KYMENLAAKSON AMMATTIKORKEAKOULU Energiatekniikan koulutusohjelma / voimalaitoksen käynnissäpito. Merja Kotola TUHKANEROTUSLAITTEISTON SUUNNITTELU

Transkriptio

1 KYMENLAAKSON AMMATTIKORKEAKOULU Energiatekniikan koulutusohjela / voialaitoksen käynnissäpito Merja Kotola TUHKANEROTUSLAITTEISTON SUUNNITTELU Opinnäytetyö 010

2 TIIVISTELMÄ KYMENLAAKSON AMMATTIKORKEAKOULU Energiatekniikka KOTOLA, MERJA Opinnäytetyö Työn ohjaaja Toieksiantaja Toukokuu 010 Avainsanat Tuhkanerotuslaitteiston suunnittelu 58 sivua Tutkiusinsinööri Mikko Nykänen Kyenlaakson Aattikorkeakoulu Oy, energiatekniikan laboratorio tuhka, hiukkaset, erottelu, putkivirtaus, savukaasut, poltto Opinnäytetyössä oli tavoitteena suunnitella tuhkanerotuslaitteisto Kyenlaakson aattikorkeakoulun energiatekniikan laboratorioon. Tuhkanerottelulaitteiston suunnittelu on osa käynnissä olevaa Tuhka-projektia, jonka tavoitteena on rakentaa Kyenlaakson aattikorkeakoulun päästöittauslaboratorioon rakennettavalle biopolttoainekattilalle täyden ittakaavan savukaasunpuhdistuslaitteisto ja kehittää tuhkanerotuslaitteisto, joka erottelisi savukaasuista poistetun tuhkan erikokoisiin jakeisiin, ja tutkia näiden eroteltujen jakeiden hyötykäyttöahdollisuuksia raaka-aineena. rakennusteollisuudessa. Tuhkanerottelulaitteiston suunnittelu tehtiin pääosin teoriatietoihin perustuen, sillä laitteisto allinnetaan Fluent-virtausohjelalla yöhein ja laitteiston rakentainen tapahtuu vasta allintaisen jälkeen. Laitteen piirustukset tehtiin AutoCad- Inventor 007 -ohjelalla. Periaatekuva valiista tuhkanerottelulaitteesta piirrettiin AutoCad-Inventorilla teoriatarkastelujen jälkeen.

3 ABSTRACT KYMENLAAKSON AMMATTIKORKEAKOULU University of Applied Sciences Energy Engineering KOTOLA, MERJA Bachelor s Thesis Supervisor Coissioned by Design for an Ash Separator Device 58 pages Mikko Nykänen, Research Engineer Kyenlaakson Aattikorkeakoulu Oy, The Laboratory of Energy Engineering May 010 Keywords ash, particles, resolution power, tube flow The ai of this thesis work was to plan a device which separates ash particles in different particle sizes. The device is eant to be placed in the energy engineering laboratory of Kyenlaakson aattikorkeakoulu. This design work is a part of an ongoing project whose purpose is to build a refiner of cobustion gases for a biofuel boiler. Its purpose is also to devise a device which would be able to separate flue ash into different-size particle fractions. One ore added to this the ai of the project is to study how the separated particle fractions could be utilized as raw aterials for exaple in construction industry. The design of the device was ainly done in theory because the purpose is to siulate the device with Fluent later this year. After the siulation it will be possible to construct the device. The drawings were done with the AutoCad- Inventor 007 progra.

4 ALKUSANAT Insinöörityöni on tehty Kyenlaakson aattikorkeakoulu Oy:lle Työni on osa Tuhka-hanketta. Haluankin kiittää kaikkia hankkeeseen kuuluvia henkilöitä saaistani neuvoista ja ohjeista. Erityiskiitokset projekti-insinööri Hannu Sarvelaiselle arvokkaista neuvoista ja ohjeista sekä hänen jakaastaan tieto-taidosta työn eri vaiheissa. Lopuksi haluan kiittää tukijoukkojani eli perhettä, ystäviä ja uita läheisiä saaastani tuesta ja kannustuksesta koko opiskeluaikana ja insinöörityön tekoaikana. Kotkassa Merja Kotola

5 SYMBOLILUETTELO A pinta-ala [ ] d halkaisija [μ] D rungon halkaisija [] D d D e H H u pölypoiston halkaisija [] ulostulon halkaisija [] sisääntulon korkeus [] läpöarvo [MJ/kg] H v vastuskerroin [-] K rakenteesta ja käyttöolosuhteista johtuva kerroin [-] L d L s sylinterin pituus [] kartion pituus [] assa [kg] N kierrosten lukuäärä [-] p paine [Pa] q q v R assavirta [kg/s] tilavuusvirta [ 3 /s] säde [] Re Reynoldsin luku [-] S sisäputken pituus [] V nopeus [/s] w nopeus [/s] W sisääntulon leveys [] Kreikkalaiset Δ uutos [-] Г kitkavakio [-] Φ k kitkahäviökerroin [-] η erotusaste [%] Φ teho [W] λ ilakerroin [-] μ dynaainen viskositeetti [kg/s] ν kineaattinen viskositeetti [ /s]

6 ρ tiheys [kg/ 3 ] Alaindeksit e i j kok p t tulp ulostulo sisääntulo jakaua kokonaispartikkeli terinaali tulppavirtaus

7 SISÄLLYS TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SYMBOLILUETTELO 1 JOHDANTO 9 TUHKAT 10.1 Yleistä 10. Oinaisuudet 1.3 Jaottelu 1 3 HIUKKASTEN MUODOSTUMINEN ERI POLTTOTEKNIIKOILLA Hiukkaspäästöjen synty ja koostuus Leijukerrospoltto Tuhka leijukerrospoltossa Arinapoltto Puun pienpoltto 0 4 HIUKKASTENEROTTELUTEKNIIKOITA Sykloni Yleistä Vastavirta- ja läpivirtasyklonit Vakiosykloni ja itoitusenetelät 5 4. Suodattiet Sähkösuodatin Kuitusuodatin Pesurit 36 5 TUHKANEROTTELULAITTEISTO Virtaus putkessa Lainaarinen virtaus Turbulenttinen virtaus Erotinvaihtoehtojen suunnittelu 39

8 5..1 Keskipakovoiaan perustuva laitteisto Hiukkasten assaeroihin perustuva laitteisto Virtauksen luonteeseen perustuva laitteisto Suodatustekniikkaan perustuva laitteisto Laskelat Putkikoko erottiessa Virtausnopeus erottiessa Savukaasun virtausnopeus Syklonierottelija 44 6 MAHDOLLINEN EROTTELULAITTEISTO Nueerinen virtauslaskenta FLUENT-virtausratkaisijan avulla Iupupun tilavuusvirran laskenta Valistusateriaalit ja piirustukset 51 7 YHTEENVETO 54 LÄHTEET 56

9 9 1 JOHDANTO Tässä työssä on tarkoitus teoreettisesti tarkastella tuhkan oinaisuuksia ja uodostuisekaniseja, hiukkaspäästöjen syntyistä eri polttotekniikoilla keskittyen arina-, leijupeti- ja puun pienpolttotekniikoihin sekä kuvata hiukkastenerotustekniikkaa keskittyen syklonin, suodattiien ja pesureiden hiukkaserotukseen. Tään teoriatarkastelun pohjalta työssä on tarkoitus suunnitella tuhkanerottelulaitteisto Kyenlaakson aattikorkeakoulun energiatekniikan laboratorioon. Työssä on esitelty suunnitelia ja laskelia ahdollisista erottelulaitteista. Laitteisto allinnetaan virtausohjelalla yöhein vuonna 010 ja tään jälkeen laitteisto on tarkoitus rakentaa/rakennuttaa laboratorioon. Laitteistoa käytetään yöhein ahdollisesti opetuskäytössä. Työni liittyy Kyenlaakson aattikorkeakoulun käynnissä olevaan Tuhka-hankkeeseen. Kyenlaakson Aattikorkeakoulu Oy on ollut ukana päättyneessä Tekes-hankkeessa Pienhiukkaspäästöjen vähentäinen bioassan pienpoltossa, jossa tutkittiin ja vertailtiin eri tapoja biopolttoainekattiloiden pienhiukkaspäästöjen vähentäiseksi. Inflaaatio ja pienhiukkaset hanke (HIPPU) koostui kahdesta tutkiusosiosta: lääketieteellisestä ja teknologisesta osuudesta. Projektissa keskityttiin ilan pienhiukkasten aiheuttaien tulehduksellisten keuhko- ja verisuonisairauksien tunnistaiseen ja tautiprosessin arvioitiin. Kyenlaakson aattikorkeakoulun vetäässä Hippu-hankkeessa seurattiin vuosina ilan pienhiukkaspitoisuuden vaikutuksia seurannassa ukana olleiden koehenkilöiden tulehdusarvoihin ja löydettiin selvä korrelaatio näiden välille. Tällä hetkellä Kyenlaakson aattikorkeakoulun käynnissä oleva Tuhka-projekti on jatkoa edelliselle EAKR:n rahoittaalle hankkeelle. Hankkeessa ovat ukana Ky- AMK Oy:n lisäksi Kotkan Energia Oy ja Eagle Filters Oy. Tuhka-projektin tavoitteena on hankkia/rakentaa Kyenlaakson aattikorkeakoulun energiatekniikan laboratorioon biopolttoainekattila ja siihen täyden ittakaavan savukaasunpuhdistuslaitteisto uudella aieassa TEKESin tutkiushankkeessa tehokkaaksi ja investoinneiltaan edulliseksi osoittautuneella suodatustekniikalla. Hankkeen tavoitteena on yös tutkia savukaasuista poistetun tuhkan hyötykäyttöahdollisuuksia ja niiden parantaista kehittäällä keskipakoerotuslaitteisto, joka jaottelee tuhkan erikokoisiin jakeisiin. Alustavien tutkiusten ukaan erikokoisten jakeiden raskasetallipitoisuudet saattavat poiketa hyvin paljon toisistaan. Tavoitteena on kestävän kehityksen periaatteen

