Çan bölgesi linyitlerinin akışkan yatak yanma sürecindeki davranımı

Abstract

ÖZET. Bu çalışına, Çanakkale-Çan Bölgesi linyitlerinin akışkan yatak yanma sürecindeki davranımları konusunda, bilgi ve veri elde etmeye ve söz konusu linyitlerin yakıldığı akışkan yataklarda kararlı yanmanın koşullarını saptamaya yönelik olmuştur. Bu amaçla yürütülen deneysel çalışmalar boyunca şu konular üzerinde durulmuştur: 1- Adı geçen linyitlerin yakıldığı akışkan yataklarda sıcaklık dağılımı, bunu etkileyen faktörler, kararlı yanmanın alt ve üst sınırları, linyit taneciklerinin yanma sürecindeki davranımları ve işlevsel belgelerin etkinlikleri, 2- Aglomerasyon, aglomerasyonun gerçekleşmesi sırasında ortaya çıkan belirtiler, aglomerasyonda rol alan çeşitli fiziksel etkenler, aglomerasyon öncesi Süreçler ve bunların sıcaklık dağılımı ile.basınç düşüşü davranmana yansımaları. Deneysel çalışmalarda kullanılan linyit numuneleri, Türkiye Kömür işletmeleri (TKİ), Çanakkale-Çan Bölgesinden sağlanmıştır. Çan-1 Ocak bölgesinden, değişik kotlarda iki ayrı numune halinde alınan linyitler, farklı özelliklerinden dolayı C-l ve C-2 kot numaraları ile tanımlanmıştır. Çan- 3 Ocak bölgesinden ve çeşitli kotlardan bir karışım halinde elek çıkışından alınan numune ise C-3 olarak kutlanmıştır. Deneysel çalışmalar, paslanmaz çelik malzemeden yapılmış, 110 mm iç çapında ve silindirik bir gövde şeklindeki akışkan yatak kullanılarak ger çekleştirilmiştir. Söz konusu akışkan yatak, yanma ortamının koşulları göz önüne alınarak, sürekli çalışabilecek şekilde tasarlanmıştır. Sıcaklık dağılımı ve aglomerasyon sürecini etkileyen değişkenler olarak, linyitin türü, tanecik boyutu, dinamik ve statik yatak yükseklikleri, yatak malzemesinin türü, tanecik boyutu ve hava hızı seçilmiştir. Linyit numuneleri, öğütüldükten sonra elenerek, 1-2, 2-3.15, 3,15-4 ve 4-5 mm lik tanecik boyutu aralıklarına ayrılmıştır. Tanecik boyutu değiştirilerek yürütülen deneylerden elde edilen sonuçlar, küçük linyit taneciklerinin yakıldığı, akışkan yataklarda, serbest bölge sıcaklıklarının daha yüksek kaldığı ve aktif yatakla serbest bölge sıcaklıkları arasındaki farkın küçüldüğünü göstermiştir. Buna karşılık, tanecik boyutu büyüdükçe aktif yatak içinde sıcaklık dağılımı daha tekdüze bir şekilde gerçekleşmiştir. Yatak malzemesi tanecik boyutunun büyümesi, yatak içi sıcaklık dağılımını olumsuz yönde etkilemiştir. Deneylerde, ortalama tanecik boyutu 0.49 mm, 0.85 mm ve 1.2 mm olan üç kum fraksiyonu kullanılmıştır. 0.49 mm lik kum içeren akışkan yatakta, 10 m /h hava debisi ile yürütülen deneyler de-, aktif yatak içinde tekdüze bir sıcaklık dağılımı gerçekleşirken, ben zer koşullarda, 0,85 m lik kumla yapılan deneylerde, yatak yüzeyine karşılık gelen kesite yakın bölgelerde maksimum sıcaklıklar kaydedilmiştir. 1.2-IV-' mm lik kum ortamında ise, kötü akışkanlaşmadan ve karışmadan dolayı kararlı yanma sağlanamamıştır. Kömür debisi sabit tutulup, hava debisi değiştirilerek yürütülen yanma süreçlerinde,' yatak içi sıcaklıklar, hava hızındaki sürekli artışa karşın b.ir. maksimumdan geçtikten sonra, düşmeye başlamıştır. Dört ayrı boyuttaki linyit tanecikleri ile tekrarlanan süreçlerde, sıcaklık dağılım} farklılıklar göstermesine karşın, benzer davranım geçerliliğini korumuştur. Dinamik yatak yüksekliğinin, belirli sınırlar içinde kalmak koşulu ile arttırılması, özellikle aktif yatak hacminde daha etkin bir sıcaklık.dağılımını sağlamak açısından olumlu bir etki yaratmıştır. 