Biyokütle Yakma Sistemi Termal Tasarımı

Biyokütle binlerce yıldır insanlar tarafından kullanılmaktadır. Hem yeryüzünde fazla miktarda bulunmakta hem de elde edilmesi kolay bir yakıt türüdür. Dünyada şuan temel enerji kaynağı olarak biyokütle kullanımı dördüncü sıraya yükselmiş durumdadır.

Biyokütle, dünya enerji ihtiyacının %14‘lük bölümünü karşılamaktadır. Gelişmekte olan ülkelerde ise bu oran yaklaşık %35‘tir. Gün geçtikçe artan küresel enerji talebi, fosil yakıt miktarlarında azalma ve özellikle küresel iklim değişikliği tehditi, biyokütlenin enerji kaynağı olarak kullanımını artırmaktadır. Biyokütle hem gelişmiş hem de gelişmekte olan ülkelerde ısıtma ve elektrik enerjisi üretmek amacıyla kullanılmaktadır (Liu, Qiu, Shao ve Riffat, 2010).

Biyokütle, karbon temelli organik malzeme olup orman ve orman sanayi atıkları, tarımsal ve hayvansal atıklar, gıda sektörü atıkları ile evsel atıkların bir bölümünden oluşmaktadır.

Karbon, hidrojen ve oksijen bağlarında fotosentez ile güneş ışınları kullanılarak kimyasal enerji depolanır. Biyokütle enerjisi, rüzgâr ve güneş enerjisine göre devamlı enerji kaynağı sağlaması açısından önemli bir kaynaktır. Diğer bir avantajı ise yenilenebilir enerji kaynağı olması ve yanma sonucunda atmosfere fazladan CO2 kirletici yayılımı sağlamamasıdır.

Çünkü biyokütle yetişme aşamasında atmosferden CO₂ emilimi yapar ve yanma sırasında aynı miktarda CO₂ salınımı yaptığından atmosferi kirletici rol oynamaz (Liu ve diğerleri, 2010).

Biyokütle destekli sistem kullanımında amaç, güneş enerjisi ve depolama sisteminden yeterli termal enerji gelmediği zamanlar devreye girmesi ve evaporatör girişindeki ısı transfer akışkan sıcaklığını tasarım koşullarındaki değere yükseltmesidir. Enerji kullanımında hiyerarşik sıralama olarak; 1) Güneş enerjisi kollektör tarafından, 2) Termal enerji depolama sisteminden, 3) Biyokütle destekli kazan yakma sisteminden gelen termal enerji kullanılacaktır (Suresh ve diğerleri, 2014).

Biyokütle içeriğindeki C, H, O, N ve S atomları olduğu için yanma sonucu istenmeyen ve kontrol altına alınması gereken (CO, NOx, etc.) kirleticiler yaymaktadır. Ancak asit yağmurlarına neden olan SOx and NOx kirleticileri, biyokütleninin yapısında az miktarda azot ve kükürt olduğundan miktarları kömüre oranla azdır. Bu oran kömürde %1-%5 arasında iken biyokütlede %0,1-%1 arasında değişiklik göstermektedir (Dong ve diğerleri,

2009). Her biyokütlenin içeriğindeki kimyasal ve fiziksel özellikleri farklıdır. Bu araştırmada çizelge 4.27’de karakteristik özellikleri gösterilen biyokütle. yanma sisteminde kullanılmıştır.

Verimli ve temiz biyokütle yakma teknolojileri arasında günümüzde akışkan yataklı kazanlar ve hareketli ızgaralı kazanlar yer almaktadır. Bu çalışmada da yüzde 40 hava fazlalığı ile çalışan sistemlerden biri tercih edilmiştir. Emisyon kontrol mekanizmaları bakımından avantajlı olan akışkan yataklı bir termal yağ kazanı tercih edilmiştir.

Çizelge 4.27. Biyokütle yakıt karakteristik özellikleri.

Biyokütle (Wood Pellet ) Karakteristik Özellikleri Kütlesel Olarak Yaklaşık Değerler

Toplam LHV+Duyulur Isı @ 25℃ (kj/kg) (kül ve nem dâhil) 16.784

İdeal şartlarda karbon ve hidrojen içeren bir biyokütle yakıtın tamamen yanabilmesi istenen bir durumdur. Stokiyometrik hava yanma verimini etkileyen parametredir.

