BUHAR KAZANLARINDA ENERJĐ VERĐMLĐLĐĞĐ Doç. Dr. Durmuş KAYA a, Tansel ŞENER a, Prof. Dr. H. Đbrahim SARAÇ b, Yrd. Doç. Dr. Fatma ÇANKA KILIÇ c a TÜBĐTAK MAM, Durmus.Kaya@mam.gov.tr, Tel: 0262 677 29 53, P.K 21, 41470, Gebze/Kocaeli b Kocaeli Üniversitesi Veziroğlu kampusü Makine Mühendisliği Bölümü, Kocaeli c Kocaeli Üniversitesi Meslek Yüksek Okulu, Kullar/Kocaeli ÖZET Bu çalışmada bir sanayi kuruluşunun 42 bar basınç ve 440 o C de 125.000 kg/h nominal buhar üretim kapasiteli doğalgaz yakıtlı bir kazanında enerji verimliliği çalışmaları yapılmıştır. Bu amaçla kazanda işletme koşullarında ölçümler yapılmış, ölçüm verileri (sıcaklık, basınç, hız, gaz analizleri) kullanılarak kütle ve enerji dengesi kurulmuştur. Kütle ve enerji dengelerinden hareketle, kazan verimi, potansiyel tasarruf alanları, tasarrufun boyutu, yatırım miktarı ve geri ödeme süreleri hesaplanmıştır. Ölçüm verileri kullanılarak yapılan hesaplamada; kazan verimi %88,28 olarak bulunmuştur. Başlıca verim kayıpları: döner hava ısıtıcılarındaki fazla sızıntı hava kayıpları, kazanların yüksek hava fazlalık katsayılarında çalıştırılması, yüzey ısı kayıpları, yüksek baca gazı sıcaklığı, kazanların kısmi yüklerde çalıştırılması olarak belirlenmiştir. En yüksek verim kaybı ise döner hava ısıtıcılarındaki sızıntı hava kaybı olarak belirlenmiştir. Bu kayıplar, aynı kazanda baca gazı emiş fanının yükünü arttırdığı ve kazanın anma ısıl yüküne çıkmasına engel olduğu ortaya koyulmuştur. Döner hava ısıtıcılarındaki sızıntı hava kayıplarının pratikte kabul edilen limitlere (%10) çekilmesi durumunda kazan üretim kapasitesi %34,2 artışla 88 ton/h den 118,1 ton/h a çıkabileceği hesaplanmıştır. Yukarıda belirtilen tasarruf potansiyellerinden sadece sızıntı hava kaybının giderilmesi ve yüzey ısı kayıplarının azaltılması için yatırım gerektirmekte olup, bu yatırımın miktarı sızıntı hava kaybının giderilmesi için 600.000 ila 700.000 USD arasındadır. Bu durumda yatırımın geri ödeme süresi yaklaşık on beş aydır. Anahtar Kelimeler : Buhar kazanı, enerji verimliliği, enerji tasarrufu ABSTRACT In this study, energy efficiency studies have done in a natural gas fuelled boiler operating at 42 bar pressure and 440 o C temperature with a nominal capacity of 125.000 kg/h steam of an industrial organization. Within this frame, temperature, pressure, velocity, and gas analysis measurements were made, energy and mass balances were constituted with respect to the measurements. From the constituted energy and mass balances, boiler efficiency, potential energy saving, savings quantities, investment costs and pay back period are all calculated. From the measured data, the boiler efficiency was calculated as %88.28. The main efficiency losses; excess air leakages at the rotating air heaters, operating boilers at high air excessiveness coefficient, surface thermal losses, high flue gas temperatures and operation of boilers at part loads. 207
Biggest part of the losses is due to the excess air leakages at the rotating air heaters. Due to these losses, the load of the flue gas emission fans increased and prevented the boiler to reach the nominal boiler capacity. It s calculated that if the excess air leakages at the rotating air heaters is reduced to the acceptable limits (10%) in practice, boiler production capacity will be increased by 34,2% from 88 ton/h to 118,1 ton/h. The implementation costs requires only for excess air leakages at the rotating air heaters and surface thermal losses. The require investment cost for excess air leakages between 600.000 and 700.000 USD. Under these circumstances the pay back period of this investment is about fifteen months. Key Words: Steam boiler, energy efficiency, energy savings 1.0 GĐRĐŞ Genel olarak kazanlar, yakıttaki kimyasal enerjiyi ısı enerjisi şeklinde açığa çıkartarak taşıyıcı akışkana ileten ve basınç altında çalışan kapalı kaplar olarak tanımlanır[1]. Buhar kazanı ise istenilen basınç, sıcaklık ve debide buhar üreten cihazlar olarak tanımlanmaktadır [2]. Kullanılan ihtiyaca göre çok değişik türlerde üretilen kazanlar, ilk yatırım ve işletme giderleri bakımından oldukça pahalı enerji üreteçleridir. Bu nedenle, kazan amaca uygun seçilmeli, işletilmesinde ve bakımında gerekli özen gösterilmelidir. Kazan seçiminde; kazanın kullanım maksadı, üretilecek buhar miktarı, basınç ve sıcaklığı, besleme suyunun kazana giriş sıcaklığı, suyun sertlik derecesi, kullanılacak yakıtın cinsi, yakıtın alt ısıl değeri ve analizi ve yakıtın fiyatı gibi esaslar göz önüne alınarak ayrıntılı bir analiz yapılmalıdır [2]. 