Jätteiden energiakäytön päästöjen hallinta. Jorma Jokiniemi Kuopion yliopisto ja VTT

Transkriptio

1 Jätteiden energiakäytön päästöjen hallinta Jorma Jokiniemi Kuopion yliopisto ja VTT Jätteiden energiakäytön seminaari Lohja

2 2 Sisältö 1. Johdanto 2. Jätteenpoltto arina ja leijukerrostekniikalla 3. Ilmapäästöt 4. Minkälaisia päästöjä eri prosesseissa muodostuu ja miksi 5. Mikä on päästö 6. Jäteenpolton mitatut päästöt 7. Päästöjen luokittelu polttoaineen ja prosessin suhteen Yhteenveto

3 3 1. Johdanto Tässä esityksessä käsitellään jätteenpolton ilmapäästöjä arinaja leijupolttotekniikalla poltto ja kaasutustekniikat päästöjen muodostuminen polttotekniikan vaikutus erotus ja suodatuslaitteet mittaustulokset Lopuksi verrataan jätteenpolton päästöjä muihin päästöihin ja esitetään arvio jätteenpolton vaikutuksista yhdyskuntailman pitoisuuksiin

4 4 KAASUTUS Kun halutaan syöttää kierrätyspolttoaineita hiilipölykattilaan, maakaasukattilaan tai turbiiniin, kierrätyspolttoaine on ensin kaasutettava. Kaasutuksen tuotekaasu voidaan puhdistaa epäpuhtauksista ennen kaasun syöttöä kattilaan, jolloin pääkattilan käytettävyysei huonone.

5 5 Kun REF:n klooripitoisuus on pieni (<0,1 paino %), kaasutuksen tuotekaasu voidaan polttaa suoraan kiinteän polttoaineen kattilassa. Esimerkkinä tällaisesta ratkaisusta on Lahden Lämpövoima Oy:n Kymijärven voimalaitoksen kaasutin.

6 6 (arinakattilassa)

7 7 Massapoltto arinatekniikalla

8 8 18 MW Arinakattilalaitos Ruotsissa.

9 9 Jätteenpolton arinakattilalaitos aloitti toimintansa syksyllä2003 Kattilan toimitti Babcock & Völund ja siinä on Alstom NID kaasujenpuhdistuslaitteisto Laitos tuottaa lämpöä noin 8000 taloudelle ja paikalliselle teollisuudelle Jätteellä on tehokas syntypaikkalajittelu Jäte ei sisällä suuriä määriä kotitalouksien biojätettä Laitokselle toimitettu jäte poltetaan sellaisenaan arinakattilassa. Lämmöntuotyanto 18 MWth Sähkön tuotanto 1,7 MW laitoksen omaan käyttöön Polttoaine: 70 % kotitalouksien syntypaikkalajiteltua jätettä 30 % lajiteltua teollisuuden jätettä

10 10 Jätteenpolton arinakattilalaitos 18 MWth.

11 11 Jätteen siirtäminen poltettavaksi

12 12 Leijukerrostekniikka jätteenpoltossa

13 13

14 14

15 15

16 16 NID (novel integrated desulphurization) Aktiivihiili elohopea ja dioksiinit+furaanit Sammutettu kalkki CaOH HCl, SO SNCR (Selective Non Catalytic Reduction) Typen oksidit

17 17

18 Tuhkan käsittely ja loppusijoitus. 18

19 19 Jätteenpolton leijukerroskattila aloitti toimintansa syksyllä2003 Kiertoleijukattilan toimitti Kvaerner ja siinä on Alstomin NID kaasujenpuhdistuslaitteisto Poltettava jäte murskataan ja siitä poistetaan metallit Jätteellä ei ole syntypaikkalajittelua Jäte sisältää myös kotitalouksien biojätettä Lämmöntuotanto 75 MWth Polttoaine: 70 % kotitalouksien lajittelematonta jätettä 30 % lajiteltua teollisuuden jätettä

