Induljunk el a kályhától 1.5. – Égés, tűzelőanyagok, égési hőrmérséklet

Az “Induljunk el a kályhától” cikksorozat a MACSOI kályhás szakújságban jelent meg az évek során folyamatosan.
Ezekben a cikkekben a hőtannal, a termodinamikával foglalkozunk, hőfolyamatokkal összefüggő legáltalánosabb törvényszerűségeket és ezek fizikai alapjait – hőmérséklet, hő, energia, hőátadás fogalmát – ismertetjük.

Jóllehet e témák feldolgozása során több kötetnyi szakirodalmat lehetne közzétenni, nyilvánvaló, hogy sorozatunkban – terjedelmi korlátok miatt – csak az alapfogalmak kifejtésére szorítkozunk. Fontos célunk azonban, hogy a törvényszerűségek leírását és magyarázatát gyakorlati kontextusba helyezzük.

A Cikksorozat eddigi cikkei:

Hőtani alapfogalmak 4. – Égés, tűzelőanyagok

Az égés

Az égés vegyi folyamat, amelyben a különböző halmazállapotú tüzelőanyag éghető részecskéi hőfejlődés közben a levegő oxigénjével egyesülnek. Az égés általában a rendszer egy pontjában jön létre, majd igen nagy sebességgel kiterjed a teljes égő térre. A természetben előforduló tüzelőanyagok éghető részének legfontosabb alkotói a szén, a hidrogén, a kén és néhány kis mennyiségben előforduló egyéb éghető elem.
A szilárd szén (carbon) oxidálódás közben magas hőmérsékleten izzik, a gázok és gőzök lánggal égnek. Érdekes és fontos megállapítás, melyet mindannyiunknak tudni kell, hogy a szilárd és cseppfolyós tüzelőanyagok égésénél a lángképződés onnan ered, hogy azokból a gyulladáspontra való felhevülés folyamán éghető gázok és gőzök távoznak. Ez utóbbiak oxidációja, vagyis égése eredményezi a lángot. Tehát például a fa azért ég lánggal, mert magas hőmérsékletre hevítve (gyulladás- vagy lobbanásponton) belőle éghető gázok és gőzök szabadulnak fel, amelyek elégése adja a lángeffektust.

A tüzelőanyagok eltérő mennyiségben meddő (nem éghető) anyagokat is tartalmaznak. Közülük a legfontosabbak a víz, a nitrogén, a széndioxid és a hamu alkotórészei (karbonátok, foszfátok, oxidok, szulfátok).

Tűzelőanyagok

Eredetük alapján természetes és mesterséges tüzelőanyagokat különböztetünk meg. Halmazállapotuk szerint pedig szilárd, cseppfolyós és gáznemű tüzelőanyagokat.

1. Szilárd tüzelőanyagok

A tüzelés módját igen sok tényező figyelembevételével kell megválasztani. Közülük a legfontosabb a tüzelőanyag jellemzői, az előkészítés és a tárolás módja, a tüzelőberendezés felépítése és teljesítménye, a kiszolgálás módja, stb. Ezek többnyire természetben előforduló anyagok.
A fa frissen vágott állapotban 40-60 %, légszáraz állapotban 10-15 % vizet tartalmaz. Az alkotórészei szerves és szervetlen anyagok. A vízmentes fa szerves anyaga a cellulóz, szervetlen anyaga a kálium, foszfor, mész és a vas. A fa összetétele: szén 40-45 %, hidrogén 4-7 %, oxigén 32-36 %, nitrogén 0,5-1 %, egyéb 2-3 %. Figyelemre méltó a fa magas oxigéntartalma. Ezzel magyarázható, hogy a fa léghiányban is képes égni a belőle fölszabaduló oxigén hatására.

Alábbi táblázatunk összesíti a különböző faféleségek jellemző adatait.

Faféleség	Sűrűség kg/m3	Fűtőérték MJ/kg	Gyulladási hőmérséklet °C
Nyárfa	370	13,4	200~220
Fenyőfa	400	13,8	230~250
Gyümölcsfa	480	14,1	250~280
Nyírfa	480	14,2	210~220
Égerfa	480	14,8	220~230
Bükkfa	510	14,8	250~280
Akácfa	520	14,9	260~290
Tölgyfa	520	16,5	280~310

A tőzeg a növényi anyagok elszenesedésének kezdeti képződménye, laza szerkezetű. Széntartalma kicsi 35-40 %, a hidrogén 4-6 %, az oxigén 20-25 %, a víztartalom 15-30 %, egyéb 4-10 %.

A faszén ként nem tartalmaz, füstmentesen ég, s a fa száraz lepárlásával, illetve gázosításával nyerik (a fát levegőtől elzárt térben hevítik).

A lignit a szénféleségek legfiatalabb képződménye. Átlagos összetétele:

szén 48-52 %,
hidrogén 3-5 %,
kén 0,5-1 %,
oxigén 15-18 %,
nitrogén 0,5-1 %,
nedvesség 15-25 %,
egyéb 6-12 %.

