Blog

koza z dopalaczem, 0 ppm

Tym razem do testów znajomego wszedł dopalacz wykonany z żaroodpornego perlitobetonu, a parametry spalania i stężenie tlenku węgla były mierzone miernikiem Testo. Tutaj próba z lutego, dopalacz dołączony do prostej „puszki na węgiel”. Po prawej palenisko z węglem, po lewej okrągły dopalacz. Płomień przechodzi połączeniem na dole, które na zdjęciu jest rozgrzane do czerwoności. Brak dodatkowego mieszalnika. Nad dopalaczem rura komina, ciąg naturalny.

Dolny łącznik ma otwory dodające powietrze wtórne.  Przy podaniu większej  ilości powietrza pierwotnego pojawiało się dymienie (a poziom CO rósł niebotycznie). Wyraźne objawy braku tlenu. Natomiast przy umiarkowanej mocy spaliny czyste, a wynik tlenku węgla całkiem przyzwoity i stabilny. Po przeliczeniu na 10% tlenu wynosiłby ok. 130 mg/m3.

A poniżej ostatnie próby. Ten sam dopalacz został podłączony do porządniejszej kozy z lepszą regulacją powietrza i powietrzem wtórnym podgrzewanym od żaru na ruszcie (podwójne ścianki paleniska). Pudełko kozy na dole, powyżej dopalacz w blaszanej obudowie, z boku zasobnik paliwa (groszku). Ruszt skośny, konstruktor jeszcze nie jest z niego całkiem zadowolony.

Dopalacz jest w metalowej obudowie, konstrukcja podobna do rakietowych pieców akumulacyjnych i kominków Petera van den Berga z tą różnicą, że spaliny nie są bardzo wychłodzone, a głównym źródłem ciągu jest tradycyjny komin.

Tak wyglądał rozgrzany dopalacz w czasie pracy. Szybą ucieka bardzo dużo ciepła, ale to wszystko prototypy i ważne, aby widzieć co się dzieje.

Poniżej dwa filmiki. Obserwację nieco utrudnia popiół przyklejający się do szyby. Na drugim filmiku widać, że płomienie niekiedy opuszczają dopalacz, co generuje zanieczyszczenia. Na razie brak dedykowanego mieszalnika.

Po wyregulowaniu pracy rusztu i proporcji powietrza płomień był schowany w dopalaczu, a wyniki pomiarów miernikiem wychodziły bardzo ładne. Na blogu o tej nazwie nie wypadałoby chwalić innych 🙂


Przy zmniejszaniu nadmiaru powietrza płomień stopniowo zaczynał wypływać z dopalacza i pojawiały się zanieczyszczenia.

Przesuw paliwa na ruszcie jeszcze nie jest idealny i niekiedy węgiel się zawieszał i wypalał. Powodowało to nadmiar tlenu, wychłodzenie płomienia i w efekcie powstawanie zanieczyszczeń. Dymu nie było widać, ale miernik pokazywał wyższy poziom CO. Słabe rozgrzanie dopalacza również może powodować pozostawanie niedopalonych resztek.

Do wyniku „0 ppm” należy podejść z ostrożnością ze względu na błąd pomiarowy miernika. Tym nie mniej poruszamy się w bardzo niskich poziomach stężenia CO. Stężenia sadzy i węglowodorów powinny być również niskie.


ps. Padło pytanie w komentarzach o dokładniejszy opis podawania opału. Zesuwa się z pojemnika z boku. Jeżeli chcielibyśmy to potraktować jako „podawanie ręczne”, to jeszcze nie jest najlepsze.


ps.2 Nie mam filmiku pokazującego wnętrze dopalacza przy odczytach 0 ppm CO. Poniższy filmik pochodzi z innego testu związanego z paleniskiem. Tutaj uciekające do góry fragmenty płomienia powodowały podniesienie poziomu CO do kilkunastu-kilkudziesięciu ppm. Wg. relacji eksperymentatora sytuacja w dopalaczu przy odczytach „0” wyglądała podobnie, dopalacz był rozgrzany do około połowy, tylko że cały płomień kończył się ładnie w tej dolnej części. Zachodziła konieczność dopychania węgla na ruszcie, ale poza tym był to stan stabilny.

c.d. palnika dymu, reaktor gazowy

Eksperymenty z kozą czekają na cieplejszą porę roku. Natomiast mój znajomy przeprowadza od czasu do czasu kolejne próby, które zdecydowanie warto przedstawić.

