Korozyon

Korozyon genel itibariyle malzemenin dış ortam akışkanı (H2O, SO3, NOx, HCl, O2 veya CO2’in oluÅŸturduÄŸu asidik akışkanlar) ile reaksiyona girerek aşınması olarak tanımlanabilir. Ekonomizer ve benzeri ekipmanlarda en çok yaÅŸanan problemlerdendir. Genel olarak boru içi ve boru dışı korozyon olarak gruplandırılabilir. Boru içi korozyon ısıtılan akışkan içerisindeki mevcut O2 ve CO2 gibi korozif gazlar nedeniyle gerçekleÅŸir. Bu amaçla besi suyu genelde 105ºC mertebesinde degaze edilerek kazana beslenir. Fakat su sıcaklığının daha düÅŸük olduÄŸu durumlarda mevcut korozif gazlar ekonomizer borularında delinmeye neden olabilmektedirler. Bu çalışmada asıl olarak gaz tarafındaki korozyon incelenecektir. Gaz tarafındaki korozyon yüksek sıcaklık ve düÅŸük sıcaklık korozyonu ÅŸeklinde ayrılabilir.

 

Yüksek Sıcaklık Korozyonu

Özellikle FO gibi ağır yakıtların yakılması sonucu korozif sodyum ve vanadyum tuzları oluÅŸmakta ve bu tuzlar yüksek sıcaklıklarda eriyerek boru yüzeylerine yapışmaktadırlar. Bu durum potansiyel bir korozyon tehlikesi yaratmaktadır. Ayrıca duman gazı tarafında oluÅŸacak 1 mm kalınlıkta bir tabaka kazan verimini %2’ye kadar düÅŸürebilmektedir. Bunun önüne geçebilmek için ısıtma yüzeyleri birikmeyi en aza indirecek ÅŸekilde dizayn edilmeli ve yakıt külü içerisindeki vanadyum miktarının 100 ppm seviyesini aÅŸmamasına dikkat edilmelidir. [10] Ekonomizerler çok yüksek gaz sıcaklıklarına maruz kalmadıkları için bu problem düÅŸük sıcaklık korozyonu kadar karşılaşılan bir problem deÄŸildir.

 

DüÅŸük Sıcaklık Korozyonu

Yanma sonucu oluÅŸan duman gazı çeÅŸitli moleküllerin birleÅŸiminden oluÅŸan bir karışımdır. Bu karışımın sıcaklığı azaldıkça içindeki gaz bileÅŸenleri yoÄŸuÅŸmaya baÅŸlar. Çok düÅŸük sıcaklıklarda yoÄŸuÅŸmaya baÅŸlayan bileÅŸenler olduÄŸu gibi (NOx) çok yüksek sıcaklıklarda yoÄŸuÅŸmaya baÅŸlayanlar da vardır. AÅŸağıdaki tablolarda da görülebileceÄŸi üzere yoÄŸuÅŸma sıcaklığı en yüksek olan bileÅŸen kükürt tri oksittir (SO3). Bu nedenle doÄŸalgaz ve FO yakan kazanlarda sülfürik asit korozyonu en sık karşılaşılan durumdur. 

 

SO3’in neden olduÄŸu sülfürik asit korozyonu, metal sıcaklığının duman gazındaki SO3’in yoÄŸuÅŸma sıcaklığının altına düÅŸmesi durumunda gerçekleÅŸir. Genellikle ekonomizer, hava ısıtıcı, duman kanalları ve baca gibi düÅŸük sıcaklık bölgelerinde görülür.  DüÅŸük sıcaklık korozyonu analizi yapabilmek için öncelikle duman gazı analizine ve mevcut bileÅŸenlerin yoÄŸuÅŸma sıcaklıklarına bakmak gerekir. AÅŸağıdaki tablolarda suyun ve diÄŸer yaygın korozif gazların kısmi basınçlarına baÄŸlı olarak yoÄŸuÅŸma sıcaklıkları görülmektedir.

