ODTÜ 0.3 MW Akışkan Yataklı Yakıcı Test Ünitesi
Bu makalede Türk linyitlerini kireçtaşı ilavesiyle hava kirliliği yaratmaksızın yakmak üzere tasarlanmış ve kurulmuş olan 0.3 MW güçteki akışkan yataklı kayıcı test ünitesi tanıtılmıştır. Gerektiğinde sıcak gaz üreteci, gerektiğinde ise sıcak su kazanı olarak çalıştırılabilecek olan test ünitesinin bilimsel çalışmalar sonucunda ticari boyuta geçirilmesi amaçlanmıştır.
GİRİŞ
Ülkemizin kendi öz varlığı olan enerji kaynakları arasında kuşkusuz en önemli yeri 8 milyar ton bilinen rezervleri ile linyit almaktadır. Yüksek oranda kükürt, nem ve kül içeren düşük kaliteli bu yakıtın klasik yöntemlerle yakıcı içinde temiz ve verimli yakılabilmesi olanaksızdır. Bu yöntemler kullanıldığı takdirde yanma odasında oluşan kükürt dioksit ve azot oksitlerin hava kirliliği yaratması kaçınılmazdır.
Son zamanlarda, bir tataftan hava kirliliği yaratması gerekçesiyle konvansiyonel termik santrallara karşı kamuoyunda oluşan büyük tepki, diğer taraftan çok yakın bir gelecekte Türkiye'nin baca gazı kirletici emisyon değerlerini Avrupa Topluluğu'na üye olan ülkelerin değerlerine indirme problemi ile karşılaşacak olması, linyitin enerji üretiminde yaygın olarak kullanılmasını olumsuz yönde etkilemiştir.
Bu olumsuz etkinin sonuçlarından biri ülkemizin birincil enerji ihtiyacının linyit yerine doğal gazdan sağlanması yönündeki çalışmalardır. Nitekim, 2010 yılında elektrik enerjisi için Türkiye'nin tahmini doğalgaz ihtiyacının yaklaşık 13 milyar metreküp olduğu rapor edilmiştir [1], Bu miktarın dörtte biri mevcut santrallar, geri kalanı ise kurulacak olan santrallar için öngörülmüştür. Her ne kadar konut ihtiyacının karşılanması için gerekli fırın boyutlarında doğal gazın kullanımı mantıklı bir çözüm ise de, merkezi ısıtma, endüstriyel tesisler ve termik santrallar için gerekli fırın boyutlarında kendi öz kaynağımız olan linyitin temiz ve verimli bir yakma teknolojisi ile kullanımı en uygun çözümdür.
Ayrıca ülkemizin enerji ihtiyacının ithal doğal gaza dayandırılması eğilimi iki nedenle değişmek zorundadır. Bunlardan birincisi, uzun vadede doğal gaz fiyatının uluslararası piyasadaki belirsizliği, ikincisi ise ülkemizin sınırlı yatırım kaynaklarının, alt yapı ve endüstriyel gelişme gibi ülke içi yatırımlar yerine doğal gaz ithali için kullanılmasıdır. Alternatif çözüm son yıllarda geliştirilmiş ve daha çok gelişmiş ülkelerin sanayilerinde ve termik santrallarında uygulamaya konulmuş olan akışkan yatakta yakma teknolojisidir. Bu teknolojinin özelliği, Türk linyitleri gibi düşük kalorili yakıtların da hava kirliliği yaratmaksızın verimli olarak yakılabilmesini sağlamasıdır. Ancak, daha çok Kuzey Amerika ve Avrupa'nın yüksek kalorili kömürleri için geliştirilmiş olan akışkan yataklı yakıcı tasarımlarının ülkemiz linyitlerine olduğu gibi uygulanması, bu teknolojinin sunduğu avantajları kısıtlamaktadır.
Nitekim, 1987 yılından bu yana Türkiye'deki kazan imalatçıları bu ülkelerden proses tasarımı için lisans alarak imalat yapmış ve sanayiye küçük ve orta kapasitede kazanlar sunmuştur.
