Svojstva drveta kao goriva

Za primitivna plemena, vatra je predstavljala kontrolirani način oslobađanja pohranjene energije u obliku topline iz goriva, putem procesa izgaranja, odnosno vatre. Goriva koja su korištena u tu svrhu morala su biti ugljikom bogate organske tvari, a potjecala su od vegetacije (npr. drvo), životinjskih nusproizvoda (npr. osušeni izmet, životinjska mast) ili fosilnih goriva (npr. treset).



Wood Combustion Basics, Presented By:  Rick Curkeet, PE Chief Engineer, EPA Workshop March 2, 2011.  http://www.epa.gov/burnwise/workshop2011/WoodCombustion-Curkeet.pdf

Svako uobičajeno drvo sačinjeno je od oko 50 ±3% ugljika, 6 ±1% vodika i 44±3% kisika, dok ostatak čini anorganski pepeo. Mekanije vrste drveta imaju nešto više ugljika, a manje kisika nego li tvrđe vrste. Potpuno izgoreno, oko 50% mase drveta pretvoreno je u ugljični dioksid, a ostalih 50 % u vodu. Taj proces oslobađa oko 20MJ/kg za tvrđe vrste, te oko 21 MJ/kg za mekše vrste drveta. To je otprilike ista količina energije koju drvo dobije od Sunca za tu količinu drveta.

Potpunim izgaranje drveta dobiva se samo ugljični dioksid i voda,  bez vidljivog dima, kreozota i štetnih plinova. Također, oslobađa se maksimalni toplinski potencijal drveta.

Nepotpuno izgaranje drveta uzrokuje stvaranje značajnih količina  ugljičnog monoksida i drugih ugljikovodika. Nepotpunim izgaranjem gubi se dio toplinskog potencijala, stvaraju se plinovi koji onečišćuju okoliš te potencijalno i kreozot

Potpuno sagorijevanje zahtjeva adekvatnu količinu kisika, vrijeme, temperaturu i turbulenciju.

Vrijeme-Dostatno vrijeme pod određenim okolnostima potrebno da se reakcija izgaranja potpuno izvrši.

Temperatura-dovoljno visoka temperatura koja osigurava zapaljenje stvorenih plinova

Turbulencija- strujanje zraka potrebno za miješanje kisika i zapaljivih plinova.

Uvjeti za dobro sagorijevanje drveta: Temperatura od 593 °C – 815 °C. Zrak/Gorivo omjer  10-12 funti (4.5-5.4 kg) zraka na funtu (0.45 kg) drveta.

Bitno je spriječiti kontakt plamena sa hladnim površinama, jer na taj se način plamen gasi te se zaustavlja izgaranje.

Stehiometrijsko (idealno) sagorijevanje:
0.45 kg suhog drveta + 2.9 kg zraka →  0.83 kg CO + 0.23 kg HO + 2.29 kg N

Naravno, u stvarnosti se nikada ne postiže idealno sagorijevanje. Zbog toga će uvijek biti potrebna značajna količina „dodatnog“ zraka da se postigne barem približno potpuno sagorijevanje. Obično je potrebno 50-100% dodatnog zraka.  Stopostotno izgaranje se nikada ne postiže.

Heating with Wood: Principles of Combustion, Michael Vogel, Housing and Residential Energy Specialist. http://msuextension.org/publications/HomeHealthandFamily/MT198405HR.pdf

Faze sagorijevanja drveta

Faza 1.

Prva faza mogla bi se podijeliti na 2 podfaze: zagrijavanje i isparavanje. Inicijalno, toplina se dovodi u kontakt sa komadom drveta u prisustvu zraka. Toplina zatim uzrokuje nekoliko reakcija. Prvo, podiže temperaturu određenog područja na površini drveta te do određene dubine drveta. Kako se temperatura površine približava 100°C, voda u drvetu počinje ključati te isparavati. Dokle god se voda nalazi unutar drveta, njezino ključanje i isparavanje uzimaju dio toplinske energije sa izvora topline, te se na taj način stanice drveta sprječava da upijaju toplinu i podižu temperaturu.  Vlaga mora biti izbačena iz drveta prije nego nastupi izgaranje, zbog toga je drvo sa visokim postotkom vlage vrlo teško zapaliti. Za razliku od vodene pare, plinovi koji se oslobađaju gorenjem su zapaljivi, pa stoga gore u obliku plamena i oslobađaju toplinu. Kako temperatura površine drveta raste od 100-232°C oslobađaju se glavni plinovi bogati kreozotom: ugljični dioksid, ugljični monoksid, te octena i mravlja kiselina. Plinovi oslobođeni u prvoj fazi izgaranja ne zapaljuju se sve dok voda iz drveta ne ispari drvo ne postigne potrebnu temperaturu.



Faza 2.

Tek nakon što je voda isparila a temperatura drveta porasla iznad 282°C, nastupa druga faza. Ovo je faza u kojoj se proizvodi toplina, a nastaje na 2 načina: primarnim i sekundarnim sagorijevanjem. Primarno sagorijevanje započinje na oko 282°C te nastavlja dalje prema 482°C i rezultira oslobađanjem velike količine energije. Primarno izgaranje također oslobađa i velike količine neizgorenih plinova, uključujući metan, metanol kao i neke kiseline, vodenu paru te ugljični dioksid.
Ovi tzv. sekundarni plinovi sadrže i do 60% potencijalne toplinske energije drveta. Njihovo sagorijevanje bitno je zbog postizanja visokog ukupnog postotka sagorijevanja. Sekundarni plinovi ne izgaraju blizu drveta zbog nedostatka kisika (koji se dominantno iskorištava za primarno sagorijevanje) ili nedovoljno visoke temperature. Uvjeti potrebni za gorenje sekundarnih plinova je dovoljna količina kisika i temperatura od barem 593°C. Količina dostupnog zraka je kritična, premalo zraka neće podržati gorenje dok će previše zraka sniziti temperaturu do točke kada se izgaranje zaustavlja. To se događa zbog spomenutog velikog postotka dušika u zraku, kojeg ako ima previše te se miješa sa sekundarnim plinovima, apsorbira postignutu toplinu.

Faza 3.

Tijekom izgaranja drveta, nakon što su oslobođeni svi plinovi iz njega, ugljikovi lanci celuloze i lignina ostaju u njemu. Ugljik (ugljen) gori dugo vremena sa niskom razinom stvaranja topline. Gorenje ugljena (žari) je bitno iz dva razloga: oslobađa se dodatna energija, bitna za ukupni postotak sagorijevanje. Također, ugljen gori vrlo dugo, te se po potrebi na njega može dodati novo drvo te tako ponovno započeti proces gorenja drveta.

Drysdale, D. (2011). An Introduction to Fire Dynamics 2nd Edition

Određena svojstva drveta ovise o smjeru vlakana drveta, tako je termalna konduktivnost dva puta veća u smjeru paralelno sa vlaknima već okomito na njih (ova informacija se nalazi i u knjizi Hoadley,  R.B. (2000). Understanding Wood: A Craftman's Guide to Wood Technology), a još je izraženija razlika u propusnosti  plinova koji se oslobađaju iz drveta.  Plinovi nastali tik ispod površine drveta, puno će lakše izaći van uzduž vlakana nego li u smjeru okomito na vlakna.  Očiti je primjer pojava „mlazova“ isparavanja ili plamena iz krajeva komada drveta ili čvorova (kvrga).

Drvo mijenja boju te se počinje pougljenjivati na temperaturama iznad 200-250°C, iako se isti učinak može postići i na nižim temperaturama (oko 120°C) ali kroz dulji period zagrijavanja. Fizikalna struktura drveta počinje se rapidno raspadati  iznad 300°C, a očituje se kao niz malih pukotina na drvetu, okomitih na smjer vlakana (Alligatoring). Pukotine omogućavaju plinovima da lakše napuštaju drvo. Također, s vremenom te pukotine postaju sve veće.

"Alligatoring"


Soderstrom, N. (1982). Heating Your Home With Wood

Za dobro sagorijevanje drveta, vatra treba opskrbu zrakom na dvije razine. Prvu razinu čini zrak kojeg vatra dobiva ili u visini drveta koje gori ili ispod njega, a naziva se primarni dovod zraka. On se miješa sa plinovima koji su tek oslobođeni iz drveta te omogućava inicijalno paljenje plinova. Sekundarni dovod zraka dolazi uvijek iznad razine drveta,  te se miješa i podržava  gorenje nesagorenih plinova i čestica nošenih zračnom strujom.





Spearpoint, M. J.  & Quintiere, J. G. (2000).  Predicting the burning of wood using an integral model. Combustion and Flame, Vol. 123, No. 3, 308-325

Udio stvorene žari od suhog drveta iznosi oko 33% od originalne/početne mase drveta.
Samo oko 60% energije drveta se oslobađa tijekom faze gorenja u kojem je vidljiv plamen.

Tran, H. C.  and White, R.H. (1992). Burning rate of solid wood measured in a heat release rate calorimeter. Fire and materials, Vol. 16, 197-206.

Razlika u vlažnosti drveta od 10% dovest će do razlike u brzini gorenja za 20-30%.  


Ragland, K.W. et al. (1991). Properties of wood for combustion analysis. Bioresource Technology, 37,  161-168.

Pepeo nastaje iz mineralnih tvari tijekom procesa gorenja. Udio pepela drveta iz umjerenih klimatskih zona iznosi od 0.1 - 1%, dok će udio kod drveta iz tropskih krajeva biti i do 5% (Fengel & Wegener, 1984). Kora drveta proizvest će oko 3-8% pepela. Pepeo obično uključuje 40-70%  kalcijevog oksida (CaO) i 10-30% kalijevog oksida (K2O).

Svojstva ovise o vrsti drveta, lokaciji stabla i uvjetima rasta.

Gustoća komercijalno važnog drveta u SAD-u, sušenoga u peći,  iznosi od 300-550 kg/m3  (Forest Service US Dept. of Agriculture , 1987). Raspon gustoće kore drveta je sličan (Koch, 1972). Gustoća tropskih vrsta može dosegnuti i do 1040 kg/m3

Gustoća suhog drveta za određenu vrstu može varirati ne više od 10%.

Grijanjem drveta ono počinje mijenjati boju. Na 250°C drvo je tamno smeđe, iznad 300 postaje crno. Smeđa boja predstavlja početak pirolize. Iznad 300°C također dolazi do skupljanja.

Povećanje količine oslobođenih hlapljivih tvari (plin/katran) iz drveta postiže se ili povećanjem brzine prijenosa topline ili povećanjem izložene površine drveta. Suprotno tomu, sporim grijanjem (prijenosom topline) većih komada drveta povećava se udio ugljena/žari

Meke vrste drveta (softwood) imaju nešto veću toplinsku vrijednost 20-22 MJ kg od tvrdih vrsta 19-21 MJ kg  (hardwood). (tvrđe vrste se obično koriste za grijanje zato što se drva prodaju u prostornim jedinicama, pa bi npr. m3 vrbe imalo skoro duplo manju toplinsku vrijednost od m3 graba, jer je vrba puno manje gustoće i lakša).
Meka drva imaju veću toplinsku vrijednost zbog više ekstrakata (eng. extractives – smole, tanin…) i više lignina od tvrdih vrsta.

Toplinska degradacija drveta se sastoji od vlage, hlapljivih tvari, ugljena i pepela. Hlapljive tvari se dijele na plinove i katrane (eng. tars).

Kad čovjek otkrije neki interesantan članak nakon 5 godina...

Bravo, izvrsno!

Dao si mi jako puno odgovora na neka pitanja koja sam postavljao, ali sam ili bio lijen za tražiti odgovore, ili bi se toga sjetio negdje na Mosoru i zaboravio na putu do kući...

Općenito, najčešće imamo iskrivljenu percepciju o nekim tako uobičajenim stvarima, pa i ne razmišljamo o tome. A kad zagrebemo ispod površine, vidimo kako stvari, em nisu tako jednostavne, em smo ih prihvaćali potpuno pogrešno.

Zanimljivo mi je, kad smo več kod gorenja, da litra nafte ima veću energetsku vrijednost nego litra baruta, s tom razlikom da barut sadži kisik za gorenje, a nafta ne.

Ajde sad, budi još toliko dobar kad si već toliko involviran, pa da se ja ne trudim , opiši nam postupak koji se događa kada koristimo plin nastao suhom destilacijom drveta.