100, 150, 200 ve 300 mm lik dinamik yatak yüksekliklerine sahip akışkan yataklarda yürütülen de neyler boyunca, en iyi sıcaklık dağılımı 300 mm lik dinamik yatak yüksekliği ile elde edilmiştir. Dinamik yatak yüksekliği büyük akışkan yataklarda, kül birikmesi sonucu etkin yatak yüksekliği büyüdükçe, başka bir deyimle yatak seviyesi yükseldikçe, sıcak bölge ekseninin, buna paralel olarak, yukarıya doğru hareket ettiği belirlenmiştir. Bu durum, linyit taneciklerinin, özellikle uçucu madde yanması sırasında, yatak yüzeyine yakın bölgelerde kalarak yanmalarından kaynaklanmaktadır. Yatak malzemesi miktarının fazla olması, diğer bir anlamda, statik yatak yüksekliğinin büyük olması, ortamda kül/yatak malzemesi oranını düşür düğünden, sıcaklık dağılımını olumlu yönde etkilemiştir. Deneylerde yatak malzemesi olarak kumun yanısıra dolomit ve kireçtaşı da kullanılmıştır. Bu Uç madde ile gerçekleştirilen yanma süreçlerinin sonuçları, dolomit ve kireçtaşının sıcaklık dağılımı açısından daha etkin bir ortam oluşturduklarını ortaya koymuştur. Akışkan yatakta sıcaklık dağılımı, kullanılan numunelerin özelliklerinden etkilenmektedir. C-2 ve C-3 linyit numunelerinin yanma süreçlerinde, genel olarak, en yüksek sıcaklıklar yatak yüzeyine yakın bölgelerde kaydedilirken, Ol -yakılan deneylerde sıcaklık daha tekdüze- bir dağılımla aktif ya tak hacmine yayılmıştır. Bu farklı davranman, numunelerin kül içeriklerinin farklı olmasından ileri geldiği sanılmaktadır. Kül içeriği düşük olan Ol in yandığı akışkan yataklarda benzer koşullarda daha az külün birikmesi ve kül/yatak malzemesi oranının düşük kalması, karışma etkinliğinin uzun süre bozulmasını önlemektedir. Yanma sistemi olarak kullanılan akışkan yataklarda yanma, kullanılan yatak malzemesi ve yakıtın özelliklerine bağlı olarak belirli sınırlar için de kaldığı sürece, kararlı ve sürekli olabilmektedir. Kömür yakılan söz konu su sistemlerde, kararlı yanmanın alt sınırını kömürün tutuşma sıcaklığı, üst sınırını ise külün, aglomerasyon sıcaklığı belirlemektedir. Aglomerasyon, yanmanın süregeldiği akışkan yatakta, çeşitli nedenlerle, belirli noktalarda başlamak üzere, kül ve yatak malzemesi taneciklerinin birbirine yapışması ve bunun tüm yatak kesit alanına yayılması sonucu, sis temin bütün özelliklerini ve işlevini yitirmesi olayıdır. Bu `deneysel çalışmada, linyit yakılan akışkan yatakta aglomerasyonun başlaması ve gelişmesi; serbest bölge ve yatak yüzeyinde yapılan gözlemler-V- ile sıcaklık basınç düşüşü ölçümleri yapılarak incelenmiştir. Çıplak gözle yapılan gözlemlerden, serbest bölge ye yatak yüzeyinde gelişen olayların, yanma sürecinin sağlıklı olup olmadığı konusunda önemli ipuçları taşıdığı anlaşılmıştır. Normal yanma süreçlerinde,, uçucu madde çıkışı ve yanması tüm yatak kesiti ve serbest bölge boyunca gerçekleşmiştir. Yatak içinde herhangi bir nedenle akışkanlaşmanın bozulması veya aglomerasyonun başlaması ile birlikte uçucu madde alevleri belirli noktalarda yoğunlaşmakta ve renkleri sarımsı beyazdan koyu sarıya dönüşmektedir. Dağıtıcı elekten itibaren 10 mm yüksekte başlayarak yapılan sıcaklık