KAZANLARDA ENERJİ VERİMLİLİĞİ

1. Kazan Nedir?

                                                                          

 

Şekil 1. Buhar kazanının temel yapısı ve çalışma prensibi

Yakıtın kimyasal enerjisini yanma yoluyla ısı enerjisine dönüştüren ve bu ısı enerjisini taşıyıcı akışkana aktaran makinalara kazan denir.

Kazanların verimi ise yanma sonucu oluşan bu ısı enerjisinin hangi oranda taşıyıcı akışkana veya kullanma mahalline taşınmasına bağlıdır.

Yanma sonucu oluşan ısı enerjisinden ne kadar yüksek yararlanırsak o oranda yakıt tüketimimiz düşük, atmosfere attığımız atık gazlar o kadar az olacaktır.

2. Kazan Çeşitleri

Kazanlar, taşıyıcı akışkana ve kullanım amacına göre farklı tiplerde sınıflandırılabilir.

Kızgın Yağ Kazanı

Kızgın yağ kazanları, yüksek sıcaklıkta ve düşük basınçta ısı ihtiyacı olan kimya, tekstil, gıda, plastik, kauçuk ve benzeri endüstriyel proseslerde, ısı transfer akışkanı olarak termal yağın kullanılması amacıyla tercih edilir.

Su Kazanı

Sıcak Su Kazanı

Sıcak su kazanları, ısıtma sistemlerinde, kullanım sıcak suyu üretiminde ve sıcak suya ihtiyaç duyulan endüstriyel proseslerde ısıtma enerjisinin su üzerinden taşınması amacıyla kullanılır.

Kızgın Su Kazanı

Kızgın su kazanları, suyun atmosferik kaynama sıcaklığının üzerinde ve basınç altında sıvı fazda tutulduğu, yüksek sıcaklıktaki proses ısısı ve bölgesel ısıtma gibi uygulamalarda kullanılan sistemlerdir.

Buhar Kazanı

Doymuş Buhar Kazanı

Doymuş buhar kazanları, sabit ve kontrollü bir basınçta doymuş buhar üretmek için kullanılır ve proses ısıtması, sterilizasyon, pişirme, kurutma ve benzeri endüstriyel uygulamalarda tercih edilir.

Kızgın Buhar Kazanı

Kızgın buhar kazanları, doymuş buharın ilave olarak ısıtılmasıyla elde edilen kızgın buharın gerekli olduğu uygulamalarda, özellikle buhar türbinleri ve yüksek sıcaklık gerektiren proseslerde kullanılır.

3. Yanma ve Yanma Havasının Optimizasyonu

Yakıtların oksijen ile tepkimeye girerek ısı ve diğer yanma ürünlerini oluşturmasına yanma denir. Yanmanın verimli gerçekleşebilmesi için yakıt ile yanma havasının uygun oranda karıştırılması gerekir.

 

            

                                                                                                           Şekil 2. Yanma havası miktarına bağlı olarak CO, CO₂ ve O₂ değişimi

Grafikte, yanma havası miktarı arttıkça baca gazındaki CO, CO₂ ve O₂ konsantrasyonlarının değişimi gösterilmektedir. Eksik hava bölgesinde oksijen yetersizliği nedeniyle CO miktarı yüksekken, hava miktarı arttıkça CO azalır ve CO₂ yükselir. Stokiyometrik hava noktasından sonra verilen hava miktarının artmasıyla baca gazındaki O₂ yükselirken CO₂ konsantrasyonu düşmeye başlar. Bu nedenle kazanlarda amaç, tam yanmayı sağlayacak ancak gereğinden fazla hava verilmesini önleyecek uygun hava oranında çalışmaktır.

Az Hava ile Yanma

Yanma için gerekli havanın yetersiz olması durumunda CO oluşumu artar ve ısı geçiş yüzeylerinde is ve kurum birikimi meydana gelebilir. Bu durum ısı geçişini zorlaştırarak yanma veriminin düşmesine ve yakıt tüketiminin artmasına neden olur.