10 10 ukaisesti saada eroteltua tuhkasta jakeita, joita voidaan käyttää raaka-aineena esi. rakennusaineteollisuudessa. Hankkeen tavoite on näin vähentää bioassapoltosta syntyvien hiukkasten päästöjä, erityisesti terveydelle haitallisten pienhiukkasten päästöjä ja edistää talteen otetun tuhkan hyötykäyttöä sekä vähentää haitallisia ypäristövaikutuksia.[1] TUHKAT.1 Yleistä Tuhkaa syntyy polttoprosesseissa, joissa poltetaan kiinteitä polttoaineita. Polttoprosesseissa palaattoaksi jäävää osaa sanotaan tuhkaksi. Tuhkat ovat koostuuksiltaan epähoogeenisia, ja eri aineiden keskiääräisiä pitoisuuksia niissä on hankalaa ääritellä luotettavasti. Tuhkien oinaisuudet ja äärä riippuvat suuresti esilajittelusta ja käytetystä polttotekniikasta. Tuhkien koostuus sanelee hyvin pitkälle sen, iten ne tulisi prosessoida.[, s.4] Polttoprosessissa eri aineiden reaktioiden ekanisin ääräävät aineen keialliset oinaisuudet, kuten sulaispiste ja kiehuisläpötila. Nää reaktiot puolestaan johtavat siihen, että tietyt keialliset eleentit, kuten etallit, esiintyvät äärätyn kokoisissa tuhkapartikkeleissa. Mitä pienepään tuhkajakeeseen ennään, sitä eneän se sisältää haitallisia aineita, esierkiksi raskasetalleja. Tuhkassa esiintyviä etalleja ovat. kupari, antioni, kroi, lyijy, tina, sinkki, aluiini, nikkeli, elohopea ja rauta. Tuhkan oinaisuudet ja pitoisuudet eri raekokoluokissa on selvitettävä haluttujen etallien erottaiseksi.[, s.4] Tuhkasta on aina testattava sen keiallinen koostuus. Koostuuksen perusteella valitaan toienpiteet, joilla tuhkasta tehdään terveydelle vaaratonta. Aineet, jotka ovat irrallaan vaarallisia (esi. lyijy), eivät autoaattisesti ole ongela jätetuhkatuotteissa, sillä onet aineet sitoutuvat tuotteistettuina keiallisesti liukeneattoaan uotoon. Tuhkien ypäristövaikutukset liittyvätkin lähinnä niiden sisältäiin raskasetalleihin, orgaanisiin aineisiin ja suoloihin sekä edellä ainittujen haittaaineiden liukoisuuksiin.[3] Tuhkat ovat siis jätettä ja sitä syntyy asuinrakennusten läityksen, jätteenpolton, teollisuuden ja energiatuotannon sivutuotteena. Suurin osuus tuhkista tulee teollisuuden tuhkista. Määrä vaihtelee hiukan vuosittain, utta parhaiillaan tuhkaa on syntynyt

11 11 Suoessa yli iljoona tonnia vuodessa. Eniten tuhkaa tuottavat energiayhtiöt ja etsäteollisuus. Tuhkaäärät Suoessa lisääntyvät tulevaisuudessa, kun fossiilisia polttoaineita korvataan biopolttoaineilla ilaston läpeneisen ehkäiseiseksi. [4] Suoen ypäristölainsäädäntö on haronisoitu vastaaaan EY lainsäädäntöä, erityisesti Suoen uusi ypäristönsuojelulaki(86/000) pohjautuu suuriaksi osaksi EY-lainsäädäntöön. Ypäristönsuojelulaki sisältää jätelainsäädännön (Jätelaki (107/1993) ja jäteasetuksen (1390/1993) ), jonka keskeinen tavoite on ehkäistä jätteen syntyistä, edistää jätteen hyödyntäistä ja vähentää sen jätehuollosta aiheutuvia haittoja. Jätelain ukaan jäte on ensisijaisesti pyrittävä hyödyntäään aineena ja toissijaisesti energiana. Kaatopaikoille jäte voidaan sijoittaa vain, jos sen hyödyntäinen ei ole teknisesti tai taloudellisesti ahdollista. Jätteestä aiheutuvat vaarat ja haitat ypäristölle ja terveydelle on ehkäistävä ja aiheutuneet haitat korjattava. Valtioneuvosto hyväksyi huhtikuussa 008 valtakunnallisen jätesuunnitelan vuoteen 016. Suunnitelassa esitetään toiia, joilla edistetään luonnonvarojen järkevää käyttöä tehostaalla jätteen synnyn ehkäisyä ja kierrätystä, kehitetään jätehuoltoa sekä ehkäistään jätteistä aiheutuvia ypäristö- ja terveyshaittoja. Jätehuollon järjestäisestä vastaa ensisijaisesti jätteen haltija. Myös kunnilla ja eräiden tuotteiden tuottajilla on velvollisuuksia jätehuollon järjestäisessä. [5] Energian tuottajatkin ovat velvoitettuja huolehtiaan tuottaistaan jätteistä asetuksen ukaisesti. Sopivien höytykäyttökohteiden löytyinen tuhkille on käytännössä osoittanut hankalaksi varsinkin seostuhkien osalta. Pelkästä puunpoltosta syntyvät puutuhkat soveltuisivat hyödynnettäväksi parein esi. lannoitekäyttöön kuin seospolton tuhkat. Suurin osa bioenergiaa tuottavista laitoksista käyttää kuitenkin voianlähteenään uutakin polttoainetta kuin pelkkää puuta. [6] Tasalaatuisia kivihiilituhkia on hyödynnetty seentin raaka-aineena, betonin seosaineena, asfaltin täyteaineena sekä aa- ja pohjarakenteiden tasapainottaisessa. Turve- ja puutuhkia on käytetty aarakenteissa, kaatopaikkojen pintatöissä ja kaatopaikkojen aiseoinnissa. Puhtaita puutuhkia on käytetty suoetsien lannoitteena. Tuhkan hyötykäyttöä koskeva lainsäädäntö on kuitenkin tiukentunut, joten tuhkan laatu ei aina täytä asetettuja vaatiuksia aanrakennus- tai lannoitekäytölle. Tää osaltaan vaikeuttaa yös seospoltosta syntyvien tuhkien hyötykäyttöä. Tuhkan sijoittainen laitoksen läjitysalueelle on edullisepaa kuin

12 1 kuljetus hyötykäyttölaitoksille. Suuri osa tuhkasta päätyy näin ollen teollisuuden läjitysalueille tai kunnallisille kaatopaikoille. [7]. Oinaisuudet Polttoaineen sisältää tuhka vähentää polttoaineen läpöarvoa, likaa kattilan läpöpintoja, kuluttaa polttoaineenkäsittelylaitteita, saattaa uodostaa läpöpinnoille syövyttäviä kerrostuia ja lisäksi tuhka (lentotuhka) on poistettava savukaasuista päästöjen vähentäiseksi. Kattiloiden toiinnalle tärkeipiä tuhkan oinaisuuksista on sulaispiste; tuhkalla on taipuus sulaa liian korkeissa läpötiloissa. Tuhka koostuu eri koponenteista, joiden sulaispisteet vaihtelevat laajalla läpötilaalueella. Polttoaineen tuhka ei näin ollen sula tietyssä läpötilassa vaan pehenee asteittain uuttuen kiinteästä nesteäiseksi. Leijukerroskattiloissa tuhkan sulaista on vältettävä, sillä sulanut tuhka uodostaa jäähtyessään leijupetiin kovan ja kiinteän paakun, joka on työlästä poistaa kattilasta. Lentotuhkan tarttuvuusoinaisuudet kattilassa riippuvat savukaasun läpötilasta ja tuhkan koostuuksesta. Tuhkahiukkaset tarttuvat läpöpintoihin ja alkavat uodostaa kerrostuaa läpöpinnoille, jos riittävän suuri osa tuhkasta on sulana. Mikäli riittävän suuri osuus tuhkasta on kiinteää, tuhkahiukkaset kipoavat takaisin savukaasuvirtaan. Kerrostuan ulkopinta voi alkaa valua eikä kerrostuan paksuus jatka kasvua, ikäli tuhkan sulaisaste kasvaa läpötilan noustessa. [8, s. 41-4].3 Jaottelu Kattiloissa syntyvät tuhkat voidaan jakaa pohjatuhkaksi ja lentotuhkaksi. Lentotuhka on kattilan savukaasuista eroteltua tuhkaa ja pohjatuhka on kattilan pohjalle jäävää tuhkaa. Pohjatuhka on raekooltaan suurepaa kuin lentotuhka. Pohjatuhka eroaa lentotuhkasta yös keiallisten oinaisuuksiensa vuoksi. Lentotuhkassa on suurepi äärä pienhiukkasia verrattuna pohjatuhkaan. Raskasetalleilla on taipuus kiinnittyä raekooltaan pieniin hiukkasiin. Erityisesti raskasetalleja sisältäviä pienhiukkasia on täten eneän lentotuhkassa kuin pohjatuhkassa. Muodostuvan tuhkan äärään vaikuttaa käytettävissä oleva polttoaine sekä polttotekniikka. [9, s ]. Arinapoltossa palaattoan ateriaalin osuus tuhkassa on yleensä suurepi kuin leijupolton lentotuhkassa. Pohjatuhkat ovat useiiten sijoitettavissa kaatopaikoille tai

