Akışkan yataklı yakma sistemlerinin sınıflandırılması

Akışkan yataklı buhar kazanları iki gruba ayrılabilir. Birinci grup işletme basıncına göre sınıflandırılır. Bu grup, atmosfer basınçlı akışkan yataklı kazanlar ve basınçlı akışkan yataklı

kazanlar olarak ikiye ayrılır. Diğer grup ise Akışkanlaşma durumuna göre sınıflandırılır. Bu grup ise, kabarcıklı akışkan yataklı kazan ve dolaşımlı akışkan yatak olmak üzere ikiye ayrılır. Şekil 4.14 ‘ de Kabarcıklı akışkan yataklı kazan ve dolaşımlı akışkan yataklı kazanın basit şekilleri gösterilmiştir [Topal vd., 2018].

Şekil 4.14. Kabarcıklı (A) ve dolaşımlı akışkan yatak (B) şeması.

Kabarcıklı akışkan yataklı kazanlar

Kabarcıklı akışkan yataklı yakıcılar akışkan yatak teknolojisinin gelişiminde ilk ortaya çıkan ve yaygın olarak kullanılan tiptir. Minimum akışkanlaşma koşullarını sağlayan gaz debisinin artmasıyla yatak içerisinde kabarcıklar ortaya çıkmaya başlar. Kabarcıklar taneciklerin yatak içerisinde dolaşımını sağlar, böylece katı taneciklerin yakıcı içerisinde mükemmel bir şekilde karışması mümkün olur. Kabarcıklı akışkan yataklı yakıcılarda işletme gaz hızı (boş kolon gaz hızı) minimum akışkanlaşma rejimindeki gaz hızının 3 - 6 katıdır. Bu yakma sistemi şekil 4.15’de şematik olarak gösterildiği gibi yatak malzemesi ve kömür karışımını taşıyan ve yanma için verilen akışkanlaştırıcı havanın uygun şekilde dağılmasını sağlayan bir dağıtıcı elek, kömür besleme ve kül boşaltma sistemleri, yatak ön ısıtma sistemi, ısı transfer boruları, bir hava üfleyicisi ve baca gazı aspiratörü ile sistemden kaçan tozları tutacak siklon, siklonlar veya filtrelerden oluşmaktadır. Akışkan yataklarda ısı çekme işlemi, genel olarak hem aktif yataktan (iç ve dış ısı değiştirgeçleri ile) hem de serbest bölgeden yapılmaktadır. Yatağın ısıl kapasitesinin, serbest bölgenin ısıl kapasitesinin yaklaşık 1000 katı olması nedeniyle yatak içerisinden, serbest bölgeye oranla 6-7 kat daha fazla ısı çekilebilir. Ancak, aktif yatak ve serbest bölgeden ısı çekme

oranları yatak tasarımına ve kullanılan kömür cinsine bağlı olarak değişebilir. Yüksek uçucu madde içeren kömürlerde aktif yatak bir gazlaştırıcı olarak görev yapmakta ve açığa çıkan gazların yanması, daha fazla yatağın üst kısmı ve serbest bölgede olmaktadır. Atmosferik kabarcıklı akışkan yataklı sistemler kazan endüstrisinde kullanılan diğer klasik sistemlere göre iyi bir gaz-katı temasına izin verdiklerinden, daha yüksek bir kömür yakma ve kazan verimliliğine sahiptirler. Akışkan yatakların diğer bir üstünlüğü ise yanmanın üç T (Zaman(Time), Türbilans(Turbulance),Sıcaklık(Temperature)) kuralını kolayca sağlayabilmeleri nedeniyle yapısal olarak yüksek emisyon kontrol özelliğine sahip olmalarıdır. Bu nedenlerle atmosferik akışkan yatakların günümüzde ülkemizde de ticari boyutta kullanımları hızla artmaktadır (Topal, 2018).

Şekil 4.15. Kabarcıklı akışkan yataklı kazan şeması.

Dolaşımlı akışkan yataklı kazanlar

Düşük hız rejiminde çalışan akışkan yataklara alternatif olarak hızlı ve dolaşımlı akışkan yataklar geliştirilmiştir. Bu tip yataklarda akışkanlaşma hızı ortalama olarak atmosferik kabarcıklı yataklarda uygulanan 3-4 m/s’ lik hızlardan daha yüksek olup yaklaşık 7-10 m/s kadardır.

