Kömürün Yanması

Yanma için kullanılan yakıtlar fiziksel hallerine bakılarak katı (kömür, odun, gıda atıkları vb.), sıvı (dizel, fuel-oil vb.) ve gaz olarak sınıflandırılabilir. Katı yakıtlar içerisinde sınıflandırılan kömürün yapısında karbon, hidrojen, oksijen, azot, kükürt ve kül bulunmaktadır.

Birim miktarda yakıtın tamamen yanabilmesi için belirli bir miktarda minimum ortam havasına ihtiyaç duyulur. Yakıtı tam yakmak için gerekli minimum hava miktarına stokiyometrik veya teorik hava denir. Tam yanma veya stokiyometrik yanma, yakıt içerisindeki bileşenlerin tamamının oksijenle uygun koşullar altında reaksiyona girmesini ve oksijenle tekrar reaksiyona giremeyecek ürünler oluşturmasını sağlar. Tam yanmanın gerçekleştirilebilmesi için gerekli üç önemli koşul şunlardır:

· Yeterli sıcaklık · Yeterli zaman · Yeterli türbülans.

Tam yanma olayının gerçekleştirilmesi, maksimum yanma verimi ve minimum zararlı emisyon oluşumunun göstergesidir. Bu nedenle yanma sistemlerinde her zaman tam yanma hedeflenmektedir. Oksijen, yanma haznesine yetersiz miktarda gönderilirse, yakıt içerisindeki hidrokarbonlar alabileceğinden daha az miktarda oksijenle buluşur. Bu durumda tam yanma gerçekleşmez, daha az ısı üretimi, verimsiz yanma ve yüksek zararlı emisyon oluşumu meydana gelir. Oksijenin fazla temininde ise yakıtın alabileceğinden fazla oksijen, yanma haznesinin soğumasına neden olur, bu durumda yanma verimi düşer.

Pratikte yanma haznesi içerisinde oksijen ve yakıtın mükemmel karışımı sağlanamadığından, yanma haznesine bir miktar oksijen fazlalığı sağlanır. Oksijen

temini için hava kullanıldığından buna hava fazlalığı denir. Literatürde hava fazlalığı eş. (4.1)’deki gibi ifade edilir.

(4.1)

Kömürün yanması, temel olarak birincil yanma ve ikincil yanma olaylarıyla gerçekleşmektedir. Sobalardaki birincil ve ikincil yanma olayı Ustaoğlu (1975) ve Bilir (1982)'in çalışmalarında detaylı olarak açıklanmıştır.

Ustaoğlu (1975), linyit sobaları hakkında araştırmalar yapmıştır. Yayımladığı tez çalışmasında kömürün yanması hakkında önemli bilgiler vermiştir. Bu bilgilerden bazıları şunlardır:

Yakıttaki hidrojenin tamamı hidrokarbon formundadır. Yeni yakıt ilave edildiğinde uçucu hidrokarbonların damıtımı, yanmanın birinci aşaması olarak gerçekleşir. Dumansız yanmanın gerçekleşmesi için bu kısmın, tamamen yanması gerekmektedir. Üstten beslemeli yanmada, taze kömür yakıt yatağına alevin üzerinden verilir. Yakıt yatağına bırakılan taze kömür genelde yeşil kömür olarak adlandırılır.

Yeşil kömür, alttan gelen ısı ile ısıtıldığında, nem buharlaşır ve uçucu maddeler, kömür parçacıklarından ayrılır. Üstten beslemeli yakıt yatağının en üst bölgesi, damıtma alanı olarak adlandırılır. Yanma için birincil hava (veya yanma havası), yakıt yatağının altından girer. İkincil hava (veya alev üstü hava) üstten girer. Birincil hava ızgara boşluklarından geçer, yukarı kül bölgesine doğru gider. Izgara etrafındaki gözenekli kül tabakası, yanma alanı içindeki birincil hava akışının kontrolüne yardım eder. Yatağa hava akışı oldukça kömür oksitlenir. Mevcut yanma teorilerine göre, karbon yanar ve birincil ürün olarak CO oluşur, daha sonra yakıtın alt kısımları civarındaki oksijen fazlalığı CO’i CO2’e oksitler. Alt yanma alanı oksitleme alanı olarak adlandırılır.

Yakıt yatağının alt kısmından sıcak gazlar yükselip oksijen tükendiği zaman, kömürden oluşan CO2 tekrar CO’e dönüşür. (Ustaoğlu, 1975) Çeşitli ebatlarda

parçacıklar, kömürün üstünde bulunur. Bu bölgeye indirgeme bölgesi denir. CO2, CO,

N içeren yanma gazları damıtma bölgesinden geçer ve taze kömürden buharlaşan uçucu madde ve nem ile karışır. Bu nedenle, bu yanma gazları, oksijen ile uygun bir şekilde karıştırılmalıdır. Aşırı dumanı önlemek ve yüksek yanma verimi elde etmek için tutuşturulmalıdır. Türbülanslı ikincil hava, yakıt yatağının üst tarafında yanmanın tamamlanması için gereklidir.

C + O2 →CO2 + 8113 kcal/kg-C

2C + O2→ 2CO + 2467 kcal/kg-C

Yanmada karbon için yukarıda verilen iki reaksiyon meydana gelir. CO2

oluşumunda, CO oluşumuna göre üç kat daha fazla ısıl enerji elde edilir. Tam yanma için CO’in tamamı CO2’e dönüşmelidir. Tam yanma sonrası, CO, yanmamış

hidrokarbon ve duman, baca gazında bulunmamalıdır. Diğer tüm doğal katı yakıtlar ve bazı işlenmiş olanlar gibi linyit ısıtıldığı zaman su buharı, hidrokarbonlar, hidrojen ve bazen CO ve CO2’den oluşan gaz ürünleri açığa çıkar. Bu ürünlerin ağırlığı, doğrudan

yakıtın uçucu madde oranıyla ilgilidir. Bunlardan sonra önemli bir miktar sabit karbon, yanmak için bulunur. Böylece linyitin tam yanması, gazların yanması ve katıların yanması şeklinde iki aşamada gerçekleşir.

Gazlarla karışması için hava temin edilmezse ve ocaktaki sıcaklık düşükse, dumanın çoğu, yoğuşmuş hidrokarbonlardan oluşan katran sisinden oluşur. Hava temin edilir fakat karışma yeterli olmaz ise ve ocağın sıcaklığı tutuşmaya neden olacak kadar yüksek ise, oksijenin mevcut olduğu bölgelerde yanma olur. Diğer bölgelerde, oksijen yetersizliğinden dolayı, hidrokarbonlar duman içerisinde görünen kurum veya karbon oluşumu ile çatlamaya neden olacak kadar yüksek sıcaklık radyasyonuyla hafifçe ısınır. Gerçekte, kurum ve katran, ocağın değişik bölümlerindeki gazlarla birlikte eş zamanlı olarak yayılır.

Bilir (1982), çalışmasında odunun üç aşamada yandığını belirtmektedir. İlk aşamada yakıt içerisindeki su buharlaşır, buharlaşan su yakıttan ayrılırken beyaz duman halinde görülür. Bu aşamada ısı kullanılır (1 kg suyun buharlaşması için 2320 kJ enerji kullanılır). Su buharı ortamı terk ederken çok az miktarda ısı açığa çıkar. Sıcaklık 100 ’ye ulaştığında ortamdan su uzaklaşmıştır. Odundaki sıcaklık artmaya devam ettikçe, yanabilir katılar, öncelikle buharlaşır ve odunu gaz olarak terk ederler. Bu aşamada da ısı kullanılır. Bu gazlar yeterince yüksek bir sıcaklıkta hava ile birleşince (600 civarı) odundan kopan alevle yanarlar. Bu yanma ikincil yanma olarak nitelendirilmektedir.

Nem ve gazların büyük bir kısmı uzaklaştıktan sonra neredeyse saf karbon kalır. Yakıtın bu kısmına katran karası veya mangal kömürü denir. Katran karası, alev veya duman olmadan ve maksimum kullanılabilir ısıyı üreterek yavaşça yanar. Katran karasının yanması birincil yanma olarak adlandırılır. Yanan aleve daha fazla odun eklendiğinde, bu üç aşama aynı zamanda devam eder.

Isıtma yapıldığında, CO2 ve su buharı odunun yüzey tabakasından uzaklaşır,

yüzeyi kaplar ve odun ile temas halindeki oksijenin gelişini engeller. Bunun sonucunda duman oluşur fakat alev oluşmaz. Sıcaklık yükseldikçe, odun yüzeyi kurum bağlar. (katran karasının içinde yanar.) Aynı zamanda, odunun içine doğru ısı gönderilir. Bunun sonucunda odunun iç kısmındaki su serbest kalır. Daha sonra gazlar ve kurum serbest kalır. Bunlar odun yüzeyine yayılır. Kurum, katranla reaksiyona girerek uçucu gazları oluşturur. Bunlar oksijen varlığında alev oluştururlar. Uçucuların yanması oksijen gerektirir. Hava sadece yanan yakıtın üzerine doğru yönlendirilirse, gazların hiç birini yakamadan ortamdan uzaklaşır. Gazları yakmak için hava, alevin etrafına ve üzerine verilmelidir. Her gaz molekülü, tutuşmadan önce belirli bir miktar hava ve belirli bir miktar sıcaklık gerektirir. Daha fazla hava, gazların taşıyacağı ısıyı artırır. Fakat hava fazlalığı belirli bir sınırın üzerine çıkarsa odun tutuşmaz. Bu durumda gerekli ısı kaybını telafi etmek için reaksiyon bölgesinde birçok kimyasal reaksiyon meydana gelir. Bu durum oksijen eksikliğinde de meydana gelir. Katran karası çok az miktarda alevle veya alevsiz yanar. Radyasyon enerjisinin % 30’u odun tarafından yeniden emilir. Bu durum yanma sürecinin korunmasına yardım eder. Yanma hızlı gerçekleşirse büyük miktarlarda kurum ve tutuşabilir gazlar üretilir. Daha çok ısı çabucak üretilir. Bu durumda çok az katran karası üretilir. Yanma yavaş olursa, daha fazla CO2, su buharı ve

katran karası üretilir. Isı daha yavaş ve sabit bir oranda yayılır. Yanma haznesi içerisinde kömürün, saf karbon kısmının birincil hava ile yanması şekil 4.1’de görülmektedir.