Yksittäisen polttoainepartikkelin palamisen mekaniikka: Kirjallisuustutkimus

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.