Enerji santrallerinde baca gazı kükürt arıtma sistemlerinin nümerik modeli

Baca gazı kükürt giderme sistemleri, enerji santrallerinin kurulumu sırasında veya santral kurulumu sonrasında değiştirilen çevre düzenlemelerindeki gerekli şartları sağlayamadıkları için yapılmaktadır. Türkiye'de kömür, ana enerji kaynağı olduğundan pek çok enerji santrali kömür-rezerv bölgelerinde kurulmuştur. Enerji santralleri kurulurken, farklı küresel şirketler tarafından birçok FGD sistemi de inşa edildi. Baca gazının çevreye salınımdan önce temizlenebilmesi için şirketler kendilerine özgü FGD teknolojilerine sahiptir. Bu teknolojiler sürekli geliştirilerek yapılan patent başvuruları ile de korunma altındadır. Babcock & Wilcox, Lenthes Bischoff GMBH, Mitsubishi Heavy Industires ve Noell-KRC Umwelttechnik GMBH şirketleri 1990'larda Kemerköy, Yatağan, Afşin ve Orhaneli enerji santralleri inşa ettikleri bilinen FGD şirketleridir. Bu santrallerin güçleri 210 MW-360 MW arasında değişmektedir. Günümüze kadar çok sayıda enerji santrallerinde gaz yıkayıcı kolon sistemleri kurulmuş olsa da, hala davranışını doğru tahmin edecek bir uygulama mevcut değildir. Bu çalışmanın zorluğu, kolon içerisindeki akışın ayrıntılı çalışılarak optimum kolon tasarımın gerçekleştirilmek istenmesidir. FGD sistemlerinin tasarım isterleri arasında, baca gazının yüksek (%90 ve üzeri) oranlarda temizlenmesi yani maksimum kükürt giderim verimi ve minimum basınç düşümü önceliklidir. Bu tezde baca gazı kulesinin nümerik modeli gerçek ölçekli bir enerji santraline uygulanmış ve kolon performansı araştırılmıştır. Yapılan sayısal analizlerin sonuçlarını karşılaştırmak için bazı tasarım faktörleri belirlenmiştir. Bunlar (1) sprey seviyesi eklenmesi, (2) Babcock & Wilcox tarafından patentlenen tepsi gibi delikli levhanın tanımlanması ve (3) kolon duvarından dolayı baca gazı veya bulamaç sıvısı sızıntılarını azaltmak için bir halka yerleştirilmesidir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) tekniklerinin gelişmesi ve hesaplama gücünün artması ile FGD sistem tasarımlarında da sayısal analizler günümüzde çokça kullanılan yöntemlerden biri haline gelmiştir. HAD analizi sonucunda, detaylı akış alanı tahmini değerlerine ulaşılır ve bu akış dinamiklerinin daha iyi anlaşılmasını sağlar. Tezin giriş bölümünde verilen literatür araştırmasında, sayısal modelleme ile yapılan çalışmaların yanı sıra laboratuvar ölçekli test sistemleri ve matematiksel modelleme çalışmalara yer verilmiştir. Literatürdeki FGD sistemleri üzerine yapılan çalışmalar araştırılarak tez içeriğinde referans olarak verilmiştir. Fiziksel sistem ve basitleştirmeler bölümünde FGD sisteminin modellenme aşamaları başlıklar halinde verilmiştir. Özetleyecek olursak, modelleme adımları sırasıyla şu şekildedir: geometri oluşturmak, akış hacmi çıkartmak, akış hacminin sonlu elemanlara bölmek yani çözüm ağı oluşturmak ve model tanımlamaya hazır hale gelen geometride gerçekleştirilmek istenen analize uygun basitleştirmelerde bulunup sınır şartları da verilerek çözdürülür. Baca gazı sisteminin modelleme adımları da bu verilen sıralama da olmuştur. FGD sistemi, kolon geometrisi ve sprey seviyelerindeki borulamalar öncelikli olarak Siemens NX CAD program yardımıyla oluşturulmuştur. Sprey seviyeleri geometrideki basitleştirme nedeniyle yüzey olarak modellenmiştir. Hazırlanan geometri Ansys-SpaceClaim programına aktarılarak gerekli tanımlamalar yapılmış ve Ansys-Meshing programına gönderilmiştir. Ansys-Meshing de uygun olacak büyüklükte çözüm ağı oluşturulmuş ve sınır şartlarının tanımlamasında gerekli yüzeyler isimlendirilmiştir. Modelleme ve çözücü olarak kullanılan Fluent programında açılan çözüm ağında gerekli tanımlamalar yapılarak çözüm sonrasında sonuçlar alınmıştır. Literatürden edinilen bilgiler ile baca gazı kükürt arıtma sistemi kabul edilen bazı basitleştirmeler ile enerji santrali ölçeğinde modellenmiştir. Bu basitleştirmeler, püskürtülen damlacıkların yoğunluğunun baca gazına oranla çok daha büyük olduğu ve bunun sonucu olarak da diğer kuvvetlerin sürüklenme kuvvetinin yanında ihmal edebileceğidir. Damlacıklara etki eden sürüklenme kuvveti hesabında ise damlacıkların küresel formda olduğu kabul edilen yaklaşım kullanılmıştır. Aynı zamanda baca gazı ile iki-yönlü etkileşim gerçekleştirdiği diğer bir kabul olmuştur. İki fazlı akış için Euler ve Lagrange yaklaşımları matematik modellemede genellikle kullanılır. Lagrange yaklaşımın avantajı, damlacıkların özellikleri (çap, yoğunluk, vs.) birbirlerinden farklı olabilmesidir. Bu çalışmada da Euler-Lagrange yaklaşımı bu sebeplerden ötürü kullanılmıştır. Gaz fazı Euler olarak tanımlanırken, püskürtülen damlacıklar Lagrange yörünge yaklaşımı ile ayrık faz olarak modellenmiştir. Ayrık fazın modellenmesi ayrıntı olarak gerçekleşmektedir. Özellikle çalışılan model ölçeğinde çok fazla püskürteç olduğundan, toplamda 460 adet, her bir püskürtecin koordinat bilgisi ve özellikleri ile birlikte tanımlanması gerekmektedir. Bu işlem için MATLAB programı ve püskürteç özelliklerinin tanımlandığı Excel dosyası kullanılmıştır. Damlacıkların kolon duvarına çarptıktan sonra nasıl davranacağı modele eklenen UDF kodu ile yönetilmiştir. Duvara çarpan her bir damlacık geliş açısı ve hızı kullanılarak yansıma açısı ve hızı hesaplanır. Bu hesaplamalarda referans olarak Weiss ve Wieltsch'ın nümerik ve test çalışmaları alınmıştır. Öncelikle püskürteçler çalıştırılmadan analiz edilerek gaz fazı için yakınsama sağlanmıştır ve bunun sonuçları karşılaştırma yapılabilmesi için verilmiştir. Gaz fazı yakınsadıktan sonra ayrık faz zamana bağlı parçacık takibi ile birlikte aktif edilmiştir. Soğutucu bölge ve ikinci bölgedeki püskürteçler tüm analizlerde çalıştırılmışken, genellikle santrallerde yedek olarak bırakılan birinci seviyedeki püskürteçler tek bir analiz şartında çalıştırılmıştır. Tepsi modellenirken gözenekli-atlama sınır şartı tepsinin konumlandırıldığı yüzeyde uygulanmıştır. Gözenekli atlama için gerekli katsayılar literatürde %50 açıklık oranındaki delikli-plaka değerleri ve plaka üzerinde tahmini olarak birikecek bulamaç yüksekliği değerleri girilmiştir. Geometriye yüzük eklenmesi ise model geometrisinde yüzük yüzeyi oluşturularak, bu yüzeye duvar sınır şartı tanımlanmıştır. Son iki bölüm olan sonuçlar ve yorumlar bölümde ise, her bir analiz sonucu hız ve basınç figürleri ile birlikte verilmiş ve karşılaştırmalı grafikler ile tasarım faktörlerinin etkileri özetlenmiştir. Bu bölümlerden tepsideki basınç düşümünün baca fazı akışını düzeltici etkisi olduğu görülmektedir. Ancak bu basınç düşümü işletme maliyetlerini artıracaktır. Baca gazı kükürt arıtma sistemlerinin kükürt arıtma veriminin düşmesi özellikle kolon duvarlarında savuşan gaz neden olmaktadır. Duvar bölgelerine yakın püskürteç konulamaması ve püskürülen bulamacın duvardan akıp gitmesi verimsizliğe sebep olmaktadır. Bu sebeple önerilen tasarıma yüzük eklenmesi analiz sonuçlarından da açıkça duvara yakın bölgelerde hızlanarak kükürt giderimi olmadan kaçan baca gazının kolon merkezine doğru toparlayarak bulamaç ile buluşmasına yardımcı olur. Ek kısmında baca gazı sistemlerinde modelleme öncesinde yapılabilecek basit uygulamalar verilmiş ve kullanılan UDF kodu ile sonuç olarak alınan fakat raporda grafik olarak verilen değerler paylaşılmıştır. Ayrıca bu çalışmada konik püskürteç tanımlandığı için, ayrıntılı olarak konik püskürteç için tanımlanması gereken parametreler açıklamaları ile birlikte Ansys Fluent Kullanıcı dokümanından özetle aktarılmıştır.