ölçümleri, aglomerasyon başlamadan çok önce, dağıtıcı elek civarında sıcaklığın yavaş, ancak sürekli bir tempo ile düştüğünü göstermiştir. Bu gelişmeler, aglomerasyon öncesinde, sistemin bir ayrışma - durgunlaşma (segregation-deflu- idization) ön aşamasından geçtiğinin bir belirtisi olmuştur. Aglomerasyonun başlaması ile birlikte, dağıtıcı elek civarında sıcaklık hızla düşerken, aktif yatak ve serbest bölgedeki sıcaklıklar hızla yükselmiştir. Ayrışma-durgunlaşma sürecinde, yatak basınç düşüşünde de, benzer bir şekilde, sürekli ancak yavaş bir düşmenin gerçekleştiği anlaşılmıştır. Aglomerasyonun başlaması ile birlikte, düşme büyük bir hız kazanmış ve aglomerasyon sürecinin son aşamasında görece küçük bir değer de sabit kalmıştır. Deneysel çalışmalarda, üç ayrı linyit numunesi kullanılmasına karşın, aglomerasyona yönelik çalışmalar, olumsuz özelliklerinden dolayı, daha çok C-3 linyit numunesi üzerinde yoğunlaştırılmıştır. Dört farklı boyuttaki linyit tanecikleri ile benzer koşullarda yapılan deneyler, tanecik boyutunun büyümesi ile birlikte aglomerasyonun başlama sıcaklığında, sınırlı bir artışın gerçekleştiğini göstermiştir. Linyit taneciklerinin yanısıra, kullanılan yatak malzemesinin tanecik boyutu da aglomerasyon sürecini etkilemektedir. Ancak bu etkileme olumsuz yönde olmaktadır.. Hava debisinin, dolayısıyla hava hızının artması, kararlı yanmayı olumlu yönde etkilemiştir. Aynı koşullarda yürütülen C-3 yanma deneylerinde, hava debisinin 5 m³/h arttırılması ile aglomerasyon sıcaklığında yaklaşık 100° lik bir artış sağlanmıştır. Hava debisindeki olumlu etki, diğer iki linyit numunesi için de geçerliliğini korumuştur. Dinamik yatak yüksekliği farklı olan akışkan yataklarla yürütülen de neylerden elde edilen sonuçlar, dinamik yatak yüksekliğindeki artışın aglomerasyonu önlemek açısından olumlu bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Ancak bu artış belirli bir değerden sonra hidrodinamik.özelliklerin bozulmasından dolayı, olumlu etkisini yitirmektedir. Statik yatak yüksekliği büyük olan akışkan yataklar, kararlı yanma, başka bir deyişle aglomerasyonun önlenmesi açısından daha güvenli olmuştur. Kum, dolomit ve kireçtaşı içeren yataklarda yürütülen deneyler.aglomerasyon olayının, kömürün özelliklerine bağlı olmasına karşın, sistemin hidrodinamik özelliklerinden de etkilendiğini ortaya koymuştur. Dolomit ye kireç--VT- tas inin, sıcaklık dağılımında gösterdikleri üstünlükler, doğal olarak aglomerasyon sürecine yansımıştır. Benzer koşullarda, kum, kireçtaşı ve dolomit içeren yataklarda, 10 m /h lik hava debileri ile sürdürülen C-3 yanma deneylerinde aglomerasyon sırasıyla, 780°C, 870°C ve 860°C da b.aşlamıştır. Yukarıda sözü edilen bütün değişkenler, aglomerasyon öncesi ayrışma- durgunlaşma sürecini de, olumlu veya olumsuz aynı paralelde etkilemiştir. Deneyler boyunca kullanılan üç linyit -numunesi küllerinin anorganik yapıları ile aglomerasyona uğrama eğilimleri bir arada değerlendirildiği zaman, Na2O ve K2O içerikleri zengin linyitlerin daha düşük sıcaklıklarda aglomerasyona uğradıkları dikkati çekmiştir. Çeşitli deney koşullarında gerçekleştirilen yanma boyunca, C-l, C-2 ve C-3 linyit numuneleri sırasıyla, 700-1000°C, 700-1100°C ve 680-900°C sıcaklık aralıklarında, kararlı yanmayı sürdürmüştür.