1.1 KAZAN VERĐMLĐLĐĞĐ VE VERĐMLĐLĐĞĐ ETKĐLEYEN FAKTÖRLER Kazan ısıl verimleri hesabında direkt ve dolaylı olmak üzere iki yöntem mevcuttur. Birinci yöntemde: Besi suyu ve buhar miktarları, Besi suyu ve ara buharın sıcaklık ve basınçları, Yakıt besleme miktarı, Yakıt alt ısıl değeri ölçülmelidir. Ölçülen bu değerler yardımıyla kazan verimi: η = mbib msi BHu (1) s Burada, m b : ölçülen buhar debisi (kg/h), m s : ölçülen su debisi (kg/h), i b : buhar entalpisi (kcal/kg), i s : besi suyu entalpisi (kcal/kg), B: ölçülen yakıt debisi (kg /h), H u : yakıtın alt ısıl değeri (kcal /kg) dır. Dolaylı yöntemde ısıl verim, 208
η: 1- Z (2) ifadesi ile belirlenir. Burada Z (% olarak) çeşitli ısıl kayıplardır. Başlıca kayıplar: Eksik yanma, Fazla hava, Baca gazında su buharı nedeniyle olan ısı kaybı, Baca gazı sıcaklığı, Yakıt cinsi, Kazan yükü, Kazan yüzeyinden olan ısı kayıpları, Isıtıcı yüzey kirliliği şeklinde sıralamak mümkündür. 1.1.1 Eksik yanma Eksik yanma, katı ve sıvı yakıt içerisinde bulunan yanabilir maddelerin yanmayarak kül içinde kalması veya baca gazında yanmamış hidrokarbon ve karbon monoksit olarak atılması durumunda meydana gelmektedir. 1.1.2 Fazla hava Kazanlarda yanma sistemi, yanma problemlerine neden olmayacak minimum hava yakıt oranı verecek çalışma seviyesinde ayarlanmalıdır [4,5]. Fazla hava miktarı gereğinden çok olursa, baca gazı miktarını arttırır ve artan bu miktardaki hava, baca gazı sıcaklığına kadar ısınıp enerji alacağından daha fazla ısınıp bacadan atılmasına neden olur. Ayrıca baca gazı miktarının artması, gaz debisinin, dolayısıyla hızının artmasına ve ısı transferinin düşmesine neden olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı fazla hava miktarının mümkün olan en düşük seviyede tutulması gerekmektedir. Bunu sağlamak için; baca gazındaki O 2 seviyesi kontrol edilmeli, hava ayarı yapılarak oksijen miktarı mümkün olan en düşük seviyeye getirilmelidir. 1.1.3 Baca gazındaki su buharı nedeniyle olan ısı kaybı Yakıtlar; serbest nem şeklinde ve kimyasal kompozisyonlarından dolayı bünyelerinde nem bulundururlar. Yakıtın içerisinde bulunan nem, yanma esnasında buharlaşarak açığa çıkmaktadır. Su buharı olarak açığa çıkan nem, kazandaki faydalı enerjinin bir kısmının bacadan dışarı atılmasına neden olmaktadır. Yakıttaki serbest nemin yanmadan önce mümkün olduğunca azaltılması enerji tasarrufu açısından gereklidir [1]. 1.1.4 Baca gazı sıcaklığı Kazan verimini etkileyen önemli faktörlerden birisi de baca gazı sıcaklığıdır. Baca gazı sıcaklığının kabul edilen değerlerin üzerinde olması halinde bacadan atmosfere fazla enerji atılmış olacaktır. Bu durumda kazan verimi düşer. Bacadan atılan enerjinin yüksek olmasının iki ana nedeni vardır. Birincisi ısı transfer yüzeylerinin yetersiz olmasıdır. Bu durumda bacaya hava ön ısıtıcısı veya kızdırıcıları 209
