Korkealämpötilakemia Öljyn palaminen Ma 10.12.2018 klo 10-12 PR126A Ti 11.12.2018 klo 8-10 PR101

Tavoite Tutustua nestemäisten polttoaineiden palamiseen Öljy ja sen ominaisuudet Öljyn palamisen vaiheet Kuva: Kaisa Heikkinen.

Sisältö Nestemäiset polttoaineet Öljyn palaminen Sumutus Haihtuvien höyrystyminen Syttyminen Öljypisaran palaminen Sumun/pisararyhmän palaminen Öljyn palamisen päästöt

Nestemäiset polttoaineet Merkittävin on öljy Vajaa neljännes Suomen kokonaisenergiankulutuksesta Öljyn käyttöön polttoaineena 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, qs Tehollinen eli alempi lämpöarvo, qi Jokaiselle öljylaadulle oma lämpöarvo Voidaan esittää keskimääräinen arvo wC, wH, wO ja wS ovat alkuaineiden massaosuudet öljyssä Koostumus vaikuttaa viskositeettiin (kevyt, raskas) sekä päästöihin (SOX, NOX, noki, tuhka, jne.) Polttoöljyjen keskimääräisiä alkuainepitoisuuksia. Kevyet Raskaat Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäiset polttoaineet Erilaisten kevytpolttoöljylaatujen tyypillisiä ominaisuuksia Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet 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) Voidaan tarkastella yksittäisen pisaran tai pisararyhmän (öljysumu) palamista Haihtumisen ja palamisen eteneminen Lähteet: Henrik Saxén: Esitys, POHTO, 2016 (kuva) Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Lähde: Ikegami et al.: Fuel 82(2003)293-304.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet 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)

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Sumutuksen toteutustapoja Paineöljyhajotteiset sumuttimet Ilmahajotteiset sumuttimet Höyryhajotteiset sumuttimet Rotaatiosumuttimet Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet 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 – Vd) 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 Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet 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 Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Nestemäisen polttoaineen palamisen sumutusta seuraavat vaiheet riippuvat sumutuksella aikaansaadusta pisarakokojakaumasta polttoaineen ominaisuuksista Kevyet, hyvin haihtuvat ja höyrystyvät öljyt Raskaat, tervamaiset, huonosti höyrystyvät öljyt Pieneen pisarakokoon sumutettu, herkästi höyrystyvä polttoaine palaa homogeenisesti kaasumaisen polttoaineen 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 Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet 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 p0 on (bulkki)nesteen höyrynpaine  on pintajännitys r on pisaran säde Vl on nesteen moolitilavuus T on lämpötila Pisarakoon pienentyminen kasvattaa ajavaa voimaa sekä reaktiopinta-alaa Aine Höyrystymis-lämpötila H2 -252,8 C N2 -195,8 C O2 -183,0 C C5H12 36,1 C C6H14 69,0 C C7H16 98,4 C C8H18 125,7 C C9H20 150,8 C C6H4 80,1 C CH3OH 65,0 C H2O 100,0 C Höyrystymislämpötila nousee hiiliketjun pidentyessä. Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Öljyn syttymistä voidaan tarkastella Qgen/Qred – 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 Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Polttoaine-ilmaseos syttyy vain tietyllä pitoisuusalueella, jota rajaavat alempi ja ylempi syttymisraja vrt. kaasumaiset polttoaineet – ed. luento Alla olevassa taulukossa i tarkoittaa polttoaineen massavirran ja stökiömetrisen polttoainevirran suhdetta Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet 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 d2-lakia Höyrystymisvakio (K) on pisaran halkaisijan neliön lineaarinen aikaderivaatta Pisarasta höyrystyvä massavirta (dml/dt) voidaan laskea Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Öljypisaran palaminen Keskiraskaan ja raskaan polttoöljyn pisarat höyrystyvät hitaammin Höyrystymisnopeus ei suoraan verrannollinen pisaran halkaisijan neliön aikaderivaattaan kuten kevyillä öljyillä d2-lakia voidaan tietyin ehdoin soveltaa raskaillekin öljypisaroille dml/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 polttoaineen 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 Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Öljysumun/pisararyhmän palamista tarkasteltaessa on huomioitava pisaroiden väliset vuorovaikutukset Vaikuttavia tekijöitä: Virtausolosuhteet, pisaroiden välinen etäisyys, polttoaineen ja kaasun ominaisuudet S-parametri kuvaa olosuhteiden vaikutusta pisararyhmien palamiskäyttäytymiseen Ld on pisaroiden etäisyys, rs 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. Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Nestemäisen polttoaineen palamisen vaiheet Öljysumun/pisararyhmän palaminen Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

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/O- suhde 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 NO2, muita vähemmän) Polttoaine-, terminen ja nopea mekanismi Muodostumista käsitellään tarkemmin viimeisellä luennolla Rikin oksideja muodostuu, jos öljy sisältää rikkiä Kaikki polttoaineen rikki päätyy kaasufaasiin – rikkipäästöt ovat suoraan riippuvaisia polttoaineen S-pitoisuudesta Pääasiassa SO2 – muutama prosentti SO3 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 Lähde: Raiko, Saastamoinen, Hupa & Kurki-Suonio (toim.): Poltto ja palaminen. 2002.

Yhteenveto Öljy on merkittävin nestemäisistä polttoaineista Öljyn palamiseen vaikuttavat sen ominaisuudet Raskaat ja kevyet polttoöljyt Öljyn palamisen vaiheet Sumutus Haihtuminen Syttyminen Pisaran palaminen Keveillä öljyillä haihtuneiden komponenttien homogeeninen palaminen kuten kaasuilla Raskailla öljyillä haihtuvien komponenttien lisäksi jäännöskoksin palaminen Kuva: Kaisa Heikkinen.