Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi,

Çevre Mühendisliği Bölümü, Buca/İZMİR

ÇEV 4021 Endüstriyel kaynaklı hava kirliliği

Endüstriyel Kaynaklı Hava Kirliliği

Prof.Dr. Abdurrahman BAYRAM Telefon: 0232 3017494

Faks: 0232 3017498

E-Mail: abayram@deu.edu.tr

Hava kirletici:

Havanın doğal bileşimini değiştiren her türlü madde

Emisyon:

Kirletici kaynaklardan (evler, sanayi, araçlar) çevreye

verilen gaz veya toz haldeki kirleticiler

Hava kalitesi:

Hava kirliliğinin derecesi

Emisyon faktörü

Kirletici kaynaklarda birim ürün, hammadde veya yakıt

başına oluşan kirletici miktarı

Terimler

Birimler

Parametre Emisyon Hava kalitesi

Kütlesel kons. mg/m3;mg/Nm3 mg/m3; µg/m3

Hacim kons. cm3/m3; ppmv ppb; ppt

Kütlesel debi kg/saat; g/s -

Birikim - mg/m2/gün

Emisyon faktörü kg/t; kg/GJ; g/km -

Etki dozu µg/kg

Birimler

- ppm (milyonda bir kısım) cm3/m3

- mg/m3 = ppm x yoğunluk

- yoğunluk= molarkütle/molarhacim

- mg/m3 = ppm (molarkütle/(R x T / P ))

- T, sıcaklık (°K)

- P, basınç (atm)

- R, 0,08207 (lt x atm/°K x gmol)

0°C ve 1 atm koşullarında

1 ppm SO2 = 2,86 mg/Nm3

(= 1 x 64 /(0,08207 x 273 / 1)

1 ppm NOx = 2,053 mg/Nm3 (NO2 olarak)

(= 1 x 46 /(0,08207 x 273 / 1)

1 ppm CO = 1,25 mg/Nm3

(= 1 x 28 /(0,08207 x 273 / 1)

7 / 18

Hava kirletici kaynaklar

DOĞAL KAYNAKLAR Orman yangınları Volkanlar Çöller Denizler, okyanuslar

İNSAN KAYNAKLILAR

Noktasal

- Sanayi tesisleri

Alansal

- Evsel ısınma

- Yerleşim alanları

- Sanayi bölgeleri

- Büyük maden işletmeleri

(açık ocak)

Çizgisel

- Trafik, araçlar

YANMA

8 / 18

Yanma

Yanma, yakıtın içindeki yanabilir elementlerin oksijenle hızla reaksiyona girerek ısı açığa çıkarmasıdır. Bu yanabilir maddeler, başta karbon (C) ve hidrojen (H) olmak üzere, kükürt (S), azotun (N) karışımıdır.

C + O2 CO2 + ısı 97000 kcal/kmol

C + ½ O2 CO + ısı 28500 kcal/kmol

2 H2 + O2 2 H2O + ısı 68000 kcal/kmol

2 CO + O2 2 CO2 + ısı 68000 kcal/kmol

S + O2 SO2 + ısı 97000 kcal/kmol

9 / 18

Yakma işlemi

Yakıtın tutuşma sıcaklığına kadar ısıtılması

Yakıt hava karışımı

Kimyasal reaksiyonlar ve ısının açığa çıkması

Oluşan ısının transfer edilmesi

Bazı yakıtlar için tutuşma sıcaklıkları

Linyit 250-400 °C

Taş kömürü 400-500 °C

Fuel oil 210 °C

Odun 300-350 ° C

10 / 18

Tam yanma

Yanma reaksiyonları sonucu oluşan gazlarda hiçbir

yanıcı madde bulunmuyorsa yanma tamdır. Tam

yanmada, yakıt bileşimindeki karbon, hidrojen ve

hidrokarbonlar CO2 ve H2O’na dönüşür.

Baca gazlarında CO bulunması, yanmanın tam

olmadığını gösterir.