yerleştirilerek baca gazının ısısından faydalanma imkanı sağlanır. Đkincisi ise ısı transfer yüzeylerinde oluşan kirliliklerdir. Bu durumda da kazan boruları belirli periyotlarla temizlenmeli, kazana verilen besi suyunun sertliği kontrol edilmelidir. Baca gazında normal sıcaklığın üzerindeki her 17 o C lik artış verimde yaklaşık olarak %1 lik bir düşüşe sebep olmaktadır. 1.1.5 Yakıt cinsi Farklı yakıtlar, farklı oranlarda karbon ve hidrojen ihtiva ettikleri için ısıl değerleri, yanma sonucu baca gazındaki nem miktarları, kül, cüruf ve kurum miktarları değişmektedir. 3.1.6 Kazan yükü Kazanlardan genellikle düşük ve aşırı yükte çalıştırılmadıkları zaman yüksek verim elde edilir. Çekilen yük oranı yüzde 50 nin altına düştüğünde ise verim eğrisi hızla düşmektedir. Bu yük düşüşüne bağlı olarak kazan yüzeyinden olan ısı kayıplarının yüzdesi artacaktır. Kazanlar çalıştırılırken, kazan kapasitesi göz önüne alınarak mümkün olduğunca bunlara uyulmalıdır [1]. Kazan aşırı yüklenmesi durumunda yanma verimi düşecek ve baca gazı sıcaklıkları artacaktır. Öte yandan düşük yüklerdeki kayıplar esas olarak durma kayıplarından kaynaklanır. Kazan duruşa geçtiğinde hem dış yüzeylerden, hem de baca çekişi nedeniyle iç yüzeylerden soğumaktadır [3]. Kazan yükünün değişmesiyle yakılan yakıt miktarı da değişmektedir. Maksimum verimlere genel olarak, kazan tam yükünün yüzde 70 inden yukarı çalıştığı durumlarda ulaşılmaktadır. Bundan dolayı, kazanlar mümkün olduğu kadar tam yüke yakın bir yükte çalıştırılmaları gerekmektedir [1]. 1.1.7 Kazan yüzeyinden olan ısı kayıpları Kazan yüzeyinden oluşan ısı kayıpları, radyasyon ve konveksiyon şeklinde olmaktadır. Modern kazanlarda bu kayıp genel olarak kazan tam yükte çalışıyorsa % 1 den küçüktür. Bununla birlikte eski tip kazanlarda bu kayıplar % 10 a kadar çıkmaktadır. Kazan yüzey sıcaklığını ortam sıcaklığının yaklaşık 30 o C üstündeki bir değere düşürecek şekilde yapılmış bir izolasyon, bu tür kayıpları en aza indirmek açısından yeterli ve uygun olarak görülmektedir. 3.1.8 Isıtıcı yüzey kirliliği Isıtıcı yüzeylerde kireç taşı ve kurum birikiminin kazan verimi üzerine etkisi büyüktür. Kazanlarda başlangıçta verilen ısıl verim değerleri herhangi bir kir tabakasının oluşmadığı, temiz yüzeyli yeni kazanlar içindir. Isı geçişi yüzeylerinin her iki tarafında (su ve duman tarafları) birikecek kirletici tabakalar ısı geçişini önemli ölçüde engeller ve buna bağlı olarak sıcak gazlar ısılarını suya geçirmeden kazanı terk ederler. Böylece artan baca gazı sıcaklığı ile kazan verimi düşer. Duman tarafında özellikle fuel oil ve kömür yakıldığında kurum birikir. Bu tabakanın temizlenmesi zordur. Bu çalışma endüstriyel bir kuruluşun isteği üzerine yapılmıştır. Çalışmanın esas amacı kurumda mevcut 125.000 kg/h nominal buhar üretim kapasiteli (42 bar basınç, 440 o C) doğalgaz yakıtlı bir kazanında; verim düşüklüğü ve nominal yüke çıkarılmamasının nedenlerini belirleyerek 210
sorunun çözümüne yönelik önerler sunmak, kazan ısıl verim kayıpları miktarlarıyla tespit etmek, kayıpları gidermek için gerekli yatırım miktarı ve geri ödeme süresini belirlemektir. 2. ÖLÇÜM YÖNTEMĐ VE ÖLÇÜM CĐHAZLARI Kazan sistemi esas olarak kazan, döner hava ısıtıcı, brülörler, fanlar ve bacadan oluşmuş olup şematik olarak Şekil 1 de verilmiştir. Kazanda; kazan giriş ve çıkışıyla, döner hava ısıtıcı giriş ve çıkışı arasında kütle enerji dengesi kurabilmek için akışlara ait hız, basınç ve sıcaklık ölçümleri yapılmış, ayrıca sistem üzerindeki mevcut sayaç debi değerleri okunmuştur. Mevcut sayaçlardan alınan değerler (doğruluğundan emin olunduktan sonra) hesaplarda kullanılmıştır. Kazanda gerçekleştirilen ölçüm sistemi şematik olarak Şekil 1 de verilmiştir. BACA SU BACA GAZI BUHAR KAZAN KAZAN ÇIKIŞ GAZI EMĐŞ HAVASI DÖNER HAVA ISITICISI DOGAL GAZ FD FAN SIZINTI HAVA ID FAN YAKMA HAVASI Şekil 1. Kazanlarda gerçekleştirilen ölçüm sisteminin şematik gösterimi Kazanda yakıt olarak kullanılan doğal gazın debisi sayaçtan alınmış, debi değerleri kullanılarak yanma ürünlerinin bileşenleri ve debileri hesap edilmiştir. Hesap edilen bu değerler kazan çıkışı ve baca çıkışında yapılan gaz analizi, basınç, hız ve sıcaklık ölçümleriyle de doğruluğu kontrol edilmiştir. Sistemde kullanılan buhar debisinin belirlenmesi amacıyla, su debileri PANAMETRICS marka transit zaman ultrasonik debi metre yardımı ile ölçülmüştür. Debi metreye ait iki adet transdüser boruya dışarıdan bağlanmış ve akışa paralel şekilde birinci transdüser sinyal üretici ikinci ise sinyal alıcı olarak çalıştırılmıştır. Sinyal