Termal sistemlerde yanma sonrasında oluşan baca gazlarının sıcaklığı kazanda düşürülerek buhar ve elektrik üretilmektedir. Türbine verilen yüksek basınçlı kızgın buhar türbini terk ederken sıcaklığı ve basıncı düşmüş halde alınmakta hava soğutmalı bir kondenser veya soğutma kulesine gönderilerek kondens hale getirilmekte ve tekrar kazana basılmaktadır. Bu yazıda, İZAYDAŞ yakma tesisi enerji üretim sistemi örneği üzerinden kazan orta basınç ve türbin çıkış buharından enerji geri kazanımı üzerine bir değerlendirme yapılmıştır.
Yakma Tesisi Türbin Çıkış Buhar Enerjisinin Geri Kazanımı
İZAYDAŞ Tehlikeli Atık Yakma Tesisi tehlikeli atıkların yüksek sıcaklıkta yakıldığı Türkiye’de lisanslı ilk atık bertaraf tesisidir. 35.000 ton /yıl kapasiteye sahip olan tesis 1997 yılında devreye alınmış olup faaliyetine devam etmektedir. Tehlikeli atıklar döner fırın ve ikinci yakma fırınında 1000-1200 0C arasında yakılmakta, oluşan baca
gazları arıtma ünitelerine girmeden önce sıcaklığının düşürülmesi ve enerjinin alınması için su borulu bir kazan girmektedir. Atıkların yakılması sonucu üretilen ısı enerjisi; döner fırında 55 GJ/saat, ikinci yakma odasında ise 31 GJ/saat´tir.
Kazanda atık gaz sıcaklığı 200 0
C’ye düşürülerek kızgın C‘lik kızgın buhara dönüşbuhar elde edilmektedir. Üretilen doymuş buhar süper heater kısmında 40 bar 350 0
türülmekte ve türbine gönderilmektedir. Kızgın buharın çok kademeli, karşı basınçlı buhar türbinine verilmesiyle enerji elde edilmektedir. Türbini terk eden buhar artık basıncı düşürülmüş çürük buhar olarak adlandırılır. Basınç ortalama 78 mbar sıcaklık 45-50 0C arasındadır. Türbin çıkışında çürük buhar kondenser ünitesinde yoğuşturularak tekrar kazan besi suyu olarak kullanılmaktadır.
Yakma tesisi buhar enerji döngüsü Rankine çevrimine göre çalışmaktadır. Rankine çevriminin şematik görünümü Şekil 1’de verilmiş olup buna ait ısıl hesaplar aşağıda verilmiştir.
[caption id="attachment_123448" align="aligncenter" width="392"]
Şekil 1. Rankine çevrimi[/caption]
Yapılan hesaplamalarda türbin veriminin %35 olduğu, türbin terk eden çürük buhar ısıl kapasitesinin 171,68 kj/ kg ve toplamda 600.000 kcal/h olduğu tespit edilmiştir.
Hesaplanmış bu ısıl kapasitenin geri kazanılması ne kadar mümkündür ve nasıl bir tasarım yapılmalıdır?
Düşük Basınç Buhar Enerjisinin ORC veya Isı Pompası İle Geri Kazanımı
Kondensere giren düşük basınçlı buharın enerjisinden bir ısı pompası veya ORC (Organik Rankine Çevrimi ) sistemi kurularak faydalanılabilinir. Organik rankine çevrim (ORC) sistemleri, geleneksel rankine sistemleri ile benzer prensipte çalışmaktadır. Organic Rankine Cycle (ORC) ısıyı elektriğe çeviren, yüksek verimli bir enerji üretim biçimidir.
[caption id="attachment_123452" align="aligncenter" width="300"]
Şekil 2. Yakma fırınları ve kazan[/caption]
Atık ısıdan kazanılan ısı enerjisi sistemde dolaşan organik akışkana transfer edilmektedir. Çalışma prensibi genel olarak, turbo jeneratörün termal enerjiyi önce mekanik enerjiye, sonrada bir elektrik jeneratörü vasıtasıyla elektrik enerjisine çevirmesidir. Geleneksel buhar türbininde akışkan olarak su buharı kullanılmasına karşın ORC sisteminde moleküler ağırlığı sudan yüksek olan bir akışkan kullanılmaktadır. Uygun bir eşanjör sistemi kullanılarak ısıtılan organik akışkan buharlaştırıldıktan sonra türbine iletilmekte ve bu buharın sabit basınçta genleşmesiyle mekanik enerji üretilmektedir.