Poniżej dwie próby, w których nie było wyraźnego rozdzielenia na spalanie pierwotne (gazyfikujące) i dopalanie w mieszalniku, tak jak to było w testach z lipca. Z powodu niewystarczającej kontroli nad rozdziałem PP/PW (powietrze pierwotne/powietrze wtórne) regulacja siły palenia i proporcji tlenu odbywała się poprzez dorzucanie mniejszej lub większej ilości paliwa.  Na pierwszym filmiku jest go wrzucone niewiele. Na drugim filmiku węgla jest więcej i wyraźnie brakuje powietrza wtórnego. Ostateczne dopalanie zachodzi już poza palnikiem przy udziale powietrza zewnętrznego. Mimo to i w tym wypadku spalanie było dość czyste (bez dymu). Palnik (dopalacz) ten sam, co poprzednio: fi 5cm, 40cm długi.


Fioletowa poświata na pierwszym filmiku moim zdaniem świadczy o tym, że mimo iż sumarycznie mamy przewagę tlenu nad paliwem, to jednak po wyjściu z paleniska nie wszystko jest dokładnie spalone (jak można się spodziewać w sytuacji dosypywania węgla na żar).
Poniżej zdjęcie rozgrzanego piecyka

Kolejne filmiki przedstawiają podobne spalanie. Tym razem cały piecyk jest zaizolowany. Drugi filmik dobrze pokazuje pozytywne działanie dopalacza z przegrodą mieszającą. Po zdjęciu górnej szyby widać, jaki fatalny „smog” jest generowany na wyjściu z paleniska. Kotłowa klasyka węgla sypanego na żar. Widzimy, że po przejściu przez mieszalnik płomień jest już bardzo przyzwoity. Tak jak wcześniej widoczny jest problem z proporcją tlenu do paliwa oraz że potencjalna moc piecyka jest znacznie większa od wydajności dopalacza.

Następna próba była prowadzona w nieco innej konfiguracji. Tym razem wylot płomienia i spalin jest wprost do góry, boczny palnik jest odjęty. Te testy stanowiły obserwację wpływu podgrzewania powietrza wtórnego, które wchodzi dwoma profilami od góry. Poniżej zdjęcie całości, kiedy płomień był na tyle duży, że nie dawało się zajrzeć do środka. Pionowa rura ok. 60cm, fi 8cm.

A poniżej dwa filmiki. Z niewiadomego powodu na drugim z nich nie wyszły kolory. Natomiast płomień był przezroczysty tak jak widać.


Poniżej zdjęcie z poprawnym balansem bieli w chwilę po wyłączeniu piecyka.

Podgrzewanie powietrza wtórnego wpływa bardzo pozytywnie na stabilność spalania. Mimo wrzucania sporych porcji węgla zapłon palnych gazów następował natychmiast. Na filmikach widzimy, że na dole leży czarna warstwa nieodgazowanego węgla. Wcześniej w takich sytuacjach zdarzało się zerwanie ciągłości płomienia i dymienie. Przy okazji tych testów można zaobserwować też inne, bardzo ciekawe zjawisko. Tak jak wcześniej, mamy do czynienia z nadmiarem paliwa w stosunku do tlenu. Kolor i przezroczystość wypływającego płomienia pokazują, że po przejściu przez gorącą rurę niedopalone węglowodory ulegają podobnej konwersji (głównie do tlenku węgla), jaka następuje w warstwie żaru w piecach dolnego spalania. Izolowana rura działa jako reaktor gazowy. Gaz wypływający z rury można by teraz zmieszać z kolejną porcją powietrza i przepuścić przez mieszalnik dopalający, jaki poprzednio był umieszczony z boku. Ten eksperyment pokazuje, że możliwa jest dokładna kontrola nad przebiegiem reakcji spalania, w tym np. kontrola emisji tlenków azotu.

