Suyu Fazla Olan Atıkların Kurutulması
Veya Su İçeriğinin Düşürülmesi
Su molekülünü tutan diğer molekülden kurtarıp serbest hale getirmek için ısı enerjisi vermek gerekir.Bu ısı da çevresindeki ısıtıcıdan alınır, o da soğur.Sıvının sıcaklığı ne kadar düşükse buharlaştırmak için o kadar da çok enerjiye ihtiyaç var demektir.
0 20 40 60 80 100 C
2600 600
2500
580
2300 560
273 293 313 333 353 373 K
Şekil : Suyun buharlaşma ısısı.
Isı iletimi için Fourier Denkleminden yararlanılmaktadır.
q= - l .dt/ds (KJ/m^2.h)
s kalındığındaki sınır tabakası için ise
q= l /s (t1-to)=a(t1-to)
to=Suyun yüzeyindeki sıcaklık (K olar
ak)t1=Sınır tabakadaki hava sıcaklığı (K olarak)
a= Isı geçiş sayısı (kj/m^2.h.k)
l =Isı iletim sayısı (kj/m.h.K)
s=M olarak sınır tabakası
Madde taşınımı için ise Fick yasasından yararlanılmaktadır.
g=-D.dc/ds (kg/m^2.H)
g=D/S.(Co-C1)=b .(Co-C1)
D=difüzyon sabiti (m^2/h)
Co=Yüzeydeki konsantrasyon (kg/m^3)
C1=Sınır tabakanın kıyısındaki konsantrasyon (kg/m^3)
b =Madde taşıma sabiti (m/4)
Burada konsantrasyon (C) yerine kımi basınç da elde alınabilir :
P
R .T Pdo=Yüzeydeki buhar kısım basıncı(kg/m^2)
Pde=Sınır tabakası yanındaki buhar basıncı (kg/m^2)
Difüzyon akım şiddeti T =Sıcaklık (K)
b R=Gaz sabiti (m kg/kg.K)
R *T
Suyun entalpisi (ısı içeriği):
J=Cm.Dt (kj/kg)
I=Isı içeriği (entalpi) kj/kg olarak
Cm=Ortalama özgül ısı;273 ile t K arasında;kj/kg.K
T=Sıcaklık(K)
Suyun entalpisi 273 K’de “o” ise ;tK ısıtılmış buharın ısı içeriği (İD):
İD=Fazla ısıtılmış buharın ısı içeriği (kj/kg)
İD=Fazla ısıtılmış buharın ısı içeriği (kj/kg.K)
CW=Suyun ortalama özgül ısısı (kj/kg.K)
r=ts’deki suyun buharlaşma ısısı (kj/kg)
CPD=Buharın ortalama özgül ısısı (kj/kg.K)
T=Fazla ısıtılmış buharın sıcaklığı(K)
Atık kurutma için yapılacak enerji bilançosunda aşağıdaki özgül ısı, erime ve buharlaşma ısısı esas alınmalıdır:
Özgül ısı :
273-373 K su için 4,29 kj/kg..(K-273)
Kuru katı madde ve kül 1,26 kj/kg.(K-273)
273-773 K hava ve kuru duman 1,00-1,09 kj/kg.(K-273)
%60 nemli hava ve duman 1,38 kj/kg (K-273)
373-773 K arasındaki su buharı 1,88-2,09 kj/kg (K-273)
Erime noktası (buzun suya 273 K’de) 331 kj/kg
Suyun 373 K’de buharlaşma ısısı 2261 kj/kg
Hava ağırlığı 1,29 kg/Nm^3
Bazı yakıtların ısıl değerleri:
Fuel oil Hu 41,900 kj/kg
Taş kömürü Hu 35,600 “ “
Linyit Hu 27,200 kj/kg
Biyogaz Hu 23,500 kj/Nm^3
Rafineri gazı Hu 23,500 “ “
Şehir gazı(hava gazı) Hu 18,400 “ “
Hu değerleri doğrudan ölçüleme
z;Ho tayin edildikten sonra hesaplanr.Hu=Ho-2450(W+gh) (kj/kg)
Hu=Alt ısıl değeri
Ho=Üst ısıl değeri
W=Yakıtın ağırlık yüzdesi olarak su içeriği
2450=293 K’deki suyun buharlaşma ısısı
h=Yakıtın ağırlık olarak hidrojen miktarı
Dumanlı Kurutucu (Atık gazl
a) için madde ve enerji bilançosu:Kurutucuya giren ve çıkan madddelerin ağırlkları karşılaştırılır:
S Ge=S Ga
Ge=Giren maddenin ağırlığı
Ga=Çıkan maddenin ağırlığı
Enerji bilançosu ısı yasasının (Termodinamiğin) 1.maddesine göre elde edilir:
S Q+S L=S Ea-S Ee+S E
Q=Değiştirilen ısı miktarı
L=Değiştirilen iş verimi
Ee=Giren maddenin enerjisi
Ea=Çıkan madenin enerjisi
D E=Enerji değişimi
Kurutucu (Kurutma Odası)
Şekil : Atık kurutucudaki madde bilançosu.