ulaşma zamanı ölçülerek ses hızı ile arasındaki fark akışkan hızı olarak belirlenmiştir. Cihaz ayrıca boru çapını da ölçtüğünden geçen debi miktarı da online olarak ölçülmüştür. Cihazın ölçtüğü debi ile kazanda mevcut buhar debi ölçerlerin değerleri zaman zaman karşılaştırılmış ve her iki debi ölçerin birbirine çok yakın debileri ölçtüğü görülmüştür. Kazana giren havanın debileri ise TESTO 445 marka hız ölçer kullanılarak belirlenmiştir. Baca gazı ve kazan çıkış gaz analizlerinin ölçümleri için ise elektro kimyasal detektör yöntemi ile çalışan TESTO 360 ve TESTO 350 marka gaz analiz cihazları kullanılmıştır. 211
TESTO 445 marka cihazla baca gazı hız ve basınç değerleri ölçülmüş ve baca gazı debileri hesaplanmıştır. Baca gazı debilerinin ölçümünden sonra, baca çıkış O 2 yüzdesi ile kazan çıkışta ölçülen O 2 yüzdelerinden faydalanılarak kazan yanma gazı debisi hesaplanmıştır. Baca gazı debisinden, kazan yanma gazı debisi çıkarılarak sızıntı hava miktarı hesaplanmıştır. Fazla sızıntı hava debisi ise; sızıntı hava miktarının, yakma havasının %10 dan çıkarıldıktan sonra bulunmuştur. 3. ÖLÇÜM VE HESAP SONUÇLARININ DEĞERLENDĐRĐLMESĐ Kazan verimi, doğal gaz ve buhar debileri, buhar ve suyun giriş entalpi değerleri kullanılarak hesaplanmış ve sonuçlar Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Kazan verim hesabı Buhar debisi (m b, kg/h) 88.000 Buhar giriş entalpisi (i b, kcal/kg) 788, 67 Su giriş entalpisi (i s, kcal/kg) 114 Entalpi farkı (i b -i s, kcal/kg ) 674,67 Suya verilen ısı (Qs=mb*(i b -i s ), kcal/h) 59.370.960 Doğal gaz debisi (m, Nm 3 /h) 7.993 Yakıt alt isil degeri (kcal/nm 3 ) 8.414 Yakit isisi (Qy=m*Hu, kcal/h) 67.254.894 Genel verim (Qs/Qy, %) 88,28 Kullanılan doğalgaz debisi, kazan yanma gazı oksijen oranı ve yanma gazı sıcaklığı Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Kullanılan yakıt debisi, kazan yanma gazı oksijen oranı ve çıkış sıcaklığı Doğal gaz debisi (Nm 3 /h) 7.993 Kazan çıkış gazı oksijen oranı 5,4 Kazan çıkış gazı sıcaklığı ( o C) 290 Yakıt miktarı, kazan yanma gazı oksijen yüzdesi ve yakıtın elementsel analizleri kullanılarak yanma gazı analizleri yapılmış ve sonuçlar Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3. Doğalgazın elementsel analizi, yanma ürünleri analizi ve debileri Yakıt Yanma Ürünleri (Nm 3 /h) Yakıt Stok. % (ob) analizleri O 2 CO 2 SO 2 N 2 Argon H 2 O O 2 CO Metan 94,9 15175,9 7609,7 0,0 56560,2 673,7 16503,7 0,0 0,0 Etan 3,1 870,1 498,4 0,0 3242,7 38,6 821,9 0,0 0,0 Propan 1,0 411,7 247,6 0,0 1534,2 18,3 365,3 0,0 0,0 Bütan 0,3 140,3 86,5 0,0 522,8 6,2 120,2 0,0 0,0 Pentan 0,0 5,5 3,4 0,0 20,5 0,2 4,6 0,0 0,0 212
Azot 0,2 0,0 0,0 0,0 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 Karbondioksit 0,5 0,0 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Toplam 100,0 16603,4 8445,7 0,0 61880,6 737,0 17815,7 0,0 0,0 Fazla hava 9,3 0,0 24253,6 288,9 569,4 6507,6 0,0 Gaz bileşenleri % (ob) 7,0 0,0 71,5 0,9 15,3 5,4 0,0 ob: orijinal bazda Tablo 3 bileşenleri kullanılarak toplam stokyometrik yanma gazı, teorik yanma havası, fazla hava, teorik toplam yanma havası ve kazan çıkış gazı debileri ve fazla hava oranı hesaplanmıştır (Tablo 4). Hesaplanan debiler, ayrıca baca çıkışında ölçülerek doğruluğu sağlanmıştır. Tablo 4. Kazan yanma gazı debisi, teorik yanma havası, fazla hava debisi ve oranı Debi adı Miktarı Toplam stokyometrik yanma gazı (Nm 3 /h) (ob) 88.879 Teorik yanma havası (Nm 3 /h) (ob) 80.705 Fazla hava debisi (Nm 3 /h) 31.632 Teorik toplam yanma havası (Nm 3 /h) 112.337 Kazan çıkış gazı debisi (Nm 3 /h) (ob) 120.511 Fazla hava oranı 39,19 Ölçülen ve hesaplanan değerler kullanılarak kazan, döner hava ısıtıcı ve tüm sistem için enerji denklikleri kurulmuş sonuçlar Tablo 5, 6 ve 7 de verilmiştir. Tablo 5. kazan için kurulan kütle ve enerji denklikleri Girişler Debi (m) (Nm 3 /h) Oksijen % Sıcaklık (T) ( o C) Alt ısıl değer (Hu) (kcal/kg) 213 Özgül ısı (Cp) (kcal/nm 3 K) Doğalgaz 7.993 20,00 8414,00 0,43 Isı (Q) 67.254.894 (y) 68.742 (d) Toplamdaki pay Yakma havası 112.337 20,57 230,00 0,32 8.293.844 9,7 Su 88.000* 115,00 1,00 10.120.000 11,8 Toplam 85.737.480 100,0 Çıkışlar Debi (m) (Nm 3 /h) Oksijen Sıcaklık (T) ( o C) Entalpi i b (kcal/kg) Özgül ısı (Cp) (kcal/nm 3 K) Isı (Q) 78,4 0,1 Toplamdaki pay Buhar 88.000* 788,67 69.402.960 80,9 Yanma gazı 120.511 5,40 290,00 0,32 11.323.198 13,2 Kayıplar (yüzey ısı, havadaki nem vb.) 5.011.322 5,8 Toplam 85.737.480 100
