BIOPOLTTOAINEITA KÄYTTÄVIEN ENERGIANTUOTANTOLAITOSTEN TUHKIEN HYÖTYKÄYTTÖ- JA LOGISTIIKKAVIRRAT ITÄ-SUOMESSA

Transkriptio

1

2 Hanne Soininen Leena Mäkelä Anni Kyyhkynen Elina Muukkonen BIOPOLTTOAINEITA KÄYTTÄVIEN ENERGIANTUOTANTOLAITOSTEN TUHKIEN HYÖTYKÄYTTÖ- JA LOGISTIIKKAVIRRAT ITÄ-SUOMESSA Mikkelin ammattikorkeakoulu A: Tutkimuksia ja raportteja - Research Reports 59 MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Mikkeli 2010

3 MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU A: Tutkimuksia ja raportteja - Research Reports PL 181, Mikkeli Puhelin Tekijät ja Mikkelin ammattikorkeakoulu Kannen kuva: Leena Mäkelä ISBN (nid.) ISBN (pdf) ISSN Ulkoasu: Mainostoimisto ILME Ky Kannen ja sisällön painatus: Kopijyvä Oy - Mikkeli

4 KUVAILULEHTI Päivämäärä Julkaisusarja ja nro A:Tutkimuksia ja raportteja 59 Tekijät Hanne Soininen, Leena Mäkelä, Anni Kyyhkynen, Elina Muukkonen Nimeke Biopolttoaineita käyttävien energiatuotantolaitosten tuhkien hyötykäyttö ja logistiikkavirrat Itä- Suomessa Tiivistelmä Vuosina toteutetun Mikkelin ammattikorkeakoulun YTI-palveluiden hankkeen Biopolttoaineita käyttävien energiantuotantolaitosten tuhkien hyötykäyttö- ja logistiikkavirrat Itä- Suomessa tavoitteena oli kartoittaa Itä-Suomen alueella (Etelä-Savo, Pohjois-Karjala ja Pohjois- Savo) muodostuvat tuhkavirrat ja hyötykäytön nykytilanne sekä tuhkien laatu ja lainsäädännön niille asettamat käsittelyvaatimukset. Hankkeen tavoitteena oli ohjata Itä-Suomen alueella muodostuvien kuntien ja yritysten omistamien energiantuotantolaitosten tuhkavirrat hyötykäyttöön ja turvalliseen loppusijoitukseen nykyisiä sekä uusia tuhkankäsittelytekniikoita apuna käyttäen. Hanke oli EU-osarahoitteinen (EAKR) hanke. Hankkeen osatoteuttajia olivat Etelä-Savon Energia Oy, Metsäsairila Oy, Savon Kuljetus Oy, Savon Voima Oyj, Suur-Savon Sähkö Oy ja Wiser Oy. Hankkeessa analysoitiin mukaan lähteneiden energiayhtiöiden Itä-Suomen alueen 31 energiantuotantolaitoksen tuhkien laatu Mikkelin ammattikorkeakoulun ympäristölaboratoriossa. Lisäksi hankkeen aikana tehtiin energiantuotantolaitosten lentotuhkille vanhentamis- ja fraktiointikokeita, jotta energiantuotantolaitosten tuhkavirrat voitaisiin ohjata nykyistä tehokkaammin hyötykäyttöön ja turvalliseen loppusijoitukseen. Itä-Suomen alueen tuhkamäärät ja niiden hyötykäytön nykytilanteen tarkasteluun valittiin tarkemmin Etelä-Savosta 53, Pohjois-Savosta 26 ja Pohjois-Karjalasta 28 energiantuotantolaitosta. Polttoaineena laitoksilla käytetään pääasiassa puuperäisiä polttoaineita sekä turvetta. Muodostuva biopolttoainetuhkan kokonaismäärä on vuodessa noin tonnia. Määrään vaikuttavat muun muassa laitosten polttoaineen laatu, käynnissäoloaika, taloussuhdanne ja säävaihtelut. Tuhkaa käytetään tällä hetkellä esimerkiksi tie- ja kenttärakenteissa sekä muissa maarakennustöissä, kaatopaikkarakenteissa sekä metsien lannoitteina. Pääasiassa Itä-Suomen energiantuotantolaitosten tuhka loppusijoitetaan tavanomaisen jätteen kaatopaikoille, missä niitä voidaan hyödyntää luonnonmateriaaleja korvaavina rakenteina. Varsinaiseen muuhun hyötykäyttöön tuhkavirroista ohjautuu noin neljännes. Tuhkan hyötykäyttöä koskevaan lainsäädäntöön on tullut muutoksia viime aikoina. Hyötykäyttö muun muassa lannoitteena voi edellyttää tuhkan jatkojalostusta ja prosessointia. Avainsanat (asiasanat) bioenergia, lentotuhka, tuhka, hyötykäyttö, energiantuotanto, energiantuotantolaitokset, Etelä-Savo, fraktiointi Sivumäärä 111 s. Muita tietoja Kieli Suomi ISBN (nid.) (pdf) ISSN Luokitukset YKL 60.82; 60.8 UDK ;