20 20 Polttoaineen käsittely kiertoleijukattilassa

21 21

22 22 Ilmapäästöt Poltossa muodostuu kolmea eri tyyppistä kaasumaista komponenttia joihin kaasujen puhdistustekniikka ei vaikuta. CO: Hään määrä kertoo palamisen hyvyydestä (epätäydellinen palaminen). Jos palaminen on täydellistä ei häkää muodostu. EU ja muut viranomaiset ovat asettaneet hään keskimääräiselle päästölle päästörajoja. CO2 + H20 : Hiilidioksidi ja vesihöyry ovat täydellisen palamisen tuotteet. NO ja NO2, (NOx) : Typen oksidit. Typen oksidien päästöjä voidaan vähentää seuraavasti: SNCR prosessi: Ammoniakin tai urean injektointi kuumaan savukaasuun tai SCR prosessi: Katalyytin käyttö jolloin ammoniakki tai urea voidaan injektoida viileämpään savukaasuun. HCl ja SO2 Jos polttoaine sisältää rikkiä ja klooria ovat rikkidioksidi ja kloorivety kaasut niiden pääasialliset olomuodot savukaasussa. Voidaan poistaa sekoittamalla savukaasuun sammutettua kalkkia tai natriumbikarbonaattia.

23 23 Dioxinit ja furaanit Nämä ovat hyvin toksisia komponentteja, joiden pitoisuudet luonnossa tulee rajata erittäin alhaisiksi. Aktiivihiili kykenee absorboimaan kaiken dioksiinin ja furaanin savukaasuista. Käytetty aktiivihiili voidaan hävittää polttamalla (täydellinen palaminen), jolloin myös dioksiinit ja furaanit häviävät. Myös SCR katalyytti hävittää savukaasussa olevat dioksiinit ja furaanit. EU:n jätteenpolton direktiivin asetus savukaasun 2 sekunnin viipymästä 850 C:ssa hävittää nämä yhdisteet ja muutkin haitalliset orgaaniset komponentit.

24 24 PAH (poly aromaattiset hiilivedyt) ovat toksisia komponentteja joita syntyy epätäydellisessä palamisessa. Ne voivat olla savukaasussa joka kaasu tai hiukkasmuodossa. TOC (orgaanisen hiilen kokonaismäärä savukaasussa) on palavien orgaanisten yhdisteiden kokonaismäärä savukaasussa. Aktiivihiili poistaa hyvin nämä yhdisteet. Hiukkaset ja raskasmetallit Savukaasun jäähtyessä kaasuuntuneet epäorgaaniset ainekset tiivistyvät pienhiukkasiksi. Palamaton ja kaasuntumaton tuhka ja muut ainekset muodostavat suurhiukkaset. Kaasuuntuneet raskasmetallit voivat reagoida kuumassa suurten tuhkahiukkasten pinnalle ja savukaasun jäähtyessä lisää siinä vielä olevat kaasumaiset raskasmetallit tiivistyvät ja rikastuvat pienhiukkasiin. Kaasuuntumattomat raskasmetallit jäävät suurhiukkasiin. Elohopea (Hg) on ainoa raskasmetalli joka nykytiedon mukaan esiintyy pääosin kaasumaisena savukaasupuhdistimien lämötiloissa ( C). Hiukkasssuodattimilla voidaan poistaa hiukkaset tehokkaasti ja elohopea voidaan poistaa aktiivihiilellä. PÄÄSTÖJEN MITTAAMINEN

25 25

26 26

27 27 Hiukkasten ja kaasujen mittaaminen standardin mukaisella menetelmällä.

28 28 Pienhiukkasten (sisältäen raskasmetallit) mittaaminen. ESP outlet Vacuum pump BLPI ESP inlet Porous tube diluter TEOM/ELPI/ DMA SDI/VI Critical orifice Pre cyclone Vacuum pump Vacuum pump BLPI

29 29 Dioksiinien ja furaanien mitaaminen.

30 30 Elektronimikroskooppikuva jätteenpoltossa syntyvistä hiukkasista.

31 Biomassan leijukerrospoltto Huono pienpoltto 31 Kevyt polttoöljy, nokihiukkanen Raskas polttöljy H2SO4

32 32 Tuloksia jätteenpolttolaitoksilla tehdyistä mittauksista Suomessa on ollut käynnissä Tekesin, yritysten ja VTT:n rahoittama JÄPPI (jätteenpolton pienhiukkaset) tutkimusprojekti, jossa on mitattu toimivien laitosten ilmapäästöjä. Seuraavassa kerrotaan tässä projektissa saaduista mittaustuloksista poltettaessa jätettä arina ja leijukerrostekniikalla.

