OPTİMİZASYON
6.1 Döner Fırın Bölümünün Enerji Analizler
Döner fırın bölümü sürekli akış halindeki açık bir sistem olarak değerlendirilmiş ve bu değerlendirmeye göre bölümün enerji akışında enerjinin korunumu ilkesi aşağıdaki gibi yazılmıştır [144].
= -
Q -W
mçeç-
mgeg (6.1)Burada Q döner fırın bölümünün sınırlarından geçen net ısıyı, W döner fırın bölümünün sınırlarından giren net işi, e döner fırın bölümüne giren ve çıkan birim toplam enerjiyi ifade eder. Birim toplam enerji her maddenin sahip olduğu, entalpi, kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamıdır. Bu ;
e=h+ke+pe (6.2)
şeklinde ifade edilir. Denklem 6.1 ve 6.2 birleştirilirse enerjinin korunum ilkesi;
(h V /2 gz )- (h V /2 gz ) W - Q mç ç ç2 ç mg g g2 g (6.3)olur. Döner fırın bölümünde enerji analizlerinin yapılabilmesi için öncelikle aşağıdaki kabuller yapılmıştır.
a. Sisteme, kullanılan yakıttan farklı olarak, dışarıdan ısı verilmemektedir.
b. Döner fırının dönmesini sağlayan elektrik enerjisi analize iş olarak dahil edilmiştir.
c. Ön ısıtıcı siklonlar ile döner fırın ve soğutma üniteleri sürekli akış halindedir. Ünitelerde ve tüm bölümde, giren ve çıkan maddelerin kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilmiştir.
Birim zamanda ısı veya iş olarak döner fırın bölümünün sınırlarını geçen toplam enerji
Birim zamanda kütle ile birlikte döner fırın bölümünden çıkan toplam enerji
Birim zamanda kütle ile birlikte döner fırın bölümüne giren toplam enerji
d. Bölümü oluşturan ünitelerin bağlantı ve boru hatlarındaki kayıplar göz önüne alınmamıştır.
Bu kabullere göre tekrar değerlendirilen döner fırın bölümünün enerji dengesi;
mghg
mçhç
Qkayıa (6.4)şeklinde ifade edilir. Bölümde her giren ve çıkan maddenin enerji yükünü hesaplayabilmek için her maddenin sahip olduğu sıcaklığa ait özgül ısı kapasitesinin bilinmesi gerekir. Sistemde toz, gaz, farin, klinker gibi bazı maddelerin ölçülen sıcaklıklarda sahip oldukları özgül ısı kapasitelerine ulaşılamamıştır. Ulaşılan değerlerin ise normal şartlar için (20 ºC) geçerli özgül ısı kapasiteleri olduğu belirlenmiştir. Krichoff kanununa göre özgül ısı kapasitesi, sıcaklığın bir fonksiyonudur ve bir maddede sıcaklık değişimi ile birlikte sahip olduğu özgül ısı kapasitesi değişir. Döner fırına giren ve çıkan maddelerin özgül ısı kapasitelerini
(Cp) hesaplamak için deneysel olarak bulunmuş aşağıdaki bağıntı kullanılmıştır
[145–147].
Cp = a + bT + cT2 + dT3 ( kJ/kg.K ) (6.5)
Özgül ısı kapasitesinin hesabı için öncelikle döner fırın bölümüne giren ve çıkan tüm maddelerin elementer analizleri ve kütlesel debiler hesaplanmıştır. Daha sonra Denklem 6.5 ’den yararlanılarak giren ve çıkan her maddenin elementer bileşeninin özgül ısı kapasitesi bulunmuştur. Elementer bileşenlerin özgül ısı kapasiteleri bulunduktan sonra maddenin bileşimlerine ait kütle oranları dikkate alınarak maddenin özgül ısı kapasitesi hesaplanmıştır. Bu hesaplama ön ısıtıcı siklonlar ile döner fırın ve soğutma ünitelerinin hepsinde her madde için ayrı ayrı yapılmıştır. Analizlerde sadece fırında yanma olayı gerçekleştikten sonra ortaya çıkan kül için özgül ısı sabit kabul edilmiş ve fabrikadan alınan özgül ısı kapasitesi değeri kullanılmıştır. Sisteme giren sızıntı havanın özgül ısı kapasitesinin hesaplaması Çizelge 6.5 ’de örnek olarak verilmiştir.