5 DESCRIPTION Date Publication series and NO A: Research Reports Authors Hanne Soininen, Leena Mäkelä, Anni Kyyhkynen, Elina Muukkonen Name of the work Utilisation of biofuel consuming energy plants ash flows and logistic flows in eastern Finland Abstract In , the Mikkeli University of Applied Sciences carried out a project titled Utilisation of Biofuel Consuming Energy Plants Ash Flows and Logistic Flows in Eastern Finland. The objective of this project was to survey the ash flows generated in the area of eastern Finland (South Savo, North Karelia and North Savo), and to establish their quality and current utilisation situation, including their statutory processing requirements. The project was geared towards steering the ash flows from municipal and commercial energy production plants operating in eastern Finland to efficient utilisation and safe final placement with the aid of currently available and the latest ash processing technologies. The project was partly funded by the EU (an ERDF project). The implementers of this project included Etelä-Savon Energia Oy, Metsäsairila Oy, Savon Kuljetus Oy, Savon Voima Oyj, Suur-Savon Sähkö Oy and Wiser Oy. The project analysed the ash quality of 31 energy production plants owned by the participating companies in eastern Finland. The analyses were performed at the environmental laboratory of the Mikkeli University of Applied Sciences. In addition, the project conducted ageing and fractionation tests on fly ash volumes produced by the plants in question, to establish how these could be more effectively steered to efficient utilisation and safe final placement. For a more detailed analysis of the ash volumes produced in eastern Finland, and to establish their current utilisation situation, 53 energy production plants were selected from South Savo, 26 from North Savo, and 28 from North Karelia. The plants in question chiefly consume wood-based fuels and peat for energy production. The total biofuel ash volume produced is approximately tonnes per annum. Among other factors, the volume is affected by the plants fuel quality, uptime, market conditions and weather conditions. Currently, ash is used in road and field construction, for other earthwork constructions, land filling site constructions, and for forest fertilising purposes. In eastern Finland, the fly ash produced by energy production plants is chiefly placed in land fill sites intended for ordinary waste for its final storage where it can be used for structures that replace the natural materials. Additional forms of actual utilisation consume about 25% of the current ash flows. Finnish legislation on fly ash utilisation has been recently updated. Utilisation as a fertiliser may require, for example, that the ash in question be further refined and processed accordingly. Keywords bioenergy, fly ash, ash, utilisation, energy production, energy production plant, South Savo, fractionation Pages 111 p. Remarks Language Finnish ISBN (nid.) (pdf) ISSN Classifications YKL 60.82; 60.8 UDK ;

6 ESIPUHE Tämä julkaisu on laadittu osana Mikkelin Ammattikorkeakoulu Oy:n YTIpalveluissa vuosina toteutettua Biopolttoaineita käyttävien energiantuotantolaitosten tuhkien hyötykäyttö- ja logistiikkavirrat Itä-Suomessa -hanketta. Tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa Itä-Suomen alueella (Etelä- Savo, Pohjois-Karjala ja Pohjois-Savo) muodostuvat tuhkavirrat ja hyötykäytön nykytilanne sekä tuhkien laatu ja lainsäädännön niille asettamat käsittelyvaatimukset. Hankkeen tavoitteena oli ohjata Itä-Suomen alueella muodostuvien kuntien ja yritysten omistamien energiantuotantolaitosten tuhkavirrat hyötykäyttöön ja turvalliseen loppusijoitukseen nykyisiä sekä uusia tuhkankäsittelytekniikoita apuna käyttäen. Hankkeen vastuullisina johtajina ovat olleet johtajat ins. Kari Kuhmonen, TkL Veli-Matti Mäkelä ja TkT Pekka Turkki ja projektipäällikkönä DI Hanne Soininen YTI-palveluista. Hankkeen projektihenkilöstöä ovat olleet laskentasihteeri Hanna-Maija Penttinen, projekti-insinööri DI Leena Mäkelä ja harjoittelijat insinööriopiskelijat (AMK) Heidi Kantanen, Anni Kyyhkynen, Elina Muukkonen, Anni Laitinen, Riikka Vihavainen ja Leena Loisa YTIpalveluista. Hankkeen laboratoriotyöhön on osallistunut laborantti Sari Seppäläinen Mikkelin ammattikorkeakoulun ympäristölaboratorioista. Tutkimushanketta rahoittivat Etelä-Savon ELY-keskus ja hankkeen osatoteuttajat Etelä-Savon Energia Oy, Metsäsairila Oy, Savon Kuljetus Oy, Savon Voima Oyj, Suur-Savon Sähkö Oy ja Wiser Oy. Hanke oli EU-osarahoitteinen (EAKR) hanke. Hanketyön etenemistä ohjasi ja valvoi ohjausryhmä, johon kuuluivat ympäristöinsinööri Eero Kuusela Savon Voima Oyj:sta, lehtori Marjatta Lehesvaara Mikkelin ammattikorkeakoulusta, toimitusjohtaja Alpo Leinonen Metsäsairila Oy:stä, myöhemmin toimitusjohtaja Vesa Nykänen Metsäsairila Oy:stä ja myöhemmin toimitusjohtaja, vt. Sami Hirvonen Metsäsairila Oy:stä, voimalaitoksen päällikkö Timo Leppänen Etelä-Savon Energia Oy:stä, toimitusjohtaja Jan Rönnberg Wiser Oy:stä, aluejohtaja Olli Miettinen Savon Kuljetus Oy:stä, toimistopäällikkö Mika Muinonen Etelä-Savon

