Düşük kaliteli linyitlerin yakılabilmesi için dolaşımlı akışkan yataklı kazan (DAYK/CFBB) sisteminde toz ve su dolaşım sisteminin tasarımı ve yanma karakteristiklerinin incelenmesi
Designing particle and water natural circulation system for combustion low quality lignites in the circulating fluidised bed boiler (CFBB) and investigation of the combustion characteristics
Yazar: BARIŞ GÜREL
Danışman: PROF. DR. OSMAN İPEK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dolaşımlı akışkan yatak = Circulating fluidized bed ; Kömür yanması = Coal combustion ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; İki fazlı akış = Two phase flow

Özet:
Bu tez çalışmasında DAYK (Dolaşımlı Akışkan Yataklı Kazan) sistem tasarımı, analizi ve yanma karakteristiklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaca yönelik olarak öncelikle çalışır durumdaki 330 MWth gücündeki Çan TS (Termik Santrali)'nin proses koşulları dikkate alınarak CPFD (Hesaplamalı Partikül Akışkanlar Dinamiği) metoduyla ön analizler yapılmıştır. Yapılan analiz sonuçlarına göre, kazan tabanındaki sıcaklık, kazan çıkışındaki O2 mol oranı,   NOx emisyonu, SO2 emisyonu ve basınca ait analiz sonuçlarının DAYK sisteminin çalışır durumdaki gerçek sonuçlarıyla % 90 mertebesinde uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Daha sonra aynı proses parametreleri ve DAYK geometrisi kullanılarak GLİ-Tunçbilek, Ilgın ve Beypazarı linyitleri için de benzer analizler gerçekleştirilmiştir. DAYK sisteminin çalışır durumdaki gerçek sonuçlarıyla tutarlı olan analizlerde, yatak materyali küresellik oranı 0,9 olarak dikkate alınmıştır. Bunun yanısıra, 0,5 ve 0,7 yatak materyali küresellik oranlarında da  4 linyit yakıt için analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda en yüksek yanma verimi 0,7 ve 0,9 küresellik oranlarında Ilgın linyit yakıtının yanmasında olmuştur. En düşük NOx emisyonu değeri 0,7 küresellik oranında Ilgın linyitinin yakılması durumunda 79 mg/Nm3'tür. En düşük SO2 emisyonu değeri 0,5,0,7 ve 0,9 küresellik oranlarında Beypazarı linyitinin yakılması durumunda 300 mg/Nm3'tür.Kazan yanma odası çıkışında en yüksek sıcaklık değeri 0,9 küresellik oranında Ilgın linyitinin yakılması durumunda 1150 K'dir. Çan TS DAYK sisteminin çalışır durumdaki gerçek sonuçlarıyla doğrulanan sayısal sonuçlara ait analiz dataları kullanılarak 500 kWth kapasiteli DAYK sistemine uygun analitik hesaplardan elde edilen geometri ve proses sınır koşullarıyla literatürden elde edilen 4 farklı DAYK geometrisine ait sınır koşullarında analizler gerçekleştirilmiştir. Analizde 50 s süre dikkate alınmıştır. ÇTS DAYK sistemine ait kazan geometrisi üzerinde yapılan analizler baz alınarak, Çan linyit yakıtı için, 500 kWth kapasitede ve 4 farklı geometride tasarımı yapılan DAYK sisteminininde analizleri yapılmıştır. Yapılan analizler soncunda tasarım (d) olarak verilen DAYK sisteminin, kazandaki hidrodinamik akış, yanma verimi ve emisyonlar açısından, diğer tasarımlara göre daha iyi olduğu görüldüğünden, en uygun geometri olarak belirlenmiş, 500 kWth kapasitedeki DAYK sistemi için yapılan analizlerde bu geometri esas alınmıştır. 
Yapılan analiz sonuçlarına göre, yatak malzemesi dağılımı 1. s'de 4 farklı tasarım için de yatak tabanından, kolonun üst kısmına doğru dağılan bir yapı göstermiştir. 5. s'de tasarım(b)ve tasarım(c)'de siklon içerisinde, yatak malzemesinin daha fazla biriktiği görülmüştür. 10 .s'den sonra ise yatak malzemesi dağılımı 4 farklı tasarım içinde stabil hale gelmiş, 50 .s'den sonra analiz sonuna kadar sabit kalmıştır. Yapılan karşılaştırmalarda tasarım(d)'de kazan yanma odası tabanındaki sıcaklık 1123 K olurken, reaksiyonun başlamasıyla birlikte, 10. s'den sonra bu değerde sabit kalmıştır. DAYK sistemine ait kazanda, kazan tabanı, yanma odası, siklon, geri dönüş borusunda, seal-pot ve seal-potu kazan yanma odasına bağlayan bölgede sıcaklık düzgün bir  dağılım göstermiş, Tasarım (d)'ye ait sonuçlara göre, siklon çıkışında bulunan dalgıç borudaki CO2 mol oranı ise diğer tasarımlara göre daha yüksek değere ulaşmıştır.
