Torrefaction taruja ja totuuksia BioRefineohjelman torrefaction-projektin valossa. Biohiiliseminaari , Hanasaari Carl Wilén, VTT

Transkriptio

1 Torrefaction taruja ja totuuksia BioRefineohjelman torrefaction-projektin valossa Biohiiliseminaari , Hanasaari Carl Wilén, VTT

2 2 Sisältö Johdantoa Torrefaction teknologioita Käyttökokemuksia BioRefine-ohjelman Torrefaction-projekti Pilot-kokeet Käyttöturvallisuus Mitä opittu Yhteenveto

3 3 Miksi Torrefaction Uusiutuvaksi oheispolttoaineeksi Euroopan hiilipölykattiloille Logistiikkakustannuksissa saavutetaan säästöjä kun kuljetusmäärät ja matkat ovat suuria Edut käyttökohteessa: pienet lisäinvestoinnit, jauhautuvuus, varastoitavuus Pienilläkin korvausosuuksilla käyttömäärät ovat valtavat Kyseessä on suuren kokoluokan valmistuksesta, kuljetus- ja käyttömääristä Teknologian kehitys on Euroopassa edennyt demonstraatiovaiheeseen

4 4 Torrefaction paahtaminen Lähde: Andritz separation, Price George, June 2012

5 5 W R Livingston

6 6 Käsitteitä Biohiili: miedosti hiilletty, paahdettu biomassa. Lämpökäsitellyn puun ja grillihiilen välimuoto. Käsittelylämpötila o C. Paahtopuu, torrefioitu puu Torrefied wood, TOP (TOrrefied and Pelletized), Biocoal, Green coal, Biochar ( o C), Turve Puuhake, metsähake Torrefioitu C Van Krevelen Diagram Source: J.Kiel, ECN

7 7 Useita torrefaction teknologioita Usein kehitetty eri teollisuusaloilla käytetyistä kuivureista Sekä suorasti että epäsuorasti lämmitettäviä Ensimmäiset teolliset laitokset yleensä stand-alone laitoksia, n t/a Cremers and Meijer, KEMA 2012

8 8 Eurooppa Cremers and Meijer, KEMA 2012

9 9 Andritz, kaksi teknologiaa Compact moving bed Indirect heated rotary drum Jaap Kiel, 20th European Biomass Conference and Exhibition

10 10 Topell, Netherlands Kaupallinen laitos t/a toiminnassa (Duiven) - Nimellisteho 8 t/h - Tuotettu 7000 t koe-eriä käyttäjillä - Parhaimmillaan saavutettu 75% tuotantoteho Tuotannon optimointi, sideaineet, pölyntorjunta Pyörrevirtausreaktori Ei liikkuvia osia Nopea lämmön siirto, lyhyt viiveaika 1-2 min Syötteen esikäsittely Raekoko ilmeisesti sahanpurun luokkaa

11 11 Strampoy Green Technologies, Netherlands Vibrating horisontal bed reactor Ovat toimittaneet myös rumpu-uunin Ongelmia on ollut useiden tulipalojen kanssa Tuote on tyynymäistä brikettiä (valssipuristin)

12 12 Thermya, Ranska Thermyalla kaksi teollista laitosta lähdössä käyntiin: Pohjoisranska 2* t/a Espanja t/a Kuilu-uunityyppinen vastavirta reaktori (compact moving bed) Syötettävän hakkeen kosteus % Alhainen torrefiointilämpötila 240 o C Massa saanto 95% Valumisongelmat? Kaasun kanavoituminen?