7 Energiatoimistosta, ympäristötarkastaja Marita Savo Mikkelin seudun ympäristöpalveluista, liiketoimintajohtaja Heikki Tirkkonen Suur-Savon Sähkö Oy:stä, tutkimusjohtaja Aki Valkeapää Mikkelin ammattikorkeakoulusta ja myöhemmin johtaja Kari Kuhmonen Mikkelin ammattikorkeakoulusta. Etelä-Savon ELY-keskuksen puolesta hankkeen valvojana on ollut ympäristöinsinööri Jyrki Hämäläinen. Lisäksi hankkeeseen on osallistunut hankkeen osatoteuttajien muuta henkilökuntaa. Tekijät kiittävät hankkeen rahoittajia tutkimustyön mahdollistamisesta sekä ohjausryhmän jäseniä ja hankkeeseen osallistuneita osatoteuttajia erittäin aktiivisesta osallistumisesta hankkeen toteutukseen. Mikkelissä Tekijät

8 SISÄLTÖ ESIPUHE 1 JOHDANTO Tutkimuksen tausta Tutkimuksen tavoite ja toteutus YLEISTÄ BIOPOLTTOAINEISTA JA TUHKIEN HYÖTYKÄYTÖSTÄ Hyötykäyttöä ohjaava lainsäädäntö Jätteen kaatopaikkakelpoisuus Hyötykäyttökohteiden vaatimukset Omavalvonta REACH-asetus Jäteverolain uudistus Ympäristölupavaatimukset Biopolttoaineiden ominaisuudet ja käyttöaste Lentotuhkien ominaisuudet Muodostuvien tuhkien määrät ja niiden hyötykäyttö Suomessa Tuhkien käsittelytekniikoita Vanhentaminen Fraktiointi Itsekovetus, rakeistus ja stabilointi Pesu Tuhkien hyötykäyttövaihtoehdot ja hyödyntäjät Suomessa Hyödyntäminen pelto- ja metsäviljelyssä Hyödyntäminen maarakentamisessa ja teollisuuden raaka-aineena Hyödyntäminen kaatopaikkarakentamisessa Tuhkien hyödyntäjät Suomessa Tuhkien käsittely- ja hyötykäytön ympäristövaikutukset Lannoituskäyttö Kaatopaikka- ja maarakentaminen... 47

9 3 ITÄ-SUOMEN ALUEEN TUHKAMÄÄRÄT JA TUHKIEN HYÖTYKÄYTTÖ SEKÄ LOPPUSIJOITUS Tutkimusmenetelmät Etelä-Savon alueen lähtötiedot Pohjois-Savon alueen lähtötiedot Pohjois-Karjalan alueen lähtötiedot Tutkimuksen tulokset Etelä-Savon alueen tuhkamäärät ja niiden hyötykäytön nykytilanne Pohjois-Savon alueen tuhkamäärät ja niiden hyötykäytön nykytilanne Pohjois-Karjalan alueen tuhkamäärät ja niiden hyötykäytön nykytilanne Yhteenveto Itä-Suomen alueen tuhkamääristä ja niiden hyötykäytön nykytilanteesta Ympäristölupavaatimukset ITÄ-SUOMEN ALUEEN TUHKAVIRTOJEN LAATU JA OMINAISUUDET Näytteenottokohteet ja tutkimusmenetelmät Analyysitulokset Energiantuotantolaitosten tuhkien liukoisuuskokeiden tulokset Energiantuotantolaitosten tuhkien raskasmetallianalyysien tulokset Tulostarkastelu Energiantuotantolaitosten tuhkien liukoisuusominaisuudet Energiantuotantolaitosten tuhkien raskasmetallipitoisuudet LENTOTUHKAN VANHENTAMIS- JA FRAKTIOINTIKOKEET Vanhentamiskokeet Vanhentamiskokeiden tutkimusmenetelmät ja näytteenotto Tutkimuksen tulokset Tulostarkastelu Fraktiointikokeet Fraktiointikokeiden tutkimusmenetelmät... 88

10 5.2.2 Fraktiointikokeiden tulokset Tulostarkastelu ITÄ-SUOMEN ALUEEN TUHKIEN HYÖDYNTÄJÄT JA LOPPUSIJOITUSALUEET YHTEENVETO LÄHTEET