Podstawową trudnością, jaką teraz napotykamy, jest dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych. W grę wchodzi jedynie ceramika, co znacznie pogarsza przenośność urządzenia i łatwość rozłożenia i złożenia eksperymentu. A poza tym moim wnioskiem jest, że jeżeli można czysto spalić tak trudne i brudne paliwo, jakim jest smołujący węgiel kamienny i to sypany na żar w przeciwprądzie, czyli samo zło, to znaczy, że wszystko można.

koza analityczna

Wspólnie z kolegą wykonaliśmy wstępną wersję kozy. Tutaj leży poziomo, ale pracować będzie pod skosem. Boki zamknięte, a powietrze regulowane zaworami. Od góry szybka do podglądania. Do tego jest okrągły ruszt o regulowanej pozycji. Dopalacz będzie na wylocie po środku. Bezpośrednio przy wylocie jest jeszcze dodatkowa rura doprowadzająca powietrze, ale na razie na wyrost, nie podłączona.

plan działania nr 2

Testy z rurą pokazały, że potrzebne jest stabilne źródło płomienia wchodzącego na dopalacz. Dlatego w następnej kolejności chciałbym przetestować wpływ składu płomienia wchodzącego do mieszalnika. Plan jest, aby jako palenisko użyć rury z bocznym wyprowadzeniem, tak jak na rysunku. Wylot do dopalacza zaznaczony strzałką. Rura (lub profil kwadratowy) gruby, stalowy, oczywiście na straty, ale ceramiki jeszcze nie umiem. Temperatura w tym miejscu nie jest potrzebna wysoka, będę musiał pilnować przegrzania.

W takiej rurze zmieniając położenie rusztu można będzie testować różne położenia paliwa stałego, czyli spalanie dolne (po prawej), górne (po lewej) i kombinację pośrednią. Jako paliwo planuję testować węgiel, trociny i drewno. Osoby bardziej doświadczone sugerują, że węgiel w skośnej rurze może mieć tendencję do zawieszania się. Jednak skośna z kilku powodów wygodniejsza, więc zapewne będę popychał pogrzebaczem.

W dopalaczu przetestuję 2 naprzemiennie umieszczone półki z izolującego materiału, które powinny ograniczyć ucieczkę ciepła przez promieniowanie. Będzie kłopot z obserwacją, co się dzieje w środku, ale może coś wymyślę. Będę próbował użyć jakiejś ceramiki do konstrukcji dopalacza.

testy sierpniowe

W sierpniu wykonałem szereg testów z izolowaną rurą. Taka rura jest odpowiednikiem wewnętrznego komina, który w terminologii pieców rakietowych nazywa się heat riser. Niestety materiał zdjęciowo-filmowy mam bardzo słaby. Sytuacja w rurze zmieniała się bardzo szybko i byłem mocno zajęty robieniem wszelkich testów i obserwacji. Próby palenia przeprowadzałem najczęściej wieczorem i wobec kiepskiego oświetlenia do celów dokumentacji praktycznie potrzebna by była druga osoba.

Pierwszy z testów (wykonany jeszcze w lipcu) miał testować mieszalnik statyczny. Średnica rury to 15cm, a długość obszaru zaizolowanego 60cm. W środku 3 sekcje kształtek z blachy, które miały robić mieszanie. Widać, że instrukcje mieszalników statycznych nie kłamią i 3 sekcje, a także długość 4 razy średnica, to jest zdecydowanie za mało. Widać, jak niedopalone płomienie wychodzą z mieszalnika. Natomiast temperatury w głębi ładne, pomarańczowe. W tym teście już zaczęła się objawiać słabość blachy. W wysokiej temperaturze mięknie, traci sprężystość i kształt. Prześwity po bokach wyraźnie źle wpływały na dymienie (filmik 3-krotnie zapętlony).

Dłuższa rura z dłuższą izolacją (zdjęcie po zakończeniu prób, wrzesień).

Testowałem różne wstawki mieszające, między innymi wiernie wykonaną przegrodę typu Westfall. Doszedłem, że wygodniej robić moduły, które uszczelniałem potem po bokach. Poniżej trzy pogięte elementy wyjęte po teście z lipca i naszykowany moduł do wstawienia.

Jak wspomniałem dokumentacja z testów jest słaba. Tutaj playlista jest ze wszystkimi filmikami, jakie mam. Pierwsze cztery z testu z pojedynczą przegrodą, dwa końcowe z wstawionym modułem ze zdjęcia powyżej.

Poniżej jedno ze zdjęć. Niekiedy cała rura była pełna płomienia, ale to były najciekawsze fragmenty, więc niestety nie miałem czasu na myślenie o aparacie.