Yanma Odası
Şekil : Atık yakmadaki madde bilançosu.
Örnek çözüm:
Kurutma ünitesine %70 su içeriği olan katı atık verilmektedir. İstenen rutubet yüzdesi ise %30 dur. Tesise saatte 1000 kg katıatık sürekli olarak verilmektedir. Aşağıdaki bilgiler ve veriler ışığında 1 m3 suyun buharlaştırılması için gereksinim duyulan enerji miktarını fuel oil ve kWh üzerinden bulunuz.
Qç=1000 kg/h
%SMb=70
%SMs=30 (?)
Sıcak gaz ve hava karışımı kurutucudaki sıcaklık 873 K olacak şekilde yapılmaktadır.Fuel oil kullanılacak yakma havasını rutubeti ihmal edilecek;
Verilenler:
Çamur pastasının SM %70
Kuru çamurun SM %30
Çamur pastası sıcaklığı 293 K
Hava sıcaklığı 293 K
Sıcak gaz + hava karışımı girişte 873 K
“ “ “ “ çıkşta 473 K
Fuel oil’in ısıl değeri 41,900 kj/kg
Yanma kaybı %10
Sorular:
a)Buharı. m^3 su/h
b)Net ısı ihtiyacı
c)Sıcak gaz+hava karışımı miktarı
d)Atı k gaz+hava karışımındaki su buharı miktarı
f)Geerkli olan fuel oil miktarı
(birim zamanda ve birim kütle için?)
Cevaplar :
a)Çamur kurutmadan önce 300 kg KM Çamur kuruttuktan sonra 300 kg KM
%70 SM old.göre + 700 kg SM + 130 kg SM
1000 kg/h çamur 430 kg/h
kuru çamur
(Yararlanma : %SM hesabı eşitliğinden giderek bulunuz?)
b-a =%SM
b
b=1000
b-300=70
b
1000-300 =700 =0,70
b-300 =0,30
b
b=300 =430
0,7
b=430 kg
b=KM+SM(%30)
%30 SM =b-KM
SM=130 kg
Saatte buharlaşan su miktarı : 1000-430=570 kg/h
b) Net ısı ihtiyacını bulmak için
W=p.Cw.D t (kj/h) denkleminden yararlanmak mümkündür.
Cw=Ortalama özgül ısı (kj/kg.(K-273))
P=kg/h olarak miktar
D t=Sıcaklık farkı K
W=Isı ihtiyacı kj/h
W1 = Suyun 373 K’e ısıtılması için (Cw=4,19)
W1=700*4,19*(373-293)..........=234-640 kj/h
W2 = Katı maddenin 373 K’e ısıtılması için (Cw=1,26)
W2=300*1,26*(373-293)..........=30,240 kj/h
W3 = 373 K’de suyun buharlaştırılması için (Buharlaştırma ısısı ..2261 kj/kg)
W3=570*2261=128879 kj/h
W4 = Su buharının atıkgaz sıcaklığına ısıtılması 473
K(Cw=2,0)
W4=570*2,0*(473-273)=114000 kj/h
Ara toplamı =1.667.650 kj/h
Ara toplamın %10 nu da yansıma kaybı kabul edilmişse:
%10.1.667.650=166765 kj/h
Net enerji ihtiyacı (1 kg Buharlaşana su için):
İ net =1.834.415/570=3.218 kj/kg Buharlaş
an su
c)Sıcak gaz-hava karışımı miktarı (Cw=1.09)
Hgerek =1.834.415 =4207 kg/h (saate gerek duyulan hava ağırlık olarak)
1.09*(873-473)
H=4.207/1.29=3.261 Nm^3/h
Havanın ağırlığı=1,29 =3261 kg/Nm^3
d)Atık gaz-hava karışımındaki su buharı miktarı
D=570/3261=0,175 kg/Nm^3
e)Brüt ısı ihtiyacı(Cw=1.09).