11 LUETTELO KUVISTA JA TAULUKOISTA KUVAT Kuva 1. Energian kokonaiskulutus energialähteittäin vuosina Kuva 2. Kivihiilen, turpeen ja seospolton tuhkamäärät vuosina Kuva 3. Kivihiilen, turpeen ja seospolton tuhkien hyötykäyttöaste vuosina Kuva 4. Sähkösuodattimen kenttien 1-3 raeluokat (µm) D10 ja D50 Kuva 5. Kuvassa vasemmalla sähkösuodattimen kenttien 1-3 Cdpitoisuudet ja oikealla Ni- ja As-pitoisuudet (mg/kg). Voimalaitoksella käytettiin polttoaineena 49 % turvetta ja 51 % puuperäisiä polttoaineita Kuva 6. Biopolttoainevoimalaitoksen eri tuhkajakeet Kuva 7. Raskasmetallien pitoisuudet ja jakaantuminen massaprosentteina pohjatuhkan, syklonin ja sähkösuodattimen lentotuhkan osalta Kuva 8. Rakeistusrummun (yllä) ja rakeistuslautasen (alla) toimintaperiaate Kuva 9. Kuvassa vasemmalla lentotuhkan levitystä kesäaikaan helikopterilla ja oikealla talviaikaan metsätraktorilla Kuva 10. Etelä-Savon alueella yli 500 tonnia tuhkaa tuottavat energiantuotantolaitokset ja niiden tuhkamäärät Kuva 11. Etelä-Savon alueella tonnia tuhkaa tuottavat energiantuotantolaitokset ja niiden tuhkamäärät Kuva 12. Pohjois-Savon alueella yli 500 tonnia tuhkaa tuottavat energiantuotantolaitokset ja niiden tuhkamäärät Kuva 13. Pohjois-Savon alueella tonnia tuhkaa tuottavat energiantuotantolaitokset ja niiden tuhkamäärät Kuva 14. Pohjois-Karjalan alueella yli 500 tonnia tuhkaa tuottavat energiantuotantolaitokset ja niiden tuhkamäärät Kuva 15. Pohjois-Karjalan alueella tonnia tuhkaa tuottavat energiantuotantolaitokset ja niiden tuhkamäärät

12 Kuva 16. Tutkimuksessa mukana olleiden energiantuotantolaitosten lukumäärät sekä maakunnissa syntyvät vuotuiset tuhkamäärät (1 000 t/a) Kuva 17. Maakunnissa 50 t/a ja 500 t/a tuhkaa tuottavien energiantuotantolaitosten tuhkien hyötykäytön- ja loppusijoituksen tilanne vuonna 2008 Kuva 18. Vanhentamiskokeen tuhkanäytteitä otettiin energiantuotantolaitosten lentotuhka-aumoista (Kuva Leena Mäkelä) Kuva 19. Näytteenottokuopan kaivaminen ja valmis näytteenottokuoppa (syvyys 4 m) (Kuva Hanne Soininen) Kuva 20. Vasemmalla 2-kenttäisen sähkösuodattimen ja oikealla 3- kenttäisen sähkösuodattimen kenttien arseenipitoisuudet (mg/kg kuiva-ainetta) Kuva 21. Vasemmalla 2-kenttäisen sähkösuodattimen ja oikealla 3- kenttäisen sähkösuodattimen kenttien kadmiumpitoisuudet (mg/kg kuiva-ainetta) Kuva 22. Vasemmalla 2-kenttäisen sähkösuodattimen ja oikealla 3- kenttäisen sähkösuodattimen kenttien kromipitoisuudet (mg/kg kuiva-ainetta) Kuva 23. Vasemmalla 2-kenttäisen sähkösuodattimen ja oikealla 3- kenttäisen sähkösuodattimen kenttien kuparipitoisuudet (mg/kg kuiva-ainetta) Kuva 24. Vasemmalla 2-kenttäisen sähkösuodattimen ja oikealla 3- kenttäisen sähkösuodattimen kenttien lyijypitoisuudet (mg/kg kuiva-ainetta) Kuva 25. Vasemmalla 2-kenttäisen sähkösuodattimen ja oikealla 3- kenttäisen sähkösuodattimen kenttien nikkelipitoisuudet (mg/kg kuiva-ainetta) Kuva 26. Vasemmalla 2-kenttäisen sähkösuodattimen ja oikealla 3- kenttäisen sähkösuodattimen kenttien sinkkipitoisuudet (mg/kg kuiva-ainetta)

13 Kuva 27. Itä-Suomen alueen energiatuotantolaitosten vuodessa tuottamat tuhkamäärät (yli 500 t/a ja t/a) (Karttapohjan lähde: Itä- Suomen lääninhallitus 2010) TAULUKOT Taulukko 1. Pysyvän, tavanomaisen sekä ongelmajätteen kaatopaikalle sijoitettavaksi hyväksyttävän jätteen arvioinnissa käytetyt rajaarvot Taulukko 2. Kivihiilen, turpeen ja puuperäisen aineksen polton lento- ja pohjatuhkien käytölle maarakentamisessa asetettuja raja-arvoja Taulukko 3. Haitallisten metallien enimmäispitoisuudet (mg/kg kuivaainetta) tuhkassa Taulukko 4. Tuhkan tuoteselosteessa ilmoitettavat tiedot sekä viranomaisanalyysin analyysimenetelmä Taulukko 5. Tuhkien pääkomponenttipitoisuuksia massaprosentteina kuiva-aineessa. Puutuhka koostuu eri puulajien ja kuoren tuhkasta Taulukko 6. Eri lentotuhkien raskasmetallipitoisuuksia ja VNa 591/2006 raja-arvot Taulukko 7. Puun poltossa syntyneiden raskasmetallien pitoisuudet pohjaja lentotuhkissa Taulukko 8. Turvetuhkan tyypilliset raskasmetallipitoisuudet Taulukko 9. Turpeen ja puun sekä kivihiilen lentotuhkan liukoisuusominaisuuksista L/S-suhteessa 10 ja pysyvän, tavanomaisen sekä ongelmajätteen kaatopaikalle sijoitettavaksi hyväksyttävän jätteen arvioinnissa käytetyt raja-arvot (VNa 202/2006). Testimenetelmänä kaksivaiheinen CEN-testi EN tai läpivirtaustesti (prcen/ts 14405, NEN7343) Taulukko 10. Alkuaineiden lähteitä jäteperäisissä polttoaineissa Taulukko 11. ph:n ja kaliumin pitoisuuden muutokset varastoinnin aikana Taulukko 12. Esimerkki turvemaiden lannoitukseen soveltuvien lannoitteiden alkuainesisällöstä

