Giriş

Ekonomizer tanım olarak; her hangi bir ısı kazanının duman gazı sıcaklığını düşürerek düşük sıcaklıktaki bu ısıyı geri kazanan ve yakıttan ekstra tasarruf sağlayan ısı değiştiricisi anlamına gelmektedir. Sıcak su kazanı ve kızgın yağ kazanı gibi bir çok diğer kazan tipinde de kullanılmakla birlikte, asıl yaygın olduğu alan buhar kazanlarıdır. Günümüzde özellikle büyük kapasiteli buhar kazanlarının vazgeçilmez ünitelerindendir. Hava fazlalık katsayısı ve yakıt türüne göre değişmekle birlikte, duman gazı sıcaklığındaki yaklaşık 21oC düşüş toplam kazan veriminde ortalama %1 artış anlamına gelmektedir. [1,2] Bu değer aynı zamanda yakıt sarfiyatındaki azalmayı gösterir. Hava fazlalık katsayısının yüksek olduğu kojenerasyon uygulamalarında (özellikle gaz türbini uygulamaları) oluşan duman gazı debisi daha fazla olduğu için %1’lik verim artışı için gereken sıcaklık düşümü değeri daha azdır.  Kazan uygulamaları için normal hava fazlalık katsayılarına ve yakıt türlerine göre yaklaşık tasarruf miktarları Şekil 1’de görülebilir.

 

Şekil 1’de görülen değerler duman gazının bünyesindeki su buharının yoğuşmaması durumunda elde edilebilecek değerlerdir. Fakat özellikle doğalgaz uygulamalarında duman gazı içerisinde %10 civarında su buharı bulunur. Eğer gerekli önlemler alınıp duman gazı örneğin 40-50oC’e kadar soğutulabilirse bünyesindeki su buharı kısmen de olsa yoğuşur ve toplam kazan verimi alt ısıl değere göre %100’ün üzerine rahatlıkla çıkartılabilir. Yoğuşma sıcaklığı duman gazındaki su buharı miktarına bağlıdır ve su buharı miktarı arttıkça yoğuşma sıcaklığı da artar. Örneğin su buharı oranının fazla olduğu bir doğal gaz kazanının duman gazında yoğuşma sıcaklığı 56oC civarında iken, su buharı oranının düşük olduğu bir gaz türbini egzozunda yoğuşma sıcaklığı 40oC civarındadır. Yoğuşma sıcaklığı belirlenirken su buharının molar yüzdesi hesaplanır, buradan su buharının toplam gaz basıncı içindeki kısmi basıncı bulunur ve bu kısmi basınca denk gelen doyma sıcaklığı yoğuşma sıcaklığı olarak belirlenir. Yoğuşmalı ekonomizerlerde bir diğer önemli konu da gaz tarafındaki basınç düşümüdür. Gerekirse cebri çekişli bir fan ile duman gazını tahliye etmek çoğu uygulamalarda karşılaşılan bir durumdur. Bir yoğuşmalı ekonomizer uygulaması Şekil 2’de görülebilir.

 

Buhar kazanının evaporatör kısmı sabit sıcaklıkta bir ısı değiştirici olduğu için duman gazı sıcaklığını doymuş buhar sıcaklığının altına düşürmek termodinamiksel olarak imkansızdır. Gaz çıkış sıcaklığı evaporatör doyma sıcaklığına ne kadar fazla yaklaşırsa evaporatör ısıl yüzeyi de aynı doğrultuda logaritmik olarak artar. Ayrıca ekonomizerdeki su tarafı sıcaklık ortalaması daha düşük olduğu için aynı ısıyı kazanabilmek için evaporatöre göre daha az ısıl yüzey gerekir. 

 

Duman gazı sıcaklığının evaporatör işletme sıcaklığına yaklaşma derecesi literatürde Pinch Temperature olarak tanımlanmıştır. Dizayna ve işletme şartlarına bağlı olmakla birlikte, brülörlü kazanlarda bu değer 20 ila 50oC arasında olabilirken, atık ısı kazanlarında 10 ila 25oC arasında değişir. Düşük Pinch Temperature yüksek verim sağlarken aynı zamanda da yüksek yatırım maliyeti ve yüksek duman gazı direnci anlamına gelir. Bu nedenle özellikle atık ısı kazanlarında tüm bu parametrelerle birlikte optimizasyon çalışmaları yapılarak sistem dizayn edilir.

 

Endüstriyel kazanlarda benzer olarak kullanılan bir başka ısı geri kazanım cihazı da hava ısıtıcıdır. Piyasada reküperatör olarak da adlandırılabilen bu cihazlar, aşağıda da belirtilecek olan nedenlerden dolayı endüstriyel uygulamalar için ekonomizerler kadar cazip değillerdir.