A barnaszén illóanyag tartalma kb. 30 %. Összetétele:

szén 50-60 %,
hidrogén 3-5 %,
kén 1-3 %,
oxigén 10-17 %,
nitrogén 0,5-1 %,
nedvesség 8-18 %,
egyéb 8-12 %.

A feketeszén vagy más néven kőszén összetétele: szén 75-85 %, hidrogén 1-5 %, kén 0,5-1 %, oxigén 2-9 %, nitrogén 0,5-1 %, víz 1-3 %, egyéb 6-10 %.

A fűtési célra számításba vehető mezőgazdasági melléktermékek (növényi maradványok) vagy mezőgazdasági főtermékek (energiafű, stb.) eredetüket és jellemzőiket tekintve igen széles skálán mozognak. Közülük a szőlő és gyümölcsültetvények nyesedékei – tüzeléstechnikai jellemzőiket tekintve – a fa paramétereihez közel állóak. A szántóföldi növénytermesztés anyagai közül a legnagyobb tömegben a kukoricaszár áll rendelkezésre. Igen kedvező a különböző kalászos gabonák szalmája hőfejlesztésre.

2. Folyékony halmazállapotú tüzelőanyagok

A folyékony tüzelőanyagok általában kőolajszármazékok, de használják még a szén lepárlásával előállított kő- és barnaszénkátrány-olajokat, valamint mezőgazdasági eredetű anyagokból készült alkoholokat és növényi olajokat. Az olajok legfontosabb jellemzője a viszkozitás (sűrűség), a kéntartalom és a fűtőérték. Az olajokat két nagy csoportra szokás osztani: tüzelőolajak, melyek hidegen, illetve fűtőolajak, melyek csak melegítve kezelhetők. Előbbiek fűtőértéke 42 MJ/kg.

A növényi olajok széles skálája lényegében két növényre szűkíthető: a repcére és a napraforgóra.

3. Gáznemű tüzelőanyagok

A legáltalánosabban használt tüzelőanyag az országos hálózatra vagy a helyi lelőhelyre alapozott földgáz. A földgáz elsősorban kis szénatom-számú szénhidrogénekből áll, de rendszerint a lelőhelyi adottságoktól függő mértékben különböző nem éghető gázokat is tartalmaz. Fűtőértéke 34MJ/m3 körül meghatározható, mely elsősorban attól függ, hogy milyen arányban tartalmazza ezeket a nem éghető gázokat (inert-tartalom). Nem véletlenül számolják a gázszolgáltatók MJ/m3-ben a számlázott gázfogyasztás értékét. Ezt gázszámláinkon tapasztalhatjuk.

A propán-bután gáz a földgázból leválasztott természetes gáz. Előnye, hogy a környezeti hőmérsékleten – nem túl nagy nyomáson – cseppfolyósítható. Fűtőértéke 100 MJ/m3.

A generátorgáz szén, fa és újabban mezőgazdasági melléktermékek elgázosításával nyert légnemű tüzelőanyag. Fűtőértéke 5-6 MJ/m3.

A biogáz szerves anyagok, elsősorban mezőgazdasági hulladékok baktériumos erjesztése során keletkező metán és széndioxid gázelegy. Fűtőértéke: 21-25 MJ/m3.

Égési hőmérséklet

Az égési hőmérséklet alatt azt a hőfokszintet értjük, amelyre a felszabaduló hő hatására az égéstermék felmelegszik. A felszabaduló hő egy része a gyakorlatban különböző veszteségek formájában távozik a rendszerből, vagy más célra fordítódik. Ez a hőveszteség.

Tökéletes égésről beszélünk, ha a tüzelőanyag összes éghető alkotóeleme elég, az égéshez szükséges levegőmennyiség rendelkezésre áll és a fűtőanyag teljes fűtőértéke felszabadul. A tökéletes égéshez elméletileg szükséges levegőmennyiség m3-ben 1 kg tüzelőanyagra vonatkoztatva fánál 4,2, tőzegnél 3,8, brikettnél 5,7, barnaszénnél 6,3.

A gyakorlatban az elméletileg szükségesnél több levegőt kell a tűztérbe juttatni, ezt légfeleslegnek nevezzük. A viszonyszámot, amely megmutatja, hogy a tűztérbe bevezetett levegőmennyiség hányszorosa az elméletileg szükségesnek, légviszony-tényezőnek nevezzük. Fatüzelésű kályhák vagy kandallók esetében ennek értéke 1,5-2. Vagyis a fent felsorolt elméleti értékek 1,5-2-szeresével kell számolnunk. Például: egy 10 kW teljesítményű fatüzelésű kandalló óránkénti levegőigénye legalább 60 m3/óra.
Fontos megjegyezni, hogy a tökéletes égés alapfeltétele a tűzkamra megfelelő hőmérséklete (mindenképpen a gyulladási hőmérséklet fölött), a tüzelőanyag jó minősége (szárított keményfa) és az égéshez szükséges levegőmennyiség biztosítása. Bármelyik előbbi tényező hiánya a tüzelőberendezés teljesítményének, élettartamának csökkenéséhez és a hatásfok romlásához vezet.

Írta: Gyergyay Csaba, okleveles gépészmérnök