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.

Variation in forest fire ignition probability in Finland

Abstract

Kiinteäkerroskaasuttimen toiminnan teoreettinen tarkastelu ja puupellettien kaasutuskokeet myötävirtareaktorilla

Tämä työ on osa tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena on kehittää uudentyyppinen kaasutustekniikkaan perustuva kiinteistöjen lämmitysjärjestelmä. Työ on tehty osaksi kirjallisuustutkimuksena käyttämällä hyödyksi alalla tehtyjä tutkimuksia ja kirjallisuutta. Kirjallisuustutkimuksen tavoitteena oli luoda yhtenäinen tietopaketti lämmitysjärjestelmän kehityksen tueksi. Työn kokeellisen osion tavoitteena oli tutkia lämmitysjärjestelmän kaasuttimen prototyypin toimintaa ja selvittää sen käyttöön liittyviä ongelmia. Kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksen vaiheita: alkulämpeneminen ja kuivuminen, syttyminen, pyrolyysi sekä jäännöshiilen palaminen ja kaasutus. Varsinkin pyrolyysiprosessin tunteminen on merkittävää, kun halutaan parantaa biomassan poltto- ja kaasutusprosessien suunnittelua. Lisäksi kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksessa syntyvän tuotekaasun ominaisuuksia: koostumus, lämpöarvo, tiheys ja palamisominaisuudet. Tuotekaasun ominaisuudet vaihtelevat suuresti kaasutusprosessista ja -olosuhteista sekä polttoaineesta riippuen. Tuotekaasun kohdalta käsitellään myös sen käyttökohteita. Perinteisesti kaasutuksen tuotekaasua käytetään lämmöntuotantoon, mutta tulevaisuuden haasteena on tuotekaasun käyttö kaasuturbiineissa sähköntuotantoon. Tuotekaasun käyttöä laajemmin rajoittaa sen sisältämät epäpuhtaudet. Tämän vuoksi kirjallisuusosiossa käsitellään myös tuotekaasun puhdistusmenetelmiä ja sen poltossa syntyvien päästöjen vähentämiskeinoja. Kokeellisessa osiossa suoritettiin puupellettien kaasutuskokeita TTKK:n Energia- ja prosessitekniikan laitoksen raskaaseen laboratorioon rakennetulla kaasutusreaktorilla. Kaasutuskokeiden avulla löydettiin kaasutusreaktorin toiminnan ongelmakohdat ja pystyttiin aloittamaan lämmitysjärjestelmän jatkokehitys.

Tapaustutkimus demokraattisesta Feeniks kouluhankkeesta

Tämän tutkimuksen kohteena on Feeniks kouluhanke, joka tavoittelee demokraattisen koulun perustamista Suomeen vuoteen 2017 mennessä. Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää Feeniks kouluhankkeen perustajien motiiveja ja kasvatusideologiaa. Tutkimuskysymykset ovat: Mitkä ovat perustajien motiivit vaihtoehtoisen koulun perustamiselle? Minkälaiselle arvopohjalle, lapsuus/ihmiskäsitykselle ja kasvatusajattelulle Turun Demokraattinen koulu perustaa toimintansa? Mitä kritiikkiä he esittävät nykykoulua kohtaan? Miten perusjäsenten ajattelu eroaa eri reformipedagogiikan ajattelusta erityisesti demokraattisen vapaa koulu ajatteluperinteestä? Miten he odottavat että millaiseksi koulun käytänteet tulevat olemaan? Millaiseksi he näkevät koulun tulevaisuuden yleisesti ja millaiseksi oppimistulosten he katsovat muodostuvan? Tutkimus on luonteeltaan laadullinen tapaustutkimus ja se on toteutettu haastattelemalla hankkeen avainhenkilöitä. Aineisto on analysoitu teemoittelemalla litteroitujen haastattelujen sisältö. Demokraattiset koulut ovat niin kutsuttuja progressiivisia vaihtoehtoisia kouluja joiden idea perustuu lapsilähtöisyyden ja vapauden korostamiseen pakon sijaan. Tutkimuksen teoreettisena viitekehyksenä toimii kansainvälisistä tunnetuista demokraattisista kouluista kuten Summerhillista ja Sudbury-kouluista kertova kirjallisuus, sekä lapsilähtöistä kasvatusta korostava kirjallisuus. Tutkimustulokset osoittivat että demokraattisen Feeniks koulu-hankkeen kasvatusideologiat ovat linjassa maailmalla olevien mallien kanssa, joskin ne näyttäytyivät hieman maltillisempina kuin kaikista radikaalimpien demokraattisten koulujen ideat. Tuloksista nousivat esiin muun muassa lapsuuden arvostaminen, luonnollisen jokaiselle ainutlaatuisen kehitysrytmin, erilaisuuden ja onnellisuuden korostaminen. Lisäksi tuloksista nousi esiin halu kasvattaa rohkeita nuoria joilla on uskallus poiketa valtavirrasta, kyky kriittiseen ajatteluun ja ympäröivän yhteiskunnan muuttamiseen. Yhtenä esimerkkinä tästä on halu kasvattaa ekologisesti ja eettisesti valveutuneita nuoria jotka osaavat myös kritisoida talouden ehdoilla toimivaa maailmaa. Keinoina tavoitteiden saavuttamiseen he näkevät eräänlaisen ajattelutavan muutoksen, uskalluksen luopua opettaja-auktoriteetista luottamalla lapsen uteliaisuuteen ja tiedonjanoon, sisäisen motivaation syttyminen, pienet ryhmäkoot, keskustelun voima, yhteisöllisyys ja oppiminen elämällä jokapäiväistä arkea yhdessä. Tavoitteena nähtiin myös oppimisen pitäminen lähellä elettävää elämää ja se että koulun tavoitteet ovat muutakin kuin tiedollisten taitojen kartuttamista, muita yhtä tärkeitä ellei tärkeämpiä tavoitteita ovat haastateltavien mielestä muun muassa lapsen emotionaalinen ja sosiaalinen kasvu. Suomen oloihin perustettavan koulun on toimittava perusopetuksen opetussuunnitelman perusteiden puitteissa, tätä haastateltavat eivät koe ongelmaksi. Hanke hakee koululupaa, mutta sen puuttuessa suunnittelee toimivansa “villikouluna”, niin että oppijat kuuluvat kotiopetuksen piiriin. Suomessa koulu ei myöskään saa periä lukukausimaksuja, mikä tarkoittaa sitä että valtionavustuksen uupuessa sen on toimittava lahjoituksin tai hakemalla muuta rahoitusta tai tukea.