Biopolttoaineiden päästöjen ja palamisen tutkimus Kuopion yliopistossa

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Biopolttoaineiden päästöjen ja palamisen tutkimus Kuopion yliopistossa"

Anne Sala
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Biopolttoaineiden päästöjen ja palamisen tutkimus Kuopion yliopistossa Jorma Jokiniemi Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio Ympäristötieteiden laitos, Kuopion yliopisto

2 Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio Prof. Jorma Jokiniemi, laboratorion johtaja TkT Jorma Joutsensaari, tutkimusjohtaja FM Mirella Miettinen DI Olli Sippula Ins. Pentti Willman FM Kati Hytönen Sihteeri Anita Kajander FM Jarkko Tissari FM Timo Turrek FM Pasi Yli-Pirilä Fil.Yo. Valtteri Suonmaa

3 Tutkimusalat: 1. Pienten hiukkasten muodostuminen ja päästöt palamisessa 2. Moottoreiden päästöjen vähentäminen ja mittaustekniikat 3. Nanohiukkasten tuottaminen ja niiden terveysvaikutukset 4. Aerosolien dynamiikan mallintaminen

4 1. Pienten hiukkasten muodostuminen ja päästöt palamisessa - pienpoltto (uunit, takat yms.) - pellettikattilat - arinakattilat - leijupetikattilat - kaasu- ja öljypolttimot - dieselmoottorit Muodostumismekanismit - OC/EC, epäorgaaninen hiili - metallit/metallikoksidit - PAH, VOC - hiukkaskokojakaumat

5 Nykyiset projektit 2006 Pienhiukkaspäästöt puunpoltossa (PUPO+PUPO-terveys) TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö Tekniikan koulutushanke (EU+lääni) Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR) Puun polton pienhiukkaspäästöjen vähentäminen lämmönvaihtimilla (LÄPI) TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö Esiselvitys puun pienpolton hiukkaspäästöjen vähentämismahdollisuuksista (PÄVÄ) TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö Biomassan ja raskaan polttoöljyn pienhiukkaspäästöt ilman tehokasta suodatusta (BIOPOR) TEKES, FINE Pienhiukkaset - Teknologia, ympäristö ja terveys

6 Puun pienpolton tutkimus Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio

7 Tutkimuslaitteet Tulisijat Pienet kattilat Öljypolttimot

8 Mittausmenetelmät (1) Kaasuanalysaattorit O2, CO2, CO, NOx, SO2, OGC, VOC FTIR (CH4 )

9 CO NOx OGC O Aika (min) Happipitoisuus (%) CO, NOx (ppm), OGC (mgc/m3) red. 13 % O

10 Mittausmenetelmät (2) Hiukkaskokomittaus SMPS: aikaresoluutio 1-2 mins TSI DMA 3071A and TSI CPC 3022A ( nm) TSI DMA 3080 and TSI CPC 3025A (3-90 nm) ELPI: reaaliaikainen Dekati 30/10 Lpm, (7? nm) FMPS : reaaliaikainen (Fast Mobility Particle Sizer) TSI 3090 ( nm)

11 Panospoltto - Syttyminen 4.E+08 Lukumäärä dn/dlogdp (#/cm3, red 13 % O2) Syttyminen Laite A, panoskoko A Laite B, panoskoko A 3.E+08 Laite C, panoskoko A Laite B, panoskoko B 2.E+08 1.E+08 0.E Hiukkaskoko (µm) 10.0

Pellettipoltin (8 kw) 3.0E+05 3 Partial load Mass 2.0E+05 2 Nominal output 1.0E+05 0.

and partial load operation of pellet burner J. Tissari, J. Nuutinen, K. Hytönen, T. Raunemaa, J. Kouki, K. Vuorio S.

12 Pellettipoltin (8 kw) 3.0E+05 3 Partial load Mass 2.0E+05 2 Nominal output 1.0E E+00 9: :00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16: :00 Figure 1: The number and mass concentrations measured with ELPI at nominal output and partial load operation of pellet burner J. Tissari, J. Nuutinen, K. Hytönen, T. Raunemaa, J. Kouki, K. Vuorio S. Tuomi (2003) Fine Particle and CO Emissions in an UnderFeed Pellet Burner. Abstract in 1st International Symposium on Incomplete Combustion, November 9 11, Kuopio, Finland. Mass concentration (mg/m3, raw) Number concentration (#/cm3, raw) Number

13 Mittausmenetelmät (4) Hiukkasten kerääminen Suodatin keräys Gravimetrinen ja kemiallinen analyysi OC/EC analyysi Dekati PM impaktori, Dp50 1.0, 2.5 and 10 µm LPI, virtuaali-impaktori SEM/TEM-keräin

14 Leivinuunin hiukkaspäästöt Leivinuunin PM1 ja TSP pitoisuus palamisvaiheittain ja vaihteluväli TSP 250 PM1 n=5 Hiukkaspitoisuus (mg/mj) n= n=1 0 Syttyminen Palaminen Hiillos

15 Mittausmenetelmät (5) Analytiikka: Gravimetrinen (1 µg) Termis-optinen hiilianalysaattori (OC/EC) Hiukkasten haihtuvuus (TDMA menetelmät) Tenax- and DNPH keräys: VOC ja karbonyyli analyysit PAH keräys: lasisondi + denuderit GC-MS (+headspace)- and HPLC laitteet orgaanisineen analytiikkaan Transmission Electron Microscope (TEM) ja Scanning Electron Microscope (SEM) + Energy Dispersive Spectrometry (EDS)

