Header Reklam

Değişik Çevre Kompozisyonlarındaki S02 Gazının Çeşitli Yanma Ürünlerinin Ekserjisine Etkisi

05 Mart 1993 Dergi: Mart-1993
Yazanlar: Dr. Olcay KINCAY
Mak Yük. Mühendisi
Dr. Galip TEMİR
Mak. Yük. Mühendisi

 

ÖZET
Bilindiği gibi ekserji "tersinir bir proses sonunda çevre ile denge sağlandığı takdirde kuramsal olarak elde edilebilecek maksimum iş miktarı"dır. Çevrenin T0, P0 değerleri atmosferik değerlerdir. Ancak kimyasal kompozisyonu için yaklaşımlar farklı olduğundan çevre ile dengeye gelmede de değişik yollar izlenmektedir. Bu çalışmada aynı yakıtın aynı hava fazlalık katsayısı kullanılarak yakılmasından oluşan duman gazlarının farklı çevreler ile dengeye gelişine göre hesaplanan ekserji-sıcaklık ilişkileri ve bu ilişkiler arasında çevre tanımındaki S02 gazından kaynaklanan farklar detaylı olarak, örneklerle, teorik olarak incelenmiştir. Önce farklı çevre tanımlarından giderek bu çevre havaları ile gerçekleştirilen tam ve mükemmel yanmalara göre oluşan duman gazlarının ekserji-sıcaklık ilişkileri bulundu. Duman gazlarının molar konsantrasyonlarından faydalanılarak hesaplanan bu ilişkiler 100°C-1800°C sıcaklık aralığındadır. Aynı yakıt ve hava fazlalık katsayısı için elde edilen ekserji-sıcaklık ilişkilerinde yüksek sıcaklıklardaki ekserji değişimlerinde maksimum % 0.4'lik bir fark vardır. Düşük sıcaklıklarda ise maksimum % 6.0'e varan bu fark çevre havasındaki kükürt oksitlerinin mol yüzdesi ile duman gazlarının orantılı olarak değişim gösterdiği saptanmıştır.

1. GİRİŞ
Endüstriden ve güç santrallarından atılan duman gazlarının çevreye verdiği zararlar bütün ülkelerde güncel konu haline gelmiştir. Bu çalışmada değişik çevre kompozisyonlarındaki S02  gazının çeşitli yanma ürünlerinin ekserjisine etkisi teorik olarak incelenmiştir. Önce beş değişik yakıtın bilinen yöntemlerle tam ve mükemmel yanmaya göre oluşan duman gazlarının mol oranlan hesaplanmıştır. Sonra 298.15 K sıcaklık ve 1 atm başmandaki doymuş havanın standart çevre tanımı yapılmıştır. "Hava Kalitesnin Korunması Yönetmeliği" gereğince kimyasal kompozisyonunda, uzun vadeli sınır değer olan 250 mg/Nm3 ve kısa vadeli sınır değer olan 400 mg/Nm3 S02 gazı bulunduran çevreler ile İ.T.Ü. Kimya Müh. Fak. tarafından İstanbul'da 1990 kış aylarında ölçülen ve kimyasal kompozisyonunda 1776 mg/ Nm3 SO2 gazı bulunduran çevre tanımlan, duman gazlarına ait ekserji değerlerinin hesaplanmasında kullanılmıştır. Üç değişik çevrede yakılan beş değişik yakıtın duman gazlarına ait ekserji değerleri 100°C-1800°C sıcaklık aralığında incelenmiştir.

2. DUMAN GAZLARINDA EKSERJİ-SICAKLIK İLİŞKİSİ (1)
Günümüzde enerjinin miktan kadar kalitesi de önemlidir. Enerji kalitesi ise bu enerjiden elde edilecek iş miktarı ile ölçülmektedir. Ekserji, tersinir bir proses sonunda çevre ile denge sağlandığında, kuramsal olarak elde edilecek maksimum iş miktan olup, termodinamik koordinatlann bir fonksiyonudur. Çevre deyimi atmosfer için (T0, P0) olarak kullanılmıştır (T0=298.15 K ve P0=l atm'dir). Çok büyük ve hareketsiz bir ortam olduğu düşünülen çevrenin kimyasal yapısının ise bütün madde ve enerji alışverişlerine rengenin değişmediği varsayılmıştır. Katı, sıvı ve gaz yakacaklann oksijenle reaksiyona girmeleri sonucu oluşan duman gazlanndan en verimli faydalanma şeklini belirlemek için duman gazlarına ait ekserji-sıcaklık ilişkisinin bilinmesi gerekir.