 

Hava Isıtıcılar ile Ekonomizerlerin Karşılaştırılması

Hava ısıtıcılar ekonomizerler kadar yaygın olmamakla birlikte özellikte pülverize kömür yakan güç kazanlarında yanmayı iyileştirmek için tercih edilirler. Bunun dışında endüstriyel uygulamalarda özellikle kızgın yağ kazanlarının yakma havasını ısıtmak için de kullanımları yaygındır. Ekonomizerlere göre dezavantajları şöyle özetlenebilir;

 

Gazdan havaya olan ısı transfer katsayısı gazdan suya olan ısı transfer katsayısından çok daha düşük olduğu için genellikle daha büyük ısıl yüzey gerektirirler. Bu nedenle ilk yatırım maliyetleri daha fazladır ve daha büyük yerleşim hacmine ihtiyaç duyarlar.

Isıl yüzeyleri fazla olduğu için gaz tarafı ve özellikle hava tarafında yüksek basınç kayıplarına neden olurlar. Ayrıca havanın oksijen yoğunluğu azaldığı için daha yüksek hacimsel debi gereksinimi doğar. Bunlar da brülör motor gücünün büyümesine neden olarak ilk yatırım ve işletme maliyetlerini arttırmaktadır. 

Zayıf ısı transferinden dolayı yüksek duman gazı ve hava sıcaklıklarında özel boru malzemeleri gerekebilir. Bu da yatırım maliyetini arttırır. 

Yakma havası sıcaklığındaki ortalama her 100oC artış alev sıcaklığında yaklaşık 50oC artışa neden olmaktadır. Bu durum NOx oluşumu arttırır. NOx türevleri ise nitrik asit yağmurları, istenmeyen ozon oluşumu ve partikül oluşumu gibi etkilerle insan sağlığını ciddi ölçüde tehdit etmektedir. 

Hava ısıtıcılarda hava ve gaz tarafı ısı transfer katsayıları biri birilerine yakın olduğu için ekonomizerlerdeki gibi kanatlı yüzeyler kullanarak kompaktlık sağlamak pek mümkün değildir.

 

Ekonomizerlerin Tipleri veGenel Yapıları

Ekonomizerler duman borulu ve su borulu tiplerde üretilmekte olup, su borulu konstrüksiyonlar daha yaygın kullanılmaktadır. Duman borulu ekonomizerlerde, duman gazı boru içinden akarken su ise boru dışında çok daha düşük bir hızla dolaşır. Bu nedenle ısı transfer katsayıları düşüktür. Dolayısıyla aynı kapasite için daha yüksek ısı transfer yüzeyi gerekir. Kapladıkları hacim fazladır, buna bağlı olarak yatırım maliyetleri de yüksektir. Su hacimleri çok fazla olduğu için özellikle çok fazla duruşa geçen sistemlerde ısı kaybına neden olurlar. 

Soğuk kalkıştan rejime girene kadar belirli bir süre geçer, bu süre su borulu konstrüksiyonlara göre çok daha fazla olduğu için boru cidarlarındaki yoğuşma süresi de daha fazladır. Buna bağlı olarak da boru delinmeleri daha erken oluşur. Buna rağmen günümüzde özellikle kömür ve benzeri kurum potansiyeli yüksek yakıtlarda kısmen tercih edilmektedirler. Bu çalışmada üstünlükleri nedeniyle su borulu ekonomizerler incelenecektir.

 

Su borulu ekonomizerlerde ısınan su boru içinden ısıtan gaz ise boru dışından akar. Boru içerisindeki su hızı geçiş sayısı arttırılarak yüksek tutulabilir, böylece iyi bir ısı transfer katsayısı elde edilebilir. 

 

Sonuç olarak oldukça kompakt ve düşük maliyetli bir dizayn yapılmış olur. Gaz tarafında da geçiş sayısı arttırılarak istenen ısı transfer yüzeyi elde edilebilir. Şekil 4’te gaz tarafı tek geçişli bir su borulu ekonomizer görülmektedir.

 

Isıtma yüzeyleri için kullanılacak olan borular 1” ile 2” arasındaki çaplarda, dikişli veya dikişsiz olarak seçilebilir. Önemli olan uygulama şartlarına göre doğru malzemenin kullanılmasıdır. Boru dizilimi kare veya saptırmalı olabilir. 

Saptırmalı diziliş daha iyi ısı transfer katsayısı verirken gaz tarafı basınç düşümü daha fazladır. Buna rağmen doğalgaz gibi temiz yakıtlarda genellikle tercih edilen yöntemdir. Partikül yükü fazla olan uygulamalarda ise temizleme kolaylığından dolayı daha çok kare diziliş tercih edilir.        

Su tarafındaki hız kabul edilebilir basınç kaybına bağlı olmakla birlikte, 1 - 2,5 m/s arasında seçilebilir. [10] Gaz tarafındaki hızlar ise yine basınç düşümü ve daha da önemlisi duman gazının korozif yapısına bağlıdır, 10 – 20 m/s arasında değişebilir. [2] Dizayn gerçekleştirilirken, basınç düşümü ve ısı transferi optimizasyonunun yanı sıra ısıl genleşmeler, titreşimler ve müdahale edilebilirlik gibi etmenler de göz önünde bulundurulmalıdır. 