Basit bir hidrokarbon yakıtın tam oksidasyonu:

CnHm + (n + m/4) O2 n CO2 + m/2 H2O

11 / 18

Gerçek yanma

Yakıt içerisinde safsızlıklar da bulunduğundan bunlar da yanmaya katılır ve yanma sonunda başka bileşiklere dönüşüp (oksidasyon) yanma ürünleri olarak baca gazı ile birlikte atmosfere atılırlar.

Yakıt saf oksijen yerine hava içindeki oksijenle yandığından havadaki azot yanmaya katılır ve NOx oluşturur.

Yanma her zaman tam yanma olmaz ve baca gazında yanabilir bileşikler (CO, CxHy) bulunur.

Metanın yanması:

CH4 CH3OH HCHO HCOOH CO CO2, H2O metan metanol formaldehit formikasit

12 / 18

Eksik yanma

CnHm + (2n + m)/4 O2 n CO + m/2 H2O

CnHm + y O2 2y CO + (m/2) H2 + (n-2y) C’s

CnHm + ? O2 CO2 + CO + H2O + H2 + HC

13 / 18

Yanma kaynaklı kirleticiler

Yakma tesisi: • Soba, kalorifer

• Sanayi kazanı

• Termik santral

Bacadan çıkan kirleticiler (standartları sağlamalı)

Tam Yanma

* CO2

* H2O

Eksik yanma

* CO

* İs, kurum

* Hidrokarbonlar

Tam yanma

yan ürünü:

•NOx

Yakıt safsızlığı

* SO2 , SO3 , H2S

* NOx

* Uçucu kül

Emisyon

Kontrolu

Yanma Kontrolu

* Tesis tasarımı

* Yakıta uygun tesis seçimi

* İşletme kontrolu

* Yakıt seçimi

* Baca gazı arıtımı

YANMA İŞLEMİ

Yakıt: •Odun, kömür

•Motorin, fuel-oil

• LPG, doğal gaz

14 / 18

3T kuralı

İyi bir yanmanın olabilmesi için 3 temel

faktör:

Sıcaklık (Temperature)

Karışım (Turbulance)

Zaman (Time)

15 / 18

Yanma havası

Yanma havası bileşimi % hacim Mol ağırlığı

Azot 78,09 28,016

Oksijen 20,95 32,000

Argon 0,93 39,944

CO2 0,03 44,010

Oksijen, ağırlıkça %23,14

Pratik olarak havanın bileşimini;

%20,9 oksijen ve %79,1 azot alırsak her 1 mol

oksijen 79,1/20,9 = 3,78 mol N2 taşır.

16 / 18

Yanma havası

CnHm + (n + m/4) O2 n CO2 + m/2 H2O

CnHm+(n + m/4)(O2 + 3,78 N2) n CO2 + m/2 H2O + 3,78(n+m/4) N2

Yanan her mol yakıt 4,78 (n+m/4) mol hava gerektirir ve

4,78 (n+m/4) + m/4 mol yanma ürünü oluşturur.

Stokiyometrik koşullarda molar yakıt/hava oranı: 1/ 4,78 (n+m/4)

Baca gazı bileşimi molar olarak verildiğinde;

Y,CO2 = n / 4,78 (n+m/4) + m/4

Y,H2O = (m/2) / 4,78 (n+m/4) + m/4

Y,N2 = 3,78(n+m/4) / 4,78 (n+m/4) + m/4

17 / 18

Hava fazlalığı

Pratikte yakıt ile havanın temasının daha iyi sağlanabilmesi için sisteme gerekli havadan biraz daha fazlası verilir.

Fazladan verilen havayı da içeren toplam havanın, gerekli hava miktarına oranına “hava fazlalık katsayısı” denir. ()

= Verilen hava miktarı / Stokiyometrik hava ihtiyacı

= CO2,max / CO2

= 21 / (21 - O2)

18 / 18

Hava fazlalığı ve karışım

Hava fazlalığı, yanma verimini etkileyen en önemli faktördür.

Hava eksikliği eksik yanmaya neden olur.

İyi bir karışım sağlanabiliyorsa küçüktür, sağlanamazsa büyür.

