Korkealämpötilakemia Öljyn palaminen To 14.12.2017 klo 8-10 SÄ114 Tavoite Tutustua nestemäisten polttoaineiden palamiseen - Öljy ja sen ominaisuudet - Öljyn Kuva: Kaisa Heikkinen. 1
Sisältö Nestemäiset polttoaineet - Öljy Öljyn palaminen - Sumutus - Haihtuvien höyrystyminen - Syttyminen - Öljypisaran palaminen - Sumun/pisararyhmän palaminen Öljyn palamisen päästöt Nestemäiset polttoaineet Polttoöljyjen keskimääräisiä alkuainepitoisuuksia. Kevyet Raskaat Merkittävin on öljy - Vajaa neljännes Suomen kokonaisenergiankulutuksesta Öljyn käyttöön a vaikuttavat sen ominaisuudet - Pintajännitys, ominaispaino, viskositeetti, lämmönjohtavuus, lämpöarvo, koostumus - Liikenteen ja kotitalouksien sovelluksissa vaaditaan helppoja öljyjä - Kevyet, juoksevat öljyt, jotka sumuuntuvat helposti - Suurissa poltto- ja teollisuuslaitoksissa kelpaavat vaikeatkin öljyt - Raskaat, viskoosit öljyt, jotka sumuuntuvat huonosti - Energian kannalta keskeinen ominaisuus on lämpöarvo - Kalorimetrinen eli ylempi lämpöarvo, q s - Tehollinen eli alempi lämpöarvo, q i - Jokaiselle öljylaadulle oma lämpöarvo - Voidaan esittää keskimääräinen arvo - w C, w H, w O ja w S ovat alkuaineiden massaosuudet öljyssä - Koostumus vaikuttaa viskositeettiin (kevyt, raskas) sekä päästöihin (SO X, NO X, noki, tuhka, jne.) 2
Nesteen sumutus/atomisaatio - Tuloksena pieniä pisaroita Pyrolyysi - Haihtuvien komponenttien haihtuminen kaasufaasiin - Jotkut öljyt koostuvat pelkästään haihtuvista komponenteista Haihtuneiden komponenttien palaminen - Jäljelle jää jäännösterva Jäännöstervan palaminen - Jäljelle jää tuhka (palamaton epäorgaaninen aines) Lähteet: Henrik Saxén: Esitys, POHTO, 2016 (kuva) Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002. Voidaan tarkastella yksittäisen pisaran tai pisararyhmän (öljysumu) palamista - Haihtumisen ja palamisen eteneminen Lähde: Ikegami et al.: Fuel 82(2003)293-304. 3
Palamisen tehostamiseksi nestemäiset polttoaineet on hajotettava pisaroiksi Sumutus/Atomisaatio - Pienempi pisarakoko kasvattaa pinta-alaa - Nopeutunut lämmön- ja aineensiirto pisaroiden ja kaasun välillä - Palamisen kannalta keskeistä minkälainen pisarakokojakauma sumutuksella saavutetaan - Sumutukseen vaikuttavat nesteen ja kaasun ominaisuudet sekä sumutussysteemi Sumutuksen vaiheet - Ohuen nestekalvon muodostuminen - Suuri nopeusero suhteessa kaasuun - Suurempi ero suurempi aallonpituus - Kasvava amplitudi rikkoo kalvon - Ensin pätkiksi - Lopulta pisaroiksi - Vastaava ilmiö myös iskumaisen ilmavirran seurauksena Lähteet: Henrik Saxén: Esitys, POHTO, 2016 (vasen kuva) Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002. (oikea kuva) Sumutuksen toteutustapoja - Paineöljyhajotteiset sumuttimet - Ilmahajotteiset sumuttimet - Höyryhajotteiset sumuttimet - Rotaatiosumuttimet 4
Pisarakokojakauma - Kokojakauman määrityksen perusteita - Pisarajoukko (d d/2 < d < d + d/2), josta tarkastellaan kokoluokkaan kuuluvien pisaroiden lukumäärän, tilavuuden tai massan muutosta ( N, V, m) - Tiettyä halkaisijaa pienempien pisaroiden lukumäärän, tilavuuden tai massan muutokset - Tarkka teoreettinen määritys mahdotonta - Eri sumutintyypeille omat empiiriset kaavat - a, b, ja ovat sumuttimelle ominaisia vakioita - Esitetty erilaisia esitystapoja (erikoistapauksia yleisestä mallista) Nukiyama-Tanasawa -yhtälö - Pisarakokojakaumayhtälön yleisen