[LAATUHAKKEEN KÄYTETTÄVYYS POLTTOAINEENA PELLETTIJÄRJESTELMISSÄ ]

Transkriptio

1 toukokuuta 2011 Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/ Janne Nalkki Tämän työn tavoitteena oli selvittää koneellisesti kuivatun ja seulotun laatuhakkeen käytettävyys pellettilämmitysjärjestelmissä kokoluokassa kw. Työssä selvitettiin hakkeen ja pelletin eroavaisuuksia varastoinnissa, siirtojärjestelmissä, poltossa sekä polttoaineen ominaisuuksissa. Havaittujen tulosten perusteella annettiin kehitysehdotuksia pohdittaviksi. Työ koostui kolmesta osakokonaisuudesta; polttoaineanalyyseistä, varastointi- ja holvausselvityksestä sekä koepoltoista. Selvitystyö toteutettiin Jyväskylän Ammattikorkeakoulun Bioenergiakeskuksen ssa. Työn tuloksena saatiin aikaiseksi kattava käsitys laatuhakkeen sekä puupelletin eroavaisuuksista lämmityspolttoaineena. Testeissä käytettiin Ariterm Oy:n laitteita, jotka oli valittu edustamaan markkinoilla olevia pellettilaitteita, normaalia markkinoilla olevaa puupellettiä sekä työn tilaajan toimittamaa laatuhaketta. Tulokset olivat lupaavia mutta pieniä eroja polttoaineiden ominaisuuksissa ja käytettävyydessä esiintyy, joihin on syytä panostaa tuotekehityksessä. Näitä ovat mm. polttoaineiden erilainen holvaantuminen, joka on syytä huomioida varastointiratkaisuissa. Toinen merkittävä asia on erilainen polttoaineiden energiatiheys, joka vaikuttaa mm. siirtojärjestelmien toimivuuteen ja oikeaan säätämiseen. Laatuhakkeen käytölle reunaehtojen korjattua ei ole teknistä estettä mutta informaation merkitys on suuri sekä pienten teknisten polttoaine- ja laiteominaisuuksien modifiointitarve oleellinen. 1 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

2 Sisällysluettelo 1. SELVITTYSTYÖN TAUSTA JA KOEJÄRJESTELYT TULOKSET Polttoaineanalyysit Varastointikokeet ja siirtojärjestelmän käytettävyyskokeet Koepoltot Koeajo A Referenssipelletti Koeajo B Laatuhake pelletin säädöillä Koeajo C Laatuhake Koejakso D Osatehokokeet YHTEENVETO JA LOPPUPÄÄTELMÄT BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

3 1. SELVITTYSTYÖN TAUSTA JA KOEJÄRJESTELYT Selvitystyössä lähtökohtana oli selvittää laatuhakkeen käytettävyys pellettipolttolaitteistoissa asiakkaan näkökulmasta. Ajatuksena oli hankkia tietoa siitä, mitä muutoksia laitteisiin on tehtävä, mitä asioita on otettava huomioon ja millaisiin asioihin tulisi kiinnittää huomiota sekä laatuhaketta käyttävän asiakkaan luona sekä laatuhakkeen tuotannon laadunhallinnassa ja laitetekniikassa. Koejärjestelyt Ajankohta: Toukokuu Paikka: Työn tekijät: Käytetyt mittalaitteet: Jyväskylän Ammattikorkeakoulu, Bioenergiakeskus, Kattilatestauslaboratorio, Tarvaala Jyväskylän Ammattikorkeakoulu Oy Janne Nalkki (tutkimuksen vastuuhenkilö), Hannu Vilkkilä (mekaaniset asennustyöt), Jaakko Tukia (prosessitehtävät) ja Niina Raudasoja (savukaasuanalyysit) Selvitystyössä käytettiin kalibroituja ja virallisesti hyväksyttyjä testauslaboratorion mittalaitteita. (tarkempi kuvaus ko. mittauksen yhteydessä) Polttoaineet: Koelaitteet: Vapo Oy kuoreton puupelletti 8 mm (tehdas Turenki) sekä tilaajan toimittama Laatuhake Ariterm 360 Bio vm. 2011, 60 kw kattila; Biojet 60P vm. 2007, 60 kw poltin; Pellettisyötin PS10 vm ja Ohjaus Arimatic BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

4 2. TULOKSET 2.1 Polttoaineanalyysit Polttoaineista koostettiin kokoomanäytteet, jotka analysoitiin akkreditoidussa laboratoriossa. Laatuhakkeen analyysitulokset: Analyysi Tulos Yksikkö Menetelmä Kokonaiskosteus 22.0 m-% CEN/TS Irtotiheys (tilavuuspaino) 221 kg/m 3 CEN/TS Tuhkapitoisuus (550 C) 0.4 m-%, k-a CEN/TS Kalorimetrinen lämpöarvo MJ/kg, k-a CEN/TS Tehollinen lämpöarvo MJ/kg, k-a CEN/TS Tehollinen lämpöarvo MWh/t k-a Tehollinen lämpöarvo, saapumistilassa MJ/kg CEN/TS Tehollinen lämpöarvo, saapumistilassa MWh/t CEN/TS Energiatiheys 0.87 MWh/m 3 Partikkelikokojakauman analyyseissä käytettiin seulakokoja 1 mm, 2 mm, 3,15mm, 8,0mm, 16,0mm, 31,5mm, 45,0mm ja 63,0mm. Partikkelikokojakaumassa on syytä huomioida että tulos on suuntaa antava ja pätee vain analysoituun näytteeseen. 4 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

