KIINTEÄN POLTTOAINEIDEN KATTILOIDEN PÄÄSTÖMITTAUKSIA

Transkriptio

1 MITTAUSRAPORTTI KIINTEÄN POLTTOAINEIDEN KATTILOIDEN PÄÄSTÖMITTAUKSIA Jarmo Lundgren LVI ja energiatekniikan insinööri Metalli ja LVI Lundgren Oy Metalli ja LVI lundgren Oy Autokatu 7 Jarmo Lundgren 327 Huittinen Kuninkaankatu 1 jarmo@putkijampat.fi

2 2 1. YLEISTÄ Bioenergia ry/ Hannes Tuohiniemi ja Motiva Oy/ Kirsi Sivonen tilasivat yhteenvedon kiinteän polttoaineiden kattiloiden mitatuista päästöistä Metalli ja LVI Lundgren Oy/ Jarmo Lundgreniltä. Raportin tarkoituksena on laatia yhteenvetoa kiinteän polttoaineen kattiloiden nykytilanteesta ja päästöistä kokoluokassa - kw. Mittaustulokset perustuvat Jarmo Lundgrenin mittauksiin eri kattilalaitoksilla ja muutamaan erikseen tilattuun hyötysuhde-/ päästömittaukseen. Olemme laatineet taulukon mitatuista kohteista ja tuloksista, sekä otamme kantaa päästöjen syntytapaan, niiden yhteyksiin ja mahdollisuuksiin. Raportissa on käsitelty myös hieman tuhkan analysointia ja lämpöarvon määritystä, joka on osa syntyviä päästöjä. 2. MITTAUSMENETELMÄT 2.1 Hyötysuhde ja häviöt Hyötysuhde ja häviötehot laskettiin mittausjaksojen aritmeettisilla keskiarvoilla. Laskentatapana käytettiin Satakunnan ammattikorkeakoulun Kattilalaitosten vastaan- ja käyttöönoton palveluiden kehittäminen projektin mukaista menetelmää, jossa määritetään kattilan teho ja poltossa syntyvät häviöt, jotka ovat: - savukaasuhäviö - palamattomien kaasujen häviö - tuhkahäviö - säteily ja konvektiohäviö 2.2 Savukaasuanalyysi Savukaasun pitoisuudet ja lämpötila on mitattu mittausjakson aikana 6 sekunnin välein ja talletettu. Happi (O2), typenoksidit (NO x ), rikkidioksidi (SO 2 ) ja häkä (CO) mitataan sähkökemiallisilla kennoilla hiilivedyt (C x H y ) mitataan NDIR-absorptioon perustuvalla menetelmällä ja savukaasun lämpötila termoelementillä. 2.3 Kattilan teho Kattilan teho on määritetty kattilan läpi virtaavan vesivirran ja lämpötilaerojen mukaan. Vesivirta on mitattu ultraäänimittarilla. Lämpötilat on mitattu K-tyypin termoelementillä ja dataloggerilla, myös laitosten omia energia mittalaitteita on käytetty mittauksissa. 2.4 Polttoaine ja tuhka Polttoainenäyte on otettu mittaushetkellä käytetystä polttoaineesta ja siitä mitattu laboratoriossa kosteus ja hehkutushäviö. 2. Melumittaus Ei raportissa 2.6 Hiukkasmittaus Savukaasujen hiukkaspitoisuus on mitattu Standardin SFS-En ja SFS 3866 mukaisesti in stack menetelmällä. Mittauspisteet eivät yleisesti ottaen ole kyseisissä laitoksissa standardin mukaisia. 2.7 Omakäyttöteho Ei raportissa

