KAASUTUKSEN TEORIA


etusivulle

Kaasuttimessa tapahtuvat reaktiot

Kaasugeneraattori säätää normaalitilanteessa lämpötaloutensa automaattisesti kohti tapahtuvien hapettumis- ja pelkistymisreaktioiden tasapainotilaa. Pelkistymisreaktioiden vaatiman lämpöenergian alkaessa loppua tuotekaasun hiilidioksidipitoisuus kääntyy nousuun ja samalla generaattorin lämmönkehitys kasvaa. Hiilikaasuttimissa energiatase on ylijäämäinen, minkä seurauksena kaasussa on vain vähän hiilidioksidia jäljellä ja tasapainolämpötila on korkea. Käytettäessä polttoaineena kosteaa puuta energiatase on voimakkaasti alijäämäinen ja sen tasaamiseksi kaasuun jää aina runsaasti hiilidioksidia jäljelle.

 

H2

 = Vety, esiintyy kaasuna kaksiatomisena molekyylinä (2g/mol)*
 

N2

=

Typpi, esiintyy kaasuna kaksiatomisena molekyylinä (28 g/mol) *

 

O2

=

Happi, esiintyy kaasuna kaksiatomisena molekyylinä (32 g/mol)

 

C

=

Hiili (12 g/mol)

 

CO2

=

Hiilidioksidi(44 g/mol)

 

CO

=

 Hiilimonoksidi eli häkä (28 g/mol) *
 

CH4

=

 Metaani (16g /mol)
      * = puhtaana kaasuna ilmaa kevyempää

Hiilen palaessa energiasta vapautuu suurin osa eli noin 72 % vasta toisen happiatomin liittyessä hiileen. Ellei näin tapahtuisi, hiilimonoksidin käyttäminen polttoaineena ei olisi mahdollista. Kaasutettaessa pelkkää hiiltä riittää hiilestä hiilimonoksidia tuottavien reaktioiden lämpö kehittämään riittävän lämpötilan kaasutusreaktioiden ylläpitämiseksi.

 

C

+

 ½ O2 à  CO   energiaa vapautuu

110,5 kJ/mol

 

CO

+ 

 ½ O2     à  CO2       energiaa vapautuu 283,0 kJ/mol
 

C          

+ 

 O2  à    CO2    energiaa vapautuu 393,5 kJ/mol

Kun hiili on kosketuksissa palamiskaasujen kanssa korkeassa lämpötilassa, se pystyy ryöstämään hapen hiilidioksidilta, jolloin muodostuu hiilimonoksidia. Tällöin lämpötila laskee energian siirtyessä jälleen kemialliseen muotoon hiilimonoksidiksi.   

 

CO2 

+

C

à  2 CO   energiaa sitoutuu 172,5 kJ/mol

Hiili kykenee ryöstämään hapen myös vedeltä, jolloin reaktiotuotteena syntyy vetyä ja hiilimonoksidia. Vety on erinomainen polttoaine. Se tekee kaasun nopeasti palavaksi ja herkästi syttyväksi. Reaktion tapahtumisen edellytyksenä on riittävän korkea lämpötila, käytännössä noin 800 °C.

 

H2O

+

  C à  H2+ CO   energiaa sitoutuu

131,5 kJ/mol

Puukaasuttimeen vettä joutuu polttoaineen mukana kosteutena, missä sen voidaan katsoa olevan nestemäisessä muodossa. Veden höyrystäminen 100 °C:ssa kylläiseksi höyryksi kuluttaa runsaasti energiaa. Lisäksi energiaa kuluu veden lämmittämiseen höyrystymislämpötilaan ja muodostuneen höyryn tulistamiseksi kaasutuksen loppulämpötilaan, noin 800 °C:een. Puun kuiva-aineen painosta noin puolet muodostuu vedystä ja hapesta, siis tavallaan vedestä, joka vapautuu puun palamisen tuloksena. Näin vettä tulee kaasutukseen aina riittävästi käytettäessä polttoaineena puuta. Kosteuden mukana tuleva vesi on ylimääräistä ja vain haittaa kaasutustapahtumaa.

 

H2O

(neste)

   à  H2O (höyry)  energiaa sitoutuu

44 kJ/mol

Kaikki edellä kuvatut reaktiot ovat tasapainoreaktioita, ne voivat siis tapahtua myös käänteisesti. Esitetyt reaktioissa sitoutuvat tai vapautuvat energiamäärät kuvaavat nuolen suuntaan tapahtuvia reaktioita. Ainemäärät ovat reaktioyhtälöissä mooleina. Yksi mooli sisältää aina yhtä monta molekyyliä riippumatta yhdisteestä, massa riippuu sitä vastoin itse aineesta. Kaasumaisten aineiden tilavuus suhteessa ainemäärään on aina vakio, 22,4 litraa / mooli yhden ilmakehän paineessa ja 0 °C lämpötilassa. Tilavuus riippuu vain lämpötilasta ja paineesta, ei kaasun kemiallisesta koostumuksesta. Polttomoottorin toiminta perustuu juuri palamisen aiheuttamaan lämpötilan nousuun ja siitä seuraavaan kaasun lämpölaajenemisen.

 

KAASUN PALAMINEN JA SAATAVA TEHO

Kaasua poltettaessa lämpöä vapautuu hiilimonoksidin ja vedyn palaessa. Kuten alla olevista reaktioyhtälöistä nähdään, kaasujen kokonaismäärä vähenee generaattorikaasun palavien komponenttien reagoidessa hapen kanssa. Palamattomat komponentit (typpi N2 ja hiilidioksidi CO2) eivät muutu reaktioissa.

 

CO

+

 ½ O2 à  CO2                        energiaa vapautuu

283,0 kJ/mol

 

H2

+ 

 ½ O2     à  H2O   energiaa vapautuu 242,0 kJ/mol
 

CH4         

+ 

 2 O2  à    CO2 + 2 H2O   energiaa vapautuu 802,0 kJ/mol

Generaattorikaasu sisältää vetyä ja hiilimonoksidia yhteensä suunnilleen 40 %. Moottoriin syötettävässä ilman ja kaasun seoksessa näitä komponentteja on noin 20 %. Metaanin palaessa kaasumaisten aineiden määrä ei muutu. Kun palamisen tuloksena 1,5 molekyylistä vetyä tai hiilimonoksidia muodostuu vain 1 molekyyli, vähenee kaasujen kokonaismäärä moottorissa palamisen tuloksena reagoimattomat komponentit mukaan lukien noin 7 %. Tämä ei ole edullista moottorin toiminnan kannalta. Käytön kannalta on merkittävää, että puukaasun syttymisalue on varsin laaja. Kaasulle, jossa on 21 % CO ja 19 % H2 ja 1,5 % CH4 alempi raja on 16 % ja ylempi 67 % (kaasun tilavuusosuus ilmassa). Siis noin ilmakerroin 2 laihempaan ja ilmakerroin 0,5 rikkaampaan suuntaan. Moottorista saatava teho riippuu lähinnä siitä ilmamäärästä, minkä moottori voi räjähdysseoksessa ottaa sisäänsä. Puukaasu muodostaa noin 45 % räjähdysseoksen tilavuudesta, se siis syrjäyttää huomattavan osan siitä ilmamäärästä, minkä moottori teoriassa pystyisi imemään sisäänsä. Vastaavasti metaani täyttää noin 10 %, nestekaasu (propaani) noin 3 % ja kaasuuntunut bensiini ainoastaan vähän yli 1 % räjähdysseoksen tilavuudesta.

 

C8H16          

+

  12 O2   à     8 CO2 + 8 H2O   bensiinin palamisreaktio  

 

Räjähdysseoksen lämpöarvo puukaasulla on noin 2 500 kJ/m3, mikä on noin 30 % alhaisempi kuin bensiini- ilmaseoksella (3800 kJ/m3). Tehon menetys on kuitenkin tätä suurempi, koska puukaasulla sylinterin täytös jää imuvastuksesta johtuen alhaisemmaksi, kaasu palaa hitaammin ja palamisen tuloksena kaasumäärä vähenee, jolloin työpaine laskee enemmän kuin lämpöarvo alenee. Hiilivetyjen palaessa kaasujen kokonaismäärä hiukan lisääntyy, millä on suotuisa vaikutus moottorista saatavaan tehoon.