Kazan Verimi ve Yanma

Yanma süreci hakkında genel bir bakış, brülör türleri ve kontrolleri, ısı çıkışı ve kayıpları dahil.

Bu Modül, genel kazan veriminin temel bir bileşeni olan yanma süreci hakkında çok geniş bir genel bakış sunmayı amaçlamaktadır. Daha derin bilgiye ihtiyaç duyan okuyucular, uzman ders kitaplarına ve brülör üreticilerine yönlendirilir. Kazan verimi basitçe enerji çıkışını enerji girişine oranlar, genellikle yüzde olarak: ‘Buharda ihraç edilen ısı’ ve ‘Yakıtın sağladığı ısı’ aşağıdaki iki Bölümde daha ayrıntılı olarak ele alınmaktadır.

Yakıtın sağladığı ısı

Kalorifik değer Bu değer iki şekilde ifade edilebilir: ‘Brüt’ veya ‘Net’ kalorifik değer. Brüt kalorifik değer Bu, yakıttaki enerjinin teorik toplamıdır. Ancak, tüm yaygın yakıtlar, oksijenle yanarak su oluşturan ve bacada buhar olarak yukarı çıkan hidrojen içerir. Yakıtın brüt kalorifik değeri, bu suyun buharlaştırılmasında kullanılan enerjiyi içerir. Buhar kazanı tesislerinde baca gazları yoğuşturulmaz, bu nedenle kazan tesisinin kullanabileceği gerçek ısı miktarı azalır. Hava miktarının hassas kontrolü kazan verimi için esastır:

Çok fazla hava fırını soğutur ve kullanışlı ısıyı uzaklaştırır.
Çok az hava ile yanma tamamlanmaz, yanmamış yakıt taşınır ve duman üretilebilir. Net kalorifik değer Bu, bacaya boşaltılan buhardaki enerji hariç, yakıtın kalorifik değeridir ve kazan verimlerini hesaplamak için genellikle kullanılan değerdir. Genel hatlarıyla: Hava miktarının hassas kontrolü kazan verimi için esastır:
Çok fazla hava fırını soğutur ve kullanışlı ısıyı uzaklaştırır.
Çok az hava ile yanma tamamlanmaz, yanmamış yakıt taşınır ve duman üretilebilir. Ancak pratikte, mükemmel (stokiyometrik) yanmayı gerçekleştirmede bir takım zorluklar vardır:
Brülör çevresindeki koşullar mükemmel olmayacaktır ve karbon, hidrojen ve oksijen moleküllerinin tam uyumunu sağlamak imkansızdır.
Bazı oksijen molekülleri, azot oksitler (NOx) oluşturmak için azot molekülleri ile birleşecektir. Tam yanmayı sağlamak için bir miktar ‘fazla hava’ sağlanması gerekir. Bunun kazan verimi üzerinde etkisi vardır. Mevcut birçok daha küçük kazan tesisinde hava/yakıt karışım oranı kontrolü ‘açık döngü’dür. Yani, brülör belirli bir ateşleme hızı için özel hava miktarları sağlamak üzere kalibre edilmiş bir diz kam ve kola sahip olacaktır. Açıkçası, mekanik parçalar oldukları için bunlar aşınacak ve bazen kalibrasyon gerektirecektir. Bu nedenle, düzenli olarak bakılmalı ve kalibre edilmelidir. Daha büyük tesislerde, bacadaki oksijen sensörlerini kullanarak yanma havası damperlerini kontrol eden ‘kapalı döngü’ sistemleri takılabilir. Kazan yanma odasındaki hava sızıntıları, yanmanın hassas kontrolü üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olacaktır.

Mevzuat

Şu anda, bir İklim Değişikliği Programı’na yönelik küresel bir taahhüt vardır ve 160 ülke 1997 Kyoto Anlaşması’nı imzalamıştır. Bu ülkeler aşağıdakiler için olumlu ve bireysel eylemler almayı kabul etmiştir:

Zararlı gazların atmosfere emisyonunu azaltma - Anlaşmanın kapsadığı gazlar arasında en düşük etkiye sahip olan karbondioksit (CO2) olmasına rağmen, en yaygın olanıdır ve azaltılacak toplam gaz emisyonunun yaklaşık %80’ini oluşturmaktadır.
Kullanılan yakıtta ölçülebilir yıllık azaltımlar yapma - Bu, alternatif, kirletmeyen enerji kaynaklarının kullanılması veya aynı yakıtların daha verimli kullanılması şeklinde olabilir. İngiltere’de taahhüt ‘İngiltere Ulusal Hava Kalitesi Stratejisi’ olarak adlandırılmaktadır ve bu, bir dizi yasa ve düzenleme aracılığıyla etkisini göstermektedir. Diğer ülkelerde benzer stratejilere sahip olacaktır.