5 Kuva 1. Laatuhakkeen partikkelikokojakauma Partikkelit jakautuvat siten, että lähes puolet (47.6 m-%) on kooltaan 3,15 8,0 mm, alle 8 mm jaetta on yhteensä 59.4 % massasta. 37% massasta on kooltaan 8-16 mm partikkelia ja 96,4% massasta on alle16 mm partikkelia. Partikkelikokojakaumassa tehtiin lisäksi vertailu ns. normaaliin kokopuuhakkeeseen. Kuva 2. Kokopuuhakkeen partikkelikokojakauma 5 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

6 Kokopuuhakkeessa partikkelikokojakaumassa suurin ero laatuhakkeeseen syntyy siinä, että joukossa on yli 31.6 mm partikkeleita 8,4 m-%. Referenssinä käytetyn puupelletin analyysitulokset: Analyysi Tulos Yksikkö Menetelmä Kokonaiskosteus 8.4 m-% CEN/TS Irtotiheys (tilavuuspaino) 668 kg/m 3 CEN/TS Tuhkapitoisuus (550 C) 0.3 m-%, k-a CEN/TS Kalorimetrinen lämpöarvo MJ/kg, k-a CEN/TS Tehollinen lämpöarvo MJ/kg, k-a CEN/TS Tehollinen lämpöarvo MWh/t k-a Tehollinen lämpöarvo, saapumistilassa MJ/kg CEN/TS Tehollinen lämpöarvo, saapumistilassa MWh/t CEN/TS Energiatiheys 3.17 MWh/m 3 6 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

7 Lämpöarvo [MWh/t] Energiatiheys [MWh/m 3 ] Laatuhake Puupelletti Lämpöarvo, ka Lämpöarvo, sp Energiatiheys Taulukko 1. Laatuhakkeen ja pelletin lämpöarvojen ja energiatiheyden vertailutaulukko Laatuhakkeen ja pelletin massayksikköä kohti oleva tehollinen lämpöarvo on luonnollisesti lähes sama. Kosteus ja polttoaineiden tiheys huomioiden muutoksia alkaa syntyä ja tämä tulos heijastuu polttoaineen käytettävyyteen siirtojärjestelmissä ja on otettava huomioon. Kokeiden aikana laatuhakkeen kosteusvaihtelut olivat voimakkaita. Toimituskosteus oli tasolla 20-22% mutta säkin sisäosista mitattiin yli 30% kosteuksia sekä lämmintä haketta. Säkin ollessa hallissa avoinna kokeiden aikana jolloin polttoaineen tuli tasaantua tapahtuikin niin että säkin reunamat alkoivat kuivua voimakkaasti ja 2 viikon kuluttua kokoa säkki oli kosteudeltaan 11-15%. Taulukossa 2. on esimerkki energiatiheyden muutoksista käyrästöllä laatuhakkeella kun laatuhakkeen irtotiheys (tilavuuspaino) muuttuu. Energiatiheys MWh/m kg/m 3 7 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

8 Taulukko 2. Laatuhakkeen energiatiheyden muutos tilavuuspainon muuttuessa 2.2 Varastointikokeet ja siirtojärjestelmän käytettävyyskokeet Kiinteille polttoaineille on ominaista sen holvaantuminen. Holvaantumisvoimakkuuteen vaikuttaa merkittävästi polttoaineen palakoko, muoto ja kosteus. Holvaantumisen määritystä varten on juuri valmistunut EN standardi mutta sen hyödyntäminen tässä tutkimuksessa oli käytännössä mahdotonta. Holvaantumisilmiön mallintaminen toteutettiin Tulimax viikkosäiliöllä (kuva 3.) Kuva 3. Demo ja testaussiilon rakenne. Siiloon täytettiin mitattavaa polttoainetta kartio-osuuden yläpintaan asti. Massa punnittiin 20 gramman tarkkuudella. Tämän jälkeen pohjan sulku avattiin ja polttoaineen annettiin valua siilosta tyhjäksi täysin vapaasti koskematta siiloon ja polttoaineeseen. Kun valunta loppui, pohjakartio suljettiin ja massa punnittiin uudelleen. Sama koe suoritettiin 5 kertaa samalle polttoaineelle varmistuksen sekä mahdollisen hajonnan selvittämiseksi sekä 3 erilaisellle pohjapintaalalle. Syöttösiilo oli neliöpyramidi, jonka pohjalla oli pyöreä reikä jonka läpi tehtiin ensimmäinen koe (reikäkoko 160 mm eli 201 cm 2 ). Reiän kokoa muutettiin asentamalla pohjalle puulevy, johon oli tehty reikä. Puulevyssä olevat reiän koot olivat halkaisijaltaan 120 mm (113 cm 2 ) ja 60 mm (28 cm 2 ). Siilon seinämät olivat 45 ja siilon nurkkien 32 tyhjänä. 8 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

