Palamisella tarkoitetaan aineen kemiallista yhtymistä happeen. Polttoaineen palavia, hapen kanssa reagoivia aineita ovat hiili, vety, rikki ja typpi. Reaktiot ovat valtaosin eksotermisia eli lämpöä vapauttavia, pois lukien typen ja hapen reaktio, joka on endoterminen eli lämpöä kuluttava.
Kiinteän biopolttoaineen palamisen vaiheet voidaan erotella seuraavasti:
- alkulämpeneminen noin 100 celsiusasteeseen
- kosteuden haihtuminen
- haihtuvien aineiden pyrolysoituminen 100-200 celsiusasteessa
- syttyminen palamaan noin 180-225 celsiusasteessa
- jäännöshiilen kaasuuntuminen ja palaminen.
Kiinteän biopolttoaineen palamiseen voidaan vaikuttaa käsittelemällä polttoaineen ominaisuuksia, sillä palaminen riippuu polttoaineen
- kemiallisista (reaktiivisyys, pyrolysoitumislämpö, lämpöarvo)
- rakenteellisista (partikkelikoko, tiheys, huokoisuus) ja
- fysikaalisista ominaisuuksista (lämpökapasiteetti, lämmönjohtavuus)
Palamisnopeuteen vaikuttavat erityisesti lämmönsiirto, aineensiirto ja kemiallinen reaktionopeus. Jokin näistä tekijöistä toimii normaalisti palamisnopeutta rajoittavana tekijänä. Yleensä kyseessä on suuresta kappalekoosta johtuva lämmön- ja aineen siirto.
Kiinteiden polttoaineiden poltossa näihin pyritään vaikuttamaan esimerkiksi käyttämällä seospolttoaineita ja muuttamalla polttoaineen rakennetta (esimerkiksi haketus, murskaus ja pelletöinti). Biopolttoaineen jalostaminen onkin eräs keskeinen tekijä bioenergian tuotantoketjussa.
Polttoon ja palamiseen vaikuttaa polttoaineen alkuainekoostumus, mutta biopolttoaineilla erityisesti myös kosteus ja tuhka. Tuhka on yleiskäsite epäorgaanisille aineille, jotka jäävät jäljelle poltosta. Tuhkan sulamisominaisuudet vaikuttavat polttolaitteen toimintaan ja koostumus materiaalien kestoon. Koska ainoastaan biopolttoaineen kuiva-aines tuottaa lämpöä, runsas tuhkasisältö alentaa lämpöarvoa syrjäyttämällä palavaa ainesta. Lentotuhka on yksi hiukkaspäästöjen lähde.
Kosteudella on palamisen kannalta huomattavasti haitallisempi vaikutus. Vesi ei reagoi polttoprosessissa, mutta veden höyrystyminen vaatii runsaasti energiaa. Veden lämpötilan nosto 100 celsiusasteeseen vaatii 4,186 kJ/(vesikilo * °C) ja höyrystyminen 2260 kJ/vesikilo. Toisin sanoen yhden vesikilon höyrystäminen vaatii noin 2600 kJ (2,6 MJ tai 0,72 kWh). Jos polttoaineen seassa on lunta, vaatii sulaminen 333 kJ/kg. Kosteus alentaa polttolämpötilaa (liekkilämpötila), jolloin voi syntyä epätäydellistä palamista.
Biopolttoaineen kiinteä aine voidaan jaotella haihtuviin aineisiin (volatile matter, VM) ja kiinteään hiileen (char coal tai fixed carbon, FC). Haihtuvat aineet irtoavat polttoaineesta lämmön avulla ja tätä vaihetta kutsutaan pyrolyysiksi. Kaasuuntumisessa happimolekyylit tunkeutuvat polttoainekappaleeseen ja reagoivat jäännöshiilen kanssa. Biopolttoaineilla haihtuvien aineiden määrä on suuri, esimerkiksi puulla 84-88 prosenttia kuiva-aineesta. Haihtuvat aineet synnyttävät palaessaan näkyvän liekin, jolle on tulipesässä varattava riittävästi tilaa.
Lähdekirjallisuus
Alakangas, E., Erkkilä, A. ja Oravainen. 2008. Tehokas ja ympäristöä säästävä tulisijalämmitys, Polttopuun tuotanto ja käyttö. VTT. Intelligent Energy Europe. Jyväskylä.
Julkaisu saatavissa pdf-muodossa ohjelman sivuilta:
www.biohousing.eu.com/index.asp?init=1&initID=25286
Huhtinen, M., Kettunen, A., Nurminen, P. ja Pakkanen, H. 2000. Höyrykattilatekniikka (5. uudistettu painos). Opetushallitus, Edita Oy. Helsinki.
Raiko, R., Saastamoinen, J., Hupa, M. ja Kurki-Suonio, I. 2002. Poltto ja palaminen (2. painos). IFRF - Suomen kansallinen osasto. Jyväskylä.
sivun alkuun