muodon = 2, = 1 Rosin-Rammler -yhtälö - Kehitetty kuvaamaan hiilipölypartikkelien kokojakaumaa - (1 V d ) kuvaa niiden pisaroiden tilavuusosuutta sumussa, joiden halkaisija on suurempi kuin d - d ja n ovat kokemusperäisiä vakioita - Runsaasti käytetty yksinkertaisuutensa vuoksi - Tarkkuus ei yhtä hyvä kuin neljän parametrin yhtälöissä Pisarasumun käyttäytymistä palamisessa voidaan kuvata pisaran keskikokoa käyttäen - Massakeskiarvoon perustuva halkaisija on yleisesti käytetty - Halkaisija, jonka molemmin puolin sijoittuu puolet pisaroiden kokonaismassasta - Keskikoko voidaan määrittää myös suhteessa tilavuuteen tai lukumäärään 5
palamisen sumutusta seuraavat vaiheet riippuvat - sumutuksella aikaansaadusta pisarakokojakaumasta - ominaisuuksista - Kevyet, hyvin haihtuvat ja höyrystyvät öljyt - Raskaat, tervamaiset, huonosti höyrystyvät öljyt Pieneen pisarakokoon sumutettu, herkästi höyrystyvä polttoaine palaa homogeenisesti kaasumaisen tapaan Suuren pisarakoon ja tiheyden omaava polttoaine höyrystyy huonommin - Harva pisaratiheys: Höyrystynyt polttoaine palaa pisaran läheisyydessä - Suuri pisaratiheys: Pisarat höyrystyvät alueella, jossa palamista ei tapahdu höyrystynyt polttoaine muodostaa oman erillisen reaktiovyöhykkeen, jossa palaminen on homogeenistä - Hyvin sakea pisaratiheys: Pisarasumun sisällä vain höyrystymistä Palaminen sumun reunoilla Höyrystymislämpötila nousee hiiliketjun pidentyessä. Aine H 2 N 2 O 2 C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 6 H 4 CH 3 OH H 2 O Höyrystymislämpötila -252,8 C -195,8 C -183,0 C 36,1 C 69,0 C 98,4 C 125,7 C 150,8 C 80,1 C 65,0 C 100,0 C Haihtuvien aineiden höyrystyminen - Sumutuksen jälkeen pisaroiden haihtuvat komponentit haihtuvat nesteestä kaasufaasiin - Neste höyrystyy, kun sen höyrynpaine vallitsevassa lämpötilassa on suurempi kuin höyrystyvän komponentin osapaine kaasufaasissa Ajava voima höyrystymiselle - Höyrynpaineen saavuttaessa arvon 1 neste kiehuu normaalissa ilman paineessa Höyrystymislämpötila - Höyrynpaine kasvaa pisarakoon pienentyessä (hyvin pienillä pisaroilla) - p on pisaran höyrynpaine - p 0 on (bulkki)nesteen höyrynpaine - on pintajännitys - r on pisaran säde - V l on nesteen moolitilavuus - T on lämpötila - Pisarakoon pienentyminen kasvattaa ajavaa voimaa sekä reaktiopinta-alaa 6
Öljyn syttymistä voidaan tarkastella Q gen /Q red T asteikolle laaditun kuvaajan avulla - vrt. kaasumaisten polttoaineiden syttyminen ed. luennolta Tarvittava syttymisenergia - Tulipesästä poltinten eteen kierrätettävistä kuumista palamiskaasuista johtumalla sekä muurausten ja kaasun säteilystä Syttymis- ja itsesyttymislämpötilat - Raskailla polttoöljyillä syttymislämpötila n. 70 90 C - Itsesyttymislämpötila kuitenkin vasta 200 C:n yläpuolella - Hitaasti kuumennettaessa vasta alueella 350 450 C - Raskaat hiilivedyt syttyvät kevyitä alhaisemmissa lämpötiloissa, koska ne hajoavat reagoiviksi radikaaleiksi helpommin kuin kevyet hiilivedyt Polttoaine-ilmaseos syttyy vain tietyllä pitoisuusalueella, jota rajaavat alempi ja ylempi syttymisraja - vrt. kaasumaiset polttoaineet ed. luento - Alla olevassa taulukossa i viittaa massavirran ja stökiömetrisen polttoainevirran suhdetta 7
