Żyjemy dziś w czasach elektronicznych zapłonów, wtrysków paliwa. Dzisiaj nawet zapałki traktowane są jako relikt przeszłości. Rozpalanie częściej nam się kojarzy z podpaleniem papierosa niż ogniska, a używamy do tego zapalniczek gazowych. Lecz czy taki sam przełom dokonał się też w naszym codziennym rozumieniu spalania?
Co to jest płomień?
Potoczne rozumienie spalania
Przez tysiące lat, głównym zmartwieniem ludzi była troska o podtrzymywanie znalezionego ognia. Nasi praprzodkowie nie potrafili samodzielnie go wskrzesić. Odnajdywane są dziś w jaskiniach miejsca po ogniskach w których warstwa popiołu sięga kilku metrów. Palono tam ogień przez wiele pokoleń. Z czasem dokonał się jeden z najważniejszych przełomów w historii ludzkości, nauczono się różnych sposobów rozpalania przez szybkie pocieranie drewna, lub uderzanie w krzesiwo. Podtrzymywanie ognia nabrało wtedy jedynie rytualnego charakteru.
Żyjemy dziś w czasach elektronicznych zapłonów, wtrysków paliwa.
Nawet stare krzesiwo, pozwalające na rozpalenie ognia w każdych warunkach przybrało nowoczesną postać . W wyposażeniu żołnierzy armii USA rolę krzesiwa pełni płytka magnetyczna.
Dzisiaj nawet zapałki traktowane są jako relikt przeszłości. Rozpalanie częściej nam się kojarzy z podpaleniem papierosa niż ogniska, a używamy do tego zapalniczek gazowych.
Lecz czy taki sam przełom dokonał się też w naszym codziennym rozumieniu spalania?
Ogień czy utlenianie?
Ciągle jeszcze wydaje nam się, że ogień to jakieś samodzielne zjawisko fizyczne, które musimy jedynie uruchomić i dalej toczy się już samo.
 Najczęściej ogień utożsamiany jest z płomieniem. Tymczasem spalanie , chociaż zabrzmi to dziwnie, jedynie pośrednio wiąże się z ogniem. Z punktu widzenia chemii spalanie paliw drzewnych, czy szerzej biomasy, to powstanie dynamicznego, gwałtownego procesu reakcji utleniania. Drewno, biomasa to substancje zbudowane z kombinacji 3 podstawowych pierwiastków : C-węgla, O- tlenu, H- wodoru. Pozostałe pierwiastki występują w tych substancjach w ilościach śladowych. Układy wiązań atomów węgla z atomami tlenu i wodoru tworzą różne cząsteczki i łańcuchy z których są zbudowane składniki drewna takie jak celuloza, hemiceluloza czy lignina.
Spalanie, mówiąc wprost, to rozrywanie tych wiązań wywoływane przez strumień atomów dodatkowego tlenu a zapoczątkowane przez początkową temperaturę rozpalenia. Cząsteczki powietrza, a wśród nich atomy tlenu, chaotycznie uderzają w atomy głównie węgla. ale także wodoru, wchodzących w skład łańcuchów węglowodorowych. Wyrywają je z nich i tworzą prostsze tlenki. Efektem ubocznym tego procesu jest uwolnienie energii zgromadzonej w węglowodorach.
Płomień świeczki pod lupą
Płomienie, najczęściej kojarzone z ogniem, to obszar utleniania powstających gazów wytwarzający widzialne promieniowanie elektromagnetyczne i ciepło.
 Gdybyśmy bliżej przyjrzeli się samym płomieniom wówczas zauważylibyśmy w nich 3 strefy. W pierwszej, najniżej położonej, zachodzi rozkład cząsteczek paliwa, emitujący słabe, fioletowe światło nazywane wewnętrznym płomieniem rozkładu.
W drugiej następuje rozżarzenie cząsteczek węgla wysyłających kwanty światła. Powstaje dużo cząsteczek tlenku węgla. Zbyt mały zasób tlenu nie pozwala na pełne związanie węgla. Strefa ta nazywana jest płomieniem redukującym. Świeci ona intensywnie żółtym światłem. Ostatnia to zewnętrzna strefa płomienia utleniającego. Świeci ona coraz słabszym niebieskim światłem w miarę zachodzącego całkowitego utlenienia cząsteczek węgla czyli powstawania dwutlenku węgla.
Kształt płomieni
To może dziwne ale przyzwyczajeni jesteśmy do tego, że płomień świeczki ma zawsze kształt wyciągniętej łezki. Tak naprawdę o jego kształcie decyduje ruch prądów konwekcyjnych związanych z unoszeniem się ciepłych gazów. Muszą one pokonywać opór zimnego powietrza i opór grawitacji unosząc się do góry. Kondensacja tych prądów w płomieniu świeczki w pewien sposób utrudnia skuteczność spalania, ograniczając dostęp cząsteczek tlenu. Stąd duża strefa pomarańczowo-żółta płomienia redukcyjnego. Wymiana ciepła zachodząca w zewnętrznej strefie płomienia uruchamia też prądy opływowe wokół płomienia. Wzajemne oddziaływanie tych prądów decyduje o kształcie płomienia i przyczynia się też do jego barwy czyli do skuteczności utleniania.
 Eksperymenty prowadzone w NASA związane ze spalaniem w warunkach obniżonej grawitacji dają zaskakujące wyniki. Ta sama świeczka pali się całkowicie inaczej. Powstające gazy spalają się w o wiele wyższej temperaturze. Mamy tu do czynienia ze spalaniem sferycznym w kształcie półkuli o wysokiej temperaturze święcącej fioletowym i niebieskim światłem.
Przy mniejszej grawitacji zdecydowanie poprawiają się warunki utleniania gazów. Powstający płomień pozbawiony jest całkowicie żółtego i pomarańczowego światła.
Od płomienia świeczki do ogniska
Z całkiem inną dynamiką konwekcji gazów mamy do czynienia w przypadku spalania drewna czy biomasy. Tu nakładają się na siebie różne fazy spalania poszczególnych fragmentów drewna i zderzają się różne strumienie gazów. Efekt obserwujemy w postaci tańczących płomieni. Dostęp tlenu z powietrza jest w wyniku przepychania się strumieni gazów utrudniony. W efekcie niższa temperatura spalania widoczna pod postacią ciemno pomarańczowych płomieni. Im ciemniejsza ich barwa tym niższa temperatura i gorsze spalanie.
 W wyniku gwałtownej konwekcji i utrudnionemu przez to dostepowi tlenu, dekompozycja cząsteczek drewna również jest niekompletna. Unoszone są do góry różne cząsteczki w postaci iskier, żarzących sie drobin drewna, które nie zdążą się dopalić. Ciemny dym to również strumień nie dokońca utlenionych cząsteczek węgla i chociaż płomienie ogniska otoczone są przez powietrze z tlenem, to do pełnego utlenienia nie dochodzi.To jedna z przyczyn niskiej efektywności spalania w otwartych kominkach, szacowanej jedynie na około 10%.
Zefir czy tornado?
Cóż zatem się stanie jeśli w ten gąszcz płomieni wdmuchniemy powietrze?
Zdecydowanie poprawi się spalanie. Powietrze to, zwane najczęściej wtórnym, umożliwi zderzanie się cząsteczek tlenu z molekulami węgla.
 W nowoczesnych systemach powietrze to jest wstępnie podgrzewane, a nadmuch najczęściej jest wielopunktowy. Tym samym rośnie prawdopodobieństwo trafienia tlenem w cząsteczki zgazowanego paliwa. W panoramicznych kominkach osiąga się nawet 80 % wydajności spalania, a przy tym zachowana jest cała uroda płomieni, chociaż oglądanych przez szybę. Ideał pełnego spalania wymaga jednak czegoś więcej! Sam nadmuch to za mało. To naturalnie najważniejszy warunek, lecz nawet przy optymalnym nadmuchu część cząsteczek węgla przedostanie się ze spalinami do komina.
W oku cyklopa!
Utlenianie to nie gra w bilard, w czasie której każda nieruchoma bila po kolei jest strącana. Tu mamy do czynienia z termodynamiką gazów. Wzrost temperatury prowadzi każdorazowo do wzrostu ruchu swobodnego cząsteczek, a przez to do wzrostu ciśnienia i objętości gazu . Bardziej przypomina to rozpraszającą się gwałtownie ławicę ryb. Jak nad nimi zapanować? Skutecznym rozwiązaniem okazało się zastosowanie przeciwprądowego spalania za pomocą różnego rodzaju palników.
 Występują one najczęściej w postaci zewnętrznych urządzeń wmontowywanych do kotła, spalających rozdrobnione paliwo, np pelety, zrębki / zdjęcie z boku/ Na przechodzące przez nie małymi porcjami paliwo, wdmuchiwane jest wielopunktowo ciepłe powietrze. O skuteczności palników decyduje dokładność utleniania przesuwającego się paliwa.
Palnikiem nazywane jest również urządzenie montowane wewnątrz kotłów w postaci ceramicznej, napowietrzanej dyszy, przez którą przepuszczane są spaliny /zdjęcia poniżej/. Spalanie w nich jest bardziej równomierne w całym strumieniu gazów.
 Na zdjęciu widać smugę ognia uzyskiwaną w kotłe zgazowującym, przeciwprądowym. Powietrze pierwotne wdmuchiwane jest z góry w dół wymuszając obieg gazów. Przechodzą przez ceramiczny palnik, przez który dodatkowo wtłaczane jest ciepłe powietrze wtórne. Efekt widoczny na zdjęciu: równomierne spalanie całej smugi, zdecydowanie lepsze utlenianie, wyższa temperatura spalania. Gazy lepiej mieszane są z powietrzem i łatwiej o zderzenie się cząsteczek węgla z tlenem.Ceramiczny, dotleniany palnik nie tylko zwiększa dostępność tlenu w cząsteczkach paliwa tworzących strumień gazu, ale także wzmaga ich ruch przez oddziaływania katalityczne i stałe promieniowanie podczerwieni, podnoszące ich temperaturę. Dodatkowo może ukierunkowywać termodynamikę strumienia.
 Mniejszy przekrój palnika powodować będzie wzrost ciśnienia, a tym samym wiekszą prędkość cząsteczek gazu i ich większe, choć równomierne, zagęszczenie. Przy odpowiednim dotlenieniu skutkować będzie to wzrostem temperatury spalania. Wzrost ciśnienia spalin prowadzi jednocześnie do unoszenia cząsteczek popiołu.
Alchemia utleniania
Wiele jest sposobów poprawienia spalania. Ciągle też trwają poszukiwania nowych, coraz lepszych. Dzisiaj spalanie na poziomie 80 % efektywności nie wymaga specjalnie wyrafinowanej techniki. Wystarczy do tego porządnie wykonany standard z regulacją nadmuchu powietrza pierwotnego i wtórnego. Coraz więcej kotłów osiąga sprawność powyżej 90% i tu juz zaczynają się schody . Wyduszenie każdego następnego procenta wymaga coraz większego wysiłku konstrukcyjnego. Prace idą w kierunku pełnego sterowania, niezależnymi źródłami powietrza pierwotnego i wtórnego, tak by odpowiednio je podawać w różnych fazach spalania. Około 16 % drewna nie zamienia się w gaz lecz w węgiel drzewny.
 Zwiększa to rolę nadmuchu powietrza pierwotnego. Jednym z warunków pełnego sterowania jest jego połączenie z czujnikiem spalin. Na podstawie wskazań programy odpowiednio modulują moc wentylatorów dopasowując obroty i cykl pracy do modelu spalania. Komfort pracy i jakość spalania podwyższyć może wentylator wyciągowy. Zmienia on turbulencję spalin. Strumień promieni zwęża się i wydłuża. Pozwala na eliminację kondensacji pary przy niższych temperaturach. Najlepiej funkcjonuje z elektrozaworami regulującymi napływ zasysanego powietrza, a przy współpracy z wentylatorami nadmuchowymi daje całkiem nowe perspektywy sterowania spalaniem. Sporo uwagi poświęca się podwyższaniu temperatury wprowadzonego do paleniska powietrza. Wydłuża się drogę jego wprowadzania, wykorzystuje temperaturę wyrzucanych spalin. Normalne turbodoładowanie! Opracowano systemy wstępnego dosuszania rozdrobnionego paliwa z pozapaleniskowo odprowadzaną parą wodną. Wiele wysiłku poświęca się sposobowi prowadzenia spalin, ich zawirowywaniu. W piecach przemysłowych wdrożono paleniska cyklonowe, ułatwiające, jak każda wirówka, mieszanie się cząsteczek i wytrącające popiół. Coraz częściej stosuje się także rożnego rodzaju katalizatory, podobne do samochodowych, ułatwiające dopalanie cząsteczek węgla i neutralizację szkodliwych substancji.
Lech Kowalewski |
