Soot formatıon ın ındustrıal burners

Abstract

Bu tez, endüstriyel brülörlerde görülen kurum oluşumu (koklaşma) sorununu ısıl yöntemler ve morfolojik karakterizasyon ile incelemektedir. İncelenen numune (FG), rafineri yakıt gazı (RFG) yakılan ve tıkanıklık nedeniyle bakıma alınmış olunan bir brülörden elde edilmiştir. Elde edilen numune, havanda ezilmiş ve parçacık çapı etkisini minimuma indirgemek için eleklerden geçirilerek çapı 75-106 μm aralığına getirilip toplanmıştır. Yapılan termogravimetrik analizler (TGA), numunenin yanma karakteristik sıcaklıklarını tespit etmekte kullanılmıştır. Değişken sıcaklıklarda yapılan TGA deneylerinde dört ana karakteristik sıcaklık tespit edilmiştir: Uçucuların örneği terk etmeye başladığı sıcaklık (Tv) ~630-640 °C, numunenin tutuşmaya başladığı sıcaklık (Ti) ~700-720 °C, yanma tepkimesinin en hızlı olduğu andaki sıcaklık (Tp) ~815-830 °C ve yanmanın tamamlandığı sıcaklık ise (Te) ~915-920 °C olmuştur. Sabit sıcaklıkta yapılan TGA deneyinde, değişken sıcaklıkta bulunmuş olunan Ti sıcaklığı incelenmiştir. Numune içeriğinin değerlendirilmesi adına, CO2, CO, H2O ve SOx salınımlarını incelemek için TGA'ya bağlanmış bir Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrometrisi (FTIR) cihazı kullanılmıştır. FTIR sonuçlarında CO2, CO gözlenirken H2O ve SOx moleküllerine rastlanmamıştır. Bu durum RFG kompozisyonundaki değerlerle çeliştiği için X-Işını Difraktometresi (XRD) yöntemine başvurulmuş, sonucunda 2H-kristal yapısına sahip grafit tespit edilmiştir.viiiBu durumu doğrulamak için Enerji Saçılımlı X-Işını (EDX) analizine başvurulmuş ve madde içeriğinin karbon olduğu ancak Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntülerinin kristal yapıda olmayan karbonlu yapılardan oluştuğunun tespit edilmesi üzerine RAMAN analiz yöntemine başvurulmuş ve numune içeriğinde amorf yapıda karbon olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle numune içeriğinin heterojen yapıda olduğu ancak baskın formun amorf karbon olduğuna kanaat getirilmiştir. Oluşan kurumun morfolojisi de incelenmiş olup SEM ve Yüksek Çözünürlüklü Transmisyon Elektron Mikroskobu (HRTEM) yöntemlerine başvurulmuştur. SEM görüntülerinde çeşitli geometri ve büyüklükte, topaklanmış yapıda parçacıkların olduğu görülmüştür. Bu yapıların yüzeylerine bakıldığında zincir şeklinde karbonlu yapılar gözlenmiştir. Morfolojinin daha değerlendirilmesi için HRTEM yöntemi kullanılmış ve bahsi geçen karbon zincirlerinin yakından incelenebilmesi sağlanmıştır. Bu yöntemde, karbonlu yapının herhangi bir grafen düzlem içermediği ancak amorf matris içinde kristal yapıda noktalar gözlenmiştir. Bununla beraber, atomlar arası mesafelerde ≃1 nm kadar sapmalar gözlenmiştir.

This thesis examines the problem of soot (also known as coke) formation in industrial burners by thermal methods and morphological characterization. The fuel gas soot (FG) was collected during maintenance stop(s) of a burner in which refinery fuel gas (RFG) is burned. The obtained sample is crushed in a mortar and sieved to 75-106 μm, to minimize particle diameter effects. Thermogravimetric analysis (TGA) is used to determine the combustion characteristic temperatures of the sample. In the TGA experiments which are carried out at non-isothermal conditions, four main characteristic temperatures were determined: the temperature at which devolatilization starts (Tv) ~630-640 °C, the temperature at which the sample ignites (Ti) ~700-720 °C, the highest reaction rate temperature (Tp) ~815-830 °C and the burnout temperature (Te) ~915-920 °C. Non-isothermal TGA trials allowed to find the target temperature (Tt) for the isothermal trials. For the evaluation of the sample content, a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) instrument connected to the TGA is used to examine the CO2, CO, H2O and SOx emissions. While CO2 and CO molecules exist from ignition until burnout, no signs of H2O and SOx molecules are observed. Considering the RFG composition, this is an unexpected situation and further evaluation was needed. The X-ray Diffraction (XRD) method is applied and graphite with 2H-crystal structure is observed. To provide further insight, Energy DispersiveviX-Ray (EDX) analysis is applied and it is determined that the substance content is carbon. Because Scanning Electron Microscope (SEM) images were composed of non-crystalline carbon structures, which is in contradiction with the XRD results, RAMAN method is applied, and the sample content is found to be amorphous carbon. Therefore, the sample content is heterogeneous, but the dominant form is amorphous carbon. The morphology of the soot is also examined with SEM and High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) methods. SEM images show that the particles of various geometry and sizes exist in agglomerated forms. Observation of the surfaces of these structures revealed chain-like carbon structures. For further evaluation of morphology, HRTEM method is used and the mentioned carbon chains are examined closely. In this method, it is observed that the carbonaceous structure did not contain any graphene plane, but some crystalline nodes in amorphous matrix and deviations of interatomic distances in the order of mesoscopic scale (≃1 nm) exist.