33 33 JÄPPI projektissa tutkitut Polttoaineet Pilot plant Wood waste Pilot plant SRF I Pilot plant SRF I UM Pilot plant SRF III Pilot plant SRF III UM Grate Chip+bark Grate Wood waste & chip + bark CFB 75 MW RDF Grate incinerator Waste CFB Co combustion SRF+peat wood+coke SRF = Solid Recovered Fuel UM = Urban Mill

34 Kloorin määrä polttoaineissa. Kuvasta näkyy, että jäte on hyvin epätasalaatuista, joten eri aineiden määrät vaihtelevat suuresti. 1.5 %, d Karhula Wood waste Pilot plant SRF I SRF I UM SRF III SRF III UM Chip+bark Wood waste & chip+ CFB RDF Grate waste CFB Co comb SRF+peat wood+coke

35 35 Kadmiumin määrä polttoaineissa 20 Content, mg/kg d. Pilot plant Karhula Wood waste SRF I SRF I UM SRF III SRF III UM Chip+bark Wood waste & chip+bark CFB RDF Grate waste CFB Co comb SRF+peat wood+coke

36 36 Lead in Lyijyn fuel määrä polttoaineissa 300 Pb, mg/kg, d. Pilot plant Karhula Wood waste SRF I SRF I UM SRF III SRF III UM Chip+bark Wood waste & chip+bark CFB RDF Grate waste CFB Co comb SRF+peat wood+coke

37 37 Hiukkasten massakokojakaumat [mg/nm 3 ] ennen suodatinta. Katkoviiva esierottimelle kerättyjen suurten hiukkasten määrää. Sininen arinakattila 18 MW Ruotsissa, punainen leijukerroskattila pilot laitos Suomessa ja vihreä leijukerroskattila 75 MW Ruotsissa. dm/dlog(dp) [mg/m^3] (NTP) Hässleholm (BLPI) Hässleholm (pre cyclone) Nörrköping (BLPI) Norrköping (pre cyclone) Karhula SRF III (BLPI) Karhula SRF III (pre cyclone) Cyclone cut off D50 = ~5 8µm Dp [µm]

38 38 Hiukkasten massakokojakaumat [mg/nm 3 ] suodattimen jälkeen. Katkoviiva esierottimelle kerättyjen suurten hiukkasten määrää. Sininen arinakattila 18 MW Ruotsissa, punainen leijukerroskattila pilot laitos Suomessa ja vihreä leijukerroskattila 75 MW Ruotsissa. dm/dlog(dp) [mg/m^3] (NTP) Outlet 1 11:45 17: Outlet 2 11:10 17:40 Outlet 1 Cyclone Norrköping outlet Norrköping cyclone Dp [µm]

39 39 70 dm/dlog(dp) [mg/m^3] (NTP) Pb jakautuminen eri kokoisiin hiukkasiin ennen suodatinta. Pb Hässleholm Pb Norrköping Pb Kauttua Pb SRF 1 Pb SRF 3 Pb SRF 1 UM Pb SRF 3 UM ,01 0, Aerodynamic diameter, Dp [µm]

40 6 Mn jakautuminen eri kokoisiin hiukkasiin ennen suodatinta. 40 dm/dlog(dp) [mg/m^3] (NTP) Mn Hässleholm Mn Norrköping Mn Kauttua Mn SRF 1 Mn SRF 3 Mn SRF 1 UM Mn SRF 3 UM 1 0 0,01 0, Aerodynamic diameter, Dp [µm]

41 dm/dlog(dp) [µg/m^3] (NTP) VTT University TECHNICAL of Kuopio RESEARCH CENTRE OF FINLAND Pb jakautuminen eri kokoisiin hiukkasiin suodattimen jälkeen. Pb, Filter outlet Vaikka vaihtelua esiintyy, niin määrät ovat erittäin alhaiset Pb Hässleholm (BLPI) Pb Hässleholm (pre cyclone) Pb Norrköping 1 (BLPI) Pb Norrköping 2 (BLPI) Pb Norrköping 2 (pre cyclone) Dp [µm]

42 42 1.E+08 1.E+07 INLET Norrköping OUTLET Norrköping OUTLET Norrköping OUTLET Norrköping sootblow ing dn/dlog(dp) [1/cm^3] (NTP) 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E Aerodynam ic Dp [µm] Pienhiukkasten lukumäärä eri kokoisissa hiukkasissa ennen suodatinta ja sen jälkeen (katkoviiva).

