Header

Akışkan Yataklı Yakma Sisteminde Linyit-Biyokütle Yakılması Sonucu Oluşan N2O Emisyonunun İncelenmesi

05 Nisan 2005 Dergi: Nisan-2005
Bu çalışmada, ilk aşamada AYY (Akışkan Yataklı Yakma) sisteminde Orhaneli linyiti yakılmış; ikinci aşamada ise, üretilen bu enerjinin kısmen yenilenebilir hale getirilmesi amacıyla %5, %10 ve %15 oranlarında, biyokütle cinsi bir yakıt olan Tatlı Sorgum karıştırılarak yakma deneylerine devam edilmiştir. Deneyler sırasında NOx emisyon ölçümleri yapılmış ve bu değerlerden yola çıkarak, çeşitli araştırmacıların çalışmaları izlenerek oluşacak N2O değerleri belirlenmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak, oluşan N2O seviyelerinin oldukça düşük olduğu (0.5-0.6 gr/h) gözlenmiştir.

Anahtar kelime: N2O, biyokütle, akışkan yatak

ABSTRACT

Nitrous oxide is an acid rain precursor and is a greenhouse gas. Thus, the redaction of emissions of nitrogen oxides is currently a major environmental issue. In this study, Sweet Sorghum was chosen as the energy plant. The fuel-feeding ratio was set such that the thermal output of the system remained constant. In order to replace the fuel partially with a renewable source Sweet Sorghum, a biomass plant, was fed into the reactor at different ratios, 5, 10 and 15 % and the emissions were monitored and compared. To estimate the N2O concentrations, results from the literature have been used. From this observation it was concluded that the N2O emission for our case was in order of 0.5 to 0.6 gr/hr.

Keywords: nitrous oxide, biomass, fluidised bed

1. GİRİŞ

Son yıllarda gündemi oluşturan çevre sorunlarının başında sera etkisi gelmektedir. Atmosferdeki sera gazı birikimlerinde belirgin bir artış eğilimi gözlenmektedir. Sera etkisine neden olan gazlar başta CO2 olmak üzere, N2O, HFC, PFC VE SF6 olarak sıralanabilir. 1980’li yılların sonlarından başlayarak, insanın iklim sistemi üzerindeki olumsuz etkisini ve baskısını azaltmak için, uluslararası kuruluşların ve özellikle Birleşmiş Milletler’in (BM) öncülüğünde çeşitli etkinlikler ve çalışmalar yürütülmüştür. Bu küresel çabalar, geniş katılımlı BM İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi (İDÇS) ve Kyoto Protokolü’yle sonuçlanmıştır. İDÇS ve Kyoto Protokolü, bir yandan insan kaynaklı sera gazı emisyonlarını sınırlandırmaya ve azaltmaya yönelik yasal düzenlemeler getirirken, bir yandan da, uluslararası ticaret, teknoloji ve sermaye hareketleri konusunda gittikçe etkin olmaya başlamıştır. [1]