13 13 hyötykäytettävissä parein kuin lentotuhkat. Lentotuhkat luokitellaan usein ongelajätteiksi. [10] Kuva 1. Jako pohja- ja lentotuhkiin [9, s. 69] 3 HIUKKASTEN MUODOSTUMINEN ERI POLTTOTEKNIIKOILLA Hiukkasten uodostuiseen voidaan vaikuttaa käytettävällä polttotekniikalla, joten seuraavassa keskitytään biopolttoaineiden kannalta olennaisipiin polttotekniikoihin ja biopolttoainetta polttaviin kattiloihin. 3.1 Hiukkaspäästöjen synty ja koostuus Suoen hiukkaspäästöistä valtaosa syntyy energiantuotannosta ja liikenteestä. Ilan pienhiukkasista reilu puolet syntyy energiantuotannosta ja vajaa kolasosa liikenteestä. Energiantuotannon hiukkaspäästöistä n. 40 % on peräisin puun poltosta, uun uassa asuinrakennusten läityksestä ja puun pienpoltosta. Raskasetalleja joutuu ilakehään ihisen toiinnan seurauksena pääasiallisesti kolesta lähteestä: fossiilisten polttoaineiden poltosta, uiden kuin rautaetallien tuotannosta sekä jätteiden pol-

14 14 tosta. Raskasetalleja ovat arseeni, elohopea, kadiu, kroi, kupari, lyijy, nikkeli, sinkki ja vanadiini. Metalli luokitellaan raskasetalliksi, jos sen tiheys on suurepi kuin 5 g/c 3. [11] Hiukkaspäästöt koostuvat orgaanisista ja epäorgaanisista yhdisteistä. Epäorgaaninen osuus riippuu käytettävän polttoaineen ineraalikoostuuksesta, ineraalien esiintyisuodoista ja palaisolosuhteista. Orgaanisia yhdisteitä, kuten PAH yhdisteitä, uodostuu pyrolyysissa epätäydellisen palaisen seurauksena, joten niiden osuus riippuu pääosin prosessiolosuhteista. Yleisesti voidaan todeta, että pieneät nanokokoluokan hiukkaset uodostuvat aina höyrystyneistä kaasuaisista yhdisteistä ja suurin osa kokoluokan 1-10 μ hiukkasista palaisen yhteydessä pilkkoutuneista suureista hiukkasista. Tällaisia hiukkasia ovat esierkiksi polttoaineen palaaton osuus eli tuhka, petiateriaali, rikin yhdisteiden erottaiseen käytettävä kalkki ja alkalietallien erottaiseen käytettävät sorbentit. Palaattoat polttoainehiukkaset ovat suuria, yli 5 μ, ja sorbenttihiukkaset noin μ. Hiukkasten koon alarajana pidetään olekyyliryppäitä, jotka ovat vain hiukan kaasuolekyyliä suurepia. Käytännöllinen ero kaasuolekyylin ja hyvin pienen hiukkasen välillä on se, että hiukkasen törätessä esierkiksi kattilan läpöpintoihin, kuten läönvaihtien pintaan, se tarttuu siihen kiinni, utta kaasuolekyyli kipoaa takaisin kaasuvirtaukseen. [9, s. 33]. Hiukkasten koon alaraja on yleensä nanoetri ja ylärajana on hiukkasen viipyäaika ilassa eli esierkiksi hiukkaskoko, joka pysyy painovoiakentässä ilassa yhden sekunnin ajan[1]. Käytännössä yli 100 μ:n hiukkasia ei yleensä esiinny savukaasuissa ennen erotuslaitteita, sillä suuret hiukkaset laskeutuvat kaasusta painovoian vaikutuksesta pinnoille[9, s. 33]. 3. Leijukerrospoltto Leijupetipoltossa polttoaine poltetaan ilavirran avulla leijutettavassa hehkuvan hiekan ja tuhkan uodostaassa kerroksessa eli pedissä. Polttoaine liikkuu ja sekoittuu kerroksessa jatkuvasti ja kaasujen ja läön siirtyinen on hyvin tehokasta. Pedin suuren läpökapasiteetin ansiosta leijukerrostekniikka soveltuu erityisesti huonolaatuisille (kosteille) polttoaineille, kuten kuorelle, etsätähdehakkeelle sekä teollisuuden ja puhdistaoiden lietteille. Pedin perusateriaalina käytetään hiekkaa tai ineraaliurskeita ja loppuosa ateriaalista on polttoaineen tuhkaa. Tulipesän pohjalta poistetaan karkeaa tuhkaa ja polttoaineen ukana ollutta palaatonta ateriaalia, ku-

15 15 ten etalli- ja lasikappaleita. Hienojakoinen tuhka ja jauhautunut petiateriaali kulkeutuvat savukaasun ukana ulos tulipesästä ja erottuvat savukaasusta kattilassa ja savukaasujen puhdistuksessa. Leijupetipoltossa typenoksidipäästöt ovat pienet ja savukaasujen rikinpuhdistus voidaan toteuttaa syöttäällä kalkkia suoraan tulipesään. Leijupetipolton teknisessä toteutuksessa on oleassa lukuisia erilaisia yhdisteliä ja versioita, utta pääpolttotapoja on kaksi: kerrosleijutekniikka ja kiertoleijutekniikka. [10] Kerrosleijutekniikka Kerrosleijutekniikassa tulipesän uoto ja itoitus valitaan niin, että tulipesästä poistuvan savukaasuvirran nopeus on pieni ja petiateriaalipartikkelit eivät lähde poistuvan kaasuvirtauksen ukaan. Savukaasu johdetaan tulipesästä esijäähdytyskaioon, jonka seinät toiivat läönsiirtopintoina. Esijäähdytyskaion eli niin kutsutun tyhjän vedon tarkoitus on jäähdyttää savukaasua niin paljon, että sen sisältäät höyrystyneet etallit ja epäorgaaniset aineet kiinteytyvät ja erottuvat ainakin osittain ennen kattilan läönsiirtiiä. Pedin läpötila pidetään niin alhaisena, ettei polttoaineen tuhka sula ja saa aikaan hiekan sintraantuista. [10] Kuva. Periaatekuva kerrosleijukattilasta [10]

16 16 Kiertoleijutekniikka Kiertoleijutekniikalla toteutetussa polttolaitoksessa savukaasujen virtausnopeus on niin suuri, että petiateriaalia siirtyy erkittävä äärä tulipesästä pois savukaasun ukana. Petiateriaali erotetaan savukaasuista syklonilla ja palautetaan takaisin tulipesään. Savukaasu johdetaan syklonilta esijäähdytyskaion kautta kattilaan saoin kuin kerrosleijutekniikalla toiivissa laitoksissa. Polttoaineen sekoittuinen on kiertopedissä voiakkaapaa kuin kerrosleijutekniikalla toteutetussa tulipesässä. Hyvin voiakkaan sekoittuisen ansiosta palainen on tehokasta ja tulipesän tarvitsea tilavuus on pienepi kuin kerrosleijutekniikkaa käytettäessä. Kiertopetitekniikkaa käytetään tään vuoksi suureissa polttolaitoksissa. [10] Kuva 3. Periaatekuva kiertoleijukattilasta [10] 3.3 Tuhka leijukerrospoltossa Polttoaineen tuhkan käyttäytyinen poltossa riippuu tuhkan sisältäistä yhdisteistä ja niiden oinaisuuksista. Tuhkaa uodostavien ainesosien koostuus vaihtelee suuresti eri polttoaineiden välillä. [9, s.70.] Tavanoaisien ineraalien (esi. Fe, Si, Al, Mg ja Ca) lisäksi polttoaineen tuhkassa on raskasetalleja, kuten aiein on todettu [9, s.371]. Raskasetalleja on uun uassa kattilan pohjatuhkassa ja sähkösuodattien suppiloiden tuhkassa. Raskasetallien taipuus sitoutua hiukkasiin voidaan karkeasti jaotella höyrystyis ja sitoutuiskäyttäytyisen ukaan seuraavasti:

