Κοινότητα
Postit
Τα μέλη μας
Blog
Forum
Ανακοινώσεις
Κλείσιμο

energeiakotzaki.gr

Καύση Ξύλων

Υπάρχει πολύς κόσμος που ψάχνεται για τη σωστή καύση των καυσίμων στερεής βιομάζας και είναι λογικό να του γεννιούνται κάποιες βασικές απορίες

Πόσος αέρας χρειάζεται για την τέλεια καύση ενός κιλού ξύλου;


Θα προσπαθήσω να βοηθήσω να καταλάβετε με απλουστευμένα λόγια τη Χημεία που κρύβεται πίσω από την καύση. Όσοι, έχετε παρακολουθήσει Χημεία Γυμνασίου, δε θα δυσκολευτείτε ιδιαίτερα και πιθανότητα να εντοπίσετε και μικρά σφάλματα.

Ξεκινάμε από τα βασικά και σιγά-σιγά χτίζουμε γνώσεις για να πάρουμε την απάντησή μας.

Τι είναι χημική ουσία;
Χημική ουσία είναι οποιοδήποτε υλικό στοιχείο βρίσκεται γύρω μας και έχει συγκεκριμένη ταυτότητα (πχ: ο σίδηρος, το αλάτι, η ζάχαρη, το λάδι, η παραφίνη, το οινόπνευμα κλπ.).

Τι είναι χημική αντίδραση;
Χημική αντίδραση είναι η διαδικασία μετασχηματισμού μιας χημικής ουσίας σε μια άλλη. (πχ: ο σίδηρος γίνεται σκουριά αν ενωθεί με το οξυγόνο του αέρα)

Τι είναι καύση;
Καύση είναι η χημική αντίδραση μιας ουσίας με το οξυγόνο που συνοδεύεται από την εκπομπή φωτός και έκλυση θερμότητας στο περιβάλλον (γι'αυτό λέγεται και εξώθερμη χημική αντίδραση). Για να ξεκινήσει η καύση απαιτείται ένας σπινθήρας ή θέρμανση των αντιδρώντων σε κάποια υψηλή θερμοκρασία.

Παράδειγμα
 
C + O
2  CO2 + 32,79 MJ/kg

Τι είναι στοιχειομετρική καύση;
Στοιχειομετρική είναι η τέλεια καύση, όπου όλη η διαθέσιμη ποσότητα οξυγόνου καταναλώνεται και όλο το καύσιμο καίγεται.
Αν η διαθέσιμη ποσότητα οξυγόνου είναι μικρότερη της απαιτούμενης, τότε η καύση είναι ατελής και σχηματίζεται μίγμα μη προβλέψιμων προϊόντων.


Αφού ξεμπερδέψαμε με τους ορισμούς, ώρα να υπολογίσουμε πόσο οξυγόνο απαιτείται για τη στοιχειομετρική καύση 1 κιλού πέλλετ ξύλου.

Αρχικά, ας δούμε τη σύσταση του ξύλου. Όλα τα ξύλα περιέχουν άνθρακα (C), υδρογόνο (H
2), οξυγόνο (O2), άζωτο (N2), μικρές ποσότητες θείου (S) και χλωρίου (Cl) και ένα πλήθως μεταλλικών στοιχείων που δε συμμετέχουν στην καύση, τη γνωστή μας στάχτη ή τέφρα.

Για τους υπολογισμούς μας, θα χρησιμοποιήσουμε τη χημική ανάλυση γνωστής μάρκας που παράγεται στη Ρουμανία, στο Sebes. Κατά βάρος, λοιπόν, η χημική σύσταση είναι:

C

46,12%

H2

5,59%

O2

39,70%

N2

0,05%

S

0,00%

Tέφρα

0,34%

Υγρασία

8,20%

Σύνολο

100,00%


Ο άνθρακας και το υδρογόνο αντιδρούν με το οξυγόνο και σχηματίζουν διοξείδιο του άνθρακα (CO
2) και νερό (H2O) εκλύοντας παράλληλα θερμότητα.
Το οξυγόνο που περιέχεται στο καύσιμο, υποκαθιστά την ποσότητα που απαιτείται από τον ατμοσφαιρικό αέρα.
Το άζωτο είναι αδρανές αέριο και μαζί με το άζωτο του ατμοσφαιρικού αέρα, απλά απορροφούν ένα ποσό θερμότητας από την καύση.
Το θείο αντιδρά με το οξυγόνο και σχηματίζει SO
2 και SO3, αλλά η ποσότητα στο καθαρό ξύλο είναι τόσο μικρή που δε θα τη λάβουμε υπ'όψιν.
Η τέφρα αποτελείται επίσης από στοιχεία που δε συμμετέχουν στην καύση.
Η υγρασία του καυσίμου, μαζί με την υγρασία του ατμοσφαιρικού αέρα, απορροφούν θερμότητα από την καύση, αλλά δε συμμετέχει στην αντίδραση.

Η γενική εξίσωση της καύσης του ξύλου λοιπόν μπορεί να απλουστευθεί σε:

C + H
2 + O2  CO2 + H2O + θερμότητα

Τα ατομικά βάρη των χημικών ουσιών είναι τα εξής:

C = 12
H
2 = 2
O
2 = 32

Επειδή ένα μόριο άνθρακα αντιδρά με 1 μόριο οξυγόνο έχουμε αναλογία ατομικού βάρους 32:12 = 2,67.
Ομοίως για το υδρογόνο έχουμε 16:2 = 8.
Και για το οξυγόνο -1:1 = -1.

Έτσι, μπορούμε να υπολογίσουμε το βάρους του οξυγόνου, πολλαπλασιάζοντας τις ποσότητες των αντιδρώντων με τους συντελεστές αναλογίας μοριακού βάρους:

ΜO
2 = (46,12 * 2,67 + 5,59 * 8 + 39,7 * (-1))/100 = 1,28 kg

Για την καύση ενός κιλού πέλλετ λοιπόν, απαιτούνται 1,28 kg οξυγόνου.

Ο ξηρός ατμοσφαιρικός αέρας, όμως, αποτελείται από 23% οξυγόνο και 77% άζωτο και άλλα αέρια κατά βάρος. Οπότε, για να βρούμε το συνολικό βάρος του αέρα:

Μ
α = 1,28 * 77/23 + 1,28 = 5,57 kg

Aπαιτούνται χοντρικά 5,5 κιλά ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα για να γίνει η στοιχειομετρική καύση ενός κιλού πέλλετ υγρασίας 8%, λοιπόν.


Για να υπολογίσουμε τον όγκο του ξηρού αέρα, χρειαζόμαστε ως δεδομένα τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Σε θερμοκρασία 20°C και ατμοσφαιρική πίεση 101,325 kPa ο ξηρός αέρας έχει πυκνότητα 1,2 kg/m
3. Οπότε τα 5,57 κιλά αντιστοιχούν σε 4,64 m3.

Στην πράξη, όμως, δεν είναι δυνατό παρέχοντας το θεωρητικό απαιτούμενο αέρα να έχουμε τέλεια καύση, γιατί δεν αναμειγνύεται πλήρως το μίγμα αέρα-καυσίμου. Στις πελλετόσομπες και τους πελλετολέβητες, για να εξασφαλίσουμε την πλήρη καύση του καυσίμου, χρειάζεται η διπλάσια ποσότητα αέρα τουλάχιστον. Αυτό το περίφημο λ≥2 που ακούμε.

Άρα, ο όγκος ξηρού αέρα που απαιτείται για την πλήρη καύση 1 kg πέλλετ μέσα σ'έναν καυστήρα γίνεται 9,28 m
3, για συνθήκες 20°C και 101,325 kPa.

Tέλος, η υγρασία στον αέρα, σε αντίθεση με ό,τι πιστεύουν οι περισσότεροι, αραιώνει τη σύστασή του. Οπότε, ανάλογα με την υγρασία, απαιτούνται περισσότερα από 9,28 m
3 αέρα για την καύση ενός κιλού πέλλετ.