Fazla Hava ile Yanma

Yanma için gerekli miktardan fazla hava verilmesi durumunda baca gazındaki O₂ miktarı artar. Gereğinden fazla havanın da ısıtılarak bacadan atılması, baca gazı kaynaklı ısı kayıplarını artırarak aynı miktarda faydalı ısı için daha fazla yakıt tüketilmesine neden olabilir.

Tam Yanma

Tam yanmada yakıtın yanabilir bileşenleri mümkün olduğunca tamamen yanar ve baca gazındaki CO miktarı çok düşük seviyelerdedir. Yanmanın fazla hava yönünde olup olmadığının belirlenmesinde O₂ ölçümü, kazan veriminin değerlendirilmesinde ise baca gazı sıcaklığı önemli göstergelerdir.

Baca Gazı Bileşenleri

Baca gazındaki oksijen miktarı, yakıt türüne ve hava fazlalık katsayısına bağlıdır. Kaynakta baca gazı analizleri için doğalgazda %2–3, sıvı yakıtta %3–4 ve katı yakıtta %5–6 O₂ değerleri uygun aralıklar olarak belirtilmektedir.

Karbonmonoksit (CO), eksik yanmanın ve buna bağlı enerji kaybının önemli göstergelerinden biridir. Baca gazındaki CO miktarının 100 ppm seviyesine kadar normal kabul edilebileceği belirtilmektedir. Amaç, yeterli yanma havası sağlayarak eksik yanmayı önlemek ve CO oluşumunu düşük seviyede tutmaktır.

4. Kazan İşletme Basıncının Optimizasyonu

Kullanım yerindeki buhar basıncı, kazan çalışma basıncından daha düşükse ve bu durum sürekli olarak devam ediyorsa, kazan çalışma basıncının düşürülmesi değerlendirilebilir. Kazan basıncının prosesin ihtiyaç duyduğu seviyeye uygun olarak düşürülmesi, kazan veriminde artış sağlayarak yakıt tüketiminin azaltılmasına katkıda bulunabilir.

 

 

                                                       

Şekil 3. Kazan işletme basıncının azaltılmasıyla verim artışı

Şekil 3'te, kazan işletme basıncının düşürülmesiyle elde edilebilecek potansiyel verim artışı gösterilmektedir. Mevcut kazan basıncı ile prosesin ihtiyaç duyduğu minimum buhar basıncı arasındaki fark arttıkça, basıncın düşürülmesine bağlı verim artışı potansiyeli de artmaktadır.

Literatürde, kazan çalışma buhar basıncının uygun koşullarda düşürülmesiyle yakıt tüketiminde %1–2 seviyesinde tasarruf sağlanabileceği belirtilmektedir.

Kritik nokta, kazan basıncının prosesin ihtiyaç duyduğu minimum buhar basıncının altına düşürülmemesidir.

5. Kazan Veriminin Hesaplanması

Kazan performansının değerlendirilmesinde yanma verimi ve ısıl verim önemli göstergelerdir. Bunun yanında, kazan verimini etkileyen çeşitli ısı kayıpları da bulunmaktadır. Bu kayıplar, kazan toplam veriminin hesaplanmasında dikkate alınmaktadır.

Pratikte kazan veriminin hesaplanmasında direkt ve endirekt olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmaktadır.

5.1. Direkt Verim Yöntemi

Direkt yöntemde, kazandan elde edilen faydalı enerji miktarı ile kazana giren yakıt enerjisi karşılaştırılarak kazan verimi hesaplanır.

η = [Q × (H − h) / (q × GCV)] × 100

Burada;

η: Kazan verimi (%)
Q: Üretilen buhar miktarı (kg/h)
H: Buharın entalpisi (kcal/kg)
h: Besleme suyunun entalpisi (kcal/kg)
q: Yakıt tüketim miktarı
GCV: Yakıtın ısıl değeri

Direkt yöntemde temel olarak, üretilen buharın kazandığı enerji ile yakıtın sağladığı enerji karşılaştırılarak kazan verimi belirlenir.