17 17 - alkuaineet, joilla on hyvin vähäinen taipuus rikastua pieniin hiukkasiin (. Al, Ca, Fe ja Mg) - etallit, joiden pitoisuus kasvaa lievästi hiukkaskoon pienentyessä (Ba, Co, Cu, Ni ja U) - etallit, joiden pitoisuus kasvaa hiukkaskoon pienentyessä (. As, Cd, Mo, Pd, Se ja Zn ).[9, s ] Polttoaineen sisältää tuhka jakautuu kattilan polttoprosessissa karkeaan ja hienoon jakeeseen. Karkea aines poistetaan kattilasta pohjatuhkana ja hienopi jae kulkeutuu hiukkaserottielle. Pohjatuhkan karkea aines uodostuu, kun tuhkakoponentit kiinnittyvät hiekkapartikkeleihin. Koponentit voivat kiinnittyä kahdella tavalla hiekkapartikkeleihin, joko haihtuaton tuhkakoponentti kasvaa kiinni (adheesio) hiekkapartikkelin pintaan tai haihtuva koponentti diffusioituu kvartsihiekkaan. Hienopi jae uodostuu useapien eri fysikaalisten ja keiallisten reaktioiden kautta. Lentotuhkan on havaittu yleisesti uodostuvan petiateriaalin pilkkoutuisesta, jäännöstuhkahiukkasen uodostuisesta koksin sisällä tai pinnalla ja uusien tuhkahiukkasten uodostuisesta höyrystyisen ja nukleaatioiden kautta. Lentotuhkan koko ja koostuus ennen erotuslaitetta riippuvat siis polttoprosessin läpötilasta, polttoaineen tuhkapitoisuudesta ja petiateriaalista (kvartsihiekka) sekä polttoaineen ukana syötettävistä lisäaineista, kuten kalkista. [13]

18 18 Kuva 4. Tuhkanuodostuisekaniseja [13] Leijukerrospolton läpötila pyritään pitäään alhaisena typpipäästöjen inioiiseksi, jolloin vaikeasti höyrystyvät oksidit (. MgO, SiO, CaO, ja Fe) eivät helposti vapaudu kaasufaasiin. Osa alkali- ja raskasetalliyhdisteistä voi kuitenkin höyrystyä korkean höyrynpaineen johdosta.[9, s.61] Erityisesti puupolttoaineita poltettaessa suuri osa polttoaineen sisältäästä natriuista, kaliuista, kloorista ja rikistä voi kaasuuntua. Kaasuuntuneet aineet poistuvat kattilasta ja uodostavat savukaasuissa pienhiukkasia tiivistyällä. Leijupoltossa kattilan jälkeinen hiukkaspitoisuus on yleensä korkeapi kuin arinapoltossa, sillä tuhkasta % lähtee lentotuhkana savukaasuvirran ukaan. [14] 3.4 Arinapoltto Arinapoltto on pitkään käytössä ollut kiinteiden polttoaineiden polttoon soveltuva polttotapa. Arinapoltto on yhä käytetty polttotapa alle 5 MW:n polttolaitoksissa.

19 19 Arinatekniikka sopii onenlaisen kiinteän polttoaineen kuten hiilen, turpeen, puun ja puujätteen, polttoon. Erilaisten polttoaineiden polttoon soveltuvia arinaratkaisuja on useita, kuten kiinteä viistoarina, ekaaninen viistoarina, ketjuarina ja erikoisarina sekä näiden arinatyyppien yhdisteliä. (8, s ) Polttoprosessi sietää elko hyvin polttoaineen kosteuden, läpöarvon ja tuhkapitoisuuden vaihtelua. Arinatulipesässä voidaan polttaa uun polttoaineen seassa pieniä ääriä kuivahkoa yhdyskuntalietettä. Arinapoltossa polttoaine syötetään kaharilla syöttösuppiloon, josta se syötetään edelleen hydraulitoiisilla työntiillä arinalle. Tulipesässä ovat tavanoaiset kostean polttoaineen palaisen alueet eli kuivuis-, pyrolyysi- ja kaasuuntuisvyöhykkeet sekä lopuksi hiiltojäännöksen palaisalue.[10] Uusien laitosten arinat ovat useiiten vinoja, eri enetelin polttoainetta polton aikana sekoittavia arinoita, joilla polttoa voidaan ohjata arinan eri osiin syötettävän ilan äärää säätäällä. Tulipesän rakenne pyritään suunnitteleaan sellaiseksi, että arinan eri vyöhykkeillä uodostuneet kaasut sekoittuvat ahdollisian hyvin ja palavat korkeassa läpötilassa arinan yläpuolella. Karkea tuhka ja polttoaineen sisältäät palaattoat ateriaalit, kuten etallikappaleet, kivet ja vastaavat, poistuvat arinan alapäästä laitoksen pohjatuhkajärjestelään. Palaisen lopussa läpötila on yleensä niin korkea, että pohjatuhka on osittain sintraantunutta ja sulanutta. Savukaasut johdetaan tulipesästä tyypillisesti ensin esijäähdytyskaioon ja siitä läöntalteenottokattilaan. Tulipesästä poistuva savukaasu sisältää runsaasti hienojakoista tuhkaa ja tulipesässä höyrystyneitä epäorgaanisia aineita. Höyrystyneet epäpuhtaudet pyritään tiivistäään esijäähdytyksessä kiinteiksi, jotta ne eivät tartu kattilan läönsiirtiiin. Osa kiinteytyneistä aineista ja tuhkasta erottuu esijäähdytyskaiossa ja kattilassa niin kutsutuksi kattilatuhkaksi ja poistuu kattilan pohjalta tuhkajärjestelään. Kattilan jälkeen savukaasut johdetaan puhdistusprosessiin. [10]

20 0 Kuva 5. Arinakattilan toiintaperiaate [10] Arinapoltossa kuten leijupoltossakin palaisläpötila on suhteellisen atala, jolloin ineraaliaineksen kaasuuntuista ei juuri tapahdu. Hiukkaskoko on näin ollen suuri noin μ.[14] Lentotuhkan osuus arinapoltossa selvästi pienepi kuin leijupoltossa. Savukaasun ukana lentoon lähtevien tuhka- ja polttoainehiukkasten äärä riippuu hiukkasten koosta ja kaasun virtausnopeudesta polttoainekerroksen pinnassa. [9, s. 475]. Hiukkaspäästöt ennen erotinta vaihtelevat paljon riippuen käytetystä polttoaineesta, polttoprosessista jne. Nokihiukkasia voi näin ollen syntyä runsaastikin palaisolosuhteista riippuen. Pääosa nokihiukkasista on pienhiukkasia, joiden pinnoille on voinut tiivistyä polyaroaattisia hiilivetyjä(pah). [14] Puun pienpoltto Suoessa noin 0 % oakotitaloista läpenee ensisijaisesti puulla. Lisäläönlähteenä puuta käytetään 60 %:ssa oakotitaloista ja 44 %:ssa kaikista pientaloista (l. aatilat ja vapaa-ajan asunnot). Merkittävä yksittäinen hiukkaspäästölähde Suoessa syntyy näin ollen puun pienpoltosta. Hiukkaspäästöjä syntyy epätäydellisestä palaisesta ja tiivistyy ilakehässä palokaasuista. Puun poltossa syntyvä hiukkaspäästö sisältää. kaasuaisia aineita (häkä, etaani, foraldehydi), hiukkasaisia epäpuhtauksia (noki, lentotuhka, orgaaniset hiiliyhdisteet). Valtaosa hiukkasista on halkaisijaltaan alle 1µ. Hiukkaspäästöt riippuvat kattilasta, tulisijasta, polttoaineesta ja

21 1 läitystavasta. Asuinrakennusten läittäiseen tarkoitettuja kattiloita käytetään yleensä ensisijaisina läönlähteinä ja kattilatyyppejä on oleassa useita. Tulisijoja käytetään toissijaisina läönlähteinä kaukoläön tai sähköläityksen ohessa.[15] Kattilat Yläpalokattila on yleisin puun pienpolttoon tarkoitettu kattilatyyppi. Polttoaine laitetaan kattilaan isona pilkepanoksena, joka syttyy kerralla palaaan. Palaisila kattilaan ohjataan kattilan pohjalla olevan rakoarinan läpi ja kattilan luukkujen kautta. Kattilaan liitetään yleensä vesivaraaja. Kattilaa voidaan käyttää täydellä teholla, ikäli varaaja on riittävän suuri. Kattilaa on ahdollista käyttää yös ilan varaajaa, jolloin tehot ovat pieneät ja näin ollen savukaasu- ja hiukkaspäästöt suureat. [15] Kuva 6. Yläpalokattila [15] Kaksoispesäkattila on Suoessa yleisin kattilatyyppi. Kattilassa on kaksi erillistä tulipesää, toinen öljyn polttoon ja toinen puun polttoon tarkoitettu. Vanheissa kaksoispesäkattiloissa pilkepesä on pienepi verrattuna uusiin kattiloihin. Vanheat kattilatyypit on tarkoitettu vain tilapäiseen käyttöön ja ne pitäisi liittää vesivaraajaan, ikäli puulla läitetään pääasiallisesti. Savukaasu- ja hiukkaspäästöt ovat näin pieneät. Uusia kaksoispesäkattiloita on saatavana yös ns. käänteispaloperiaatteella toiivina. [15]