S U M M A R Y FLUIDISED BED COMBUSTION BEHAVIOUR OF THE LIGNITES FROM THE ÇAN REGION The aim of this study is to collect fundamental knowledge and data on the behaviour of Çanakkale-Çan region lignites and it is also aimed to establish the steady combustion conditions in a fluidised bed. During the experimental investigations, basically the following topics are considered: 1- The temperature profiles and the factors affecting the temperature profiles, the lower and upper limits of steady combustion, the behaviour of lignite particles during the combustion process and the effect of characteristic zones obtained during the combustion of Çan lignites in the fluidised bed. 2- The agglomeration, the indications of the agglomeration as it approaches, various physical parameters that cause agglomeration, processes occuring prior to the agglomeration and its reflection on the temperature profiles and the bed pressure drop. The lignite samples used in the experimental runs were obtained from Çan Regional Office of the Turkish Coal Board (Türkiye Kömür İşletmeleri, TKİ). From the open cast mined section of the Çan lignites, two samples were taken at two different elevations and due to the drastic diffences in their characteristics, they are referred with different code numbers of 0-1 and C-2. From Çan-3 coal seam which is mined underground by conventional methods, a mixture of samples from different elevations is taken at outlet of the sieves. This sample is referred with code number C-3. The fluidised bed used during this study is made from a 110 mm dia meter stainless steel tube and it is designed for continuous operations. The important parameters that are effective on the temperature distribution and agglomeration process were choosen to be the type of the lignite, the lignite particle size, the dynamic and static bed heights, the kind of bed material and its particle size and also the air velocity. The lignite samples used in this study were crushed and sieved to 1-2, 2-3.15, 3.15-4 and 4-5 mm particle sizes. In the experiments where all the parameters other than the particle size were kept constant, it was observed that the lignite particle size did not affect the temperature profile significantly. However, for the small particle sizes such as those in the 1-2 mm range, the measured freeboard temperatures were higher and the temperature difference between the active bed and freeboard was smaller. On the other hand for smaller particle sizes smaller temperatures are measured at the vicinity of the distributor plate. The data from a set of experiments where the change of the particle size of the bed material was investigated, showed that an increase in the particle size resulted in the distortion of the temperature profile in the active bed. In the case of the sand as the bed materials three different average particle sizes öf 0.49, 0.85 and 1,2 mm were used. When the average particle size and the air flow rate were kept constant at 0.49 mm and 10-vırt- m3/h, respectively, an increase in the lignite particle size resulted in a more uniform temperature distribution in the active bed, for the coarser sand fraction and for the same air flow rate, the maximum temperature was at the surface of the bed which corresponded to the level of the feeding point. In the extreme case where 1.2 mm average particle sized coarse sand and 10 m3/h air flow rate were used, stable combustion could not be achieved due to the' poor fluidisation. However, stable combustion was achieved when the air flow rate was increased to 14 mVh, but there was' substantial dif- fenceş in the temperature along the axis of the bed. When the coal feed rate was kept constant and the air flow rate was increased, starting at a certain point,, the bed temperature initially decreased, then became steady or increased a little and finally decreased steadily. Eventhough measured temperatures were different, for the four lig nite particle, sizes, the effects of the change in the air flow rate on the bed temperature were similar, When the 2-3.15 mm particle size fraction of the C-2 lignite was burnt while changing air velocities from 0.95 Ws to 1.41 m/s, a maximum was obtained at the air velocities between 1.10-1.22 m/s. In a fluidised bed cömbüs tor concomitant increase of the bed tempera ture and air velocity results in an increase in the rate of combustion. However,; after the air flow rate reaches certain values, because of the increase in the elutriation and the amount of heat loss from the system, the bed starts to cool down.. mien the dynamic bed height was. increased within certain limits the active, hed temperature distribution became more uniform, among the dynamic bed heights of 100, 