Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Säätötekniikan laboratorio PUUN PANOSPOLTON IDENTIFIOINTI JA SÄÄTÖ TULISIJASSA

Transkriptio

1 Prosessi- ja ympäristötekniikan osasto Säätötekniikan laboratorio PUUN PANOSPOLTON IDENTIFIOINTI JA SÄÄTÖ TULISIJASSA Tutkintotehtävä, jonka Kai Petteri Pietilä on jättänyt tarkistettavaksi Oulun yliopiston prosessi- ja ympäristötekniikan osastolle diplomi-insinöörin tutkintoa varten. Jyväskylässä Työn tekijä: Kai Pietilä Työn valvoja: Prof. Kauko Leiviskä Työn ohjaajat: DI Mika Ruusunen Tekn. lis. Heikki Oravainen

2 OULUN YLIOPISTO Tiivistelmä opinnäytetyöstä Teknillinen tiedekunta Osasto Prosessitekniikan osasto Tekijä Pietilä, Kai Laboratorio Säätötekniikan laboratorio Työn valvoja Leiviskä, K., professori Työn nimi Puun panospolton identifiointi ja säätö tulisijassa Oppiaine Työn laji Aika Sivumäärä Automaatio- ja tietotekniikka Diplomityö Maaliskuu 5 91 (+ 13) Tiivistelmä Puun poltto tulisijassa on panospolttoprosessi, jossa ilmantarve vaihtelee palamisvaiheesta ja polttoaineen ominaisuuksista riippuen. Tässä työssä tutkitaan puun määrällisten ja laadullisten ominaisuuksien, kuten kosteuden, palakoon ja panoskoon vaikutusta panospolttoprosessin ilmantarpeeseen ja hyötysuhteeseen. Ilma syötetään koneellisesti. Eri tekijöiden vaikutusta arvioidaan Taguchin koesuunnitelmaan perustuvien polttokokeiden avulla. Polttokokeiden tulosten pohjalta kehitettiin sumea PI-säädin panospolttoprosessin ilmansyötön optimointiin. Säätösuureina käytettiin savukaasun hiilimonoksidi- ja hiilidioksidipitoisuuden suhdetta ja suhteen muutosta. Lisäksi polton optimointiin kehitettiin lämpötilan mittaukseen ja panoksen massan muutoksen laskentaan perustuva sumea ohjaus. Säätö ja ohjaus toteutettiin Labview-ympäristössä. Tuloksista havaittiin käytetyn säätömenetelmän soveltuvan panospolton ilmansyötön säätöön. Polttojakson lopussa prosessi ei enää ollut säädettävä, jolloin ilmansyöttö asetettiin vakioksi. Säätimen oli havaittava tämä muutos. Ohjausjärjestelmän testauksen tuloksista todettiin mahdollisuudet polton optimointiin myös yksinkertaisempien mittausten avulla. Tulosten vertailukohtana käytettiin luonnonvedon tapausta, jossa havaittiin hyvä ilmojen ohjattavuus. Säätö- ja ohjausjärjestelmät voidaan käytetyllä tulisijarakenteella toteuttaa myös luonnonvedolla, kun ilmansyöttö optimoidaan kuristamalla palamisilman syöttöä peltimoottoreilla Säilytyspaikka Tiedekirjasto Tellus. Muita tietoja

3 UNIVERSITY OF OULU Abstract of thesis Faculty of technology Department Department of Process Engineering Author Pietilä, Kai Name of the thesis Laboratory Control Engineering Laboratory Supervisor Leiviskä, K., professor Identification and control of batch combustion of wood in a fireplace Subject Level of studies Date Number of pages Automation and information technology Abstract Master of science March 5 91 (+ 13) Burning of wood in a fireplace is a batch combustion process, in which the optimal air demand varies depending on the stage of combustion and properties of the fuel. Qualitative and quantitative properties of wood affect the need of air and the efficiency of the combustion cycle. In this thesis, the effect of moisture content, batch size and particle size of the wood fuel on the efficiency of the combustion is studied. The combustion air feed is forced. Taguchi method is applied in the design of experiments. A fuzzy PI-controller was implemented to optimize the supply of combustion air in a batch combustion process. Carbon dioxide and carbon monoxide content of the flue gas were measured to optimize the process. Another fuzzy controller, based on the combustion temperature and calculation of the mass ratio of batch, was also implemented. The controllers were developed using the Labview software. Results of the thesis show the applicability of the CO/CO -ratio in the optimization of the batch combustion process. The potential of simpler measurements, such as combustion temperature, in the optimization was also studied. Results were compared to a natural draft combustion case. The good controllability of the combustion air feed in the natural draft combustion in the fireplace structure used in this work was observed. On the basis of the results, a control system for the batch combustion process with natural draft can be implemented. Library location Science and Technology Library Tellus Additional information

4 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO ALKUSANAT 1 JOHDANTO...1 PUUN POLTTO PIENPOLTTOLAITTEESSA....1 Polttoaine.... Prosessi ja lämmöntuotannollisesti merkittävät reaktiot Polton olosuhteet ja palamistuotteet Palamisilma ja ilmakerroin Häviöt Savukaasuhäviö Palamattoman polttoaineen häviö Kokonaishäviö Hyötysuhde Yhteenveto BIOPOLTTOLAITTEIDEN SÄÄTÖRATKAISUJA Yleistä Lämpötilan ja savukaasun mittauksiin perustuvia säätöratkaisuja Säätöratkaisujen soveltuvuus panospolton säätöön... 4 POLTTOKOKEET Koetulisija Mittaus- ja ohjausjärjestelmä Ohjelmistosovellus ja tiedonkeräysjärjestelmä Mittaukset ja ohjaukset Palamisen tunnuslukujen laskenta Tavoitteet ja tekijöiden valinta...7

5 4.4 Toteutus Tulokset Konfirmaatiokokeet Polttokokeiden tulosten tarkastelu Polttoaineen kosteus Palamisilman syöttö jäännöshiili- ja palamisvaiheessa Panos- ja palakoko Palamisen voimakkuuden vaikutus savukaasun lämpötilaan Yhteenveto POLTON OPTIMOINTIMENETELMÄN KEHITYS Optimoinnin tavoitteet Säätö/ohjausmenetelmän valinta Polton optimoinnin periaate Savukaasumittauksiin perustuva säätöjärjestelmä Sumeutus Päättely Selkeytys Säätimen viritys Palamisvaiheen laskentaan ja palamislämpötilan mittaukseen perustuva ohjausjärjestelmä Ohjausjärjestelmän viritys KEHITETTYJEN OPTIMOINTIMENETELMIEN TESTAUS PI-säätimen testaus Testauksen tulosten tarkastelu Säätimen suorituskyvyn arviointi Ohjausjärjestelmän testaus Testauksen tulosten tarkastelu Ohjauksen suorituskyvyn arviointi Yhteenveto JOHTOPÄÄTÖKSET Polttokokeet Koesuunnittelu ja tulokset...77

6 7.1. Tarkastelujakson valinta Sumea PI-säädin Sumea ohjaus Jatkokehitys YHTEENVETO...85 LÄHDELUETTELO...87 LIITTEET

7 SYMBOLILUETTELO a j koetulosten merkittävän tekijän j laskettu vaikutus, [db] C CO polttoaineen kuiva-aineen sisältämän hiilen määrä, [m-%] hiilimonoksidipitoisuus kuivassa savukaasussa, [til.-%] CO red redusoitu CO, [til.-%] CO hiilidioksidipitoisuus kuivassa savukaasussa, [til.-%] C pmd savukaasun ominaislämpö, [kj/m 3 ºC] C vesihöyryn ominaislämpö, [kj/m 3 ºC] pmh O C r H H c H u KA KA µ jäännöshiilen hiilipitoisuuden osuus polttoaineen hiilipitoisuudesta, [m-%] polttoaineen kuiva-aineen sisältämän vedyn määrä, [m-%] polttoaineen kuiva-aineen ylempi kalorimetrinen lämpöarvo, [kj/kg] polttoaineen kuiva-aineen alempi kalorimetrinen lämpöarvo, [kj/kg] keskiarvo keskiarvon optimin estimaatti L todellinen ilmamäärä palamisessa, [m 3 ] L teoreettinen ilmamäärä palamisessa, [m 3 ] N M m O mittaushetkien lukumäärä koetoistojen lukumäärä massan suhdeluku mitattu happipitoisuus kuivassa savukaasussa, [til.-%] O red happi, johon CO redusoidaan, [til.-%] Q & hyöty palamisesta hyötykäyttöön saatu lämpömäärä, [kj] Q & tuotu polttoprosessiin tuotu lämpömäärä, [kj] q kokonaishäviö, [%] q a savukaasuhäviö, [%] q b palamattoman polttoaineen häviö, [%] r partikkelin säde, [m]