22 Alapalokattilassa polttoaineena käytetään puupilkettä, haketta tai palaturvetta. Polttoaine palaa kattilan alaosassa, jossa syntyvät kaasut ja liekit johdetaan jälkipalotilaan loppupalaista varten. Alapalokattila toiii joko luonnonvedolla tai palaisila johdetaan puhaltien avulla palotilaan. Yläpalokattilaan verrattuna palainen on puhtaapaa ja tehokkaapaa alapalokattiloissa, siten yös päästöt vähäiseät. Alapalokattilakin suositellaan liitettäväksi vesivaraajaan. [15] Kuva 7. Alapalokattila [15] Käänteispalokattila on yleisiin käytetty kattilatyyppi aissa, joissa on tiukat päästöääräykset savukaasuille. Kattilatyypeistä käänteispalokattila on uusin pienkattilatyyppi, ja se on kehitetty alapalokattilasta. Kattilan polttoainekerroksen alla on pieni arina, jonka läpi palaiskaasut johdetaan keraaiseen jälkipalotilaan, jossa kaasut palavat korkeassa läpötilassa. Käänteispalokattila tarvitsee savukaasujen poistoiurin, joka on yleensä kattilan rakenteessa valiina.[15] Tulisijat Suoessa yleisiä tulisijoja ovat varaava takka, avotakka, leivinuuni, hella, kaiina, saunankiuas ja saunanpata. Yleisin näistä tulisijoista on varaava takka, jossa on rakoarina. Varaavassa takassa palokaasut kulkeutuvat tulipesästä yläpalokaioon ja laskeutuvat sieltä alas takan jalustaan, jolloin läpöä siirtyy rungon assaan. Avotakat ja kaiinat eivät ole läpöä varaavia, joten niitä ei enää käytetä asuntojen läittäiseen. Avotakka voidaan takkasydäen avulla uuttaa varaavaksi. Leivinuunit ja hellat ovat tulisijoja, jotka on tarkoitettu ruoanvalistukseen. Uuneissa ei ole rakoari-

23 3 naa ja ilan johtainen palaisprosessiin on hankalaa. Leivinuuneissa puut poltetaan panospolttoperiaatteella hiillokseksi, jonka annetaan palaa loppuun. Hellaan puita lisätään käytön aikana useasti pieniä ääriä, joten polttotapahtua on yleensä jatkuvaa. [15] 4 HIUKKASTENEROTTELUTEKNIIKOITA Hiukkaspäästöihin voidaan jonkin verran vaikuttaa edellä esitettyjä polttotekniikoita käyttäen. Tää ei kuitenkaan ole riittävä keino kiristyvien päästörajojen saavuttaiseksi. Hiukkaspäästöjen alentaiseen tarvitaan hiukkaserottelulaitteita, joita käsitellään seuraavaksi. 4.1 Sykloni Yleistä Sykloni on dynaainen erotin, jonka toiinta perustuu assavaikutukseen (keskipakovoiaan). Syklonien rakenne on elko yksinkertainen. Syklonit voidaan luokitella niiden rakenteesta riippuen joko vastavirta- tai läpivirtasykloneihin[16, s.17]. Voidaan käyttää yös useita sykloneita vierekkäin, jolloin kyseessä on ultisykloni[16, s. 141]. Sykloneita käytetään savukaasun puhdistukseen, kiertoaineen erottaiseen (leijukerroskattila) ja suojaaaan laitteita, kuten puhaltiia, eroosiolta. Sykloneita käytetään yös uissa hiukkastenerottelua vaativissa prosesseissa.[16, s ]. Syklonit voidaan valistaa useista eri ateriaaleista, kuten etalleista ja keraaeista, yleisiin käytetään terästä. Syklonien edut verrattaessa uihin erottelulaitteisiin ovat atala pääoakulu, atalat ylläpito- ja huoltokustannukset ja soveltuvuus useisiin prosessiolosuhteisiin (toiii kuuissa olosuhteissa). Haittapuolina verrattaessa uihin tekniikoihin ovat atala tehokkuus (erottelukyky) hyvin pienillä partikkeleilla ja suuri painehäviö. [16, s. 130.]

24 4 Kuva 8. Kaasuvirrat syklonissa (vasealla vastavirtaperiaate, oikealla läpivirtaperiaate) 4.1. Vastavirta- ja läpivirtasyklonit Vastavirtasyklonin tuloaukko on rakenteeltaan joko tangentiaalinen tai aksiaalinen. Tangentiaalisessa virtauksen sisääntulossa puhdistettava kaasu johdetaan sykloniin tangentiaalisesti. Syklonin geoetriasta johtuen kaasu uodostaa spriraaliaisen liikeradan syklonin pohjaa kohti. Eroteltavat hiukkaspartikkelit kulkeutuvat syklonin seinäille ja valuvat syklonin pohjalla olevaan poistoaukkoon. Puhdistunut kaasuvirtaus poistuu syklonin keskeltä pyörteisesti ylöspäin liikkuen ja lopulta enoaukosta ulos. Aksiaalisessa sisääntulossa puhdistettava kaasu saadaan pyörivään liikkeeseen johdesiipien avulla. Muuten toiintaperiaate vastaa tangentiaalista kaasuvirtauksen sisääntuloa. Läpivirtaussyklonissa puhdistettu kaasu uodostaa pyörteen, joka poistuu pohjan kautta saansuuntaisesti kuin erotellut partikkelit. Yleensä läpivirtaussyklonit ovat rakenteeltaan sylinteriäisiä ja runko on vaakasuorassa. Läpivirtaussyklonit sopivat esierottiiksi suureille partikkeleille. [16, s.17.]

25 5 Kuva 9. Vastavirtasyklonin toiintaperiaate, tangentiaalinen sisääntulo [16, s.18] Vakiosykloni ja itoitusenetelät Lapplen kehittää itoitusalli (3) on ensiäinen vakiosyklonille kehitetty alli, johon yöhein kehitetyt syklonityypit perustuvat. Vakiosyklonin itat perustuvat rungon halkaisijaan, kuten seuraavasta taulukosta (taulukko 1.) ilenee. Stairandin kehittää alli on toinen vakiosyklonin itoitusenetelistä ja perustuu pitkälti Lapplen enetelään [16].

26 6 Taulukko 1. Vakiosyklonin suhdeitat [16, s.130] Kuvassa 10 on kuvattu taulukossa 1 esitettyjä ittoja. Kuva 10. Vakiosyklonin itat [16, s.131] Erotusaste vakiosykloneille voidaan katsoa seuraavasta kuvaajasta.

27 7 Kuva 11. Erotusaste partikkelihalkaisijan d P funktiona [16, s.19] Lapplen enetelä Syklonin erotusaste voidaan laskea äärittäällä savukaasun virtaustyyppi, joka on joko tulppavirtaus tai sekoittunut virtaus. Erotusaste tulppavirtaukselle DNV t tulp, issä WVi D on syklonin rungon halkaisija () N on kaasuvirran kierrosten lukuäärä syklonin ulkohalkaisijalla (-) W on sisääntuloaukon leveys () V t on partikkelin terinaalinopeus (/s) V i on kaasuvirran sisääntulonopeus (/s). Kaasuvirran kierrosten lukuäärä N voidaan laskea kaavalla (Kaikille standardisykloneille N=6) N L H L 1 c b, issä H on sisääntuloaukon korkeus ()

28 8 L b on sylinterin pituus () L s on kartion pituus (). Kaasuvirran sisääntulonopeus saadaan kaavasta V i q v, g 1 HW, issä q v, g = kaasun tilavuusvirta ( 3 /s) Partikkelin terinaalinopeus saadaan kaavasta V t d p p 18R g V i, issä d p on partikkelin halkaisija (µ) ρ p on partikkelin tiheys (kg/ 3 ) ρ g on kaasun tiheys (kg/ 3 ) µ on kaasun viskositeetti (kg/s) R on rungon säde s(). Partikkelin halkaisija lasketaan kaavalla d p 9W NVi p g 1 Teoriassa sykloni erottelee 100 %:n erotusasteella partikkelit joiden halkaisija on d p tai sitä suurepi. Käytännössä näin ei kuitenkaan ole, joten on otettava huoioon ns. leikkausrajahalkaisija, joka äärittää partikkelin halkaisijan 50 %:n erotusasteella. Partikkelin halkaisija 50 %:n erotusasteella d pc 9W NVi p g 1 Erotusaste voidaan lukea hyötysuhdekäyrästä, kun partikkelin halkaisija ja leikkausrajahalkaisija on laskettu. Hyötysuhdekäyrä on seuraavassa kuvassa.

29 9 Kuva 1. Tavallisen vakiosyklonin erotusaste partikkelikoon funktiona [16, s. 134] Erotusaste voidaan ratkaista yös Lapplen yhtälöstä 1 d 1 d pc p Kokonaiserotusaste hiukkasaineen kokojakaualle j j, issä η j on erotusaste partikkelijakaualle (%) j on partikkelijakauan assaprosenttiosuus (%) Sekoittuneelle virtaukselle erotusasteen yhtälö on e tulp 1. Stokesin lain vaikutus erotusasteeseen V gd p g 18

30 30 Tulppavirtauksen erotusasteeksi saadaan NVi D p 9W Sekoittuneelle virtaukselle saadaan e tulp 1. Painehäviö Kaasun nopeus syklonissa pyritään saaaan ahdollisian suureksi, jotta erotusaste saataisiin korkeaksi. Suuri kaasuvirtausnopeus aiheuttaa syklonissa suuren painehäviön, ikä vaikeuttaa syklonin toiivuutta ja lisää käyttökustannuksia. Painehäviö voidaan laskea kaavalla 1 p gv i H v, issä Δp on painehäviö (Pa) H v on vastuskerroin (-). Vastuskerroin H v saadaan kaavalla HW H v K, issä D e K on kerroin, joka johtuu syklonin rakenteesta ja käyttöolosuhteista (-) D e on ulostulon halkaisija (). Tangentiaaliselle sisääntulolle, jossa virtaava aine on kaasu, K vaihtelee välillä Vakiosykloneilla K:n arvo on 16 joten H v - arvoksi saadaan 8. Stairandin enetelä

31 31 Syklonissa tangentiaalisella nopeudella v Tax liikkuvat partikkelit saadaan erotelluksi kaasusta 50-prosenttisesti. Stairandin ukaan leikkausrajahalkaisija voidaan laskea kaavasta D S H D q V d kok p e g v k i pc 3,, issä Φ k on kitkahäviökerroin (-). Kitkahäviökerroin voidaan laskea kaavalla HW A HW A W D D W D D e e k 4 ) ( ) (, issä A on pinta-ala, joka altistuu savukaasulle ( ) Γ on kitkavakio, kaasusyklonille Γ= 0,005. Pinta-ala voidaan ratkaista kaavalla 4 d s d e d e D D L D D D S DL D D A. Kitkahäviökerroin voidaan lukea yös kuvaajasta, joka on seuraavassa kuvassa.