Ancak bu tasarımlar Türk linyitinden çok daha kaliteli kömürler için geliştirilmiş olduğundan devreye almada değişikliklere, gecikmelere ve işletmede sık ve pahalı bakım, onarıma ihtiyaç göstermektedir. Ayrıca akışkan yataklı kazanın en önemli özelliklerinden biri olan kükürtün kireçtaşı ile yanma odasında tutularak baca gazındaki kükürt dioksit emisyonunun azaltılması, şimdiye kadar kurulmuş olan kazanlarda uygulanmamıştır.
İthal edilen bu teknolojilerin linyitlerimize uyarlanmamasından kaynaklanan bu sorunlar uygulayıcıların akışkan yatakta yakma teknolojisine olan güvenini sarsmıştır. Ancak bu teknolojinin Çin ve İspanya gibi büyük linyit rezervlerine sahip ülkelerde yıllardır başarı ile uygulandığı dikkate alındığında akışkan yatakta yakma teknolojisinin ülkemiz linyitlerine ivede adaptasyonu gerektiği ortaya çıkmaktadır.
Bu ihtiyaçtan hareket edilerek, 1975 yılında akışkan yataklı yakıcıların modellenmesi ile başlayan ve 1984 yılından bu yana pilot ölçekte deney ve tasarım geliştirme çalışmalarıyla devam eden araştırmalar [2-5] ışığında 0.3 MW akışkan yataklı yakıcı test ünitesi kurulmuş ve böylelikle Türk linyitleri için 'know-how' geliştirmeye yönelik önemli bir adım atılmıştır.
Bu proje, Orta Doğu Teknik Üniversitesi tarafından, Kanada Uluslararası Teknoloj Geliştirme Ajansı'nın mali desteği Babcocs & Wilcox GamaKazan Teknolojisi A.Ş.'nin teknik desteği ve bazı kuruluşların katkılarıyla gerçekleştirilmiştir.
0.3 MW AKIŞKAN YATAKLI YAKICI TEST ÜNİTESİ
Proses tasarımı ODTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü'nde yapılmış olan 0.3 MW akışkan yataklı yakıcı test ünitesinin proses ve enstürüman-tasyon diagramı şekilde gösterilmiştir. Değişik linyitlerin yakılabilmesi için modüler ve esnek bir yapıda tasarlanmış olan ünite, birer metrelik 5 modülden oluşmuştur. İç kesit alanı 0.45 m x 0.45 m olan bu modüllerin ilki yatak bölgesini, onu takip eden üçü serbest bölgeyi, sonuncusu ise soğutma bölgesini temsil etmektedir, nitenin iç yüzeyi ateş tuğlası ile kaplı olup, dış yüzeyi yalıtılmıştır. Ünitede iki soğutma yüzeyi bulunmaktadır.
Bunlardan birincisi yatağı, diğeri de serbest bölgeden çıkan gazı soğutmaktadır. Yatakdaki soğutma yüzeyi istenen ısı çekişine göre değiştirilebilecektir. Gerektiğinde serbest bölgedeki ateş tuğlalı modüller yerine su duvarlı modüller kullanılabilecektir.
Şekilden de izlenebildiği gibi, basma fanından sağlanan akışkanlaştırma havası sırasıyla kalibre edilmiş bir vorteks akış ölçer, hava kutusu ve dağıtıcı plakadan geçtikten sonra yatağa girer. Yakıcıdan çıkan yanma gazları içerdiği uçucu külü siklonda bırakarak emme fanı aracılığı ile bacaya verilir. Kömür ve kireçtaşı, kendi silolarını altındaki hızı ayarlanabilen burgulu besleyicilerden geçerek tek bir noktadan yatağa beslenir. Denemelere olanak verebilmesi için yatakta biri yatak seviyesi altı diğeri dağıtıcı plaka üstü olmak üzere iki besleme noktası mevcuttur. Yatak külü dağıtıcı plakaya bağlı olan drenaj borusu ile boşaltıcıya verilir. Yatak seviyesi bu boşaltıcı ile değiştirilebilir.