16 Mittausmenetelmät (6) Laimentaminen Ejektorilaimentimet Laimennustunneli Huuvalaimennus FPS (Fine particle sampler) Huokoinen putki laimentimet

17 Laimennustunneli

18 FPS Headspace GC-MS

19 Mittausmenetelmät (7) Hiukkasten tuotto Pirskottimet VOAG (Vibration Orifice Aerosol Generation) Dry powder generator (Topas)

20 Measurements Gas blower m3/h 5 12 m/s Dilution ratio about 10 PA H ELPI DLPI HH D D Gas cleaning Particle filtration T,P Partial dilution e.g. 60 Lpm 12.5 m/s Dilution tunnel SMPS PM Flue gas channel eg.. 40 m3/h 0.45 m/s ELPI SMPS HH D D D ELPI H PA T Gas analyses (ABB) Boiler / Stove/ Fireplace Weighing Condenser OGC CO CO2 NO NO2 O2 PM Constant vol. punp m3/h n. 2 4 m/s Dilution ratio

21 Päästöihin vaikuttavia tekijöitä Polttolaitteen ominaisuudet Tulipesän koko, muotoilu, materiaalit Savusolien koko, esteet, hormipellit Piipun koko (muoto) ja korkeus Lämmön varastoiminen Palamisolosuhteet Savukaasun viipymäaika Palamislämpötila Ilman syöttö ja polttoaineen/ilman sekoittuminen

22 Päästöihin vaikuttavia tekijöitä Savukaasun jälkikäsittely Toisiopalotila Katalysaattori, muu suodatus Toimintaolosuhteet Palamisnopeus, polttoaineen syöttötiheys Panospoltto/jatkuva poltto, säätölaitteet Polttoaine Tyyppi, laatu, koko, kosteus, hienoaines

23 Hiukkasen muoto ja koostumus Yksittäinen pallomainen hiukkanen nm Pallomaisista hiukkasista koostuva agglomeraatti alle 1 µm Yksittäinen epäsäännöllinen hiukkanen, 500 nm? Tuhkaa, nokea ja kondensoituneita yhdisteitä? Kiinteä ja/tai nestemäinen Jana 50 nm

24 Pienhiukkasten muodostuminen poltossa Tg[ C] Päästö H2SO4+hiilivety nokihiukkaset PolttoainePisara/ huono palaminen - noki ja org. hiili Pyrolyysi/ palaminen/ liekki/ höyrystyminen hiukkanen heterogeeniset reaktiot K, Na, Ca tuhkahiukkasia V, Ni, Pb, Cd Fe, Mg, Si, Ca sulfaatteja klorideja oksideita hyvä palaminen - tuhka

25 3.0 E E E E E E E E E E E E E E Particle diameter (µm) 1 Examples of number size distribution for light fuel oil and pellet burners

26 Pienhiukkaspäästöt Päästöjen muodostumiseen vaikuttavat seuraavat kolme tekijää: Polttoaine Polttolaite/prosessi Käyttäjä Hiukkaserotuslaitteisto

27 Pienhiukkaspäästöt - mitä pitää mitata? Massapitoisuus [mg/nm3, mg/mj], TSP, PM10, PM2.5, PM1, PM0.1, kokojakauma Lukumääräpitoisuus [#/Nm3], kokojakauma Raskasmetallit [µg/nm3] PAH yhdisteet ja muut orgaaniset Morfologia (agglomeraatit)

28 Polttoaineet, laitteet ja hiukkaserotuslaitteistot, PIENHIUKKASPÄÄSTÖT polttaine/ prosessi kevytöljy raskas öljy biomassa pölypoltto leijupoltto 0,5-10 arina hiili/ turve kaasu Suodatin [mg/mj] 1-30 letku, ESP 0,5-10 letku, ESP ESP, pesuri poltinpoltto 2-(10) 10-50? <2 Ei ole moottorit 20-50? 2-10 [mg/km] Ei yleensä [mg/km] pienpoltto Ei Soodakattila 5-50 ESP

29 Hiukkaspäästöjen vähentäminen hiukkaserottimet Lämmönvaihtimet/Pesurit diffuusioforeesi, termoforeesi Teoriassa toimii, käytäntö? Sähkösuodatus Olemassa kaupallinen malli (kallis, Sveitsissä) Sähköavusteinen hiukkaspoisto pienpolttoon - PUUT53/Aho Katalysaattorit USA:ssa yleisesti käytetty (keraamisia, metallisia) Suomeen?, Kennoja testattu myös Suomessa toimiiko? Syklonit Karkealle pölylle, valmistajia löytyy Muita menetelmiä? tekstiilisuodattimet

30 Moottoritestipenkki

31 Moottoritestipenkki standardi ISO 8178 dynamometri Froude Consine EC 30 max 30 kw max. 90 Nm/14000 rpm pienet teollisuus moottorit

32 FOUR-STROKE ENGINE BRAKE GAS ANALYSIS FUEL NOx CO2 CO FID O2 FILTER DILUTION TUNNEL BYPASS LINE C THERMAL DESORBER DMA CPC PARTICLE SAMPLER FOR GRAVIMETRIC AND CARBON ANALYSIS HV PUMP PUMP ELPI 30 lpm VOC/ DNPH AEROSOL SAMPLER FOR SEM/TEM GRIDS Nano-DMA UCPC

Samankaltaiset tiedostot

Puun pienpolton p hiukkaspäästöt

PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO Puun pienpolton p hiukkaspäästöt Jorma Jokiniemi, Jarkko Tissari, i Heikki Lamberg, Kti Kati Nuutinen, Jarno Ruusunen, Pentti Willman, Mika Ihalainen, Annika