Brüt =4207*1,09*(873-293)=2.659.665 kj/h
Brüt=2,659,665/570=4,666 kj/kg buharlaşan su
f) Yakıt miktarı
Gerekli =2,659,665/41,900=63.5 kg/h
Gerekli =63,5 /570 =0,11 kg Fuel oil/kg buharlaşan su
Katı Atığın Yakılması; Enerji ve Madde Bilançosu
Katı atık veya çamurun içerdiği kuru maddenin enerji içeriğinden çamur suyunun buharlaştırılması için enerjiyi karşılamak amacı ile kullanmak yakmanın amaçlarından birisidir. Katı atığın ısıl değeri içindeki yanabilir madde miktarına bağlıdır.Bunu da basitçe (Yanma Kaybı %YK), kül miktarı üzerinden bulmak mümkündür.Taze çamurun kuru maddesinin ısıl değeri çürük çamurunkinden daha fazladır yani stabilize olmamış katı atığın ısıl değeri d
aha yüksektir (Niçin ?).
Tanner üçgeninde de katı atığın veya atığın %SM , %OM, ve %IOM değerleri ile bir değerlendirilme yapılırsa, üçgendeki düştüğü bölge bulunur ve hesap yolu ile getirisi veya götürüsü hesaplanabilir.
Bir Örnek Çözüm:
Bir atık yakma ünitesine 1000 kg/h çürütülmüş çamur filtre pastası olarak gelmektedir.Yakıt olarak fuel oil kullanılacaktır.Soğutma havası yakma kazanına(fırınına) gönderilmektedir.
Verilenler:
Çamurun %SM %70
Çamurun katı maddesinin kül oranı %50
Çamurun K.M ‘sinin ısıl degeri 10,500 kj/kg
Fuel oil’in ısıl değeri 41,900 kj/kg
Çamurun ve yakma havasının sıcaklığı 293 K
Yanma bölgesindeki sıcaklık 1073 K
Yanmanın ve buhar kazanı çıkış sıcaklığı 573 K
Külün kazan çıkış sıcaklığı 523 K
Sorular:
a)Saatte buharlaştırılan su miktarı
b)KM’den gelen ısı miktarı
c)Bürüt ısı ihtiyacı
d)İlave yakıt ihtiyacı
Yanıtlar:
a)Buharlaşan su miktarı
0,7*1000=700 kg/h
b)Çamur KM’den alınabilecek ısı miktarı
Wy=0,3*1000*10,500=3,150,000 kj/h
Suyun 373 Ke ısıtılabilmesi için
W1 = 700*4,19*(373-293)=2346 40 kj/h
4,19 =Spesivik ısı
373 K de suyun buharlaştırılması için
W2 = 700*2261=1,582700 kj/h
Suyun çıkış gazı sıcaklığına ısıtılması için
W3 = 700*2,09*(573-373)=292 600 kj/h
Külün tuttuğu ısı
W4 = 300*0,5*1,76*(523-293) =43,470 kj/h
Ara toplam 2,153,410 kj/h
Yansıma enerjisi(ısısı) %5:
107,670 kj/hGenel toplam 2,261,080 kj/h
Yararlanılabilir hava –duman gazı karışımı
Hgerek li=2,261,080 =4149 kg/h
1,09*(1073-573)
Duman gazı-hava karışımının yakma sıcaklığına ısıtılması:
Wbürüt=4149*1,09*(1073-573)=3 527 480 kj/h
Çamur kuru maddesinin yakılmasından elde edilen ısı
300*10,500 = 3,150,500 kj/h
c)Gerekli ilave ısı : 3,527,480-3,150,5000=377,480 kj/h
d)Yakıt miktarı : 377.480:41900=9,0 kg/h
Aynı özellikte olan katı atığın entalpisinden yararlanma düşünüldüğünde ve enerji elde edilidğinde brüt ve net enerji ihtiyaçları karşılaştırıldığında, özellikle organik madde miktarı fazla olması ve de az su içermesi halinde enerji bilançosunun pozitif olacağı görülmektedir.
Diğer bütün verileri aynı kabul edip sadece
%SM 30
%Kül miktarı 30
%SM 20
%Kül miktarı 5
verileri değiştirilirse;
Atık türlerine göre aynı problemi çözecek olursak enerji bilançosu ne olur bulunuz?
Buradan da açıkca RDF , BRAM , YDKA üretmenin veya önce mekanik işlem yapmanın sonra yakma tesisine göndermenin yararı görülmektedir.