Mekanik enerji jeneratör vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüşür. Ardından, kapalı devre içinde dolaşan organik akışkan, hava veya su kullanılarak soğutularak yoğuşturulur ve kapalı devre içerisinde rejeneratöre pompalanarak döngü devam eder. ORC sistemi uygulanarak atık ısı geri kazanımında yüksek enerji verimliliği sağlanmaktadır. Sistemde toplam %2’lik bir termal kayıp oluşur, kalan termal gücün %72%78’si türbinde mekanik enerji üretimi sırasında kullanılır, %20-%26’sı ise jeneratörde elektrik enerjisine çevrilir.
[caption id="attachment_123454" align="aligncenter" width="577"]
Şekil 3: Örnek Organik rankine çevrimi[/caption]
İkinci seçenek ise 45-500C sıcaklığındaki buharın ve/veya kondens suyu sıcaklığının bir ısı pompası vasıtası ile geri kazanılmasıdır.
Isı geri kazanımı kapsamında her iki teknoloji kullanılarak kondensere giden çürük buhar enerjisinden geri kazanım yapılabilir. Ancak her iki sistemin yatırım bedelleri çok yüksek, kullanılacak ısıl kapasite ise çok düşüktür.
Diğer bir önemli husus; türbin çıkışı çürük buhardan teknik olarak sistem kurulabilse bile bunun ciddi bir tasarım değişikliğine sebep olacağıdır. Türbin çıkış buharının hava soğutmalı veya su soğutmalı kulelere gönderilerek tekrar kazan besi suyu olarak kullanılması geleneksel bir yöntem olup ORC sistem tasarımları ancak yanma baca gazları veya üretilen basınçlı buhar kullanılarak mümkün olabilmektedir.
Diğer bir yöntem; türbin çıkışına bir eşanjör sitemi kurulması düşünülebilir. Ancak bu tasarım türbin çıkış vakumlarının önüne bir direnç oluşturacağından kazanturbin-kondenser sisteminin çalışmasını olumsuz etkileyecektir.
[caption id="attachment_123455" align="aligncenter" width="773"]
Şekil 4: Hava ve su soğutmalı kondens üniteleri[/caption]
Kondenser ve Soğutma Kulesi: Türbinden çıkan, buhar enerjisi diğer bir deyişle basınç ve sıcaklığı azalmış buhar yoğunlaştırıcıda soğutulup su haline dönüştürülür. Oluşan su tekrar kullanılmak üzere tesis buhar üretim kazanına geri gönderilmektedir. Soğutma kulelerinde soğutma işini sağlayabilmek için deniz, göl veya ırmaklarda bulunan su kullanılır. Su kaynaklarından uzak bölgelerde ise hava soğutmalı fanlar tercih edilir.
Hesaplanan 600.000 kcal/h ısının tamamının geri kazanılması mümkün olmayacağından kondenserde alınacak faydalı enerjinin soğutma için kullanılan fanların enerji tüketimi üzerinden hesap yapılması doğru bir yaklaşım olacaktır. Konderserde hava fanlarının fiili çalışma süresi üzerinden ortalama 150 kW/h harcadığı buna eşdeğer ısıl kapasitesinin yaklaşık 130.000 kcal/h olduğu hesaplanmıştır. Bu ısıl kapasite oldukça düşük olup başka bir mahale taşınması ile oluşabilecek kayıplar göz önüne alındığında kayda değer bir ısının ortada bulunmadığı görülmektedir.
Kazan Orta Basınç Buharın Merkezi Isıtma Tesisatında Kullanılması
Yakma tesisi kazanında üretilen yüksek basınçlı buharın basıncı düşürülerek 6 bar basınçta 180 derece sıcaklığında doymuş buhar elde edilmektedir. Orta basınç buharı baca gazı dioksin ünitesi eşanjör, tehlikeli sıvı atık tank ısıtmaları ve tesis sahasının muhtelif buhar istasyonlarında kullanılmaktadır. Orta basınç buharı, kızgın buharın sıcaklık ve basıncı düşürülerek kullanıma sunulmaktadır. Orta basınç buharı türbine giden buhar debisinden sağlanmakta, kullanıldığı kadar türbin enerji üretimi düşmektedir.
Orta basınç buhar sıcaklığı: 1800 C, Basınç: 6 bar.
Merkezi kalorifer kazan kapasitesi: 500.000 kcal/h.