Ülkemizde hızla artan enerji talebinin karşılanması zor olup, enerji kaynağının seçiminde dikkatli olunması gerekmektedir. Enerji tüketimimizin yaklaşık % 61'i ithalata dayalıdır. Enerji ithalatı içinde petrol % 70.4 ile ağırlığını korurken, doğal gaz ithalatı da %17.1 payı ile ikinci sırada yer almaktadır. Toplam enerji tüketimi içinde fosil kökenli yakıtlar (taşkömürü, linyit, doğal gaz, petrol) % 82 gibi büyük bir paya sahip iken, yenilenebilir kaynakların payı % 18 dir. Yenilenebilir kaynaklara dayalı enerji üretimimiz içinde biyokütle %25.9, hidrolik enerji %12.9, jeotermal ise % 0.5 paya sahiptir. 2001 yılı itibariyle, toplam enerji tüketimi içinde güneşten sağlanan enerjinin katkısı ise % 0.05 gibi yok denecek kadar düşüktür. Yüksek nüfus artışı ve ekonomik kalkınma hızı dikkate alınarak yapılan arz ve talep projeksiyonları sonucunda enerji açısından Türkiye'nin dışa bağımlılığının giderek artacağı vurgulanmaktadır [2]. Geleneksel kaynaklarla enerji üretiminin küresel ve yerel düzeyde yarattığı çevresel etkilerin ve bunların küresel ısınmayla ilişkisinin açıkça görülmesi, neredeyse sıfır emisyonu olan yenilenebilir enerji kaynaklarını çevresel açıdan ayrıcalıklı bir konuma getirmiştir [1]. Enerji kaynaklarını çevre üzerindeki etkilerinden bağımsız olarak ele almak mümkün değildir. Özellikle linyit gibi fosil yakıtların yanması sonucu oluşan CO2, SO2, NOx emisyonları, atmosferik kirliliğin artmasında birinci derecede etkendirler. CO2 ve SO2 emisyonları doğrudan doğruya tüketilen enerjinin miktarı ile orantılıyken, NOx, CO ve diğer uçucuların yarattığı emisyon seviyeleri ise kullanılan teknolojiye bağlıdır. Bu kirleticilerin etkisi, yıllardır birçok araştırmacı tarafından inceleme konusu olmuştur ve olmaya da devam etmektedir [3].

Bu çalışmada, düşük kaliteli linyitlerin AYY sisteminde tüketilmesi sırasında açığa çıkan ve bir sera gazı olan N2O emisyon miktarı belirlenmeye çalışılmıştır.

2. TÜRK LİNYİTLERİ ve BİYOKÜTLE

2.1. Türk linyitlerinin özellikleri


Türk linyitlerinin kül, kükürt ve nem içerikleri oldukça yüksektir. Linyitlerimizin %69’luk kısmının ısıl değeri ise 8400kJ/kg değerinin altındadır ve bu nedenlerden dolayı, düşük kaliteli linyit olarak tanımlanmaktadırlar [4]. Düşük kaliteli yakıtların verimli ve temiz yakılabilmesi için yeni yakma sistemlerinin geliştirilmesi veya yakıt özelliğinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu aşamada Akışkan Yatakta Yakma (AYY) teknolojisi linyitlerimiz için bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır [5]. Bu sistemlerde, 800-900¡C civarında meydana gelen yanma sırasında NOx oluşumu çok az olmakta, yatağa kireçtaşı beslenerek, oluşan SO2 tutulabilmektedir. Ancak AYY sistemlerinde oluşan NOx ve özellikle bir sera gazı olan N2O emisyonları, bir çok araştırmacı tarafından incelenmektedir. Fosil yakıt tüketiminin sürekli artışının getirdiği NOx kontrolüde güncelliğini korumaktadır. [6]

2.2. Biyokütle Enerjisi ve Tatlı Sorgum

Bitkilerin ve canlı organizmaların kökeni olarak ortaya çıkan biyokütle, genelde güneş enerjisini fotosentez yardımıyla depolayan bitkisel organizmalar olarak adlandırılır. Biyokütle, oluşumu sırasında havadaki CO2'yi tüketmesi bakımından ilginç bir yakıttır. Karbondioksit dengesi geniş anlamda düşünüldüğünde, bu yolla enerji üretimi sırasında atmosfere CO2 ilave edilmemekte, doğal denge bozulmamaktadır. Ayrıca biyokütle ekilmek suretiyle kısa sürede yeniden üretilebildiği için yenilenebilir bir enerji kaynağı alternatifi sunmaktadır [7,8,9,10]. Gelişmekte olan ülkelerin birçoğunda biyokütle enerjisi artan bir hızla kullanılmaktadır. Biyokütle kaynaklı enerji üretimi, ekilebilir alanların fazla ve iklim şartlarının uygun olması nedeniyle Türkiye için büyük önem taşımaktadır [11].