Dolaşımlı akışkan yatak ilk defa Reh tarafından 1971 yılında F.C.C. (Fluid Catalytic Cracking) işleminde kullanılmıştır. Yüksek akışkanlaşma hızları nedeniyle aktif yataktan taşınan yanmamış katılar, siklon veya siklonlar vasıtasıyla yatağa geri beslenir. Yüksek akışkanlaşma hızının neden olduğu erozyon dolayısıyla aktif yatak içine ısı değiştirici borular konulmaz; serbest

bölge daha yüksek yapılarak yanmanın tamamlanması sağlanmaya çalışılır. Genelde DAY’larda ısı aktarımı su borulu duvarlarda yapılır. Dolaşımlı akışkan yataklarda kömür ve absorbent besleme sistemi kabarcıklı yataklara göre daha basittir ve kükürt tutma veriminin % 90 ve üzerinde sağlanabilmesi için kullanılması gereken kireçtaşı miktarı da daha az olup Ca/S mol oranı 1,5’den küçüktür. Tipik bir DAY yakma sistemi şekil 4.16’ de verilmiştir. Aynı kükürt tutma oranları için kabarcıklı sistemlerde Ca/S mol oranının ise 3-5 arasında olması gerekmektedir.

Şekil 4.16. Dolaşımlı akışkan yataklı santral şeması.

Dolaşımlı akışkan yatak uygulamalarında, siklon hattı (düşme borusu) ve yanma odası (reaktör, yükselme borusu) arasında akışkanlaştırılmış ortamda yoğunluk farkı oluşturularak yatak dolaşıma zorlanır. Bu ise yanma odası koşullarının tasarım yönünden, toz kömür yakma koşullarına benzer bir biçime dönüştürülmesi, reaksiyon (yanma, SO2 tutma vb.) sürelerinin

uzatılarak yanma verimi, kapasite ve SO2 ansorbsiyon etkinliğinin arttırılması, erezyonun

azaltılması, mevcut kazanların akışkan yatağa dönüştürülmesi vb. birçok üstünlüğü beraberinde getirmektedir. Burada temel sorun, reaktör dışında her noktada (düşme borusu, geri dönüş borusu vb. elemanlar) tüm işletme süresince akışkanlaşma koşullarının oluşumunun güvence altına alınmasıdır (Kural, 1988). DAY’ lı kazanlarda yatağın çok yoğun türbülanslı olması ve yanma odasını doldurması nedeni ile ısıtma yüzeylerine olan ısı transferi, diğer yakma sistemlerine

kıyasla çok daha büyüktür. Bu durum yanma odasının ve ısıtma yüzeyi boyutlarını, dolayısıyla ilgili yatırım maliyetlerini düşürmektedir (Erbaş, 2007). Şekil 4.17’ de Dolaşımlı akışkan yataklı kazan kesiti verilmiştir.

Şekil 4.17. Dolaşımlı akışkan yataklı kazan kesiti.

Basınçlı akışkan yataklar

Son yıllarda atmosfer basıncından daha yüksek basınçlı yataklar üzerinde teorik ve pratik çalışmalar sürdürülmektedir. Temel olarak atmosfer basınçlı yatak, ev ve araba ölçüsünde gerekli buharı sağlamak amacı ile geliştirilmiştir. Ancak elektrik üretimine uygulanan basınçlı yataklar da vardır. Bunun yanında güç santrallerinde aşırı kızgın buhar üretimini gerçekleştirmek için, basınçlı akışkan yatağın geliştirilme fikri üzerinde çalışılmaktadır.

Basınçlı akışkan yataklar 5-20 atm basıncı arasında çalışırlar. Basınçlı akışkan yataklı kazanlar, sadece buhar üretimi değil, gaz türbinlerini beslemek için yanma gazları üretirler. Atmosferik akışkan yatağa göre daha verimlidirler (Erbaş, 2007).

Basınçlı yataklar ile atmosfer basınçlı yatakların karşılaştırılması;

• Basınçlı akışkan yatağın diğerine göre hacmi küçüktür. Ancak 10 atm basınca dayanacağı için yapısı özeldir.

• Basınçlı yatağın verimi daha yüksektir.

• Yatak boyutları küçüldüğünde hava ve katı taneciklerin homojen dağılımını sağlamak daha kolaydır.

• Birleşik gaz-buhar türbin çevrimi ile ısı transfer yüzeyi gereksinimi azalmıştır. • Temiz yanma konusunda ikisi arasında fazla bir farklılık belirmez ancak basınçlı

yatakta Ca/S oranı 2 ‘ dir ve NOx yayımı biraz azalmıştır.