Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Ignition and flame propagation in fuel beds is usually studied for the purposesof fire safety and solid fuel combustion development. The aim of this thesis isto gather together the most essential results from theoretical and experimentalstudies which will be useful for the development and design of fixed and movingbed combustion and gasification equipment. This is preliminary work for theoretical and experimental research that will be carried out in the near future. The main interest is in wood-based fuels. Wood, other biofuels and solid waste are being used more and more nowadays for energy production because of the intention to decrease carbon dioxide emissions and solid waste dumping. Fuel transport distances are long in Finland, so it is obvious that small combustion plants will be built to use biofuels and waste for energy production. So far, fixed bed combustion and gasification are the most economical techniques for this kind of energy production. Ignition is defined as the state and moment when the net energy generated in the reactions between the fuel and oxygen per unit time equals the net energy flow transported to the surroundings. Spontaneous ignition refers to ignition caused by an increase of temperature or pressure in the ambient space. Ifthe fuel is ignited locally by, for example, a flame, spark or hot particle, the phenomenon is called forced or piloted ignition. Experiments have shown that the most important factors that affect ignition and fire propagation are the fuelmoisture content, fuel volatile content and reaction energy, fuel bed porosity,particle size and shape, thermal irradiation intensity at the fuel surface, gasflow rate in the bed, partial pressure of oxygen in surroundings and the temperature of the combustion air. Increasing the fuel moisture content increases the ignition energy requirement and raises the ignition temperature. A volatile content increase lowers the ignition temperature. The ignition time shortens and thereaction front propagation rate increases when the heating value of the fuel increases. As increase in bed porosity has been found to make the flame propagation quicker. Small particles are usually ignited at a lower temperature and in a shorter time than large particles. Fire spread rate increases with increasing particle surface area to volume ratio. Thermal radiation is the most important heattransfer mechanism in many combustion cases. Increasing the radiation intensityleads to a shortening of the ignition time. Gasflows in the bed affect the oxygen concentration in the reaction zone and the convective heat transfer between the gas and the particles. The increasing oxygen content at the reaction front increases the flame propagation rate until the optimal concentration is reached. After that, any additional air dilutes and cools the bed. It is possible that gasflow may either cool or heat the bed depending on the temperatures of the flow and the bed. Combustion air preheating increases the fire spread rate. Ignition and flame spread models can be broadly classified as two types that are those based mainly on emprical equations and those based on conservation equations. Empirical models are formed by the correlating experimental measurements in conjunction with some basic physical relations. Conservation equation-based models, wichare referred to as physical models, are formed by writing the mass, energy, momentum and species balances for the case. The transport rates are described by theoretical and experimental equations. Hence, these modelling classifications partly overlap. Flat surface ignition is often modelled using conservation equationmodels. Particle layer modelling is in most cases based on empirical equations.The ignition model for a carbonpacked bed by Xie and Liang, /55/, and the reaction front propagation model for a packed bed by Gort, /16/, are the most conservation equation-based fuel bed ignition and fire propagation models referred to here. All the models are simplified by, for example, decreasing the number of dimensions, reactions and species, and by ignoring the less significant transport mechanisms. There are few studies that are directly concerned with fixed or moving bed combustion and gasification. Often, the fuel properties, paticle bed properties and surrounding conditions differ considerably from the properties and conditions in real combustion equipment. Ignition and fire spread in the mixed combustion of different fuel particle sizes and different fuels have not yet been thoroughly researched. Very little research has been done on particle shape effects and air chanelling effects in fuel beds has not been studied at all.