Çizelge 6.5 Sızıntı havanın özgül ısı kapasitesi Madde T K Bileşen . m oranı % . m kg/h Cpcomp. kJ/kgK . m* Cpcomp. Cp kJ/kgK 295 N2 77.37 3 909.51 1.041 4 069.80 295 O 2 20.76 1 049.00 0.925 970.33 295 CO 2 0.03 1.52 0.846 1.28 295 Ar 0.92 46.49 4.97 231.04 295 H 2O 0.01 0.51 4.181 2.11 Sızıntı hava 295 Diğer 0.91 45.98 1.007 46.30 TOPLAM 5 053.00 5 320.87 1.053
Termodinamik kabuller ve ihtiyaç duyulan termodinamik özelliklere ait veriler belirlendikten sonra döner fırın bölümüne ait her ünite için ayrı ayrı enerji dengesi oluşturulmuştur. Ön ısıtıcı siklonların enerji analizinde; her siklonun analizi ayrı ayrı yapılmış, daha sonra siklonlar bir bütün olarak ele alınıp enerji dengesi tüm ünite için oluşturulmuştur. Ön Isıtıcı siklonların enerji analizleri EK C.1–7 ’de verilmiştir. Bu analizlere göre; siklonlarda kg başına en düşük enerji girişi 761 kJ/kg olurken en yüksek enerji çıkışı 1 885.3 kJ/kg olmaktadır. Siklonlarda en yüksek enerji kaybı ise % 9 ile % 10.5 aralığında C4 siklonunda gerçekleşmektedir.
Ön ısıtıcı siklonlar ile soğutucu ünite arasında kalan döner fırın ünitesinin enerji analizinde; fırına giren çıkan maddelerin gün ortalama debileri dikkate alınarak ayrı ayrı incelenmiş ve döner fırın ünitesinin enerji dengesi oluşturulmuştur. Döner fırın ünitesinin enerji analizleri EK Ç.1-4 ’de verilmiştir. Bu analizlere göre fırında birim klinkeri soğutucuya göndermek için gerekli enerji 2.59 ile 2.70 MJ/kg.Klin. aralığında gerçekleşmiştir. En yüksek nicel enerji kaybının % 24.22 ile 9 Temmuz ’da oluştuğu saptanmıştır.
1630–1690 K sıcaklıkta döner fırın ünitesini terk eden klinker soğutucu ünitede yüksek hava debili fanlar yardımıyla 383–403 K sıcaklık aralığına kadar soğutulmaktadır. Soğutucu üniteye giren çıkan maddelerin gün ortalama debileri
dikkate alınarak ayrı ayrı incelenmiş ve soğutucu ünitenin enerji dengesi oluşturulmuştur. Soğutucu ünitenin enerji analizleri EK D.1 ’de verilmiştir. Analizlere göre soğutucu ünitede; klinkeri soğutmak için birim klinker başına 3.79– 4.18 MJ/kg.Klin. aralığında enerji harcanmaktadır. Böylece, 1630–1690 K aralığında sıcaklığa sahip klinker, soğutucu çıkışında 383–404 K sıcaklığına düşürülmektedir.
Döner fırın bölümünün her bir ünitesine yönelik enerji analizleri ayrı ayrı tamamladıktan sonra döner fırın bölümünün tümü için enerji dengesi oluşturulmuş ve bölümün enerji analizleri yapılmıştır. Döner fırın bölümü, C1A siklonundan başlar, farinin klinker dönüşümünü sağlayan döner fırın ünitesinden geçer ve klinkerin soğutulma işlevini gerçekleştiren soğutucu ünitenin çıkışında son bulur. Döner fırın bölümünde kütlesel debilere bağlı akışın detaylı şeması Şekil 6.1 ’de verilmiştir. Bu kütlesel akışlara göre döner fırın bölümünün enerji analizleri her gün ortalaması için ayrı ayrı yapılmış ve enerji analizleri EK D.2-5 ’de her gün için EK E.1 ’de tüm bölüm için verilmiştir. Bu analizlere göre; fırına birim klinker başına 7.52–8.35 MJ/kg aralığında enerjinin girdiği, fırında enerjinin en yüksek nicel kaybının % 44.78 ortalama ile 09 Temmuz ’da, enerji en düşük nicel kaybının % 34.25 ile 06 Temmuz’da gerçekleştiği tespit edilmiştir.