Syntyykö savua ilman tulta? Parhaimmillaan tulta syntyy ilman savua, tai näin ainakin väittää tämän artikkelin kirjoittaja ja ainutkertaisen erillispolttoa höydyntävän kaasutuskiukaan keksijä Jouko Kettunen.
Päivitys 25.10.2020 Artikkelin loppuun lisätty Joukon vinkki kiukaan käyttäjälle.
Puukiukaan toiminta on yksi saunakeskustelujen pysyvistä mielenkiinnon kohteista. Olen tänäkin vuonna kertonut päästötutkimusten uusimmista havainnoista ja arinan vaikutuksesta palamiseen. Tarina jatkuu. Saunologian saunavieraana tässä artikkelissa on Jouko Kettunen, pitkän linjan keksijä. Joukon mielenkiinto on riittänyt myös puulämmittämiseen. Jouko kertoo saaneensa kipinän puun palamiseen liittyvään tutkimukseen noin 30 vuotta sitten protokurssin opettajalta ja siitä lähtien aihealue on kiehtonut keksijää.
Joukon puheenvuorossa esitellään ajatuksia puhtaimman mahdollisen palotuloksen saavuttamiseksi. Tämä kiteytyy hänen kehittämänsä kaasutuskiukaan historian ja päästömittaustulosten kuvailuun.
Puhdas palaminen puukiukaassa, onko mahdollista?
Puhdas palaminen puukiukaissa on mutkikas tapahtuma. On useita tekijöitä, jotka vaikuttavat syttymisen, palamisen ja hiipumisen aikana palamisen laatuun. Palaminen on hyvää silloin, kun energiaa sisältävät aineet luovuttavat palamisessa energiansa lämmöksi ilman savun ja saasteiden muodostumista.
Olen rakennellut tulipesäympäristöjä erilaisia kokeiluita varten. Nämä ovat tuoneet minulle runsaasti uutta tietoa palamisen salaisuuksista. Niiden antama tieto yhdistettynä olemassa olevaan eri lähteistä löytyneeseen aiempaan tietoon on johtanut minua oikeille jäljille. Voikin sanoa, että tiedossa ovat kyllä ne tekijät, joilla saadaan aikaan puhtaampi, hyvin lämpöä antava ja ei-toivottuja aineita vähäisesti tuottava palaminen.
Yksi palamisen laatuun vaikuttava tekijä on oikea palamislämpötila. On selvää, ettei syttymisvaiheessa palamislämpötila ole korkea. On kuitenkin tärkeää, että oikeaan, hyvään palamislämpötilaan päästään mahdollisimman nopeasti. Miksi sitten palamislämpötila on tärkeä ja mikä on riittävä lämpötila?
Hiilen syttymislämpötila on noin 850ºC. Toinen tunnettu asia on, että samainen lämpötila on eräänlainen kääntöpiste. Tämän lämpötilan alapuolella palaminen tuottaa hiilidioksidia (CO2) herkästi, tämän yläpuolella voi muodostua helposti häkää (CO) mikäli happea ja palamaton hiiltä on ilmassa (kts. https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_monoxide#Industrial_production)
Lämpötilan vaikutus palamisen puhtauteen on ratkaiseva. Lämpötilan ollessa tulipesässä hiilen syttymislämpötilan alapuolella, palaa vain liekin sisäpuolella oleva osa hiilestä puhtaasti. Osasta hiiltä muodostuu hiilimonoksidia (CO), ja mikäli happi tai lämpö ei riitä loppu jää hiileksi. Tulipesän yläosan ollessa täynnä kaasuuntunutta hiiltä, siitä merkittävä osa karkaa palamattomana ulos sillä ympärillä oleva lämpö ei riitä hiilen syttymiseen.