8 S / N polttokokeiden tulosten signaali-kohinasuhde, [db] S / N η signaali-kohinasuhteen optimin estimaatti, [db] T tulosten keskiarvojen keskiarvo, [%] T t a tulosten signaali-kohinasuhteiden keskiarvo, [db] savukaasun poistumislämpötila, [ºC] t r U U 1 i U i Y i x y i huoneen lämpötila, [ºC] sumea joukko sääntöön i liittyvän CO/CO -suhdeluvun sumea joukko sääntöön i liittyvän CO/CO -suhdeluvun muutoksen sumea joukko sääntöön i liittyvän palamisilman määrän muutoksen sumea joukko koetulosten merkittävien tekijöiden lukumäärä polttokokeiden tuloksia y (t) palamisilman määrän muutoksen arvo V ilma ilman tilavuus, [m 3 ] V O hapen tilavuus, [m 3 ] W polttoaineen sisältämä veden määrä, [m-%] CO CO CO/CO -suhteen muutosnopeus CO CO CO/CO -suhde λ η ilmakerroin hyötysuhde η a η b lämmönsiirron hyötysuhde palamishyötysuhde µ ( CO ) CO alkion CO CO jäsenyysfunktion arvo sumeassa joukossa U U µ CO CO ( )) alkion CO CO jäsenyysfunktion arvo sumeassa joukossa i U ( t 1 i µ U CO i CO ( )) alkion CO CO jäsenyysfunktion arvo sumeassa joukossa U i ( t 1 µ ( y( t)) alkion y jäsenyysfunktion arvo sumeassa joukossa Y i Y i U 1

9 ALKUSANAT Tämä diplomityö tehtiin Oulun yliopistolla ja Jyväskylässä VTT Prosessit -yksikössä välisinä aikoina. Haluan kiittää työn ohjaajaa erikoistutkija Heikki Oravaista opastuksesta puun panospolton ja tulisijojen salaisuuksiin. Oulun yliopistolta ohjaajana toimi tutkija Mika Ruusunen. Häntä kiitän koesuunnitteluun ja säätöön saamastani asiantuntevasta opastuksesta. Työtä valvonutta professori Kauko Leiviskää kiitän työssä saamastani ohjauksesta. VTT:ltä haluan kiittää myös tutkija Mikko Jegoroffia avusta ohjelmiston kehityksessä sekä koehallin henkilökuntaa avusta polttolaitteen ja ohjausjärjestelmän kanssa. Lisäksi kiitän tyttöystävääni Hanna Järvelää saamastani tuesta.

10 1 JOHDANTO Puun käyttö polttoaineena on jatkuvassa kasvussa. Vuonna 3 puun koti- ja maatalouskäyttö oli 13 TWh, kun uusiutuvan energian edistämisohjelman tavoite vuodelle 1 on TWh. Koska puu luokitellaan uusiutuvaksi luonnonvaraksi, sen käyttö alentaa hiilidioksidipäästöjen määrää. Pienessä kokoluokassa uhkana ovat epätäydellisestä palamisesta johtuvien muiden päästöjen, kuten hiilimonoksidin, hiilivetyjen ja hiukkaspäästöjen lisääntyminen. Polttoprosessin hyötysuhde riippuu palamisen ja lämmönsiirron hyvyydestä. Kun hyötysuhde on matala, polttoaineesta saatavaa lämpöä ei hyödynnetä tehokkaasti, jolloin polttoainekustannukset ja lämmityskulut ovat suuret. Palamisen ja lämmönsiirron hyvyys riippuu palamisilman syötöstä. Optimaalinen ilmansyöttö riippuu puolestaan polttoaineen ja polttolaitteen ominaisuuksista. Puun poltto tulisijoissa on panospolttoprosessi, jossa optimi-ilmantarve vaihtelee jatkuvasti palamisvaiheesta riippuen. Ilmantarpeeseen vaikuttavat myös mm. polttoaineen kosteus, palakoko ja panoksen suuruus. Tässä työssä tutkitaan polttoaineen laatuominaisuuksien vaikutusta palamisilman tarpeeseen, polton hyötysuhteeseen ja päästöihin pienen kokoluokan polttolaitteessa. Tarkastelu rajataan alle 5 kw:n kokoluokkaan ja päästöjä tarkastellaan pelkästään hiilimonoksidin osalta. Eri tekijöiden vaikutusta arvioidaan Taguchin koesuunnitelmaan perustuvien polttokokeiden avulla. Polttokokeista lasketaan optimiparametrit, joiden perusteella suunnitellaan polton ilmansyötön optimointijärjestelmä. Panospolton ilmansyöttöön kehitetään savukaasumittauksiin perustuva säätöjärjestelmä sekä lämpötilan mittaukseen ja palamisvaiheen laskentaan perustuva ohjausmenetelmä. Kehitettyjä optimointimenetelmiä testataan vaihdellen polttoaineen kosteutta. Optimointimenetelmillä saavutetaan panospoltolle alhaiset päästöt ja pieni ilmakerroin. Tuloksista havaitaan niiden soveltuvuus panospolton ilmansyötön optimointiin. Käytettyjen optimointimenetelmien soveltuvuutta pienen kokoluokan panospolttolaitteisiin arvioidaan johtopäätöksissä.

11 PUUN POLTTO PIENPOLTTOLAITTEESSA.1 Polttoaine Puu koostuu pääasiassa selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä. Nämä kaikki ovat hiilen, vedyn ja hapen kemiallisia yhdisteitä. Hiili, happi ja vety muodostavat 99 % puun kuiva-aineen massasta. Lisäksi puussa on pieninä määrinä typpeä, rikkiä, uuteaineita ja tuhkaa. /1, s.35/ Puu sisältää myös kosteutta vapaana ja solurakenteiden sisältämänä /1, s.39/. Poltossa vesi haihtuu ennen kuin puun rakenteet alkavat hajota /15, s.14/. Kosteus alentaa polttoaineen lämpöarvoa ja palamislämpötilaa sekä hidastaa merkittävästi palamisnopeutta, koska lämpötila ei pääse kohoamaan veden höyrystymisen vuoksi. Palamisnopeus on riippuvainen lämpötilasta ja alhainen palamisnopeus hidastaa palamista. /1, s.55/ Hakattu kuivaamaton lehtipuu sisältää kosteutta 45 6 % ja havupuu 35 5 % /41, s.59/. Vuoden kuivunut puu sisältää kosteutta n. 5 3 % /7, s.36/. Puusta vapautuva lämpömäärä massayksikköä kohti ilmoitetaan lämpöarvolla. Tällöin veden höyrystymisen kulunut lämpöenergia oletetaan hyötyenergiaksi. Tehollinen lämpöarvo tarkoittaa puun täydellisessä palamisessa vapautunutta hyötykäyttöön saatavaa lämpömäärää, jolloin veden höyrystymiseen kulunut lämpöenergia lasketaan hukkaenergiaksi. /41, s.8/ Puun tehollinen lämpöarvo H u voidaan määrittää yhtälöstä /1, s.9/ H = H 1 W 1 kj,441 W 1, (1) kg u c, jossa W on polttoaineen kosteus, [%] ja

12 3 H c on polttoaineen ylempi kalorimetrinen lämpöarvo, [kj/kg].. Prosessi ja lämmöntuotannollisesti merkittävät reaktiot Tarkasteltaessa yhtä puupartikkelia palamistapahtuma koostuu kolmesta päävaiheesta: /1, s.9/ 1. Kuivuminen: kosteus poistuu puupartikkeleista. Pyrolyysi: puu alkaa hajota ja muodostaa pyrolyysikaasuja, jotka syttyvät ja palavat 3. Jäännöshiilen palaminen: pyrolyysikaasujen poistuttua jäljelle jäänyt hiili palaa. Kaikki vaiheet esiintyvät yksittäisessä puupartikkelissa peräkkäin, mutta polttopesässä kaikkia vaiheita tapahtuu yhtäaikaisesti /9, s.11/. Suurilla partikkeleilla pintakerros voi kuivua, pyrolysoitua ja syttyä, vaikka sisäosissa on vielä kosteutta. Puun kosteuden kasvaessa partikkelin syttyminen ja pyrolyysi hidastuvat. /1, s.1/ Puun pyrolyysi alkaa paikallisen lämpötilan noustessa yli 1 ºC. Reaktio on lämpöä sitova, kunnes lämpötila nousee yli 8 ºC ja pyrolyysistä tulee lämpöä luovuttava. Pyrolyysissä osa puun massasta kaasuuntuu ja osa muuttuu hiileksi. Riippuen pyrolyysin nopeudesta hiiltä muodostuu n. 1 5 % puun kuivamassasta. Pyrolyysin nopeutuessa haihtuvan aineksen määrä kasvaa ja jäännöshiilen osuus kuivapainosta pienenee. Vapauduttuaan pyrolyysikaasut reagoivat ilman hapen kanssa, kun lämpötila on yli 6 ºC. /9, s.1/ Puun komponentit pyrolysoituvat eri lämpötiloissa. Korkein reaktiivisuus on hemiselluloosalla, joka pyrolysoituu 6 ºC:n lämpötilassa. Selluloosan pyrolysoitumislämpötila on 4 ºC ja ligniinin 8 5 ºC. Ligniinin heikko reaktiivisuus johtuu sen kompleksisesta molekyylirakenteesta. /3/

