Yığın haldeki katı maddelerin bant konveyör ile ilk taşındığı günlerden itibaren toz sorunu her zaman tartışmaya ve araştırmaya açık bir konu olmuştur. Havadaki toz, yığın haldeki katı maddelerin taşınması sırasında yaratılan hava akımlarıyla hareket etmektedir. Aktarma noktasında yaratılan hava miktarını belirlemek için kapsamlı bir araştırma gerçekleştirilmiştir ve yaratılan havanın miktarını tahmin etmek için sonuç olarak üç farklı metodolojiye ulaşılmıştır.
Bu yaklaşımlar her ne kadar birbirine yakın olsalar da, kömür uygulaması söz konusu olduğunda gerçek durum birbirinden biraz farklı olur. Gerçekte ölçülen hava akışlarının kullanımı bir toz kontrol sisteminin büyüklüğünü belirlemek için en doğru yoldur.
Bu hava akışları, aktarma noktasının yapısı mekanik olarak değiştirilerek azaltılabilir. Söz konusu olan hava akışlarının tam olarak anlaşılması kullanıcının etkili olacak kapasite ve sermayeyi tasarruflu kullanacak kadar yeterli büyüklükte bir toz toplama sistemi tasarlamasına izin verir.
Geçmiş
Tozun etkileri hakkında çok sayıda araştırma yapılmıştır. Bu araştırmalar yanma, sağlık üzerindeki etkiler, çevresel etkiler, güvenlik üzerindeki etkiler ve bakım konuları gibi bir dizi konuya yoğunlaşmıştır. Tüm araştırmalarda tozun ne kadar istenmediği ve genellikle ne kadar tehlikeli olduğu sergilenmiştir. Her ne kadar tozun etkileri üzerine çok sayıda araştırma yapılmış olsa da, tozun tanımlanması ve yönetilmesi zor davranışı, aktarma noktası gibi bir ortamda tozun kaynakları hakkında daha ayrıntılı bir araştırma yapılmasını engellemiştir.
Bir aktarma noktası, bir konveyör bandın başka bir konveyör bant üzerine malzemeyi döktüğü nokta olarak tanımlanmaktadır. Malzeme, her hareket ettirilişinde mekanik olarak kırılabilir. Bu kırılma, asıl parçalardan çok daha küçük malzeme parçaları oluşturur. Bu küçük partiküller havalandıkları zaman uçuşan toz halini alırlar. Deneyimler, genel olarak, bu tozun çapının 500 μm’den büyük olması halinde partikülün daha hızlı düşüşe geçerek malzeme akışına yeniden girdiğini göstermektedir.
Partikül, 500 μm’den daha küçük olduğu takdirde havada kalmaya devam etmektedir. Bu partikül havada kaldığı zaman bunun nereye doğru hareket ettiği kritik bir öneme sahip olur. Mantık, partikülün, ortamdaki hareket eden havadan etkileneceğini ve onun akışlarını takip edeceğini gösterir. Hava akışı ne kadar büyük olursa toz parçacıkları o kadar geniş bir alana yayılır.
Bu bilgiler ışığında, meydana gelen tozun davranışını tahmin etmek için bir aktarma noktası dahilindeki hava akışlarının ve hızların anlaşılması hayati önem taşımaktadır. Bir aktarma noktasındaki hava akışlarını hesaplamak için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Bu yöntemler arasında Industrial Ventilation’da açıklanan yöntem ve Dust Control Handbook’ta açıklanan teknik ve Foundations’ta açıklanan yaklaşım yer almaktadır. Bu makalede bu teorik yöntemler ile bir uygulama gerçeği arasındaki bağıntının bulunmasına çalışılacaktır.
Teori
Tüm hesaplama yöntemleri, bir aktarma noktasında meydana gelen havayı belirlemek için benzer girdiler kullanırlar (Şekil 1). Temel bir aktarma noktası çeşitli geometrik kısımlara ayrılır:
• A: Giriş alanı.
• B: Baş tamburu düşme.
• C: Serbest düşüş bölgesi.
• D: Çarpma bölgesi.
• E: Oturma bölgesi.
• F: Çıkış alanı.
