Tulevaisuuden monipolttoainekattila - tutkimus- ja tuotekehitysympäristö

Transkriptio

1 Tulevaisuuden monipolttoainekattila - tutkimus- ja tuotekehitysympäristö Jouni Hämäläinen, teknologiapäällikkö VTT Jyväskylä Bioenergiasta Elinvoimaa Tulosseminaari Saarijärvi

2 2 Tulevaisuuden monipolttoainekattila - tutkimus- ja tuotekehitysympäristö Hanke toteutettiin ja päättyi Kokonaisbudjetti: , josta EAKR rahoitus , kuntien rahoitus ja yksityinen rahoitus Projektin organisointi, hankkeeseen osallistuneet tahot: Saarijärven Kaukolämpö Oy, Putkimaa Oy ja VTT. Hankkeen seurantaryhmään kuuluivat myös Jyväskylän yliopisto ja Jyväskylän ammattikorkeakoulu Projektin tavoitteet: Projektin tavoitteena oli luoda valmiudet "Tulevaisuuden monipolttoainekattilan" tutkimus- ja kehitysympäristölle. Tutkimusympäristön käyttöönotto mahdollistaa uusien biopolttoaineiden käyttöön liittyvien ratkaisujen kehittämisen - polttoaineen tuotantokonseptit, polttoaineen käsittely- ja syöttöratkaisut, ratkaisut polttoaineen laadunhallintaan, palamisprosessin säätö- ja automaatioratkaisut, päästöjen hallinnan ratkaisut, polttoaineen tuhkankäyttäytymisen hallinta jne.). Edellä mainitut kehityskohteet ovat ensiarvoisen tärkeitä suomalaisten laitetoimittajien kilpailukyvyn turvaamiseksi ja lisäämiseksi kansainvälisillä markkinoilla.

3 3 Esityksen sisältö Taustaa Biopolttoaineiden kysyntä VTT:n olemassa olevan pilotkoetoimintaympäristön esittely Miksi Saarijärven tapainen tutkimusinfra tarvitaan? Uudet mahdollisuudet joita Saarijärven tutkimusympäristö tarjoaa

4 4 MUUTOKSET JA NIIDEN VAIKUTUKSET TOIMIALALLA - LIIKETOIMINTAMURROKSET - KHK - 20 % vuoden 1990 tasosta, Uusiutuvien käyttö 20 %:iin energian käytöstä, Bioperäiset liikenteen polttoaineina 10 %, energian käytön tehostaminen 20 %:lla Ref. IEA Arvio uusiutuvan sähkön (RES-E) markkinoiden kasvusta vuoteen Lähde: Euroopan komission Renewables Roadmap 2006.

5 5 Esimerkkejä kansainvälisillä markkinoilla olevista biopolttoaineista Miscanthus (elefanttiheinä) Eukalyptus Bagasse (sokoeriruokojäte) Rice husk (riisin kuori) Willow (paju) Industrial residues Etc, etc Näiden polttotekniset ominaisuudet usein miten huomattavasti haasteellisempia kuin kotimaisten polttoaineiden Käsittely- ja syöttöteknisesti erilaisia, tuhkapitoisuus yleensä suurempi, alkali ja klooripitoisuudet korkeampia Kun näille suunnitellaan kattilaa polttoaineiden palamis- ja tuhkankäyttäytyminen on tunnettava (yllätyksien ehkäisemiseksi)

6 6 Biopolttoaineiden palaminen tuhkan käyttäytymisen ymmärtäminen To stack Erittäin tärkeä aihepiiri varsinkin uusien biopolttoaineiden osalta - Polttoaineen tuhkakäyttäyminen tunnettava, jotta kattila voidaan suunnitella optimaaliseksi ja saavuttaa laitoksen hyvä käytettävyys - Olemassa olevat pilot koelaitteet mahdollistavat tuhkan käyttäytymisen mittaamisen eri prosessivaiheissa ja olosuhteissa. Tuhkan käyttäytymisen ymmärtämiseksi tarvitaan kuitenkin erittäin vaativaa mittaus- ja analysointitekniikkaa, kun tuhkaa muodostavia aerosoleja mitataan kuumista prosessiolosuhteista sekä myöhemmin analysoidaan hiukkasten koostumus ja pitoisuudet. Nämä mittaukset kuitenkin auttavat ymmärtämään kuinka erilaiset biomassa käyttäytyvät palamisen aikana. - Tuhkan käyttymisen hallintaan keinoina on polttoaineseoksen optimointi (esim. turve, bio tai hiili, bio) tai käyttää erilaisia kemikaaleja tuhkan käyttäytymisen hallintaan (vrt. alla) Heating zone 4 Obervation port/ Deposit probe Heating zone 3 Obervation port Observation port Gas probe Gas cooling Deposit probe Gas sample Sampling port Cyclone Tertiary air optional Tertiary air optional Temperature control Sampling port Tertiary air (preheated) Bag filter Sampling port dm/dlog(dp) [mg/nm³] dm/dlog(dp) [mg/nm³] Heating zone 2/ Cooling zone 2 Obervation port Heating zone 1/ Cooling zone 1 Obervation port BED made of quarz Fuel container 2 Fuel container 1 Additive container Secondary air (preheated) Primary gas heating Nitrogen Air PC control and data logging system Particle Diameter Dp [µm] Particle Diameter Dp [µm]