Teknoloji

Kirlilikle ilgili mevzuatın baskısı, ekonomi konusunda kazan kullanıcılarının talepleri ve mikroçipin gücü, hem kazan yanma odalarının hem de brülörlerin tasarımını önemli ölçüde geliştirmiştir. En son brülörlere sahip modern kazanlar şunlara sahip olabilir:

Minimum fazla hava ile optimum yanmayı sağlamak için geri dolaştırılmış baca gazları.
Baca gazının tüm bileşenlerini izleyen ve belirlenmiş parametreler dahilinde koşulları korumak için yakıt ve hava akışlarında ayarlamalar yapan sofistike elektronik kontrol sistemleri.
Verim ve emisyon parametrelerinin daha geniş bir çalışma aralığında karşılanmasını sağlayan büyük ölçüde geliştirilmiş turndown oranları (maksimum ve minimum ateşleme hızları arasındaki oran).

Isı kayıpları

Kazan fırınındaki yanma ve özellikle doğru hava oranlarının tam ve verimli yanmayla ilişkisi tartışıldıktan sonra, diğer potansiyel ısı kaybı ve verimsizlik kaynaklarını gözden geçirmek kalmaktadır. Baca gazlarındaki ısı kayıpları Bu muhtemelen en büyük tek ısı kaybı kaynağıdır ve Mühendislik Müdürü kaybın büyük bir kısmını azaltabilir. Kayıplar, fırından ayrılan gazların sıcaklığına atfedilebilir. Açıkçası, bacadaki gazlar ne kadar sıcaksa, kazan o kadar verimsizdir. Gazlar iki nedenden biriyle çok sıcak olabilir:

Brülör, kazan üzerindeki belirli bir yük için gerekenden daha fazla ısı üretiyor: Bu, brülör(ler) ve damper mekanizmalarının bakım ve yeniden kalibrasyon gerektirdiği anlamına gelir.
Kazan içindeki ısı transfer yüzeyleri düzgün çalışmıyor ve ısı suya aktarılmıyor: Bu, ısı transfer yüzeylerinin kirlendiği ve temizlik gerektirdiği anlamına gelir. Burada biraz dikkat gerekir - Baca gazlarının aşırı soğutulması, sıcaklıkların ‘çiğ noktası’nın altına düşmesine ve aşağıdaki maddelerin oluşumu nedeniyle korozyon potansiyelinin artmasına neden olabilir: Nitrik asit (yanma için kullanılan havadaki azottan). Sülfürik asit (yakıtın sülfür içeriği varsa). Su. Radyasyon kayıpları Kazan çevresinden daha sıcak olduğu için, bir miktar ısı çevreye aktarılacaktır. Hasarlı veya kötü takılmış yalıtım, potansiyel ısı kayıplarını büyük ölçüde artıracaktır. 5 MW veya daha üzeri, makul şekilde yalıtılmış bir kabuk veya su borulu kazan, enerjisinin %0,3 ila %0,5’ini çevreye kaybedecektir. Bu büyük bir miktar gibi görünmeyebilir, ancak bunun kazanın tam yük kapasitesinin %0,3 ila %0,5’i olduğu ve bu kaybın, kazan bile tesise buhar ihraç etmiyor ve sadece beklemede olsa bile sabit kalacağı hatırlanmalıdır. Bu, daha verimli çalışmak için bir kazan tesisinin maksimum kapasitesine doğru çalıştırılması gerektiğini gösterir. Bu da kazan dairesi personeli ile üretim departmanları arasında yakın işbirliği gerektirebilir.

Brülör turndown

Brülörlerin önemli bir işlevi turndown’dur. Bu genellikle bir oran olarak ifade edilir ve maksimum ateşleme hızının minimum kontrol edilebilir ateşleme hızına bölünmesine dayanır. Turndown oranı, sadece farklı miktarlarda yakıtı kazana pompalama meselesi değildir; brülörün tüm çalışma aralığında verimli ve uygun yanma sağlaması ve giderek daha katı emisyon düzenlemelerini karşılaması ekonomik ve mevzuat açısından giderek daha önemlidir. Daha önce de belirtildiği gibi, kazan yakıtı olarak kömür, elektrik santrallerindeki su borulu kazanlar gibi uzmanlaşmış uygulamalarla sınırlı olma eğilimindedir.