Genel olarak hava, A’dan girer ve F’den çıkar. Hava aktarma noktasından geçerken yönünde ve hızında değişim olur. Taşınan malzemenin A’dan F’ye hareketi bu genel eğilimi etkilemektedir. Hava ve malzeme arasında olan kaymama durumu nedeniyle malzemenin kendisi havayı aktarma noktası boyunca çekmektedir. Bu durum, havanın malzemeye temas ettiği yerde hava hızının malzemenin hızıyla aynı olacağı anlamına gelir.
Havanın viskozitesi de geri kalan hava kütlesini o yönde hareket etmeye zorlayacaktır. Malzeme ve bant arasındaki mekanik çarpma olayı çarpma bölgesinde (D) gerçekleşir ve yerelleştirilmiş bir hava akışı oluşumuna yol açar. Bu hava kapalı aktarma noktası bölgesince çıkışa doğru (F) ilerler. Toz havada taşındığı için bu hava akışının niceliğinin belirlenmesi hayati önem taşır.
Yöntem 1
Industrial Ventilation’da, havanın bant konveyörün bant genişliğine oranlı bir oranda oluştuğu belirtilmektedir. Düşme yüksekliğinin 3 ft’den fazla olması halinde ek bir hava akışı ilave edilir. Bu ek hava da bant genişliğine bağlıdır. Bu metodolojiye yönelik denklemler aşağıda gösterilmiştir:
■ QEx = 350 • BW + QD
QEx = Egzoz havası (ft3/dk.).
BW = Bant genişliği (ft).
QD = Düşüşten oluşturulan ek hava.
Malzeme düşüşü 3 ft’den az olduğunda, QD = 0.
Malzeme düşüşü 3 ft’den fazla ve BW < 3 olduğunda, QD = 700. Malzeme düşüşü 3 ft’den fazla ve BW > 3 olduğunda, QD = 1000.
Yöntem 2
Dust Control Handbook’ta, oluşturulan havanın tetiklenen hava miktarına eşit oranda olduğu belirtilmektedir. Tetiklenen hava, malzeme akışının aktarma noktası boyunca hareket ederken kendi içine çektiği tüm havanın miktarıdır. Malzeme, yükleme bandı üzerinde hareket ederken aynı şekilde kalır. Baş tambur düşüşünün üzerinden geçerken (Şekil 1’deki B Bölgesi) ayrılmaya başlar. Malzeme serbest-düşüş bölgesine (C bölgesi) düşerken yayılmaya devam eder ve malzeme partikülleri arasında küçük vakum keseleri meydana gelir. Doğada vakum olayına izin verilmez bu nedenle akış bu küçük keseleri bulabildiği havayla doldurur (Şekil 2). Şekil 2’de malzemenin serbest düşüşte olduğu her saniyede içine daha fazla hava çektiği görülmektedir. Bu çekilen hava (Qp) gelebileceği en kolay yerden ve genellikle giriş alanından (Şekil
1’deki A Bölgesi) çekilir. Akış, çarpma bölgesindeki (D bölgesi) alıcı banda temas ettiğinde malzeme akışının biriktirdiği tüm hava bir anda dışarı atılır. Tetiklenen havanın miktarını belirlemek için kullanılan yöntem aşağıda gösterilmiştir:
■
Qind = Tetiklenen hava (ft3/dak.).
AU = Havanın sisteme girebileceği açık alan (ft3).
R = Malzeme yükü (t/saat).
S = Malzemenin serbest düşüş yüksekliği (ft).
D = Ortalama malzeme çapı (ft).
k = Dönüştürme faktörü (10).
Yöntem 3
Foundations, Dust Control Handbook’taki metodolojiye, tetiklenen hava ile başlayan bir yöntem getirir ve deplase olan hava ve oluşturulan hava için ek faktörler ekler. Deplase olan hava (Qdis) malzemenin zaman içerisindeki hacmidir. Bu değer, endüstri standardı olarak ft3/dak olarak hesaplanır. Deplase hava Şekil 3’te gösterilmektedir. Deplase havaya yönelik denklem aşağıdaki şekildedir.
■
Qdis = Deplase hava (ft3/dak).
L = Malzeme yükü (t/saat).
p = Malzemenin yığın haldeki yoğunluğu
(lbs/ft3).
k = Dönüştürme faktörü (33.3).
Hava oluşturan başka bir cihaz bulunabilir. Bu genellikle bir öğütücü, köpüklü toz baskılama sistemi ya da bir tür değirmen olabilir. Bu öğelere ilişkin gerçek hava akışları tipik olarak imalatçı tarafından sağlanabilir, ölçülebilir ya da
hesaplanabilir. Bir toz toplama sistemi aynı zamanda bir aktarma noktasındaki hava miktarını etkileyebilir, ancak, hava çekmekte olduğu için akıştan eksiltme yapacaktır. Bu harici hava akışları Qgen, ya da başka yollarla oluşturulan hava olarak tanımlanır.
Bir aktarma noktasında oluşturulan ya da onun tarafından yaratılan hava akışına toplam hava adı verilir (QTot). Bu, deplase olan havanın, tetiklenen havanın ve oluşturulan havanın toplamıdır. Bu, oturma bölgesi (Şekil 1’deki E bölgesi)
boyunca havanın hızındaki ana faktördür ve aktarma noktasından çıkış bölgesine (F bölgesi) çıkan hava bu havadır. Bu hava toz taşıdığı için mühendislik kontrolleri kullanılarak azaltılmalıdır. Toplam havaya ilişkin denklem aşağıdaki
şekilde gösterilmektedir.
■
QTot = Toplam hava (ft3/dak.).
Qind = Tetiklenen hava (ft3/dak.).
Qdis = Deplase hava (ft3/dak).
Qgen = Oluşturulan hava (ft3/dak).
Bağıntılı veriler Her metodolojinin aynı uygulama kullanılarak karşılaştırılması gerekmiştir. Bu işlem, üç konveyör bant (A-B, D ve F) üzerinde Illinois’de bulunan Hennepin kömür yakıtlı termik santralinde gerçekleştirilmiştir.
Her bir metodolojiyi kullanarak hava akışlarını hesaplamak için ihtiyaç duyulan bilgiler her bir konveyörden toplanmıştır. Hava akışları daha sonra metodolojiler kullanılarak hesaplanmıştır. Bu hava akışları Tablolar 1-3’te görülebilir. Gerçek
hava hızı, bir pitot tüplü manometre kullanılarak her aktarma noktasında ölçülmüştür. Pitot tüpü şutun çıkış alanına yerleştirilerek hız ölçümü yapılmıştır. Toplam hava akışını bulmak için bu hız, şutun kesit alanıyla çarpılmıştır. Bu veriler Tablo 4’te gösterilmektedir.
Tartışma
Bir aktarma noktasında üretilen hava akışının toplam miktarı metodolojilerin her biri için hesaplanmıştır. Bunlar, belirli bir orana göre ölçülen gerçek hava akışından farklılık sergilemişlerdir (Tablo 5). Hava akışını tahmin etmek için kullanılan her yöntem gerçek hava akışından >%10 oranında sapma yapan ortalama değerler vermişlerdir. Bir aktarma noktasında oluşturulan hava akışını daha iyi temsil etmek için bir yöntemin belirlenmesi gerekmiştir.
Konveyör F’de 35 ft yüksekliğinde bir düşüş yer almıştır. Bu, sürekli bir düşüş olmamış, aksine bir dizi küçük düşüş halinde gerçekleşmiştir. İlk düşüşten tetiklenen havanın giriş alanından çekilebileceğini varsaymak makul bir yaklaşımdır. Malzeme akışı ilk çarpma ile temas ettiğinde bu havanın tamamı atılacaktır. Bu hava, aktarma noktası boyunca hareket etmek yerine bir sonraki düşüş tarafından çekilerek tetiklenecektir.
İlk düşüş, malzeme akışındaki hava miktarını sınırlandıracaktır. Dust Control Handbook’ta açıklanan yöntemde bunu yansıtmak üzere değişiklik yapılmıştır. Hesaplamada ilk düşüş yüksekliği kullanılmış ve sonraki düşüşler yok sayılmıştır. Tablo 6’da düşüşler hakkındaki varsayımın tüm tetiklenen hava hesaplamalarını bir araya getirdiği gösterilmektedir, ancak, bunlar gerçekte ölçülen hava akışından %45’lik bir faktörle daha düşüktür. Dust Control Handbook, deplase olan havayı dikkate almamıştır. Bu deplase olan hava faktörü dahil edilmiş olduğunda
– Foundations metodolojisine göre farklılıklar, Tablo 7’de gösterildiği gibi %0 etrafında toplanmaktadır. Metodolojiler hava akışlarının ölçülen akışa bağlı bir ortalamasını ve bir standart sapmasını vermektedir. Bu sapmalar, ilgili metodolojilere yönelik standart dağılım eğrilerinin oluşturulması ve karşılaştırılması için kullanılmıştır (Şekil 4).
Her metodoloji hava akışının istatistiksel bir temsilini sağlayabilir, ancak hiçbiri kesin doğrulukta bir sonuç sunamaz. Metodolojiler, daha çok, hava akışlarının azaltılmasına yönelik yöntemler için öngörü sağlarlar. Toz havada taşındığı için tozu azaltmak üzere hava akışının da azaltılması mantıklı bir yaklaşımdır. Üretilen hava üzerindeki en büyük etkiyi belirlemek için hava oluşumu denklemlerinin her parçası analiz edilmelidir.
Deplase hava
Deplase olan havanın belirleyicileri olan iki faktör yığın haldeki yoğunluk ile malzeme akışıdır ve bunların hiçbiri değiştirilemez. Yoğunluk, bir malzemenin özelliğidir ve akış, yığın taşıma sisteminin tasarım niteliklerine göre ayarlanır. İkisi de değiştirilemeyeceği için deplase olan hava taban hattı olarak alınacaktır.
Oluşturulmuş hava
Oluşturulan hava, proses için gerekli olan başka bir donanım öğesi yüzünden meydana geldiği için bertaraf edilemez.
Tetiklenen hava
Deplase olan hava gibi, tetiklenen havanın da değiştirilememesine neden olan faktörler mevcuttur. Bu faktörler malzeme yükü ve malzemenin çapıdır. Sabit olanlar dışındaki diğer tüm faktörler tasarım yoluyla değiştirilebilir. Bu faktörlerin her biri oluşturulan hava üzerinde özgün bir etkiye sahiptir. Havanın sisteme girebileceği açık alan arttırılır ya da azaltılırsa hava akışı doğrudan orantılı olarak artacak ya da azalacaktır.
Serbest düşüş mesafesi değiştiği takdirde hava akışı değişikliğin karesinin küp kökü olan bir faktör tarafından değiştirilir. Koşullara bağlı olmaksızın malzeme akışı genleşme prosesi meydana geldiğinde partiküller arasında bir vakum oluşacaktır. Bu vakumun havayla doldurulması gerekir ve hava kaynağı alakasızdır. Havanın şuta girdiği alan vakumun tamamen bu kaynaktan beslenmesine izin vermeyecek kadar küçük olduğunda, vakum başka kaynaklardan hava çekecektir.
Vakum, henüz bırakılmış olan tetiklenmiş havanın tamamını çekecektir. Açık alanın sıfıra indirgenmesi halinde tüm tetiklenen hava faktörü sıfıra düşer. Malzemenin serbest düşüşünün alçaltılması halinde, akışın yayılma ve vakumlara yol açan keseler oluşturma olasılığı olmayacağı için malzeme akışı bu kadar fazla hava çekemez. Bu faktör, malzemenin yayılmasına ve vakumların oluşmasına baştan izin vermeyerek azaltılabilir.
Serbest düşüş mesafesinin sıfıra indirilmesi aynı zamanda tetiklenen hava miktarını da sıfıra indirecektir. Hem açık alan ve hem de düşme yüksekliği tetiklenen hava üzerinde etki sahibi olsa da, düşme yüksekliğinin değiştirilmesinin maliyeti ve zorluğu, açık alanı değiştirmeyi daha arzu edilen bir yöntem kılmaktadır. Aktarma noktasının yalıtılması alanında çok sayıda araştırma olmasının nedeni budur.
Aktarım şutunu yalıtmak için bant altındaki düz desteklerden (Şekil 5) şut duvarı ve bant arasına yerleştirilen kauçuk yalıtımlara (Şekil 6) ve çıkışlardaki ve girişteki kauçuk perdelere (Şekil 7) uzanan teknolojiler mevcuttur. Destekler, yalıtım teknolojisi ile bir araya geldiğinde banda doğru çok sıkı bir yalıtım oluşturmaktadırlar. Giriş ve çıkış çevresinde malzeme akışına uyum sağlayan bir yalıtım oluşturmak için kauçuk perdeler kullanılabilir.
Şut içindeki boşluklar kesme çelik ya da kauçuk ile kapatılabilir. Kauçuk, esnek olduğu ve çelikten daha kolay işlendiği için arzu edilen bir çözümdür, ancak, gözeneksizdir ve havayı kısıtlamak için kullanılabilir. Sıradışı hareketli geometrilerin etrafına uyacak şekilde kesilebilmesi mümkündür.
Sonuç
Endüstrinin günümüzde işlemekte olduğu kömür türleri dikkate alınacak olduğunda, toz sorunu her zaman söz konusu olacaktır. Bu toz, aktarma şutlarında tutulacak ya da çıkış alanlarından tahliye olacaktır. Bir toz kontrol sisteminin boyutunu ve etkinliğini tahmin etmek ve geliştirmek için birçok yöntem bulunmaktadır. Hava akışını tahmin etmek ve azaltmak için doğru bir uygulama geliştirilmiştir.
Bu uygulama, bir aktarma noktası dahilindeki hava akışlarının hesaplanmasına yönelik tüm farklı yöntemlerin gözden geçirilmesiyle başlar. Operatörler daha sonra, endüstri tarafından kabul edilmiş her yöntemi uygulayarak potansiyel hava akışını hesaplamalıdırlar ve bu sayıları, çıkış alanındaki gerçek hava akışı ile karşılaştırmalıdırlar. Dust Control Handbook, Industrial Ventilation ve Foundations’da yer verilen metodolojiler, hava akışının istatistiksel temsillerini sunmaktadır, ancak, hava akışının ölçümünün yapılması daima doğru sonucu verir.
Sorunlu alanın konfigürasyonu gözlemlenmeli ve tozun oluşturulmakta olduğu konum tanımlanmalıdır. Operatörler, giriş alanından başlayıp çıkışa kadar çalışarak, tüm aktarma alanını yalıtarak bariz sorunlara çözüm getirmelidir. Her alana çözüm getirilirken akılda tutulması gereken önemli prensip şudur: ne kadar sıkı o kadar iyi. Aktarma noktasının yalıtılması hava akışının azaltılmasına, tozun içeride tutulmasına yardımcı olur ve en ekonomik çözümü sağlar. Her şey yalıtıldıktan sonra çıkış alanı hava akışını yeniden kontrol ederek sonuçları karşılaştırmak büyük önem taşır.
Sonuç olarak, sorunlu alanın beklentileri halen karşılamaması halinde operatörler bastırma ve toplama mekanizmalarını incelemelidirler. Toz bastırma ya da toplamaya yönelik bir sistem söz konusu olduğunda, çalışanlar, sistemin, hesaplanan hava akışlarından ziyade ölçülen hava akışlarını karşılamak üzere boyutlandırılması gerektiğini unutmamalıdırlar.
Bu durum, uygulamanın gerçek haline göre boyutlandırılmış bir çözümün üretilmesini sağlar. Hava akışı miktarının belirlenmesi ve azaltılması kullanıcının etkili olacak, kapasiteyi tasarruflu kullanacak kadar yeterli büyüklükte bir toz toplama sistemi tasarlamasına izin verir.
Referanslar / References
- Industrial Ventilation: A Manual of Recommended Practice 25th Ed. (American Council of Government Industrial Hygienists,
Inc., Cincinnati, UK; 2004). Özellikle Bölüm 10.50: Material Transport.
- JAKETE, R., ve MODY., V.,
Dust Control Handbook (Noyes Data Corp.; 1988), sf. 39 – 40.
- MARSHALL, D., “Air Control”, in MARTI, A., (ed.) Foundations 4. Basım (Martin Engineering; 2009), sf. 90 – 99.
Daniel Marshall
Martin Engineering