y: yanma ısısı, d: duyulur ısı, * : kg/h Tablo 6. döner hava ısıtıcı için kurulan kütle ve enerji denklikleri Girişler Debi (m) (Nm 3 /h) Oksijen Sıcaklık (T) ( o C) Cp Isı (Q) Toplamdaki pay (kcal/nm 3 K) Yanma gazı 120511 5,40 290,00 0,324 11.323.198 77,4 Yakma havası 112337 20,57 82,00 0,314 2.892.454 19,8 Sızıntı hava 52431 20,57 26,00 0,310 422.595 2,9 Toplam 14.638.248 100,0 Cp (kcal/nm 3 K) Isı Q Toplamdaki pay Çıkışlar Debi ( Nm 3 /h) Oksijen Sıcaklık (C) Baca gazı 172942 10,00 114,00 0,316 6.230.064 42,6 Yakma havası 112337 20,57 230,00 0,321 8.293.844 56,7 Kayıplar (yüzey ısı) 114.339 0,8 Toplam 14.638.248 100 Tablo 7. Tüm sitem için kurulan kütle ve enerji denklikleri Girişler Debi (Nm 3 /h) Oksijen Sıcaklık C Alt ısıl değer kcal/kg Cp (kcal/nm3 K) Doğalgaz 7.993 20,00 8414,00 0,43 Q 67.254.894(y) 68.742 (d) Toplamdaki pay Yakma havası 112.337 20,57 82,00 0,31 2.892.454 3,6 Su 88.000* 115,00 1,00 10.120.000 12,5 Sızıntı hava 52.431 20,57 26,00 0,31 422.595 0,5 Toplam 80.758.686 100,0 83,3 0,1 214
Çıkışlar Debi (Nm3/h) Oksijen Sıcaklık (C) Entalpi (kcal/kg) Cp (kcal/nm 3 K) Q Toplamdaki pay Kazan baca gazı 120.511 10,00 114,00 0,32 4.341.282 5,4 Sızıntı baca gazı 52.431 10,00 114,00 0,32 1.888.782 2,3 Buhar 88.000* 788,67 69.402.960 85,9 Kayıplar (yüzey ısı, havadaki nem vb.) 5.125.662 6,3 Toplam 80.758.686 100 4.0 POTANSĐYEL TASARRUF ALANLARI VE YATIRIMLAR 4.1 POTANSIYEL TASARRUF ALANLARI 4.1.1 Fazla sızıntı hava kayıplarının azaltılması Tespit edilen en önemli tasarruf potansiyelinden biri döner hava ısıtıcısındaki sızıntı hava kayıplarıdır. Döner tip hava ısıtıcılarında, sızıntı hava miktarını pratikte tamamen önlemek imkansızdır. Ancak kazan yakma hava debisinin %10 u kadar bir sızıntı hava kabul edilebilir. Bu tip ısıtıcılarda zamanla yanma gazlarından kaynaklanan korozyonun da etkisi ile sızıntı kaçakları artmaktadır. Dolayısıyla sızıntı kaybı oranına bağlı olarak toplam kazan verimi düşmektedir. Sızıntı hava kaybının miktarı, kazan çıkışında ve baca gazı çıkışında yapılan O 2 ölçümleri ile kolaylıkla belirlenebilir. Yapılan ölçümlerde, yanma gazı oksijen değeri %5,40 olarak bulunurken, baca gazında yapılan ölçümlerde bu değer %10,0 olarak bulunmuştur. Fazla sızıntı hava debisi, gazın özgül ısısı, baca gazı ve ortam sıcaklıkları kullanılarak enerji kaybı ve tasarruf potansiyeli hesap edilmiş ve sonuçlar Tablo 8 da verilmiştir. Tablo 8. Fazla sızıntı hava kayıplarının önlenmesiyle yapılabilecek tasarruf Sızıntı hava gazı debisi (Nm 3 /h) 52.431 Yakma havası debisi (Nm 3 /h) 112.337 Kabul edilebilir sızıntı debisi (Nm 3 /h) 11.234 Fazla sızıntı hava debisi (Nm 3 /h) 41.197 Baca gazı sıcaklığı ( o C) 114 Ortam sıcaklığı ( o C) 26 Cp (Kcal/Nm 3 K) 0,32 Enerji tasarrufu (Kcal/h) 1.145.620 Yıllık kazan op. süresi (saat) 8.400 Yıllık enerji tasarrufu (Kcal) 9.623.207.329 215
Sızıntı hava kayıplarının azaltılmasıyla, baca gazı emiş fanının elektrik sarfiyatıda düşecektir. Ancak buradaki tasarrufun toplamdaki oranı düşük olacağından, bunun için ilave bir hesap yapılmamıştır. 