Bu çalışmada kullanılan Tatlı Sorgum (TS) ; çeşitli iklim şartlarında yetiştirilmesi, özel bir toprak isteğinin bulunmaması, 16744-17580 kJ/kg kalorifik değere sahip olmasıyla, ümit vadeden bir enerji bitkisidir. TÜBİTAK-MAM’de yapılan çalışmalar sonucunda 5 milyon hektar alana Tatlı Sorgumun ekilmesiyle elde edilecek enerji eşdeğeri yaklaşık 80 TEP olarak hesaplanmıştır [12,13].

3. SERA GAZLARI ve ULUSAL SERA GAZI SALIMLARI

Son zamanlarda gündeme taşınan çevre sorunlarının başında sera etkisi gelmektedir. Sera etkisine neden olan gazlar başta CO2 olmak üzere, N2O, HFC, PFC VE SF6 olarak sıralanabilir. 1997 yılında imzalanan ‘Kyoto Protokolü’ gereği protokole dahil olan ülkelerde 2008-2012 dönemine kadar toplam sera gazı emisyonlarında 1990 yılı değerlerine ulaşılması hedeflenmektedir. 1990-2000 yılları arasında AB ülkelerinde sera gazları emisyonlarında sağlanan azalma % 5.4’tür. 2000 yılı ilk yarısında, AB’de CO2 emisyon değerleri 1990 değerlerinin % 0.6 aşağısında olup, ikinci yarısında değerler sabitlenmiştir. 1995-2000 yılları sera gazı emisyonlarında %18’e varan bir artış gerçekleşmiştir. İleriye dönük projeksiyonlar sonucunda 2010 yılında bu artışın % 28 olacağı düşünülmektedir [1].

Türkiye'de sera gazı salımı hesaplamaları, ulusal iklim değişikliği çalışmaları ve etkinlikleri kapsamında, Devlet İstatistik Enstitüsü (DİE) tarafından yapılmakta ancak yalnız yakıt tüketiminden kaynaklanan sera gazı salımları eksiksiz olarak hesaplanabilmektedir. 1990-2000 tüketim değerleri ve 2000-2020 dönemi projeksiyon değerleri, yakıt tüketiminden kaynaklanan sera gazlarının miktarında, bugüne değin olduğu gibi, gelecekte de çok hızlı bir artışın olacağını göstermektedir [14]. Türkiye’deki enerji kullanımında sanayinin payı % 39’dur ve bu oranın 2020’de % 59’a ulaşması beklenmektedir. Bu nedenle sanayi sektörü gelecekteki salım azaltma çabalarının en önemli alanı olacaktır. Enerji tüketimi açısından, sanayinin yaklaşık % 66’sı enerji yoğun sektörlerden oluşmaktadır. Bu sektörlerde enerjinin toplam girdiler içindeki payı % 20-60 arasındadır [14].

3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR

3.1. Deney Seti

Deneysel çalışmalar, TÜBİTAK-MAM Akışkan Yatak Laboratuarında bulunan, sürekli kömür besleyerek yanmayı sağlayabilecek bir AYY düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. AYY sistemi 150 mm iç çap ve 300 mm yüksekliğinde bir aktif yatak ile 210 mm iç çap ve 900 mm yüksekliğinde bir serbest bölgeden oluşmaktadır. Akışkanlaşma için gereken hava bir kompresör yardımıyla elde edilmiş ve 3 rotametreden geçerek debi kontolü sağlanmıştır. Sistemde, yatak malzemesi olarak kullanılan kuartz kumu, 0.5-1 mm aralığında elenerek kullanılmıştır.

Yakıt karışımının yatağa beslenmesi, dağıtıcı elekten 20 mm yüksekliğe bağlanan bir kanal vasıtasıyla ikincil hava yardımıyla gerçekleştirilmiştir.

