Sentez gazlarının oksi-yakıt yanması: Deneysel karakterizasyon ve sayısal modelleme
Oxy-fuel combustion of syngases: Experimental characterization and numerical modelling
Yazar: ABDULKADİR BEKTAŞ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA İLBAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Enerji açısından dışa bağımlı olan ülkemiz için daha ucuz enerji kaynağı durumunda bulunan ve yaklaşık 200 yıllık rezervi olduğu varsayılan kömür, en önemli enerji kaynağıdır. Ancak, kömürün doğrudan kullanımı, içerdiği bağıl-azot, kükürt ve kül gibi kirleticilerden dolayı, hava kirliliği ve sağlık üzerinde etkili olan sera gazı emisyonları gibi bazı olumsuzlukları da beraberinde getirebilmektedir. Bu nedenle, kömür gazlaştırılarak, daha temiz ve kalorisi yüksek sentez yakıtlar elde edilmektedir. Bu tez kapsamında kömürlerin gazlaştırılması ya da koklaştırma yan ürünü olarak elde edilen, yanabilir ve yanamayan farklı bileşenlerden oluşan düşük kalorili sentez gazları (Yüksek fırın gazı ve Jeneratör gazı) saf oksijenle yakılarak, yanma ve emisyon karakteristikleri deneysel ve sayısal olarak araştırılmıştır. Ayrıca, yerli kaynak olan kömürün gaz yakıt olarak kullanımının farklı endüstriler için yaygınlaştırılması ve böylelikle yanmanın saf oksijen kullanılarak gerçekleştirildiği metal ve cam endüstrisi, kesme, kaynak vb. işlemlerde de bu gazların entegrasyonunun sağlanması amaçlanmıştır. Bu amaçla, çalışmanın ilk kısmında düşük kalorili kömür gazlar (sentez gazlar), düşük kalorili kömür gazı yakıcısında saf oksijenle yakılmış, yanma performansları ve emisyon ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, oksi-yanmada yüksek sıcaklıktaki (2000 K civarı) alevin yanma odası girişinde mevcut yakıcı içine doğru toplandığını ve yakıcı duvarının aşırı ısındığını göstermiştir. İstenilmeyen bu durum mevcut yakıcının oksitleyici kesitinin, saf oksijen geçişine daha uygun olmasını sağlamaya dönük iyileştirme yapılmasını gerektirmiştir. Bunun için hava/oksijen debileri arasındaki 4/1'lik oran göz önünde bulundurularak mevcut yakıcının oksitleyici kesiti yaklaşık dört kat azaltılmış ve oksi-yakıcı elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında bu iyileştirmenin düşük kalorili sentez gazlarının yanma özellikleri üzerine etkisi hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı ile sayısal olarak araştırılmıştır. Hesaplanan sıcaklık verileri ile deneysel ölçüm sonuçları karşılaştırılmış ve sayısal tahmin ile deneysel ölçüm sonuçları arasında yeterli düzeyde tutarlılık olduğu tespit edilmiştir. Yapılan çalışmalarla ülkemizde düşük kalorili kömürlerin etken bir şekilde kullanılabilirliği gösterilmiştir.

Abstract:
Coal is the most important energy source for our country, which is dependent on foreign energy sources. Moreover, it has reserve of about 200 years. Nevertheless, direct utilization of coals brings about some challenges such as air pollution and higher emissions of greenhouse gas which impact upon on health. For this reason, coal is gasified, and cleaner, higher calorific synthetic fuels are obtained. In this thesis, coal gases (blast furnace gas and generator gas) which are obtained by gasification or by product of coking of coal have burned with pure oxygen, combustion and emission characteristics were investigated experimentally and numerically. Furthermore, it is also aimed to ensure dissemination of usage of local coal, as gaseous fuel, for different industries and the integration of these gases with metal and glass industry, cutting, welding and so on processes. For this purpose, low calorific coal gases have been properly oxy-combusted experimentally by burner and combustion performances and emission values have been measured in the first part of the work. The experimental results for existing burner have shown that the burner wall was overheated due to the very high flame temperature (about 2000 K) in the flame holder zone. This undesirable situation has required the improvement of the oxidizer inlet section of the existing burner for pure oxygen flow. Hence, the oxidizer inlet section of the burner has been reduced approximately four times as volumetric flow rate of oxygen is lower about 4 times than the air. The oxy-combustion burner has been obtained by this modification. In the second part of study, the effect of this improvement on the combustion characteristics of coal gases was investigated numerically by a computational fluid dynamics software. The predicted temperature profiles have been compared with the experimental data and it has been demonstrated that there is consistency between the predicted and the measured results adequately. Studies have shown that low calorific coal can be used effectively in our country.