Öljypisaran palaminen - Kevyet, herkästi höyrystyvät öljyt palavat höyrystyttyään kaasujen tavoin - Kuumaan tilaan päädyttyään pienet pisarat höyrystyvät, minkä jälkeen höyrystyneen komponentit syttyvät ja palavat - Yksittäisen kevytöljypisaran höyrystyminen noudattaa d 2 -lakia - Höyrystymisvakio (K) on pisaran halkaisijan neliön lineaarinen aikaderivaatta - Pisarasta höyrystyvä massavirta (dm l /dt) voidaan laskea Öljypisaran palaminen - Keskiraskaan ja raskaan polttoöljyn pisarat höyrystyvät hitaammin - Höyrystymisnopeus ei suoraan verrannollinen pisaran halkaisijan neliön aikaderivaattaan kuten kevyillä öljyillä - d 2 -lakia voidaan tietyin ehdoin soveltaa raskaillekin öljypisaroille - dm l /dt on pisarasta höyrystyvä polttoainevirta pinnalla - v on kaasun radiaalinopeus - Höyrystyminen ei ole täydellistä pisaraan jää jäännöskoksia, joka höyrystymisen jälkeen hapettuu heterogeenisellä pintareaktiolla - vrt. kiinteän pyrolyysistä jäävän jäännöshiilen palaminen - Raskaan öljypisaran höyrystymisvakio (K) - Virtaustilan vaikutus huomioidaan Nusseltin luvulla (Nu) - Aineensiirron vaikutus konvektiiviseen aineensiirtoon huomioidaan ns. keskimääräisen siirtoluvun (B) avulla - Nu* sijoitetaan Nu:n paikalle K:n lausekkeeseen 8
Öljysumun/pisararyhmän palamista tarkasteltaessa on huomioitava pisaroiden väliset vuorovaikutukset - Vaikuttavia tekijöitä: - Virtausolosuhteet, pisaroiden välinen etäisyys, ja kaasun ominaisuudet - S-parametri kuvaa olosuhteiden vaikutusta pisararyhmien palamiskäyttäytymiseen - L d on pisaroiden etäisyys, r s on pisaran säde - Erilaiset palamismuodot voidaan esittää pisaroiden lukumäärän (N) ja S-parametrin funktioina - G on ryhmäpalamisluku A1: Pisarat höyrystyvät ja palavat erikseen. A2: Pisarat höyrystyvät ryhmänä. Liekki muodostuu ryhmän reunalle ja pisaran ympärille. A3: Pisarat höyrystyvät ryhmänä. Höyry palaa pisararyhmän reunalla. A4: Kolme erillistä aluetta: Ei-höyrystyvät ja höyrystyvät pisarat sekä homog. liekkirintama. Öljysumun/pisararyhmän palaminen 9
Öljyn palamisen päästöt Keskeisimmät päästöt öljyn palamisessa - Jäännöskoksia syntyy raskaan öljypisaran höyrystymisen aikana osa jäännöskoksista voi jäädä palamatta - Hienojakoista nokea voi erkautua hiilivedyistä, jos C/Osuhde on yli yhden - Esisekoitetuissa liekeissä kriittinen C/O-raja on alhaisempi - Riippuu liekkityypistä, lämpötilasta ja polttoaineesta - Voi sisältää myös vetyä ns. rasvainen noki - Typen oksideja muodostuu kolmella mekanismilla - Pääosa NO:ta (jonkin verran NO 2, muita vähemmän) - Polttoaine-, terminen ja nopea mekanismi - Muodostumista käsitellään tarkemmin viimeisellä luennolla - Rikin oksideja muodostuu, jos öljy sisältää rikkiä - Kaikki rikki päätyy kaasufaasiin rikkipäästöt ovat suoraan riippuvaisia S-pitoisuudesta - Pääasiassa SO 2 muutama prosentti SO 3 - Hiilimonoksidia sekä palamattomia kiintoaineita ja hiilivetyjä esiintyy savukaasuissa, jos ilmamäärä on ollut (paikallisesti) liian alhainen - Hiilivetypäästöt ovat seurausta paikallisesta happivajeesta sekä huonosta sekoittumisesta - Ongelmallisimpia ovat PAH-yhdisteet osa karsinogeenejä Yhteenveto Öljy on merkittävin nestemäisistä polttoaineista Öljyn palamiseen vaikuttavat sen ominaisuudet - Raskaat ja kevyet polttoöljyt Öljyn - Sumutus - Haihtuminen - Syttyminen - Pisaran palaminen - Keveillä öljyillä haihtuneiden komponenttien homogeeninen palaminen kuten kaasuilla - Raskailla öljyillä haihtuvien komponenttien lisäksi jäännöskoksin palaminen Kuva: Kaisa Heikkinen. 10