4.1.2 Fazla havanın azaltılması Kazanlarda yapılan ölçümlerde, kazanların optimum (doğal gaz için % 10) hava fazlalık katsayısının üzerinde çalıştırıldığı tespit edilmiştir. Bu durumda önemli miktarda hava ısıtılarak atmosfere verilmektedir. Tesiste bulunan O 2 analizörlerinin belli periyotlarla bakımları yapılmalı ve kazan analizörlerinin ölçtüğü değere uygun hava fazlalık oranıyla işletilmelidir. Fazla havanın neden olduğu enerji kaybı hesaplanarak Tablo 9 da verilmiştir. Tablo 9. Fazla havanın azaltılmasıyla yapılacak tasarruf miktarı Fazla hava debisi (Nm 3 /h) 31.632 Fazla hava oranı 39 Hedef fazla hava oranı 10 Cp (kcal/nm 3 K) 0,32 Havadaki azalma (Nm 3 /h) 23.561 Hava giriş sıcaklığı ( o C) 26 Baca gazı sıcaklığı ( o C) 114 Enerji tasarrufu 655.193 Yıllık kazan op. suresi (saat) 8.400 Yıllık enerji tasarrufu (kcal) 5.503.620.165 4.1.3 Kazanın tam yükte çalıştırılması Ölçümünde (kazan işletme şartlarında çalıştırılmış) ortalama buhar üretimi 88.000 kg/h olarak bulunmuştur. Söz konusu kazanın nominal yükü ise 125.000 kg/h dir. Kazan tasarım değerinin altında çalıştırılmaktadır. Kazan yükünün dizayn değerine yakın bir yükte çalıştırılması durumunda en az yaklaşık %2 lik verim artışı öngörülmüş ve tasarruf miktarları Tablo 10 da verilmiştir. Tablo 10. Kazanın tam yükte çalıştırılması durumunda yapılabilecek tasarruf Kazana verilen enerji 67.254.894 Hedef artış 2 Enerji tasarrufu 1.345.098 Yıllık kazan op. suresi (saat) 8.400 Yıllık yakıt kazancı (kcal) 11.298.822.205 4.1.4 Baca gazı sıcaklığının düşürülmesi Đşletme koşullarında baca gazı sıcaklığı 114 o C olarak ölçülmüştür. Baca gazı sıcaklığı, daha önceki kısımda anlatılan önlemlerin alınmasıyla tasarım sıcaklığı olan 100 o C ye çekilebilir. Böylece bacadan daha düşük sıcaklıkta gaz atılarak önemli oranda enerji tasarrufu sağlanabilir. 216
Baca gazı sıcaklığının düşürülmesiyle yapılacak tasarruf potansiyeli; baca gazı debisi, gazın özgül ısısı, baca gazı ve ortam sıcaklıkları kullanılarak hesap edilmiş ve sonuçlar Tablo 11 de verilmiştir. Tablo 11. Baca gazı sıcaklığının dizayn değerine düşürülmesiyle yapılabilecek tasarruf Baca Gazı Debisi (Nm 3 /h 120,511 Baca Gazı Sıcaklığı ( o C) 114 Hedef Baca Sıcaklığı ( o C) 100 Cp (kcal/nm 3 K) 0.316 Enerji Tasarrufu 533,140 Yıllık operasyon süresi (saat) 8,400 Yıllık enerji tasarrufu (kcal) 4,478,375,337 4.1.5 Kazan yüzey kayıplarının azaltılması Kazanlarda yüzey kayıplarını belirlemek amacıyla termal kamerayla tüm kazan yüzeyi taranmış ve zayıf izolasyonlu bölgeler fotoğraflanarak sanayi kuruluşuna verilmiştir. Termal fotoğraflarda belirlenen zayıf izolasyonlu bölgelerin güçlendirilmesi durumunda belirli oranda enerji tasarrufu yapmak mümkün olacaktır. Bu çalışma kapsamında toplam kazançtaki payının çok önemli olmadığı öngörüldüğünden yüzey ısı kayıplarının giderilmesi için bir hesaplama yapılmamıştır. 4.1.6 Toplam tasarruf miktarı Yukarıda belirtilen tüm tasarruf potansiyellerin değerlendirilmesi durumunda enerji, doğal gaz eşdeğeri cinsinden yakıt ve bunların mali değerleri Tablo 12 de verilmiştir. Tablo 12. Toplam tasarruf potansiyeli Tasarrufun Adı Enerji Doğal Gaz (Sm 3 /h) Yıllık Mali Değeri (USD) Fazla sızıntı hava kaybının önlenmesi 1.145.620 139 221.625 Fazla Havanın azaltılması 655.193 79 126.750 Kazanın tam yükte çalıştırılması 1.345.098 163 260.215 Baca gazı sıcaklığının düşürülmesi 533,140 65 103.138 TOPLAM 3.679.051 446 711.729 Not : 1 Sm 3 doğal gaz fiyatı 0,19 USD, kalori değeri ise 8.250 kcal olarak alınmıştır. 4.2 YATIRIMLAR VE GERĐ ÖDEME SÜRELERĐ Yukarıdaki hesaplanan tasarruf opsiyonlarında sadece fazla sızıntı hava kaybının önlenmesi için bir yatırım gerekmektedir. Diğer potansiyel alanlardan fazla havanın azaltılması ve kazanın 217
tam yükte çalıştırılması için her hangi bir yatırım gerekmemektedir. Baca gazı sıcaklığının düşürülmesi opsiyonunu ise genel olarak kazan tüplerinin düzenli temizliği, kazanın anma ısıl gücünde ve optimum hava yakıt oranında çalıştırılması gibi zaten yapılması gereken kazan bakım ve işletme kurallarını içermektedir. Dolayısıyla bunun için de ilave bir yatırım gerekmemektedir. Bu nedenle geri ödeme süresi sadece 1. opsiyon olan fazla sızıntı hava kaybının önlenmesi için hesaplanmıştır. Sızıntı hava kayıplarının azaltılmasında ise iki yöntemden birinin seçilmesi önerilmektedir: 4.2.1 Mevcut döner hava ısıtıcılarının modernizasyonu: Mevcut döner hava ısıtıcılarında şu an 52.431 Nm 3 /h olan sızıntı hava