Tästä tulemme siihen johtopäätökseen, että hyvän palamisen vähimmäislämpötila on noin 850 C astetta. Siihen pääseminen ei ole aivan helppoa. Tulipesän rakenteet ja palamisilman läpivirtaus siirtävät tulisijassa lämpöä pois tulipesän palamisvyöhykkeeltä nopeammin kuin lämpöä muodostuu.
Palamislämpötilan ollessa sopiva tulee mukaan toisenlaisia ongelmia. Korkeassa lämpötilassa palaminen kiihtyy. Myös polttopuiden kaasuuntuminen nopeutuu. Kun happea on runsaasti, lämpötila nousee entisestään asettaen tulipesän rakenteille huomattavia lämmönkestovaatimuksia. Koska paloilman happi tulee tarkkaan käytetyksi, myös hapen loppuminen on lähellä. Kaasuuntuvien aineiden vähetessä alkavat hiili (C) ja hiilimonoksidi (CO) pitoisuudet kohota. Palaminen on epävakaata ja sitä on vaikea hallita tarkasti niin kauan kuin kaasuuntuvat aineet, hiili- happi- vety-yhdisteet palavat yhtä aikaa hiilen kanssa tulipesässä. Puhtaat hiilet palavat sopivalla paloilman syötöllä hyvin vähäisillä päästöillä.
Yksi kaasuuntuvien aineiden ja hiilen yhtä aikaiseen palamiseen liittyvä ongelma on puussa olevan vedyn ( n.6%) ja kosteudesta aiheuttama epävakaus. 850 C asteeseen asti palaminen on vakaampaa, syntyy lämpöä, hiilidioksidia ja jonkin verran savua, mutta merkittävä osa kaasuuntuneesta hiilestä jää palamatta. Yli 850 C asteen lämpötilassa palaminen on puhtaampaa, edellyttäen että kaasuuntuvien aineiden seassa on vain vähän hiiltä ja palamisilmaa annetaan vain tarvittava määrä, tarkoittaa noin 7 - 8 % O2 pitoisuutta savukaasuissa. Silloin on mahdollista päästä alle 50 ppm häkä (CO) pitoisuuteen pitemmän ajan keskiarvona (toimittajan huomautus: nykyisten CE-hyväksyttyjen puukiukaiden päästöt voivat olla yli kymmenkertaiset).
Hiilet palavat puhtaasti, kun hiilikerros on ehyt, siihen saadaan sopivasti palamisilmaa ja palamislämpötila on sopiva. Ratkaisu, jossa kaasujen palaminen erotetaan kiinteän hiilen palamisesta, näyttääkin näiden periaatteiden mukaan yksinkertaisimmalta saavuttaa puhdas palaminen aikaan.
Erillispoltto käytännössä
Youtube video protokiukaan toiminnasta (id KPdtssHFbYY)
Yritystoiminnan alussa v. 1991 kokeilimme pienimuotoista puun palamista, eristimme vanhan kiukaan rungon ja siinä eri tavoin teimme kokeiluita. Silloin havaittiin jotakin outoa, välillä ei tullut savua yhtään. Vajaa kymmenen vuotta sitten yrityksellämme oli tuotekehityshanke, jossa selvittelimme palamisen salaisuuksia lähes kolmen vuoden ajan. Vaikealta näytti.
Hankkeen loppuvaiheissa tuli mieleen kokeilla palamista vielä yhdellä tavalla. Öljypönttö 20 l klapeja pystyyn niin paljon kuin sopi, yläosan tyhjään tilaan sytyt, kanteen reikä 100 mm, kansi päälle, reunoille neljän 4 millimetrin rako ympäriinsä, hormiksi 100 mm kierresaumaputkea kolme 3 metriä, pöntön ja hormin ympärille eristevillaa ja eikun kokeilemaan.
Aluksi näytti epävarmalle, syttyykö panos ollenkaan. Vähän ajan kuluttua alkoi kuitenkin palaa, kohina voimistui ja palaminen kiihtyi.