 

Su ve gaz akışlarının ters istikamette olması, ısı transferinin etkinliği açısından en uygun düzenlemedir. Ayrıca su akışının aşağıdan yukarıya doğru düzenlenmesi olası buhar ceplerinin yaratacağı ölü noktaları azaltmaya yardımcı olur. 

 

Ekonomizer ısıl yüzeyleri düz borulardan veya kanatlı borulardan oluşabilir. Toplam ısı transfer katsayısını esas olarak belirleyen gaz tarafıdır. Gaz tarafındaki bu yüksek ısıl direnci azaltabilmek için kanatlar yani genişletilmiş ısıl yüzey elemanları kullanılır. Kanatlı borular özellikle temiz yakıtlarda büyük avantaj sağlar. 

 

Aynı boru metrajı için ısıl yüzey on katına kadar arttırılabilir. [2] Maliyet ise orantılı olarak artmaz, çünkü kanat malzemesi ve işçiliği genellikle borununkinden daha düşüktür. Kanatlar çeşitli yapılarda üretilmekte olup en yaygın kullanılan tipleri dikdörtgen kesitli helisel ve segmentli kanatlardır. 

 

Segmentli kanatlar yüksek türbülans oluşturmaları nedeniyle daha iyi ısı transferi sağlarken aynı zamanda basınç düşümleri de daha fazladır. Kanat hatveleri doğal gaz için 3 mm’ye kadar inebilirken FO ve benzeri yakıtlar için 12-13 mm’ye kadar çıkartılabilir. [6] Maliyeti ciddi oranda arttırmakla birlikte, doğrusu kanatların boruya temas yüzeyi boyunca kaynaklanmasıdır. Böylece etkin bir ısı transferi ile birlikte uzun kullanım ömrü sağlanmış olur.

 

Ekonomizer boruları su ile etkin bir ısı geçişi sağladıklarından genellikle iyi soğumaktadırlar. Boru cidar sıcaklığı genellikle içerdeki su sıcaklığından 5-10oC fazladır. Bu nedenle korozyon ihtimali görülmedikçe mukavemet açısından da uygunsa çoğu uygulamalar için örneğin St 35.8 kazan borusu kullanılabilir. 

 

Çok yüksek basınçlarda veya korozyon ihtimali görülen durumlarda özel alaşımlı malzemeler seçilebilir. Kanat malzemeleri ise kanat ucu metal sıcaklığının hesaplanmasıyla belirlenir. Burada mukavemet önemli değildir, sadece malzemenin üst kullanım sıcaklığı, gerekiyorsa korozyon direnci ve soğuk işlenebilirliği söz konusudur. 

 

Normalde 350oC malzeme sıcaklığına kadar St 37 saç kanat malzemesi kullanılabilir. Daha yüksek sıcaklıklar için ise AISI 409 gibi soğuk şekillendirme kabiliyetleri de iyi olan ferritik paslanmazlar tercih edilebilir. Yoğuşmanın söz konusu olduğu durumlarda ise kaynak kabiliyeti iyi olan AISI 304L, AISI 316L veya yüksek asidik direnci olan AISI 316Ti gibi östenitik paslanmazlar hem boru hem de kanat için tercih edilebilir.

  

Kaynakça

1. Mobley, R. K., Plant Engineer’s Handbook, 1991, USA

2. Stultz, S. C., Kito J. B., STEAM, Its Generation and Use, 40th. Edition, 1992, Ohio

3. Huijbregts, W. M. M., Leferink, R., 2004, Latest Advances in The Understanding of Acid Dewpoint Corrosion: Corrosion and Stress Corrosion Cracking in Combustion Gas Condensates, Anti-Corrosion Methods and Materials, Sayı 51, p. 173-188

4. Bennett R. P., Chemical Reduction of Sulphur Trioxide and Particulates From Heavy Oils, Apollo Chemical Corporation, p.35-42, Newjersey

5. Ganapathy, V., Cold End Corrosion: Causes and Cures, Hydrocarbon Prossesing-January 89, p.57-59

6. H. D. of the Army, Central Boiler Plants, 1989, USA

7. Port, R.D., Herro H. M., 1991, The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis, Mc Graw Hill, New York

8. Barreras, F., Barroso, J., 2004, Behavior of a High-capacity Steam Boiler Using Heavy Fuel Oil Part II: Cold-end Corrosion, Fuel Processing Technology, Sayı 86, p. 107-121

Kutty, P. C. M., Dalvi, A., 1995, Evaluation of Chemical Fuel Additives to Control Corrosion and Emmisions in Dual Purpose Desal/Power Plants IDA conference, Abu Dhabi

Ganapathy, V., Industrial Boilers and Heat Recovery Steam Boilers, 2003, Basel

 

Bu makalenin 2. bölümü Tesisat Dergisi 197. sayıda yayımlanacaktır.