9 Pelletti oli valumisen suhteen paras polttoaine, sillä polttoainetta valui merkittäviä määriä jokaisesta testattavasta reiästä läpi. Laatuhake meni kokonaisuudessaan läpi avoimesta reiästä. Reiän kokoa pienennettäessä laatuhake ei enää mennyt läpi. Lisäreferenssinä kokeiltiin myös normaalia runkopuuhakkeen toimivuutta ja todettiin että se ei mennyt läpi edes avoimesta reiästä. Pelletille jäännösprosentit olivat 25% reiän ollessa 120 mm ja 50% reiän koolla 60 mm. Laatuhake teki erittäin voimakkaita pystysuoria holvaantumisia. Tulosten perusteella käytännössä jää jäljelle muutamia vaihtoehtoja, miten holvaantumista voidaan vähentää ja estää; a) varastosiilon purkureikien koko on kasvatettava (esim. tässä tapauksessa reiän pinta-alan kasvu 113 cm 2 => 201 cm 2 ratkaisi ongelman, b) pohjakulmien jyrkkyyttä kasvatettava voimakkaasti (esim. nyt siilo c) siilon pohjarakenteeseen on lisättä vibraattori/täristin joka rikkoo holvaantuneen rintaman d) pohjasekoitin esim. lautaspurkain tmv. Myös materiaalien valinnalla voidaan vaikuttaa materiaalien valumiseen. Kuva mm reikä, 120 mm reikä ja 60 mm reikä. Kuva 5. Esimerkki laatuhakkeen holvaantumisesta sekä suurista palasista ja epäpuhtauksista Siirtojärjestelmän mittauksissa käytettiin PS10 järjestelmää jonka ratasvälitykset oli suunniteltu 200 kw polttolaitteiden pelletin syötölle. 9 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

10 kg/h Pelletti Laatuhake PS 10 syöttö-% Taulukko 3. Syöttömäärien muutokset pelletillä ja hakkeella muutettaessa syöttö-%:ia. Taulukon 3 taustana käytettiin laskentamallia, jonka perusteella pystyttiin arvioimaan 60 kw laitteistolle soveltuvat ohjeelliset syöttömäärät koepolttoja varten. Ohjauslogiikkaan asetetut syöttöprosentit pelletille olivat 60 kw:lla n. 8.50% ja hakkeelle n. 55%. Syöttöprosentti kertoo sen aikaan suhteutetun ajan jonka ruuvi käy. Esim. 55% asetusarvo tarkoittaa, että ruuvi käy. minuutin aikana esim. 33 s käy ja 27 s lepää. Pelletillä sama 8.5 % syötöllä tarkoitti 5 s käy ja 55 s lepää. Nämä arvot ovat suuntaa-antavia ja saavutettava lopullinen teho riippuu myös puhallusarvoista erityisesti ensiöpuhalluksen voimakkuudesta. Kun lasketaan esim. 10% syöttöarvoilla pelletti siirtyy palopäähän 16.7 kg/h ja haketta vain 4.6 kg ja tilavuuksina pelletin ja hakkeen siirtoero ei ole suuri 24l/h pelletti ja 21 l/h haketta. Suurin ja merkittävin ero on energiatiheydessä joka samalla 10% syöttömäärällä on n. 79 kwh/h ja haketta vain 18.4 kwh/h. Saavuttaakseen saman energiamäärän polttoainetta palopäähän on haketta syötettävä tilavuudeltaan 79/18 = 4.3 kertaisesti ja tässä tapauksessa se tarkoittaa että syöttöarvot (oletuksena sama teho ja sama hyötysuhde) pitäisivät olla tasolla 44% (pelletillä 10%). Loppu hienosäätö tehdään palamisilmoja säätämällä. Laatuhakkeen varmistusajo tehtiin vielä uudelleen Lisäkoeajojen aikana huomattiin, että hake oli kuivunut merkittävästi verrattuna ensimmäiseen koepolttoon nimellisteholla. 10 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

11 KW 200 Pelletti Laatuhake Ruuvin syöttö-% Taulukko 4. Ohjeellinen syöttömäärän suhde saavutettavaan tehoon 2.3. Koepoltot Koepolttojaksoja suoritettiin yhteensä 4kpl (A, B, C ja D) + varmistusmittaus C. Ensimmäinen koepolttojakso A oli referenssi puupelletillä. Koepolttojakso B oli koepolttojakson A säädöillä, joilla haluttiin selvittää miten säätämättä laitteistot toimivat vai toimivatko ollenkaan. Koepolttojakso C toteutettiin laatuhakkeella, jolle pyrittiin hakemaan sellaiset säädöt joilla palaminen oli toteutettavissa. Koepolttojaksossa D tehtiin poltot n. 40%:n osateholla pelletille sekä laatuhakkeelle. Polttolaitteet kiinnitettiin testipenkkiin nro 3. Testipenkkiin liitettyä mm. ohjattiin prosessia ja seurattiin sekä kontrolloitiin palamista, vesien lämpötiloja, paineita, päästöjä ja tehoja. Savukaasupäästöistä mitattiin O2, CO (ppm), CO%, CO2, NOx, OGC, savukaasujen lämpötilat, hormin alipaine, ilmapaineet, hiukkaset jatkuvatoimisesti. Analysaattorit kalibroitiin ennen koepolttojen aloittamista ja kaikkien koepolttojen välissä kattila nuohottiin ja puhdistettiin tuhkista. Savukaasujen lämpötilat mitattiin pt100 antureiden avulla 5 instrumentin keskiarvotietona. Jokainen instrumentti oli upotettu savukanavaan eri syvyydelle. Kaikki koepoltoissa käytetty mittausdata on erikseen liitteinä. Savukaasumittauksien tiedot: Savukaasumittaukset Kaasu Mittausalue Mittausperiaate Tarkkuus 11 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

