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 -