3.2. Deneyler sırasında kullanılan numuneler

Deneylerde kullanılan linyit, Bursa Orhaneli Termik Santralinden alınmış, çeneli kırıcıda kırılarak 1-2 mm. aralığında elenerek kullanılmıştır. Tatlı Sorgum ise, TÜBİTAK-MAM arazisi içinde yetiştirilip hasatı yapıldıktan sonra kırıcı ile parçalanmış (0.5-1 mm) bünye suyunun alınması amacıyla 150 kg/cm2 basınç uygulanmış ve ortam sıcaklığında kurumaya bırakılmıştır. Her iki numunenin özelliklerini belirlemek amacıyla kısa ve elementel analizleri, yine TÜBİTAK-MAM’de yapılmıştır. Bu analiz değerleri Tablo2’de verilmektedir [15].

3.3.Deneylerin yürütülmesi

Kömür besleyerek, sürekli yanmanın sağlandığı deneylerde kömür beslemesinden önce yatak malzemesi, kömürün tutuşma sıcaklığına kadar LPG ile ısıtılmıştır. Bu arada yataktaki basınç düşüşünün sabitleşmesi ile, minimum akışkanlaşma hızına ulaşıldığı gözlenebilmektedir. Yanma bu şekilde sürerken, LPG/hava oranı değiştirilerek, sıcaklık artışı da hızlandırılabilmektedir. Yatak sıcaklığı 800°C'ın üzerine çıktıktan sonra yakıt beslenmeye başlanmış, aşamalı olarak LPG miktarı azaltılmış ve birkaç dakika içinde tamamen kesilmiştir. TS ve linyit Retsch marka bir karıştırıcıda 30 dakika süre ile bir ön karışıma tabi tutulduktan sonra tek bir depodan sonsuz vidalı besleme düzeneği kullanılarak, dağıtıcı elekten 70 mm yükseklikte yer alan besleme borusundan yatak yüzeyine yapılmıştır. Besleme hattına bir miktar hava vererek taneciklerin sürüklenmesi sağlanmıştır. Dinamik yatak yüksekliğini ayarlamak için, yanma sonucu oluşan kül , taşma borusunu kullanarak kül toplama deposuna alınmıştır. Baca gazı emisyonu, Testo 350 marka bir baca gazı analiz cihazı yardımıyla 2 saat süresince 40 s aralıklarla ortalama alınarak kaydedilmiştir.




Deneyler sırasında, AYY sisteminden alınacak ısıl güç 41800kJ/h olacak şekilde linyit debisi ayarlanmış (Karışım oranı R=0) ve emisyonlar kaydedilmiştir. Daha sonra, elde edilen enerjinin kısmen yenilenebilir hale getirilmesi amacıyla linyite %5 (R=1), %10 (R=2) ve %15 (R=3) oranlarında TS karıştırılarak yakma deneyleri yapılmıştır. 0,1,2 ve 3 olarak adlandırılan karışım oranları için debi değerleri Tablo 1. de verilmiştir [15]. Deneyler sırasında kaydedilen NOx değerleri Şekil 1’de verilmiştir.

4. N2O OLUŞUMU

Yanma sistemlerindeki azot oksit oluşumu, çevre açısından en tehlikeli kirleticilerden biridir. Fosil yakıt kullanımı sürekli artmakta olduğundan, NOx kontrolü de güncelliğini korumaktadır. AYY sistemlerinde N2O ve NOx oluşumu, bir çok araştırmacının ilgi odağı olmuştur. Gerek yakıtın, gerekse havanın kompozisyonunda yer alan azot, yanma reaksiyonu sonucu NO, NO2, N2O, NH2 ve HCN şeklinde kirletici emisyonların oluşumuna neden olmaktadır. Bu tür kirleticilerin oluşumu, temel olarak yanma bölgesindeki sıcaklık ve yakıt/oksijen oranına bağlıdır. Nitrit oksitler, gerek asit yağmurlarına neden olmaları, gerekse sera gazı olmaları nedeniyle çevre için bir tehlike oluşturmaktadırlar.