5.2. Endirekt Verim Yöntemi

Endirekt yöntemde kazan verimi, kazanda meydana gelen çeşitli ısı kayıplarının toplamının %100'den çıkarılmasıyla hesaplanır.

η = [1 − (L₁ + L₂ + L₃ + L₄ + L₅ + L₆)] × 100

Burada;

L₁: Eksik yanma nedeniyle oluşan ısı kaybı
L₂: Baca gazındaki su buharı ile oluşan ısı kaybı
L₃: Kuru baca gazı nedeniyle oluşan ısı kaybı
L₄: Baca gazı sıcaklığı nedeniyle oluşan ısı kaybı
L₅: Kazan yüzeylerinden oluşan ısı kaybı
L₆: Blöf nedeniyle oluşan ısı kaybı

Endirekt yöntemde kayıplar ayrı ayrı ölçüm ve hesaplamalarla belirlenir. Hesaplanan kayıplar toplanarak toplam ısı kaybı bulunur ve bu değer %100'den çıkarılarak kazan verimi hesaplanır.

5.3. Kazanlarda Yıllık Verim ve İç Soğuma Kayıpları

                                                                              

 

Şekil 4. Brülör duruşunda baca çekişi ve iç soğuma kayıpları

 

Kazan verimi yalnızca brülörün çalıştığı süre içerisindeki performansa bağlı değildir. Kazanın işletme sezonu içerisindeki çalışma ve bekleme süreleri de yıllık ortalama verimi etkiler.

Brülör çalışırken elde edilen verim, kazan bekleme durumundayken meydana gelen iç soğuma kayıpları nedeniyle yıllık ortalamada daha düşük bir değer olarak ortaya çıkabilir.

Brülörün durduğu sıcak kazanlarda, baca çekişinin etkisiyle kontrolsüz hava kazanın içerisine girebilir. Kazana giren bu hava, sıcak yüzeylerden geçerek ısınır ve baca yoluyla atmosfere atılır. Böylece brülör çalışmadığı halde kazan içerisindeki ısı bacadan kaybedilir.

İç soğuma kayıplarının azaltılmasında kazan ve brülör tasarımında alınacak önlemler önemlidir. Özellikle brülör hava damperlerinin duruş sırasında tamamen kapanması, kazan kapaklarının ve bağlantı noktalarının sızdırmaz olması gerekir.

Bu kapsamda;

• Ön duman kapaklarının contalı ve tam sızdırmaz olması,
• Brülör bağlantı flanşlarının sızdırmaz olması,
• Gözetleme deliklerinin kullanım dışında kapalı tutulması,
• Patlama kapaklarının düzgün ve tam olarak kapanması,
• Brülör hava damperlerinin duruş sırasında tamamen kapanıp kapanmadığının kontrol edilmesi

Bu önlemler, iç soğuma kayıplarının azaltılması açısından önem taşır.

6. Baca Gazı Atık Isısının Geri Kazanımı

Kazanlarda yanma sonucu oluşan baca gazları, önemli miktarda ısı enerjisi taşımaktadır. Bu enerjinin yüksek sıcaklıkta doğrudan atmosfere atılması, kazan sisteminde önemli bir ısı kaybına neden olur. Atık ısı geri kazanım sistemleri kullanılarak baca gazındaki bu enerjinin bir kısmı tekrar kullanılabilir.

Baca gazı sıcaklığının düşürülmesiyle elde edilen ısı, sistemin ihtiyacına göre farklı noktalarda değerlendirilebilir. Bu amaçla kazanlarda en yaygın kullanılan sistemlerden biri ekonomizer, diğeri ise reküperatördür.

Ekonomizer

Ekonomizer, baca gazının taşıdığı ısıyı kazan besi suyuna aktararak besi suyunu ön ısıtan bir ısı eşanjörüdür. Böylece kazana daha yüksek sıcaklıkta besi suyu gönderilir ve suyun buharlaştırılması için gereken yakıt enerjisi azalır.

