Seçici Katalitik İndirgeme Sisteminin Ağır Taşıt Motorlarında Kullanımının Optimizasyonu

(1)

ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ  FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Göktürk DEMĠRÖZ

Anabilim Dalı : Makina Mühendisliği Programı : Otomotiv

SEÇĠCĠ KATALĠTĠK ĠNDĠRGEME SĠSTEMĠNĠN AĞIR TAġIT MOTORLARINDA KULLANIMININ OPTĠMĠZASYONU

Tez DanıĢmanı : Prof. Dr. H. Ertuğrul ARSLAN

(2)

(3)

OCAK 2010

ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ  FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Göktürk DEMĠRÖZ

(503051721)

Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 11 Aralık 2009

Tezin Savunulduğu Tarih : 28 Ocak 2010

Tez DanıĢmanı : Prof. Dr. H. Ertuğrul ARSLAN (ĠTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Metin ERGENEMAN (ĠTÜ) Prof. Dr. Ġrfan YAVAġLIOL (YTÜ) SEÇĠCĠ KATALĠTĠK ĠNDĠRGEME SĠSTEMĠNĠN AĞIR TAġIT

(4)

(5)

iii ÖNSÖZ

ÇalıĢmalarım boyunca beni yönlendiren, teĢvik ve desteğini esirgemeyen tez danıĢmanım Prof. Dr. H. Ertuğrul ARSLAN‟ a ve Ford OTOSAN Ürün GeliĢtirme Bölümünde bana desteklerini sunan mühendis arkadaĢlarım ve meslektaĢlarıma teĢekkürlerimi sunarım.

Ayrıca maddi ve manevi destekleriyle her zaman yanımda olan aileme teĢekkür ederim.

Ocak 2010 Göktürk Demiröz

(6)

(7)

v ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET...xix SUMMARY...xxi 1.GĠRĠġ: ... xix 1.1 Tezin Amacı ... 5

2. MOTORLU ARAÇLARIN EGZOZ EMĠSYONLARININ DENETĠMĠ VE EVRĠM SÜRECĠ ... 6

2.1 Dizel Egzoz Emisyonlarının Türkiye‟deki GeliĢimi ... 12

2.2 AB‟de Emisyon Ġçin Uygulanan Programlar ... 13

2.3 AB Emisyon Yönetmelikleri ... 13

2.4 EURO Emisyon Normları ... 14

2.5 TaĢıt Kaynaklı Kirletici Mekanizmaları... 15

2.5.1 Yanma Prosesi ve Egzoz Gazlarından Kaynaklanan Kirlilik ... 16

2.5.2 Sürücü ve SürüĢ Karakteristiği Nedeniyle Kaynaklanan Kirlilik ... 17

3. YANMA ... 18

3.1 Termal Art Yakma ...19

3.2 Katalitik Art Yakma ... 19

4. NOx STANDARTLARI VE KONTROL SĠSTEMLERĠ ... 21

4.1 NOx Kontrol Sistemleri ... 22

4.1.1. Hava Kademeleme ... 22

4.1.2 Baca Gazı Sirkülasyonu ... 23

4.1.3 Yakıt Kademeleme ... 24

4.1.4 DüĢük NOx OluĢturan Yakıcılar ... 24

4.1.5 Seçici Katalitik Ġndirgeme ... 25

4.1.6 Seçici Katalitik Olmayan Ġndirgeme ... 26

4.2 Dizel Motorlarında NOx OluĢumu ve Kontrol Yöntemleri ... 28

4.2.1 Azot Oksitlerin OluĢum Mekanizmaları ... 29

4.2.2 Azot Oksitlerin OluĢumunu Etkileyen Sebepler ... 31

5. DĠZEL MOTORLARINDA PARTĠKÜL MADDE EMĠSYON KONTROLÜVE GELĠġMELERĠ ... 41

5.1 Emisyon Düzenlemeleri ... 42

5.2. Dizel Motor Emisyonlarının ve Partikül Maddenin Yapısı ... 44

5.4 Dizel Oksidasyon Katalisti (DOC)... 48

5.5 Dizel Partikül Filtrelerinin Rejenerasyonu... 49

5.5.1 Pasif Rejenerasyon ... 50

5.5.2 Sürekli ve Katalitik Sürekli Rejenerasyonlar (CCRT) ... 51

5.5.3 Aktif Rejenerasyon... 52

6. MOTORLU ARAÇLARDA EURO EMĠSYON STANDARTLARI VE GEREKLĠ UYGULAMALAR ... 54

6.1 Benzinli Araçlarda Euro Emisyon Standartları Ve Gerekli Uygulamalar ... 54

(8)

vi

6.2.1 Yakıt Enjeksiyon Sistemi: ... 56

6.2.2 Egzoz Gazları Resirkülasyonu (EGR) ... 56

6.2.3 Seçici Katalitik Ġndirgeme (SCR) ... 73

6.2.4 EGR ve SCR KarĢılaĢtırması ... 74

6.2.5 NOx ve PartikülMadde (PM) Emiciler ... 78

7. DĠZEL MOTORLARDA EMĠSYON OLUġUMU ... 80

7.1 Karbonmonoksit (CO) OluĢumu ... 80

7.2. Azot Oksit (NOx) OluĢumu ... 81

7.3 Partikül Madde OluĢumu ... 82

7.4 Hidrokarbon (HC) OluĢumu... 83 7.5 Emisyonların Etkileri ... 84 7.5.1 Karbonmonoksit (CO) ... 84 7.5.2 Azotoksitler (NOx) ... 84 7.5.3 Hidrokarbonlar (HC) ... 84 7.5.4 Partikül Maddeler (PM) ... 84 7.5.5 KurĢun BileĢikleri ... 85

7.6 Dizel Motorlarda Sülfür Düzeyi ... 86

7.7 Türkiye‟de Dizel Yakıtın GeliĢimi ... 87

8. AĞIR DĠZEL MOTORLARDA EMĠSYON AZALTMA ÖNLEMLERĠ ... 88

9. EGZOZ EMĠSYONLARININ ÖLÇÜMÜ VE ÖLÇÜM YÖNTEMLERĠ ... 90

9.1 CO ve CO2 Ölçüm Yöntemi ... 90

9.2. NOx Ölçüm Yöntemi ... 91

9.3 HC Ölçüm Yöntemi ... 92

9.4 GFA Analizörü ... 93

10. KATALĠTĠK KONVERTÖRLER VE KATALĠSTLER ... 95

10.1 Partikül Tutucu Filtreler ... 100

10.2 Katalistler ... 100

11. SEÇĠCĠ KATALĠTĠK ĠNDĠRGEME (SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION – SCR) SĠSTEMĠ ... 103

11.1 Genel Bilgiler ... 103

11.2 SCR Sisteminde Kullanılan Katalizörler... 109

12. SEÇĠCĠ KATALĠTĠK ĠNDĠRGEME SĠSTEMĠ LĠTERATÜRÜ VE DAHAÖNCEDEN YAPILMIġ ÇALIġMALARI ... 110

12.1 Ahlstrom Silversand ve Odenbrand SCR ÇalıĢması ... 110

12.2 Ioannis Gekas, Pär Gabrielsson ve Keld Johansen SCR ÇalıĢması ... 111

12.2.1 Katalizör seçimi ... 112

12.2.2 DNX15 ve DNX15-PD Katalizörleri Ġle ESC Testleri ... 113

12.3 Joon Hyun Baik SCR ÇalıĢması ... 113

12.4 Penetrante SCR ÇalıĢması ... 115

12.5 William Miller SCR ÇalıĢması ... 117

12.6 Cam Sanayinde NOx Ġndirgeme ve SCR Sistemi ... 120

12.7 Dizel Motorlu Kojenerasyon Sistemlerinin Emisyon Özelliklerinin Ġncelenmesinde SCR Sistemi ... 123

12.7.1 Dizel Motorlu Kojenerasyon Sisteminde Egzoz AkıĢı ... 124

12.7.1.1 Azot Oksit Arıtım Ünitesi (DeNOx) ... 125

13. SCR SĠSTEMĠNDE GERÇEKLEġEN KĠMYASAL REAKSĠYONLAR .. 127

(9)

vii

14. SEÇĠCĠ KATALĠTĠK ĠNDĠRGEME (SCR) SĠSTEMĠNDE KULLANILANSCR SIVI MALZEMELERĠ (ÜRE,

AMONYAK VE ADBLUE) ... 135

14.1 SCR Sisteminde Kullanılan Temel Madde Amonyak - (NH3) ... 136

14.2 SCR Sistemi Ġçin Gerekli Üre Çözeltisi - Adblue ... 136

14.2.1 AdBlue‟nun Tarifi ... 138

14.2.2 Adblue‟nun Karateristik ve Fiziksel Özellikleri ... 139

14.2.3 Adblue‟nun Saklama Ömrü Ve Kullanımı ... 140

14.2.4 Adblue‟ nun Maliyeti ... 141

14.2.5 Adblue Miktarı ... 141

14.2.6 Adblue Kalitesi... 141

14.2.7 Adblue Tankı ve Arıza TeĢhis Bilgisi ... 142

15. SEÇĠCĠ KATALĠTĠK ĠNDĠRGEME SĠSTEMĠNĠN UYUMU ... 144

15.1 SCR Sisteminde Yakıttaki Sülfür Oranı ... 144

15.2 SCR Sisteminin YaĢlanması ... 144

15.3.SürüĢ Sırasında Genel Tüketim (EURO III Ġle KarĢılaĢtıma) ... 144

16. SEÇĠCĠ KATALĠTĠK OLMAYAN ĠNDĠRGEME (SELECTIVE NON CATALYTIC REDUCTION - SNCR) SĠSTEMĠ ... 145

16.1 DeNOx ĠĢlemi ... 145

16.2 NOxOUT ĠĢlemi ... 145

16.3 Hibrit ĠĢlemler ... 146

17. DĠZEL MOTORLARIN GELĠġĠMĠ VE ĠNCELENMESĠ ... 147

17.1 Dizel Motorların Tarihi Ve GeliĢimi... 147

17.2 Dizel Motorların ÇalıĢma Ġlkeleri ... 148

17.2.1 Emme Zamanı ... 148

17.2.2 SıkıĢtırma Zamanı ... 148

17.2.3 Yanma ve GeniĢleme Zamanı ... 148

17.2.4 Egzoz Zamanı... 148

17.3 Dizel Motorlarda Yanma Kimyası: ... 149

17.3.1 Yanma ĠĢlemi: ... 150

18. BOSCH’ UN GELĠġTĠRDĠĞĠ SCR TEKNOLOJĠSĠ: DENOXTRONIC...151

18.1 Denoxtronic ÇalıĢma KoĢulları Ve ÇalıĢma Sistemi ... 151

19. FORD CARGO ECOTORQ AĞIR DĠZEL MOTORU VE EGZOZ – SCRSĠSTEMĠ ... 155

19.1 Motor Özellikleri:... 156

19.2 Ecotorq Ġçin Kullanılan Seçici Katalitik Ġndirgeme (SCR) Sistemi: ... 158

19.2.1 KarıĢtırıcı Tasarımı: ... 159

19.2.2 SCR Sistem Kalibrasyonu: ... 160

19.3 Ecotorq Motoruna Bağlı Egzoz Ve SCR Sistemi Ve Parçaları... 165

20. FORD CARGO ECOTORQ MOTORU ÜZERĠNDE YAPILAN SCR ÇALIġMASI VE EURO IV TEST SONUÇLARI ... 177

21. SONUÇ VE ÖNERĠLER ... 201

(10)