13 4 Pyrolyysikaasujen lämpöä vapauttavia palamisreaktioita ovat /33, s.3/ 1 CO + ( O + 3,77N ) CO + 1,89N, () 1 H + ( O + 3,77N ) H O + 1,89N, (3) C ( n + m 4)( O + 3,77N ) nco + ( m + ) H O + 3,77( n m / 4). n H m / + N + (4) Korkeissa lämpötiloissa myös kaasumaiset pyrolyysituotteet voivat reagoida vapauttaen lämpöä /33, s.3/ CO + H + (5), O CO H CO + H CH + H. (6) 3 4 O Pyrolyysikaasujen ja hiilijäännöksen palaminen tuottavat koko prosessista saatavan lämmön /15, s.47/. Kun paikallinen puuaines on kokonaan pyrolysoitunut, jäljelle jäävä hiili palaa. Tämä edellyttää tarpeeksi korkeaa lämpötilaa ja reagoivan hapen määrää. Hiilen palaessa syntyy pieni määrä hiilivetyjä ja hiilimonoksidia. /9, s.11/ Jäännöshiilen ja hapen välisissä reaktioissa syntyy hiilidioksidia ja hiilimonoksidia ja lämpöä vapautuu /33, s.3/ ( O +,77N ) CO 3,77, C + + (7) 3 N 1 C + ( O + 3,77N ) CO + 1,89N. (8) Hiili voi myös reagoida vedyn kanssa muodostaen metaania ja lämpöä C + H. CH 4 (9)

14 5 Kun hiili reagoi kaasutusreaktioissa ilman happea, lämpöä sitoutuu C + CO CO, (1) C + H O CO + H. (11).3 Polton olosuhteet ja palamistuotteet Syttymiseen ja palamisen etenemiseen vaikuttavat eniten polttoaineen kosteus, haihtuvien aineiden osuus polttoaineessa, ilmavirtauksen suuruus, polttoaineen partikkelikoko ja muoto sekä palamisilman lämpötila /15, s.47/. Puupolttoaineen syttymistä hidastavat erityisesti korkea polttoaineen kosteus sekä suuri palakoko /1, s.18/. Palaminen on täydellistä, kun polton olosuhteet ovat ideaaliset ja prosessi saa tarpeeksi happea. Tällöin palamistuotteissa ei esiinny vetyä, hiilivetyjä eikä hiilimonoksidia. Ideaaliset palamisolosuhteet vaativat polttoaine-ilmaseoksen täydellisen sekoittumisen, kaasuuntuvien polttoaineosien syttymislämpötilaa korkeamman lämpötilan ja palavien kaasujen riittävän pitkän viipymäajan polttimessa. /9, s.6/ Kun polttoaine palaa alimäärällä happea, hiilen palaminen on epätäydellistä ja savukaasu sisältää hiilimonoksidia ja hiilivetyjä /31, s.11/. Haitallisia tuotteita puun poltossa syntyy myös silloin, kun pyrolyysikaasu ei tapaa riittävän kuumaa pintaa, jolloin pyrolyysikaasut poistuvat paloalueelta palamattomina tai termisesti toisiksi aineiksi muuntuneina /9, s.1/. Pyrolyysikaasujen reaktioissa () (4) ja (7) (8) reagoiva happi on peräisin polttoaineesta ja sekundääri-ilmasta. Liian vähäisestä sekundääri-ilman syötöstä seuraa pyrolyysikaasujen poistuminen tulipesästä palamattomina. Liian suuri sekundääri-ilman määrä puolestaan jäähdyttää tulipesää, jolloin pyrolyysikaasujen palamisreaktiot hidastuvat. /3, s.3/ Polton olosuhteita voidaan parantaa polttolaitteen suunnittelulla ja palamisilman syötöllä. Palamisilman ja palavien kaasujen sekoittumista voidaan edistää sopivan suuruisella ja oikein kohdistetuilla palamisilmojen syötöllä, jolloin palotilaan saadaan riittävän turbulenttiset olosuhteet. /9, s.8/

15 T = 673 K T = 773 K T = 873 K T = 573 K Pyrolyysiluku Partikkelikoko [m] Kuva 1. Pyrolyysiluvun riippuvuus partikkelikoosta ja lämpötilasta. /3/ Pyrolyysin nopeuteen vaikuttavia tekijöitä ovat lämpötila ja polttoaineen ominaisuudet, kuten massa ja lämmönsiirto. Lämmönsiirrolla on lisäksi merkitystä myös palamistuotteiden koostumukseen. Palakoon kasvaessa reaktiokinetiikka ei enää rajoita pyrolyysinopeutta. Rajoittava tekijä on tällöin kappaleen lämmönsiirtonopeus, joka pienenee palakoon kasvaessa. /3/ Pyrolyysinopeutta rajoittavaa tekijää voidaan tarkastella dimensiottoman pyrolyysiluvun avulla, joka riippuu partikkelin lämmönjohtavuudesta, tiheydestä, ominaislämpökapasiteetista ja halkaisijasta. Pyrolyysiluvun riippuvuus lämpötilasta ja kappaleen palakoosta on esitetty kuvassa 1 /3/. Pyrolyysiluvun ollessa >> 1 pyrolyysin rajoittava tekijä on reaktiokinetiikka. Kun pyrolyysiluku on << 1, palakoko rajoittaa pyrolyysiä. /3/

16 7,1 7 C Pitoisuus [til.-%],8,6,4, 8 C 9 C 1 C 11 C,,4,6,8 1, Aika [s] Kuva. Hiilimonoksidin palaminen. Poltetun kaasuseoksen koostumus on CO,1 til.- %, O 1 til.-%, H O,1 til.-% ja N til.-%. Kuvaajista nähdään hiilimonoksidipitoisuuden muutos sekunnin aikana eri lämpötiloissa. Pitoisuus muuttuu hiilimonoksidin palaessa hiilidioksidiksi. /19, s.1/ Pyrolyysikaasujen, kuten metaani, etaani, hiilimonoksidi ja vety, olennaisin palamisaikaan vaikuttava tekijä on lämpötila. Lämpötilan ollessa yli 8 ºC palaminen on pääsääntöisesti nopeaa. Vedyllä palamiseen suurilla nopeuksilla riittää alle 8 ºC:n lämpötila. Eniten lämpötila rajoittaa palamisnopeutta hiilimonoksidilla. Lämpötilan vaikutus hiilimonoksidin palamisnopeuteen esitetään kuvassa /19, s.1/. Myös vesihöyryn pitoisuus vaikuttaa hiilimonoksidin palamisnopeuteen. Palamisnopeus kiihtyy selvästi, kun vesihöyrypitoisuus kasvaa välillä 1 til.-%. /19, s.6/ Jäännöshiilen palamisvaiheessa hiili reagoi hapen kanssa hiilidioksidiksi ja hiilimonoksidiksi reaktioiden (7) ja (8) mukaan. Tällöin syntyvän hiilimonoksidin hapettuminen hiilidioksidiksi reaktiossa () riippuu pääosin kaasun lämpötilasta. Kun kaasu on alle 8 ºC, ei hapettumista juuri tapahdu ja kaasu poistuu jäännöshiilikerroksesta hiilimonoksidina. Korkeammissa lämpötiloissa osa CO:sta ehtii palaa hiilidioksidiksi. Palamisnopeus kiihtyy lämpötilan noustessa. /35, s.6/