1980 yıllarının sonunda AYY sistemlerinde yanma reaksiyonu sonucu birkaç yüz ppm N2O emisyonunun oluştuğu farkedilmiş ve birçok araştırıcının ilgi odağı olmuştur. [6,16-20]. Daha öncede bahsettiğimiz gibi, deneyler sırasında emisyon ölçümleri baca gazı analiz cihazıyla gerçekleştirilmiştir. Ancak bu cihaz ile N2O oluşumlarının incelenmesi mümkün değildir. Literatür araştırmaları yapılarak gerek linyit gerekse karışımların AYY sisteminde yakılmaları sonucu oluşacak N2O emisyonları ile ilgili yaklaşımlar yapılmaya çalışılmıştır. Liu ve Gibbs yaptıkları bir çalışmada biyokütle yakan bir AYY sisteminde oluşan NO ve N2O emisyonları için bir model geliştirmişlerdir. Bu modele bağlı olarak NO ve N2O emisyonları için projeksiyonlar oluşturmuş ve bu değerleri diğer araştırmacıların yaptıkları deneysel sonuçlarla doğrulamışlardır. Bu çalışmaya göre NO ve N2O emisyonlarının yakıt içindeki azota bağlı olarak arttığı belirtilmiştir. Diğer yandan yanma sıcaklığının N2O oluşumuna etkisini de araştırılmışlar ve yüksek sıcaklıklarda bu oluşumun azaldığını belirtmişlerdir. AYY sistemlerinde ise, bilindiği gibi yatak sıcaklığı 800-900 ûC civarındadır. Bu sıcaklık NO oluşumu için bir avantaj oluştururken N2O oluşumu için bir dezavantaj haline gelmiştir [20]. Bu çalışmada, yatak sıcaklığına göre hesaplanan NO ve N2O dönüşüm oranları değişik partikül boyutları için grafikler halinde verilmiştir. Deneylerimizde kullanılan partikül boyutunun 1-2 mm aralığında olmasından dolayı, bu boyut için grafiklerden alınan NO değerleri ile deneysel sonuçlar karşılaştırılmış ve uyum sağladığı gözlenmiştir. Buradan yola çıkarak, N2O oluşumları için yaklaşımlar yapılmıştır. Bu yaklaşım değerleri Tablo 3. ve 4’de verilmektedir.

Bir diğer çalışmada, Kilpinen ve çalışma arkadaşları, geliştirdikleri bir model yardımıyla NO ve N2O oluşum oranlarını aşağıda verilen (1) ve (2) nolu denklikler yardımıyla hesaplamışlardır [17]:

Aynı çalışmada , ayrıca yatak sıcaklığının NO ve N2O oluşumuna etkilerini de incelenmiştir. Bu çalışmadaki grafiklerden 1-2 mm partikül boyutu için alınan değerlerin deneysel sonuçlarla mukayesesi Tablo 5. da verilmektedir.

5. SONUÇ

Yapılan ölçümlerde elde edilen sonuçlar, linyite TS eklenmesi ile oluşan NOx oranlarında bir artış olduğunu göstermektedir. Bu artışın sebebi, düşük yoğunluklu ve kolay yanabilen Tatlı Sorgumun yanması sırasında yatak içindeki sıcaklıkların dalgalanması ve lokal olarak sıcaklığın ortalamanın üzerine çıkarak NOx oluşum sınırını aşmasıdır. Fakat, bunlar yine de ihmal edilebilecek kadar küçük artışlardır (yaklaşık 20-25 ppm). Tatlı Sorgum yanma sırasında düşük yoğunluğundan dolayı aktif yatak bölgesinden serbest bölgeye doğru sürüklenmekte ve yanmasını bu bölgede tamamlamaktadır. Tatlı Sorgumun biriketlenerek yakılması ile bu sorunun önüne geçmek mümkün olmaktadır.

Diğer araştırmacıların yapmış oldukları çalışmalardan da görülebileceği gibi, linyit-Tatlı Sorgum karışımının AYY sisteminde açığa çıkan N2O miktarları sadece 5 ppm veya 0.60 gr/h mertebesinde gerçekleşmektedir.