Karışımın daha iyi olduğu gaz ve sıvı yakıtlarda küçük, katı

yakıtlarda büyüktür.

Yakıt cinsi CO2 CO2+O2

Gaz yakıtlarda 1,1 – 1,2

Fuel oil 1,05 – 1,15 15,0 – 15,4 16,5 – 16,9

Toz linyit 1,18 – 1,25 16,0 – 17,0 20,1 – 20,4

Toz taşkömürü 1,25 – 1,50 12,5 – 15,5 19,0 – 19,4

Taşkömürü (mekanik yükleme) 1,38 – 1,69 12,5 – 15,5 19,3 – 19,6

Linyit (mekanik yükleme) 1,24 – 1,33 14,0 – 15,0 20,3 – 20,4

19 / 18

Yanmayı etkileyen diğer faktörler:

Yetersiz hava-yakıt karışımı (yerel hava eksikliği)

Yetersiz pulverizasyon (katı ve sıvı yakıtlar için)

Yanma odası duvarlarında yanma gazlarının ani soğuması (soğuk duvar etkisi)

Yüksek sıcaklıkta düşük kalma süresi

20 / 18

Hava fazlalığının yanma verimine etkisi

21 / 18

Kömürlü bir termik santral verileri

Parametre Tasarım Kömürü Kömürün Niteliği İthal Taş Kömürü

Kömürün Kaynağı Tüm Dünyadan

Kalorifik Değer (kcal/kg) 6.090

Nominal Yakıt Tüketimi (t/saat) 243

Yıllık Ortalama Yakıt Tüketimi (ton/yıl) 1.845.920

Kömür Depolama Kapasitesi (gün= 60

Uçucu Madde (%) 32,00

Su (%) 11,00

Kül (%) 10,00

Karbon (C) (%) 65,00

Hidrojen (H) (%) 4,00

Oksijen (O) (%) 8,00

Azot (%) 1,30

Kükürt (S) (%) 0,68

Klor (CI) (%) 0,02

Flor (F) (%) < 0,03 Kül İçeriği

SiO2 (%) 53,0

Al2O3 (%) 26,0

Fe2O3 (%) 8,0

CaO (%) 4,0

MgO (%) 1,7

Na2O (%) 1,0

K2O (%) 1,3

TiO2 (%) 1,5

P2O5 (%) 0,5

SO3 (%) 2,5

22 / 18

Kömürlü bir termik santral verileri

Birim Değer

Baca gazı debisi (ıslak, mevcut O2) Nm3/saat 2.046.706

Baca gazı debisi (kuru, ref. O2) Nm3/saat 2.185.000

Arıtılmamış SO2 mg/Nm3 1.521

Arıtılmış SO2 mg/Nm3 150

Ünite başına düşen BGD absorblayıcı sayısı 1

Arıtma derecesi % 90,1

Arıtılmış SO2 miktarı kg/saat 2.996

Absorban giriş sıcaklığı Cº 130

Absorban çıkış sıcaklığı Cº 50

Absorban sıvı/gaz oranı I/Nm3 10,0

Kireçtaşı tüketimi kg/saat 4.437

Proses suyu ihtiyacı ton/saat 95

Oksidasyon hava üfleyici kapasitesi Nm3/saat 7.000

Enerji ihtiyacı

Kireçtaşı öğütümü kW 300

Absorban dönüşüm pompası kW 2.342

Oksidasyon hava üfleyicileri kW 250

ID fanları kW 2.316

Diğerleri kW 300

Rezerv kW 275

BGD toplam enerji ihtiyacı MW 5,8

Alçıtaşı üretimi (kuru) kg/saat 7.148

Alçıtaşı üretimi (%10 nemli) kg/saat 7.943

BGD atıksuyu m3/saat 4

23 / 18

Ham petrolde kükürt

24 / 18

SO2 kontrolu

1. Yanma sırasında kontrol (yakıta ve yanma bölgesine katkı ilavesi)

2. Baca gazı arıtımı

Kullanılan yakıt ve yakma teknolojisine bağlı olarak; yakıta, yanma

bölgesine veya baca gazına CaCO3 , Ca(OH)2, CaO ilavesi ile yüksek

verimde SO2 gidermek mümkündür.