Na wlocie prymitywny ruszt z grubych drutów. Testowałem różne materiały, drewno, słomę, węgiel, tworzywa sztuczne.

 

Wnioski

W otoczeniu mocno rozgrzanych ścianek nadzwyczajnie rośnie palność. Pali się wszystko, co jest palne. Na marginesie, widać to było już po testach palnika dymu mojego znajomego. Jasnoczerwona temperatura ścianek jest wystarczająca, aby zapalić dym, który już zgasł (sczerniał). Obserwowałem np. zapalenie się czarnej smużki dymu, która przesączała się bocznymi nieszczelnościami i wchodząc w gorący obszar robiła się świecąco żółta. Natomiast otoczenie w kolorze ciemnoczerwonym wprawdzie bardzo podnosi palność dymu z destylacji (smoła), ale dymu z sadzy już powtórnie nie zapali. Należy wziąć poprawkę, że nie całe otoczenie obszaru testowego było w tej konfiguracji ciepłe. Płomień „widział” zimniejszą część i wylot rury.

Temperatury można osiągnąć przyzwoite. Największe obserwowałem na węglu, kolor jasnopomarańczowy. W tej temperaturze blacha 0.5 ma spoistość rozmoczonego kartonu. Chciałem przetestować jeden z mieszalników z lipca, ale ostatecznie haczykiem wyjąłem coś w rodzaju zwisającego naleśnika.

Rezultaty pod kątem czystości spalania są bardzo obiecujące. Głównym problemem było utrzymanie odpowiedniej temperatury przez dłuższy czas. Przy odpowiednich warunkach, czyli rozgrzaniu dopalacza i proporcji powietrza spaliny z drewna były całkowicie bezwonne. Zapach mocno rozgrzanego powietrza. Przy dodatku węgla czuć kwaśno-ostry zapach dwutlenku siarki, jak spaliny z koksu, albo skoksowanego węgla. Przy samym węglu stężenie SO2 było na tyle duże, że nie dawało się powąchać. Zaznaczam, że na wlocie dopalacza kopciuch, jak na zdjęciu powyżej. W celu testowania dokładności spalania wkładałem na palenisko również różne folie, opakowania, styropian. Przy dobrych warunkach na wylocie nie było różnicy, brak zapachu.

Głównym problemem było utrzymanie stabilnych warunków spalania przez dłuższy czas. Ruszt był mały, paliwo ulegało szybkiemu odgazowaniu. Nie miałem osobnej regulacji powietrza wtórnego. Dobre warunki dopalania udawało mi się osiągnąć przez krótkie minuty. Cykl najczęściej wyglądał tak, że po dołożeniu paliwa spadała temperatura dopalacza i leciał dym. Potem paliwo się rozpalało, dużo ognia w dopalaczu, ale brak wystarczającej ilości tlenu. Dopiero po pewnym wypaleniu pojawiało się więcej powietrza i okres całkowitego spalania. Ale w tym czasie dopalacz rozgrzany wcześniejszym mocnym ogniem, więc wynik nie na 100% miarodajny. W fazie przygasania ponownie lekkie dymienie.

Początkowo nastawiałem się na testowanie mieszalników, ale w chwili obecnej kolejność priorytetów jest następująca.

  1. Poprawna proporcja paliwa do powietrza na wlocie dopalacza. Niedostatek tlenu skutkuje oczywiście sadzą, ale zbyt duży nadmiar powietrza powoduje zbyt niską temperaturę. Płomień wtedy pali się w trybie „standard”, czyli zimne ścianki i mniejsze lub większe kopcenie. Przy nadmiarze powietrza, ale zbyt blisko stosunku stechiometrycznego, potrzeba więcej czasu i miejsca na wymieszanie (jak przy miareczkowaniu w chemii). Prawdopodobnie wstępne podgrzanie powietrza wtórnego poszerzy akceptowalny zakres współczynnika nadmiaru.
  2. Dopiero przy poprawnym składzie można myśleć o dobrej temperaturze.
  3. Mając skład mieszanki i temperaturę można zadbać o mieszanie.

Następne testy będą miały na celu skonstruowanie stabilnego spalania paliwa stałego. Natomiast w zakresie dopalacza chciałbym najpierw przetestować coś w rodzaju „zatyczki” przeciw ucieczce promieniowania, czyli naprzemiennie położone 2 półki z izolującego materiału.