Baca gazı → Ekonomizer → Besi suyu ön ısıtma → Daha düşük yakıt tüketimi

Reküperatör

Reküperatör, baca gazındaki atık ısıyı yanma havasına aktararak yanma havasını ön ısıtan bir ısı eşanjörüdür. Önceden ısıtılmış yanma havası sayesinde yakıtın yanması için gereken enerjinin bir kısmı baca gazından geri kazanılmış olur.

Baca gazı → Reküperatör → Yanma havası ön ısıtma → Yakıt tasarrufu

Baca gazı sıcaklığının düşürülmesi, kazanın baca gazı kaynaklı ısı kayıplarını azaltarak veriminin artırılmasına katkı sağlar. Her 20 °C baca gazı sıcaklık düşümünün kazan veriminde yaklaşık %1 artış sağlayabileceği belirtilmektedir.

Bu nedenle ekonomizer veya reküperatör uygulamalarında amaç yalnızca baca gazı sıcaklığını düşürmek değil, baca gazında bulunan kullanılabilir ısıyı uygun bir noktada geri kazanarak yakıt tüketimini azaltmaktır.

7. Blöf İşlemi ve Blöf Isısının Geri Kazanımı

Buhar kazanlarında blöf, kazan suyunda biriken çözünmüş katı maddelerin, tortu ve diğer istenmeyen bileşenlerin kontrol altında tutulması amacıyla kazan suyunun bir kısmının sistemden uzaklaştırılması işlemidir. Kazan suyunun uygun kimyasal ve fiziksel özelliklerde tutulması; kireçlenme, çamur oluşumu, köpürme ve taşınım (carryover) gibi problemlerin önlenmesi açısından önemlidir.

Kazanlarda blöf işlemi temel olarak dip blöf ve yüzey blöf olmak üzere iki şekilde uygulanır.

Dip Blöf

Dip blöf, kazan içerisinin alt bölümünde biriken çamur, tortu ve çökeltilerin uzaklaştırılması amacıyla yapılır. Kazan suyundaki ağır ve çökelmeye eğilimli maddeler zamanla kazan dibinde birikebildiğinden, bu birikimlerin sistemden uzaklaştırılması için belirli aralıklarla dip blöf uygulanır.

Dip blöfün temel amacı, kazan içerisinde biriken katı maddeleri uzaklaştırarak kazan suyu kalitesinin ve ısı transfer yüzeylerinin korunmasına katkı sağlamaktır.

Yüzey Blöf

Yüzey blöf, kazan suyunda çözünmüş halde bulunan katı maddelerin ve özellikle toplam çözünmüş katı madde (TDS) konsantrasyonunun kontrol edilmesi amacıyla yapılır. Yüzey blöf genellikle kazan suyu seviyesinin bulunduğu bölgede sürekli veya kontrollü olarak gerçekleştirilir.

Kazan suyundaki TDS değerinin aşırı yükselmesi; köpürme, priming ve buharla birlikte su taşınması (carryover) gibi problemlere neden olabilir. Bu nedenle yüzey blöf, kazan suyunun istenen kalite sınırları içerisinde tutulmasında önemli bir işletme parametresidir.

Blöf işlemi gerekli olmakla birlikte, gereğinden fazla blöf yapılması yüksek sıcaklıktaki kazan suyunun sistemden uzaklaştırılması nedeniyle enerji kaybına neden olur. Bu nedenle kazanlarda blöf miktarının, gerekli su kalitesini sağlayacak optimum seviyede tutulması önemlidir.

Blöf ile atılan sıcak sudaki enerji ise blöf ısı geri kazanım sistemleri, flaş buhar geri kazanımı ve ısı eşanjörleri kullanılarak tekrar değerlendirilebilir. Böylece blöf kaynaklı enerji kayıpları azaltılarak kazan sisteminin yakıt ve su tüketiminde tasarruf sağlanabilir.