Gaz Türbinlerinde Alevsiz Yanma

Yüksek sıcaklıkta çalışan sistemlerde, özellikle gaz türbinleri ve endüstriyel fırınlarda, enerji verimliliğini artırmak ve emisyonları azaltmak büyük önem taşımaktadır. Geleneksel yanma yöntemleri, yüksek sıcaklık cepleri ve alev çekirdeği nedeniyle hem ısıl gerilmelere hem de yüksek NOₓ emisyonlarına yol açabilmektedir. Bu noktada alevsiz (flameless) yanma, verimlilik ve düşük emisyon avantajlarını bir arada sunan yenilikçi bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır.

Alevsiz (Flameless) Yanma

Alevsiz yanma, yakıt (metan) ve oksitleyicinin (hava) yüksek sıcaklıkta ve düşük oksijen konsantrasyonunda karışmasıyla, klasik alev çekirdeği oluşmadan gerçekleşen bir yanma yöntemidir. “Alevsiz” denmesinin sebebi, yanma tepkimesinin tek bir noktada yoğunlaşmak yerine geniş bir hacme yayılması ve parlak alev görüntüsünün kaybolmasıdır. Bu sayede daha düşük sıcaklıklar elde edilir.

Klasik (Alevli) Yanma ile Karşılaştırma

Klasik Yanma:

• Yüksek sıcaklık, NOₓ gibi kirleticilerin artmasına yol açar.
• Alev çekirdeği, yanma odasında büyük ısıl gerilmelere neden olabilir.

Alevsiz (Flameless) Yanma:

• Düşük NOₓ ve CO Emisyonları: Yüksek sıcaklık cepleri oluşmadığından NOₓ üretimi azalır, kısmi yanma ürünleri (CO vb.) daha az görülür.
• Daha Homojen Sıcaklık Dağılımı: Tek bir alev çekirdeği olmadığı için ısıl yükler ve sıcaklık gradyanları düşüktür.
• Yüksek Verim ve Daha Düşük Yakıt Tüketimi: Isı geri kazanımı ve iç/dış gaz geri dönüşümü artırılarak enerjinin daha verimli kullanılması sağlanır.

Flame and Flameless Combustion (Alevli ve Alevsiz Yanma)

Yukarıdaki şekilde de görüldüğü üzere sol taraftaki görselde belirgin bir alev çekirdeği varken sağ taraftakinde belirgin bir alev çekirdeği yoktur. Yanma homojen bir şekilde gerçekleşmiştir.

Alevsiz Yanma Sağlama Süreci

Alevsiz yanma elde etmek için genellikle aşağıdaki adımlar takip edilir:

1. Yakıt ve havanın önceden autoignition (kendi kendine tutuşma sıcaklığı) sıcaklığının üstüne ısıtılması.

2. Havadaki O₂ miktarının azaltılması (örneğin, hava egzoz gazlarıyla seyreltilerek oksijen seviyesi düşürülür).

3. Yanma odasında sıcak yanma ürünlerinin geri dönüşümünün (recirculation) artırılması.

4. Karışım kalitesini ve türbülansı artıran brülör ve yanma odası tasarımlarının kullanılması.

Örnek Bir Analiz ve Sonuçları

Örnek bir karşılaştırma çalışmasında, ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak gaz türbini yanma odasında alevli ve alevsiz yanma olmak üzere iki farklı analiz gerçekleştirilmiştir. Alevsiz yanmanın sağlanabilmesi için, yakıt olarak kullanılan metan gazı ve hava, kendi kendine tutuşma sıcaklığı olan yaklaşık 600°C'nin üzerine çıkarılmıştır. Ayrıca, havadaki oksijen oranı %23'den %10 seviyesine düşürülmüştür.

Yapılan analizlerin sonuçları incelendiğinde, klasik alevli yanmada yüksek sıcaklık pikleri ve belirgin bir alev frontu gözlemlenmiştir. Alevsiz yanmada ise, sıcaklık dağılımının daha homojen ve sıcaklık piklerinin belirgin biçimde düşük olduğu ortaya konmuştur. Aşağıdaki görsellerde, ANSYS Fluent ile gerçekleştirilmiş olan analiz sonuçların bulabilirsiniz.

Alevli ve alevsiz yanma analiz sonuçları