12 CO ppm IR kaasufiltterikorrelaatio (Gfx) CO 0-2,5 % IR-Tekniikka < 1% CO2 0-20% IR-Tekniikka < 1% < 1% tai 2 ppm O2 0-25% Paramagneettinen < 0,05% THC ppm Liekki-ionisaatio (FID) ± 2 % THC ppm Liekki-ionisaatio (FID) ± 2 % Nox ppm Kemiluminenssi < ± 1 % NO ppm Kemiluminenssi < ± 1 % SO ppm UV < ± 1 % Hiukkaset mg/nm3 Gravimetrinen Jatkuvatoiminen, Hiukkaset mg/nm3 elektrodynaaminen Lämpötilamittaus C PT 100 Lämmitetty näytelinja Winkler C 15 m Lämmitetty näytteenottosondi JCT JES C (Max. 600 C) Lämpötilamittaukset Mittausalue Pt C Savukaasut Pt C Vesilämpötilat 0.11 PMP MPa Prosessipaineet ± 0,15 % Koepolttojen käynnistäminen tapahtui ensin kattilaveden lämmittämisellä ja palamisen vakiinnuttamisella. Se kesti tilanteesta riippuen 2-4 tuntia/koeajo. Itse koeajon kesto oli jaksoissa A-C 4-6 tunnin keskeytymätön jakso, jonka aikana ei säätöihin koskettu. Kuva 6. pellettisyötin PS10 ja Biojet 60 kw 12 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

13 Kuva 7. Ariterm 360 Bio vm. 2011, 60 kw kattila 13 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

14 Kuva 8. Savukaasujen näytteenottosondi ja lämpötila- ja hormin- sekä ilmanpainemittarit Kuva 9. Savukaasuanalysaattori 14 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

15 Kuva 10. Prosessin valvomo Koeajo A Referenssipelletti Koejakson A polttoaineen käytettiin puupellettiä. Polttoainekulutus oli koejakson aikana 100,31 kg, josta energiaa saatiin siirrettyä veteen 419,7 kwh. Suoralla menetelmällä laskettu hyötysuhde koejakson A aikana oli 88,2 %. Referenssinä käytetyn pelletin kosteus koepolton aikana oli 7.9% ja lämpöarvo MWh/tn Teho Koeajon säädöt olivat seuraavat: Ruuvin syöttö-% 8.5% Ensiöpuhallin 8% Toisiopuhallin 18% Kattilan nimellisteho on 60 kw, johon pelletillä päästiin helposti. Keskimääräinen teho koeajon aikana (6 h) oli 66,3 kw. 15 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

16 kw /16/ :31:12 5/16/ :45:36 5/16/ :00:00 5/16/ :14:24 5/16/ :28:48 5/16/ :43:12 5/16/ :57:36 5/16/ :12:00 5/16/ :26:24 Koeajo A hetkellinen teho (KW) 5/16/ :40:48 5/16/ :55:12 5/16/ :09:36 5/16/ :24:00 Taulukko 5. Koeajo A referenssipelletti hetkellinen teho koeajon aikana O2 ja CO Kattilan ohjeistuksessa tavoitearvoiksi määriteltiin jäännöshapelle taso 7-9% ja häkälle alle 150 ppm. Puupelletillä näihin arvoihin löytyivät säädöt nopeasti. Keskiarvo koeajon A jakson aikana hapelle oli 8.04%. 5/16/ :38:24 5/16/ :52:48 5/16/ :07:12 5/16/ :21:36 5/16/ :36:00 5/16/ :50:24 5/16/ :04:48 5/16/ :19:12 5/16/ :33:36 5/16/ :48:00 5/16/ :02:24 5/16/ :16:48 5/16/ :31:12 5/16/ :45:36 5/16/ :00:00 % O2-% ja CO2-% O2% CO2 % 5/16/ :16:48 5/16/ :02:24 5/16/ :48:00 5/16/ :33:36 5/16/ :19:12 5/16/ :04:48 5/16/ :50:24 5/16/ :36:00 5/16/ :21:36 5/16/ :07:12 5/16/ :52:48 5/16/ :38:24 5/16/ :24:00 5/16/ :09:36 5/16/ :55:12 5/16/ :40:48 5/16/ :26:24 5/16/ :12:00 5/16/ :57:36 5/16/ :43:12 5/16/ :28:48 5/16/ :14:24 5/16/ :00:00 5/16/ :45:36 5/16/ :31:12 5/16/ :16:48 Taulukko 6. Happi (O 2 ) ja hiilidioksi (CO 2 )-päästöt koejakson aikana 16 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

17 Häkä Häkä (CO) ppm päästöjen keskiarvo oli 44 ppm jota voidaan pitää erittäin hyvänä arvona. EN standardin vaatimusten mukaisesti ilmoitettu arvo redusoituna 10% happipitoisuuteen oli 19,77 mg/mj. ppm CO Häkä (ppm) /16/ :00:00 5/16/ :45:36 5/16/ :31:12 5/16/ :16:48 5/16/ :02:24 5/16/ :48:00 5/16/ :33:36 5/16/ :19:12 5/16/ :04:48 5/16/ :50:24 5/16/ :36:00 5/16/ :21:36 5/16/ :07:12 5/16/ :52:48 5/16/ :38:24 5/16/ :24:00 5/16/ :09:36 5/16/ :55:12 5/16/ :40:48 5/16/ :26:24 5/16/ :12:00 5/16/ :57:36 5/16/ :43:12 5/16/ :28:48 5/16/ :14:24 5/16/ :00:00 5/16/ :45:36 5/16/ :31:12 5/16/ :16:48 5/16/ :02:24 5/16/ :48:00 Taulukko 7. Häkä-päästöt koejakson A aikana SO 2 ja NO x Rikkidioksidipäästöt (SO2) olivat keskimäärin koejakson A aikana alle 15 ppm ja typpipäästöt (NOx) keskimäärin 73.5 ppm. ppm NO x ja SO 2 (ppm) 17 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