miktarı, makul kabul edilen yakma havası (%10) 11.234 Nm 3 /h değerine düşürülebilir. Bunun için mevcut sistemin yenilenmesi gerekecektir. Mevcut sistemin anahtar teslimi yenilenmesi için öngörülen yatırım miktarı 600.000 USD dir. Fazla sızıntı hava miktarının azaltılmasıyla enerji kaybı önlenirken, diğer yandan ID fanının yükü yaklaşık % 25 oranında azalacaktır. Dolayısıyla kazanların üretim kapasitelerini arttırarak, kazanların nominal yükte çalıştırılması sağlanabilecektir. Sızıntı hava miktarının azaltılmasının buhar miktarındaki artışa etkisi ayrıca daha sonra verilmiştir. Bu durumda; bu opsiyon için toplam tasarruf potansiyeli; fazla sızıntı havanın önlenmesi ile kazanın tam yükte çalıştırılması durumundaki tasarruf miktarlarının toplamıdır. Bu da: 221.625 USD +260.215 USD = 481.840 USD dır. Yatırımın geri ödeme süresi ise: 600.000/481.840 =1,245 yıl, Yani yaklaşık 15 aydır. 4.2.2 Mevcut döner hava ısıtıcıların çift geçişli sabit hava ısıtıcılarla değiştirilmesi: Döner hava ısıtıcısının uzun süreli kullanılması durumunda korozyon/erozyon nedeniyle sızdırmazlık sistemleri bozulabilmektedir. Bu yüzden bazı işletmeler DHI sistemlerini çift geçişli sabit hava ısıtıcı sistemlerle değiştirmişlerdir. Bu tip ısıtıcılarda, kullanılan malzeme nedeniyle korozyon probleminin önüne geçilmektedir. Ayrıca sızıntı kaybı da tamamen önlendiğinden tasarruf oranı da artacaktır (Tablo 13). Tablo 13. Sızıntı havanın tamamen önlenmesi durumunda enerji tasarrufu Sızıntı hava debisi (Nm 3 /h) 52.431 Cp (kcal/nm3 K) 0,32 Hava giriş sıcaklığı ( o C) 26 Baca gazı sıcaklığı ( o C) 114 Enerji tasarrufu (Kcal/h) 1.476.457 Yıllık Kazan op. suresi (saat) 8.400 Yıllık enerji tasarrufu (Kcal) 12.402.238.800 Tasarrufun mali değeri (USD) 285.627 Bu durumda toplam tasarruf miktarı: 285.627 USD +260.215 USD = 545.842 USD dır. 218
Yapılan piyasa araştırmalarında döner hava ısıtıcının yerine çift geçişli sabit tip hava ısıtıcı kullanılması durumunda gerekli yatırım miktarı 700.00 $ olarak belirlenmiştir. yatırımın geri ödeme süresi ise: 700.000/ 545.842 =1,282 yıl, Yani yaklaşık 15 aydır. Đkinci yatırım önersisi, ilkine göre biraz daha fazla yatırım gerektirmesine rağmen geri ödeme süreleri yaklaşık aynı kalmaktadır. Ayrıca, ikinci opsiyonun seçilmesiyle, birincisine göre yıllık 64.002 USD daha fazla tasarruf sağlanmış olacaktır. 4.2.3 Potansiyel tasarruf imkanları sonucunda ulaşılabilecek verim değeri Yukarıdaki belirtilen tasarruf potansiyelleri sonunda ulaşılabilecek verim değeri hesaplanarak Tablo 14 de verilmiştir. Tablo 14. Potansiyel tasarruf imkanları sonucunda erişilebilecek verim değerleri Tasarruf edilen enerji (Q t, kcal/h) 3.679.051 Tasarruf sonucu suya verilecek enerji (Q H +Q t, kcal/h) 63.050.011 Yakıt ısısı (Qy) 67.254.894 Genel verim ((Q H +Q t )/Qy) 93,7% Tablodan da görüldüğü gibi tasarruf imkanlarının değerlendirilmesi durumunda başlangıçta % 88,28 olan kazan verimi %93,7 e çıkabilecektir. 4.2.4 Fazla sızıntı havanın önlenmesinin kazan buhar üretim artışına etkisi Fazla sızıntı havanın önlenmesiyle buhar üretim artışı hesabına esas teşkil edecek değerler Tablo 15 de verilmiştir. Tablo 15. Fazla sızıntı havanın önlenmesinin kazan kapasitesine etkisinde kullanılan değerler Sızıntı hava debisi (Nm 3 /h) 41.197 Buhar debisi (kg/h) 88.000 Kazan verimi 0,883 Karışık gazyanma gazı debisi (m ky ) 120.511 Karışık gaz debisi (m k ) 7.993 Yakıt ısıl değeri (kcal/kg) 8.414 Yanma ürünü/yakıt oranı (m ky /m k ) 15,077 Buhar entalpisi (kcal/kg) 788,7 Su giriş entalpisi (kcal/kg) 114 Entalpi farkı (kcal/kg) 674,67 219