43 µg/m^3 (NTP) Trace metal concentrations in sub micron particles, filter inlet Raskasmetallien määrät pienhiukkasissa ennen suodatinta Hässleholm Norrköping sin arina, pun leijukerros Al As Cd Co Cu Fe Mn Pb Sb V Zn

44 Raskasmetallien määrät pienhiukkasissa suodattimen jälkeen Trace metal concentrations in sub micron particles, filter outlet Hässleholm Norrköping µg/m^3 (NTP) sin arina, pun leijukerros As Cd Co Cu Mn Pb Sb V Zn

45 Jätteen polton ilma päästöjä (NID tekniikka, normaalitilanne). Mitatut päästöt ovat joillekin komponenteille niin alhaisia, että käytännössä standardin mukaisen mittausmenetelmän havaitsemisraja tulee vastaan. Päästökomponentti Rikkidioksidi, SO 2 Typen oksidit NO x (NO 2 :na ilmoitettuna) Hiukkaspäästöt, TSP Kloorivety, HCl Fluorivety, HF Dioksiniit ja furaanit Cd+Tl Hg Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+ Ni+V Kaasumaiset ja höyrymäiset orgaaniset aineet orgaanisen hiilen kokonaismääränä, TOC Pitoisuus savukaasussa mg/m 3 (NTP, kuiva kaasu O 2 11 %) MITATTU 0, , ,02 0,2 0,0034 x ,01 x 10 6 < 0,002 0,005 0,007 < 0,02 < 1 Pitoisuus savukaasussa mg/m 3 (NTP, kuiva kaasu O 2 11 %) PÄÄSTÖRAJA EU ,1 x ,05 0,05 0,

46 t Pienhiukkasten muodostuminen ja raskasmetallien käyttäytyminen jätteen poltossa T g [ C] Päästö ennen suod. 46 Polttoainehiukkanen Pyrolyysi/ palaminen/ liekki/ höyrystyminen Raskasmetallit Pb, Cu Hg (kaasumaisia) heterogeeniset reaktiot sulfaatteja klorideja oksideita Hg (kaasuna/ hiukkasina) PbCl 2, CuCl 2..M x O y (hiukkasina) K, Na, Ca tuhkahiukkasia sulfaatteja klorideja oksideita KCl 2, KSO 4, CaSO 4

47 47 Eri polttoaineiden ja laitosten pienhiukkasja raskasmetallipäästöjen vertailu Kivihiili (pölypoltto, sähkösuodin pussisuodin) Turve (pölypoltto, leijukerrospoltto, sähkösuodin Biomassa (leijukerrospoltto, pienpoltto, eri suotimia) Öljy (raskasöljy, kevyt öljy, poltinpoltto, dieselmoottorit) Mustalipeä (soodakattila)

48 48 Hiukkaspää äästöt t Tuhkahiukkaset (sisältää raskasmetallit) Hienojakoinen lentotuhka (poltossa kaasuuntunut epäorgaaninen aines) Karkea lentotuhka t Hiiltä sisältävät hiukkaset Noki t Hapot Orgaaninen aines (PAH, hiilivedyt) Koksi (palamaton hiili, karkeat hiukkaset) rikkihappo ja suolahappo, orgaaniset hapot)

49 49 Polttoaineet:Pienhiukkasiin rikastuvat aineet joita on paljon myös polttoaineessa epäorgaaniset Biomassa: K, Ca, Na, (Mn), Cl, S, Zn Raskasöljy: S, V, Ni, Na Jäte: Cl, S, K, Na, Pb, Cu, Zn, Al, Sn Hiiltä on kaikissa ja sen esiintyminen pienhiukkasissa riippuu palamisen hyvyydestä (noki ja hiilivedyt=orgaaninen aines)