Bu bilgiler kapsamında merkezi kazan tesisatı için: Q= m *(hbuhar-hkondens). 500.000.4.18= m*(2600-400 ) m= 950 kg /h orta basınç buhar gereklidir.
Doğalgaz yerine ısıtma tesisatında buharın kullanılması durumunda bu miktarda buhar türbine gitmeyecektir. Bunun elektrik enerjisi karşılığı ortalama 100kW/h’ dir. İZAYDAŞ tesislerinde idari mahal ısıtması için 2020 yılında toplam 80.000 TL tutarında doğalgaz kullanılmıştır.
Kalorifer tesisatı suyunun ısıtılmasında doğalgaz yerine buhar kullanılması için; 6 bar orta basınç buharının 250 metre uzaklığındaki merkezi kalorifer tesisat alanına çekilmesi, 5 bar- 950 kg/h kapasiteye uygun plaka tipi eşanjör kullanılarak tesisatta dolaşacak suyun ısıtılması gerekmektedir.
- Yer altından 50 mm çapında 250 metre yalıtımlı buhar hattı.
- 2” plaka tipi eşanjör ve kondens tesisatı.
- Pompa ve valf tesisatı.
- 50 mm çapında 200 metre uzunluğunda kondens geri dönüş hattı.
Böyle bir tesisatın yatırım bedeli yaklaşık 130.000 TL civarında olacaktır. Yatırım geri dönüş 2 yıldan az olmasına rağmen türbine giden buhardan çalındığı için türbinde 100 kW/h eşdeğer enerji üretilemeyecektir. Sadece kış ayları için hesaplanırsa;
100*24*30*6= 432 MW enerji olup eşdeğer tutarı: 142.560 TL. Buharın merkezi kalorifer sisteminde kullanılması yerine türbine verilerek elektrik enerjisi üretilmesi daha karlıdır.
Elektrik enerji fiyat: ort. 330 TL/MW olarak alınmıştır.
Sonuç ve Değerlendirme
Bu yazıda İZAYDAŞ Yakma tesisi türbin çıkışı çürük buhar enerjisinin geri kazanılması ve ısıtma için orta basınç buharının merkezi kalorifer tesisatında kullanılması konusunda değerlendirme yapılmıştır.
Yapılan değerlendirmede; türbin çıkış buhar ısıl kapasitesinin düşük olduğu, bir ORC (Organik Rankine Çevrimi) türbin sistemi veya ısı pompası ile enerjinin kullanılabileceği, bazı kısıtlamalarıyla beraber teknik açıdan mümkün olsa da ciddi bir tasarım değişikliği ve yatırım gerektirdiği; bu nedenle ekonomik olmadığı ve türbinkondenser vakum sistemi üzerinden türbin işletmesini olumsuz etkileyeceği tespit edilmiştir.
Kazan besi suyunun 1300 C’ye ısıtıldığı ve geri dönen 450C sıcaklığındaki kondens suyunun buna katkı sağladığı, kondenser tarafında enerjisinin alınması durumunda kazan besi suyunun ısıtılması için tekrar enerji harcanması gerektiği; dolayısı ile türbin çıkışı düşük basınç buharında kullanılabilir faydalı enerjinin düşük kalacağı kanaatine ulaşılmıştır.
Türbin çıkışına basit bir eşanjör koyularak daha az yatırımla, buhar ısıl kapasitesi kullanılabilir ancak bu durum türbin çıkış hattı önünde bir direnç oluşturacak, türbin-kondenser vakum basıncını değiştirmesi nedeni ile türbin işletmesini olumsuz etkileyecektir.
Kondenserde kullanılabilecek faydalı ısıl kapasitesinin 130.000 kcal/h olduğu hesaplanmıştır. Düşük ısıl kapasitenin başka bir yere taşınması ile oluşabilecek kayıplar da göz önüne alındığında yatırımın ekonomik olmayacağı ve kullanım için emri amadeyi sağlamayacağı tespit edilmiştir. Türbin çıkış çürük buharın bir hava soğutmalı kondenser veya su soğutmalı kule ünitesine verilerek yoğuşmasını sağlamak geleneksel bir tasarım olup bu tasarımı bozacak eklentiler, mevcut sistemin çalışma verimini düşürecektir.
Orta basınç buharının ısıtma için kullanılması durumunda türbin enerji üretiminde 100 kW/h bir düşüm olacaktır. Buharın ısıtma yerine türbine verilerek elektrik enerjisi üretilmesi daha uygundur.
Dr. Şahan Dede
İşletme Müdürü
İZAYDAŞ