13 13 Käyttökokemuksia voimalaistokokoluokassa Vattenfall Reuter West, Berlin refined pellets : TOP-pellettejä ja höyryräjähdysmenetelmällä valmistettuja pellettejä t Varastointi, laitoskäsittely, jauhatus ja poltto Koeohjelma: - 5 päivää seossuhteella 20 m-% (16%th) - 2 päivää seossuhteella 35 m-% (29%th) - 2 päivää seossuhteella 50 m-% (43%th) Lähde: Raziyeh Khodayari, Vattenfall R & D, March 2012

14 14 Varastointi: Kokemukset - Varastointi avoaumassa hiilikentllä n. 3 kk ei tuottanut ongelmia - Valumavesissä kuitenkin korkeat COD arvot -> eristykset Käsittely: - Pölyäminen on ongelma - Turvallisuus- ja työhygienianäkökohdat - Hajuhaitat Polton osalta: - Such co-firing rates are unattainable with conventional biomass, unless significant investments are undertaken Lähde: Raziyeh Khodayari, Vattenfall R & D, March 2012

15 15 Torrefaction uudet verkottuneet biojalostamot Euroopan pelto- ja metsäbiomassan energiakantajiksi Projektin perustiedot Tutkimuspartnerit VTT Pöyry Oy (alihankkija) Energy Research Centre of the Netherlands ECN (alihankkija) Yritykset Fortum Power and Heat Oy, Helsingin Energia, Metso Power Oy, Metsä Fibre Oy, Pohjolan Voima Oy, UPM-Kymmene Oy, Vapo Oy Projektin kokonaisrahoitus , josta Tekesin osuus Projektin kesto

16 16 Päätehtävät Pilotkokeet ECN:n kg/h pilotlaitoksella Hollannissa Suomalaiset metsäbiomassat: polttohake ja metsähake Torrefactionkokeet ja pelletointikokeet Biohiilierien valmistus käsittely- ja polttokokeisiin Käsittelyn turvallisuuteen liittyvät tunnusluvut Pölyräjähdykset Itsesyttyminen Käsittelykestävyys ja varastoitavuus (esitys: Timo Järvinen, VTT) Laboratoriomääritykset TOP-pellettien oheispoltto hiilen kanssa pölypolttokattilassa CFD-simulointi (esitys: Perttu Jukola, VTT) Polttokokeet Japanissa (projektin ulkopuolinen rahoitus) (esitys: Mikko Anttila, Metso) Tiedonsiirto Euroopasta suomalaisten osapuolien käyttöön TOP-liiketoimintamahdollisuudet Suomessa ja Euroopassa (esitykset: Pöyry Management Consulting)

17 17 Pilotkokeet Hollannissa Raaka-aineet ja tuotteet Haketettu pienpuu TOP pelletti Torrefioitu puuhake Murskattu metsätähde

18 18 Pilot kokeet Hollannissa Parametrit: Kaksi raaka-ainetta: pienpuuhake, metsähake 3 lämpötilatasoa o C Tulokset: Torrefiointi kuilu-uunissa onnistuu hyvin Riittävä torrefiointiaika takaa läpipaahtuneen tuotteen Jauhatus (vasaramyllyssä) ennen pelletointia sujuu helposti Alempi torrefiointilämpötila helpottaa pelletointia Korkeampi lämpötila voi aiheuttaa sideainetarpeen pelletointivaiheessa ECN pilot plant ( PATRIG ) 18

19 19 Pölyräjähdys- ja itsesyttymiskokeet LOM, Espanja Syttymisominaisuudet Pölyräjähdysomiasuudet Itsesyttymisominaisuudet

20 20 Pölyräjähdykset Paine-aika-riippuvuus sekä räjähdysindeksit.