3 3 3. TULOKSET 3.1 Päästöjen syntyminen ja polttoaine 3.2 Päästöt ilmaan syntyvät epätäydellisestä palamisesta kaasumaisina ja hiukkasmaisina sekä huonosta kattilan lämmöntalteenotosta savukaasun lämpönä. Päästöt ympäristöön syntyvät huonoista polttoaineista tuhkana sekä kaasuina ja polttotekniikasta huonona energiantuotannon hyötysuhteena. Mitattujen kohteiden perusteella voimme todeta seuraavaa: - nykyaikaisessa kiinteänpolttoaineen kattilalaitoksessa kokoluokka - kw tärkein asia on hyvä polttoaine - energiantuotannon hyötysuhteen nostaminen on tehokkain tapa vähentää päästöjä ympäristöön, joka tarkoittaa puhtaan palamisen vaatimista ja savukaasujen lämpötilan minimoimista - tuloksista on helppo havaita suuria vaihteluja hiilimonoksidi ja hiukkaspitoisuuksissa, joka on seurausta epätäydellisestä ja huojuvasta prosessista - kiinteänpolttoaineen kattiloissa tuotekehitykseen polttoprosessin osalta panostaneet yritykset ovat saaneet kaasumaiset ja hiukkasmaiset päästöt alhaisemmiksi - päästöjen vähentäminen vaatii seurantaa, laadukasta polttoainetta ja polttoprosessin kehittämistä - huomiota tulee myös kiinnittää tuhkan ja polttoaineen pitoisuuksiin Päästöjen yhteydet - Hiilimonoksidi korreloi hiilivety yhdisteitä, hiilimonoksidin noustessa yli 2 ppm alkaa muodostua hiilivetyjä. Mittauksissa on mitattu metaania CH4, propaania C3H8 ja yhdisteitä H2xC, näistä propaania ja metaania esiintyi vasta yli ppm häkä pitoisuuksissa. Muita hiilivety yhdisteitä esiintyy huomattavasti enemmän jo matalammissa pitoisuuksissa, ohessa mittaustuloksia Hiilivetypitoisuus hiilimonoksidin funktiona (ppm) Hiilivetypitoisuus hiilimonoksidin funktiona (ppm) Lin. (Hiilivetypitoisuus hiilimonoksidin funktiona (ppm))

4 4 - Hiukkaspitoisuus voi vaihdella merkittävästi esimerkiksi kolmen perättäisen mittauksen aikana samalla teholla ja samalla polttoaineella ( %), varsinkin silloin kun hiukkaspäästö on merkittävä. Matalilla hiukkaspitoisuuksilla päästö pysyy huomattavasti tasaisempana, ohessa mittaustuloksia. - Hiilimonoksidi korreloi myös hiukkaspäästöä. - Jäännöshapen määrä vaikuttaa oleellisesti kattilan hyötysuhteeseen ja saadaan pysymään noin 6-8 % pitoisuudessa aiheuttamatta kaasumaisia/hiukkasmaisia päästöjä hyvällä polttoaineella. Pysyvyys on myös merkki tasaisesta palamisesta pesässä ja edellyttää ns.happisäätöä toisioilmalle. Jäännöshapen huomataan hieman laskevan polttoaineen kosteuden noustessa ja hiilimonoksidin olevan pienimmillään noin 8 % jäännöshappipitoisuudella. Erittäin kuumissa tulipesissä jäännöshappi saadaan -7 % pitoisuuksiin aiheuttamatta hiilimonoksidin syntymistä, ohessa mittaustuloksia.

5 - Typenoksidit syntyvät lähinnä polttoaineen typen mukaan, palaturpeen NOx päästöt ovat selvästi korkeampia kuin puu polttoaineen NOx päästöt, NOX päästöt kasvavat myös tulipesän kuumuuden noustessa, eli puhtaalla ja kuumalla palamisella saadaan aikaan NOx päästöjä - Suurin hyötysuhteeseen vaikuttava tekijä on savukaasun lämpötila. Useissa mittauksen kohteena olevissa kattiloissa savukaasun lämpötila on huomattavan korkea jo osateholla. Tämä aiheuttaa lisäksi ongelmia savukaasupuhaltimille ja rakenteille. Mitatuissa kohteissa savukaasun lämpötilan ollessa korkea on myös hiukkaspitoisuus korkea, tämä viittaa myös kattiloiden kehitykseen (energiatehokkuuden parantaminen), ohessa mittaustuloksia. - Kattilantoiminnan kannalta on erityisen tärkeää säätää automatiikka toimimaan hyvin jotta saadaan tasainen prosessi, huojuva prosessi aiheuttaa aina hiukkasia ja kaasumaisia päästöjä - Tuhkassa palamattoman osuus korreloi liian nopeaa polttoprosessia, jolloin hiili ei ehdi palamaan tuhkasta kokonaan, tämä voi aiheuttaa myös huomattavan hyötysuhdehäviön. Tuhkan pitoisuuksiin vaikuttaa käytettävä polttoaine ja liuennut metalli arinasta. 3.2 Mahdollisuudet Suomi on kansainvälisesti laitevalmistajien kärkimaa kiinteänpolttoaineen kattilalaitoksissa kokoluokassa - kw, laitokset rakennetaan ympärivuotiseen käyttöön ja huipputehon pysyvyys on varmasti suurimpia maailmassa. Polttoaineen siirto ja laitosratkaisut ovat kestäviä ja kokonaisuus on aina suunniteltu. Kuitenkin tässä kokoluokassa palamisen ja polttamisen tuotekehitys on erittäin vähäistä ja perustuu monilta osin vanhaan olemassa olevaan tekniikkaan. Toiset laitevalmistajat panostavat asiaan ja tulokset näkyvät mittauksissa. Ensiarvoisen tärkeää olisi saada palaminen puhtaaksi jo kattilan tulipesässä, koska savukaasun puhdistimet eivät paranna polttoa vaan puhdistavat savukaasuja. Päästörajoja ja hyötysuhdevaatimuksia on erittäin vaikea määrittää ja todentaa, standardin mukaiset mittaukset ja laskelmat ovat kustannuksiltaan korkeita ja todellisuudessa hetkelliset mittaukset eivät ole luotettavia. Mittausten tulisi olla pitkäaikaisia tai jatkuvia. Mittaustulosten perusteella ja oman kokemukseni sekä aikaisemman esimieheni Jukka Yrjölän mukaisesti suosittelisin hyötysuhteesta luopumista ja mittaamaan todellisia suuria ja ongelmallisia häviöitä kuten savukaasunlämpötila, jäännöshappi, hiilimonoksidi, tuhka ja todentamaan kattilan oikean tehon ja polttoaineen. Kun nämä asiat saadaan kuntoon, voidaan mittaustulosten perusteella todeta että päästöt ympäristöön vähenevät ja energiantuotannon hyötysuhde nousee.

