Paras puukattila

[ev3449]

Mistä puun kaasutuksen energia otetaan?

Tässä puutteellisella kemian ymmärryksellä muodostettuja ajatuksia paremmin ymmärtäville kemisteille tyrmättäväksi.

Olen siis uskossa, että varsinaisella palamisvyöhykkeellä tuotetaan kaikki kaasutukseen vaadittu energia reaktioissa.
C + 1/2 O2 -> CO
CO + 1/2 O2 -> CO2
H2 + 1/2 O2 -> H2O
(C + O2 -> CO2)

Varsinaisia, energiaa kuluttavia kaasutusreaktioita ovat
C + H2O -> CO + H2
C +CO2 -> 2CO

Lisäksi pieniä määriä metaania tuotetaan reaktioissa
C + 2H2 -> CH4
CO + 3H2 -> CH4 + H2O
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O

Eikö tässä ns. vesikaasureaktiossakin vapaudu energiaa?
CO + H2O -> CO2 + H2

Kaasutusreaktioiden lisäksi energiaa kuluu erilaisten tervayhdisteiden ”krakkautuessa” toivottavasti palamisvyöhykkeessä (eikä vasta varastopesästä poistuttuaan) jolloin muodostuu valtaosa metaanista.
Tervayhdisteet -> CH4 + C + COx

[repa]

Liekin väri voi johtua myös muista syistä. Natrium tekee keltaisen liekin, ja sitähän löytyy vaikka normi suolasta. Punaisuus vaatiikin hiukan harvinaisempia aineita, eli todennäköisesti ei johdu 'epäpuhtauksista'.

http://www02.oph.fi/etalukio/opiskelumodulit/kemia/labra/liekkikokeet.html (ionien liekkivärit)

"Yksi oli liuhuva liekin väri"  Normi tilanteessa sini-värittömästä  liekistä poikkeavat värit johtuvat siitä että kaasun mukana on terva-aineita eli pitkäketjuisia hiilivetyjä. Jos joku ruokasuolaa heittää puiden sekaan se toimi toki hyvin katalyyttinä mutta konvektio, varastipesä ja hormi ei tykkää kloorista. Minkä väristä liekkiä luulet kloorin aiheuttavan? Punaista väriä saa strontimilla, vihreetä bariumilla 


[quote author=Antza0 link=topic=1013.msg22852#msg22852 date=1458143244

Tuskinpa kukaan on luullutkaan automaatiota miksikään niksi-Pirkka -ratkaisuksi, jos poltto on mitä lie. Eiköhän se vertailutilanne ole oikea, kun tutkaillaan saman, jo manuaalinakin hyvin pelaavan pannun manuaali- ja lambadaversioita.

[/quote]
Jotakuinkin noin. Moni kuitenkin luulee kattilansa paranevan pelkällä lambda-automaatiolla.

Tuosta kaasutusjutusta olen kyllä eri mieltä. Väitän, ettei kaasutus ja ilmaylimäärän tarve ole suoranaisesti toisistaan riippuvia. Toki tasainen kaasutus on hyvän toisiopalon ehto, mutta eiköhän se ilmaylimäärä riipu ensisijaisesti toisiopalon hyvyydestä, hapen sekoittumisesta palaviin kaasuihin, sopivassa lämpötilassa.

Tavallaan ne kuitenkin riippuvaisia toisistaan, ensiöilmä määrää paljonko poltettavia kaasuja toisiopaloon menee ( ja samalla tehon ) , toisioilmaa sit tarvii "sopivasti", yksinkertaiset kaasut palaa stökiömetrisellä ilmalla kunhan niille annetaan riittävästi aikaa eikä virtausnopeus ole liian suuri ( hiukka noissa pyörrekammioissa sossitään kun pyörteessä virtausnopeus on ( ehkä ) liian suuri.

Hämmennänpä edelleen soppaa: Koska liian korkea palolämpötila johtaa typen oksidipäästöihin, eiks kannattais optimoida toisioon syötettävän ilman lämpö niin, et saatais toisiopalon lämpöä optimoitua. Eli tasapainoillaan typen päästöjä alas.

Typen oksideista viis, eihän tässä dieselautoja amerikkaan olla myymässä  . Toki siihenkin sitten löytyy keinot kun katsastusmies ilmestyy kattilan viereen.