32 3 Kuva 13. Kitkahäviökerroin sisääntulosäteen funktiona vakiosykloneille [17, s.61] Erotusaste voidaan lukea kuvaajista, jotka on esitetty kuvassa 14. Mikäli sykloniin tulevan virtauksen nopeus on likiain 15 /s, voidaan erotusaste lukea kuvaajista. Kuva 14. Erotusaste partikkelikoon funktiona (a) korkeatehosyklonille ja (b) suurläpivirtaussyklonille [17, s.63] Painehäviö

33 33 g p Vi 1 k ( D W) 1 V De e, issä V e = kaasun nopeus ulostulossa (/s). Kaasun nopeus ulostulossa saadaan kaavalla V e 4qv, g. D e 4. Suodattiet 4..1 Sähkösuodatin Sähkösuodatin on hiukkaserotinlaite, joka erottelee hiukkaset savukaasuista sähkövoian avulla. Sähkösuodatin on eniten käytetty erotinlaite voialaitoksissa joissa käytetään polttoaineena kiinteitä polttoaineita. Sähkösuodatintyyppejä on kahdenlaisia, kuua- ja kyläpuolensuodattiia. Kuuapuolensuodatin on savukaasukanavistossa ennen palaisilan esiläintä (LUVO), jolloin toiintaläpötila on C. Kyläpuolensuodatin on luvon jälkeen, jolloin läpötila on C. Kyläpuolensuodatintyypit ovat yleisein käytössä voialaitoksissa.[18, s ]

34 34 Kuva 15. Sähkösuodatin[14] Sähkösuodatin koostuu kahdesta elektrodista: eissioelektrodista ja erotuselektrodista. Elektrodien välinen jännite aiheuttaa voiakkaan sähkökentän ypärilleen. Voiakas sähkökenttä taas saa aikaan koronapurkauksen eissioelektrodeilla. Koronapurkaus tuottaa paljon positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita ioneja, joita tarvitaan hiukkasten erottelussa. Eissioelektrodi varautuu negatiivisesti ja erotuselektrodi positiivisesti, jolloin positiivisesti varautuneet ionit siirtyvät eissioelektrodille ja uuttuvat neutraaleiksi ioneiksi. Negatiivisesti varautuneet ionit töräävät savukaasuista poistettaviin hiukkasiin ja varaavat ne negatiivisiksi. Nää negatiiviset hiukkaset kiinnittyvät vastakkaiserkkiseen erotuselektrodiin. Elektrodilevyt puhdistetaan aika ajoin ekaanisesti ravistiien avulla tai vesihuuhtelulla. Levyjen puhdistus on tärkeää, jotta sähkökentän voiakkuus ei laienisi ja erotuskyky heikkenisi. [8, s ]

35 35 Sähkösuodatin on voialaitosittakaavassa assiivisen kokoinen jolloin se tarvitsee paljon tilaa ja on kallis investoida[16, s.153]. Suodatin on herkkä vaihteleville savukaasuäärille ja virtausnopeuksille. Lentotuhkan resistiivisyys on yös huoioitava sähkösuodatinta itoitettaessa, sillä liian pieni lentotuhkan oinaisvastus johtaa hiukkasen sähkövarauksen heikkeneiseen keräinlevyllä ja hiukkanen voi tepautua takaisin savukaasuvirtaan. Edellä ainittua hiukkasten huonoa tarttuvuutta keräinlevylle on parannettu ns. ärkäsähkösuodattien avulla. Märkäsähkösuodattien keräinlevyä huuhdellaan vedellä hiukkasten tarttuvuuden parantaiseksi. [18, s ] Sähkösuodattien useiden hyvien oinaisuuksien puolesta se on otettu käyttöön useissa voialaitoksissa. Etuina voidaan pitää hyvää erotusastetta(95-99 %, yös alle 1 μ) hiukkasille, pitkää käyttöikää, pientä painehäviötä ja vähäistä tehonkulutusta sekä soveltuvuutta useisiin prosesseihin läpötilaan 40 C asti. Erittäin suurien kaasuäärien käyttö on ahdollista.[8, s. 53] 4.. Kuitusuodatin Kuitusuodattiissa savukaasut johdetaan erilaisista ateriaaleista kudotun kankaan läpi, jolloin savukaasut puhdistuvat hiukkasaineksen jäädessä suodattien pinnalle [8, s. 53]. Hiukkasten erotus kuitusuodattiessa perustuu hitausvoian, pidätyksen (interseptio), diffuusion ja sähköstaattisen vetovoian vaikutukseen[18, s. 100]. Yleisin kuitusuodatintyyppi voialaitoksissa on kangassuodatin. Suodatinkankaan ateriaalina voidaan käyttää luonnonkuitua, ineraalikuitua tai synteettistä kuitua. Kangassuodattiet ovat yleensä voialaitoksissa tyypeiltään letkusuodattiia. [8, s. 53] Suodatineleentti koostuu useista pitkistä, ontoista ja sylinteriäisistä letkuista, jotka ovat rinnakkain riveissä ja jaettu erillisiin kaioihin. Letkujen äärä riippuu niiden koosta, savukaasunääristä, halutusta erotusasteesta sekä lisäyksiköstä, joka ahdollistaa yhden letkuyksikön poistaisen puhdistusta varten käynnin aikana. Kuten aiein todettu savukaasuista erotettava hiukkasaines jää suodattien pintaan. Hiukkasaineskerros paksuuntuu ajan yötä jolloin osa pölykerroksesta on poistettava. [18, s ] Puhdistus voidaan toteuttaa ekaanisesti ravistelealla, paineilapulssilla, äänipuhdistuksella tai ilavirtauksella, joka virtaa vastakkaiseen suuntaan kuin puhdistettava kaasu [8, s.53].

36 36 Kuva 16. Letkusuodattien toiintaperiaate [14] Pölykerrosta ei poisteta kokonaan, sillä suodattien erotusaste paranee osaltaan pölyn ansiosta. Erotusaste kuitusuodattiille on korkea, lähes 100 % kaiken kokoisille hiukkasille jopa 0,01µ:iin asti.[18, s. 100] Tiukentuneiden päästönorien vuoksi on kuitusuodattiien käyttö yleistynyt varsinkin puolikuivassa rikinpoistoenetelässä, jossa suodatin puhdistaa rikinpoistolaitteiden jälkeisiä savukaasuja [8, s. 53]. Kangassuodattien edut esi. sähkösuodattieen verrattuna ovat hiean halveat investointikulut, yksinkertaisepi rakenne ja pienepi riippuvuus polttoaineen ja savukaasun oinaisuuksista. Haittapuolina voidaan pitää korkeissa läpötiloissa kalliita kuituateriaaleja, painehäviöitä, huollontarvetta ja kuluista. Suodatinateriaalit on vaihdettava uutaan vuoden välein.[19] 4.3 Pesurit Pesurit voidaan jakaa koleen ryhään, joita ovat rikinpoistoon tarkoitetut pesurit, teollisuuden läöntalteenottoonpesurit ja hiukkasten poistoon tarkoitetut pesurit. Pesureita on oleassa useita erilaisia, joten investointi vaihtelee paljon [16, s.17.] Pesureiden käyttö hiukkasten erottelijana on elko harvinaista, sillä syntyvät jätevedet vaativat kalliit vedenpuhdistiet [8, s. 55].

37 37 Pesureiden käyttö hiukkasten erotteluun perustuu savukaasun epäpuhtauksien ja nesteen (yleensä veden) reagointiin keskenään. Pesureissa savukaasut virtaavat pysty- tai vaakakaioon, jossa vesi ruiskutetaan kaasun sekaan suuttiien kautta, jolloin vesipisarat aggloeroituvat savukaasun pölyhiukkasten kanssa. Vesi-pölyhiukkaset kulkeutuvat pisaranerottielle. Hiukkasten kiinnittyinen vesipisaroihin perustuu töräyksiin, suoraan pidätykseen ja pienillä hiukkasilla diffuusioon. [16, s.17.] Kuva 17. Tyypilliset pesukaiot [16, s.18] Pesurityyppejä ovat pesutornit, syklonipesurit, töräyspesurit ja venturipesurit. Jako erilaisiin pesureihin perustuu pisaroiden uodostaiseen ja ruiskutukseen savukaasun sekaan. Pesutorneissa pisarat ruiskutetaan suuttiilla savukaasuun. Savukaasu kulkee tornissa vaaka- tai pystysuoraan ja pisarat voidaan ruiskuttaa tai pudottaa savukaasun yötä- tai vastavirtaan. Venturipesureissa savukaasu kiihdytetään suureen nopeuteen venturiputkessa, jossa se suuttaa nesteen. Pesureilla päästään n %:n erotusasteeseen alle 1µ:n hiukkasille. [16, s.19-3.] Pesureista voidaan ottaa talteen keikaaleja ja läpöenergiaa. Näin ollen pesurit ovat yleisiä selluteollisuudessa, jossa keikaalit ja läpö voidaan kierrättää prosessissa uudelleen eikä jätevesiä pääse syntyään juuri ollenkaan. [8, s. 55.]