Yukarıdaki değerler kullanılarak fazla sızıntı hava oranının azaltılmasına bağlı olarak buhar üretimindeki artış hesaplanarak, sonuçlar Tablo 16 da verilmiştir. Tablo 16. Fazla sızıntı hava oranının azaltılmasına bağlı olarak buhar üretimindeki artış Önlenecek fazla sızıntı hava Oranı Önlenecek fazla sızıntı hava miktarı (Nm 3 /h) Đlave doğal gaz debisi (Nm 3 ) Doğalgaz yanma gazı debisi (Nm 3 /h) Enerji Kapasite Artışı (ton/h) Artış Oranı 0 0 0 0 0 0.0 0.0 10 4,120 273 124,631 2,299,157 3.0 3.4 20 8,239 547 128,750 4,598,314 6.0 6.8 30 12,359 820 132,870 6,897,471 9.0 10.3 40 16,479 1,093 136,990 9,196,628 12.0 13.7 50 20,599 1,366 141,110 11,495,785 15.0 17.1 60 24,718 1,640 145,229 13,794,941 18.1 20.5 70 28,838 1,913 149,349 16,094,098 21.1 23.9 80 32,958 2,186 153,469 18,393,255 24.1 27.3 90 37,078 2,459 157,589 20,692,412 27.1 30.8 100 41,197 2,733 161,708 22,991,569 30.1 34.2 Yukarıda görüldüğü gibi fazla sızıntı havanın önlenmesi durumunda ID fan yükünün azalmasına bağlı olarak buhar üretim kapasitesi saatte 30,1 ton daha artabilecektir. Sızıntı havanın tamamen önlenmesi durumunda ise bu miktar daha da artacaktır. 5. SONUÇ VE ÖNERĐLER Bir sanayi kuruluşuna ait buhar kazanında enerji verimliliği çalışmalarına yönelik ölçümler yapılmıştır. Ölçüm ve doğruluğundan emin olunan mevcut sayaç değerleri kullanılarak gerekli hesaplamalar yapılmış, kütle ve enerji dengesi kurulmuş, tasarruf potansiyelleri ortaya konmuştur. Başlıca verim kayıpları: döner hava ısıtıcılarındaki sızıntı hava kayıpları, kazanların yüksek hava fazlalık katsayılarında çalıştırılması, yüzey ısı kayıpları, kazanların kısmi yüklerde çalıştırılması, yüksek baca gazı sıcaklığı olarak belirlenmiştir. Kazan için mevcut ve tasarruf sonucundaki verim değerleri, tasarruf potansiyelleri, gerekli yatırım miktarı ve geri ödeme süreleri Tablo 17 de verilmiştir. Tablo 17. kazan için mevcut ve tasarruf sonucundaki verim değerleri, tasarruf potansiyelleri, gerekli yatırım miktarı ve geri ödeme süreleri 220
Mevcut kazan verimi Tasarruf sonu kazan verimi Toplam enerji tasarrufu Yıllık mali tasarruf (USD) 88,28 93,7 3.679.051 711,729 Not: Op 1: opsiyon 1, Op 2: opsiyon 2 Yatırım Miktarı (USD) 600,000 Op-1 700,000 Op-2 Geri ödeme süresi (ay) 15 Buna göre kazana ait bulgular aşağıda maddeler halinde sunulmuştur. Kazanlarda tespit edilen en yüksek verim kaybı döner hava ısıtıcılarındaki fazla sızıntı hava kaybı olarak belirlenmiştir. Sızıntı hava kaybının giderilmesi için 2 farklı yatırımdan birinin seçilmesi önerilmiştir. Önerilen ilk yatırım, mevcut sistemin yenilenmesi olup, bunun için öngörülen yatırım miktarı miktarı 600.000 USD, yatırımın geri ödeme süresi ise 15 ay bulunmuştur. Đkinci önerilen yatırım ise, mevcut DHI ların çift geçişli sabit hava ısıtıcıları ile değiştirilmesidir. Bu opsiyon için gerekli yatırım miktarı 700.000 USD, yatırımın geri ödeme süresi ise 15 ay bulunmuştur. DHI daki sızıntı hava kayıpları kazanda baca gazı emiş fanının yükünü arttırmakta ve kazanın anma ısıl yüküne çıkmasına engel olmaktadır. Döner hava ısıtıcılarındaki sızıntı hava kayıplarının kabul edilen limitlere (%10) çekilmesi durumunda çoklu yakıtlı kazan üretim kapasitesi yaklaşık %20 lik bir artışla 120-125 ton/h çıkabileceği hesaplanmıştır. Bu kayıpların tamamen önlenmesi durumunda kazanın buhar üretimi daha da artacaktır. Kazan yanma gazı ölçümlerinde karbon monoksit değeri sıfıra yakın okunmuştur. Bu nedenle bu kazanlarda eksik yanma açısından bir problem görülmemiştir. Ancak kazanların optimumun üzerinde yanma havasıyla çalıştırıldığı tespit edilmiştir. Kazanların optimum hava fazlalık katsayılarında çalıştırılması ile kazanların tam yükte çalıştırılması durumlarında bir yatırım gerekmemektedir. Kazan verimi %88,28, toplam tasarruf potansiyeli 3,679,051kcal/h, bu enerjinin doğal gaz eşdeğeri yıllık mali değeri 711,729 USD, tasarruf sonucu kazan verimi ise % 93,7 bulunmuştur. KAYNAKLAR 1. Sanayide Enerji Yönetimi Esasları, EĐEĐ/UETM, Ocak 1997, Ankara 2. Onat K., Genceli O., Arısoy A., Buhar Kazanları Isıl Hesapları, Denklem Matbası, Đstanbul, 1988. 3. Sanayi Kazanları ve Ek Donatım Đşletme El Kitabı, tmmob makina mühendisleri odası, yayın no: 110-7, 1998, Ankara 4. Arısoy A., Kazanlarda Verimliliğin Arttırılması, Teknik notlar, Yayınlanmamış. 5. Steam its generation and use, 40 th edition, Babcock & Wilcox Company, Barberton, Ohio, USA, 1992. 221