18 NOx SO2 5/16/ :02:24 5/16/ :48:00 5/16/ :33:36 5/16/ :19:12 5/16/ :04:48 5/16/ :50:24 5/16/ :36:00 5/16/ :21:36 5/16/ :07:12 5/16/ :52:48 5/16/ :38:24 5/16/ :24:00 5/16/ :09:36 5/16/ :55:12 5/16/ :40:48 5/16/ :26:24 5/16/ :12:00 5/16/ :57:36 5/16/ :43:12 5/16/ :28:48 5/16/ :14:24 5/16/ :00:00 5/16/ :45:36 5/16/ :31:12 Taulukko 8. Typpi- ja rikkidioksidi-päästöt koejakson A aikana Savukaasujen lämpötila ja Tuhka Koejakson A päätyttyä kerättiin tuhka-astiasta pohjatuhkat talteen ja punnittiin. Tuhka oli erittäin hienosti loppuun palanutta. Tuhkamäärä oli vain 87.7 gr eli kun lasketaan tuhkan massa/poltettu pelletti saadaan arvoksi n. 0.1% mitä voidaan pitää erittäin hyvänä ja ilmentävän sitä että palaminen oli hyvää. Biojetin palopää pysyi koko koejakson erittäin puhtaana. Savukaasujen lämpötilan keskiarvo oli koejakson aikana 152C. Tulosta hieman nostaa, se että hormin veto oli liian kova ja savukaasujen lämpötila tippui n. 10C esitetystä keskiarvotasosta kun vetoa vähennettiin. Viimeisen tunnin lämpötilan keskiarvo oli 138C. Tällä oli myös vaikutusta hyötysuhteeseen. Kuva 11. Palopää koejakson jälkeen ja koejakson A aikana muodostunut pohjatuhka 18 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

19 Koeajo B Laatuhake pelletin säädöillä Koeajon B aikana huomattiin PS 10 syöttimessä tukkeutumisongelmia jotka johtuivat suurista hakepaloista ja lisäksi myös syöttimen rakenteesta. Koeajo B yritettiin ensin käynnistää, mutta poltto keskeytyi syöttimen yläruuvin rikkoutumiseen. Syy oli hakkeen pakkautuminen sulkusyöttimen yläpuolella olevan reiän päälle ns. hyllylle. Ruuvi vaihdettiin ja sitä vahvistettiin hitsaamalla lehti useammasta kohdasta kiinni sekä poistamalla syöttöä haitannut hylly (kuvat liitteessä x). Hyvin nopeasti oli selvillä että koepoltto pelletin säädöillä ei onnistu. Pelletin säätöarvot ovat huomattavasti pienemmät kuin hakkeella. Koeajon B laatuhakkeen kosteus vaihteli ja kosteutta jouduttiin mittaamaan useita kertoja. Vaihtelu oli välillä % ja keskiarvo 18.5% ja lämpöarvo MWh/tn Teho Pelletin säädöillä ajettaessa laatuhakkeella päästiin vain 9,8 kw:n keskitehoon. Tuloksissa näkyy selvästi, ettei palaminen ollut hyvällä tasolla. Koejakson hyötysuhde jäi alhaiseksi tasolle 55.6%. Hallin ilmanpaine oli keskimäärin 1005 mbar. kw Hetkellinen teho (kw) /11/ :04:48 5/11/ :50:24 5/11/ :36:00 5/11/ :21:36 5/11/ :07:12 5/11/ :52:48 5/11/ :38:24 5/11/ :24:00 5/11/ :09:36 5/11/ :55:12 5/11/ :40:48 Taulukko 9. Koejakson B hetkellinen teho (kw) Häkä Häkäpäästöt nousivat luonnollisesti myös korkeammiksi tämän koejakson aikana, johtuen siitä että palaminen ei ehtinyt vielä vakiintumaan. Koejakson häkäpäästöjen keskiarvo oli 604 ppm ja muutamia huippuja yli 1000 ppm tason. 19 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

20 ppm Häkä CO (ppm) /11/ :04:48 5/11/ :50:24 5/11/ :36:00 5/11/ :21:36 5/11/ :07:12 5/11/ :52:48 5/11/ :38:24 5/11/ :24:00 5/11/ :09:36 5/11/ :55:12 5/11/ :40:48 Taulukko 10. Koejakson B häkäpäästöt Happi ja hiilidioksidi Jäännöshapen (O 2 ) päästöjen pitoisuudet olivat epätavallisen korkealla joka ilmentää sitä että palopäähän ei pelletin säädöillä kulkeutunut riittävästi haketta. Hiilidioksidi seuraa hapen pitoisuuksia kääntäen verrannollisesti. % O2 % CO2 % 5/11/ :04:48 5/11/ :50:24 5/11/ :36:00 5/11/ :21:36 5/11/ :07:12 5/11/ :52:48 5/11/ :38:24 5/11/ :24:00 5/11/ :09:36 5/11/ :55:12 5/11/ :40:48 20 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