Tuossa vielä puun sisältämät epäorgaaniset aineet:

Pitoisuus (ppm)     Alkuaine
400–1000      K, Ca
100–400      Mg, P
10–100      F, Na, Si, S, Mn, Fe, Zn, Ba
1–10      B, Al, Ti, Cu, Ge, Se, Rb, Sr, Y, Nb, Ru, Pd, Cd, Te, Pt
0,1–1      Cr, Ni, Br, Rh, Ag, Sn, Cs, Ta, Os
<0,1      Li, Sc, V, Co, Ga, As, Zr, Mo, In, Sb, I, Hf, W, Re, Ir, Au, Hg, Pb, Bi

[repa]

Tässä puutteellisella kemian ymmärryksellä muodostettuja ajatuksia paremmin ymmärtäville kemisteille tyrmättäväksi.

Olen siis uskossa, että varsinaisella palamisvyöhykkeellä tuotetaan kaikki kaasutukseen vaadittu energia reaktioissa.
C + 1/2 O2 -> CO
CO + 1/2 O2 -> CO2
H2 + 1/2 O2 -> H2O
(C + O2 -> CO2)

Varsinaisia, energiaa kuluttavia kaasutusreaktioita ovat
C + H2O -> CO + H2
C +CO2 -> 2CO

Lisäksi pieniä määriä metaania tuotetaan reaktioissa
C + 2H2 -> CH4
CO + 3H2 -> CH4 + H2O
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O

Eikö tässä ns. vesikaasureaktiossakin vapaudu energiaa?
CO + H2O -> CO2 + H2

Kaasutusreaktioiden lisäksi energiaa kuluu erilaisten tervayhdisteiden ”krakkautuessa” toivottavasti palamisvyöhykkeessä (eikä vasta varastopesästä poistuttuaan) jolloin muodostuu valtaosa metaanista.
Tervayhdisteet -> CH4 + C + COx

Suurinpirtein noin. Puu koostuu selluloosasta, hemiselluloosasta ja lingniineistä, ne on järettömän pitkiä hiilivetyketjuja. Kun ne kuumassa pilkoutuvat niistä syntyy ensin phenoleja eli tervoja. Tupakansavussa ( epätäydellinen palaminen ) sanotaan olevan 4000 - 6000 eri aineyhdistelmää, puussa varmaan samoja lukemia. Kuuman hiilustan tarkoitus on pikkoa eli krakata ne ihan alkuaineiksi saakka. Lyhyemmät pilkoituu helpommin ( nopeammin ) kuin pitkät. Pitkistäkin tulee kerta kerralta lyhyempiä.

Nuo reaktiot noudattavat Gipsin lakia eli pyrkivät mahdollisimman pieneen energia tasoon eli entalpiaan. Hiilustassa on kuitenkin energiaa tarjolla ja entalpia taso nousee, toisiopalossa tuo energia vapautuu.
Reaktiot ovat myös ns. tasapainoreaktioita, eli menevät molempiin suuntiin riippuen siitä saavatko ne energiaa vai luovuttavat.


Kaasutuskattilan oleellisin asia on se hehkuva hiilusta. Jos siihen syntyy reikä niin niitä tervoja pääsee toisiopaloon. Ne palavat huomattavasti hitaammin pitkällä valoisalla liekillä. Niiden pitää krakkautua ennen palamista mikä vie siis pidemmän ajan. Liian suuri virtausnopeus saattaa viedä ne konvektioon asti missä lämpö ei enää riitä niideen palamiselle.

Eikö tässä ns. vesikaasureaktiossakin vapaudu energiaa?
CO + H2O -> CO2 + H2

Tuossa sitoutuu energiaa, energia vapautuu kun ko kaasu poltetaan

[seppol]

Tätä "veden polttamista" esitetään aina silloin tällöin. Saattaa olla että näitä reaktiota tapahtuu molempiin suuntiin. Riippuu vähän siitä riittääkö lämpöenergia hajottamaan yhdisteet ensin. Toivottavasti lopuksi yhdistyminen.

Noista reaktioyhtälöistä sanoisin vielä sen verran että miten otetaan puoli moolia happea. Jonkun teorian mukaan tulisi kaksi moolia vetyä ja yksi mooli happea. Syntyy väliaikainen H4 O2, joka hajoaa kahdeksi vesimolekyyliksi.