7 7 Haasteelliset polttoaineet mittauksia ja analysointeja myös laitoksilla Lämmönsiirtopintojen likaantuminen Leijupoltossa pedin agglomeroituminen Kuumakorroosio Häiriöt palamisprosessiin Apulaitteiden toiminta (e.g. savukaasupuhaltimet) Käyttö- ja kunnossapitokustannusten kohoaminen (alasajot, kattilan puhdistaminen) Kattilahyötysuhteen pieneneminen Kattilan käyttöiän pieneneminen

8 8 Uusi Tulevaisuuden monipolttoainekattila - tutkimusympäristö Saarijärvelle Tarpeet Polttoainevalikoima laajenee voimakkaasti tulevaisuudessa polttoaineentuotanto tarvitsee uusia konsepteja, palamisprosessin hallinta vaikeutuu. Haasteet polttoaineen logistiikassa, käsittelyssä, laadun hallinnassa, polttoprosesseissa Olemassa olevissa pilot koelaiteympäristöissä pystytään selvittään palamisen eri ilmiöihin liittyviä tekijöitä. Kaupallisen laitoksen yhteydessä, kun se on varustettu T&K-tarpeita vastaavaksi, voidaan käytännön olosuhteissa verifioida ilmiötutkimuksen tuloksia demonstroida ja kaupallistaa kehitettyjä mittaus-, monitorointi- ja diagnostiikkamenetelmiä laitosmittauksia hyödyntämällä analysoida laitoksen toimintaan ja polttoaineiden palamiskäyttäytymiseen liittyviä tekijöitä Tavoite Luoda kaupallisen laitoksen yhteyteen vastaavat tutkimusvalmiudet kuin VTT:llä on pilotkokoluokan koelaitteilla. Ympäristö valmistuu kevään 2009 aikana. Osapuolet Saarijärven Kaukolämpö, kattilatoimittajana Putkimaa, hankkeen koordinoija VTT. Yhteistyössä lisäksi JAMK ja Jyväskylän yliopisto. Jatkossa myös muut alan laitetoimittajat ja tutkimusosapuolet

9 9 Tulevaisuuden monipolttoainekattila - tutkimusympäristö Tutkimusympäristön valmiudet: Polttoaineen laadun ja määrän mittauksiin erillinen hihnakuljetin taajuusmuuttajakäytöllä, johon on-line mittausvalmiudet mm. epäpuhtauksille Savukaasupuolen mittauksiin 15 mittausyhdettä tulipesästä piippuun asti Kaiken kerätyn mittaustiedon on-line seuranta etänä VTT:llä Peat Tulevaisuuden uudet mahdollisuudet: Koko biopolttoaineketjun seuranta ja uusien konseptien demonstrointi (JAMK, VTT) Koulutusmahdollisuudet: suomalaisten laitetoimittajien asiakkaat (kuinka homma toimii) Suora koulutusmahdollisuus sekä kotimaisille että kansainvälisille asiakkaille (JAMK) Paperi Pulp Chemicals Liquid biofuels Utilisation of waste materials District heat Bark and other residues Process heat Flexible use Fvels and biomaterials Hakkuutähteet Agrobiomass Biomass raw materials Lowt CO -emissions 2 Electricity

10 10 Polttoaine in Yksinkertaistettu prosessikaavio Savukaasu out 3 pa-taskua Liikuteltava hihnakuljetin tutkimukseen Kiekkoseula + lava ylitteelle BFB-kattila KL-vesi out KL-vesi in Kattilasiilo + Syöttöruuvi + sulkusyötin Lentotuhka out Ilma in Polttoilman esilämmitys KL-veden esilämmitys pesurivedellä Pohjatuhka out

11 11 Tutkimuskuljetin polttoaineen ominaisuuksiin / massavirtamittauksiin Tutkimuskuljetin voidaan varustella mittauksin normaalikäytön ulkopuolella Mittausjakso voidaan tehdä asettamalla hihnakuljetin kolakuljettimen päälle, jolloin kattilaan menevä polttoainevirta menee kuljettimen kautta Mittauksia joita kuljettimella: Vaaka Hihnakuljetin Kolakuljetin

12 12 Mittausyhteet Sähkösuodin Savukaasupesuri Piippu 7 m 4.85 m 2.8 m 1.3 m 0.24 m Yhteiden paikat Peti 6 x Freeboard Tulipesän katto Ennen sähkösuodinta Ennen savukaasupesuria 5 x ennen piippua 5 x näköluukku (4 petialueella + 1 katossa) 1.75 m 1.75 m

13 13 Yhteenveto Tavoitteenamme on parantaa suomalaisen bioenergiaosaamisen kilpailukykyä luomalla uudentyyppinen valmius osaamisen ja teknologian kehittämiseen luoda uudenlaisia tutkimus- ja koulutuspalveluita polttoaine- ja laitetoimittajille ja heidän asiakkailleen laaja kansallinen ja kansainvälinen yhteistyö alan toimijoiden kanssa Kiitokset Lisätietoja: Jouni Hämäläinen, ja Markku Orjala

14 14 Thank You for your attention Further questions or contact Jouni Hämäläinen tel or VTT creates business from technology