Kömürlü Termik Santrallerde Yanma Reaksiyonu
Teneffüs edilen ve yanma havası olarak kullanılan hava kompozisyon olarak, hacimsel bazda % 20.95 Oksijen (O2), % 78.09 Azot (N2), % 0.93 Argon, % 0.03 Karbondioksit (CO2)'den oluşur. Yanma için kullanılan hava genellikle su buharı içeriğinden nemlidir.
Bir yakıtın tam olarak yanabilmesi için gerekli hava miktarına teorik hava miktarı denir. Bu miktar stokiyometrik oran diye de tarif edilir. Kimyasal eşitlikte bir tepkimeye giren ve çıkan bileşik ve elementlerin ne kadar oranda tepkimeye gireceği bilgisini sağlayan ve eşitliği denkleştirmemizi sağlayan Stokiyometrik katsayılar denir.
Karbonun oksijenle reaksiyonu C+O2=CO2+97 kcal ekzotermik yani dışarıya ısı veren bu reaksiyonda yeterli Oksijen olmaması durumunda, açığa çıkan CO2 yeniden C ile reaksiyona girerek CO2+C=2CO-39 kcal endotermik yani dışarıdan ısı alan bir reaksiyon meydana gelebilmektedir. Benzer şekilde Hidrojenin Oksijenle reaksiyonu sonucu H2+1/2O2=H2O+58 kcal ve Kükürtün Oksijenle teması sonucu S+O2=SO2=2+69 kcal reaksiyonları kömürle çalışan termik santrallerde yanma sırasında meydana gelen reaksiyonlardır. Bu reaksiyonun devamında SO2 oksitlenerek SO2+1/2O2=SO3+29 kcal sonrasında SO3+H2O=H2SO4 yani sülfürik asit meydana gelmektedir. Baca gazı arıtma tesisinde ise H2SO4 CaCO3 ile reaksiyona girerek H2SO4+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2 baca gazı içerisindeki sülfürik asit kalsiyum sülfata yani alçı taşına (cips) dönüşmektedir. Baca gazı arıtma sisteminin SO2 giderme verimi yaklaşık %95 olup, ıslak bir tesis olması nedeniyle her ne kadar toz tutma tesisi olmasa dahi %80 oranında da uçucu küllerin tutulmasına olanak tanımaktadır. Baca gazı arıtma tesisi (Flue-gas desulfurization) başka bir makalede ele anılacaktır.
Yukarıdaki reaksiyonlardan da anlaşılacağı üzere yanma için gerekli oksijen miktarının yeterli olmaması durumunda dışarıdan ısı alan, verimi düşüren bir reaksiyon meydana gelebilmektedir. Bu durumun Termik Santrallerde meydana gelmesi yanma verimini düşürdüğü için hiç istenmez.
Bunun yanı sıra ne kadar fazla Oksijen olursa o kadar iyi bir yanma olur gibi düşünülse de fazla miktardaki Oksijen, yanma odasının dolayısıyla kazan içerisindeki sıcaklığı düşürmektedir. Sonuçta kazana verilen yakıt miktarına göre yeterli miktarda hava gereksinimi gerekliliği ortaya çıkmakta olup bunun için çeşitli hesaplamalar gerekmektedir. Bir önceki makalemizde kömürün elementel analizinde Karbon,Hidrojen,Oksijen,Nitrojen,Kükürt,Nem ve kül miktarlarının yüzde olarak bulunduğunu belirtmiştik. 2018 yılında yapılan Afşin-Elbistan Kışlaköy Ocağından elde edilen kömürün elementel analizi sonucu aşağıdaki değerler tespit edilmiştir.
Avogadro sayısı kadar atom ya da molekül içeren madde 1 mol olarak ifade edilir. Bir mol madde miktarı 0 derece ve 1 atm basınçta 22,4 litre hacim kaplar. Buna göre yanma reaksiyonu için gerekli hava miktarı;
Mollier Sayısı da kullanılarak reaksiyon sadeleştirildiğinde gerekli hava miktarı C cinsinden;
Yakıt içeriğindeki Karbon Miktarı arttıkça yanma için gerekli hava miktarı da artmaktadır.
Ancak bulunan bu değer teorik hava miktarı olup kazanda havanın yakıtla tam olarak karışması mümkün olmayıp teorik miktardan biraz daha fazla miktarda havaya ihtiyaç duyulmaktadır. Buna hava fazlalık katsayısı denilmekte olup pülverize tip kazanlar için yaklaşık 1,4 civarındadır. Kazan baca gazı çıkışına konulan Oksijen analizörü ile kazana verilen Oksijen miktarının kontrolü sağlanmaktadır. Benzer şekilde tüm karbonların ideal bir yanma sonucu CO2 dönüştüğü ve baca gazında sadece CO2 ve N2 olduğunun varsayıldığı durumlarda CO2 miktarı maksimum yani %21 olacaktır. Ancak ihtiyaç duyulan havanın teorik havadan fazla olması nedeniyle hava fazlalık katsayısı oranında fazla hava verildiğinden baca gazı içeriğinde O2 ve N2 oranı artacaktır. Hava fazlalık katsayısı için λ=CO2maks/CO2 formülü yazılabilir. Hava fazlalık katsayısının diğer formülünün de λ:21/21-O2'dir. Bu formüllerdeki CO2 ve O2 değerleri baca gazı (flue gas) analizarlerindeki ölçülen değerlerdir. Oksijen analizörü veya CO2 analizörü olması durumunda kazana verilen taze havanın kontrolü oldukça kolay olmaktadır. Tam yanma üçgeni de denilen bir ekseni CO2 diğer ekseni CO2+O2 olan grafiklerden de değişik ölçme tekniklerine gerek kalmadan yanmanın kontrol edilmesi işletme sırasında mümkün olmaktadır.
