi olduğu gaz ve sıvı yakıtlarda küçük, katı yakıtlarda büyüktür. Yakıt cinsi CO 2 CO 2 +O 2 Gaz yakıtlarda 1,1 1,2 Fuel oil 1,05 1,15 15,0 15,4 16,5 16,9 Toz linyit 1,18 1,25 16,0 17,0 20,1 20,4 Toz taşkömürü 1,25 1,50 12,5 15,5 19,0 19,4 Taşkömürü (mekanik yükleme) 1,38 1,69 12,5 15,5 19,3 19,6 Linyit (mekanik yükleme) 1,24 1,33 14,0 15,0 20,3 20,4 18 / 18
Yanmayı etkileyen diğer faktörler: Yetersiz hava-yakıt karışımı (yerel hava eksikliği) Yetersiz pulverizasyon (katı ve sıvı yakıtlar için) Yanma odası duvarlarında yanma gazlarının ani soğuması (soğuk duvar etkisi) Yüksek sıcaklıkta düşük kalma süresi 19 / 18
Hava fazlalığının yanma verimine etkisi 20 / 18
Kömürlü bir termik santral verileri Parametre Kömürün Niteliği Kömürün Kaynağı Tasarım Kömürü İthal Taş Kömürü Tüm Dünyadan Kalorifik Değer (kcal/kg) 6.090 Nominal Yakıt Tüketimi (t/saat) 243 Yıllık Ortalama Yakıt Tüketimi (ton/yıl) 1.845.920 Kömür Depolama Kapasitesi (gün= 60 Uçucu Madde (%) 32,00 Su (%) 11,00 Kül (%) 10,00 Karbon (C) (%) 65,00 Hidrojen (H) (%) 4,00 Oksijen (O) (%) 8,00 Azot (%) 1,30 Kükürt (S) (%) 0,68 Klor (CI) (%) 0,02 Flor (F) (%) < 0,03 Kül İçeriği SiO2 (%) 53,0 Al2O3 (%) 26,0 Fe2O3 (%) 8,0 CaO (%) 4,0 MgO (%) 1,7 Na2O (%) 1,0 K2O (%) 1,3 TiO2 (%) 1,5 P2O5 (%) 0,5 SO3 (%) 2,5 21 / 18
Kömürlü bir termik santral verileri Birim Değer Baca gazı debisi (ıslak, mevcut O 2 ) Nm 3 /saat 2.046.706 Nm 3 /saat Baca gazı debisi (kuru, ref. O2) 2.185.000 Arıtılmamış SO 2 mg/nm3 1.521 Arıtılmış SO 2 mg/nm3 150 Ünite başına düşen BGD absorblayıcı sayısı 1 Arıtma derecesi % 90,1 Arıtılmış SO 2 miktarı kg/saat 2.996 Absorban giriş sıcaklığı Cº 130 Absorban çıkış sıcaklığı Cº 50 Absorban sıvı/gaz oranı I/Nm 3 10,0 Kireçtaşı tüketimi kg/saat 4.437 Proses suyu ihtiyacı ton/saat 95 Oksidasyon hava üfleyici kapasitesi Nm 3 /saat 7.000 Enerji ihtiyacı Kireçtaşı öğütümü kw 300 Absorban dönüşüm pompası kw 2.342 Oksidasyon hava üfleyicileri kw 250 ID fanları kw 2.316 Diğerleri kw 300 Rezerv kw 275 BGD toplam enerji ihtiyacı MW 5,8 Alçıtaşı üretimi (kuru) kg/saat 7.148 Alçıtaşı üretimi (%10 nemli) kg/saat 7.943 BGD atıksuyu m 3 /saat 4 22 / 18
Ham petrolde kükürt 23 / 18
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 24 / 18
Ca/S mol oranları ile SO 2 giderme ilişkisi 25 / 18
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. 26 / 18
Yanma sıcaklığı ile NOx türlerinin ilişkisi 27 / 18
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 / 18
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. 29 / 18
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. 30 / 18
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. 31 / 18
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 32 / 18