50 50 Mitä päästöt ovat? C x H y O N Ca K S H 2 O t Ideaalisessa hiilivetyjen palamisessa syntyy pelkästään hiilidioksia (CO 2 ) ja vettä (H 2 O). t Päästöjä syntyy, kun polttoaineen hapettuminen ei ole täydellistä = epätäydellinen palaminen C x H y, CO, VOC, PAH, Hiukkaset t NO x ja SO 2 päästöt sekä osa tuhkahiukkasista vapautuu, vaikka palaminen olisi täydellistä. Tuhka % Kiinteä hiili % Haihtuvat aineet % Vesi

51 51 Polton pienhiukkaspäästöt Suomessa vertailutaulukko Fuel Boiler / Output Particle Particle emissions Flue gas Burner kw separator Characteristics TSP PM1 Medium Chemical composition Morphology Harmful properties T O2 aver. mg/mj mg/mj size (nm) Main elements / compounds spherical/agglomerate particle size/toxicity oc % Biomass/Peat PM1 AMMD Physical size Biomass batch burning batch burning sauna stoves, fireplace inserts, * small size, PAH, masonry heaters, wood log boilers * org , soot 20, inorg.5 50 agglom.,primary 50nm some soot continueous burning continueous burning wood chips grate, stoker burner < na** small units wood pellet pellet burner, stoker burner < org.10 15,soot 1 5,inorg spherical 50 nm small size wood grate 5000 wet scrubber K, SO4 some PAH woodchips grate (circulating) wood grate ESP intermed.&large units wood, peat Bubbling fluidised bed (BFB) ESP SO4, K, Na spherical nm relatively small size wood, sludge Circulating fluidised bed (CFB) ESP 1 2 0,1 200 SO4, K, Cl, Na K salts wood, peat, sludge BFB FF 5 0, na** Waste Waste SRF grate FF 0,2 <0.03 na** na** inlet: inlet: SRF CFB FF 0,4 0,03 na** na** compact agglomerates rel. small size, toxic mixed fuel BFB ESP K, Cl, SO4, Pb, Cd primary nm outlet: (KCl and Pb,Cd ) almost zero emission Oil Oil light oil Oil burner (domestic) mainly soot agglom. primary nm small size, soot heavy oil Oil boiler H2SO4, V, Ni spherical 100 nm small size toxic Diesel engine number, V, Ni, SO4 Coal Pulverised coal combustion ESP Si, S, K, Hg Coal FF 6 ~0 na** na** Hg, As Black liquor Recovery boiler ESP Na, SO4, K, Cl salts compact agglomerates Black liquor nm none * large differences between combustion devices and operation habits (fuel quality etc.) ** below the limit of identification or not analyzed

52 52 Tulevaisuuden haasteita t Eri päästölähteiden terveysvaikutusindikaattorit kemiallinen koostumus hiukkaskoko lukumäärä/pinta ala/massa Pintaominaisuudet t Pienten biomassalaitosten pienhiukkaspäästöjen hallinta t Pienpolton pienhiukkaspäästöt (mitaaminen, hallinta) t Eri päästölähteiden hiukkasten säteilyominaisuudet (ilmastomuutos)

53 53 Jätteenpolton ilmapäästöjen leviäminen ja terveysvaikutukset Leviämistarkastelu voidaan tehdä esim. leviämismallien avulla (Ilmatieteen laitos). Tällöin lähtötietoina voitaisiin käyttää EU:n jätteenpolttodirektiivin asettamia maksimipäästöjä (taulukko 1.). Vaikka hyvällä suodatustekniikalla päästäisiinkin näiden arvojen alle, on järkevää käyttää ko. arvoja varmistamaan, että näillä maksimipäästöilläkään ei ole odotettavissa negatiivisia terveysvaikutuksia Kaikkien ilmapäästöjen osalta voidaan siten mallien avulla laskea korkeimmat tunti ja vuosikeskiarvot maksimipäästötilanteissa. Päästökorkeutena on syytä käyttää laitokseen suunnitellun piipun korkeutta. Yleensä piipun korkeudeksi suunnitellaan m. Korkea päästökorkeus edesauttaa päästöjen tehokasta laimennusta ulkoilmaan ja leviämistä laajemmalle alueelle, jolloin yksittäisen alueen pitoisuuksien lisäykset minimoidaan.