Gerçekleştirilen analiz sonuçlarıyla, kazan içi sıcaklık dağılımı, yanma verimi, emisyon değerleri ve erozyon açısından DAYK sistemi optimize edilmiştir. Geometrik optimizasyonda, 50 s analiz süresi dikkate alınmıştır. 4 farklı linyitin optimize edilen DAYK geometrisinde yakılması analizlerinde 200 s analiz süresi dikkate alınmıştır. Analizlere göre, 4 farklı linyitin optimize edilen DAYK geometrisinde yakılması analizleri sonucunda kazan baca çıkışında en yüksek sıcaklık Çan linyiti için 1362 K'dir. Aynı şekilde 4 farklı linyitin optimize edilen DAYK geometrisinde yakılması sonucunda kazan baca çıkışında en yüksek CO2 mol oranı Ilgın linyiti için 0,158 'dir. Kazan yanma odası çıkışında en düşük NOx emisyonu GLİ-Tunçbilek linyiti için 101 mg/Nm3'tür. Kazan yanma odası çıkışında en düşük SO2 emisyonu Beypazarı linyiti için 101 mg/Nm3'tür.

Abstract:
The aim of this thesis was to design, analyze, and combustion characteristics inspect a circulating fluidized bed (CFB) boiler system. For this purpose, first, a preliminary analysis was conducted using computational particle fluid dynamics (CPFD), considering the process conditions of the Çan Thermal Power Plant (Çan TPP), which operates at 330 MW power. It was determined that the boiler base temperature, boiler outlet O2 mole fraction, NOx emission, SOx emission, and pressure results from the analysis matched the actual results for the CFB boiler system by more than %90. Subsequently, similar analyses were performed for Garp Lignite Enterprise-Tunçbilek (GLI-Tunçbilek), Ilgın, and Beypazarı lignites with using the same parameters and CFB boiler geometry. The bed material sphericity was taken as 0.9.These analyses were also consistent with the real working results of the CFB boiler system. In addition, the analysis were also performed for four lignite fuels with sphericities of 0.5 and 0.7. Analysis results showed that the highest combustion efficiency was obtained by burning of Ilgın lignite fuel with sphericities of 0.7 and 0.9. The lowest NOx emission result was 79 mg/N∙m3, obtained from burning of Ilgın lignite with a sphericity of 0.7. The lowest SOx emission result was 300 mg/N∙m3, obtained from burning of Beypazarı lignite with sphericities of 0.5, 0.7, and 0.9.The highest temperature at the combustion chamber outlet was 1150 K, which was obtained from burning Ilgın lignite with a sphericity ratio of 0.9.Using the computational analysis data verified by the real working results of the Çan TPP CFB boiler system, further analyses were performed using the boundary conditions of geometry and process analytically calculated for a CFB boiler with a 500 kW capacity. Additionally, analysis was performed using the boundary conditions of four different CFB boiler geometries taken from the literature. The analysis duration was set as 50 seconds. Taking the Çan TPP CFB boiler system geometry analysis as a basis, analyses were carried out for Çan lignite with a 500-kW capacity boiler and for four CFB boiler system designs with different geometries. The analysis showed that CFB boiler system design (d) was the most suitable geometry in terms of hydrodynamic flow, combustion efficiency, and emissions, and thus it was used as the basis for analysis of a 500 kW capacity CFB boiler system.
The analysis results showed that at the first second, the bed material showed a scattered distribution from the boiler base to the top of the column for all four designs. After 5 seconds, it was seen that the bed material accumulated more in the cyclone for designs (b) and (c). After 10 seconds, the bed material distribution stabilized for all four designs and remained stable from 50 seconds until the end of the analysis.Comparisons revealed that the combustion chamber temperature was 1123 K for design (d) and it remained stable at this temperature after 10 seconds. In the CFB boiler, the boiler base combustion chamber, cyclone, return pipe, seal-pot, and the region that connects the seal-pot to the combustion chamber showed uniform temperature distribution. The imersion pipe at the cyclone outlet of design (d) had the highest CO2 mole fraction compared to the other designs.
The CFB boiler system was optimized in terms of the temperature distribution in the boiler, combustion efficiency, emission values, and erosion according to the analysis results. The duration of geometrical optimization was 50 seconds. An analysis duration of 200 seconds was used for the burning of the four different lignites in the optimized CFB geometry. The highest boiler chimney outlet temperature was 1362 K for the Çan lignite as determined from the analysis of the burning of the four different lignites in the optimized CFB boiler geometry. The highest CO2 mole fraction at the boiler chimney outlet was 0.158 for the Ilgın lignite. The lowest NOx emission at the boiler chimney outlet was 101 mg/N∙m3 for the GLI-Tunçbilek lignite. The lowest SOx emission at the boiler chimney outlet was 101 mg/N∙m3 for the Beypazarı lignite.