14 Taulukko 13. Tuhkien mahdolliset käyttökohteet tierakenteessa Taulukko 14. Lentotuhkan ja kuitulietteen vedenläpäisevyyksiä Taulukko 15. Etelä-Savon asukasluku kunnittain vuonna 2008 Taulukko 16. Pohjois-Savon asukasluku kunnittain vuonna 2008 Taulukko 17. Pohjois-Karjalan asukasluku kunnittain vuonna 2008 Taulukko 18. Etelä-Savon energiantuotantolaitosten tuhkan loppusijoitus- ja hyötykäyttöaste Taulukko 19. Pohjois-Savon energiantuotantolaitosten tuhkan loppusijoitusja hyötykäyttöaste Taulukko 20. Pohjois-Karjalan energiantuotantolaitosten tuhkan loppusijoitus- ja hyötykäyttöaste Taulukko 21. Tuhkan hyötykäyttökohteita ja vastaanottajia Itä-Suomessa Taulukko 22. Analysoitavien lento- ja arinatuhkanäytteiden määrät energiantuotantolaitosten kokoluokan mukaisesti Taulukko 23. Energiantuotantolaitosten (alle 5 MW) arina- ja lentotuhkanäytteiden liukoisuuskokeiden tulosten vaihteluväli (L/S = 10 l/kg) ja VNa 202/2006 raja-arvoja Taulukko 24. Energiantuotantolaitosten (5-10 MW) arina- ja lentotuhkanäytteiden liukoisuuskokeiden tulosten vaihteluväli (L/S = 10 l/kg) ja VNa 202/2006 raja-arvoja Taulukko 25. Energiantuotantolaitosten (11-50 MW ja yli 50 MW) arina- ja lentotuhkanäytteiden liukoisuuskokeiden tulosten keskiarvoja (L/S = 10 l/kg) ja VNa 202/2006 raja-arvoja Taulukko 26. Energiantuotantolaitosten (alle 5 MW) lentotuhkanäytteiden raskasmetallianalyysien tulosten vaihteluväli ja hyötykäytön raja-arvoja Taulukko 27. Energiantuotantolaitosten (5-10 MW) lentotuhkanäytteiden raskasmetallianalyysien tulosten vaihteluväli ja hyötykäytön raja-arvoja Taulukko 28. Energiantuotantolaitosten (11-50 MW ja yli 50 MW) lentotuhkanäytteiden raskasmetallianalyysien tulosten vaihteluväli ja hyötykäytön raja-arvoja

15 Taulukko 29. Energiantuotantolaitosten lentotuhkien näytteenottokaavio ja kokoomanäytteen muodostuminen Taulukko 30. Teollisuuden energiantuotantolaitosten lentotuhkien näytteenottokaavio ja kokoomanäytteen muodostuminen Taulukko 31. Energiantuotantolaitosten lentotuhkanäytteiden vanhentamiskokeen liukoisuuskokeiden tuloksia (L/S = 10 l/kg) ja VNa 202/2006 raja-arvot Taulukko 32. Teollisuuden energiantuotantolaitosten lentotuhkanäytteiden vanhentamiskokeen liukoisuuskokeiden tuloksia (L/S = 10 l/kg) ja VNa 202/2006 raja-arvot Taulukko 33. Koekuoppien 2 ja 4 metriä lentotuhkanäytteiden liukoisuuskokeiden tuloksia (L/S = 10 l/kg) ja VNa 202/2006 raja-arvot Taulukko 34. Energiantuotantolaitosten lentotuhkanäytteiden raskasmetallianalyysien tulokset ja hyötykäytön raja-arvoja Taulukko 35. Teollisuuden energiantuotantolaitosten lentotuhkien vanhentamiskokeen raskasmetallianalyysien tulokset ja hyötykäytön raja-arvoja Taulukko 36. Koekuoppien 2 ja 4 metriä lentotuhkanäytteiden raskasmetallipitoisuudet ja hyötykäytön raja-arvoja Taulukko 37. Fraktiointikokeiden raskasmetallianalyysitulosten vaihteluväli voimalaitosten sähkösuodattimen eri kentissä ja hyötykäytön raja-arvoja