Lämmön tuotannossa ulospäin  näistä reaktioista ei ole hyötyä. Veden käytöstä ainakin pienpoltossa on vain haittaa. Jos sitä käytetään syyt ovat muut. Suuressa palopesässä, jossa energiatiheys on suuri ja lämpötila pyrkii nousemaan, vedellä lasketaan lämpötilaa. Tarkoitan sitä että kun säiliön mitta tulee kaksinkertaiseksi, pinta-ala nelinkertaistuu ja tilavuus 8 -kertaistuu. Energia on tilavuudessa joten sen suhde pinta-alaan kasvaa jos säiliötä suurennetaan.

Vesikaasureaktorissa vesi tosiaan hajoaa mutta sen tarkoitus ei ole lämpöä tuottaakaan vaan kaasua. Se myydään asiakkaille. Siihen kannattaa ladata niin paljon energiaa kuin mahdollista. Laskisko joku paljonko kuluu vettä ja hiiltä jos tehdään 1 kg vesikaasua.

[varikonniemi]

>Tätä "veden polttamista" esitetään aina silloin tällöin. Saattaa olla että näitä reaktiota tapahtuu molempiin suuntiin. Riippuu vähän siitä riittääkö lämpöenergia hajottamaan yhdisteet ensin. Toivottavasti lopuksi yhdistyminen.

By means of the CO shift conversion an important portion of the CO content in the cracked gas is used for additional hydrogen generation, which is following the chemical reaction

CO  +  H2O  <=>  H2  +  CO2

This process is exothermic and is limited by the chemical equilibrium.

Eli kyllä, se on tasapainotila. Sitä tasapainoa voi työntää vedyn muodostumisen suuntaan käyttämällä katalyyttiä.

>Noista reaktioyhtälöistä sanoisin vielä sen verran että miten otetaan puoli moolia happea. Jonkun teorian mukaan tulisi kaksi moolia vetyä ja yksi mooli happea. Syntyy väliaikainen H4 O2, joka hajoaa kahdeksi vesimolekyyliksi.

Kyseessä on vain ilmaisutapa. Joskus vain helpompi puolittaa ainoa 2 kuin tuplata kaikki 1.


Kaikenkaikkiaan ihmettelen vähän tätä  "veden polttamista". Siitä on ollut paljon juttua, mutta ei yhtäkään tuotetta ainakaan kuluttajamarkkinoille. Mutta teorian mukaan hiilimonoksidi pitäisi saada poltettua hiilidioksidiksi veden, katalyytin ja jälkipolton avulla.

Ehkä ongelma on siinä, että hyvä kattila ei tuota hiilimonoksidia eli koko järjestelmä toimii ainoastaan paskassa kattilassa.

[pjokinen]

Ehkä ongelma on siinä, että hyvä kattila ei tuota hiilimonoksidia eli koko järjestelmä toimii ainoastaan paskassa kattilassa.

?? Eikös kaikessa puun palamisessa ole vaihe jossa hiilimonoksidia esiintyy? Hyvässä kattilassa kyseistä tuotetta ei päädy piippuun ja huonossa sitten runsaammin, vai mitä?

[varikonniemi]

Jos kattila polttaa täydellisesti ei siitä tule hiilimonoksidia vaan hiilidioksidia.

[ev3449]

Eikö tässä ns. vesikaasureaktiossakin vapaudu energiaa?
CO + H2O -> CO2 + H2

Suurinpirtein noin...
Tuossa sitoutuu energiaa, energia vapautuu kun ko kaasu poltetaan

En ymmärrä kyllä yhtään ihmisiä...

CO muodostumislämpö = -110,523 kJ/mol
CO2 muodostumislämpö = -393,513 kJ/mol
H2O muodostumislämpö = -241,826 kJ/mol
alkuaineet 0

Reaktio CO + H20 -> CO2 + H2

(-110,523) + (-241,826) -> (-393,513)+(0)
-352,349 -> -393,513
dH = -41,164kJ/mol eli reaktio vapauttaa energiaa ~ 41kJ/mol

H2 + 1/2 O2 -> H2O vapauttaa ~ 242kJ/mol
ja ymmärrettävästi näiden reaktioiden vapauttaman energian summa on yhteneväinen CO + 1/2 O2 -> CO2 reaktiossa vapauttavan energian kanssa (283kJ/mol).