CaCO3 CaO + CO2

Ca(OH)2 CaO + H2O

CaO + SO2 CaSO3

CaSO3 + ½ O2 CaSO4

25 / 18

Ca/S mol oranları ile SO2 giderme ilişkisi

26 / 18

NOx (NO, NO2, N2O) oluşumu

Azotoksitler (NOx), yüksek sıcaklıktaki yanma işlemlerinde,

- yanma havasındaki azotun oksidasyonu

- yakıttaki azotun oksidasyonu ile oluşur.

Normal yanma koşullarında %95 NO, %5 NO2 oluşur. Düşük sıcaklıklarda az oranda N2O oluşur

Öncelikle NO oluşur. Baca gazında yeterli oksijen varsa daha zehirli olan NO2 oluşur. Atmosferde bu dönüşüm artar.

Yanma sırasında NO oluşumunda 3 mekanizma vardır.

- Termal NO (yavaş)

- Yakıt NO (yavaş)

- Ani (prompt) NO (hızlı)

Normal yanma koşullarında yakıt ve termal NO baskındır.

27 / 18

Yanma sıcaklığı ile NOx türlerinin ilişkisi

28 / 18

Termal NO oluşumu (Zel’dovich Mekanizması)

1300 °C ‘ın üzerinde ve artan sıcaklıklarda atomik oksijen (O)

konsantrasyonu O2 ayrışması ile artar.

O2 2O

Alev bölgesinde, O2’nin yüksek olduğu bölgelerde:

O + N2 NO + N

N + O2 NO + O

1300 °C ‘ın üzerinde ve yakıtça zengin bölgelerde:

N + OH NO + H

1600 °C ‘ın üzerinde, termal NO oluşumu çok önemli rol oynar.

29 / 18

Termal NO oluşumunu etkileyen faktörler

* Reaksiyon bölgesindeki hava/yakıt oranı atomik oksijen konsantrasyonunu

etkilediği için NO artar. NO emisyonları, azalan hava/yakıt oranı ile azalır.

* Reaksiyon bölgesindeki sıcaklık:

Oksijen ayrışması yüksek sıcaklıkta

artacağı için NO artar.

O2 2O

O + N2 NO + N

* Max. Sıcaklıkta gazın bekleme

süresi veya reaksiyon sonrasındaki

soğuk reaksiyon ürünleri ile karışım

hızı:

Kısa bekleme süresi, daha az

NO.

30 / 18

Yakıt NO

Fosil yakıtların bileşimindeki azot, organik azot şeklindedir (Pyrole,

Pyridine, Quinoline). Piroliz, gazlaşma ve yanma sırasında bunların

oranları değişir.

Kömürde %0,8-1,5

Fuel-oilde %0,1-0,6

Piroliz sırasında yaklaşık %60’ı uçucu maddeler yoluyla açığa

çıkar. Kalan kısım, heterojen reaksiyonlarla oksitlenir.

Organik azot oksidasyonu, sıcaklığa daha az bağımlıdır.

31 / 18

Alevin yakıtça zengin kısmında hem yakıta bağlı hem de

termal NO oluşabilir. Bu sırada yakıttaki organik azottan oluşan

NO, yakıt partikülleri (is) üstünde moleküler N2’ye ayrışabilirler.

NH3 ½ N2 + 3/2 H

NO + CO ½ N2 + CO2

HCN + 2 NO 3/2 N2 + CO2 + ½ H2

Yakıta bağlı NO, prensip olarak;

- kömürde ençok,

- petrolde daha az

- gaz yakıtlarda en az oluşur.

32 / 18

NOx kontrolu

Yanma sırasında NOx emisyonlarının azaltılması:

* Yanma koşullarının kontrolu: Sıcaklık ve hava fazlalığı

* Yakıcı veya yanma bölgesine baca gazlarının sirkülasyonu

* Alevde veya yanma bölgesinde kademeli yakma

* Kademeli yakıt besleme