Siklonda toplanan uçucu kül hava kilidi ile siklondan çekilir. Sistem, siklonda toplanan külün değişik oranlarda yatağa geri dönmesine olanak verecek şekilde tasarlanmıştır. Devreye alma sırasında yatağın ön ısıtma LPCJ ile sağlanmaktadır. Gaz konsantrasyon ve sıcaklık profillerini çıkarmak amacıyla yakıcı boyunca onar tane ısıl çift ve gaz örnekleme sondası yerleştirilmiştir. Bunlardan dörder tanesi yatakta, diğerleri ise serbest bölgededir. Tasarımı ekibimizce yapılmış olan gaz örnekleme sondalarından çekilen gazlar (C02, CO, 02, S02, NOx) şartlandırıldıktan sonra analizörlere gönderilmektedir. C02, CO ve S02 için infrared, 02 için termo-manyetik, NOx için ise kimyasal ışıma (chemi-luminescent) anazalizörleri kullanılmaktadır. Yatak ve serbest bölge serpantinlerinden çıkan suyun sıcaklıkları rezistans termometreleriyle, serpantinlere giren suyun debileri ise orifis metrelerle ölçülmektedir. Tüm ölçüm cihazlarından gelen elektrik sinyalleri Bailey Infi 90 proses kontrol ve veri toplama sistemine iletilmekte ve gerçek değerler bilgisayardan izlenebilmektedir.
SONUÇ
0.3 MW akışkan yataklı yakıcı ile değişik linyit / kireçtaşı kombinasyonlarının denenmesi ve elde edilecek verilerin daha büyük kapasiteli yakıcılar için 'know-how' geliştirilmesi veya kaliteli kömürler için geliştirilmiş olan tasarımların linyite adaptasyonu amaçlanmıştır. Böylece, test ünitesi, akışkan yatakta yakma teknolojisinin Türk linyitleri için ticari boyuta geçirilmesini sağlayacaktır. Modüler ve esnek tasarımından dolayı ünite, gerek enerji sektörü için sıcak su kazanı ve gerekse sanayi sektörü için sıcak gaz üreteci tasarımlarına olanak verecektir. Sonuç olarak, bu teknolojinin ülkemiz linyitlerine adaptasyonu, Türkiye'nin öz kaynağı olan linyitlerin çevre sorunu yaratmaksızın enerji üretiminde değerlendirilmesini sağlayacaktır.
KAYNAKLAR
1- Erksan, M. "Natural Gas Market Prospects for Turkey", Proceedings of International Symposium on Energy with all Aspects in the 21st Century, p. 79, April 28-30, 1994, İstanbul.
2- Selçuk, N. and Kırmızıgül, Ü. Characteristics of a Fluidized Bed Combustor Burning Low-Quality Lignite", J. of Inst. of Energy, Vol.64,p. 151, 1991.
3- Selçuk, N. and Tezgörücü, Ö. "Combustion Characteristics of Low Quality Turkish Lignites in Fluidized Bed Combustors", Proceedings of VII th International Conference on Fluidization, (ed: Potter, O.E. and Niclin, D.J.), Engineering Foundation, New York, p. 505, 1992.
4- Selçuk, N., Atamer, S. Eroğlu, I., Önal, I. and Kırmızıgül, Ü. "2 MW Lignite Fired Atmospheric Fluidized Bed Boiler : Fundamental Process Design Philosophy", Proceedings of 12th International Conference on Fluidized Bed Combustion, ASME, New York, Vol. 1, p. 303, 1993.
5- Oymak, O. Selçuk, N. and Önal, I. "Testing of a Mathematical Model for the Combustion of Lignites in a AFBC", Fuel, Vol. 72, 2, p.261, 1993.
Prof. Dr.Nevin SELÇUK
ODTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü
