Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka: Kirjallisuustutkimus

Rauli Koistinen, Jaakko Saastamoinen, Martti Aho

Research output: Book/Report › Report

Abstract

Yksittäisen kiinteän polttoainepartikkelin palamisessa voidaan erottaa kolme erillistä vaihetta: - kosteuden haihtuminen - pyrolyysi ja pyrolyysikaasujen syttyminen sekä palaminen jäännöskoksin palaminen. Yksittäisen polttoainepartikkelin kannalta nämä vaiheet ovat usein päällekkäisiä ja vaikuttavat toisiinsa. Lähinnä suurten partikkelien pintakerros voi kuivua ja pyrolysoitua ja siten myös syttyä, vaikka sisäosissa on kosteutta ja pyrolysoitumatonta polttoainetta. Toisaalta myos lämmöntuontinopeus ja partikkelin kosteus vaikuttavat asiaan. Kun hiukkaset ovat hyvin hienoja ja lämmöntuontinopeus on suuri (esim. pölypoltto), prosessit ovat paljolti peräkkäisiä. Ensin kosteus haihtuu kokonaan, sitten hiukkanen pyrolysoituu ja lopulta muodostuu jäännoskoksihiukkanen, joka palaa erikseen pyrolyysin jälkeen. Kuivumis- ja pyrolysoitumisvaihetta rajoittaa lähes yksinomaan vain lämmön siirtyminen partikkelin pintaan ja sisäosiin. Ainoastaan silloin, kun hiukkaset ovat hyvin pieniä, kemiallinen reaktiokinetiikka voi rajoittaa näiitä vaiheita. Siihen, miten lämpö johtuu partikkelin sisälle, puolestaan vaikuttavat kosteuden haihtuminen, pyrolyysin vaatima reaktiolämpö ja muodostuvien vesihöyryjen ja pyrolyysikaasujen virtaus sekä lämmön johtuminen huokoisessa materiaalissa. Uusimmat pyrolyysi- ja kuivumismallit pohjautuvatkin epästationaarisen lämmönjohtumisyhtälön ratkaisuun. Mallissa tarkastellaan partikkelin sisällä liikkuvien isotermien kulkua. Mallitusta vaikeuttaa se, että vesihöyryn ja pyrolyysikaasujen virtaus kuljettaa lämpoä ja toisaalta partikkelin lämmönjohtuminen muuttuu pyrolyysin edetessä. Eri lämpötiloissa tapahtuvaa pyrolysoitumista kuvataan malleissa joko 1-kertaluvun reaktiokinetiikan tai koetulosten pohjalta määritettyjen pyrolysoitumisasteiden avulla. Pyrolyysin mekanismiin (kemialliseen reaktiokinetiikkaan) sekä pyrolyysituotteiden määrään ja laatuun vaikuttavat lämmöntuontinopeus, kosteus sekä pyrolyysituotteiden ja jäännöshiilikerroksen välillä tapahtuvat sekundaarireaktiot. Lisäksi polttoaineen tuhkassa mahdollisesti olevien erilaisten alkalisuolojen on todettu voivan vaikuttaa tuotteiden määrään. Myös partikkelin fyysisessä rakenteessa tapahtuvat muutokset vaikuttavat asiaan. Käytännön tulipesäolosuhteissa jäännöskoksin palamista yleensä rajoittaa joko partikkelin pintaan tai sen läheisyydessä olevaan reaktiovyöhykkeeseen suuntautuva hapen diffuusio. Jos hiilihiukkaset ovat hienoja, on myös huokosdiffuusiolla tärkeä merkitys jäännöskoksin palamiselle. Mikäli hiilihiukkaset ovat hyvin hienoja (<200 um), niiden palamisnopeutta rajoittaa kemiallinen reaktiokinetiikka. Kiintohiilen palamisnopeudelle esitetyt korrelaatiot perustuvatkin juuri aineen siirtoon partikkelin ympärillä. Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on tarkastella palamisen eri osavaiheita, kuivumista, pyrolyysia ja koksin palamista sekä niihin vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi on tarkasteltu partikkelin syttymistä.
Original languageFinnish
Place of PublicationEspoo
PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
Number of pages96
ISBN (Print)951-38-2505-1
Publication statusPublished - 1986
MoE publication typeD4 Published development or research report or study

Publication series

SeriesValtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita
Number555
ISSN0358-5085

Fingerprint

combustion

Keywords

  • combustion
  • solid fuels

Cite this

Koistinen, R., Saastamoinen, J., & Aho, M. (1986). Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka: Kirjallisuustutkimus. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita, No. 555
Koistinen, Rauli ; Saastamoinen, Jaakko ; Aho, Martti. / Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka : Kirjallisuustutkimus. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1986. 96 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita; No. 555).
@book{83f2e4da475c4a788651d47819b34a34,
title = "Yksitt{\"a}isen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka: Kirjallisuustutkimus",
abstract = "Yksitt{\"a}isen kiinte{\"a}n polttoainepartikkelin palamisessa voidaan erottaa kolme erillist{\"a} vaihetta: - kosteuden haihtuminen - pyrolyysi ja pyrolyysikaasujen syttyminen sek{\"a} palaminen j{\"a}{\"a}nn{\"o}skoksin palaminen. Yksitt{\"a}isen polttoainepartikkelin kannalta n{\"a}m{\"a} vaiheet ovat usein p{\"a}{\"a}llekk{\"a}isi{\"a} ja vaikuttavat toisiinsa. L{\"a}hinn{\"a} suurten partikkelien pintakerros voi kuivua ja pyrolysoitua ja siten my{\"o}s sytty{\"a}, vaikka sis{\"a}osissa on kosteutta ja pyrolysoitumatonta polttoainetta. Toisaalta myos l{\"a}mm{\"o}ntuontinopeus ja partikkelin kosteus vaikuttavat asiaan. Kun hiukkaset ovat hyvin hienoja ja l{\"a}mm{\"o}ntuontinopeus on suuri (esim. p{\"o}lypoltto), prosessit ovat paljolti per{\"a}kk{\"a}isi{\"a}. Ensin kosteus haihtuu kokonaan, sitten hiukkanen pyrolysoituu ja lopulta muodostuu j{\"a}{\"a}nnoskoksihiukkanen, joka palaa erikseen pyrolyysin j{\"a}lkeen. Kuivumis- ja pyrolysoitumisvaihetta rajoittaa l{\"a}hes yksinomaan vain l{\"a}mm{\"o}n siirtyminen partikkelin pintaan ja sis{\"a}osiin. Ainoastaan silloin, kun hiukkaset ovat hyvin pieni{\"a}, kemiallinen reaktiokinetiikka voi rajoittaa n{\"a}iit{\"a} vaiheita. Siihen, miten l{\"a}mp{\"o} johtuu partikkelin sis{\"a}lle, puolestaan vaikuttavat kosteuden haihtuminen, pyrolyysin vaatima reaktiol{\"a}mp{\"o} ja muodostuvien vesih{\"o}yryjen ja pyrolyysikaasujen virtaus sek{\"a} l{\"a}mm{\"o}n johtuminen huokoisessa materiaalissa. Uusimmat pyrolyysi- ja kuivumismallit pohjautuvatkin ep{\"a}stationaarisen l{\"a}mm{\"o}njohtumisyht{\"a}l{\"o}n ratkaisuun. Mallissa tarkastellaan partikkelin sis{\"a}ll{\"a} liikkuvien isotermien kulkua. Mallitusta vaikeuttaa se, ett{\"a} vesih{\"o}yryn ja pyrolyysikaasujen virtaus kuljettaa l{\"a}mpo{\"a} ja toisaalta partikkelin l{\"a}mm{\"o}njohtuminen muuttuu pyrolyysin edetess{\"a}. Eri l{\"a}mp{\"o}tiloissa tapahtuvaa pyrolysoitumista kuvataan malleissa joko 1-kertaluvun reaktiokinetiikan tai koetulosten pohjalta m{\"a}{\"a}ritettyjen pyrolysoitumisasteiden avulla. Pyrolyysin mekanismiin (kemialliseen reaktiokinetiikkaan) sek{\"a} pyrolyysituotteiden m{\"a}{\"a}r{\"a}{\"a}n ja laatuun vaikuttavat l{\"a}mm{\"o}ntuontinopeus, kosteus sek{\"a} pyrolyysituotteiden ja j{\"a}{\"a}nn{\"o}shiilikerroksen v{\"a}lill{\"a} tapahtuvat sekundaarireaktiot. Lis{\"a}ksi polttoaineen tuhkassa mahdollisesti olevien erilaisten alkalisuolojen on todettu voivan vaikuttaa tuotteiden m{\"a}{\"a}r{\"a}{\"a}n. My{\"o}s partikkelin fyysisess{\"a} rakenteessa tapahtuvat muutokset vaikuttavat asiaan. K{\"a}yt{\"a}nn{\"o}n tulipes{\"a}olosuhteissa j{\"a}{\"a}nn{\"o}skoksin palamista yleens{\"a} rajoittaa joko partikkelin pintaan tai sen l{\"a}heisyydess{\"a} olevaan reaktiovy{\"o}hykkeeseen suuntautuva hapen diffuusio. Jos hiilihiukkaset ovat hienoja, on my{\"o}s huokosdiffuusiolla t{\"a}rke{\"a} merkitys j{\"a}{\"a}nn{\"o}skoksin palamiselle. Mik{\"a}li hiilihiukkaset ovat hyvin hienoja (<200 um), niiden palamisnopeutta rajoittaa kemiallinen reaktiokinetiikka. Kiintohiilen palamisnopeudelle esitetyt korrelaatiot perustuvatkin juuri aineen siirtoon partikkelin ymp{\"a}rill{\"a}. Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on tarkastella palamisen eri osavaiheita, kuivumista, pyrolyysia ja koksin palamista sek{\"a} niihin vaikuttavia tekij{\"o}it{\"a}. Lis{\"a}ksi on tarkasteltu partikkelin syttymist{\"a}.",
keywords = "combustion, solid fuels",
author = "Rauli Koistinen and Jaakko Saastamoinen and Martti Aho",
year = "1986",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-2505-1",
series = "Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "555",
address = "Finland",

}

Koistinen, R, Saastamoinen, J & Aho, M 1986, Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka: Kirjallisuustutkimus. Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita, no. 555, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka : Kirjallisuustutkimus. / Koistinen, Rauli; Saastamoinen, Jaakko; Aho, Martti.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1986. 96 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita; No. 555).

Research output: Book/Report › Report

TY - BOOK

T1 - Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka

T2 - Kirjallisuustutkimus

AU - Koistinen, Rauli

AU - Saastamoinen, Jaakko

AU - Aho, Martti

PY - 1986

Y1 - 1986

N2 - Yksittäisen kiinteän polttoainepartikkelin palamisessa voidaan erottaa kolme erillistä vaihetta: - kosteuden haihtuminen - pyrolyysi ja pyrolyysikaasujen syttyminen sekä palaminen jäännöskoksin palaminen. Yksittäisen polttoainepartikkelin kannalta nämä vaiheet ovat usein päällekkäisiä ja vaikuttavat toisiinsa. Lähinnä suurten partikkelien pintakerros voi kuivua ja pyrolysoitua ja siten myös syttyä, vaikka sisäosissa on kosteutta ja pyrolysoitumatonta polttoainetta. Toisaalta myos lämmöntuontinopeus ja partikkelin kosteus vaikuttavat asiaan. Kun hiukkaset ovat hyvin hienoja ja lämmöntuontinopeus on suuri (esim. pölypoltto), prosessit ovat paljolti peräkkäisiä. Ensin kosteus haihtuu kokonaan, sitten hiukkanen pyrolysoituu ja lopulta muodostuu jäännoskoksihiukkanen, joka palaa erikseen pyrolyysin jälkeen. Kuivumis- ja pyrolysoitumisvaihetta rajoittaa lähes yksinomaan vain lämmön siirtyminen partikkelin pintaan ja sisäosiin. Ainoastaan silloin, kun hiukkaset ovat hyvin pieniä, kemiallinen reaktiokinetiikka voi rajoittaa näiitä vaiheita. Siihen, miten lämpö johtuu partikkelin sisälle, puolestaan vaikuttavat kosteuden haihtuminen, pyrolyysin vaatima reaktiolämpö ja muodostuvien vesihöyryjen ja pyrolyysikaasujen virtaus sekä lämmön johtuminen huokoisessa materiaalissa. Uusimmat pyrolyysi- ja kuivumismallit pohjautuvatkin epästationaarisen lämmönjohtumisyhtälön ratkaisuun. Mallissa tarkastellaan partikkelin sisällä liikkuvien isotermien kulkua. Mallitusta vaikeuttaa se, että vesihöyryn ja pyrolyysikaasujen virtaus kuljettaa lämpoä ja toisaalta partikkelin lämmönjohtuminen muuttuu pyrolyysin edetessä. Eri lämpötiloissa tapahtuvaa pyrolysoitumista kuvataan malleissa joko 1-kertaluvun reaktiokinetiikan tai koetulosten pohjalta määritettyjen pyrolysoitumisasteiden avulla. Pyrolyysin mekanismiin (kemialliseen reaktiokinetiikkaan) sekä pyrolyysituotteiden määrään ja laatuun vaikuttavat lämmöntuontinopeus, kosteus sekä pyrolyysituotteiden ja jäännöshiilikerroksen välillä tapahtuvat sekundaarireaktiot. Lisäksi polttoaineen tuhkassa mahdollisesti olevien erilaisten alkalisuolojen on todettu voivan vaikuttaa tuotteiden määrään. Myös partikkelin fyysisessä rakenteessa tapahtuvat muutokset vaikuttavat asiaan. Käytännön tulipesäolosuhteissa jäännöskoksin palamista yleensä rajoittaa joko partikkelin pintaan tai sen läheisyydessä olevaan reaktiovyöhykkeeseen suuntautuva hapen diffuusio. Jos hiilihiukkaset ovat hienoja, on myös huokosdiffuusiolla tärkeä merkitys jäännöskoksin palamiselle. Mikäli hiilihiukkaset ovat hyvin hienoja (<200 um), niiden palamisnopeutta rajoittaa kemiallinen reaktiokinetiikka. Kiintohiilen palamisnopeudelle esitetyt korrelaatiot perustuvatkin juuri aineen siirtoon partikkelin ympärillä. Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on tarkastella palamisen eri osavaiheita, kuivumista, pyrolyysia ja koksin palamista sekä niihin vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi on tarkasteltu partikkelin syttymistä.