21 21 Pölyräjähdystunnuslukuja Torrefioitu puupöly Räjähdyspaine Pmax (bar a) Paineennousunopeus K (m*bar/s) Rajahappipitoisuus % Puupöly Turvepöly Ruskohiili Kivihiili Pölyräjähdysluokka K St -arvo (bar m/s) St 0 0 ei räjähdä St (heikko, tavanomainen) St (voimakas) St 3 > 300 (erittäin voimakas)

22 22 Syttymis- ja kytemislämpötiloja Pölypilven syttymislämpötila, o C Kerroksen kytemislämpötila, o C Torrefioitu puupöly Puupöly Turvepöly Ruskohiili Kivihiili

23 23 Onko biohiilen käsittely vaarallista? Numeroiden valossa torrefioitu puupöly on pölyräjähdys- ja itsesyttymisominaisuuksiltaan verrattavissa puu- ja turvepölyyn Kivihiilipölyyn verrattuna torrefioitu puupöly aiheuttaa suuremmat räjähdyspaineet ja paineennousunopeuden -> ärhäkkäämpää Mutta: Torrefioitu puu on haurasta ja muodostaa helposti käsittelyvaiheissa hyvin hienoa pölyä (vrt. kuiva turvepöly) Hieno pöly syttyy hyvin alhaisissa pölykonsentraatioissa (< 60 g/m 3 ) ja pienestä kipinästä Myös karkeampi biohiilipöly aiheuttaa räjähtävän ilmaseoksen (päinvastoin kuin hiilipöly)

24 24 Lessons learnt Suurempi energiatiheys Pienemmät kuljetus- ja varastointikustannukset Lämpöarvo kasvaa n. 18 -> n. 22 MJ/kg k.a. Pelletien tilavuuspaino nousee n. 650 kg/m 3 -> n. 750 kg/m 3 Puupellettien energiatiheys n GJ/m 3 -> TOP pellettien energiatiheys n. 15 GJ/m 3 Tehollinen lämpöarvo 19 MJ/ka k.a. 21 MJ/kg k.a. Irtotilavuus kg/m kg/m 3 Energiatiheys GJ/m GJ/m 3

25 25 Lessons learnt Hydrofobinen Parempi varastointikestävyys Homehtumisriskit pienemmät Torrefioidut pelletit eivät ota kosteutta ilmasta niin paljon kuin puupelletit Kostuminen riippuu mm. torrefiointilämpötilasta: korkea lämpötila -> alhaisempi tasapainokosteus Tässä suhteessa hydrofobisempia kuin puupelletit TOP-pelletti kestää vettä sadetus- ja upotuskokeissa paremmin kuin puupelletti Kestääkö TOP-pelletti avovarastointia kuten kivihiili?

26 26 Lessons learnt Hauras rakenne Parempi jauhautuvuus Pienempi energiankulutus Torrefioidun hakkeen haurautta hyödynnetään pelletointivaiheen esikäsittelyssä - Jauhatuksen energiankulutus hyvin pieni verrattuna hakkeen jauhatukseen - Pelletointiin menevän purun raekoko pienempi TOP-pelletti jauhautuu kivihiilimyllyissä (kuula-, valssimylly) helpommin kuin puupelletti Jauhautuminen poikkeaa kuitenkin selvästi kivihiilen jauhautumisesta - Kapasiteetti laskee ja energiankulutus lisääntyy - Lämpötilaa rajoitettava

27 27 Yhteenveto Useita demonstraatiohankkeita käynnistysvaiheessa Euroopassa, keskitytään myös agrobiomassojen jalostukseen Kahden viime vuoden aikana tuotantopuolella ei ole vielä tapahtunut läpimurtoa Useita tekniikoita tarjolla Prosessiolosuhteiden optimoinnissa edelleen epävarmuuksia Päämuuttujat torrefiointilämpötila ja raaka-aine Vaikuttavat paahdetun hakkeen pelletoitavuuteen, pellettien laatuun ja lujuuteen, ja sitä kautta varastoitavuuteen ja jauhautuvuuteen Käyttöpuolella kaivataan kokemuksia varastointi- ja polttokokeista voimalaitoskokoluokassa TOP-pellettien varastoitavuus Jauhautuminen hiilimyllyissä -> käyttäytyminen ja korvausosuus pölypoltossa Muutosinvestoinnit verrattuna muihin biomassavaihtoehtoihin Torrefaction EU-projekti SECTOR antaneen joitakin vastauksia

28 28 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa