Sanayi tipi brülör-kazan sisteminde yanma emisyonlarının incelenmesi
Investigation of combustion emissions in industrial burner-boiler system
Yazar: MEHMET SALİH CELLEK
Danışman: PROF. DR. ALİ PINARBAŞI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Brülör = Burner ; Doğal gaz = Natural gas ; Dönmeli akış = Swirl flow ; Hidrojen = Hydrogen ; Kanat sayısı = Blade number

Özet:
Bu tezde, sanayi tipi bir brülör-kazan sisteminde yanma emisyonlarını araştırmak için farklı brülör ısıl yüklerinde, hava fazlalık katsayılarında ve kazan boylarında deneysel testler gerçekleştirilmiştir. Sonrasında brülör-kazan test sonuçlarından elde edilen verilerle, yanma sisteminin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) modeli oluşturulmuştur. 
ANSYS FLUENT 16 yazılımında bulunan farklı yanma ve türbülans modelleri ile sayısal simülasyonlar gerçekleştirilip, deneysel sonuçlar ile uyumlu yanma ve türbülans modelleri belirlenmiştir. HAD modelinin doğrulanması sonrasında deneysel test parametreleri HAD yöntemiyle de incelenmiştir. Öte yandan aynı sistemde doğal gaz, metan, doğal gaza ısıl yükçe %25, %50 ve %75 oranlarında hidrojen eklenmesiyle oluşan yakıt karışımları ve saf hidrojen (% 100) yanmasıyla oluşan emisyonlar incelenmiştir. Son olarak brülör üzerinde bulunan girdap üreteci yerine yanma emisyonlarını düşürmek amacıyla yeni bir girdap üreteci tasarlanmıştır. Tasarlanan yeni girdap üretecinin kanat sayısı (7, 9, 11, 13, 15, 17) ve kanat açısı (15°, 20°, 25°, 30°) parametrik olarak incelenmiştir. Böylece kanat sayısı ve kanat açısının yanma emisyonları üzerindeki etkileri tespit edilmiştir. 
Brülör-kazan sisteminde farklı ısıl yükler ile farklı kazan uzunluklarıyla yapılan deneysel çalışmalarda, yanma sonu gaz emisyonları olan NOx, CO ve CO2 değişimleri sınırlı seviyede kalmaktayken farklı hava fazlalık katsayılarında değişimler daha belirgindir. Örneğin, NOx emisyonu 32 ppm, CO emisyonu 46 ppm ve CO2 % 24 oranında değişmektedir.
HAD sonuçlarına göre, doğal gaz metan gazı ile de modellenebildiği görülebilir. Ayrıca doğal gaz-hidrojen yakıt karışımında hidrojen miktarı arttıkça alev boyu ve çapının arttığı CO2 ve CO emisyon seviyelerinin düştüğü belirlenmiştir. Yakıt olarak %100 H2 kullanıldığında ise CO ve CO2 emisyonların oluşmadığı fakat NOx emisyonun önemli derecede arttığı görülmüştür. Son olarak yeni tasarlanan girdap üretecinin 11 kanatlı uygulaması en düşük NOx emisyonuyla sonuçlandı. Ayrıca kanat açısının artması baca gazındaki NOx emisyonunun azalmasına neden olduğu saptandı.

Abstract:
In this thesis, experimental tests were carried out at various burner thermal loads, excess air coefficients and boiler lengths in an industrial burner-boiler to investigate the combustion emissions. Subsequently, with the data that was obtained from the burner-boiler experimental tests, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model of the combustion system was established. 
Numerical simulations were performed with different combustion and turbulence models in ANSYS FLUENT 16 software to determine the optimal combustion and turbulence models in accordance with the experimental results. After validation of the CFD model, the experimental test parameters were also examined by the CFD method. On the other hand, combustion emissions of natural gas, methane, natural gas-hydrogen fuel mixtures (consisted of 25%, 50% and 75% hydrogen addition) and pure hydrogen (100%) were also investigated. Finally, a new swirl generator was designed and replaced with the original swirl generator on the burner to reduce the combustion emissions. Blade number (7, 9, 11, 13, 15, 17) and blade angle (15 °, 20 °, 25 °, 30 °) of the new swirl generator were examined parametrically. Thus, the effects of blade number and blade angle on the combustion emissions were determined. 
The experimental study that was carried out with different thermal loads and boiler lengths resulted with limited variations in combustion emissions such as NOx, CO and CO2. However, when different excess air coefficients (λ=1.05, λ=1.38) were used, the variation in emissions were more pronounced. For instance, the differences in NOx, CO and CO2 emissions were 32 ppm, 46 ppm and 24%, respectively.
According to the CFD results, it can be seen that natural gas can be modeled also with methane gas. Furthermore, as the hydrogen ratio of the natural gas-hydrogen fuel mixture was increased, the flame length and flame diameter were increased but the CO and CO2 emission levels were decreased simultaneously. When 100% H2 was used as fuel, CO and CO2 emissions were zero but NOx emission was significantly increased. Finally, implementing the new swirl generator with 11 blades resulted with the lowest NOx emission. It was also found that increasing blade angle led to decreased NOx emission in the flue gas.