AB - Yksittäisen kiinteän polttoainepartikkelin palamisessa voidaan erottaa kolme erillistä vaihetta: - kosteuden haihtuminen - pyrolyysi ja pyrolyysikaasujen syttyminen sekä palaminen jäännöskoksin palaminen. Yksittäisen polttoainepartikkelin kannalta nämä vaiheet ovat usein päällekkäisiä ja vaikuttavat toisiinsa. Lähinnä suurten partikkelien pintakerros voi kuivua ja pyrolysoitua ja siten myös syttyä, vaikka sisäosissa on kosteutta ja pyrolysoitumatonta polttoainetta. Toisaalta myos lämmöntuontinopeus ja partikkelin kosteus vaikuttavat asiaan. Kun hiukkaset ovat hyvin hienoja ja lämmöntuontinopeus on suuri (esim. pölypoltto), prosessit ovat paljolti peräkkäisiä. Ensin kosteus haihtuu kokonaan, sitten hiukkanen pyrolysoituu ja lopulta muodostuu jäännoskoksihiukkanen, joka palaa erikseen pyrolyysin jälkeen. Kuivumis- ja pyrolysoitumisvaihetta rajoittaa lähes yksinomaan vain lämmön siirtyminen partikkelin pintaan ja sisäosiin. Ainoastaan silloin, kun hiukkaset ovat hyvin pieniä, kemiallinen reaktiokinetiikka voi rajoittaa näiitä vaiheita. Siihen, miten lämpö johtuu partikkelin sisälle, puolestaan vaikuttavat kosteuden haihtuminen, pyrolyysin vaatima reaktiolämpö ja muodostuvien vesihöyryjen ja pyrolyysikaasujen virtaus sekä lämmön johtuminen huokoisessa materiaalissa. Uusimmat pyrolyysi- ja kuivumismallit pohjautuvatkin epästationaarisen lämmönjohtumisyhtälön ratkaisuun. Mallissa tarkastellaan partikkelin sisällä liikkuvien isotermien kulkua. Mallitusta vaikeuttaa se, että vesihöyryn ja pyrolyysikaasujen virtaus kuljettaa lämpoä ja toisaalta partikkelin lämmönjohtuminen muuttuu pyrolyysin edetessä. Eri lämpötiloissa tapahtuvaa pyrolysoitumista kuvataan malleissa joko 1-kertaluvun reaktiokinetiikan tai koetulosten pohjalta määritettyjen pyrolysoitumisasteiden avulla. Pyrolyysin mekanismiin (kemialliseen reaktiokinetiikkaan) sekä pyrolyysituotteiden määrään ja laatuun vaikuttavat lämmöntuontinopeus, kosteus sekä pyrolyysituotteiden ja jäännöshiilikerroksen välillä tapahtuvat sekundaarireaktiot. Lisäksi polttoaineen tuhkassa mahdollisesti olevien erilaisten alkalisuolojen on todettu voivan vaikuttaa tuotteiden määrään. Myös partikkelin fyysisessä rakenteessa tapahtuvat muutokset vaikuttavat asiaan. Käytännön tulipesäolosuhteissa jäännöskoksin palamista yleensä rajoittaa joko partikkelin pintaan tai sen läheisyydessä olevaan reaktiovyöhykkeeseen suuntautuva hapen diffuusio. Jos hiilihiukkaset ovat hienoja, on myös huokosdiffuusiolla tärkeä merkitys jäännöskoksin palamiselle. Mikäli hiilihiukkaset ovat hyvin hienoja (<200 um), niiden palamisnopeutta rajoittaa kemiallinen reaktiokinetiikka. Kiintohiilen palamisnopeudelle esitetyt korrelaatiot perustuvatkin juuri aineen siirtoon partikkelin ympärillä. Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on tarkastella palamisen eri osavaiheita, kuivumista, pyrolyysia ja koksin palamista sekä niihin vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi on tarkasteltu partikkelin syttymistä.

KW - combustion

KW - solid fuels

M3 - Report

SN - 951-38-2505-1

T3 - Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita

BT - Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Koistinen R, Saastamoinen J, Aho M. Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka: Kirjallisuustutkimus. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 1986. 96 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tiedotteita; No. 555).