(11)

ix KISALTMALAR

AB : Avrupa Birliği A.Ö.N. : Alt Ölü Nokta

CO : Karbon Monoksit

CO2 : Karbon Dioksit DCU : SCR Kontrol Ünitesi DeNOx : Azotoksit Arıtımı

DOC : Dizel Oksidasyon Katalisti DPF : Dizel Partikül Filtresi

ECE R15 : Economic Comission For Europe Regulation No: 15 EP : European Parliament

EPA : European Protection Agency FBC : Fuel Borne Catalyst

HC : Hidrokarbon

HFK : Hava Fazlalık Katsayısı

NAC : NOx Emici Katalizörlerin Kullanımı NH3 : Amonyak

NOx : Azok Oksit

NSR : Azot Oksit Depolama ve Azaltma PM : Partikül Madde

SCR : Selective Catalytic Reduction - Seçici Katalitik Ġndirgeme SMPS : Mobil Tarayıcı Partikül Boyutlandırıcı

SNCR : Seçici Katalitik Olmayan Ġndirgeme SO2 : Kükürt Dioksit

TiO2 : Titanyum Dioksit Ü.Ö.N. : Üst Ölü Nokta

V2O5 : Vanadyum Pentaoksit WO3 : Tungsten Trioksit

(12)

(13)

xi ÇĠZELGE LĠSTESĠ

Çizelge 1.1 : Hafif taĢıtlar için AB standartları...3

Çizelge 1.2 : Ağır taĢıtlar için AB standartları...3

Çizelge 2.1 : Avrupa emisyon standartları (g/km)...8

Çizelge 2.2 : Hafif ticari araçlar için değerler...12

Çizelge 2.3 : Ağır ticari araçlar için değerler...12

Çizelge 2.4 : EURO Emisyon standardı (g/kWh)...14

Çizelge 4.1 : Hafif ticari için NOx standartları...22

Çizelge 4.2 : Ağır ticari için NOx standartları...22

Çizelge 4.3 : NOx indirgeme potansiyelleri ve kontrol teknikleri...27

Çizelge 4.4 : NOx emisyonlarını azaltmak için birincil tedbirler...39

Çizelge 4.5 : NOx emisyonlarını azaltmak için ikincil tedbrler...40

Çizelge 5.1 : Dizel motorlu binek araçlar için AB emisyon değerleri (g/km)...43

Çizelge 6.1 : Motor spesifikasyonu...62

Çizelge 6.2 : Motor bilgileri...67

Çizelge 12.1 : Katalizör kombinasyon özellikleri...112

Çizelge 12.2 : ESC çevriminde bütün kirleticilerin giriĢ ve çıkıĢ değerleri...113

Çizelge 19.1 : Ecotorq motorun teknik özellikleri...158

Çizelge 19.2 : SCR sistem hardware sıcaklık limitleri...176

Çizelge 20.1 : Yakıt debisi 137 mg/str, katalist öncesi ve sonrası devir - NOx...179

Çizelge 20.8 : Motor torku 1140 Nm, katalist öncesi ve sonrası rpm - NOx...187

Çizelge 20.9 : Motor torku 1070 Nm, katalist öncesi ve sonrası rpm - NOx ...188

Çizelge 20.15 : Motor devri 2200 rpm, katalist öncesi ve sonrası sıcaklık - NOx...195

(14)

(15)

xiii ġEKĠL LĠSTESĠ

ġekil 1.1 : Euro emisyon seviyelerine göre NOx ve partikül değiĢimleri ... 4

ġekil 2.1 : Dünyada uygulanan emisyon standartları ... 6

ġekil 2.2 : AB dizel egzoz emisyonları Euro 0 (1990) - Euro 5 (2009) ... 7

ġekil 2.3 : Yıllara göre NOx ve PM dağılımı ... 8

ġekil 2.4 : EĢdeğer ağır dizel araç emisyonları... 9

ġekil 2.5 : EEC VE EPA dizel emisyon standartları seviyeleri ... 9

ġekil 2.6 : 2005 yılı dünya ağır ticari araç emisyon seviyeleri ... 10

ġekil 2.7 : 2015 yılı dünya ağır ticari araç emisyon seviyeleri ... 10

ġekil 2.8 : Emisyon gazları limitleri ... 11

ġekil 2.9 : Partikül limitleri ... 12

ġekil 3.1 : Orta ve ağır vasıtalarda kullanılan termal jeneratör ... 19

ġekil 4.1 : NOx kontrol ve indirgeme mekanizmaları ... 26

ġekil 4.2 : Setan sayısının NOx a etkisi ... 31

ġekil 4.3 : Devir sayısına bağlı farklı EGR oranlarında azot oksit değiĢimleri ... 33

ġekil 4.4 : Püskürtme avansının NOX emisyonuna etkisi ... 34

ġekil 4.5 : EĢdeğerlik oranına bağlı olarak NOx konsantrasyonu ... 35

ġekil 4.6 : Dolgu sıcaklığının NOx‟lere etkisi ... 36

ġekil 4.7 : Dolgu basıncının NOx‟lere etkisi ... 37

ġekil 4.8 : Türbülans oranının NOx‟lere etkisi ... 38

ġekil 4.9 : SıkıĢtırma oranı değiĢiminin NO emisyonlarına etkisi ... 38

ġekil 5.1 : PM‟nin boyutlarının sayı ve kütle bazında dağılımı ... 44

ġekil 5.2 : Dizel partikül madde kompozisyonu ... 45

ġekil 5.3 : Silikon karpit (solda) ve kordierit (sagda) DPF‟leri ... 45

ġekil 5.4 : Bosch tarafından yapılmıĢ bir sinterlenmiĢ metal ... 46

ġekil 5.5 : Wall-flow DPF‟nin Ģematik Ģekli ... 47

ġekil 5.6 : Partial DPF‟nin Ģematik Ģekli ... 47

ġekil 5.7 : Dizel motorlu otomobillerde partikül filtre sistemleri ... 48

ġekil 5.8 : Dizel oksidasyon katalistinin Ģematik Ģekli... 49

ġekil 5.9 : CRT tipi partikül filtresi ... 51

ġekil 6.1 : EGR ÇalıĢma Sistemi ... 57

ġekil 6.2 : Motordaki EGR kurulumu ve emme ve egzoz gösterimi ... 58

ġekil 6.3 : EGR AkıĢ ġeması ... 58

ġekil 6.4 : EGR Sistem Komponentleri ... 59

ġekil 6.5 : EGR Oranına bağlı NOx, Duman ve λ DeğiĢimi ... 61

ġekil 6.6 : Sabit EGR‟ de gaz sıcaklığı - yük ... 62

ġekil 6.7 : NOx‟de EGR‟ın Etkisi ... 63

ġekil 6.8 : EGR‟ın farklı yüklerinde HC ve NOx emisyonlarında ters orantı ... 64

ġekil 6.9 : EGR‟ın farklı yüklerinde PM ve NOx emisyonlarında ters orantı ... 65

ġekil 6.10 : Farklı EGR düzeyinde Sayı konsantrasyonu parçacık çapı... 66

ġekil 6.11 : Farklı EGR düzeylerinde partikül boyut sınıflandırma frekansı ... 66

ġekil 6.12 : Deney düzeneğinin Ģematik görünümü ... 67

ġekil 6.13 : Devir sayısına bağlı EGR oranlarında özgül yakıt tüketimi... 69

(16)

xiv

ġekil 6.15 : Motor devir sayısına bağlı EGR oranlarında azot oksit değiĢimleri .... 72