2.1. Bağıntıların Çıkarılması
1 kg yakıtın elemanter analiz değerleri C,H,O.N,S ve nem W olsun. Bilinen bu miktarlara göre yakıtı oluşturan elemanlann mol miktarı sırası ile:

 
Yakıtın cinsi belirlendikten sonra gerekli minimum 02 miktan kmol olarak,

dir. Yanma için fazla hava verildiğinde duman gazı içinde bir miktar fazla O2 bulunur. Bunun kmol cinsinden değeri,



dır. 298.15 K ve 1 atm başmandaki doymuş havanın standart çevre tanımı Tablo l'de gösterildiği gibidir (2). Bu tabloda üç değişik çevre tanımı kullanılmıştır. Bunlar :
I. 1986 yılında Resmi Gazete'de yayınlanan "Hava Kalitesinin Korunması Yönetmeliği"ne (3) göre, endüstri bölgeleri için uyulması gereken uzun vadeli sınır değer olan 250 mg/Nm3 S02 gazını kimyasal kompozisyonunda bulunduran çevre,
II. Kısa vadeli sınır değer olan 400 mg/Nm3 S02 gazını kimyasal kompozisyonunda bulunduran çevre,
III. I.T.Ü. Kimya Müh. Fak. tarafından 1990 kışında İstanbul'da ölçülen ve 1776 mg/Nm3 S02 gazını kimyasal kompozisyonunda bulunduran çevredir. 
Çevrede ayrıca T0 , P0 değerinde doymuş su, CaCO3 ve CaSO4.2H2O var olduğu kabul edilmiştir. Standart çevre havaları ile birlikte giren N2'nin kmol değeri,


olup mol oranları;








her üç çevre için yapılan hesaplarda hava fazlalık katsayısı kömürlerde λ = 1 .45, akaryakıtta λ = 1 .10, doğalgazda ise λ = 1.05 olarak kullanılmıştır. 2.1'de verilen ekserji ifadeleri kullanılarak, her bir yakıt üç çevrede de yakılarak 100°C-1800°C sıcaklık aralığında duman gazlarının ekserjileri ve birbirlerine göre ekserjilerinin yüzde farkları hesaplanmıştır. Tablo 4-5-6 ve 7'de görülen Illinois No.6 örneğinde olduğu gibi diğer yakıtlar için de tekrarlanan çalışmalar sonucunda Tablo 8'de verilen maksimum ekserji yüzde farkları bulunmuştur. Tablo 4'de Illinois No. 6 kömürünün üç ayrı çevre havası ile λ = 1 .45'de yanması sonucu oluşan duman gazlarının mol oranları gösterilmiştir. Tablodan da anlaşıldığı gibi çevredeki SO2 gazı arttıkça duman gazları içinde SOgazı da doğru orantılı olarak artmaktadır. Tablo 5'de aynı yakıta ait duman gazlarının ekserji değerleri 100°C-1800°C sıcaklık aralığnda gösterilmiştir. Üç değişik çevre havası ile yanmada yalnız SO2 v e Ar gazına ait ekserji değerleri değişmektedir. ESO2 d eğişimi nümerik ve % farklar olarak Tablo 6'da verilmiştir. I. ve III. çevre havası ile yakında maksimum ESO2 f arkı e lde e dilmekte olup 1800°C'de % 21.949 değerine ulaşmaktadır. 100°C ile 1800°C sıcaklık aralığında ise sadece % 4'lük bir artış vardır. Tablodan da görüldüğü gibi çevredeki SO2 gazı artışı ile doğru orantılı olarak duman gazları içindeki ESO2' nin % farklan da değişmektedir. Bu çalışma, aynı yakıtta, duman gazı için yapıldığında ise yine çevredeki SO2 gazı a rtışı i le doğru orantılı olarak E dum gazı % farklarının değiştiği saptanmış ve Tablo 7'de nümerik değerleri gösterilmiştir. Illinois No.6 ömürü için yapılan çalışmalar diğer yakıtlar için de tekrarlandığında Tablo 8'deki değerler bulunmuştur. Her yakıtın duman gazlarındaki ESO2 % farkları yakıtın elemanter analiz ve λ değerine göre değişiklik göstermektedir. Fakat Edum gazlarının % farklanrı üzerinden değerlendirilme yapıldığında değerler birbirine çok yakın çıkmaktadır. Yine maksimum fark I. ve III. çevre havaları ile yakmada görülmekte olup 100°C'de % 6.0 değerine ulaşmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda ise % 0.4 değerindedir. Çayırhan linyitinin elemanter analizinde % 6 S olmasına rağmen, Edum gazlanndaki % f arkların küçüklüğü, ESO2 değerinin çok büyük olması ve çevre havasındaki SO2 gazının katkısının düşük olmasındandır. Bütün yakıtlarda çevre havalarından gelen Ar + diğer gazlann ekserji değerleri nümerik olarak çok düşüktür. I. ve III. çevre havası ile yanmada, bütün sıcaklıklarda, Ar+ diğer m aksimum % 6 .0 f ark g östermektedir. Fakat bu ekserjinin nümerik değeri küçük olduğundan Edum.gazı etkisi % 0.03 değerindedir.