KAYNAKLAR:

1. M. Çetinkaya, F. Karaosmanoğlu, erişim: Mart 2005. www.mmoistanbul.org/yayin/Scripts/prodView.asp?idproduct=324

2. G.Utkutuğ, ‘Enerji etkin tasarımda yazılım teknolojileri; bina enerji simulasyon programları’, 22. Enerji Tasarrufu Haftası Etkinlikleri, EİEİ-UETM, Ocak 2003

3. R. Yan, H. Zhu, C. Zheng, M. Xu, ‘Emissions of organic hazardous air pollutants during Chinese coal combustion’, Energy, 27, pp:485-503, 2002.

4. F. Akçura, M. Gerger, ‘Türk Linyitlerinin karakteristikleri’ Characteristics of relevant Turkish lignite. MTA yayını, Ankara, 1982.

5. A.M. Mastral, M. Callen, R. Murilla, T. Garcia, ‘Assessment of PAH emissions as a function of coal combustion variables in fluidised bed 2.air excess percentage’, Fuel, 77(13), pp:1513, 1998.

6. B. Leckner, ‘Fluidized bed combustion:mixing and pollutant limitation’, Progress in Energy and Combustion Science, 24, pp:31-63, 1998.

7. M. Acaroğlu, ‘The present status of biomass energy in Turkey, research and development, politics and suggested measures to be taken’, Özel rapor, 11.Enerji Konseyi, İstanbul,1998.

8. Dreier et all. ‘Environmental impacts and system analysis of biofuels1, 10th European Conference and Technology Exhibition, Biomass for Energy and Industry, Würzburg, Germany, pp:544-548, 1998.

9. D.O. Hall et all., ‘The role of bioenergy in developing Countries’, 10th European Conference and Technology Exhibition, Biomass for Energy and Industry. Würzburg, Germany, pp:5-8, 1998.

10. G. Grassi, P. Moncado, H. Zibetta, ‘Promising industrial energy crop: Sweet-Sorghum’, Commission of the European Communities publication, Elsevier, Oxford 1992.

11. S. Türe, D. Uzun, İ.E. Türe, ‘The potential use of Sweet Sorghum as a non-polluting source of energy’, Energy, 22(1), pp:17-19, 1997.

12. S. Türe, Ö. Saygın, ‘Growth and Productivity of Sweet Sorghum in Turkey’, 8th Conference on Biomass for Energy, Environment, Agriculture and Industry, Vienna, Austria, 1994.

13. S. Türe, S. Özdoğan, Ö. Saygın, ‘Biyokütleden Enerji Üretimi’, Türkiye 6. Enerji Kongresi, İzmir, pp:486-493, 1994.

14) www.rec.org.tr, erişim: Mart 2005.

15) M.H. Çubuk, ‘Orhaneli linyiti - biyokütle karışımının akışkan yatakta yakılmasında çevre kirliliğinin incelenmesi’, YTÜ Fen Bil.Enstitüsü Doktora Tezi, 1998.

16) S.C. Hill, L.D. Smoot, ‘Modeling of nitrogen oxides formation and destruction in combustion systems’, Progress in Energy and Combustion Science, 26, pp:417-458, 2000.

17. P. Kilpinen, S. Kallio, J. Konttinen, V. Barisic, ‘Char-Nitrogen oxidation under fluidized bed combustion conditions:single particle studies’, Fuel,81, pp:2349-2362, 2001.

18. Z. Chen, M.Lin, et al., ‘Mathematical modelling of fluidized bed combustion 4: N2O and NOx emissions from the combustion of char’, Fuel, 80, pp:1259-1272, 2001.

19. F. Winter, C. Wartha, H. Hofbauer, ‘NO and N2O formation during the combustion of wood, straw, malt waste and peat’, Bioresource Technology, 70, pp:39-49, 1999.

20. H. Liu, B.M. Gibbs, ‘Modelling of NO and N2O emissions from biomass-fired circulating fluidized bed combustors’, Fuel, 81, pp:271-280, 2002.

M.Handan ÇUBUK

Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Fakültesi Termodinamik ve Isı Tekniği Anabilim Dalı

Etiketler