16 1 1 JOHDANTO 1.1 Tutkimuksen tausta Energiantuotannosta syntyvät jätteet ovat suurelta osin voimalaitoksista syntyvää tuhkaa ja pölyä. Syntyvästä tuhkamäärästä noin 80 % on lentotuhkaa, josta puolestaan yli puolet muodostuu hiilen poltosta ( tonnia) ja loput ( tonnia) puun ja turpeen poltosta. Turpeen ja puun polton tuhkamäärä on lähes kaksinkertaistunut kymmenessä vuodessa, ja tuhkan määrän oletetaan kohoavan tulevaisuudessa biopolttoaineiden käytön lisääntyessä. Etelä-Savossa energiantuotannon tuhkia ja kuonaa syntyy vuosittain noin tonnia. Nämä ovat pääasiassa peräisin puun ja turpeen poltosta. Suurimpia voimalaitoksia ja samalla tuhkan tuottajia Etelä-Savossa ovat Etelä-Savon Energia Oy:n Pursialan voimalaitos Mikkelissä, Suur-Savon Sähkö Oy:n Savonlinnan voimalaitos, Versowood Oy:n saha Mikkelissä, Järvi- Suomen Voima Oy:n UPM:n Pelloksen vaneritehdas Ristiinassa ja Finnforest Oy:n vaneritehdas Punkaharjulla sekä Savon Voima Oyj:n Pieksämäen voimalaitos. Näiden kuuden laitoksen osuus alueen kokonaistuhkamäärästä on noin 90 %. Etelä-Savon laitosten lisäksi Itä-Suomessa (Etelä-Savo, Pohjois-Karjala ja Pohjois-Savo) sijaitsevat yritysten ja kuntien omistamat voimalaitokset tuottavat kymmeniätuhansia tonneja lento- ja pohjatuhkaa. Pohjois-Savossa suurimpia tuhkia tuottavia laitoksia ovat Kuopion Energia Oy:n Haapaniemen voimalaitos, Stora Enson Varkauden voimalaitos, Savon Sellu Oy:n voimalaitos, Savon Voima Oyj:n Iisalmen voimalaitos, UPM-Kymmene Wood Oy, Kuopion vaneritehdas, Fortum Power and Heat Oy:n Lapinlahden voimalaitos, Savon Voima Oyj:n Suonenjoen voimalaitos, Juankosken biolämpö Oy ja Lapinlahden Ekolämpö Oy. Pohjois-Karjalan alueen suurimmat tuhkantuottajat ovat Fortum Power and Heat Oy:n Joensuun voimalaitos, Fortum Power and Heat Oy:n Uimaharjun voimalaitos ja Vapo Oy:n Kevätniemen voimalaitos, UPM- Kymmene Wood Oy, Joensuun vaneritehdas sekä Nurmeksen lämpö Oy, Ritoniemen lämpökeskus. Itä-Suomen alueella on yhteensä 54 kuntaa, joissa

17 2 sijaitsee useita erikokoisia yhteiskunnan ja teollisuuden energiantuotannon voimalaitoksia. Suurin osa voimalaitosten turve- ja seospolton tuhkista päätyy edelleen kaatopaikalle ja teollisuuden läjitysalueille, jotka useimmiten sijaitsevat voimalaitosten läheisyydessä. Yksi hyödyntämisen este on pitkät matkat hyödyntämiskohteisiin. Kivihiililentotuhkan hyötykäyttöaste oli Suomessa vuonna % ja turve- ja seospolton tuhkan 63 %. Turve- ja seospolton tuhkien hyötykäyttöaste on vuosina ollut prosenttia. Tuhkia hyödynnetään yhä enenevässä määrin ja niitä käytetään esimerkiksi tie- ja kenttärakenteissa sekä muissa maarakennustöissä. Tuhkan hyötykäyttöä koskevaan lainsäädäntöön on tullut muutoksia viime aikoina. Ongelmia voivat aiheuttaa niiden hyötykäytön raja-arvot ylittävät raskasmetallipitoisuudet ja suuret laadunvaihtelut. Hyötykäyttö muun muassa lannoitteena voikin edellyttää tuhkan jatkojalostusta ja prosessointia. 1.2 Tutkimuksen tavoite ja toteutus EU-osarahoitteisen Biopolttoaineita käyttävien energiantuotantolaitosten tuhkien hyötykäyttö- ja logistiikkavirrat Itä-Suomessa -hankkeen tavoitteena oli kartoittaa Itä-Suomen alueella (Etelä-Savo, Pohjois-Karjala ja Pohjois-Savo) muodostuvat tuhkavirrat ja hyötykäytön nykytilanne sekä tuhkien laatu sekä lainsäädännön niille asettamat käsittelyvaatimukset. Hankkeen tavoitteena oli ohjata Itä-Suomen alueella muodostuvien kuntien ja yritysten omistamien energiantuotantolaitosten tuhkavirrat hyötykäyttöön ja turvalliseen loppusijoitukseen nykyisiä sekä uusia tuhkankäsittelytekniikoita apuna käyttäen. Tavoitteena oli selvittää Itä-Suomen alueen (Etelä-Savon, Pohjois-Savon ja Pohjois-Karjalan maakunnat, asukasta) 54 kunnan biopolttoaineita käyttävien energiantuotantolaitosten tuhkamäärät ja niiden hyötykäytön nykytilanne sekä viranomaismääräykset käsittelylle. Tarkemmin tarkasteluun valittiin Etelä-Savosta 53, Pohjois-Savosta 26 ja Pohjois-Karjalasta 28 energian-

