Brülörlerde Temel Yanma Bilgileri

Brülör, yakıtın hava ile uygun oranda karıştırılarak tam olarak yanmasını sağlar. Brülör bu açıdan bakıldığında kazanlarda ve buhar jeneratörlerinde buhar üretimi için gerekli ısı elde edilmesinde kullanılan yakıtın tam olarak yanmasını ve kontrol edilmesini işini yapar.

Bu işi yaparken;

• Kazana ısı sağlamalıdır.
• Kazanda üretilen buharın çıkış sıcaklığını veya basıncını kontrol etmelidir.
• Kazan yükü taleplerinin tamamında kapanmaması için yüksek bir turndown sağlamalıdır.
• Yakıt tüketimini düşük tutmak için yakıtı mümkün olan en verimli şekilde yakmalıdır.

Aşağıda bir brülörün nasıl çalıştığıyla ilgili bazı temel bilgiler verilmiştir. Örnek olması için doğalgaz kullanılacaktır fakat elbette ki sıvı yakıtlar da aynı kurallara uyar. Ancak başlamadan önce, bilinmesi gereken birkaç terimi hatırlamakta fayda var.

Fazla Hava: Yakıtı tamamen yakmak için gereken miktarın üzerindeki Fazla Hava miktarı.

Turndown: Brülörün maksimum ısıtma gücünün, minimum gücüne oranı.

Yanmanın Kimyası

Doğal gaz esas olarak metan (CH4) dan oluşur. Yeterli miktarda hava ile karıştırıldığında ve yanma sıcaklığına kadar ısıtıldığında yanar. Aşağıda mükemmel yanma için gereken hava ve yakıt miktarı ile işlemi göstermektedir.

Bu formülasyon çoğunlukla sadece teoride mümkün olabilmektedir. Bu nedenle brülörün güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak için ekstra (fazla) hava eklenmelidir. Brülörler genellikle yanma için gerekli olan havayı sağlamak için fan kullanır. Bir brülör üzerindeki fan, molekülleri değil, sabit bir hacimde havayı hareket ettirir. Bu sebeple sıcaklık veya rakım yani barometrik basınçtaki herhangi bir değişiklik, fanın hareket ettirdiği hava moleküllerinin sayısında da bir değişikliğe neden olur. Bunun yanı sıra yakıtın basıncını düşürmek için kullanılan kontrol valfleri ve basınç regülatörleri de mükemmel cihazlar değildir. Bu nedenle gaz akışı mükemmel bir şekilde sabit olamaz. Gaz klapesi de fanın hava hacmini kontrol ettiği gibi gaz hacmi kontrol etmek için tasarlanmıştır. Tam da bu nedenle gaz sıcaklığındaki bir değişiklik yakılan molekül sayısını da değiştirecektir. Tüm hava ve yakıt sıcaklıklarında ve tüm barometrik koşullarda güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak için, gaz brülörüne “fazla” havanın sağlanmasını gereklidir.

Fazla Hava ve Verimlilik

Fazla havanın iyi tarafı bir güvenlik önlemi sağlamasıdır. Kötü tarafı ise yakıtı boşa harcıyor olmasıdır. Şu unutulmamalıdır ki fazla havayla kaybedilen ısı, atık ısıyı temsil eder. Ancak uygun brülör tasarımı bunu minimuma indirmeye yardımcı olacaktır. Daha az Fazla Hava’nın daha az kullanılması, "atık ısının" da azaltılması anlamına gelecektir. Bu noktada fazladan Fazla havanın neden yakıt israfı olduğunu inceleyelim.

Kazan, sadece yanma ürünlerinden gelen ısıyı absorbe edip bu ısıyı suya aktarmak için tasarlanmış bir ısı eşanjör cihazıdır. Mükemmel (stokiyometrik) hava miktarına Fazla Hava eklendiğinde, kazandan açıkça daha fazla kütle zorlanır. Kazanlarda genellikle, uygun basıncı veya sıcaklığı korumak için uygun miktarda ısı eklenmesi için hava ve yakıtı ölçen modülasyonlu bir kontrol vardır. Bu kontrol sayesinde, sağlanan Fazla Hava miktarı ne olursa olsun, saatin sonunda aynı ısı çekilir (absorbe edilir).

Aşağıdaki tablo, aynı sıcaklıkta farklı miktarlarda gaz verildiğinde bir kazandan çıkan baca gazı sıcaklıklarını göstermektedir.

Brülördeki kütle akışı arttıkça çıkış sıcaklığı da artar. Kütle miktarı, bir gaz brülörü tarafından kullanıla fazla hava miktarına benzer. Bir kazanda fazla hava arttıkça baca sıcaklığı yükselir ve kazanın verimi düşer. Eğer daha az fazla hava kullanılabiliyorsa kazandan aynı miktarda ısı almak için brülöre daha az ısı girişi gerekir. Bu nedenle, bir brülörün en önemli işlevlerinden biri, en yüksek genel kazan verimliliğini elde etmek için yakıtı mümkün olan en düşük fazla hava ile yakmaktır.

Fazla Hava, Verimlilik ve Turndown

Aşağıda brülör kafasını şeması görülmektedir. Hava, bir fan vasıtasıyla brülör kafasına getirilir. Gaz, bir dizi valf aracılığıyla kafaya ölçülerek verilir. Düzgün yanma elde etmek için hava molekülleri yanmadan önce gaz molekülleri ile iyice karıştırılmalıdır. 

Karıştırma, yüksek türbülans oluşturmak için tasarlanmış brülör parçaları ile sağlanır. Eğer brülör tarafından yetersiz türbülans üretilirse yanma eksik olacak ve karbon monoksit (CO) ortaya çıkaracaktır ki bu baca gazı ölçümlerinde net olarak tespit edilebilecektir.

Havanın hızı türbülansı etkilediğinden, hava miktarı azaldığından daha yüksek turndown oranlarında iyi yakıt ve hava karışımı elde etmek giderek zorlaşır.

Herhangi bir brülörün en yüksek turndown oranlarına doğru, uygun karışımı elde etmek için yeterli türbülans elde etmek amacıyla fazla hava miktarını artırmak zorunlu hale gelir. Daha iyi brülör tasarımı, havayı ve yakıtı mümkün olan en düşük hava akışında veya Fazla Hava’da düzgün şekilde karıştırabilen bir tasarım olacaktır.

Aşağıda Fazla Hava’nın bir gerçek kazanın verimliliğini ve işletme maliyetini nasıl etkilediğini grafiksel olarak göstermektedir. Teorik değildir.

Yüksek "turndown" ve düşük aşırı havanın önemli olmasının önemli bir kaç nedeni vardır. Birincisi, brülörün işletme maliyetidir. Fazla Hava’nın verimi nasıl etkilediği yukarıda açıklanmıştı, ancak bir brülörün "turndown" oranı da büyük bir etkiye sahiptir.

Brülör yanmaya her başladığında ve durduğunda başka bir maliyet açığa çıkar. Yanmamış yakıt kalmadığından emin olmak için kazanın içine her zaman “süpürme havası” üflenir. Bu süpürmelerin sistemden ısı çektiği için kazanı soğutacağını unutmayın. Yüksek bir "turndown"a sahip olmanın diğer avantajı; düşük bakım maliyeti ile daha iyi proses veya ısıtma kontrolü ile ilgilidir.

Turndownyı "tamamen modülasyonlu" brülörlerle karıştırmayın. Yalnızca 1.7'ye 1'lik tipik bir turndown ile tamamen modülasyonlu bir brülöre sahip olmak, yalnızca 59 MPH ile 100 MPH hızlar arasında gidebilen bir arabaya sahip olmak gibidir. Tamam, "tamamen modüle edici" bir araba ama onu markete sürmeyi deneyin. Sadece aptal görünmekle kalmaz, aynı zamanda gaz kilometresinin nasıl düşeceğini de düşünürsünüz! Sadece aptal görünmekle kalmazsınız, aynı zamanda yakıt tüketiminin nasıl düşeceğini de düşünün!

Yukarıda bir brülörün turndown oranının, ısıtma için 75 kW gücünde bir kazanı çalıştırmak için gereken yakıt maliyetini nasıl etkilediğini görülmektedir. Düşük aşırı hava ve yüksek turndown etkilerini birleştirdiğinizde, işletme maliyeti tasarrufu, bu özelliklere sahip olmayan yeni bir brülöre göre %10 ila %15 arasında değişebilir.

Proses kontrolü, yüksek bir turndown ile geliştirilmiştir. Buhar Çekişi, brülörün yetiştirebileceğinden daha küçükse brülör çalışır ve durur. Brülör durduğunda, basınç veya sıcaklık düşer. Bazı kazanlarda, brülör kapatıldığında 7 bar olan buhar basınçlarının, brülör tekrar açılmadan önce yaklaşık 3 bar’a kadar düştüğünü gördük. Bu, sabit buhar basıncının önemli olduğu bir üretim tesisinde çok büyük sorunlara neden olabilir. Yüksek bir turndown’lu bir brülör ile bu dalgalanmalar ortadan kalkar, çünkü brülör yükü yalnızca çekiş çok az olduğu noktaya kadar takip eder. Sistemde, o noktadaki küçük dalgalanmaları almak için yeterli miktarda depolanmış enerji olacaktır.

Tüm bunların yanısıra kazanda çok daha az termal döngü (genleşme-büzülme) meydana geldiği için yüksek turndownlu brülör ile bakım maliyetleri azalır.

Şöyle ki bir brülör döngüsünde, refrakter ve metal parçalar genişler ve büzülür. Bu malzemeler bu genleşmeleri almak için yapılmış olsa da her şeyin aynı sıcaklıkta kaldığı durumlara göre ömürleri daha kısa olacağı açıktır. Gaz vanaları, ateşleme transformatörleri vb. gibi bileşenler, brülörün düşük modülasyonda çalıştığı durumlarda açılıp kapanmaları gerekmez ve bu nedenle daha uzun süre dayanırlar.