ġekil 6.16 : Üre-SCR sisteminin devre Ģeması ... 74

ġekil 6.17 : EGR, SCR ve DPF teknolojilerinin geldiği durum ... 74

ġekil 6.18 : SCR ve EGR‟ın çalıĢma prensipleri ... 76

ġekil 6.19 : NOx emici katalizörü ... 78

ġekil 6.20 : Dizel oksidasyon katalisti ... 78

ġekil 6.22 : Dizel partikül fitresi ... 79

ġekil 7.1 : Sülfürün motor ömrüne etkisi ... 86

ġekil 7.2 : Sülfürün NOx a etkisi ... 87

ġekil 8.1 : NOx/ppm Euro normunda EGR, DPF ve SCR ile optimizasyonu ... 89

ġekil 9.1 : Dağılmayan kızıl ötesi gaz analizörünün basit tasarımı ... 90

ġekil 9.2 : Emisyon infrared çözümleyici ... 91

ġekil 9.3 : Horiba 7000-CLA analizörünün NOx ölçümü ... 92

ġekil 9.4 : Kimyasal ıĢın ile ölçüm ... 92

ġekil 9.5 : Horiba FIA HC ölçülmesi - Alev iyonizasyon sistemi ... 93

ġekil 9.6 : MPA Analizörü ÇalıĢma Prensibi ... 94

ġekil 10.1 : KarıĢım öncesi ve kontrollü karıĢım yanma fazındaki emisyonu ... 96

ġekil 10.2 : Bir katalitik konvertör tasarımı ... 97

ġekil 10.2 : Partikül tutucu filtre yapısı ... 100

ġekil 11.1 : Araç üzerinde SCR sisteminin akıĢ Ģeması ... 105

ġekil 11.2 : SCR Sistemi... 105

ġekil 11.3 : SCR Sistem Komponentleri ... 106

ġekil 11.4 : Labratuar ortamında SCR sistemi gösterimi ... 108

ġekil 11.5 : SCR sistem akıĢ Ģeması ... 108

ġekil 12.1 : Farklı katalizörlerin fotoğrafları ... 110

ġekil 12.2 : NOx DönüĢümü - Sıcaklık ... 111

ġekil 12.3 : Katalizör kombinasyonları ... 111

ġekil 12.4 : DNX15 ve DNX15-Pd katalzörleri ile ETC çevrim sonuçları ... 113

ġekil 12.5 : NH3 ile NO indirgenmesi için SCR katalizörünün aktivitesi. ... 114

ġekil 12.6 : NH3 ile NO indirgenmesinde Cu-zeolit katalizör aktivitesi ... 115

ġekil 12.7 : Çok aĢamalı seçici katalitik indirgeme sistemi ... 116

ġekil 12.8 : Oksidasyon katalizöründe sıcaklık-verim oranı iliĢkisi ... 116

ġekil 12.9 : SCR + Üre sistemi ... 118

ġekil 12.10 : US sıcak-transit sürüĢ çevrimi sonuçları ... 118

ġekil 12.11 : US soğuk-transit sürüĢ çevrimi sonuçları ... 119

ġekil 12.12 : OICA sürüĢ çevrimi ... 119

ġekil 12.13 : Kojenerasyon sistemiyle egzoz indirgeme akıĢ Ģeması ... 126

ġekil 13.1 : Temel SCR sistemi ve kimyasal reaksiyonlar ... 127

ġekil 13.2 : SCR kimyasal rekasiyonlar ... 128

ġekil 13.3 : SCR ana kimyasal reaksiyonları ... 129

ġekil 13.4 : SCR yan kimyasal reaksiyonları ... 129

ġekil 13.5 : SCR kimyasal reaksiyonların moleküler gösterimi ... 130

ġekil 13.6 : NOx türevi olan NO2 molekülü ... 133

ġekil 13.7 : Molar besleme oranı ve NO2 / NOx oranı ... 134

ġekil 14.1 : NH3 molekülü Ģeklen gösterimi ... 136

ġekil 14.2 : SCR sisteminde AdBlue ile yararlı kimyasalların atılması ... 138

ġekil 14.3 : Adblue tankı ... 143

ġekil 16.1 : Seçici katalitik olmayan indirgeme - SCNR iĢlemi ... 146

ġekil 17.1 : Dört zamanlı motorun çalıĢma aĢamaları ... 149

(17)

xv

ġekil 19.1 : Ford Cargo Ecotorq 9lt dizel motoru ... 155

ġekil 19.2 : Ecotorq motor ailesi ... 156

ġekil 19.3 : Ecotorq 260, 320 ve 380PS versiyonların güç eğrileri ... 157

ġekil 19.4 : Amonyak dağıtımı ölçümünün Ģematik gösterimi ... 159

ġekil 19.5 : Ford cargo SCR sistemindeki karıĢtırıcı CAD görünüĢü ... 160

ġekil 19.6 : KarıĢtırıcı optimizasyonunun sonuçları... 160

ġekil 19.7 : SCR kalibrasyon haritası ... 161

ġekil 19.8 : SCR Katalisti NOx DönüĢümü Verimlilik Haritası ... 161

ġekil 19.9 : 300PS versiyondaki Euro4 SCR kalibrasyonu ... 162

ġekil 19.10 : 300PS versiyondaki Euro5 SCR Kalibrasyonu ... 162

ġekil 19.11 : SCR Kontrol Sistemi ... 163

ġekil 19.12 : SCR Sisteminin Araca Optimizasyonu ... 164

ġekil 19.13 : Ecotorq motoru, egzoz sistemi ve SCR sistemi (genel bakıĢ) ... 165

ġekil 19.14 : Ford Cargo Ecotorq - SCR sistemi hat görünüĢleri ... 166

ġekil 19.15 : SCR sistem parçaları ... 167

ġekil 19.16 : Ford Cargo SCR Sistemi CAD Tasarımı ve Parçaları ... 168

ġekil 19.17 : Ford Cargo SCR sistemindeki egzoz komple sistemi ... 169

ġekil 19.18 : Egzoz borusu parçaları ... 170

ġekil 19.19 : SCR katalisti ... 170

ġekil 19.20 : Susturucu ... 171

ġekil 19.21 : Ford Cargo SCR ve egzoz sistemindeki susturucu ve katalist ... 172

ġekil 19.22 : Ford CargoSCR sisteminde kullanılan DCU (Kontrol) ünitesi ... 173

ġekil 19.23 : Ford Cargo SCR sisteminde kullanılan Adblue tankı ... 174

ġekil 19.24 : Dozlama ünitesi (AdBlue enjektörü) ... 175

ġekil 19.25 : Sıcaklık ve NOx sensörleri ... 175

ġekil 20.1 : Yakıt debisine bağlı SCR katalisti öncesi ve sonrası NOx haritası .... 178

ġekil 20.2 : Yakıt Debisi 137 mg/str(% 100 tam yük)motor devri(rpm) - NOx ... 179

ġekil 20.3 : Yakıt Debisi 122 mg/str (% 90 yükte) motor devri(rpm) - NOx... 180

ġekil 20.4 : Yakıt debisi 110 mg/str (% 80 yükte) motor devri(rpm) - NOx ... 181

ġekil 20.9 : Farklı yakıt debilerinde motor devri(rpm) - NOx ... 186

ġekil 20.10 :Motor torku 1140 Nm‟de motor devri - NOx ... 187

ġekil 20.11 : Motor torku 1070 Nm‟de motor devri - NOx ... 188

ġekil 20.17 : Farklı motor torklarında motor devri(rpm) - NOx...194

ġekil 20.18 : Motor devri 2200 rpm iken katalist sıcaklıklarına göre NOx ... 195

(18)

(19)

xvii SEMBOL LĠSTESĠ

be : Özgül Yakıt Tüketimi

B : Dakikalık Yakıt Tüketimi d : Diferansiyel

°C : Santrigad Derece h : Saat

K : Kelvin

M : 1 kg yakıtın kmol değeri my : Yakıt Kütlesi

Σ : Toplam Μm : Mikrometre Mpa : Mega Pascal

λ : Hava Fazlalık Katsayısı rpm : 1 dakikadaki devir

(20)

(21)

xix

SEÇĠCĠ KATALĠTĠK ĠNDĠRGEME SĠSTEMĠNĠN AĞIR TAġIT

MOTORLARINDA KULLANIMININ OPTĠMĠZASYONU ÖZET

Son yıllarda dünya üzerinde insan ve kurum ihtiyacına yönelik binek ve ticari araç ihtiyacı artmıĢ ve otomotiv sektörü de bu ihtiyaca yönelik ürünler ortaya çıkarmaya baĢlamıĢtır. GeçmiĢte sadece birkaç marka, birkaç araç sınıfı ve motor tipi var iken; Ģimdilerde birçok marka, otomotiv ürün gamı ve çevreye duyarlı ve ekonomik birçok motor tasarlanmıĢ ve üretilmeye baĢlanarak, geliĢtirilmesi devam etmektedir.

ġehirleĢme, sanayileĢme ve kurumsallaĢmanın getirdiği hacimle ticari araçlara ve özellikle de ağır vasıta ticari araçlara eğilim artmıĢ olup, kamyon ve çekici piyasası geliĢmiĢ ve büyük bir otomotiv pazarı haline gelmiĢtir. Ağır ticari vasıta olarak kamyon ve çekicilerde kullanılan ağır dizel motorlar büyük önem taĢıdığından mühendislik ve finansal çalıĢmalarına değerlenerek hız kazanmıĢtır.

Ağır dizel motorlarda kullanılan yakıtın fazla olması ve çalıĢma koĢullarından ve motorun parametrelerinden dolayı egzoz emisyonları da diğer segmentte yer alan araçlara göre daha fazladır. Bu sebeple bu tip motora sahip araçların çevreyi kirletmemesi ve çevreye yararlı atık vermesi için emisyon düzenlemeleri oluĢturulmuĢ ve bu düzenlemelere göre mühendislik çalıĢmaları yürütülmeye baĢlanmıĢtır. Türkiye‟nin de uymak zorunda olduğu Euro emisyon düzenlemelerine göre egzoz emsiyonları ve partikül maddeler azaltılarak istenen mertebelere ulaĢılmıĢtır.

Bu yüksek lisans çalıĢmasında Ford Otosan‟da geliĢtirilen ve ürteilen Ford Cargo ağır vasıta ticari araçlar olan kamyon ve çekicilerde kullanılan Ecotorq 9lt ağır dizel motorunun emisyon seviyelerinde yer alan azot oksit emisyonları incelenmiĢ ve bu emisyonların “Seçici Katalitik Ġndirgeme” sistemi ile azot oksitlerin indirgenmesi anlatılmıĢ ve Euro IV seviyeli emisyon çalıĢması optimizasyon ile yapılmıĢtır. ÇalıĢmamızın amacı SCR sisteminin Ford Cargolardaki mühendislik çalıĢmasını incelemek ve yapılan yaklaĢımlar ile doğaya yararlı atık atılmasını sağlayan bu sistemin yararlarını ve verimlerini ortaya koymaktır.

Bu yüksek lisans tezinde egzoz emisyonlarının regülasyonları, düzenlemeleri, oluĢumu, azot oksit çalıĢmaları, diğer emisyon indirgeme yöntemleri, seçici katalitik indirgeme sisteminin ayrınıtılı anlatımı, kimyasal reaksiyonları, Ford Otosan‟ın 9lt Ecotorq ağır dizel motoru üzerinde Gölcük Fabrika test merkezi dinamometresinde yapılan test ve bu testten elde edilen sonuçlar, grafikler ve tezin sonuçları yer almaktadır.