Täydellisen palamisen lopputuotteilla ei ole myöskään mitään tekemistä sen kanssa, etteikö keskellä prosessia esiintyisi epätäydelliseen palamiseen liittyviä välimuotoja?!

[seppol]

Minusta nuo kaksi kaasuseosta on niin, että toisessa CO ja H2O vain hiilimonoksidi on palavaa ja sitä on yksi mooli.
Toisessa seoksessa CO2 ja H2 vain vety on palavaa ja sitäkin on yksi mooli.
Kummanko polttoarvo on suurempi ? Hiilimonoksidilla se taisi olla 110 kJ / mol Ja vedyllä 242 kJ /  mol. Eroa on 132 kJ / mol vedyn hyväksi. Kummankin kaasuseoksen yhteenlaskettu moolimassa on 46 g ja kumpikin tarvitsee palaakseen 1/2 mol ( 16 g) happea.
Mistä tuo energia otetaan ? Se otetaan palavasta hiilestä. Energia tavallaan siirretään uunista kaasun polttokohteeseen. Mikä uunissa hävitään se käyttökohteessa voitetaan. Jos lämpöä ei tule lisää, reaktio jäähtyy ja loppuu. Jos se olisi lämpöä luovuttava se tapahtuisi loppuun ilman toimenpiteitä. Siinähän kuitenkin hajotetaan vettä.

Jännää että ensimmäisessä kaasuseoksessa palavaa häkää on 28 g ja vettä 18 g
Toisessa seoksessa palavaa vetyä on 2 g ja hiilidioksidia 44 g .

[ev3449]

Minusta nuo kaksi kaasuseosta on niin, että toisessa CO ja H2O vain hiilimonoksidi on palavaa ja sitä on yksi mooli.
Toisessa seoksessa CO2 ja H2 vain vety on palavaa ja sitäkin on yksi mooli.
Kummanko polttoarvo on suurempi ? Hiilimonoksidilla se taisi olla 110 kJ / mol Ja vedyllä 242 kJ /  mol. Eroa on 132 kJ / mol vedyn hyväksi. Kummankin kaasuseoksen yhteenlaskettu moolimassa on 46 g ja kumpikin tarvitsee palaakseen 1/2 mol ( 16 g) happea.
Mistä tuo energia otetaan ? Se otetaan palavasta hiilestä. Energia tavallaan siirretään uunista kaasun polttokohteeseen. Mikä uunissa hävitään se käyttökohteessa voitetaan. Jos lämpöä ei tule lisää, reaktio jäähtyy ja loppuu. Jos se olisi lämpöä luovuttava se tapahtuisi loppuun ilman toimenpiteitä. Siinähän kuitenkin hajotetaan vettä.

Jännää että ensimmäisessä kaasuseoksessa palavaa häkää on 28 g ja vettä 18 g
Toisessa seoksessa palavaa vetyä on 2 g ja hiilidioksidia 44 g .

Ei ole siitä kyse, että reaktio kumpaakaan kautta tuottaisi tai kuluttaisi enemmän tai vähemmän energiaa. Kyse on vaan varastopesässä tapahtuvista reaktioista.

Jos alkukutuote ja lopputuote on sama, riippumatta mitä välillä tapahtuu, entalpiamuutos on myös identtinen. Tämä helpottaa laskemista huomattavasti, kun riittää, että tietää lähtökohdan sekä lopputuotteen. (Hessin laki)
Tarkat erot "polttoarvoihin" löydät muodostumislämmöistä.

Jos poltat esim. hiilen suoraan tai hiilimonoksidin (välivaihe) kautta, lopulta reaktiosta ulos saatava energia on aina sama.

C + O2 -> CO2 ~ 394kJ/mol
C + 1/2 O2 -> CO ~ 111 kJ/mol ja tästä CO + 1/2 O2 -> CO2 ~ 283kJ/mol (111kJ/mol + 283kJ/mol) = 394kJ/mol.

Esim. bensiini on sopiva pohdinnan kohde Gibbsin energiasta puhuttaessa. Miksi bensa ei hapetu (pala) kun sitä vaikkapa avoimessa astiassa on ilmalle alttiina? Gibbsin energian mukaan näin tulisi tapahtua?! (Spontaani reaktio, dG<0)

Reaktion käynnistymiseen vaadittavaa energiaa kutsutaan aktivaatio-/aktivointienergiaksi eikä sitä mihinkään menetetä. Aivan vastaava asia kuin vaikkapa auton polttoaineen kanssa. Käynnistyttyään moottori tuottaa tarvitsemansa aktivaatioenergian sekä luovuttaa sen ja entalpiamuutoksen mukaisesti reaktiossakin syntyvän energian ulos.

Yksinkertaisin mallinnus voisi olla vaikkapa pallo jyrkänteen reunalla. Sillä on potentiaalienergiaa, mutta ilman pientä tönäystä kiven murun yli se ei energiaansa luovuta.

Katalyytti ei vaikuta mihinkään muuhun, kuin alentaa vaadittavan aktivointienergin tasoa osallistumatta itse reaktioon.

EDIT:

Jos ajattelee noita mainitsemiasi "vain palavia" osia, CO voi vielä palaessaan CO2:si luovuttaa (393,513-110,523)= 282,99kJ/mol energiaa ja H2 palaessaan H2O:si (241,826-0)= 241,826kJ/mol. Näiden erotus on se reaktiossa luovutettu energia 41,164kJ/mol.

[seppol]

Pallo jyrkänteen reunalla on hyvä vertaus. Siinä on vain pieni reunus joka yli pallo on vieritettävä. Reunuksen ylittämiseksi tehdään työmäärä joka saadaan hyväksi kun pallo on alhaalla. Ei tervi laskea mitään.

[seppol]

Vielä jos palataan tuhon kaasugeneraattorin muutokseen. Mitä järkeä on irrottaa happi vedestä ja siirtää se hiilimonoksidiin jos kaasun polttoarvo laskee. Sitten se syötetään muualle poltettavaksi.
Lämmitysuunin kohdalla näillä välimuutoksilla ei ole mitään merkitystä. Pääasia että savukaasuissa on vain hiilidioksidia ja vettä.

Ihan asian vierestä kerron tapahtuman:
Majataloon tuli kolme miestä yöksi. Isäntä oli jossain käymässä ja palvelija tuli vastaanottoon. Vieraat kyselivät hintaa mutta palvelija ei oikein tiennyt. Miehet antoivat jokainen 10 €
Isäntä tuli kotiin ja  sanoi että huone maksaa vain 25 €. Hän antoi vitosen palvelijalle ja sanoi että palauta se. Palvelija teki niin että antoi jokaiselle euron takaisin ja piti itse kaksi.
Miehet olivat maksaneet 3 x9 = 27 € ja pojalla oli 2. Mihin katosi 1 euro.

[ev3449]

Eikö vety ole ns. täydellinen polttoaine ja täten joissain tapauksissa haluttu?

Noissa reaktioissa pitää muistaa, että jokainen on omansa. Ja vaikka kokonaisenergiassa laskennallisesti ei eroa olisikaan, eroa voi muodostua todellisuudessa johtuen eroista toiminnassa.
Itse pidän kaasutuskattilan "määritelmänä" sekä ajallisesti, että tilallisesti erotettua kaasun muodostusta ja polttoa. Eikö voida ajatella, että edellytykset parhaalle palamiselle täyttyvät, kun palamistilannetta vähiten jäähdytetään? Puun polttamiseen liittyy aina energiaa kuluttavia "osia". Jos nämä osat on karsittu mahdollisimman hyvin pois viimeisestä palamisesta, sitä "paremmin" palaminen voi tapahtua?!

[vauxhall1972]

Näkisin niin että tuo välivaiheinen poltto CO:n kautta jättäisi arinalle riittävästi lämpöä reaktion jatkamiseksi ja olisi siksi haluttu tavoite, ja tuon kaasupalon ideaalisempi tapahtumapaikka on toisiopesä jossa palaa pelkkää kaasua, hiilloksen seassa olisi liikaa häiritseviä tekijöitä, sekä kemiallsiesti että epätäydellisen sekoittumisen muodossa.

[pelti]

se euro meni niihin ilmaisiin polttopuihin.