21 Muut päästöt Savukaasujen lämpötilat jäivät alhaisiksi johtuen huonosta palamisesta, keskiarvo alle 80C. Muut päästöt pysyivät alhaisina; typpi (NOx) (ka ppm) ja rikkipäästöt (SO2) (5.3 ppm) mutta eivät luonnollisesti kerro totuutta koska palaminen ei vakiintunut ongelmitta Koeajo C Laatuhake Laatuhakkeen ensimmäistä koeajoa edelsi vaikeudet pellettisyöttimen rikkoutumisen kanssa ja koeajo aloitettiin 2 kertaa mutta jouduttiin keskeyttämään ruuvin rikkoutumisen vuoksi. Lopullinen ajo suoritettiin muutostöiden jälkeen kello välisenä aikana. Muutosten jälkeen PS 10 syötin toimi ilman häiriöitä. Koeajoa C valmisteltiin hakemalla säätöjä sopivaksi laatuhakkeen käyttöön ja päädyttiin koeajon ajaksi seuraaviin säätöarvoihin. Säätöarvojen lopullinen hienosäätö olisi vaatinut enemmän aikaa, minkä vuoksi koejakson C tuloksia voidaan pitää vasta suuntaaantavina. Varmistusajo suoritettiin uusintana Ensimmäisen ja toisen uusinta koepolton välissä hakkeen kosteus oli laskenut keskimäärin tasolta 18.5% tasolle 12%, mikä muutti jälleen polton asetuksia koska energiatiheys muuttui. Tilavuuspaino muuttui myös toimitustilasta 220 g/l tasolta 244 g/l tasolle eli energiatiheydessä muutos on voimakas 0.87 MWh/m 3 => 1.11 MWh/m 3. Koejakson C säädöt: polttoaine laatuhake (Laatuhakkeen kosteus 18.5%) Ruuvin syöttö-% 55 % (vrt pelletti 8.5%) Ensiöpuhallin 9 % (vrt pelletti 8%) Toisiopuhallin 27 % (vrt pelletti 18%) Varmistuskoeajo C säädöt: polttoaine laatuhake (laatuhakkeen kosteus 11.8%) Ruuvin syöttö-% 42 % (vrt pelletti 8.5%) Ensiöpuhallin 9 % (vrt pelletti 8%) Toisiopuhallin 26 % (vrt pelletti 18%) Laatuhakkeen kosteuden muuttuessa syöttöä tiputettiin tasosta 55% tasolle 42%. Tämä tarkoittaa myös käytännössä sitä, että asiakkaan siiloissa laatuhake saattaa kuivua merkittävästi ja sen kosteudessa on vaihteluita. Erityistä huomiota on syytä kiinnittää säkitykseen ja jos laatuhake säkitetään lämpimänä haihtumista alkaa tapahtua hiljalleen ja hake kuivuu jos se pääsee säkissä tuulettumaan. Toinen käytännön keino välttää näitä on jäähdytys tai lyhytaikainen varastointi ennen säkitystä jonka aikana polttoaineen kosteuden tasoittuvat. Savukaasupäästöjä ei varmistuskoeajossa mitattu koko jaksolta Teho ja hyötysuhde Asetetuilla koepolton C säädöillä päästiin helposti haluttuun nimellistehoon. Koejakson keskiteho oli 68.5 kw. Näillä säädöillä hyötysuhteeksi saatiin 75.7%. Varmistuskoeajon C keskiteho oli 66.6 kw ja esitetyillä säädöillä päästiin hyötysuhteeseen 77.3%. Kosteusvaihtelut näkyivät palamisen aikana ja tuhkassa oli jonkin verran palamatonta haketta joukossa. 21 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

22 Koeajo C hetkellinen teho (kw) kw /13/ :45:36 5/13/ :14:24 5/13/ :43:12 5/13/ :12:00 Taulukko 12. Koejakson C hetkellinen teho (kw) 5/13/ :40:48 5/13/ :09:36 5/13/ :38:24 5/13/ :07:12 5/13/ :36: Häkä Häkäpäästöt pysyivät koejakson C ajan hakkeelle hyvällä tasolla. Koejakson C keskiarvo oli 157 ppm, muutamia yli 500 ppm huippuja lukuun ottamatta taso säilyi ppm välissä. ppm /13/ :31:12 5/13/ :00:00 5/13/ :28:48 Koeajo C häkä CO (ppm) 5/13/ :55:12 5/13/ :26:24 5/13/ :57:36 5/13/ :24:00 5/13/ :52:48 5/13/ :21:36 Taulukko 13. Koejakson C häkä-päästöt (ppm) Happi ja hiilidioksidi Jäännöshappi oli pellettiin verrattuna hyvin samalla tasolla. Koejakson keskiarvo oli 8.4 %. Pieni notkahdus koejakson loppuvaiheessa arvoissa näkyy mutta keskimäärin taso oli hyvä. 22 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

23 % Koeajo C happi (O 2 ) % ja hiilidioksidi (CO 2 ) % /13/ :31:12 5/13/ :00:00 5/13/ :28:48 5/13/ :57:36 5/13/ :26:24 5/13/ :55:12 5/13/ :24:00 5/13/ :52:48 5/13/ :21:36 O2 Happi CO2 Taulukko 14. Koejakson C Happi ja hiilidioksidi-päästöt (%) Tuhka, hiukkaset ja savukaasujen lämpötilat Pohjatuhka kerättiin koejakson jälkeen pois tuhka-astiasta ja punnittiin. Tuhkaa kertyi 512,4 gr eli kun lasketaan tuhkan massa/poltettu pelletti saadaan arvoksi n. 0.58%. Koejakson jälkeen tuhka oli hyvin hienoa, harmaata ja selvästi hyvin palanutta. Palopäähän kerääntyi pieniä määriä tuhkaa, jolla näkyi olevan lievää tuhkan muutosta (shrinking properties, ash tower) mutta se ei häirinnyt palamista näin lyhyellä polttojaksolla. Savukaasujen lämpötilojen keskiarvo oli koejakson aikana 168 C. Tämä tarkoittaa käytännössä kuluttajilla sitä että tuhkamäärän kasvu pitää ottaa huomioon siirryttäessä pelletistä laatuhakkeen käyttöön. 23 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