3.SONUÇ
Üç değişik çevrede beş değişik yakıtın teorik olarak yanması sonucu oluşan duman gazlannın ekserjileri 100°C-1800°C sıcaklık aralığında incelenmiştir. Açığa çıkan du-an gazlan arasındaki ekserji değişimi yüksek sıcaklıklarda maksimum % 0.4 fark göstermektedir. Düşük sıcaklıklarda ise maksimum % 6.0'ya varan bu farkın çevre havasındaki SO2'nin mol yüzdesi ile duman gazlarının orantılı olarak değişiminden kaynaklanmaktadır. Bu yüzde farklar duman gazının enerjisi açısından önemli değildir. Fakat çevre kompozisyonundaki SO2 gazının standartlarda ön görülen değerlerin üzerine çıkması, çevre kirliliği ve insan sağlığı açısından önem kazanmaktadır.

4.SEMBOLLER
Cp : sabit basınçta ısınma ısısı (kJ/kmol K)
E : ekserji (kJ/kmol)
H : entalpi (kJ/kmol)
M : mol sayısı
P : basınç (atm.)
S : entropi (kJ/kmol)
T : sıcaklık (K)
ck : (k=0 -*• 6) cp fonksiyonuna ait katsayılar
g : Gibbs serbest enerjisi (kJ/kmol)
n : mol sayısı
x : mol kesri
ALT İNDİSLER: ÜST İNDİSLER :
g : giren o: standart
i : i komponenti
o : çevre şartları Yunan Harfleri:
y : yakıt λ : hava fazlalık katsayısı
dum : duman gazı
kim : kimyasal
ort : ortalama
top : toplam



5. KAYNAKLAR
1. KINCAY, O., "Duman Gazlarında Entalpi-Sıcaklık ve Ekserji-Sıcaklık İlişkisinin Genelleştirilmesi", Doktora Tezi, Yıldız Üniversitesi, 25.1.1991.
2. GOVERN, J.A., "Exergy Analysis", Journal of Power and Energy, 204,253-267,1990.
3. T.C. Resmi Gazete, "Hava Kalitesinin Korunması Yönetmeliği", 19269, 1986.
4. Hütte, 27 Auflage, I.Bd., Berlin 1941.
5. WYLAN, V. et al., "Fundamentals of Classical Thermodynamics", John Wiley and Son, 1976.
6. BARIN, I. et al., "Thermochemical Properties of Inorganic Substances", Springer Verlag, Berlin, 1977.
7. BARNER, H.E. et al., "Handbook of Thermodynamic Data of Compounds and Aqueous Species", Wiley Interscience, New York, 1978.
8. KELLEY, K.K., "Bur. Mines Bull.", U.S., 584, 1960. 
9. TMMOB Mak. Müh. Odası, "Makina Müh. El Kitabı", Yayın No. 100, Cilt 3, Ankara, 1977.
10. AKALIN, M., KÜÇÜKBAYRAK, S., KADIOĞLU, E., "Çayırhan Linyitinin Kükürdünün C02 ortamında yapılan Karbonizasyonla Giderilmesi" Isı Bilimi ve Tek. Der., 9 (4), 35-40,1986.
11. GAGGIOLI, R.A., PETIT, P.Y., "Second Law Procedures for Evaluating Processes", ACS Symposium Series 122,15-37, 1980.
12. BOTAŞ, "Sovyetler Birliğinden Alınan Doğal Gazın Özellikleri",1988.





Etiketler