38 38 Kuva 18. Pesurityyppejä (oikealla venturipesuri, vasealla sykloni-pesutorni) [16, s. 19,] Pesureiden hyviä puolia ovat siis yhtäaikainen kaasu- ja hiukkasaisten päästöjen poisto, kyky puhdistaa ja jäähdyttää kuuat ja kosteat savukaasut, neutralisoida kaasut ja pölyt sekä pieni pölyräjähdysriski. Haittapuolina voidaan pitää suuria painehäviöitä, jätevesien syntyistä, korroosio- ja eroosio-ongelia. Pesurit vaativat yös paljon tilaa kokonsa vuoksi ja lisäksi niiden jäätyisongelat kylässä on estettävä. [16, s. 5.] 5 TUHKANEROTTELULAITTEISTO Edellisessä luvussa käsitellyt hiukkaserottelulaitteet ovat yleensä voialaitosittakaavaan soveltuvia laitteita. Kyenlaakson aattikorkeakoulun energialaboratorion tilat huoioiden kyseisistä hiukkaserottelulaitteista vain sykloni ahtuisi sijoitettavaksi laboratorioon. Erottielta vaadittavia oinaisuuksia olisivat jatkuvatoiisuus ja kyky erotella hiukkaset eri partikkelikokoihin. Laitteiston tulisi olla halpa investoida. Sykloni täyttää vaadittavat kriteerit, utta jäljepänä esitellään suunnitelia yös uista ahdollisista erotinvaihtoehdoista. 5.1 Virtaus putkessa Virtauksen luonne putkessa voidaan jakaa lainaariseen ja turbulenttiseen virtaukseen. Reynoldsin luvun avulla voidaan arvioida, onko kyse lainaarisesta vai turbu-

39 39 lenttisesta virtauksesta. [0] Näitä virtaustyyppejä on tarkasteltu lähein seuraavaksi Lainaarinen virtaus Virtaus on lainaarista, jos viskositeetti on suuri virtauksen sisäisiin voiiin nähden. Lainaarisessa virtauksessa virtaus liikkuu yhdensuuntaisia ratoja pitkin, jotka eivät sekoitu keskenään. Lainaarinen virtaus on siis poikkisuuntaista, kerroksittaista ja sekoittuista ei tapahdu. Parhaiten putkivirtausta luonnehtii Reynoldsin luku Re. Luku ilaisee hitausvoiien suhteen kitkavoiiin. Virtaus putkessa on lainaarista, ikäli Re on pienepi kuin 300.[0] Reynoldsin laskukaava pyöreille putkille [1, s. 99]: w d Re issä w= nopeus /s d= putken halkaisija ν= viskositeetti /s 5.1. Turbulenttinen virtaus Virtaus on turbulenttista, jos viskositeetin vaikutus on pieni sisäisiin voiiin nähden. Turbulenttinen virtaus on pyörteistä virtausta, jossa virtaus liikkuu epäsäännöllisesti toisiaan leikkaavia ratoja pitkin. Turbulenttisessa virtauksessa kerrokset sekoittuvat ja siinä voidaan erottaa kaikensuuntaisia virtauskoponentteja. Virtaus on turbulenttista, ikäli Reynoldsin luku on suurepi kuin 300. [0] 5. Erotinvaihtoehtojen suunnittelu 5..1 Keskipakovoiaan perustuva laitteisto Tässä suunnitelassa hiukkaserotus perustuu keskipakovoiaan. Hiukkaset virtaavat putkeen nopeudella w. Putken loppupäässä on kaksi eritehoista iua. Hiukkasten ero-

40 40 tus tapahtuu utkassa, jossa suureat hiukkaset liikkuvat keskipakovoian avulla utkan ulkoreunalle ja pieneät hiukkaset utkan sisäreunalle. Putken sisällä on ohut levy, joka ohjaa hiukkasvirtausta levyn eri puolille. Suureat hiukkaset virtaavat levyn yläpuolella ja pieneät hiukkaset levyn alapuolella. Virtauksen on oltava lainaarista, jotta hiukkaserotus olisi ahdollista. Ongela tässä suunnitelassa voi tulla siitä, että osa pienhiukkasista liikkuu suurepien hiukkasten ukana, jolloin hiukkaserotus ei ole tarpeeksi tehokasta. Kuva 19. Periaatekuva hiukkaserotuksesta keskipakovoialla [] 5.. Hiukkasten assaeroihin perustuva laitteisto Toinen suunnitela perustuu hiukkasten erottaiseen assaerojen perusteella. Putkessa hiukkaset, joilla on pienepi assa, liikkuvat putken yläpinnan puolella, ja hiukkaset, joilla on suurepi assa, liikkuvat putken alapinnan puolella. Putken alapuolella on iuputki, josta suurepiassaiset hiukkaset ietään pois. Pieneät jatkavat eteenpäin putkessa. Virtauksen on oltava lainaarista yös tässä tapauksessa hiukkaserotuksen kannalta. Tässä suunnitelassa hiukkasten assaeron pitää olla tar-

41 41 peeksi selvä, jotta assaltaan pieneät hiukkaset kulkevat ylhäällä ja painavaat hiukkaset alhaalla. Kuva 0. Periaatekuva hiukkaserotuksesta assaeroihin perustuen [] 5..3 Virtauksen luonteeseen perustuva laitteisto Kolas suunnitela erotella hiukkaset perustuu virtauksen luonteeseen. Virtauksen on oltava ehdottoasti lainaarista kuten yös edellisissä suunnitelissa. Hiukkasvirta liikkuu putkessa nopeudella w. Suurean putken sisällä on pienepi putki, jolla hiukkaset erotetaan; esierkiksi keskellä isopaa putkea virtaavat pieneät hiukkaset ja reunoilla suureat hiukkaset. Pieneät hiukkaset ietään keskeltä pois. Ongelana tässä on, liikkuvatko hiukkaset todellisuudessa kuvatunlaisesti. Kuva 1. Periaatekuva hiukkaserotuksesta virtauksen luonteeseen perustuen []

42 Suodatustekniikkaan perustuva laitteisto Neljäs vaihtoehto hiukkaserotukseen perustuisi suodatukseen. Tässä suunnitelassa hiukkaset erottuvat suuriin ja pieniin hiukkasiin suodattien avulla. Suureat hiukkaset putoavat alapuolella olevaan säiliöön ja pieneät läpäisevät suodattien ja kulkeutuvat yläpuolelta pois. Suodattien tukkeutuisen estäiseksi tehdään suodattielle puhdistus paineilan avulla hiukkasvirran kulkusuuntaa vastaan. Ongelat tässä vaihtoehdossa liittyvät suodattieen, jonka tukkeutuista olisi vältettävä. Kuva. Periaatekuva hiukkaserotuksesta suodattiella []

43 Laskelat Seuraavassa on tuhkanerottelulaitteiston suunnittelun kannalta olennaisia laskelia, kuten erottien putkikoon ääritys ja virtausnopeus putkessa sekä syklonin itoitus ja laskelat tuhkanerottelijana Putkikoko erottiessa Putkikoko erottieen voidaan vapaasti valita, utta sopivin koko olisi 5-10 c. Erottieen päätetään valita 5 c halkaisijaltaan oleva putki Virtausnopeus erottiessa Virtausnopeus putkessa voidaan äärittää, kun tiedetään putkikoko. Putkikoon ollessa 5 c saadaan virtausnopeus laskettua Reynoldsin kaavalla. Virtauksen pitää pysyä lainaarisena, jolloin Re:n on oltava enintään 300. Läpötila on 88 K jolloin tiheys ρ ja dynaainen viskositeetti μ saadaan taulukosta. [3, s.941] Re w d w d w w 300 d ,6 10 Ns/ 3 1,17kg/ 0,05 w 0,67 / s Savukaasun virtausnopeus Lasketaan esierkkinä savukaasun virtausnopeus putkessa. Savukaasun läpötila on 43 K. Tiheys ρ= 0,89 kg/ 3 ja viskositeetti 1,84*10-6 Ns/.

44 44 Re w d w d w w 300 d ,8410 Ns/ kg/ 0,05 w 1,1 / s Syklonierottelija Lasketaan syklonin itat Lapplen ja Stairandin enetelillä. Valitaan rungon halkaisijaksi D= 0,15. Nopeus, jolla virtaus saapuu sykloniin, lasketaan kaavalla V i q v, g 1 HW Lasketaan ensin tilavuusvirta q v, g. Kattilan teho on esi. 100W ja polttoaineen läpöarvo H u =10MJ/kg. Ilantarve ja kostean savukaasuvirran arvot saadaan taulukosta [8, s.90]. 100kW Teho Φ= * H u 0,01 kg/ s 3 H 1010 kj / kg U Ilakerroin λ=1 q v, g = 3,30 3 n/kgpa*0, 01kg/s=0,033 3 n/s Ilakerroin λ=1, q v,g =0,01kg/s*(3,30 3 n/kgpa+(1,- 1)*,35 3 n/kgpa)=0, n/s Ratkaistaan V i Lapplen tavalliselle syklonille.