24 Kuva 11. Koejakson C aikana muodostunut pohjatuhka, palopää ja tuhka-astia. Kokonaishiukkasia mitattiin jatkuvatoimisella elektrodynaamisella mittaustavalla, lukemat eivät ole absoluuttisia lukuarvona mutta vertailukelpoisia keskenään koska ne on määritetty samalla tavalla toisiinsa nähden. Taulukossa 15. on esitetty pelletin ja laatuhakkeen hiukkaspäästöjä, jotka ovat erittäin alhaisella tasolla vrt taulukko Referenssipelletti Laatuhake Taulukko 15. Koeajojen A ja C hiukkaspäästöjen vertailukuvaaja Koejakso D Osatehokokeet Osateholla ajettiin ensin puupelletillä ja laatuhakkeella, molemmilla 3 tunnin jakso. Osateholle säätäminen palaminen hyvälle tasolle oli selvästi haasteellisempaa kuin nimellisteholle. Laatuhakkeen kosteus oli tipahtanut tasolle 15% (keskiarvo 15,2%). 24 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

25 Teho ja hyötysuhde Koejakson osatehot olivat referenssipelletillä 24.7 kw ja laatuhakkeella 25.1 kw. Asetusarvot olivat seuraavat: Pelletti Laatuhake Ruuvin syöttö-% 3.8% 20% Ensiöpuhallin 7 % 3% Toisiopuhallin 5 % 7% Osateho pelletti Osateho laatuhake Taulukko 16. Hetkellistehot osatehoilla koejakson D aikana Referenssipelletin koejakson hyötysuhde osateholla oli 86.7% ja laatuhakkeen 78.9%. Tulosten perusteella voidaan todeta että laatuhakkeella on helposti saavutettavissa samat osatehot kuin pelletillä ja kohtuullisen hyvillä hyötysuhteilla. 25 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

26 % Referenssipelletti Laatuhake Taulukko 17. Koejakson D osatehoilla suoritetun ajon hyötysuhteet Häkä Häkäpäästöissä pelletin ja hakkeen välillä oli pientä eroa. Pelletin osatehon CO-päästöt olivat keskimäärin 207 ppm ja laatuhakkeella 622 ppm. Vaihtelut häkäarvoissa olivat laatuhakkeen poltossa voimakkaampia kuin referenssinä käytetyllä puupelletillä Pelletti Laatuhake Taulukko 18. Osatehoilla suoritetun koejakson häkä (CO) päästöt 26 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

27 Happi (O 2) Jäännöshappi oli osatehoilla ajettaessa korkeampi kuin nimellistehoilla. Referenssipelletin koejakson O2% oli keskimäärin 13.1% ja laatuhakkeen 11.8%. Puhallusmääriin ei koejakson aikana enää koskettu eikä muutoksia tehty vaikka havaittavissa oli että varsinkin referenssipelletin O 2 pitoisuudet kohosivat hiljalleen koejakson edetessä. Erittäin mielenkiintoista olisi ollut tehdä samat koeajot jäännöshappiohjauksella, jolla olisi voinut olla merkitystä myös muihinkin päästöihin. % Pelletti Laatuhake Taulukko 19. Osatehoilla suoritetun koejakson D happipitoisuudet Tuhka, savukaasujen lämpötilat ja hiukkasvertailu Osatehojen aikana referenssipelletin tuhkanmuodostus oli erittäin vähäinen (pohjatuhkaa 7,6 gr). Laatuhakkeen tuhkan joukossa oli jonkin verran havaittavissa palamatonta ainetta, jonka vuoksi myös tuhkamäärä oli suurempi (pohjatuhkaa 308,6 gr) 27 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

28 Kuva 12. Laatuhakkeen osateholla tehdyn koejakson pohjatuhkaa Savukaasujen lämpötilat olivat molemmille polttoaineille osatehoilla alhaisia. Referenssipelletin koejakson savukaasujen keskilämpötila oli 99C ja laatuhakkeen 96C. Lämpötilojen vaihtelu on kuvattu taulukossa 19. C Pelletti Laatuhake Taulukko 19. savukaasujen lämpötilojen vaihtelut osateholla koejakson D aikana Kokonaishiukkasia mitattiin jatkuvatoimisella elektrodynaamisella mittaustavalla. Tulokset eivät ole absoluuttisesti oikeita mutta samalla määritystavalla ohjeellisia ja vertailukelpoisia toisiinsa nähden. Taulukossa 20. on esitetty pelletin ja laatuhakkeen erot hiukkaspäästöissä, josta näkee että hakkeella vaihtelut ovat huomattavasti voimakkaampia kuin pelletillä. 28 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

29 Pelletti Laatuhake Taulukko 20. Kokonaishiukkasvaihtelut koejakson D aikana 3. YHTEENVETO JA LOPPUPÄÄTELMÄT Työn tarkoituksena oli selvittää laatuhakkeen soveltuvuus pellettilämmityslaitteistoihin kokoluokassa kW. Testilaitteina käytettiin markkinoilla tyypillisiä laiteratkaisuja joiden perusteella voidaan yhteenvetona todeta, että laatuhake soveltuu hyvin polttoaineeksi tietyin reunaehdoin. Näitä reunaehtoja ovat varastoinnin vaatimat muutostarpeet tai muutokset kuluttajan huoltotoimenpiteissä, siirtojärjestelmien modifiointitarve, säätötarpeet sekä polttoaineen tasalaatuisuuden kehittäminen. Kaikki tarvittavat reunaehdot ovat ratkaistavissa suhteellisen pienin muutoksin sekä informaation lisäämisen avulla. Hyötysuhteissa on laatuhakkeella mahdollista päästä samalla tasolle pelletin kanssa. Päästöissäkään ero ei ole suuri kun palaminen on säädetty karkeasti oikealle tasolle. Tuhkan muodostumisessa on eroja, jotka johtuvat luonnollisesti polttoaineiden eroista. Nimellisteholla laatuhakkeen kosteuden ollessa alhaisella tasolla hiukkaspäästöt pysyvät hyvin kurissa. Häkäpäästöt laatuhakkeen poltossa oli hieman korkeammat kuin pelletillä mutta erot ovat erittäin pieniä. Pitkäaikaisessa käytettävyystutkimuksessa voitaisiin todeta, aiheuttaako tuhka käytännössä kuluttajille muutostarpeita tai ongelmia, mutta lyhyiden koepolttojen 29 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