Korozyon analizi yapılırken dikkat edilmesi gereken noktalar özetle ÅŸöyledir; Her bir gaz bileÅŸeninin kısmi basınçları ve boru metal sıcaklığı göz önüne alınarak hangi gaz bileÅŸeninin yoÄŸuÅŸacağı belirlenmelidir. Bu bileÅŸenin yoÄŸuÅŸması esnasında ne karakterde bir korozif ortamın oluÅŸacağı belirlenerek kullanılacak malzemeler belirlenmeli veya yoÄŸuÅŸması istenmiyorsa gereken önlemler alınmalıdır.

 

Tablolardan da görülebileceÄŸi üzere düÅŸük sıcaklık korozyonu açısından en riskli bileÅŸen kükürt tri oksittir. (SO3). Temel olarak yakıt içindeki kükürt ve yakma havasındaki oksijen reaksiyona girerek kükürt dioksit’i oluÅŸturur. (SO2) 

 

 

 

 

Bu reaksiyondan sonra oluÅŸan SO2’nin çok az bir kısmı, yakıta ve hava fazlalık katsayısına baÄŸlı olarak alev içerisindeki atomik oksijen ile reaksiyona girerek korozyon potansiyeli en fazla olan SO3’i oluÅŸturur. (Åžekil 11)

 

 

 

Bunun yanında yakıt içerisindeki Vanadyum ve Nikel gibi elementler de katalitik etki yaratarak SO3 dönüÅŸüm oranını arttırmaktadırlar. [7]

 

 

 

 

YoÄŸuÅŸma Sıcaklığı Hesabına Bir Örnek

FO yakıtı için baca gazında hacimsel analiz ÅŸöyle kabul edilsin; H2O: %10 SO2: %0,08 ve hava fazlalık katsayısı %10 ise sülfürik asit yoÄŸuÅŸma sıcaklığını belirleyelim. %10 hava fazlalığı ve FO yakıtı için kükürdün yaklaşık %4’ünün SO3 formuna dönüÅŸeceÄŸi görülmektedir. Buna göre son durumdaki SO3 bileÅŸimi 10-2 x 0,08 x 0,04 = 32 x 10-6 = 32 ppmv olarak belirlenir. Bu durumda aÅŸağıdaki tablodan yoÄŸuÅŸmanın 150ºC sıcaklıkta baÅŸlayacağı görülebilir. [5]

 

FO ve kömür için olması gereken minimum dizayn metal sıcaklıkları Åžekil 13’ten alınabilir. Buna göre kaba bir yaklaşımla, 100ºC besi suyu giriÅŸi için kömürün kükürt oranının %2’yi FO’in ise %2,5’i geçmemesi gerekir. EÄŸer geçiyorsa tedbir alınmalıdır. [6]

 

Korozyon Belirtileri ve Önleme Yöntemleri

 

DüÅŸük sıcaklık korozyonuna uÄŸrayan metal yüzeyler zaman içinde aşınırlar. Bazı durumlarda aşınma yüzey boyunca orantılı olabilmektedir. Bu gibi durumlarda ultrasonik yöntemlerle belirli periyotlarda kalınlık ölçümleri yapmak gerekebilir. Bazı durumlarda da Åžekil 14’te görüldüÄŸü gibi pasa benzeyen bir görünüm ve pürüzlü yüzeyler oluÅŸabilmektedir. [7]

 

DüÅŸük sıcaklık korozyonunu önlemek veya azaltmak için baÅŸvurulabilecek yöntemler yanma prosesiyle ilgili ve dizaynla ilgili yöntemler olarak ikiye ayrılabilir.

 

Yakma Prosesi ile Ä°lgili Yöntemler

Sülfürik asit korozyonunu azaltabilmek için yanmayı olabildiÄŸince düÅŸük hava fazlalık katsayısıyla gerçekleÅŸtirmek ve düÅŸük kükürtlü yakıtlar kullanmak gerekir. Ayrıca fazla nemin yoÄŸuÅŸma etkisini azaltabilmek için düÅŸük nemli yakıtlar kullanmak, duman gazı yollarına hava sızıntılarını önlemek ve kurum üfleme prosesini olabildiÄŸince minimize etmek gerekir.