Yağ brülörleri

Yakıt yağının verimli bir şekilde yakılması, yüksek yakıt yüzey alanı/hacim oranı gerektirir. Deneyimler, 20 ila 40 μm aralığındaki yağ parçacıklarının en başarılı olduğunu göstermiştir. Parçacıklar:

40 μm’den büyük olanlar, yanma sürecini tamamlamadan alevden geçme eğilimindedir.
20 μm’den küçük olanlar, hiç yanmadan alevden geçecek kadar hızlı hareket edebilir. Yağ yakımının çok önemli bir yönü viskozitedir. Yağın viskozitesi sıcaklığa göre değişir: yağ ne kadar sıcaksa, o kadar kolay akar. Gerçekten de, çoğu insan ağır yakıt yağlarının serbestçe akması için ısıtılması gerektiğini bilir. Ancak o kadar bariz olmayan, sıcaklık ve dolayısıyla viskozitdeki bir değişimin, brülör nozulunda üretilen yağ parçacığının boyutu üzerinde etkili olacağıdır. Bu nedenle, nozulda tutarlı koşullar sağlamak için sıcaklığın hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Basınç jet brülörleri Basınç jet brülörü, basınçlı bir tüpün ucundaki basit bir orifistir. Tipik olarak yakıt yağı basıncı 7 ila 15 bar aralığındadır. Çalışma aralığında, yakıt fırına boşaltıldığında orifis üzerinde oluşturulan önemli basınç düşüşü, yakıtın atomizasyonuna neden olur. Bahçe hortumunun ucuna başparmak koymak aynı etkiyi yaratır. Orifisin (nozulun) hemen öncesindeki yakıt yağının basıncını değiştirerek, brülörden yakıt akış hızı kontrol edilir. Yakıt akış hızı %50’ye düşürülürse, atomizasyon enerjisi %25’e düşer. Bu, belirli bir nozul için kullanılabilir turndown’ın yaklaşık 2:1 ile sınırlı olduğu anlamına gelir. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, basınç jet brülörleri farklı kazan yüklerine uyum sağlamak üzere bir dizi değiştirilebilir nozul ile birlikte verilir. Basınç jet brülörlerin avantajları:
Nispeten düşük maliyet.
Bakımı basit. Basınç jet brülörlerin dezavantajları:
Tesisin çalışma özellikleri gün boyunca önemli ölçüde değişirse, kazan nozulu değiştirmek için devre dışı alınması gerekecektir.
Kalıntılarla kolayca tıkanır. Bu, iyi bakımlı, ince gözlü filtrelerin gerekli olduğu anlamına gelir.

Döner kap brülörü

Yakıt yağı, merkezi bir tüpten beslenir ve hızla dönen bir koninin iç yüzeyine boşalır. Yakıt yağı kap boyunca hareket ettikçe (merkezcil kuvvetin yokluğunda), yağ filmi kapağın çevresi arttıkça giderek incelir. Sonunda, yakıt yağı koninin dudağından ince bir sprey olarak boşaltılır. Atomizasyon, yakıt yağının bazı fonksiyonları (örneğin basınç) yerine döner kap tarafından üretildiğinden, turndown oranı basınç jet brülöründen çok daha fazladır. Döner kap brülörlerinin avantajları:

Dayanıklı.
İyi turndown oranı.
Yakıt viskozitesi daha az kritiktir. Döner kap brülörlerinin dezavantajları:
Satın alması ve bakımı daha pahalı.

Gaz brülörleri

Şu anda gaz, muhtemelen İngiltere’de kullanılan en yaygın yakıttır. Gaz olması nedeniyle, atomizasyon bir sorun değildir ve yanma için gazın uygun miktarda hava ile düzgün karıştırılması yeterlidir. İki tür gaz brülörü kullanılmaktadır: ‘Düşük basınç’ ve ‘Yüksek basınç’. Düşük basınç brülörü Bunlar düşük basınçta çalışır, genellikle 2,5 ila 10 mbar arasında. Brülör, gazın boğaz bölgesine verildiği ve yanma havasının dışarıdan çekildiği basit bir venturi cihazıdır. Çıkış yaklaşık 1 MW ile sınırlıdır. Yüksek basınç brülörü Bunlar daha yüksek basınçlarda çalışır, genellikle 12 ila 175 mbar arasında ve belirli bir alev şekli oluşturmak için bir dizi nozul içerebilir.

Çift yakıtlı brülörler

Cazip ‘kesilebilir’ gaz tarifesi, İngiltere’deki büyük çoğunluğun tercihi anlamına gelmektedir. Ancak, bu kuruluşların birçokağının gaz arzı kesilirse çalışmaya devam etmesi gerekir. Olağan düzen, sahada bir yakıt yağı tedariki bulundurmak ve gaz mevcut olmadığında kazanı yakmak için bunu kullanmaktır. Bu, ‘çift yakıtlı’ brülörlerin geliştirilmesine yol açtı. Bu brülörler ana yakıt olarak gaz ile tasarlanmış, ancak yakıt yağı yakma için ek bir tesise sahiptir. Gaz Şirketi tarafından arzın kesileceğine dair verilen bildirim kısa olabilir, bu nedenle yakıt yağı yakımına geçiş mümkün olduğunca hızlı yapılır, olağan prosedür şudur:

Gaz besleme hattını izole et.
Yağ besleme hattını aç ve yakıt pompasını çalıştır.
Brülör kontrol panelinde ‘yağ yakımı’ seç. (Bu, farklı yakıt için hava ayarlarını değiştirecektir).
Kazanı temizle ve yeniden ateşle. Bu işlem oldukça kısa bir sürede gerçekleştirilebilir. Bazı kuruluşlarda geçiş, operatörlerin prosedüre aşina olmasını sağlamak ve gerekli ekipmanın mevcut olduğundan emin olmak için periyodik bir tatbikatın parçası olarak yapılabilir. Ancak, yakıt yağı sadece ‘yedek’ olduğundan ve muhtemelen yalnızca kısa süreler için kullanıldığından, yağ yakma tesisi temel olabilir. Daha sofistike tesislerde, yüksek kapasiteli kazan tesislerinde, gaz brülör(ler)i çıkarılabilir ve yağ brülörleri ile değiştirilebilir.

Brülör kontrol sistemleri

Okuyucu, brülör kontrol sisteminin yalıtılamayacağını bilmelidir. Brülör, brülör kontrol sistemi ve seviye kontrol sistemi uyumlu olmalı ve tesisin buhar taleplerini verimli bir şekilde karşılamak için tamamlayıcı bir şekilde çalışmalıdır. Sonraki birkaç paragraf, temel brülör kontrol sistemlerini geniş hatlarıyla özetlemektedir. Açma/kapama kontrol sistemi Bu en basit kontrol sistemidir ve brülörün ya tam kapasitede ateşlendiği ya da kapalı olduğu anlamına gelir. Bu kontrol yönteminin başlıca dezavantajı, kazanın her ateşlendiğinde büyük ve sık termal şoklara maruz kalmasıdır. Bu nedenle kullanımı, 500 kg/h’ye kadar olan küçük kazanlarla sınırlandırılmalıdır. Açma/kapama kontrol sisteminin avantajları:

Basit.
En ucuz. Açma/kapama kontrol sisteminin dezavantajları:
Brülör kapatıldıktan hemen sonra kazana büyük bir yük gelirse, mevcut buhar miktarı azalır. En kötü durumlarda bu kazanın primer yapmasına ve kilitlenmesine yol açabilir.
Termal döngü. Yüksek/düşük/kapalı kontrol sistemi Bu, brülörün iki ateşleme hızına sahip olduğu biraz daha karmaşık bir sistemdir. Brülör önce düşük ateşleme hızında çalışır ve gerektiğinde tam ateşe geçer, böylece termal şokun en kötüsünün üstesinden gelir. Brülör, azalan yüklerde de düşük ateşleme konumuna dönebilir ve kazan içindeki termal gerilmeleri tekrar sınırlar. Bu tür sistem genellikle 5 000 kg/h’ye kadar çıkışı olan kazanlara takılır. Yüksek/düşük/kapalı kontrolün avantajları:
Kazan, büyük yüklere daha iyi yanıt verebilir çünkü ‘düşük ateşleme’ konumu kazanda daha fazla depolanmış enerji olmasını sağlar.
Büyük yük brülör ‘düşük ateşleme’de iken uygulanırsa, hemen ‘yüksek ateşe’ geçerek yanıt verebilir, örneğin temizleme döngüsü atlanabilir. Yüksek/düşük/kapalı kontrol sisteminin dezavantajları:
Açma-kapama kontrolünden daha karmaşık.
Açma-kapama kontrolünden daha pahalı. Modülasyonlu kontrol sistemi Modülasyonlu brülör kontrolü, tüm turndown oranı boyunca kazan yüküne uyum sağlamak için ateşleme hızını değiştirecektir. Brülör her kapatılıp yeniden başlatıldığında, sistem kazan geçitlerinden soğuk hava üfleyerek temizlenmelidir. Bu enerji israf eder ve verimi düşürür. Ancak tam modülasyon, kazanın termal verimi en üst düzeye çıkarmak ve termal gerilmeleri en aza indirmek için tüm aralık boyunca ateşlenmeye devam ettiği anlamına gelir. Bu tür kontrol her boyuttaki kazana takılabilir, ancak 10 000 kg/h’nin üzerindeki kazanlara her zaman takılmalıdır. Modülasyonlu kontrol sisteminin avantajları: Kazan büyük ve dalgalanmalı yüklere daha da iyi dayanabilir. Bunun nedeni:
Kazan basıncı kontrol bandının üstünde tutulur ve depolanan enerji seviyesi en yüksek düzeydedir.
Kısa sürede daha fazla enerji gerekirse, kontrol sistemi temizleme döngüsü için duraklamadan ateşe geçme hızını artırarak hemen yanıt verebilir. Modülasyonlu kontrol sisteminin dezavantajları:
En pahalı.
En karmaşık.
Yüksek turndown kapasiteli brülörler gerekir.