45 45 s s V i / 13,4 0,0375 0,075 1 / 0, Ratkaistaan V i Stairandin korkeatehosyklonille. s s V i / 16,75 0,03 0,075 1 / 0, Lasketaan partikkelin halkaisija d p ja d c sekä ääritetään erotusaste kuvaajasta (Kuva 1),(Lapplen enetelä). 1 9 g p i p V N W d kg s s Pa d p 5,4 10 5,40 / 0, / 13,4 6 0,0375 / 10 1, g p i c V N W d kg s s Pa d c 3,8 10 3,8 / 0, / 13,4 6 0,0375 / 10 1, ,4 3,8 5,4 c p d d Kuvaajasta erotusaste, η % =70 % Painehäviö Δp (Lapplen enetelä): Pa s kg p H V p V i g 595,4 8 13,4 0, Lasketaan partikkelinhalkaisija d pc ja painehäviö p.( Stairandin enetelä)

46 46 Savukaasulle altistuva pinta-ala: A D D D D 4 e DL d D S e d L s D D d 0,15 A 0,15 0,0565 0,15 0,0565 0, ,15 0,5 0,075 0,075 0,375 0,59 A HW 0,005 0,59 0,075 0,03 0,5755 D W 0,15 0,03 D e 0,075 3, Kitkahäviökerroin Φ k kuvaajasta (kuva 13) on 1,1. Partikkelin halkaisija d pc : d pc 3 V i k q p v, g H kok D e S D d pc 3 16,75 / s 1,1 6 Pa 1,8410 s kg ,0377 s 3 0,6 0,075 0,15 0,075 1, ,8 Ulostulonopeus V e : 3 4q 4 0,0377 v, g V s e 8,53 / s D (0,075) e Saadaan lasketuksi painehäviö Δp:

47 47 Pa s s kg p V D W D V p e e k i g 796,3 / 8,53 1 0,075 0,03 0,15 1,1 1 / 16,75 0, Erotusaste kuvaajasta (kuva 14) η % 70 %. 6 MAHDOLLINEN EROTTELULAITTEISTO 6.1 Nueerinen virtauslaskenta FLUENT-virtausratkaisijan avulla Fluent on laskennallinen virtausdynaiikkaan perustuva ohjelisto. Sen avulla voidaan luoda siulaatioita useista erilaisista nesteiden ja kaasujen virtauksiin, läpöliikkeisiin ja assasiirtoihin perustuvista laskentaalleista. [4] Tuhkanerottelulaitteiston putkiosuudet allinnetaan Fluentin avulla. Mallinnus antaa esierkiksi virtausnopeuksien jakauat kyseisissä putkissa. Alla olevassa kuvassa on esierkki keskipakoerottien nopeusjakauasta putkessa. Virtaus tulee putkeen nopeudella 10 /s (vihreä alue). Kuvasta voidaan havaita, että virtausnopeus on suurinta utkan sisäreunassa (punainen alue) ja pienintä utkan ulkoreunassa (sininen alue). Jos oletetaan, että erikokoiset hiukkaset liikkuisivat eri nopeusjakauien seassa, levyllä pystyttäisiin jakaaan hiukkasia eri kokoluokkiin.

48 48 Kuva 3. Nopeusjakaua keskipakoerottiessa 6. Iupupun tilavuusvirran laskenta Lasketaan iupupun tilavuusvirta. Jos oletetaan, että paine ja läpötila pysyvät vakioina, niin yös tiheys pysyy vakiona. Putken jakavan välilevyn paksuus on 1. Levyn alareuna on 10 :n päässä putken sisäpinnan alareunasta. Putken sisähalkaisija on 60. Kuva 4. Virtauskanavan poikkileikkaus []

49 49 Massavirta q = ρ* q v Tilavuusvirta q v = A *w Lasketaan pinta-alat A 1 ja A kuvasta 4. Kolion pinta-alat: ab A r ab A 360 r, a b, Ratkaistaan a (Pythagoras): a b r a r b a Sijoitetaan a kaavaan ab ja lasketaan kolion pinta-alat ,1 cos , ,7 58,6 A 360 ab 58, r ,1 47, 1

50 50 Ratkaistaan a, (Pythagoras):,,,,, 0 30 a b r a r b a Sijoitetaan a, kaavaan, b, a ja lasketaan kolion pinta-alat. 447, , cos,, 3 308, 447, ,1 360 b a r A Kokonaisassavirta q 1, 1,, 1, A A A w w A A w A w A w A w A w q q q vakio q q q q q q v v v v v v Vakiokerroin k:n arvolla pystytään äärittäään pupun tilavuusvirta q v.

51 51 k q q q q 1 q vakio k q v1 q v q v, w A, w A w 1, A w, w A, 1 A A A A A 1 308,3 k 308,3 47,1 0, Valistusateriaalit ja piirustukset Putkiateriaalin on kestettävä kulutusta, sen työstettävyyden pitää olla helppoa ja edullinen hinta on eduksi. Putken sisäpuolen on oltava sileää, jotta virtaus olisi ahdollisian tasaista koko putken pinta-alalta. Putkiateriaalina voidaan käyttää terästä, haponkestävää terästä tai läpinäkyvää akryylia. Näistä ateriaaleista akryylin käyttö olisi perusteltua, sillä läpinäkyvyyden ansiosta laitteiston ahdollisissa testauksissa voidaan hiukkasvirtauksia todeta visuaalisesti putkessa. Ritilä voidaan valistaa aluiinista saoin kuin syöttösuppilo ja keräysastiat. Aluiini on kevyt ja koneistettava ateriaali. Erotinlaitteisto koostuu erilaisista putkista, levystä, syöttösuppilosta, ritilästä, keräysastioista, hanoista ja alipainepupuista. Tuhka syötetään syöttösuppilon kautta putkeen, jonka alapäässä on ritilä. Ilaa puhalletaan jatkuvasti ritilän läpi, jolloin tuhka liikkuu putkea pitkin ylöspäin. Tuhka jatkaa kulkuaan putken utkaosaan, jossa se eroaa erikokoisiin partikkeleihin putkessa olevan levyn eri puolille. Erotellut partikkelit ietään eri keräysastioihin.

52 Kuva 5. Kokonaiskuva erottiesta 5

53 53 Syöttösuppilon kautta tuhka syötetään erotinlaitteistoon. Syöttösuppilossa on tiivis kansi, jolloin tuhka ei pääse pöllähtäään huoneilaan, kun ilaa puhalletaan ritilän kautta putkeen. Kuva 6. Syöttösuppilo Tuhka tulee syöttösuppilosta ritilälle. Ritilän seulakoko on sellainen, että tuhka ei pääse putoaaan sen läpi. Ritilän tukkeutuista pyritään ehkäiseään puhaltaalla ilaa ritilän alapuolelta. Puhalletun ilan ukana tuhka liikkuu putkea pitkin ylöspäin. Kuva 7. Ritilä

54 54 Putken utkaosasta on kuva seuraavassa. Mutkassa on levy tietyssä kohdassa putkea. Hiukkaserotus tapahtuu utkassa keskipakoisvoiaan perustuen. Hiukkaset jakaantuvat levyn eri puolille. Putki on läpinäkyvää akryylia ja levy on aluiinia. Kuva 8. Putken utkaosa 7 YHTEENVETO Insinöörityöni vastaa osittain Tuhka-hankkeen tavoitteisiin tuhkanerottelulaitteiston suunnittelun osalta. Suunnittelutyöni perustui täysin teoreettisiin tietoihin ja laskeliin tuhkan osalta. Suunnittelutyö olisi ollut todenukaisepaa, ikäli tuhkasta olisi ääritetty tarkein sen kokojakauia ja koostuusta. Virtauslaskelia Fluent- virtausohjelalla ei opinnäytetyöni tekoaikana ehditty yöskään toteuttaa tarpeeksi, jolloin olisi saatu tietoa virtauksista putkissa ja suunnitella putkistoa parein tulosten perusteella. Periaatepiirros tuhkanerottelulaitteistosta saatiin valiiksi ja tätä parannellaan allinnuksesta saatujen tulosten perusteella. Työssä itoitettiin ja laskettiin yös itat syklonille, joka on yksi soveltuva vaihtoehto tuhkan erotukseen. Sykloni voidaan liittää osaksi erotinlaitteistoa tai se voi toiia erillisenä erotinlaitteistona. Laitteiston virtauslaskelat allinnetaan siis Fluent- virtausohjelalla ja tään allintaisen jälkeen on ahdollisia korjauksia laitteistoon tehtävä ennen sen rakentaista. Laitteisto rakennetaan Kyenlaakson aattikorkeakoulun energiatekniikan laboratorioon allinnuksesta saatujen tulosten ukaisesti. Valista erotuslaitteistoa testataan ja ahdollisia laitteistolla eroteltuja partikkeleita tutkitaan ja analysoidaan tarkein yöhein. Erityisesti tuhkan hyötykäyttöä selvitetään. rakennusai-