17 8 C 1 Lämpötila a) b) c) 8 CO, CO CO, O CO 6 4 Palamisilma Kuva 3. Palamisilman kanavoituminen jäännöshiilikerroksessa. Palamisilma voi kanavoitua, kun hiilikerrokseen syntyy aukko, josta ilma pääsee virtaamaan reagoimatta. Palamisen täydellisyyteen vaikuttavat paikallinen palamisilmamäärä ja lämpötila. Palamisilman kanavoitumiseen vaikuttavat jäännöshiilikerroksen epätasaisuus ja arinaraudoitus. /35, s.6/, /34, s.15/ Kuvassa 3 /35, s.6/, /34, s.15/ esitetään palamisilman kanavoitumisen vaikutus hiilimonoksidin syntymiseen jäännöshiilikerroksessa. Tilanteessa a) jäännöshiilikerroksen tiiviys estää palamisilman pääsyn kerroksen läpi, jolloin kaasun lämpötila voi nousta korkeaksi. Tällöin happea ei riitä kerroksen yläosissa ja kaasutusreaktiot (1) ja (11) ovat vallitsevia. Kun lämpötila on riittävän korkea, osa hiilimonoksidista voi kuitenkin hapettua hiilidioksidiksi reaktion () mukaan. Tilanteessa b) aukko jäännöshiilikerroksessa aiheuttaa palamisilman kanavoitumisen. Tästä seuraa paikallinen lämpötilan lasku, jolloin hiilikerroksessa syntyvä CO ei voi palaa hiilidioksidiksi. Kun lämpötila on yli 9 ºC ja palamisilma pääsee reagoimaan jäännöshiilikerroksessa, palamisreaktiot (7), (8) ja (9) ovat vallitsevia ja palamistuotteena on hiilidioksidi. /35, s.6/

18 9.4 Palamisilma ja ilmakerroin Puun polttamiseen tarvittava happi saadaan ilmasta, jossa sitä on noin 1 tilavuusprosenttia. Palamisen ilmamäärä saadaan lasketuksi, kun palamisreaktioissa tarvittava hapen määrä kerrotaan luvulla 4,76 /41, s.3/ V ilma = 4,76 VO (1) Palavien alkuaineiden ja hapen täydellisellä sekoittumisella palamiseen riittää teoreettinen ilmamäärä. Todellisuudessa sekoittuminen ei ole täydellistä, vaan täydellisen palamisen saavuttamiseksi on käytettävä teoreettista suurempaa ilmamäärää. Todellisen L ja teoreettisen L ilmamäärän suhdetta kutsutaan ilmakertoimeksi λ /41, s.33/ L λ =. (13) L Ilmakerroin voidaan likimääräisesti laskea myös yhtälöstä /41, s.34/,95 λ =, (14),95 O jossa O on mitattu happipitoisuus kuivassa savukaasussa. Kuvassa 4 /7, s.53/ on esitetty erään kattilan savukaasujen koostumuksen riippuvuus ilmakertoimesta. Kuvasta nähdään, että tällä polttolaitteella palaminen on epätäydellistä, kun ilmakerroin on alle 1,5. Tällöin savukaasut sisältävät myös hiilimonoksidia.

19 1 Kuva 4. Erään kattilan savukaasujen koostumuksen sekä häviöiden riippuvuus ilmakertoimesta. /7, s.53/ Panoksittain poltetulle puulle palamisilman tarve vaihtelee panoksen palamisen eri vaiheissa /, s.1/. Tyypillisesti palamisilma syötetään kahdessa vaiheessa. Primääriilma syötetään polttoainekerroksen alta ja sekundääri-ilmalla poltetaan polttoainekerroksesta haihtuneet palamiskelpoiset kaasut. /33, s.4/ Palamisilman määrä sekä primääri- ja sekundääri-ilman suhde vaikuttavat suoraan polton hyötysuhteeseen (Kuva 4 /7, s.53/). Primääri-ilman määrä vaikuttaa polttoaineen kaasuuntumisnopeuteen sekä sekundääri-ilman määrä ja lämpötila muodostuvien pyrolyysikaasujen palamiseen. /, s.1/ Palamistuloksen kannalta on edullista, jos primääri-ilmavirta voidaan edelleen jakaa kuivaus-, pyrolyysi- ja jäännöshiilen palamisvaiheisiin. Primääri-ilman esilämmitys pienentää polttolaitteen savukaasuhäviöitä ja nopeuttaa palamisreaktioita. /33, s.4/

20 11.5 Häviöt Polttoprosessin häviöt koostuvat palamattoman polttoaineen häviöistä, savukaasun termisistä häviöistä, tuhkan termisistä häviöistä sekä säteily- ja johtumishäviöistä /16, s.14/. Tässä työssä kokonaishäviöt lasketaan CEN-standardin EN 134 mukaan savukaasun termisten häviöiden eli savukaasuhäviöiden ja palamattoman polttoaineen häviöiden avulla, joiden lisäksi arinan läpi kulkeutuneen palamattoman polttoaineen oletetaan aiheuttavan,5 prosenttiyksikön lisäyksen kokonaishäviöihin. /3, s.3/.5.1 Savukaasuhäviö Savukaasuhäviö aiheuttaa yleensä suurimman osa polttolaitteen häviöistä. Lämmönsiirtohäviön suuruus riippuu savukaasun tilavuudesta ja lämpötilasta /16, s.18/. Savukaasuhäviö koostuu palamistuotteiden synnyttämän savukaasun, ylimääräisen palamisilman ja vesihöyryn mukana polttolaitteesta poistuvasta lämmöstä. Vesihöyry koostuu polttoaineen kosteudesta, polttoaineen vedyn palamisesta ja palamisilman kosteudesta. /39, s.16/ Tässä työssä savukaasuhäviö q a lasketaan yhtälöllä /3, s.44/ q a 1 = ( t t ) a r ( C Cr ) ( CO + CO ) ( 9H W ) C pmd C pmh 1,444 O + +,536 1 H u,[%], (15) jossa t a on savukaasun poistumislämpötila, [ºC], t r on huoneen lämpötila, [ºC], C pmd on savukaasun ominaislämpö, [kj/km 3 ], C on Cr on pmh O polttoaineen kuiva-aineen sisältämän hiilen määrä, [m-%], jäännöshiilen hiilipitoisuuden osuus polttoaineen hiilipitoisuudesta, [m-%], C on vesihöyryn ominaislämpö, [kj/km 3 ],

21 1 H on W on CO on CO on H u on polttoaineen kuiva-aineen sisältämän vedyn määrä, [m-%], polttoaineen sisältämä veden määrä, [m-%], hiilimonoksidipitoisuus kuivassa savukaasussa, [til.-%], hiilidioksidipitoisuus kuivassa savukaasussa, [til.-%] ja polttoaineen alempi kalorimetrinen lämpöarvo, [kj/kg]. Ominaislämpöjen arvot ovat yhdisteiden ominaislämpöarvot standardiolosuhteissa. Koska palamattoman jäännöshiilen määrää arinan läpi kulkeutuneessa polttoaineessa on puuklapeille vaikea määrittää, asetetaan C r nollaksi ja palamattoman jäännöshiilen oletetaan aiheuttavan,5 prosenttiyksikön lisäyksen kokonaishäviöihin /3, s.3/. Savukaasun ominaislämpöä C pmd arvioidaan lausekkeella /3, s.46/ C ta ta,361+,8 +, ta ta CO kj = 3,6 +,85 +,19,14, (16) m C ta ta + CO,3, pmd 3 ja vesihöyryn ominaislämpöä lausekkeella C ta ta kj = 3,6,414 +,38 +,34. (17) 1 1 m C pmh O, 3 Yhtälöitä (15) ja (16) on päivitetty standardointityöryhmässä. Tässä työssä esitetyt yhtälöt ovat standardin uusimpia versioita.