 

Yakıta çeÅŸitli eklentiler eklemek de ayrı bir çözüm sunabilmektedir. Bu eklentiler, özellikle büyük ölçekli FO yakan sistemlerde kullanılmaktadırlar. Bu gibi kimyasal eklentiler yakma sistemine, çevresel faktörlere ve kazan malzeme özelliklerine baÄŸlıdır.  Bu eklentilerle birlikte korozif gazların yoÄŸuÅŸma sıcaklıkları azaldığı için sistem verimi artar, partikül oluÅŸumu azaldığı için kazan yüzeylerinde daha az birikme ve daha az çekiÅŸ kaybı olur, temizleme periyotları azalır. Genelde MgO, AlO, Mn veya karışımları bu eklentilerin en fazla kullanılanlarıdır. [4] Kimyasal eklentilerin sülfürik asitin yoÄŸuÅŸma sıcaklığına olan etkisi Åžekil 15’te görülebilmektedir.

 

Ekipman Dizaynı ile Ä°lgili Yöntemler

Piyasada yaygın olarak bilindiÄŸinin aksine düÅŸük sıcaklık korozyonu duman gazı çıkış sıcaklığından ziyade boru metal sıcaklığına baÄŸlıdır. Gaz sıcaklığı çok yüksek bile olsa eÄŸer boru metal sıcaklığı korozif gazın yoÄŸuÅŸma sıcaklığının altındaysa kısmen de olsa cidarda yoÄŸuÅŸma ve korozyon görülür. Gerekli formülasyonlarla hesaplamalar yapıldığında gaz tarafındaki 200ºC’lik bir sıcaklık artışının boru metal sıcaklığını sadece 4-5ºC artırabildiÄŸi görülebilmektedir. [10] Dolayısıyla gaz çıkış sıcaklığını artırmak yerine boru içindeki su sıcaklığını arttırmak daha akılcı bir yöntemdir. Bu nedenle yakıt veya yanmada yapılabilecek iyileÅŸtirmelerin yanında ekonomizerlerin akış düzenlemelerinde de bir çok yöntem kullanılmaktadır. Sonuç olarak asıl varılmak istenen, en düÅŸük boru metal sıcaklığının korozif gazın yoÄŸuÅŸma sıcaklığından yüksek olmasıdır. Bu yöntemlerin en büyük dezavantajı su tarafının ortalama sıcaklıkları yükseldiÄŸi için genelde ekonomizer ısıtma yüzeylerinin artmasıdır. Bu doÄŸrultuda yapılabilecek birkaç düzenleme aÅŸağıdaki ÅŸekillerde görülebilir.

 

I) Besi suyunu harici bir eÅŸanjör ve ısıtıcı akışkan ile ön ısıtmaya tabi tutmak; örneÄŸin bir eÅŸanjör ve kazandan alınacak olan bir miktar buhar ile besi suyuna ön ısıtma uygulanabilir. Böylece suyun ekonomizere giriÅŸ sıcaklığı yani boru metal sıcaklığı yükseltilerek korozyon potansiyeli azaltılmış olur. Yüksek kükürtlü kömür ve FO yakan büyük kazanlarda uygulanmaktadır. (Åžekil 16)

II) Ekonomizer çıkış suyuyla giriÅŸ suyunu ısıtmak; örneÄŸin 90ºC sıcaklıkta ekonomizere giren besi suyu 140ºC sıcaklıktaki çıkış suyuyla bir eÅŸanjörde ısıtılarak 100 - 110ºC sıcaklıkta ekonomizere verilebilir. (Åžekil 17)

III) Çıkış suyuyla giriÅŸ suyunu karıştırarak giriÅŸ suyu sıcaklığını yükseltmek; yüksek sıcaklıktaki çıkış suyunun bir kısmı sirkülasyon pompası yardımıyla ekonomizerin giriÅŸine verilerek giriÅŸ suyu sıcaklığı yükseltilebilir. Ekonomizer içerisindeki ortalama su sıcaklığı artacağı için gerekli olan ısıl yüzey de bir miktar artar. Dolayısıyla gaz tarafı ve su tarafı direnci artarken, iÅŸletme ve yatırım maliyeti bir miktar  yükselecektir. Bunlara raÄŸmen örneÄŸin güç santrallerinde kondenserden gelen düÅŸük sıcaklıktaki kondensin ön ısıtılması gibi durumlarda yaygın olarak uygulanmaktadır. (Åžekil 18)