30 jälkeen havaitut muutostarpeet ovat pieniä; esim. tuhkanpoistoväliä on tihennettävä. Tehot on saavutettavissa laatuhakkeella hyvin edellyttäen että syöttöjärjestelmää on säädettävissä riittävästi. % Koeajo A Pelletti Koeajo B Laatuhake Koeajo C Laatuhake Koeajo C Laatuhake varmistus Koeajo D Pelletti Koeajo D Laatuhake Taulukko 21. Vertailu eri koeajojen hyötysuhteista Syöttöjärjestelmiä on markkinoilla hyvinkin erilaisia. Tässä selvityksessä pystyttiin selvittämään ainoastaan PS10 järjestelmän toimivuus ja voidaan todeta että laite toimi pienien muutosten jälkeen moitteettomasti. Pellettisyöttimen yläruuvin tukkeentuminen nykyisessä mallissa saattaa olla ongelmallista, mutta tässä tehty muutos helpotti tilannetta ja toimintahäiriöiltä muutostöiden jälkeen vältyttiin. Reiän koko hieman kasvoi ja näin pakkaantumista ei enää tapahtunut. Samoin ruuvin lehti vaihdettiin vahvemmaksi ja vahvistettiin hitsaamalla sitä useammasta kohdasta, jotta lehti jäykistyi. Toinen vaihtoehto olisi ollut tehdä ruuvin ns. hyllyn päälliselle osalle samanlainen ruuvin lehti mutta asennettuna päinvastoin, jolloin pyöriessään ruuvi olisi itse tyhjentänyt hyllyn. Tällaisia ratkaisuja on tehty erilaisissa siirtoruuveissa. Siirtojärjestelmien ketjujen välityksiä muuttamalla myös ruuvien kierrosnopeudet muuttuvat, joten tilanteet saattavat hieman vaihdella eri välityksillä. 30 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

31 Kuva 13. PS 10 pellettisyöttimen muutokset 1)vanha hajonnut ruuvi 2)uusi vahvistettu ruuvi 3) hylly joka poistettiin. Kuva 14. Ruuvin pakkautumiskohta hyllyn päällä 31 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

32 Kuva 15. PS 10 välitykset Polttoaineen laadunhallinta on kiinteiden polttoaineiden keskeinen asia. Tässäkin tapauksessa on kiinnitettävä huomiota jatkossa laatuhakkeen puhtauteen, palakokoon sekä kosteuteen. Näillä ominaisuuksilla on oleellinen merkitys polttoaineen varastoinnin onnistumiseen, siirtojärjestelmien toimivuuteen sekä energiatiheyteen. Kosteudenhallinta koko toimitusketjun ajan on avainasemassa asiakastyytyväisyyden saavuttamisessa. Tässäkin tutkimuksessa havaittu kosteuden muuttuminen on syytä ottaa seurataan ja jatkokehitystyöhön. Esim. liian kostean hakkeen varastoiminen pellettivarastoissa voi aiheuttaa esim. homehtumisvaaran (yli 20% kosteudessa). Pellettivarastoon haketta varastoitaessa on syytä varautua ilmanvaihdon tehostamiseen ja varmistaa sen toimivuus. Yhteenvetona siirryttäessä pelletistä laatuhakkeen käyttöön on varmistettava seuraavat asiat: Laatuhake o Kosteudenhallinta => parannetaan polttoaineen ominaisuuksia, vähennetään varastoinnin yhteydessä olevia riskejä, homeet, bakteerit ja jäätyminen o Suurien partikkeleiden poistaminen => syöttöjärjestelmät toimivampia sekä varastointi toimivampaa Varastointi o Holvaantumisriski => liukkaammat materiaalit, täryt, reikien koot o Suurempi tilantarve tai tiheämpi täyttöväli o Ilmanvaihdon varmistaminen siilossa/varastossa Siirtojärjestelmä 32 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/

33 o Toimivuuden varmistus => pienet ja ahtaat kohdat pois, hyllyt, pykämät pois, spiraalien vahvistaminen o Mahdollisuus lisätä syöttöä riittävästi (esim. 4 X) Palamisen säätäminen o Puhallusten säätäminen => jäännöshappiohjaus suositeltava ratkaisu Huoltotoimet o Tuhkanpoistovälit Jos nämä edellytykset saadaan asiakaskohtaisesti kuntoon ja vaihtelut minimoitua niin ei ole estettä laatuhakkeen käytölle pellettilaitteissa. Liitteet: Kaikki liitteet laskennassa käytetystä raakadata sekä valokuvista tallennetaan muistitikulle ja toimitetaan erikseen työn tilaajalle Tarvaalassa MH Janne Nalkki 33 BIOENERGIAKESKUS Jyväskylän ammattikorkeakoulu Oy Bioenergiakeskus/