Ennen en ollut nähnyt eristevillan palavan. nyt näin, torvi ja pöntön yläosa oli punakeltainen. Tuli mieleen tuohonko sulaa. Ei sentään, ajan kuluttua palaminen hiipui. Kun sain kantta rao’otettua, suuri osa hiilistä oli vielä klapin muodossa.
Tästä näystä se tuli mieleen: Tässä on jotakin erikoista, tärkeää. Mitä? Sitä olen nämä vuodet selvitellyt, rakennellut erilaisia sovellutuksia ja testannut, testannut.
Olin muutama vuosi sitten mukana Itä-Suomen yliopiston SIMO pienpolttosimulaattorihankkeessa. Sillä laitteistolla ajetut kokeilut kiukaallani antoivat myönteisiä tuloksia ja lisäsivät uskoa polttomenetelmän toimivuuteen (toimituksen huomio: vertailukelpoista dataa ei ole julkaistu, mutta hankkeen vetäjä Jarkko Tissari on julkisissa puheenvuoroissaan viitannut vaihtoehtoisten polttotapojen lupaaviin tuloksiin).
Puiden palamiseen kiukaassa liittyi monta ongelmaa, ne ratkesivat menetelmällä jolla voi myös norsun syödä. Palanen kerrallaan.
Joukon vinkki tavallisen kiukaan puhtaampaan polttoon
Osassa markkinoilla olevista kiukaista toimii seuraava toimintatapa lämmitettäessä. Vain kokeilemalla omassasi sen voit saada selville.
Sytytyksen jälkeen kun puut ovat hyvin syttyneet ja veto vakiintunut laita kiukaaseen lisäilmaa antavat aukot, luukku ja tuhkaluukku ja muutkin mahdolliset ilma-aukot kokonaan kiinni. Seuraa tilannetta . Jos tuli jatkaa palamista kiukaassa ja alkaa kiihtyä ja antamaan lämpöä tilanne on OK.
Palotilan lämpötila nousee paremmin kun ei ole jäähdytys toiminnassa, ts. tuleva virtaus ei tuo kylmää ja menevä virtaus ei vie lämpöä. Toinen parannus on se, että suuri happiylimäärä aiheuttaa lähinnä saasteita.
Tämä johtuu siitä että tulipesän kuumetessa puussa mukana oleva happi tulee käyttöön ja ulkopuolisen hapen tarve pienenee ja palaminen tehostuu kun lämpö tulipesässä pysyy oikealla alueella ja tasolla. Kiukaiden suuluukut ovat usein ilmaa päästäviä ja osassa kiukaita hyvään palamiseen riittää puussa olevan hapen lisäksi suuluukun rakojen kautta tuleva ilma.
Jos taas käy niin että palaminen alkaa hiipua, tai tulee savukaasuja sisälle, laita asetukset normaalille lämmitysasetuksille ja pitäydy niissä jatkossa.
Niissä kiukaissa missä tämä toimii se ei kokonaan poista savua ja saasteita, mutta merkittävästi vähentää niiden muodostumista. Lähes savuton kiuas edellyttää toisenlaisia rakenteita ja toisenlaista tapaa lämmittää sitä.
HUOM! En suosittele savupellin tai muunkaan sulkimen käyttöä, mikä on kiukaan poistokaasujen virtaustiellä, tässä kokeilussa. Siitä seuraa useinmiten ongelmia.
Ystävällisesti
Jouko Kettunen, protorakentaja
Lue myös: Saunologian artikkeli puun polttamisen fysiikka
Joukon esimerkki on kannustava. Kyllä puukiuasta voi vielä innovoida!
Liettualainen Rimas Kavaliauskas on rakentanut useampia ns. rakettiuuni-tyyppisiä (rocket stove) kertalämmitteisiä kiukaita, joissa on oma erityinen toimintaperiaatteensa. Suomessakin luennoinut mies on lähes mahdoton tavoitettavaksi, muuten esittelisin tämänkin ihmeen vielä Saunologiassa.