150, 200 and 300 mm, the most uniform bed profile was obtained for the 300 mm bed. For the large dynamic bed heights, as the effective bed height increases due to the ash accumulation, the hot region moves upwards.. This/change is a direct consequence of the combustion charac teristics of lignites in fluidised beds. Lignite particles, especially during devolatilization and the volatile combustion localise, generally, at the upper sections of the active bed. In the case of large dynamic bed heights,' the elutriation of the smaller bed material, is hindered which improves the quality of the fluidisation. However keeping the dynamic bed height too high resulting in excessive ash accumulation will deteriorate the temperature profile, in time. Having more material in the bed results in a more uniform temperature distribution, because for large static bed heights the ratio of the ash/bed material is smaller forming a more effective fluidisation medium. Using, sand, limestone and dolomite as the bed materials in the experiments showed that the limestone and dolomite are more suitable for an even heat distribution j.n the bed compared to the sand. Inert bed material like sand keep its original size during the course of the experiments, and pn the other hand elutriation of the smaller particles cause the ratio of the coarser particles to increase, This two phenomena result in unfavorable hydrodynamical conditions. TJolomite and limestone are, more or less, reactive materials and they are calcined at the high combustion temperature. This changes their particle size and density which increases the intensity of mixing in the bed. In C- 2 and C-3 lignite combustion experiments, it is, generally, ob served that the upper regions of the active bed were hotter, however, when C-l was burnt a comparatively more uniform temperature distribution was ob--IX- tained in all over the active bed. On the other hand the differences bet ween the active bed and freeboard temperatures were greater for C-l compared to other two samples. The difference in the behaviour of these lignite samples may be due to the ash contents of then. The ash content of C-2, C-3 and C-l lignite samples were 34, 17.7 and 82 respectively. Therefore for the experimental runs where C-l is fed, the amount of the ash accumu lated in the system was much. smaller compared to the other two samples which consequently kept the ash/bed material ratio lower. This in turn kept the intensity of mixing in the bed at a higher level. Majority of the fluidisid bed applications are high temperature processes. When fluidised beds are used as combustion systems, the combus tion may be steady within specific temperature limits depending on the bed material and the fuel characteristics. For coal fired systems the lower limit for the steady combustion is the coal ignition temperature and the upper limit is the agglomeration temperature of the ash. The agglomeration.is the sticking of the ash either to ash or to bed material after certain operational level due to various factors. When agglomeration spreads throughout the bed, all fluidisation characteristics will be lost and the combustion process will be terminated. During the course of the experiments the starting up and the development of agglomeration is studied by observations along the freeboard and on the surf ace of the bed. and also by measurements of temperature and pressure drop along the whole bed., It is observed that at the initiation stages of agglomeration, the volatile matter flames concentrated at a certain region of the bed surface. The freeboard combustion patterns also gave strong indications about the development of the agglomeration. During the normal combustion the lignite particles falling on the top of the bed were carried all over the cross section of the bed and combustion took place all over the. bed and freeboard. When mixing in the bed was restricted or defluidisation tendencies were developing, the volatile matter flames concentrated, mostly around the feeding point. At the same time the yellowish white colour of the volatile flame turned dark yellow. Since agglomeration starts and develops due to the distortion of the heat balance, all the stages of its development is reflected in the tempe rature distribution in the bed. For this reason the temperatures in the bed are continuously measured at 10, 35, 50, 100, 150, 200, 250 and 350 mm away from the distributor plate. These temperature measurements showed that before the agglomeration physically appears, the temperatures around the distributor plate start to drop slowly and continuously. This observation indicates that system prior to agglomeration passes through a segregation-defluidisation