(22)

(23)

xxi

OPTIMIZATION OF USING SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM IN HEAVY DUTY DIESEL ENGĠNES

SUMMARY

In recent years, passanger and commercial vehicle need ratio of people and companies has increased; therefore automotive industry has begun to improve new products to supply these new needs. In the past, there were only few marks, vehicle classes and engine types; but nowadays there are so many marks, automotive product ranges and environmental and economical engines which are designed to exhaust useful wastes to nature and have been to be produced, still continuing to be improved to be more environmental and more economical.

With the volume of urbanization, industrialization and institutionalization, interest of commercial vehicles, especially heavy commercial vehicles has increased, thus heavy truck and tractor vehicle segment has been a big automotive market. Since heavy commercial vehicles‟ diesel engines have importance, engineering and financial researches and studies have been valued and got fast.

Because of usage of diesel fuels in heavy duty diesel engines are so much, operation conditions and engine parameters are more different than passanger cars‟ engines; exhaust emissions are higher than the other cars‟ segments. Therefore; official emission organisations and regulations have been formed not to pollute the environment and to exhaust useful wastes to nature. Moreover engineering researches and studies are continued. According to Euro Emission Regulations which Turkey should also obey, exhaust emission and particle materails ratios are decreased and reached to the necessary levels.

In this master of enginnering study, nitrogen oxide emissions which place at emission levels of Ecotorq 9lt heavy duty diesel engine of Ford Cargo Heavy trucks and tractors which are improved and produced by Ford Otosan, reduction of nitrogen oxide emissions have been told using “Selective Catalytic Reduction – SCR” system and optimization study of Euro IV emission level has been done.

Our aim of master thesis to investigate SCR system engineering of Ford Cargo heavy trucks and with the methodologies done to prove and explain system‟s advantages and efficiencies which supplies usefule wastes for nature.

In this master thesis; exhaust emission regulations, arrangements, formations, nitrogen oxide, other emission reduction methods, detailed expression of selective reduction system, chemical reactions, test done on Ecotorq heavy duty diesel engine in the test center dynamometer of Golcuk Plant Ford Otosan and results of this test with graphics and thesis results have been mentioned.

(24)

(25)

1 1.GĠRĠġ

Dizel motorlar, ticari araç sektöründe uzun yıllardır standart hale gelmiĢtir. Ancak, dizel ile çalıĢan binek otomobiller de artık dünya çapında ilerleme kaydetmektedir. Kendinden ateĢleme prensibine sahip bu motorların sağladığı avantajlar da tartıĢılmazdır. Yakıt tasarrufu sağlayan motor, mükemmel sürüĢ dinamiği ile bütünleĢmekte, yeni egzoz teknolojileri ise binek otomobiline ait söz konusu dizel motoru, bundan önce Ģüpheli gözlerle bakılan yerlerde dahi artık takdim edilebilir hale getirme potansiyeline sahipdirler. Dizel motorlarda ana sorun olan sağlığa zararlı azot oksit (NOx) atılımı SCR teknolojisi (seçici katalitik indirgeme teknolojisi) vasıtasıyla oldukça azaltılmakta ve AdBlue isimli bir üre çözeltisi yardımıyla su buharı ve azota dönüĢtürülmektedir. AdBlue, ticari araçlarda ek bir tankta taĢınmakta ve egzoz sistemine enjekte edilmektedir. Egzoz sisteminde bulunan özel olarak geliĢtirilmiĢ dozajlama sistemleri SCR katalizörü ile birlikte azot oksit atılımının %85, kurum partiküllerinin ise %40 oranında azalmasını sağlamaktadır. Bunun dıĢında yakıt tüketiminde ise %5 oranına kadar tasarruf sağlanabilmektedir. Partikül ve azot oksit atılımını aynı anda azaltmak ve böylece yasal olarak talep edilen sınır değerlerini karĢılamak günümüzde yalnızca SCR yöntemi ile gerçekleĢebilmektedir. Böylece egzoz atıklarının arındırılması konusu gittikçe ilgi odağına doğru kaymaktadır. Son yıllarda, emisyon düzenlemeleri dünyanın her bölgesinde artan duyarlılık ve çevresel etkilerden ötürü duyarlı bir Ģekilde düzenlenmeye ve çevreye en duyarlı hale getirilmeye baĢlanmıĢtır. Emisyon düzenlemedeki en büyük envanter NOx emisyonlarını düĢürmek hatta sıfıra indirgeyerek doğaya yararlı atık vermektir. Bunun yapılabilmesi için uygun ve kullanıĢlı çözüm de Seçici Katalitik Ġndirgeme, dünya mühendislik literatüründe kullanılan yaygın ismiyle Selective Catalytic Reduction (SCR) „ dir. Bu yüksek lisans tezinde bu sistem tanıtalarak incelenecek ve ortaya anavtajları ve kullanıĢlığı sunularak anlatılacaktır. Seçici Katalilitk Ġndirgeme (SCR) sistemleri otomotiv uygulamalarında çok derin bir anlayıĢ gerektirir. Bu sistem NOx emisyonlarının indirgeme üzerine dayalıdır. Son yıllarda önemli ilerlemeler elde edilmiĢ olup yeni nesil ağır ticari araç dizel motorlarında (NHDD) kullanılmaya baĢlanmıĢ ve devam etmektedir. Emisyon standartları iyileĢtikçe yakıt yanması sonucu oluĢan egzoz

(26)

2

emisyonlarında iyileĢme yapılmakta ve özellikle ağır ticari araçların egzoz atımlarında yüksek olan NOx emisyonu için SCR sistemeleri geliĢtirilmekte ve uygulamalarla kullanılmaktadır. Avrupa ve ABD emisyon mevzuatlarında dizel araçlar için NOx ve partiküller için azaltma kuralları yazılıdır, bunlar ise sıkı düzenlemelere tabidir.

Avrupa Birliği‟nde emisyon gereksinimleri hafif taĢıtlar için 1970‟li yıllar öncesinde ve ağır taĢıtlar içinde 1980‟li yılların sonlarında doğmuĢtur. BirleĢmiĢ Milletler ve bazı Avrupa ülkelerinin benzeĢmeleriyle, AB son olarak benzinli araçlarda katalitik konverterlerin kullanımını yeterince katı kurallar koyarak zorunlu hale getirmiĢtir. AB‟nin getirdiği standartlardan önce, belirli bir emisyon kuralına uymadan üretilen motorlara Noneuro (Euro standartları öncesi) motor denmektedir. Daha sonraları ise getirilen sınırlamalar sonucu 1992-1993 yılları arasında EuroI, 1995-1996 yılları arasında EuroII, 2000 yılında EuroIII, 2005 yılında EuroIV standartlarına geçilmiĢtir. 2008 yılında EuroV ve 2010 yılında da EuroVI sınırlamasına geçilmesi planlanmıĢtır.

Egzoz emisyon gereksinimleri Ģu an için dört grup bileĢiği düzenlemektedir. Bunlar;

-Azot oksitler (NOx), -Hidrokarbonlar (HC), -Karbon monoksit (CO), -Partiküllerdir (PM). Bu limitler aĢağıdaki gibidir;

Hafif ve ağır taĢıtlardaki emisyon standartlarının sayısal değerleri Çizelge 1.1 ve 1.2‟de gösterildiği gibidir. Emisyon standartları alttaki çizelgelerin de gösterdiği gibi hafif ve ağır ticari taĢıtlarda emisyonların sınırlarının ne olduğunu gösterir. Bu sınırlar yıllar geçtikçe değiĢmekte ve standartlar iyi anlamda yükselmektedir.

(27)

3

Çizelge 1.1 : Hafif taĢıtlar için AB standartları [9] Hafif

TaĢıtlar

PM (mg/km) NOx (g/km) HC (g/km) HC+NOx (g/km)

Dizel Benzinli Dizel Benzinli Dizel Benzinli Dizel Benzinli

Euro 1 140 - - - 0.97 0.97

Euro 2 80/100 - - - 0.7/0.9 0.5

Euro 3 50 - 0.50 0.15 - 0.20 0.56 -

Euro 4 25 - 0.25 0.08 - 0.10 0.30 -

Euro 5 2.5 2.5 0.08 0.08 0.05 0.05 - -

Çizelge 1.2 : Ağır taĢıtlar için AB standartları [9]

Ağır TaĢıtlar NOx (g/kWh) HC (g/kWh) PM (mg/kWh) Euro I 9.0 1.23 400 Euro II 7.0 1.1 150 Euro III 5.0 0.66 100/160 Euro IV 3.5 0.46 20/30 Euro V 2.0 0.46 20/30 Euro VI 0.05 0.46 2/3

Bu standartlardaki emisyon limitlerine ulaĢmak için motora çeĢitli eklemeler yapılması, farklı bileĢimdeki yakıtların kullanılması ve egzoz gazlarının farklı dönüĢtürmelere uğratılması yoluna gidilmiĢtir. Bu eklemeler mühendislik dünyası açısından önem arzetmektedir. Her araĢtırması yapılan ve geliĢtirilen sistem bize emisyon azaltmada çığır açmakta ve otomotiv sektöründeki ürün gamını iyileĢtirmektedir.

Ağır vasıta taĢıtlar için olan bu ekleme sistemli geliĢmeler hafif ticarilere ve de bineklere de sistem olarak aynı ama konstrüktif olarak daha farklı Ģekilde aracın geometrisi ve yapısına göre uygulanabilir. Zaten önemli olan her araca uyarlanabilecek sistem inĢa etmektir.

(28)

4

ġekil 1.1 Euro emisyon seviyelerine göre NOx ve partikül değiĢimleri [16]

Yukarıda da görüldüğü üzere partikül ve NOx oranlarının Euro Emisyon Düzeylerindeki oranları emisyon seviyeleri güncelleĢtikçe iyileĢtirme çabasına gidilmiĢtir.Kabul edilene göre; Euro IV emisyon standartlarına 2005 yılı için önerilen artık mümkün birincil önlemler olacakken, 2008 yılında yürürlüğe giren Euro V artık esastır.Bununla beraber ancak ek egzoz gazı arıtması gerektirecektir. Bunun için düĢünülen gelecek stratejileri:

DüĢük NOx‟ a göre optimize edilen yanma emisyonları, yüksek emisyon giden yanmamıĢ malzeme (is, CO, hidrokarbonlar) bir fitlre artıması ile partikül temizlemek için parçacık kullanmak.