18 tuotantolaitosta, joissa käytetään polttoaineena puuperäisiä polttoaineita sekä turvetta. 3 Hankkeen aikana analysoitiin Itä-Suomen alueen 31 energiantuotantolaitoksen arina- ja lentotuhkien laatu Mikkelin ammattikorkeakoulun ympäristölaboratoriossa hyötykäyttökohteiden vaatimusten ja loppusijoituksen osalta. Tuhkille tehtiin vaatimusten mukaisesti muun muassa liukoisuuskokeita ja raskasmetallianalyysejä. Lisäksi hankkeen aikana tehtiin energiantuotantolaitosten lentotuhkille vanhentamis- ja fraktiointikokeita, jotta kuntien ja yritysten omistamien energiantuotantolaitosten tuhkavirrat voitaisiin ohjata nykyistä tehokkaammin hyötykäyttöön ja turvalliseen loppusijoitukseen. Hankkeessa toteutettiin tuhkan käsittelyketjun logistinen tarkastelu, jonka aikana kartoitettiin tiedossa ja käytössä olevat tuhkien käsittelytavat sekä hyötykäyttökohteet. Lisäksi selvitettiin alueen nykyisten toimijoiden mahdollisuudet työskennellä yrittäjinä loppusijoitusalueiden ylläpitäjinä sekä tuhkavirtojen tuotteistajina erilaisissa hyötykäyttökohteissa. 2 YLEISTÄ BIOPOLTTOAINEISTA JA TUHKIEN HYÖTYKÄYTÖSTÄ 2.1 Hyötykäyttöä ohjaava lainsäädäntö Tuhkat ovat merkittäviä kaatopaikkoja kuormittavia jätejakeita, jotka tulisi jätelainsäädännön mukaan ensisijaisesti hyödyntää, ellei se aiheuta kohtuuttomia kustannuksia jätteen muuhun käsittelyyn verrattuna ja mikäli se on teknisesti mahdollista. Ongelmia voivat aiheuttaa tuhkien hyötykäytön rajaarvot ylittävät raskasmetallipitoisuudet ja suuret laadunvaihtelut. Myöskään nykyinen jäteverokäytäntö ei kannusta hyötykäytön kehittämistä, sillä teollisuusyritykset voivat läjittää jätteitänsä omille kaatopaikoilleen ilman jäteveroa.

19 4 Tuhkien hyödyntämistä ja loppusijoitusta ohjaa Suomessa kaksi lakia ja kaksi asetusta. Tuhkien loppusijoituksesta kaatopaikoille on säädetty valtioneuvoston päätöksessä (861/1997, muutettu 202/2006). Kaatopaikat on luokiteltu ongelmajätteen, tavanomaisen jätteen tai pysyvän jätteen kaatopaikoiksi. Asetuksessa on määritetty jätteiden ominaisuuksille raja-arvot kaatopaikkaluokittain. Valtioneuvoston asetuksessa (591/2006) asetetaan raja-arvoja kivihiilen, turpeen ja puuperäisen aineksen polton lento- ja pohjatuhkien käytölle maarakentamisessa. Mikäli biopolttoainepohjaista tuhkaa käytetään lannoitteena, sovelletaan maa- ja metsätalousministeriön asetusta lannoitevalmisteista 12/2007 (pohjautuu lannoitevalmistelakiin (539/2006)). Lannoitevalmisteena käytettävä tuhka saa sisältää vain puhtaan puun, turpeen tai peltobiomassojen tuhkaa. Seuraavissa luvuissa on käsitelty tarkemmin tuhkien hyötykäyttöä ja loppusijoitusta ohjaavaa lainsäädäntöä Jätteen kaatopaikkakelpoisuus Jätteen kaatopaikkakelpoisuus arvioidaan valtioneuvoston asetuksessa kaatopaikoista annetun valtioneuvoston päätöksen muuttamisesta (202/2006). Asetuksessa annetaan raja-arvot pysyvän, tavanomaisen ja ongelmajätteen kaatopaikoille hyväksyttävän jätteen osalta (taulukko 1). Seuraavia suotautumisen raja-arvoja käytetään pysyvän jätteen kaatopaikalle sijoitettavaksi hyväksyttävän jätteen arvioinnissa. Ne lasketaan neste-kiintoainessuhteilla (L/S) 2 l/kg ja 10 l/kg mitattavan aineen liukoisen osuuden kokonaismäärästä ja ilmaistaan suoraan yksikköinä mg/l. Laadunvalvonnassa voidaan käyttää standardin SFS-EN mukaista kaksivaiheista ravistelutestiä. Haitallisten aineiden pitoisuus uuttoliuoksissa on määritettävä standardien SFS- EN ja SFS -EN mukaisesti.