stage. As Soon as the bed agglomerates, the temperature at the vicinity of the distributor plate drops drastically while temperatures at the active bed and freeboard increase steeply. During the segregation-defluidisation stage, the bed pressure drop changes in parallel to the temperature reading near the distributor plate which drops slowly and continuously. After the start of the agglomeration the rate of the pressure drop increased and within 1 or 2 minutes approached a final value. Eventhough the experiments are generally carried out using threedifferent lignite; samples, the agglomeration studies are done mostly on C-3. This choice was made due to the high tendency of this sample to agg lomerate in the fluidised bed cömbustor. For the experiments- carried out on-C-3 lignite.using 1.4, 2.6, 3.5 and '4.55 mm average particle sizes, it` was observed- that there was a limi ted increase. in the agglomeration temperature as the particle size was increased. When -.0. 85 mm.. average particle size sand was used as bed material, the jhed ftggloine ration- temperature,s ' were measured to be. around 76Q°C and &XSi0Çr£o%..the smallest and the coarsest size lignite, respectively...~'* `The particle size' of the bed material also affects the agglomeration -process.` For 0< 49 mm average, particle size sand,.10 m-Vh air flow rate, and 2-3.15 mm Cr3 lignite the bed temperature, was S^O^C at the start of the., agglomeration. When. 0, 85. mm average particle size sand was used the agglo meration temperature, dropped, to 760°C, For. the. same.lignite fraction and for the. average sand particle size of 1.2 mm, stable combustion could not be sustained. At higher air velocity, rates the differences observed due' to the change in, particle size.of- the bed material were less. The increase in the air flow rate affected the steady combustion favorably. In the experiments. with C-3 under similar coaditions when the f luidişation; air flow rate increased from 9 m3/h to 14 srtyh £he agglomera tion temperature increased by -100°. The favorable effect of the increase in the air flow, rate on the. upper limit bf the. steady combustion is also observed, during the experiments with C-l lignite.. For the limestone bed an increase of the. air flow rate of. 6 m3/h increased- the agglomeration by 40°. The. increase in the dynamic. bed height contributed to the prevention of agglomeration occuring at lower temperatures. However after a certain bed height, the increase of dynamic; bed height loses its positive effect. For a bed burning Cf3;and fl'uidised at an air. flow rate of 10 m3/h,uhen dynamic bed height was increased from 100 sma to 300 mm, the agglomeration temperature improved by approximately 90° Similar improvements in agglo meration temper ature were also obtained for C-l and.C-2. In the experimental runs, where the static' bed height was kept high, the steady combustion or the prevention' of agglomeration were easier to achieve. But the positive effect of static bed: height was limited. Regardless of the kind of the bed material being, sand, limestone or dolomite, it is observed that- in all. the experiments the agglomeration was dependent on coal characteristics' and hydrodynamics of the system. The better quality öf the f luidişation obtained for limestone and dolomite compared to the sand is reflected on the agglomeration process as well. Under similar operational conditions, when the fluidisation air flow rate was 10 m3/h and the fuel was C-3 lignite, the agglomeration temperature were 780, 870 and 860°C for sand,, limtstone and dolomite beds respectively. As the air flow rate increased, the difference in the agglomeration tempe rature imposed by the kvs? öf the bed materials became less important.-XI- All these parameters besides affecting the agglomeration process, Also affect the initiations stages of the segregation-defluidisation process in the saine manner'.. In the experiments carried out on C-2 lignite at Various conditions, the agglomeration is indicated to take place between 980-110O°C. The combustion 1 process of the C-2 sample is not as dependent on the changing parameters as I the other samples. When agglomeration tendency of different samples are compared on the basis of the inorganic analyses of their ashes, it is observed that C-3 which.. j has the lowest agglomeration temperature is richest in terms of Na2O and.K2O. C-3 ash sample cpntaines 2 and 3.9 times more Na^O when compared to C-l and C-2 ash samples, respectively. Similarly, it contains 2 and 2.7 times more Na20 and K2O Jtn total than those of C-l and C-2, respectively, Among these three samples tested in this study, C-2 consistently, had the highest agglomeration temperature.