DüĢük emisyon açısından yüksek emisyon giden NOx ile yanmamıĢ malzemelerin yanma optimizasyonu ve bir DeNOx iĢlemini kullanılması ile arıtma.

Ġlk madde karmaĢık bir iĢlem gerektirmez, ancak yakıt tüketimi artıĢına yol açar. Eğer yakıt ekonomisi optimizasyonu ek bir hedef ise ikinci stratejinin seçilmesi daha uygundur. Eğer yakıt ekonomisi optimize ek bir hedef, o zaman ikinci strateji daha iyi bir seçimdir. Son yıllarda çeĢitli seçici DeNOx teknikleri ortaya atılmıĢ ve üzerinde çalıĢılmıĢtır. (Seçici Katalitik Redüksiyon) NOx azaltarak içeren amonyak ve üre gibi maddeler, NOx

(29)

5

depolama - azaltma (NSR) katalizör ve sözde HC-SCR. Sonraki süreçte azot oksitleri azaltılması için kullanılan hidrokarbonlar vardır. NSR (NOx Azaltma) katalisti temel oksitlerin NOx yeteneğini saklamak için kullanır. Nitratlar ise çok devre dıĢı bırakılması için kükürt tarafından açıktır. Kabul edilen görüĢe ve araĢtırmalara göre SCR süreci seçici olarak üre kullanarak emisyon indirgeme için ağır hizmet dizel uygulamalarında kullanılan en iyi ve sonuç getiren ticari ve bilimsel bir tekniktir.

1.1 Tezin Amacı

Seçici Katalitik Ġndirgeme sisteminin temel amacı NOx emisyonlarını indirgemek ve doğaya yararlı atık atılmasını sağlamaktır. Ford OTOSAN‟ın geliĢtirdiği ve ürettiği Ford Cargo ağır vasıta araçlarda SCR sistemi EURO seviyelerini gerçekleĢtirmek amacıyla kullanılmaktadır. Bu tezde, Ford Cargo Ecotorq motorunda EuroIV emisyon seviyesini sağlamak amacıyla NOX emisyonlarını indirgenmesini sağlayan Seçici Katalitik Ġndirgeme (SCR) sistemi incelenmiĢ ve yapılan testlerle sonuçlar ortaya koyulmuĢtur.

(30)

6

2. MOTORLU ARAÇLARIN EGZOZ EMĠSYONLARININ DENETĠMĠ VE EVRĠM SÜRECĠ

Dünyada Emisyonlara yönelik ilk düzenlemeler 1968 yılında California‟da, ilk sınırlama ise 1972 yılında Avrupa Birliği ülkelerinde ECE R 15.00 Regülasyonu ve EEC 72/220 Yönetmeliği ile baĢlamıĢtır. Günümüzde; tüm geliĢmiĢ ve geliĢme yolundaki dünya ülkeleri, çeĢitli standartlarla (EEC/ECE , EPA, JIS) Egzoz Emisyonlarına denetimler uygulamaktadır.

ġekil 2.1 : Dünyada uygulanan emisyon standartları [1] Emisyon Standartlarının Düzenlenmesinde Görev Alan KuruluĢlar:

BĠRLEġMĠġ MĠLLETLER;

Economical Commision for Europe (UNECE);

WP.29 World Forum for Harmonisation of Vehicle Regulations; GRPE: “ Groupe des Rapporteurs pour la pollution et l‟energie”; AVRUPA BĠRLĠĞĠ;

European Commission (DG ENTR, DG ENV, DG TREN); European Council of Ministers;

(31)

7

Üyeler: Tüm SanayileĢmiĢ Ülkeler ve Bazı GeliĢmekte olan Ülkelerin UlaĢtırma Bakanlıkları (Türkiye: San.ve Tic.Bakanlığı) Komitelerde ayrıca Otomotiv Birlikleri yer alırlar.

Emisyon sınırları; araç sayısı ve çevresel etkilerinin artması, geliĢen teknoloji, küresel ısınmada araçların rolü gibi etkenlerle ve atmosfere CO2 emisyonlarının azaltılması (KYOTO) gibi hedeflerle, her dört - beĢ yılda bir gittikçe düĢürülerek sıkılaĢtırılmaktadır. Bazı yerel yönetimler (California, Londra, Milano vb.) “Low Emission Zone” amaçlı veya aĢırı kirlilik nedeniyle daha da düĢük limitler (EEV) talep edebilmektedir. Emisyon sınırlarına uyum için motorlar sürekli geliĢtirilmekte, günümüzde motorlarda son derece kompleks ve pahalı teknolojiler kullanılmaktadır. Gelecekteki “Sıfır Emisyon” hedefi için, Elektrik veya Hidrojen gibi alternatif enerjiler kullanan “Hibrid” motorların geliĢtirme süreci baĢlamıĢtır [1].

(32)

8

Çizelge 2.1 : Avrupa emisyon standartları (g/km)

(33)

9

ġekil 2.4 : EĢdeğer ağır dizel araç emisyonları [1]

ġekil 2.5 : EEC VE EPA dizel emisyon standartları seviyeleri [1]

Yukarıdaki ġekil 2.5‟ de de görüldüğü üzere; EEC ve EPA Dizel Emisyon Seviyelerinde yıllar geçtikçe ve günümüze gelindikçe iyileĢme kaydedilmiĢtir. Bu azalmanın ileriki yıllarda daha çok olacağı geliĢmeler ile tahmin edilmektedir, önemli olan bu azalmaları sağlarken çevre kirliliği konusunda hassasiyeti korumaktır.

(34)

10

ġekil 2.6 : 2005 yılı dünya ağır ticari araç emisyon seviyeleri [1]

ġekil 2.7 : 2015 yılı dünya ağır ticari araç emisyon seviyeleri [1]

Grup 0: DüzenlenmemiĢ Emisyon Seviyeleri, NOx 15 g/bhp.h civarında, PM 0.6 g/ bhp.h civarında

Grup 1: NOx > 5.0 g/ bhp.h, PM > 0.25 g/ bhp.h; EuroI, 1990 ve öncesi Ameirkan EPA regülasyonları da dahildir.

Grup 2: NOx = 3.5 – 5.0 g/ bhp.h, PM = 0.10 – 0.25 g/ bhp.h; EuroII ve III, 1991, 1994 ve 1998 Amerikan EPA regülasyonları da dahildir.

(35)

11

Grup 3: NOx = 2.0 – 3.4 g/ bhp.h, PM = 0.02 – 0.10 g/ bhp.h; Euro IV, 2004 Amerikan EPA regülasyonları da dahildir.

Grup 4: NOx = 0.4 – 1.9 g/ bhp.h, PM = 0.01 – 0.02 g/ bhp.h; EuroV, 2007 Amerikan EPA regülasyonları da dahildir.

NOx < 0.4 g/ bhp.h, PM <= 0.01 g/ bhp.h; EruoVI, 2010 Amerikan EPA regülasyonları da dahildir. [1]

ġekil 2.8: Emisyon gazları limitleri [14]

Euro seviyelerinin iyileĢmesi NOx ve ppm oranlarını iyileĢtirerek düĢürmüĢtür. Bir araç dıĢarı verdiği emisyonlarda ne kadar iyi ise o oranda Euro seviyelerinin en üst mertebesini sağlıyor ve ürün olarak o kadar çevreye duyarlıdır. Çevreye duyarlı olan araçlar her zaman tercih sebebi olacaktır ve bundan dolayıdır ki Euro seviyeleri iyileĢmekte ve emisyon standartları gün geçtikçe iyileĢmektedir.

% 86 iyileĢme seviyelerdeki iyileĢmenin ne derece fazla olduğunu göstermektedir. ġuanda Euro VI çalıĢmaları ile bu yüzde daha da artabilecektır ve ileride EURO VII ve VIII mertebelerinde yüzde daha da açılabilecektir, bu sonuçlar bu Ģekilde bizlere göstermektedir.

(36)

12

ġekil 2.9 : Partikül limitleri [14]

2.1 Dizel Egzoz Emisyonlarının Türkiye’deki GeliĢimi

1999 Depremi ile TüpraĢın uygun yakıt üretim planında gecikmeler oluĢmuĢtur. Akaryakıt güvencesinin sağlanamaması nedeniyle, Euro I standardından sonraki seviyeler uygulanamamıĢtır.

Günümüzde Euro IV - Euro V‟ e uygun dizel yakıt üretilmektedir. Ancak, tüm ihtiyacı karĢılayacak yatırım 2008 yılı içinde tamamlanacaktır. Euro IV seviyesine tam geçiĢ 01.01.2009 yılında baĢlayacaktır. AB‟nin 2008 - 2009 yılında Euro V seviyesine geçmemesini takip ederek, 2011 - 2012 yıllarında Türkiye‟de Euro V seviyesine geçebilmek üzere hazırlıklar sürmektedir.

Çizelge 2.2 : Hafif ticari araçlar için değerler

(37)

13 2.2 AB’de Emisyon Ġçin Uygulanan Programlar

Önceden emisyon hedefleri için, “Mevcut En iyi Teknolojinin Kullanımı” Euro II seviyesine kadar yeterliydi. Ancak AB, bu seviyeden sonra, egzoz emisyonlarının azaltılması için çok yönlü “Programlar” uygulamaya baĢlamıĢtır.

