Palaminen

Syttyminen ja syttymisrajat

Kaasujen syttymisen edellytyksenä on palamiskelpoisen seoksen aikaansaaminen. Nyrkkisääntönä maakaasulle on, että sitä pitää olla ilmassa vähintään 5 til-%, mutta alle 15 til-%. Syttymisrajojen ⇑ tarkat arvot riippuvat palamisilman lämpötilasta ja happipitoisuudesta. Hapen lisääminen laajentaa syttymisaluetta.

Kapeahkon syttymisalueen lisäksi kaasumaisille polttoaineille on tunnusomaista korkeahko syttymislämpötila. Maakaasulla syttymislämpötila on 600-650 °C ja nestekaasulla luokkaa 500 °C. Sytyttämiseen tarvittava energiamäärä on kuitenkin pieni.

Kun halutaan esim. huoltotöiden aikana varmistaa, ettei kaasuseos ole syttyvää, voidaan ilmaan lisätä inerttikaasua, hiilidioksidia tai typpeä ⇑. Esimerkiksi typen lisääminen ilmaan siten, että sen osuus on 37 til-%, tekee metaanista syttymiskelvottoman.

Palamisnopeus

Palamisnopeus on palamisrintama etenemisnopeus syttymiskelpoisessa seoksessa. Palamisnopeus on ratkaiseva tekijä liekin muodostuksen ja hallinnan kannalta. Palamisnopeuden on oltava tasapainossa kaasun virtausnopeuden kanssa ⇑. Liekin kokoon, muotoon ja stabilisuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat mm. polttimen palopään ja kaasusuuttimen muotoilu ja mitoitus sekä palamisilman ja kaasun paine, nopeus ja sekoitustapa. Monesta tekijästä riippuva palamisnopeus on maakaasulla tavallisesti alle puoli metriä sekunnissa.

Palamisyhtälöt

Maakaasun palamisreaktio on monimutkainen ja moniosainen tapahtuma koostuen sadoista eri reaktioista ja välivaiheista. Metaanin palaminen voidaan kuitenkin yksinkertaistaa reaktioon

CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂O

Metaanin palamistuotteita ovat siis hiilidioksidi ja vesi (vesihöyry). Palamisreaktiossa vapautuu lämpöä lämpöarvon ⇑ mukainen määrä.

Propaanilla ja butaanilla palamisyhtälöt ovat

C₃H₈ + 5O₂ -> 3CO₂ + 4H₂O

C₄H₁₀ + 6,5O₂ -> 4CO₂ + 5H₂O

Palamisilman tarve

Kun reaktio, aineiden moolimäärät, massat ja tiheydet sekä ilman koostumus tunnetaan, voidaan laskea teoreettinen palamisilman minimimäärä ⇑. Metaanilla teoreettinen eli stökiömetrinen palamisilman tarve on 9,6 m³.

Ilmakerroin

Käytännössä täydellinen palaminen vaatii teoreettista määrää enemmän palamisilmaa. Maakaasulla ilmaylimäärä voidaan kuitenkin pitää pienenä. Tyypillisesti päästään jopa ilmakertoimeen 1,1. Liian suuri ilmaylimäärä heikentää palamishyötysuhdetta ⇑. On kuitenkin huolehdittava, ettei palaminen tapahdu ali-ilmalla, koska silloin muodostuu häkää ja savukaasuihin jää palamattomia hiilivetyjä. Jopa nokea voi muodostua. Kun palamista säädetään savukaasumittausten avulla, on varminta mitata aina sekä happi- että häkäpitoisuus ⇑. Pelkkä happiylijäämän mittaus ei takaa täydellistä palamista, sillä häkää voi syntyä kaasun ja palamisilman huonon sekoittumisen vuoksi. Myöskään CO₂-pitoisuus ei yksinään kerro sitä, tapahtuuko palaminen yli- vai ali-ilmalla. Jos käytössä ei ole savukaasun happijäännökseen perustuvaa palamisilmamäärän säätöä, kannattaa ilmakerroin pitää vähintään arvossa 1,2.

Ilmakerroin  ⇑ voidaan määrittää mittaamalla CO₂- ja O₂-pitoisuudet.