20 TAULUKKO 1. Pysyvän, tavanomaisen sekä ongelmajätteen kaatopaikalle sijoitettavaksi hyväksyttävän jätteen arvioinnissa käytetyt rajaarvot (VNa 202/2006) Aine/muuttuja Pysyvän jätteen kaaa- topaikka Tavanomaisen jät- teen kaatopaikka (mg/kg kuiva-ainetta ainetta) (L/S = 10 l/kg) 5 Ongelmajätteen kaaa- topaikka Arseeni (As) 0, Barium (Ba) Kadmium (Cd) 0, Kromi (Cr kok ) 0, Kupari (Cu) Elohopea (Hg) 0,01 0,2 2 Molybdeeni (Mo) 0, Nikkeli (Ni) 0, Lyijy (Pb) 0, Antimoni (Sb) 0,06 0,7 5 Seleeni (Se) 0,1 0,5 7 Sinkki (Zn) Kloridi (Cl - ) Fluoridi (F - ) Sulfaatti (SO 4 2- ) ) Fenoli-indeksi 1 Liuennut orgaaninen hiili DOC 2) Liuenneiden aineiden kokonaismäärä TDS 3) 1) Jätteen katsotaan täyttävän kelpoisuusvaatimuksen myös, jos sulfaattipitoisuus ei ylitä seuraavia arvoja: mg/l (läpivirtaustestin ensimmäinen uutos uuttosuhteessa L/S = 0,1 l/kg) ja mg/kg (uuttosuhteessa L/S = 10 l/kg). Pitoisuuden määrittämiseksi uuttosuhteessa L/S = 0,1 l/kg on käytettävä läpivirtaustestiä. Pitoisuus uuttosuhteessa L/S = 10 l/kg voidaan määrittää joko ravistelu- tai läpivirtaustestillä. 2) Jos liuenneen orgaanisen hiilen raja-arvo ylittyy jätteen omassa ph:ssa, voidaan jäte vaihtoehtoisesti testata uuttosuhteessa L/S = 10 l/kg ph:ssa 7,5-8,0. Jätteen katsotaan täyttävän liuenneen orgaanisen hiilen kelpoisuusvaatimuksen, jos pitoisuus on pysyvän jätteen kaatopaikoilla enintään 500 mg/kg, tavanomaisen jätteen kaatopaikoilla enintään 800 mg/kg ja ongelmajätteen kaatopaikoilla enintään mg/kg. 3) Liuenneiden aineiden kokonaismäärän raja-arvoa voidaan soveltaa sulfaatin ja kloridin raja-arvojen sijasta.

21 Hyötykäyttökohteiden vaatimukset Valtioneuvoston asetuksessa (591/2006) asetetaan raja-arvoja kivihiilen, turpeen ja puuperäisen aineksen polton lento- ja pohjatuhkien käytölle maarakentamisessa. Mikäli biopolttoainepohjaista tuhkaa käytetään lannoitteena, sovelletaan maa- ja metsätalousministeriön asetusta lannoitevalmisteista (12/2007). Valtioneuvoston asetuksen (591/2006) tarkoituksena on edistää jätteiden hyödyntämistä määrittelemällä edellytykset, joiden täyttyessä asetuksessa tarkoitettujen jätteiden käyttöön maarakentamisessa ei tarvita ympäristönsuojelulain (86/2000) mukaista ympäristölupaa. Taulukossa 2 on esitetty kivihiilen, turpeen ja puuperäisen aineksen polton tuhkien käytölle maarakentamisessa asetettuja raja-arvoja.

22 7 TAULUKKO 2. Kivihiilen, turpeen ja puuperäisen aineksen polton lento- ja pohjatuhkien käytölle maarakentamisessa asetettuja rajaarvoja (VNa 591/2006) Haitallinen Raja-arvo arvo (mg/kg kuiva-ainetta ainetta) aine Perustutkimukset 1 Pitoisuus Liukoisuus (L/S = 10 l/kg) Peitetty rakenne PCB 2 1,0 Liukoisuus (L/S = 10 l/kg) Päällystetty rakenne Raja-arvo arvo (mg/kg kuiva-ainetta ainetta) Laadunvalvontatutkimukset 1 Pitoisuus Liukoisuus (L/S = 10 l/kg) Peitetty rakenne Liukoisuus (L/S = 10 l/kg) Päällystetty rakenne PAH 3 20/40 4 DOC Sb 0,06 0,18 As 50 0,5 1,5 50 Ba Cd 15 0,04 0,04 15 Cr 400 0,5 3, ,5 3,0 Cu 400 2,0 6,0 400 Hg 0,01 0,01 Pb 300 0,5 1, ,5 1,5 Mo 50 0,5 6,0 50 0,5 6,0 Ni 0,4 1,2 V 400 2,0 3, ,0 3,0 Zn , Se 0,1 0,5 0,1 0,5 Fluoridi Sulfaatti Kloridi Katso VNa 591/2006, liitteessä 2 oleva kohta 2. 2 Polyklooratut bifenyylit, kongeneerien 28, 52, 101, 118, 138, 153 ja 180 kokonaismäärä. 3 Polyaromaattiset hiilivedyt, yhdisteiden (antraseeni, asenafteeni, asenaftyleeni, bentso(a)antraseeni, bentso(a)pyreeni, bentso(b) fluoranteeni, bentso(g,h,i)peryleeni, bentso(k)fluoranteeni, dibentso(a,h)antraseeni, fenantreeni, fluoranteeni, fluoreeni, indeno(1,2,3- cd)pyreeni, naftaleeni, pyreeni, kryseeni) kokonaismäärä. 4 Peitetty rakenne/päällystetty rakenne. 5 Liuennut orgaaninen hiili.