Kazanlarda yanma için gerekli hava, taze hava fanı (Forced Draft Fan) tarafından sağlanır. Kazana verilen taze hava fanının rejeneratif hava ısıtıcından (Luvo) geçirilmesi sonucu baca gazı çıkış sıcaklığı düşürülmekte ve kazana verilen sıcak hava nedeniyle kazan verimi yükseltilmektedir. Kazana verilen havanın yanma sonrası artan gaz hacmi ile beraber tahliyesini kazan çıkışında bulunan cebri çekme fanı (Induced draft fan) tarafından sağlanmaktadır. Kazanlar pratikte tamamen sızdırmaz olmadıkları için ve kazan ocak bölgesindeki atmosfer basıncından daha düşük basınç(vakum) nedeniyle, kazan içerisine dışarıdan kaçak hava (false air) girebilmektedir. Bu hava hem yanma verimini düşürmekte hem de kazan içerinde hava fazlalığına yol açarak kazan ocak basınç kontrolünü zorlaştırmaktadır. Luvo sızdırmazlıkları önemli olup, fonksiyonunu yerine getirememesi durumunda daha yüksek basınca sahip olan taze havanın baca gazına karışması mümkün olabilmekte bu durumda cebri çekme fanları kazan içerisinde yeterli gazın tahliyesini yapamamaktadır.
Termik santrallerde olası fan arızalarında, çoğunlukla bu arızalar sıcaklık ve içeriğindeki yoğun aşındırıcı partiküller nedeniyle cebri çekme fanlarında meydana gelmektedir kazan içerisindeki basıncı kontrol etmek de sorunlar yaşanabilmektedir. Afşin-Elbistan santrallerinde brüdene gaz çekmek için kullanılan brüden fanları da bir nevi cebri çekme fanları gibi kazan içerisindeki gazları tahliye ederek kazanın eksi basınçta tutulmasında kritik öneme sahiptirler. Zaman zaman kazan ocak basıncı + değerlere erişebilmekte, bu durumu kontrol altına alabilmek için daha fazla yardımcı yakıt tüketimi ile kömüre nazaran aynı hava miktarının sıvı yakıtla daha iyi karışabilmesi sonucu gerekli ısıl güç elde edilebilmektedir. Kazanın ocak basıncının atmosfer basıncından daha yüksek bir değere erişmesi sonucu kazanda yangın riski ve iş kazalarına yol açma sakıncaları doğurmaktadır.
Ülkemizde Afşin-Elbistan havzasındaki yüksek kül ve nem içeren kömürden daha yüksek kurulu güç üretebilen santral tasarımları için Brüden filtresi denilen bir tasarım kullanılmıştır. Kömür hem bünye nemine hem de ortamdan kaynaklı neme sahiptir. Atmosferik ortam koşullarının sıcaklığının artarak kömür nemi bir ölçüde azalsa da bünyesindeki nemi giderebilmenin yolu, kömürün kırılarak tanecik boyutunun düşürüldüğü değirmenlere kazan yanma odasından çekilen sıcak gaz ile karıştırılmasıdır. Kömür değirmeninden çıkan ince taneli kömürlerin gaz ile birlikte Brüden Filtresine gönderilmesi neticesinde filtrede tutulan brüden kömürü bir nevi yardımcı yakıt gibi ana kömür yakıcılarının altından kazana püskürtülerek yanma optimizasyonu sağlanmaktadır. Afşin-Elbistan kömürlerindeki yaklaşık 1 puanlık nem kaybının 30-31 kcal'lik artış sağlandığı kıymetli hocalarımızın yaptığı laboratuvar analizlerinden anlaşılmıştır. Bu tasarımın bir benzeri de benzer kömür karakteristiğine sahip Yunanistan'da bulunan MegaloPoli Termik Santrallerinde de bulunmaktadır. Bu sistem yanma açısından oldukça verimli olmakta birlikte, kömürün içerindeki bünye neminin neredeyse hiç kalmaması sonucu oldukça kolay yanabilen bir hale gelmesi nedeniyle kaça durumları sonucunda yangın çıkarma potansiyeli oldukça yüksektir.
Makale içerikleri için bir çok kaynaktan alıntılar yapılmakta olup, Yaver Heper'in "Buhar Santralleri Teorisi ve Uygulaması" kitabından çok sık faydalanılmaktadır.
Saygılarımızla...
Blog Yorumları
0 Yorum Var