6 6 Kiinteän polttoaineiden kattiloissa tulisi olla jatkuvatoiminen happi, hiilimonoksidi ja savukaasujen lämpötilan mittaus joilla ohjataan polttoprosessia, lisäksi tulisi kehittää edullinen hiukkasmittaus, kuten auton hiukkaspäästöille tai ns. suodattimen paine-ero mittaus, jotta voitaisiin kustannustehokkaasti seurata hiukkaspäästöjä ja puuttua peliin päästöjen kasvaessa. Ohessa häviöiden suuruuksia kuvaavia kaavioita. tsk-tkh ( o C) 33 o C 28 o C 23 o C 18 o C 13 o C 8 o C häviö (%) O 2 (%) Savukaasun lämpötilan aiheuttama häviö kuivasta polttoaineesta häviö (%) lastu pala jauhe pöly Tuhkan aiheuttama häviö partikkelin luonteen ja värin mukaan CO (ppm) 4 ppm häviö (%), 4, 3 ppm 3, 2 ppm 1 ppm 1 ppm ppm , 1,, O 2 (%) Häkäpitoisuuden mukainen palamattomien kaasujen häviö kuivasta polttoaineesta

7 7 Päästörajoja määritettäessä tulisi myös määrittää polttoaine ja mittausyhteet päästömittauksille, nykyisille pienille kattilalaitoksille ei standardin mukainen hiukkasmittaus ole kovinkaan helppo toteuttaa ja virhe on usein suuri. Kaasumaiset päästöt on huomattavasti helpompi mitata, koska kaasu kanavassa on homogeeninen. Pienissä kattilalaitoksissa on yleisiä ilmavuodot tulipesään tai tuhkatilaan, joka aiheuttaa liian korkeita jäännöshappipitoisuuksia. Tästä seuraa edelleen korkeita hiilimonoksidi pitoisuuksia kun yritetään jäännöshappipitoisuutta alas. Ohessa pari tuhka-analyysiä ja hakepolttoaineen lämpöarvo Pelletin tuhka-analyysi Näyte P K Mg Ca Cd Hg As Pb Cr Ni Zn Pelletin tuhka 11, 29, 49,1 38 1,2 <,2 < Viljan kuoren tuhka Arseeni (As) <.8 Barium (Ba) 6 ka Kadmium (Cd) <.2 ka Kromi (Cr) 3 ka Kupari (Cu) 38 ka Elohopea (Hg) <.7 ka Molybdeeni (Mo) 7 ka Nikkeli (Ni) 13 ka Lyijy (Pb) < 2 ka Antimoni (Sb) < 1 ka Seleeni (Se) 2 ka Vanadiini (V) < 1 ka Sinkki (Zn) 19 ka Normaalin hakepolttoaineen lämpöarvon määritys Näyte Tuhka % (81 C) Tehollinen lämpöarvo MJ/kg Hakepolttoaine,62 19,2 LIITTEET: Päästömittaus_keskiarvot Hiukkaskokojakauma Kaasuanalyysejä 1 kpl kiinteäpolttoaine Jarmo Lundgren, ins. mittaaja