22 13.5. Palamattoman polttoaineen häviö Epätäydellisen palamisen seurauksena savukaasuissa esiintyy hiilimonoksidia ja hiilivetyjä, jolloin palamatonta ainesta poistuu polttolaitteesta /16, s.15/. Mm. hiilimonoksidin muodostuminen palamisprosessissa vapauttaa vain noin 3 % siitä lämpömäärästä, joka vapautuu palamisessa hiilidioksidiksi /4/. Palamattomien kaasujen aiheuttamaa häviötä q b kilogrammaa polttoainetta kohti arvioidaan lausekkeella /3, s.44/ q b CO ( C Cr ) ( CO + CO ),[%] 1644 =,536 H. (18) u.5.3 Kokonaishäviö Kokonaishäviö q on savukaasuhäviöiden ja palamattoman polttoaineen häviöiden summa /3, s.44/ [%] q q a + q +,5,. (19) = b Kuvasta 4 /7, s.53/ (s. 1) nähdään häviöiden riippuvuus ilmakertoimesta. Savukaasun poistumislämpötila on 33 ºC. Ilmakertoimen ollessa alle 1,5 palaminen on epätäydellistä ja kokonaishäviö koostuu palamattoman polttoaineen häviöistä ja savukaasuhäviöistä. Ilmakertoimen ylittäessä 1,5 kokonaishäviö kasvaa hitaasti ja koostuu ainoastaan savukaasuhäviöistä. /34, s.8/.6 Hyötysuhde Polttoprosessin hyötysuhde voidaan määrittää joko suoralla tai epäsuoralla menetelmällä. Suoralla menetelmällä hyötysuhde η määritetään palamisesta hyötykäyttöön saadun lämpömäärän Q & hyöty suhteesta polttoprosessiin tuotuun

23 14 lämpömäärään Q & tuotu sitoutuneesta energiasta. /16, s.11/. Tuotu lämpömäärä koostuu polttoaineeseen ja palamisilmaan Q& hyöty η =,[%]. () Q& tuotu Epäsuoralla menetelmällä hyötysuhde lasketaan häviöiden avulla [%] η = 1 q,, (1) ja se voidaan edelleen jakaa lämmönsiirron ja palamisen hyötysuhteeseen. Lämmönsiirron hyötysuhde η a voidaan määrittää epäsuoralla menetelmällä [%] η = 1 qa,. () a Palamishyötysuhteella η b kuvataan palamisen täydellisyyttä eli palaneen polttoaineen suhdetta tulipesään tuotuun polttoaineeseen ( q ), [%] η 1 +,5. (3) b = b.7 Yhteenveto Lämmöntuotannon kannalta merkittävät palamisreaktiot, -tuotteet ja reagoivat aineet on esitetty kuvassa 5 /3, s.34/. Tärkeimmät lämpöä tuottavat reaktiot ovat hiilen, hiilimonoksidin ja vedyn palamisreaktiot. Poltosta hyödyksi saatavan lämmön osuus kokonaislämmöstä riippuu polttolaitteen hyötysuhteesta (Kappale.6). Osa häviöinä poistuvasta lämmöstä kuluu palamisilmasta ja polttoaineesta syntyneen veden höyrystämiseen ja osa poistuu piipusta savukaasun mukana. /3, s.34/

24 15 Puupolttoaine Palamisilma Savukaasu Primääri-ilma Sekundääri-ilma 44 % O 79 % O 1 % N 79 % O 1 % N N O Kuiva-aine C + O CO CO 5 % C CO + O CO CO H + O H O H O 6 % H Veden höyrystyminen X C + Y/ H C x H y C x H y - 6 % H O Hyötylämpö Kuva 5. Lämmöntuotannon kannalta tärkeimmät palamisreaktiot, -tuotteet ja reagoivat aineet. Ohuet nuolet kuvaavat aineiden ja paksut nuolet lämmön kulkua. Polttoaineen koostumus vaihtelee puun lajista ja yksilöstä riippuen. Kuvassa on esitetty palamisen kannalta puun tärkeimmät alkuaineet. Puun kuiva-aine sisältää myös hieman alkuaine rikkiä ja typpeä, jolloin palamistuotteissa on rikin ja typen oksideja, mutta niiden osuus palamisprosessissa on merkityksetön. /3, s.34/ Hyvän palamishyötysuhteen saavuttamiseksi tarvittavat ominaisuudet, niihin vaikuttavat tekijät ja puutteellisista olosuhteista seuraavat ilmiöt on lueteltu taulukossa 1. Seurauksena riittämättömistä olosuhteista on yleensä hiilimonoksidin ja muiden palamattomien yhdisteiden esiintyminen savukaasuissa (Kappale.3), mikä laskee palamishyötysuhdetta (Kappale.6). Tällöin joudutaan kasvattamaan palamisilman syöttöä, mikä kasvattaa savukaasuhäviöitä ja heikentää lämmönsiirron hyötysuhdetta (Kappale.6).

25 16 Polttolaitteen mekaanisten ominaisuuksien lisäksi merkittävin yksittäinen hyötysuhteeseen vaikuttava tekijä on palamisilmojen syöttö. Kuvasta 5 /3, s.34/ nähdään periaatteellinen hapen saanti polttoaineesta sekä primääri- ja sekundääriilmasta eri palamisreaktioissa. Palamisilmojen merkitys palamisreaktioiden hapen lähteenä voi vaihdella polttolaitteesta riippuen. Pienpolttolaitteissa palamisilma syötetään yleensä kahdessa vaiheessa: primääri-ilmana arinan alta ja sekundääri-ilmana pyrolyysikaasujen palamisvyöhykkeeseen. Maksimaalisen hyötysuhteen saavuttamiseksi palamisilman määrä ja jako primääri- ja sekundääri-ilmaan on optimoitava. (Kappale.4) Taulukko 1. Palamisen hyvyyteen vaikuttavat tekijät ja tekijöihin vaikuttavat ominaisuudet sekä puutteellisista tekijöistä seuraavat ilmiöt. /9/, /19/, /7/, /9/, /3/, /31/ TEKIJÄT OMINAISUUDET ILMIÖT Viipymäaika Tulipesän koko ja muotoilu sekä veto Jos viipymäaika on liian pieni, puun pyrolyysikaasut eivät ehdi reagoida hapen kanssa ennen joutumista savupiippuun ja palaminen on epätäydellistä. Lämpötila Palamisilman määrä Sekoittuminen Polttolaitteen lämmönvaraavuus ja ilmansyötön säätely Palamisilman syöttö Tulipesän muotoilu ja palamisilman syöttö Jos lämpötila ei ole riittävän korkea, palamisreaktiot eivät voi tapahtua. Liiallinen palamisilman syöttö voi jäähdyttää tulipesää. Palamisilmaa ei ole riittävästi reaktioihin, jolloin palaminen on epätäydellistä. Jos ilmaa on liikaa, lämmönsiirron hyötysuhde heikkenee. Jos palamisilma ei sekoitu pyrolyysikaasujen kanssa, ilma- ja pyrolyysikaasuvirtaukset kanavoituvat ja reaktioita ei pääse tapahtumaan. Säätötekijöinä polttoprosesseissa on polttoaineen ja palamisilman syöttö. Seuraavassa luvussa tarkastellaan erilaisille lämmöntuotannossa käytettäville biopolttolaitteille kehitettyjä säätöratkaisuja ja arvioidaan niiden soveltuvuutta panospolton säätöön.

26 17 3 BIOPOLTTOLAITTEIDEN SÄÄTÖRATKAISUJA 3.1 Yleistä Pienpolttolaitteet voidaan jakaa tulisijoihin ja kiinteistökattiloihin. Suomessa valtaosa polttopuusta käytetään tulisijoissa. Kiinteistökattiloissa poltetaan klapeja, haketta tai pellettejä. Yleisimpiä kiinteistökattiloita ovat arina- ja stokeripolttimet. /14, s.16/ Suomessa ja Ruotsissa tulisijojen ja panospolttoisten kattiloiden palamista ja tehoa säädetään yleensä manuaalisesti, jolloin palamistulos riippuu käyttäjästä ja polttoaineen laadusta. Kiinteistökattiloissa säätimet ovat yleensä on-off-tyyppisiä, jolloin kattila toimii tehontarpeen mukaan joko täydellä teholla tai tyhjäkäynnillä. Tällainen käyttö lisää savukaasupäästöjä. Parempi ratkaisu olisi jatkuva säätö, joka ohjaa polttoaineen syöttöä ja palamisilmaa vaihtelevan tehontarpeen mukaan. Keski-Euroopassa muun muassa Saksassa ja Itävallassa kiinteistökattiloissa säädön pohjana ovat esimerkiksi savukaasun pitoisuuksien mittaukset, joilla päästään yleensä pienempiin päästöihin ja tehokkaampaan palamiseen. /14, s.18/, /6/ Yli 1 MW:n kattiloita säädetään polttoaineen ja palamisilman syötöllä /3, s.7/. Tasalaatuisilla polttoaineilla, kuten öljy ja maakaasu, säätö on helppo toteuttaa, koska tietty tilavuus- tai massamäärä polttoainetta vaatii aina saman ilmamäärän palaakseen. Syötettävän ilman määrä voidaan siis laskea suoraan polttoaineen syötöstä. /4, s.15/ Puulle ja turpeelle on tyypillistä suuri laatuvaihtelu, joka aiheuttaa erityisiä vaatimuksia polttolaitteille ja polton optimoinnille /5, s.3/. Polttoaineen koostumus, tiheys ja kosteus saattavat vaihdella paljon, jolloin palamisilman tarvetta ei voida määrittää pelkästään polttoaineen syötön perusteella. Tällöin voidaan mittaussuureina käyttää esimerkiksi savukaasujen happi- ja hiilimonoksidipitoisuuksia. Jos savukaasu sisältää happea, merkitsee se ilmaylimäärää palamisessa ja hiilimonoksidipitoisuuden kasvu savukaasussa johtuu epätäydellisestä palamisesta. /4, s.15/

27 18 3. Lämpötilan ja savukaasun mittauksiin perustuvia säätöratkaisuja Eräässä jatkuvatoimiselle klapin polttimelle kehitetyssä säätöjärjestelmässä palamisilmoja ohjattiin lämpötilamittauksen perusteella. Palamisen lämpötilaa mitattiin ja siitä muodostettiin kolme muuttujaa: lämpötilan poikkeama asetusarvosta, lämpötilan muutoksen nopeus ja viimeisen 3 minuutin keskipoikkeama lämpötilan asetusarvosta. Muuttujia käytettiin primääri-ilman syötön säädössä. Sekundääri-ilman määrä oli riippuvainen primääri-ilmasta. Savukaasupuhaltimen ja lämmönvaihtimen lämpötilan mittaus toimivat säätösuureina polttolaitteen tehon säädössä. /11/ Eräs säätöratkaisu perustui CO/λ (ilmakerroin) säätöalgoritmiin, jossa palamisilmoja säädettiin savukaasun hiilimonoksidi- ja happipitoisuuden mukaan. Säätöalgoritmi oli yhdistetty palamislämpötilan mittaukseen perustuvaan säätöön. Hiilimonoksidin muutoksia havainnoitiin yksinkertaisella tinadioksidi (SnO ) anturilla ja happipitoisuuden muutoksia zirkoniumdioksidi (ZrO ) anturilla. Säädin optimoi sekundääri-ilman määrän siten, että CO ja O -pitoisuudet minimoitiin savukaasussa. /8/ Lämpötilan ja savukaasun happipitoisuuteen perustuvia säätöjärjestelmiä käytetään Keski-Euroopassa kaupallisissa jopa alle 5 kw:n pienpolttolaitteissa. Menetelmiä käytetään jatkuvatoimisissa pelletti-, hake- ja klapipolttimissa. /7/, /1/, /13/, //, /36/, /43/ Kuvassa 6 /3, s.35/ esitellään säätöjärjestelmä eräälle hakekattilalle, joka on osa asuintalon lämmitysjärjestelmää. Järjestelmä sisältää polttoaineen, primääri-ilman ja sekundääri-ilman syötön säädön. Polttoaineen syöttöä säädetään tehontarpeen mukaan. Optimiarvot savukaasun hiilimonoksidin ja hapen pitoisuuksille vaihtelevat riippuen polttoaineen laadusta ja polttimen tehosta. Palamisen ja lämmönsiirron hyvyyttä säädetään sekundääri-ilmalla mittaamalla tulipesän lämpötilaa sekä savukaasun happija hiilimonoksidipitoisuuksia tarkoitukseen suunnitelluilla antureilla. /3, s.36/

28 19 Polttoaineen syötön säätö Polttoaine Kattilan lämpötila Lämmönvaihdin Sekundääri-ilma Tulipesän lämpötila Infrapunamittaus Paluuveden lämpötila CO λ Savukaasu Primääri-ilma Polttoainekerros Savukaasun lämpötila Primääri-ilman syötön säätö Sekundääri-ilman syötön säätö Kuva 6. 5 kw:n puukattilan säätöjärjestelmä. Polttoaineen, primääri-ilman ja sekundääri-ilman syötöille on omat säätöalgoritmit. Tehontarve määrää polttoaineen syötön, joka puolestaan antaa viestin primääri- ja sekundääri-ilmalle. Palamisen hyvyyttä säädetään sekundääri-ilman määrällä. Sekundääri-ilman määrää säädetään savukaasun CO- ja happipitoisuusmittausten sekä tulipesän lämpötilan mukaan. /3, s.35/ Leijukattiloissa polttoaine voi olla hiiltä, turvetta, puun kuorta, haketta tai näiden sekoituksia. Metso Automation on kehittänyt sumeaan säätöön perustuvan polton optimointijärjestelmän leijukattilalle. Sovelluksen tehtävänä on polttoaineen lämpöarvon laskenta, palamisilman kokonaismäärän laskenta ja säätö, pedin ja kattilan lämpötilojen säätö, polttoaineen syötön säätö sekä polton optimointi. Poltto optimoidaan minimoimalla savukaasun O /CO-pitoisuudet ja muodostuvien typpi- ja rikkioksidien määrät. //

29 3.3 Säätöratkaisujen soveltuvuus panospolton säätöön Suurilla jatkuvatoimisilla polttolaitteilla palamisprosessia säädetään yleensä savukaasun happi-, hiilidioksidi- tai hiilimonoksidipitoisuuksia mittaamalla tai näitä mittauksia yhdistelemällä /4, s.175/, /4, s.18/. Kun polttoaine syötetään automaattisesti ruuvisyöttimen tai ketjuarinan avulla, jolloin polttoaineen massavirta on tasainen, voidaan säätö toteuttaa esimerkiksi happea ja hiilimonoksidia mittaamalla. Tällöin savukaasun optimipitoisuuksien vaihtelua aiheuttavat polttoaineen laatuvaihtelut ja kuormanmuutokset. Savukaasun korkea happipitoisuus tarkoittaa liian suurta ja korkea hiilimonoksidipitoisuus liian pientä ilmansyöttöä. Panospoltossa polttoaine syötetään panoksittain, jolloin palamisvaiheiden polton aikaisessa vaihtelussa on havaittavissa samoja piirteitä kuin yksittäisen partikkelin palamisessa (Kappale.3). Savukaasun happi- ja hiilimonoksidipitoisuuden käyttäytymisen periaate panospoltossa on esitetty kuvassa 7 /8/. Savukaasun happi- ja hiilimonoksidipitoisuudet vaihtelevat voimakkaasti polton aikana riippuen palamisvaiheesta ja ilmansyötöstä. Alussa pyrolyysi on voimakas ja panos palaa aliilmalla, koska palamisilma ei sekoitu täydellisesti tulipesässä. Tällöin hiilimonoksidia esiintyy savukaasussa runsaasti. Huipun saavutettuaan ilmantarve alkaa pyrolyysin hiipuessa laskea. Jäännöshiilivaiheessa CO-pitoisuus kasvaa, koska suuri yli-ilmamäärä jäähdyttää tulipesää ja lämpötila on alhainen hiilimonoksidin palamiselle. /8/ Panospoltossa ilmantarve vaihtelee jatkuvasti (Kuva 7 /8/). Myös savukaasun pitoisuuksien tavoitearvot vaihtelevat koko polton ajan, joten prosessia ei voida säätää esimerkiksi pelkästään savukaasun happipitoisuuden perusteella, vaan tietoa täytyy saada sekä ilmakertoimesta että savukaasun hiilimonoksidipitoisuudesta.

30 1 Kuivuminen ja pyrolyysi Jäännöshiili Pitoisuus CO O Aika Kuva 7. Savukaasun hiilidioksidi- ja happipitoisuuden käyttäytymisen periaate panospoltossa, kun ilmansyöttö on vakio ja panos lisätään kuumaan pesään. Pystyviivat kuvaavat palamisen vaiheita. Alussa polttoaineesta poistuu kosteus. Tämän jälkeen seuraa pyrolyysi, joka on aluksi voimakas ja heikkenee loppua kohden. Jäännöshiilen palamisvaiheessa näkyvää liekkiä ei yleensä enää ole. /8/ Pienen kokoluokan polttolaitteen säädössä on otettava huomioon myös säädöstä aiheutuvat kustannukset. Lämpötilaa voidaan mitata jatkuva-aikaisesti muun muassa termoelementeillä, joiden hankintakustannukset ovat varsin alhaiset. Lämpötilaa, polttoaineen massan muutosta ja savukaasun hiilimonoksidia mittaamalla voidaan savukaasun komponenttien pitoisuudet mallintaa. Mallien ennusteiden pohjalta voidaan laskea polttoprosessin häviöt, hyötysuhteet ja lämpöenergiat. Ennusteita voidaan käyttää polton optimoinnissa. /34/ Seuraavassa luvussa esitetään tässä työssä tehdyt polttokokeet. Polttokokeilla selvitetään panospolttoprosessin eri tekijöiden vaikutukset palamisilman tarpeeseen ja

31 polton hyötysuhteeseen. Vaikuttuvia tekijöitä ovat polttoaineen laatuominaisuudet, kuten kosteus ja palakoko, sekä panoskoko. Ilmansyöttöä ja polttoaineen laadullisia ja määrällisiä ominaisuuksia vaihdellaan palamisen eri vaiheissa Taguchin menetelmään perustuvan koesuunnitelman mukaisesti. Polttokokeita käytetään pohjana polton optimointijärjestelmän suunnittelussa.

32 3 4 POLTTOKOKEET Tässä luvussa esitetään työssä tehdyt polttokokeet. Polttokokeissa tarkkaillaan polttoaineen ominaisuuksien ja ilmansyötön vaikutusta palamisen hyvyyteen ja hyötysuhteeseen. Muuttujina polttokokeissa on käytetty palamisilman syöttöä eri palamisvaiheissa sekä polttoaineen laadullisia ja määrällisiä ominaisuuksia. Kappaleessa esitetään käytetty koelaitteisto ja Taguchin menetelmään perustuvan koesuunnitelman mukaan tehtyjen kokeiden toteutus, tulokset ja tulosten käsittely. 4.1 Koetulisija Koetulisija on esitetty kaaviokuvana liitteessä 1. Polttolaitteena oli suuluukullinen varaava tulisija, johon primääri-ilma syötettiin koneellisesti arinan alta ja sekundääriilma polttokammion sivuilta. Sekundääri-ilman syöttöelementit polttokammion seinissä olivat vaihdettavissa. Tulisijan savukaasu voitiin poistaa luonnonvedolla tai koneellisesti savukaasupuhaltimella, jolloin alipainetta tulipesässä voitiin säätää. Savukaasun pitoisuudet mitattiin tulipesän yläosasta ja lämpötila mitattiin piipusta tulisijan jälkeen. Tulisijaan kehitettiin uudenlainen arinaratkaisu, jota käytettiin polttokokeissa. Arinan seinämät olivat n. 45 asteen kulmassa, minkä tarkoituksena oli valuttaa klapit ja jäännöshiili arinalle ja siten vähentää aukkojen syntymistä polttoainekerrokseen palamisen ja jäännöshiilen palon aikana. Näin pyrittiin tehostamaan primääri-ilman reagoimista polttoaineen kanssa. Lisäksi arinan ritilä poistettiin, jolloin jäännöshiili pääsi putoamaan arinan läpi. Toimenpiteellä pyrittiin rajoittamaan jäännöshiilen lämmön aiheuttamaa uuden panoksen voimakasta pyrolyysiä. Arinan tilalle laitettiin H- muotoinen välppä, jonka tarkoitus oli estää suurimpien hiilipartikkelien putoaminen arinan läpi.

33 4 4. Mittaus- ja ohjausjärjestelmä 4..1 Ohjelmistosovellus ja tiedonkeräysjärjestelmä Polttokokeita varten suunniteltiin PC-pohjainen mittaus- ja ohjausjärjestelmä National Instrumentsin LabView 7. -ohjelmalla Windows XP -ympäristössä Pentium 4 tietokoneessa. Laitteistoon kuului kaksi SCXI-11 mittauskorttia ja yksi SCXI-114 ohjauskortti. Mittauskortit kokosivat mittalaitteilta tulevat viestit ja ohjasivat ne tietokoneelle, kun taas ohjauskortti välitti ohjausviestit tietokoneelta säätölaitteille. Mittauskorttien ja tietokoneen välillä oli vielä tietokoneen mittauskortti, joka muutti analogiaviestit binäärimuotoon ja päinvastoin. Mittaus- ja ohjausjärjestelmä toteutettiin käyttämällä suuremmissa polttolaitteissa olemassa olevaa järjestelmää runkona, josta poistettiin ylimääräiset sovellukset ja muokattiin olemassa olevia sekä lisättiin pienpolttolaitteeseen tarvittavia sovelluksia. Mittaus- ja ohjausjärjestelmän periaatekaavio on esitetty kuvassa 8. Käyttöliittymään kuuluu yläpaneeli ja päänäyttö. Ne on esitetty liitteessä. Yläpaneelin vasemmanpuolimmaisesta kuvakkeesta avataan päänäyttö ruudulle. Päänäytöllä näytetään tärkeimpien mittapisteiden mittausarvot ja siihen syötetään ohjauksen asetusarvot. Mittapisteiden nimitykset on selitetty liitteessä Mittaukset ja ohjaukset Koetulisijalla tehtiin polttokokeita liittyen myös muihin projekteihin, joten tulisija sisälsi runsaasti mittauspisteitä. Koetulisijan instrumentointi on esitetty liitteessä 4. Lämpötiloja oli mahdollista mitata useasta kohtaa tulipesän sisältä ja rakenteista sekä savukaasuista. Lämpötilat mitattiin NiCr-Ni-vaippatermoelementeillä. Myös ilmanpainetta ja tulipesän eri osien paine-eroja mitattiin useasta kohdasta. Paineita mitattiin painelähettimillä ja paine-eroja paine- erolähettimillä. Savukaasun pitoisuuksia mitattiin poikkeuksellisesti tulipesän yläosasta. Savukaasuista mitattiin happi-, hiilimonoksidi-, hiilidioksidipitoisuuksia. Savukaasun analysaattorin viiveet olivat 11 sekuntia hiilimonoksidille ja 15 sekuntia hapelle ja hiilidioksidille.

34 5 SÄÄTÖMODUULI TIETOKONE MITTAUSDATAN TALLENNUS KÄYTTÖLIITTYMÄ LASKENNAT MITTAUSKORTTI SCXI-114 x SCXI-11 TOIMILAITTEET MITTALAITTEET Kuva 8. Mittaus- ja ohjausjärjestelmän periaatekaavio. Yhtenäinen viiva kuvaa fyysistä laitetta tai mittaus-/ohjausviestiä, katkoviiva kuvaa ohjelmistosovellusta tai tiedonsiirtoa. Palamisilma oli mahdollista syöttää tulipesään kahdella tavalla: kompressorisyöttönä tai luonnonvetona. Kompressorisyöttö sisälsi termiset virtausmittarit, joissa oli sisäänrakennettu säätöventtiili. Luonnonvedolla palamisilmoja ohjattiin peltimoottoreilla. Tulisija oli sijoitettu vaa alle, jolloin polttoaineen massaa voitiin mitata. Vaa an mittausalue oli 5 kg ja mittaustarkkuus 1 grammaa. Mittauksista laskettiin tärkeimmät palamisen tunnusluvut, joita käytettiin arvioitaessa palamisen ja lämmönsiirron hyötysuhteita ja häviöitä Palamisen tunnuslukujen laskenta Ohjelmistosovellukseen kehitettiin laskenta, joka laski kokonais-, lämmönsiirron ja palamisen hyötysuhteen ja häviöt sekä ilmakertoimen. Alkutietoina laskenta vaati polttoaineen kosteuden W, lämpöarvon H u ja jäännöshiilen hiilipitoisuus verrattuna

35 6 polttoaineen hiilipitoisuuteen C r sekä polttoaineen hiilipitoisuuden C ja vetypitoisuuden H prosenttiosuuksina kuiva-aineesta. Alkutietoina käytettiin VTT:n analyysilaboratoriossa määritettyjä koivun kuiva-aineen ominaisuuksia. H c = kj/kg C = 49,9 m-% H = 6,14 m-%. Koivun ominaisuudet on määritetty polttoaineen kuiva-aineesta. Alempi lämpöarvo laskettiin yhtälöllä (1). Myös polttoaineen kosteus määritettiin laboratoriossa. C r oli vaikea määrittää, joten se asetettiin standardin mukaisesti nollaksi ja palamattoman hiilijäännöksen oletettiin vähentävän polttolaitteen hyötysuhdetta,5 prosenttiyksikköä /3, s.44/. Tarkastelujakson aikainen hyötysuhde laskettiin kaavan (1) mukaan. Laskennassa käytettiin tarkastelujakson keskimääräisiä CO, CO, t a ja t r arvoja. N 1 CO = CO ( t i ), (4) N i N 1 CO = CO( t i ), N N 1 t a = ta ( ti ), N N 1 t r = tr ( ti ), N i i i (5) (6) (7) joissa CO ( ti ), CO ( t i ), t a ( t i ) ja t r ( t i ) olivat CO :n, CO :n, t a :n ja t r :n arvoja hetkellä t i ja N oli mittaushetkien lukumäärä laskentajakson aikana. Häviöt laskettiin vastaavasti kaavoilla (15), (18) ja (19). Lämmönsiirron hyötysuhde laskettiin savukaasuhäviöiden ja palamisen hyötysuhde palamishäviöiden avulla. Hetkellinen lämmönsiirron hyötysuhde oli

36 7 [%] η t ) = 1 q ( t ),, (8) a ( i a i jossa q a ( t i ) oli savukaasuhäviö hetkellä t i. Hetkellinen palamisen hyötysuhde oli [%] η ( t ) 1 ( q ( t ) +,5),, (9) b i = b i jossa q b ( t i ) oli palamishäviö hetkellä t i. Hetkellinen ilmakerroin laskettiin kaavalla,95 λ ( ti ) =, (3),95 O ( t ) i jossa O ( ti ) oli kuivan savukaasun happipitoisuus hetkellä t i. 4.3 Tavoitteet ja tekijöiden valinta Polttokokeilla oli tarkoituksena selvittää eri ohjaustekijöiden ja häiriötekijöiden vaikutus polttoprosessin hyötysuhteeseen ja päästöihin. Kokeet tehtiin Taguchin menetelmään perustuvan koesuunnitelman mukaan. Menetelmän valinnassa päädyttiin Taguchiin, koska muuttujia oli useita ja muuttujien vuorovaikutusten huomioonottaminen olisi moninkertaistanut kokeiden määrän. Taguchi-koesuunnitelma ei ota huomioon tekijöiden välisiä vuorovaikutuksia, vaan pyrkii todistamaan ne merkityksettömiksi /18, s.1/. Polttoprosessissa vuorovaikutuksia muuttujien välillä voitiin kuitenkin olettaa olevan, mikä täytyi huomioida tulosten tulkinnassa. Koesuunnitelmassa palamistapahtuma jaettiin kolmeen vaiheeseen: syttyminen, palaminen ja jäännöshiilen palaminen. Nämä palamisen vaiheet erotettiin, jolloin eri vaiheiden aikana voitiin kokeilla erilaisia palamisilman syöttöjä ja jakoja primääri- ja sekundääri-ilman välillä. Happipitoisuus oli pidettävä polttokammiossa tarpeeksi korkeana, jotta hiilimonoksidia tai palamattomia yhdisteitä esiintyi savukaasuissa

37 8 mahdollisimman vähän. Yli-ilmamäärä oli kuitenkin pidettävä mahdollisimman alhaisena, jotta hyötysuhde saatiin korkeaksi. Tekijöitä valittaessa pyrittiin keksimään mahdollisimman paljon polttoprosessiin vaikuttavia muuttujia. Tämän jälkeen valittiin tekijät, jotka tiedettiin merkitseviksi tai joiden vaikutusta ei tiedetty. Valitut tekijät luokiteltiin ohjaus-, esto- ja häiriötekijöihin: /18, s.57/ 1. Ohjaustekijöiksi nimitetään tekijöitä, joita voidaan vapaasti muutella.. Estotekijöille voidaan määritellä tasot, mutta niitä ei voida käyttää optimin suunnittelussa. Estotekijät valitaan koesuunnitelmaan, koska niiden vaikutuksen sekoittuminen ohjaustekijöiden vaikutukseen halutaan erottaa. 3. Häiriötekijöiden tilaa ei voida havainnoida, mutta ne vaikuttavat kokeen tulokseen. Valitut ohjaus-, esto- ja häiriötekijät on esitetty taulukoissa ja 3. Ohjaustekijöillä hallitaan suoritusarvoa ja hajontaa, kun taas häiriötekijöitä ei voida tai haluta ohjata ja ne aiheuttavat hajontaa /18, s./. Ohjaustekijöiksi valittiin palamisilman määrät eri palamisen vaiheissa. Määriä voitiin ohjelmallisesti muutella polttokokeiden aikana. Estotekijöitä olivat polttoaineen kosteus ja panoksen massa. Häiriötekijänä oli palakoko. Ohjaus- ja estotekijät sijoitetaan koematriisin sisämatriisiin ja häiriötekijät ulkomatriisiin kuvan 9 /18, s.58/ mukaisesti. Kokeita tehdessä jokaista ohjaustekijää testataan muuttelemalla systemaattisesti häiriöolosuhteita, joilla pyritään kasvattamaan mittaustulosten vaihtelua. Tällä tavalla ohjaustekijöiden herkkyyttä häiriötekijöihin voidaan testata ja kullekin ohjaustekijälle voidaan määrätä paras mahdollinen arvo. Taguchi-menetelmällä ei kuitenkaan pyritä ohjaamaan häiriöiden syytä, vaan löytämään ohjausparametrit, joilla häiriöiden vaikutukset minimoidaan. /18, s./

38 9 Ohjaus- ja estotekijät Häiriötekijät Ulkomatriisi Koe nro: A B C D E F... Sisämatriisi Kuva 9. Ohjaus-, esto- ja häiriötekijöiden sijoittelu koematriisin sisä- ja ulkomatriisiin. Kokeet on numeroitu vasemmassa sivupalkissa. Tekijät ohjaus- ja estotekijät on esitetty kirjaimin yläpalkissa. Sisämatriisissa esitetään kokeiden tekijöiden tasot. Häiriötekijät sijoitetaan ulkomatriisiin. /18, s.58/ 4.4 Toteutus Polttokokeet suunniteltiin erikseen kylmälle ja kuumalle tulisijalle. Kylmän tulisijan kokeita olivat päivän ensimmäiset kokeet, joissa 1. panos sytytettiin huoneenlämpöisessä tulisijassa. Kuuman tulisijan kokeet tehtiin panoksilla, 3 ja 4, jotka lisättiin kuumaan tulisijaan edellisen panoksen hiilloksen päälle. Kylmässä tulisijassa pyrolyysi oli hitaampi johtuen tulipesän ja tulisijarakenteiden alhaisesta lämpötilasta. Kuumassa tulisijassa puupanos syttyi välittömästi ja pyrolyysi alkoi heti. Tällöin pyrolyysi oli voimakkaampi ja nopeampi kuin kylmässä tulisijassa. Panoksen sytytystä kylmässä tulisijassa testattiin kahdella muuttujalla: primääri-ilman määrää vaihdeltiin kahdella tasolla ja polttoaineen kosteutta kahdella tasolla. Häiriötekijänä oli polttoaineen palakoko. Kokeet tehtiin taulukossa esitetyn L4- matriisin mukaan.

39 3 Taulukko. L4-matriisi. Sisämatriisissa ovat ohjaus- ja estotekijät ja ulkomatriisissa häiriötekijä kahdella tasolla. Kokeet on numeroitu ensimmäisellä pystyrivillä ja eri ohjaus- ja estotekijöiden tasot näkyvät vaakariveillä. Jokainen koe tehdään häiriötekijän kahdella eri tasolla. Ilmamäärä syttymisessä syötetään primääri-ilmana. Ohjaus-/estotekijät Häiriötekijä Koe Nro: Primääri-ilman määrä [Nl/min] Polttoaineen kosteus [m-%] Suuri palakoko Pieni palakoko Primääri-ilman määrää vaihdeltiin syttymisvaiheessa kahdella tasolla: 15 Nl/min ja 5 Nl/min. Ilmat pyrittiin valitsemaan siten, että pienempi ilmamäärä on alustavissa kokeissa saadun järkevän vaihteluvälin alarajan yläpuolella ja suurempi ilmamäärä ylärajan alapuolella. Polttoaineen kosteudet olivat 9 ja 5 m-%. Ne valittiin siten, että realistisen vaihteluvälin ylä- ja alataso olivat edustettuina. Polttoaineen palakokoa vaihdeltiin kahdella tasolla. Suuremmat klapit olivat massaltaan kilon ja pienemmät 5 g. Klapit olivat n. 5 cm pitkiä. Pienemmän palakoon klapien pinta-ala oli n. 3 % suurempi kuin suuremman palakoon klapeissa. Panoksen massa oli 3, kg. Kuuman tulisijan polttokokeet suunniteltiin Taguchin L9-koesuunnitelman mukaan. L9- matriisi on esitetty taulukossa 3. Tekijöitä oli yhteensä neljä ja häiriötekijänä polttoaineen palakoko. Ohjaus ja estotekijöille oli valittu kolme tasoa, häiriötekijää testattiin kahdella tasolla. Polttokokeet tehtiin koivuklapeilla, joiden kosteudet olivat 9 ja 5 m-%. Kosteudet jakautuivat kolmelle tasolle siten, että 1. tasolla polttoaineen kosteus oli 9 m-% ja. ja 3. tasolla 5 m-%. Kosteus määritettiin laboratoriossa keskiarvona kummankin erän kahdesta erikokoisesta klapista. Polttoaineen palakoko oli sama kuin kylmän tulisijan kokeissa. Panoskokona oli 1, ja 3 kg puuta. Panoskoko valittiin siten, että 1, kg oli pienin arinan peittävä panos. 3, kg oli suurin panos, jonka polttamiseen ilmansyöttö oli