Tamamen yanmanın gerçekleşmesi için gerekli olan havanın oksijene oranıdır. Aşırı hava (excess air) faktörü 1’in altında ise tamamlanmamış yanma gerçekleşmekte ve yakıt enerjisinin sadece bir kısmı termal enerjiye dönüşmektedir. Ancak aşırı hava (excess air) faktörü 1’in üstünde ise fazla hava, prosesi soğutmakta, tamamlanmamış yanma ve termal kayıplara neden olmaktadır. Bu yüzden teoride en ideal durum aşırı hava (excess air) faktörünün 1 olmasıdır. Biyokütle yanma prosesi ideal durumdan farklı olarak gerçekleşir.

Bu yüzden yakma sistemi teknolojisine bağlı olarak hava fazlalık katsayısı, büyük çaplı uygulamalarda 1,1-1,8 arasında ve küçük çaplı uygulamalarda 1,5-2,0 arasında gerçekleşmektedir (Obernberger, Brunner ve Bärnthaler, 2006). Bu çalışmada hava fazlalık oranı %40 olarak seçilmiştir.

Çizelge 4.28. Biyokütle kazan parametreleri. gazından çıkan kirletici miktarlarının ve gerekli hava miktarının hesaplanması için yanma denklemleri teorik olarak hesaplanıştır.

Çizelge 4.27’de biyokütle’nin detaylı analizi gösterilmekte ve 1,8 kg/s biyokütle içerisindeki bileşenlerin kütlesel olarak miktarları ve yanma sonuçları Çizelge 4.29’da gösterilmektedir. Yanma için 2,28 kg O2’ye ihtiyaç vardır. Yanma için gerekli olan N2

miktarı ise 7,510 kg olarak hesaplanmıştır. %40 fazla havadan dolayı yanma için hava ihtiyacı 13.70 kg hesaplanmış ve toplamda gerekli hava miktarı 11.42 m³/s debi ihtiyaç duyulmuştur. Gerekli hava içerisinde 3,19 kg O2 ve 10.51 kg N2 vardır. Çizelge 4.30’da yanma sonucunda baca gazından çıkan kirletici miktarları gösterilmektedir.

Çizelge 4.30. Yanma sonucunda baca gazından çıkan kirletici miktarları.

Yanma Ürünleri Kütle (kg) Molekül Ağırlığı Kmoles %Molar Hacim

CO2 3,02 44 0,07 13,15% içerisindeki SO2 çok az değere sahip olduğu, bu nedenle fosil kaynaklara kıyasla oldukça zararsız bir yakıt kaynağı olduğu anlaşılmaktadır.

Şekil 4.21’de Cycle Tempo 5.1 ile biyokütle destekli ORÇ sistemi şematik gösterimi yer almaktadır. 130 ℃ evaporatör çıkışından gelen ısı transfer iş akışkanı biyokütle yakma sistemi sayesinde tekrar 220 ℃ tasarım sıcaklığına yükseltilmektedir.

Biyokütle yakıt kimyasal ekserji hesaplanması

Santralde kullanılan ana yakıt biyokütle olup yakıtların kimyasal ekserjisi onları oluşturan bileşenlerin kütle oranlarına bağlı olarak hesaplanacağı yakıtların kimyasal ekserji bölümünde anlatılmıştır. Çizelge 4.31’de biyokütle yakıtının bileşenleri gösterilmektedir.

Çizelge 4.31. Biyokütle yakıt içerisindeki bileşenlerin kütle oranları

Kütle Oranları(%)

Söz konusu santralde kullanılan biyokütle için bileşenlerin kütlesel oranı (y) C için %45,8, H₂ için %5,5, O₂ için %39,4, N için %0,08 ve S için %0,02 dir ve alt ısıl değeri 16.784

exFCH=ꞵxLHV=1,15x16.784=19.301,6 kj/kg hesaplanmıştır.

Biyokütlenin enerji ve ekserji değerleri;

Ebiyo=m.LHV=1,8 kg/s x 16.784 kj/kg = 30.212 (kW)

Bbiyo=m. exFCH

=1,8 kg/s x 19.301,6 kj/kg =34.743 (kW)

Şekil 4.21. Cycle Tempo 5.1 biyokütle destekli ORÇ sistemi şematik gösterimi.