IV) Tüm bunlara ilave olarak degazör basıncının arttırılması, besi suyu sıcaklığını arttıracağı için düÅŸük sıcaklık korozyonu riskini azaltan ayrı bir yöntemdir. Özellikle büyük endüstriyel kazanlarda uygulanan bir yöntemdir.

 

Sonuç ve Öneriler

Enerji geri kazanımı günümüzde artık yasalarla zorunlu hale getirilmekte ve kaçınılmaz bir noktadadır. Yasaların yanı sıra enerjiyi verimli kullanmak isteyen iÅŸletmeler için çeÅŸitli teÅŸvik yardımları da söz konusudur. Temel amaç ise sınırlı miktarda olan ve çoÄŸu ihraç edilen fosil yakıtların kullanımını olabildiÄŸince azaltmak, dışa bağımlılığı asgariye indirmek, atmosfere kirletici ve sera etkisi yaratan gazların salınımını düÅŸürmektir. Ülkemizde fosil yakıtların çoÄŸunun ısı ve enerji kazanları tarafından tüketildiÄŸini düÅŸünürsek ekonomizer kullanımının önemi daha da belirgin bir ÅŸekilde ortaya çıkmaktadır. 

 

Basit bir örnek vermek gerekirse; 6 ton/h buhar kullanımı olan bir iÅŸletme, ekonomizersiz olarak aylık 16 saat ve 26 gün çalışma durumu için ortalama 100.000 TL civarında doÄŸalgaz faturası ödemektedir. Ekonomizer kullanımıyla saÄŸlanacak %5’lik tasarruf aylık ortalama 5.000 TL’lik bir kazanç anlamına gelir. Senelik ise 50.000 - 60.000 TL civarında bir tasarruf saÄŸlanmış olur. Böyle bir ekonomizerin yatırım maliyeti göz önüne alındığında kendi kendini 6 ay ile 1 sene arasında amorti edeceÄŸi söylenebilir. Bununla birlikte, yakıt sarfiyatı %5 azalacağı için atmosfere salınan kirleticiler (NOx, SOx) ve sera gazları da (CO2) aynı oranda azalır. ÖrneÄŸin baca gazında kütlesel olarak %13 CO2 olduÄŸunu kabul edersek, 16 saat ve 26 gün çalışma durumuna göre gerekli hesaplamalar yapıldığında ekonomizer kullanımıyla aylık 20 ton civarında daha az CO2 salınımı yapıldığı söylenebilir. Azot oksit ve varsa kükürt oksitler için de aynı mantık yürütülebilir. Ülkemizde yaklaşık 6000 civarında buhar kullanan iÅŸletme bulunduÄŸu göz önüne alınırsa, sadece buhar kazanlarında bile ne kadar parasal  tasarruf ve kirletici emisyon azalımı yapılabileceÄŸi görülebilir.

 

Ekonomizer yatırımı yaparken önemli olan nokta, yakıta ve kullanım sıcaklıklarına göre düzgün bir sistem dizaynı yapmaktır. Bilinçsiz yapılan bir dizaynda problemler oluÅŸabilir, bu da iÅŸletmede duruÅŸlara neden olur. Bu durum da tasarruf edelim derken iÅŸletmenin zarar etmesine yol açar. Yukarıda belirtilen noktalara dikkat edilerek gerçekleÅŸtirilecek olan bir dizaynda, özellikle korozyona dayalı problemler asgariye indirilebilir. Tesiste ekonomizerden kaynaklı duruÅŸların minimize edilmesi yanında, sonuç olarak tasarruf ile rekabet gücü ve düÅŸük emisyon ile de çevreye saygı pekiÅŸtirilmiÅŸ olur.

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

9. 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

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