Auto Oil I, Auto Oil II;

WHO Standartları “Air Quality” kriterlerine odaklanma; Bilimdeki geliĢimden yararlanma;

Maliyet / Etki değerlendirmeleri; Yakıt kalitesinin geliĢtirilmesi;

Emisyon standartlarının karĢılaĢtırılması, kullanımda kontroller;

Mali TeĢvik ve Vergiler“Clean Air for Europe” -CAFE” (Auto -Oil devamı); Emisyon test yöntemlerinin geliĢimi, Ġlave test çevrimleri;

Yeni 13 mode “ESC” ve ilave ETC çevrimi, NOx kontrol noktaları ELR duman testi, emisyon donanımlarının dayanımı testleri;

Emisyonların araçlarda sürekli denetimi ve hatalı kullanıma karĢı önlemler (Euro IV -OBD)

2.3 AB Emisyon Yönetmelikleri

Avrupa Birliği, ağır makinelerin neden olduğu çevre kirliliğini azaltma çabaları çerçevesinde, taĢıt emisyonları konusunda bazı kurallar geliĢtirmiĢtir. Bütün taĢıt imalatçıları bu gereklilikleri zaten yerine getirmektedir. Euro IV olarak tanınan mevzuat Ekim 2006'dan itibaren 3,5 gr/kWh'a kadar olan NOx emisyonlarına izin vermektedir. TaĢıt imalatçılarının en son Ekim 2009' a kadar yerine getirmesi gereken Euro V yönergesi, NOx emisyonlarını 2,0 gr/Kh olarak düzenlemektedir. AĢağıdaki tabloda hem Euro IV hem de Euro V için emisyon standartlarını görülmektedir:

(38)

14

Çizelge 2.4 :EURO Emisyon standardı (g/kWh) EURO IV EURO V NOx 3.50 2.00 Karbon monoksit 1.50 1.50 Hidrokarbonlar 0.46 0.46 Karbon partikülleri 0.02 0.02

Otomotiv Endüstrisi, bu gerekleri yerine getirmek için çeĢitli çözümleri değerlendirdikten sonra Seçimli Katalitik Ġndirgemeye (SCR - Selective Catalytic Reduction) ulaĢmıĢtır.

2.4 EURO Emisyon Normları

Tüm dünyada kanun koyucular çevreyi korumak için motorlu araçların egzoz salınımlarını daha az zararlı hale getirmeye çalıĢmaktadır. Bu amaçla otomotiv firmalarına ürettikleri araçların egzoz gazlarındaki zararlı gazların azaltılması zorunluluğu getirilmektedir. Türkiye'de 2008 yılı itibariyle geçerli olan egzoz normu EURO I olup Ocak 2009'dan itibaren EURO IV normuna geçilmiĢtir. Bu tarihten itibaren Türkiye'de üretilen tüm araçlar EURO IV normuna uygun olmak zorundadır. Bir dizel motorda yakıt yandığında egzoz gazında kirletici maddeler olarak bilinen azot oksitler (NOx), karbon oksitler (COx), hidrokarbonlar (HC) ve partiküller (ince toz veya kurum) oluĢur.

• Azot Oksitler (NOx): Yüksek sıcaklıktaki yanma sonucu oluĢur. Yağmur suyuyla karıĢarak aside dönüĢür.

• Karbon Monoksit (CO): Verimsiz yanma sonucu çıkar. Renksiz kokusuz, tahriĢ etmeyen ancak çok zehirli bir gazdır. Aynı zamanda karbondioksitten daha güçlü Ģekilde sera etkisine yol açar.

• Hidro Karbon: YanmamıĢ yakıttan kaynaklanan uçucu yakıt buharıdır. • Parçacık Maddeler (PM): 2.5 µm‟den küçük, bronĢları dolduran parçacıklardır. EURO emisyon normları, üretilen her birim güç için motor tarafından salınabilecek azami kirletici madde düzeyini belirlemektedir. Üretici firmalar, araçlarının çıkardığı egzoz gazının EURO normlarına uygun olmasını sağlamak zorundadır. 2008 yılı

(39)

15

sonu itibariyle 5 farklı EURO normu tanımlanmıĢtır. Tablo 18 ve 19‟da görülebileceği üzere EURO V, en sıkı norm olup, EURO I‟e göre gazlarda %86, partiküllerde ise %98 azaltma yapılmasını Ģart koĢmaktadır. Avrupa Birliği‟nde EURO normları 1990 yılından beri uygulanmaktadır ve yürürlükte olan EURO normları giderek yükseltilmektedir. 2008 yılı sonu itibariyle Avrupa Birliği‟nde geçerli olan norm EURO IV‟tür. Ekim 2009‟da ise EURO V normu mecburi hale gelmiĢtir. Türkiye‟de ise Ocak 2009‟dan itibaren EURO IV normu mecburi hale gelmiĢtir. 1 Ocak 2009 tarihinden itibaren üretilecek ya da ithal edilecek tüm araçlar EURO IV normuna uygun olmak zorundadır.

2.5 TaĢıt Kaynaklı Kirletici Mekanizmaları

Benzin ve dizel motorlarda kullanılan hidrokarbon (HC) kökenli yakıtların, ideal koĢullarda hava ile tam yanması sonucu oluĢan ürünler arasında karbondioksit (CO2), su buharı (H2O) ve azot bileĢikleri (NOx) bulunmaktadır. Ancak uygulamada ideal koĢulların sağlanamaması nedeniyle tam yanma gerçekleĢememekte ve kirletici bileĢenler oluĢmaktadır. Motorlu taĢıtlardan kaynaklanan toplam kirleticilerin % 75'ini oluĢturan egzoz gazlarının bileĢiminde; parafinler, olefinler ve aromatikler gibi yanmamıĢ hidrokarbonlar, aldehitler, ketonlar, karboksilik asitler gibi kısmen yanmıĢ hidrokarbonlar, CO, NOx, SO2, kurĢun bileĢikleri ve partikül maddeler bulunmaktadır. Benzinli motorlarda karbonmonoksit (CO) ve yanmadan kalan hidrokarbonlar (HC), dizel motorlarda ise azot oksitler (NOx) ve partikül maddeler (PM) en önemli yeri tutmaktadır. Emisyon oluĢumunda en önemli faktörlerden biri motorların iĢletme Ģartlarıdır. Motorun kendi iç sürtünmelerini yenecek Ģekilde minimum devir sayısında çalıĢtığı rölanti durumunda (devir sayısı 700-900 d/d), HFK (Hava Fazlalık Katsayısı) λ < 1 Ģartları mevcuttur. Bu Ģartlarda eksik yanma, soğuk cidarlar ve düĢük basıncın oluĢturduğu düĢük yanma hızlarından dolayı, HC ve CO değerleri yüksektir. Normal seyir Ģartlarında yol alan bir taĢıtın gaz pedalından ayak çekilince gaz kelebeği emme kanalını kapatacaktır. ġehir içi eğimli yollarda aĢağı doğru yol alındığında, virajlarda yapılan yavaĢlama ile silindir içinde motor hızına bağlı bir vakum meydana gelir. Silindire gönderilen havanın azalması ile oluĢan fakir karıĢım, buji çaktığında alev cephesi oluĢturamaz. Dolayısı ile egzoza yanmamıĢ HC gönderir. Ayrıca eksik yanma nedeniyle CO emisyonları da bu aĢamada oldukça yüksektir, Ġvmelenme aĢamasında ayak, gaz pedalında durmakta ve içeriye yakıt/hava karıĢımı girmektedir. Devir sayısının artması ve zengin karıĢım

(40)

16

Özellikleri nedeniyle artan basınç ve sıcaklık etkisiyle NOx'ler yoğundur. Normal seyir halinde iken (90 km/h sabit hızda) HFK λ > 1 olduğunda HC ve CO'ler daha az, NOx'ler daha yoğundur [12]

2.5.1 Yanma Prosesi ve Egzoz Gazlarından Kaynaklanan Kirlilik

Motora giren yakıtın önemli bir kısmı, normal alev yayılım prosesi esnasında yanar. Yanma prosesi sonrası yakıt, çok sayıda emisyon kaynak mekanizması nedeniyle yanmadan kalır, diğer bir kısmı ise silindir içinde okside olur. Silindir içinde okside olmayan yanmamıĢ HC'lar silindiri terk eder. Silindir Ġçinde kalan HC'ların bir kısmı atık yanmamıĢ gazlar ile birlikte daha sonraki çevrimde yakıt+hava ile karıĢırlar ve bir sonraki çevrimdeki yanma olayına ve HC emisyon prosesine katılırlar. Silindirden dıĢan çıkan yanmamıĢ HC'ların bir kısmı ise egzoz çıkıĢında ve manifold'ta okside olurlar. Egzoz manifoldu çıkıĢında ölçülen emisyonlar genellikle motor dıĢına çıkan emisyonlar olarak adlandırılır. Motor dıĢı emisyonlar daha sonra, eğer kullanılıyorsa katalitik konvertöre girer. Motor dıĢı HC'lann % 90 veya daha fazlasını tutan katalitik konvertör, toplam emisyon kontrol sistemi içinde en önemli yeri tutar. Yüksek sıcaklıkta yanmıĢ gazların arkasındaki NO yapısını oluĢturan kimyasal reaksiyonların tümü, kimyasal dengeye ulaĢmamıĢ azot ve oksijen atomları ile moleküllerini içerir. YanmıĢ gaz sıcaklığı yükseldikçe NOX oluĢumunun hızı artar. GeniĢleme zamanında yanmıĢ gazlar soğurken, NO içeren reaksiyonlar donar ve NOx'ler, egzoz denge Ģartlarında silindirden atılır. Yanma prosesi esnasında ayrıca CO'ler oluĢur. Bu oluĢumda hava fazlalık katsayısı çok önemlidir. Zengin yakıt/hava karıĢımlarında, yakıt içindeki tüm karbonun yanmasında havanın içindeki O2 yetersiz kalabilir. Daha sonra geniĢleme zamanında, yanmıĢ gaz sıcaklıkları düĢerken CO oksidasyon prosesi de sona erer. Dizel motorları, çalıĢma koĢullarına bağlı olarak siyah, gri-beyaz ve mavi olmak üzere üç renkte duman yayarlar. Siyah duman tam yanmamıĢ yakıt zerrelerinin oluĢturduğu aerosoldür ve yanma odasına gereğinden fazla yakıt verildiğini gösterir. Gri - beyaz duman tam yanma artığı maddelerin oluĢturduğu nemli aerosol olup, uygun yanma koĢullarının varlığını gösterir. Mavi duman ise yanmamıĢ yakıt ve yağ karıĢımı olup, genellikle motorun bakıma ihtiyacı olduğunu gösterir.

(41)

17

2.5.2 Sürücü ve SürüĢ Karakteristiği Nedeniyle Kaynaklanan Kirlilik

TaĢıt motorlarında, sıkıĢtırma oranının arttırılması ile ısıl verimde ve dolayısı ile motorun maksimum gücünde artıĢ sağlamak mümkündür. Ancak benzin motorlarında sıkıĢtırma oranı, vuruntu olayı ile sınırlandırılmıĢtır. Bu nedenle daha yüksek sıkıĢtırma oranına sahip motorlarda kullanılmak üzere yüksek oktan sayılı yakıtlara ihtiyaç vardır. Benzinin oktan sayısının arttırılması, benzini oluĢturan HC türlerine iliĢkin yapının düzenlenmesi ile sağlanabilmektedir. Örneğin, benzin içindeki aromatik bileĢenlerin arttırılması oktan sayısını arttıracaktır. Yüksek oktan sayılı, vuruntuya dayanıklı benzin elde edilmesinde kullanılan yöntemlerden biri de yakıt içine kurĢun tetraetil ilavesidir. KurĢunlu benzinin motorda yanması sonucu oluĢan 0,1 ile 10 mikrometre boyutlarındaki katı parti külleri n. çalıĢma koĢullarına göre % 20 - 90 kadarı egzozdan atılmakta, bir kısmı da yanma odasında, egzoz sisteminde, susturucuda, yağlama yağında ve yağ filtresinde birikmektedir. TaĢıt hızı, ivmelenmesi ve egzoz gaz sıcaklığı, egzoz gazlan içindeki kurĢun yüzdesini etkileyen en önemli parametrelerdir. Sonuçta trafiğin yoğun olduğu bölgelerde taĢıtlar tarafından üretilen kurĢun bileĢenleri konsantrasyonu önemli mertebelere ulaĢarak insan sağlığı bakımından tehlike sınırlarını aĢabilmektedir. Ağır bir metal olan kurĢun bileĢikleri sindirim ve solunum yoluyla insan vücuduna girerek, sinir sistemi, kas dokusu ve kan dolaĢımı üzerinde Önemli hasarlara neden olmakta, hemoglobin üretimini azaltmakta ve beyin geliĢimini etkileyerek zeka bozukluklanna neden olmaktadır. Karbonmonoksit (CO) kokusuz, renksiz bir gaz olup esas olarak yakıtların tam olmayan yanmaları sonucu oluĢmaktadır. Hemoglobine olan yüksek afınitesi nedeniyle oksijenin dokulara taĢınmasını engellemekte ve yüksek konsantrasyonlarda akut zehirlenmelere ve ölümlere yol açmaktadır. Azot oksitler, ozonun öncüsü olup, oksidan hava kirliliğinin esas bileĢenidir. BronĢlarda birikerek, akciğer rahatsızlıklarına, astıma, aerosol ve fotokimyasaf duman oluĢumu ile ozon tabasakısının tahribine yol açar. Hidrokarbonlar, özellikle solunum sistemi ve göz bozukluklanna ve oluĢturduklan polisiklik aromatik bileĢiklerle baĢta kan kanseri olmak üzere diğer kanser türlerine yol açarlar. Bu parametreler dıĢında; asbest kirliliği, sera gazı kirliliği, gürültü kirliliği ve aracın kullanımından ya da hurdaya çıkmasından dolayı oluĢan kirlilik gibi faktörler burada ĠncelenmemiĢtir. Ġnsan sağlığını tehdit eden bu nedenlerden dolayı, kirlilik önleyici mekanizma ve yöntemler çok önem kazanmıĢtır [12].

(42)

18 3. YANMA

Yanma türleri tam ve eksik yanma olarak tanımlanır. Tam yanma sonucunda sadece CO2 ve H2O oluĢur. Eksik yanma da ise aĢağıdaki bileĢenler oluĢur;

Eksik Yanma :

YanmamıĢ Hidrokarbonlar

CnHm ( parafinler, olefinler, aromatik hidrokarbonlar ); Kısmen YanmıĢ Hidrokarbonlar

CnHm.CHO ( aldehitler ) CnHm.CO ( ketonlar )

CnHm.COOH ( karbosiklik asitler ) CO ( karbonmonoksit );

TüretilmiĢ ürünler gibi sıcaklıkta kraking olmuĢ ürünler : C2H2, C2H4, H2 ( asetilen , etilen , hidrojen vs. ), C ( is ), polisiklik hidrokarbonlar.

Yanma sonucu oluĢan yan ürünler; Atmosferik azottan NO , NO2 ( azot oksitler ) ve yakıt katkı maddelerinden kurĢun oksitler, kurĢun halojenitler.

GüneĢ ıĢığı egzoz gazları üzerine etki ederek takip eden oksitleyicileri oluĢturur; organik peroksitler , ozon ve peroksiasetil-nitratlar.

Yanma sonrasında egzoz gazlarının iĢlenmesi için iki metod vardır: 1-Termal art yakma

(43)

19 3.1 Termal Art Yakma

Termal art yakma sistemleri yüksek sıcaklıklarda belirli bir zaman aralığı için egzoz gazlarının geçiĢini geçiktirecek tüm aygıtları içerir. Bu sistemle motorun egzozunda art arda reaksiyonlar oluĢur. Genel olarak, böyle sistemler hava enjeksiyonu ile yapılan oksitleme iĢlemi ile çalıĢırlar. Zengin reaktörlerde,ikincil hava zengin egzoz gazına ( λ=0.8 ~ 0.9 ) eklenerek HC ve CO‟nun oksitlenme sonrası yüksek sıcaklığa eriĢmesi sağlanır. Zengin reaktörlerin dezavantajı,zengin hava-yakıt karıĢımı ile çalıĢma gerektirdiklerinden daha yüksek yakıt sarfiyatının meydana gelmesidir. Fakir reaktörler ( sıcak borular olarak isimlendirilir ) λ = 1.1 ~ 1.2 ile çalıĢırlar ve egzoz gazında halen oksijen barındırırlar. Bu reaktörlerin çalıĢma sıcaklıkları görece daha düĢük olduklarından dolayı “yavaĢ yanma“ iĢlemi olarak da adlandırılırlar. Reaktörler yeterli bir zaman aralığında egzoz gazlarını iĢleyebilmek için geniĢ hacme sahip olmalıdırlar. Ġyi reaksiyon verimine, yüksek ısıl dirençli malzeme ile yapılmıĢ yalıtımla eriĢilebilir. Görece daha düĢük verime ek olarak, böylesi reaktörler hassas hava-yakıt oranı aralığında daha düĢük egzoz emisyon değerlerini sağlamak zorundadırlar.

ġekil 3.1 : Orta ve ağır vasıtalarda kullanılan termal jeneratör [10]

ġekil 3.1‟de Arvin Meritor firmasının orta ve ağır yüklü taĢıtlarda kullanılmak üzere ürettiği bir termal rejenaratör görülmektedir. Bu rejeneratör 60 sn‟de 600 °C sıcaklığa eriĢebilmektedir.

3.2 Katalitik Art Yakma

Katalitik konverterler, titreĢime karĢı izolasyonlu ve ısı yalıtım malzemeli bir yataklama içerisine yerleĢtirilmiĢ aktif kaplamalı bir yapıdan oluĢmuĢlardır. GranülleĢtirilmiĢ ve sinterlenmiĢ Al2O3 monolitleri yapı malzemesi olarak

(44)

20

kullanılmaktadır. Monolitik yapı formunun, uzun bir geliĢtirme periyodunun ardından motorlu taĢıtlarda kullanılabilirliği ispatlanmıĢtır. TaĢıyıcı eleman takip eden özelliklere sahip olmalıdır; katalist yüzeyinden optimum Ģekilde faydalanma, uzun ömür ve yüksek mekanik dayanım, düĢük ısı kapasitesi ve düĢük egzoz geri basıncı. Aktif katalist kaplama çok az miktarda soy metal içermektedir (Pt, Rh, Pd) ve kurĢuna karĢı hassastır. Aktif kaplamayı kurĢun zehirlenmesinden korumak için (kaplamanın yüzeyden dökülmesine neden olur) katalitik konverter kullanılan taĢıtlarda kurĢunsuz benzin kullanılır. Motora yakın olarak yerleĢtirilmiĢ bir katalist, buradaki yüksek sıcaklıktan dolayı daha yüksek verime sahiptir. Ama dezavantaj olarak da daha fazla termal yükleme söz konusudur. Motorun çalıĢma sıcaklığının yüksek olmasından dolayı çoğu katalitik konverter günümüzde Ģasi altına konumlandırılmaktadır. Oksidasyon katalistleri ya motorun yakıt karıĢımının fakir olarak ayarlanması ile ya da CO ve HC‟nin oksitlenmesi için hava eklenmesi ile çalıĢırlar. Redüksiyon katalistlerinin hava eklenmesine ihtiyacı yoktur. λ<1 halinde NOx emisyonları azalmaktadır.