54 54 Valtioneuvoston asettamat, pääosin terveysperusteiset ohjearvot ovat kansallisia ja ne on tarkoitettu ensisijaisesti ohjeeksi viranomaisille. Raja arvot ovat ilmanlaadun ohjearvoja sitovampia ja niiden ylittyminen on ilmansuojeluviranomaisten käytettävissä olevin keinoin estettävä. Ilmanlaadun ohjearvot ovat raja arvoja tiukemmat ja pitoisuuksien ollessa niiden alapuolella myös raja arvot alittuvat. Seuraavassa ohje ja raja arvoja eri päästökomponettien pitoisuuksille ulkoilmassa: Rikkidioksidi, ohjearvoja: tuntikeskiarvo 250 µg/m3, vuorokausikeskiarvo 80 µg/m3. Typen oksidit, ohjearvoja: tuntikeskiarvo 150 µg/m3, vuorokausikeskiarvo 70 µg/m3. Hiukkaspitoisuudet: vuosikeskiarvot PM10 40 µg/m3 (raja arvo), TSP 50 µg/m3 ohjearvo vuorokausikeskiarvot PM10 70 µg/m3 (ohjearvo). Kloorivety: vuosikeskiarvo 100 µg/m3 (raja arvo, Saksa). Fluorivety: vuosikeskiarvo 1 µg/m3 (ohjearvo, WHO).

55 55 Arseeni: vuosikeskiarvo 6 ng/m3 (tavoitearvo, EU). Selvitysten mukaan tämän pitoisuuden alittamisella pystytään tehokkasti ehkäisemään arseenin haitallisia terveysvaikutuksia mukanlukien karsinogeeniset vaikutukset. Nikkeli: vuosikeskiarvo 20 ng/m3 (raja arvo, EU haitallisten terveysvaikutusten ehkäisemiseksi). Kadmium: vuosikeskiarvo 5 ng/m3 (raja arvo, WHO, tavoitearvo, EU). Elohopea: pitoisuustaso 50 ng/m3 (suositus WHO, alin pitoisuustaso, jonka ei ole havaittu aiheuttavan negatiivisia terveysvaikutuksia, tutkimukset kesken). Dioksiinit ja furaanit: ei ole ohje tai raja arvoja: Mitatut jätteenpolton päästöt ovat kuitenkin niin pieniä, ettei niiden oleteta aiheuttavan pitoisuuksien kohoamista.

56 56 Yhteenveto t Tehdyt tutkimukset ja selvitykset osoittavat, että EU:n jätteenpolttodirektiivin asettamat päästörajat alittavat päästöt eivät aiheuta edellä esitettyjen komponenttien pitoisuuksien ohje raja tai tavoitearvojen ylityksiä. Tällöin voidaan myös olettaa, että negatiiviset terveysvaikutukset eivät lisäänny, kun pitoisuustasot pysyvät näiden arvojen alapuolella. Leviämismallien mukaan kaikkien raskasmetallien pitoisuudet pysyvät selvästi alle tavoitearvojen käytettäessä maksimipäästöarvoja lähtötietoina. Koska todelliset mitatut päästöt ovat selvästi alle näiden maksimipäästöjen, voidaan perustellusti todeta, että näiden hyvin pienten päästöjen kuormitus ympäristöön mukaan lukien eliöstö, kasvit ja marjat on merkityksetöntä. t Yleisesti voidaan todeta, että parhaalla käyttökelpoisella tekniikalla voidaan jätteenpoltossa alittaa selvästi EU:n asettamat päästörajat. Tämä tieto perustuu todellisilla toiminnassa olevilla laitoksilla tehtyihin viimeaikaisiin mittauksiin. Tällöin alittuvat myös viranomaisten asettamat ilmalaadun ohjeja raja arvot ja näin vältytään nykyisen tiedon mukaan negatiivilta ympäristöja terveysvaikutuksilta. Tämä edellyttää kuitenkin päästötasojen jatkuvaa seuraamista, johon velvoittaa myös EU:n jätteenpolttodirektiivi.