Oksidasyon ve redüksiyon katalistlerinin tek bir yatak içerisinde kullanılması ile çift yataklı katalist sistem oluĢur. Bu sistemler λ = 0.9 civarında en verimli olarak çalıĢırlar. NO ilk yatakta düĢürülür, diğer bileĢenler arasında NH3 oluĢur. Ġkincil hava eklendiğinde, CO ve HC‟nin neredeyse tümü ikinci yatakta oksitlenir. Burada

NH3, NO oluĢumu için tekrar yakılır. Bu NO‟nun neden %70 ve 80‟le sınırlandığının

nedenidir. Bir diğer dezavantaj ise motorun zengin karıĢımla çalıĢma zorunluluğudur. Bu ise yakıt sarfiyatını arttırır. KayıĢ tahrikli santrifüj pompalar (Saginaw prensibine göre çalıĢan) veya kendinden emiĢli hava supapları, ikincil hava sağlamak için kullanılabilir. Ġkinci sistem egzoz sistemindeki basınç dalgalanmalarından yararlanmaktadır. Lambda kapalı devre kontrollü 3 yollu katalistin benzinli motorlarda egzoz gazlarının iĢlenmesi için yüksek verime sahip bir metot olduğu ispatlanmıĢtır. Bu üç emisyonun yeteri kadar düĢürülmesi için motorun stokiyometrik oranda çalıĢması ile mümkündür [10]

(45)

21

4. NOx STANDARTLARI VE KONTROL SĠSTEMLERĠ

Katalitik indirgeme, 30 yıl öncesinde Japonya'da buji ile ateĢlemeli motorların (BAM) NOx emisyonlarının azaltmak için geliĢtirilmiĢtir. Kullanılan ilk indirgeyici anhydrous amonyağıdır. SCR teknolojisi, dizel motorlarda 80'lerin ortasında kullanılmaya baĢlanmıĢtır. Ġlk uygulamalar, sabit jeneratör sistemlerinde kullanılmıĢtır. 1991'de Daimler Chrysler, MAN, IVECO ve Siemens arasında ortaklaĢa sürdürülen çalıĢmalar ağır ticari taĢıtlarda SCR teknolojisini kullanımını mümkün kılmıĢtır. Bugün, SCR teknolojisi Avrupa‟daki yeni düzenlemeleri 2008 Ekim'de etkili olan EURO V'e uygunluğunu garantilemektedir. Katalizör, verimli NOx indirgenmesinin yanında alçak yakıt tüketimini de sağlamaktadır. Avrupa‟da ağır ticari dizel taĢıtlarda NOx emisyonlarının indirgenmesinde en iyi metot SCR teknolojileri seçilmiĢtir. Bu Avrupa Otomobil Ġmalatçıları Birliği (ACEA) tarafından 12 Temmuz 2003‟de onaylanmıĢtır. ACEA, üyelerine SCR teknolojisi, Euro IV ve V emisyon standartlarına uyma olanağı sağlayacağını iletmektedir. Gelecek Euro IV standartlarının karĢılanması ve hatta daha düĢük emisyonlar için SCR teknolojisi yüksek bir potansiyel göstermektedir. Ayrıca, imalatçılar günümüzde bu teknolojiyi kullanan hafif-ticari taĢıtlarını üretmeye baĢlamıĢtır. Dizel motorlu ağır ticari araçlar için 2008‟den beri takip edilen Euro V yönetmeliğine göre hem NOx hem de partikül emisyonlarının bugünkü durumundan çok daha fazla azaltılması gerektiği görülmektedir. 2008 Euro V standartları Çizelge 4.1 ve 4.2‟de görülmektedir. Çizelge 4.2‟de görüldüğü gibi NOx için 2 g/kwh ve PM için 0.02 g/kWh değerlerinin karĢılanabilmesi için yalnız motor yönetim sistemleri veya yanma sistemlerinin geliĢtirilmesi yeterli değildir. SCR teknolojisi gibi egzoz emisyon kontrol sistemlerinin bazı türleri kullanılmalıdır.

(46)

22

Çizelge 4.1 : Hafif ticari için NOx standartları

Çizelge 4.2: Ağır ticari için NOx standartları

4.1 NOx Kontrol Sistemleri 4.1.1. Hava Kademeleme

Hava kademeleme ile NOx giderimi, kazan içinde iki ayrı yakma bölgesinin oluĢturulmasına dayanır:

Az oksijenli birincil yakma bölgesi ve tam yanmanın sağlanması için fazla oksijenli ikincil yakma bölgesi. Hava kademeleme birincil yakma bölgesindeki oksijen miktarını düĢürür (birincil havanın %70-90‟ı bu bölgede verilir). Birincil bölgede stokiyometrik olarak gerekli havadan daha az hava verilmesi yakıttaki azotun NOx„a dönüĢümünü engeller. Ayrıca termal NOx oluĢumu da sıcaklığın daha düĢük olması nedeniyle belli bir noktaya kadar düĢürülür. Ġkincil bölgede ise birincil yakma

(47)

23

havasının %10 - 30‟u yakma bölgesinin üst kısmına enjekte edilir. Yakma bu artırılan alev hacminde tamamlanır. Sonuç olarak nispeten düĢük sıcaklıklığı ikincil basamak termal NOx oluĢumunu engeller .

Hava kademeleme kazanlarda ve yakıcılarda çeĢitli Ģekillerde yapılabilir. Ama bunlardan en önemlisi Over Fire Air (OFA)‟dır. Bu yöntem; yanma için kullanılan havanın yaklaĢık %15 - 30‟ unun ayrılarak kazanın daha üst kısmına yerleĢtirilmiĢ hava enjeksiyon çıkıĢlarından kazana verilmesine dayanmaktadır. Böylece ana yakma sistemindeki brülörlerde, yanma çok düĢük fazla hava oranı ile gerçekleĢtirildiğinden NOx oluĢumu azalmaktadır. Yanma için kullanılan toplam havanın %15 – 30‟ u daha sonra tekrar kazanın üst kısmında bulunan portallardan tekrar kazana gönderilir ve yanma tamamlanır. OFA sisteminin, düĢük NOx sağlayan yakma sistemlerine uygulanmasıyla performans artmaktadır.

Hava kademeleme sisteminin iki önemli dezavantajı vardır. Birincisi eğer hava nozıllarının yerleri doğru değilse önemli miktarda CO oluĢmaktadır. Ġkincisi ise OFA sisteminin sonradan uygulanması durumunda yanma bölgesi sonu ile ilk ısı değiĢtirici arasındaki mesafe azaldığından yanmamıĢ karbon miktarı artmaktadır. 4.1.2 Baca Gazı Sirkülasyonu

Bacadan çıkan ve daha düĢük sıcaklıkta olan gazın, yanma havasıyla karıĢtırılması ile alev sıcaklığı düĢmekte ve gazdaki oksijen miktarı azalmıĢ olmaktadır. Böylece yakıttaki azottan kaynaklanan NOx ve termal NOx oluĢumu azaltılmaktadır. Alevin kararlılığı ve net ısıl verimindeki düĢüĢ, baca gazı sirkülasyon oranını sınırlamaktadır. Sirkülasyon oranının yaklaĢık olarak %20 - 30 olması uygun sonuçlar vermektedir. Bu yöntem gaz ve sıvı yakıtlar için daha etkili sonuçlar vermektedir. Sirküle edilen baca gazı yaklaĢık 350 - 400°C civarındadır. Hava ön ısıtıcısından sonra toplam gazın yaklaĢık %20 – 30‟ u ayrılır ve yanma havası ile karıĢtırılarak tekrar yakıcıya verilir. Bu gazı yakıcıya vermek için özel olarak tasarlanmıĢ brülörler gerekir. Havaya karıĢtırılacak baca gazı miktarını iyi ayarlamak gerekmektedir. Eğer aĢırı miktarda baca gazı karıĢtırılırsa bu durumda bazı iĢletme sorunları ile karĢılaĢılabilir. Örneğin kükürt içeren yakıt yakıldığında korozyon problemleri, baca gazında sıcaklığın artmasından dolayı verim kaybı, vantilatörlerde artan enerji kullanımı. Bu nedenlerle iĢletmeciler genel olarak %30 dan fazla baca gazı sirkülasyonu yapmazlar ve hala azaltılamayan NOx miktarını geliĢtirilmiĢ “düĢük NOx oluĢturan yakıcılar” kullanarak gidermeye çalıĢırlar.

(48)

24 4.1.3 Yakıt Kademeleme

NOx miktarının azaltılmasında, genel olarak havanın ve yakıtın kademeli olarak kullanılması etkin rol oynamaktadır. Bundan önce havanın kademelendirilmesi açıklanmıĢtı. AĢağıda da yakıtın kademelendirilmesi açıklanacaktır. Amaç, oluĢan azot oksitlerini tekrar azot gazına indirgemektir. Bu sistemde yanma üç ayrı bölgede yapılmaktadır: Ġlk yanma bölgesi (yakıtın %70 - 90 kısmı bu bölgeye beslenmektedir); tekrar yanma bölgesi (yakıtın %10 - 30 kısmı bu bölgeye beslenmektedir); tam yanma bölgesi (yakıtın yanması, verilen ek hava ile bu bölgedetamamlanmaktadır). Ġlk yanma bölgesinde yanma normal hava/yakıt oranlarıyla gerçekleĢtirilmektedir. Tekrar yanma bölgesinde, sisteme eklenen yakıt “yakıtçazengin” koĢulların oluĢmasını sağlayarak indirgen bir bölge oluĢturmakta ve daha önce oluĢan NOx burada azot gazına indirgenmektedir. Son bölgede ise OFA sistemiyle hava eklenerek yanmanın tamamlanması sağlanmaktadır. Bu yöntem, özellikle doğal gaz kullanan tesislerde NOx emisyonlarının azaltılmasında ideal sonuçlar vermektedir.

4.1.4 DüĢük NOx OluĢturan Yakıcılar

DüĢük NOx oluĢturan yakıcı sistemleri NOx kontrolünde önemli bir teknolojik seviyeye ulaĢmıĢtır. Ancak bu konudaki önemli araĢtırmalar ve çalıĢmalar halen devam etmektedir. Bu sistemlerin tasarım ayrıntıları üreticiden üreticiye değiĢtiği için burada sadece genel prensipler verilecektir .

DüĢük NOx oluĢturan yakıcı sistemleri, yakıt ve havayı yanma odasına üflerken yakıt/hava oranını kontrol ederek kademeli yanmanın sağlanması prensibine dayanmaktadır. DüĢük alev sıcaklığı ve alevin belli bölümlerinde oksijen konsantrasyonunun azaltılması, NOx oluĢumunu azaltmaktadır. Yakıcıda kademeli yanma gerçekleĢtirilmektedir. Yakıt/hava oranının kontrol edilebilmesi için yakıcıda kanallar bulunmaktadır. Yakıt/hava oranının ayarlanması ile öncelikli olarak yakıt kaynaklı NOx oluĢumunun minimize edilmesi amaçlanmaktadır. Yakıcı sistemi tasarımı ile “yakıtça zengin bölgeler” oluĢturulmaktadır. Bu bölgelerde yakıtta bulunan azot oksijenle oksitlenerek NOx oluĢturmak yerine yakıtça zengin indirgen bölgelerde indirgenerek doğrudan azot gazına dönüĢmektedir.