Puupelletit. Biopolttoainepelletin määritelmä (CEN/TS 14588, termi 4.18)

Transkriptio

1 Kiinteän biopolttoaineen palaminen Saarijärvi Aimo Kolsi, VTT 1 Esityksen sisältö Yleisesti puusta polttoaineena Puupelletit Kiinteän biopolttoaineen palaminen Poltto-olosuhteiden vaikutus hyötysuhteeseen Puun polton päästöistä 2 1

2 Yleisesti puusta polttoaineena 3 Puun polttoaineominaisuudet TUHKA % TEKNINEN ANALYYSI KOSTEUS % JÄÄNNÖSHIILI % ALKUAINEANALYYSI HAIHTUVAT AINEET % Hiili (C) 48-52% Happi (O ) 38-42% 2 Tuhka 0,5-1,2% Vety (H 2) 6-6,5% Typpi (N) 0,5-2,3% Tekninen analyysi ilmoittaa haihtuvien aineiden, tuhkan sekä jäännöshiilen osuuden kuiva-aineesta Puussa haihtuvia aineita on paljon, siksi se on pitkäliekkinen polttoaine Alkuaineanalyysi ilmoittaa eri alkuaineiden osuuden kuiva-aineesta Puun typpi-, rikki- ja tuhkapitoisuus on pieni 4 2

3 Polttoaine-analyysien perusta SO 2 Kosteus Tuhka NO x S N Laboratorioanalyysi H 2 O C x H y O H Haihtuvat aineet Kuiva, tuhkaton (daf) Kuivaaineesta (d) Saapumiskosteudessa (ar) CO 2, CO C Jaannos hiili 5 Tekninen analyysi Alkuaineanalyysi (C=hiili, H=vety, O=happi, N= typpi ja S=rikki) Puu polttoaineena alkuainekoostumus (C, H, N, S, O, Cl) tuhkapitoisuus ja tuhkan koostumus alkalimetallit, kloori paljon haihtuvia aineita (84 88 %) vaikuttaa erityisesti panospoltossa kosteus voi vaihdella paljon ja vaikuttaa päästöihin lämpöarvo kuiva-aineen lämpöarvo ei juuri vaihtele (n. 19 MJ/kg) palakoko vaikuttaa paljon palamistapahtumaan 6 3

4 Puun koostumus Kuiva-aines Vesi Tuhka 0,4-0,6%* KIINTEÄ HIILI (C) HAIHTUVAT AINEET 11,4-15,6%* 84-88%* Hiili (C) %* Vety (H) 6,0-6,2% * Happi (O) % * Typpi (N) 0,1-0,4 % * Rikki (S) 0,01-0,1% * * Osu us kuiva-aineen painosta, % KUORI 60 % SAHANPURU 55 % TUORE PUU % METSÄTÄHDE % RANKAHAKE % PILKE % PUUPELLETTI 8-10 % Eija Alakangas Palava aines Hiili (C) noin 50 % ja vety noin 6 % (+ typpi ja rikki) Palamaton aines Tuhka Pääkomponentit: K, Ca, Mg, P, Mn Vesi Lähde: Alakangas, Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia, VTT Tiedotteita 2045 ( 7 Eri puulajien energiasisältö Puulaji Lämpöarvo kwh/kg Paino kg/p-m 3 Energiasisältö kwh/p-m 3 koivu 4, mänty 4, kuusi 4, leppä 4, haapa 4,

5 Puupelletit 9 Biopolttoainepelletin määritelmä (CEN/TS 14588, termi 4.18) Puristettu/tiivistetty biopolttoaine, joka on valmistettu jauhetusta biomassasta sideaineiden avulla tai niitä ilman lieriönmuotoisiksi kappaleiksi, joiden satunnainen pituus on yleensä 5 30 mm ja joilla on murretut päät. Biopolttoainepellettien raaka-aineina voidaan käyttää puubiomassaa, kasvibiomassaa, hedelmäbiomassaa, biomassasekoituksia tai seoksia. Ne valmistetaan tavallisesti matriisilla. Biopolttoainepellettien kokonaiskosteus on yleensä alle 10 paino-%. Lähde: CEN/TS Kiinteät biopolttoaineet -Terminologia, määritelmät ja kuvaukset,

6 Pellettien raaka-aine Pelletit valmistetaan yleensä kuivasta purusta, hiontapölystä tai kutterinlastusta. Jos käytetään märkää sahanpurua, on se kuivattava ennen pelletoimista Raaka-aineen kosteus on % Havupuut soveltuvat paremmin pellettien raaka-aineeksi niiden korkeamman ligniinipitoisuuden takia. Ligniinipitoisuus on havupuilla % ja lehtipuilla % Ligniini on puun kuitujen luonnollinen sideaine, joka toimii myös pellettien sideaineena Sideaineena voidaan käyttää myös esim. tärkkelystä. Yhden pellettitonnin valmistamiseen tarvitaan 7 10 irto-m 3 kuivaa jauhettua puuta 11 Puupelletin tärkeimmät ominaisuudet Pelletti on tasalaatuinen biopolttoaine Pelletin halkaisija (D) on Suomessa 8 mm ja Keski-Euroopassa yleensä 6 mm Pituus (L) vaihtelee, mutta yleensä se on 4 - tai 5 - kertainen halkaisijaan verrattuna. Pelletti on kuivaa polttoainetta, kosteus (M) alle 8 paino-% Puupellettien tuhkapitoisuus (A) on alhainen (0,2-0,4 % kuiva-aineen painosta) Jos käytetään kuorta tuhkapitoisuus kasvaa Vähän rikkiä (S) < 0,3 % kuiva-aineen painosta Typpipitoisuus (N) 0,15 0,25 % kuiva-aineen painosta Mekaaninen kestävyys (DU) yleensä 97,5 % Hienoaineksen määrä (F) on 2 % Laatuluokitukseen on eurooppalainen standardi CEN/TS

7 Pelletit jalostettua energiaa 1 tonni pellettiä sisältää kwh energiaa 1 m 3 painaa noin 650 kg 1 m 3 pellettiä vastaa noin kwh energiaa Polttoaine Energiaa Kevyt polttoöljy, litraa Pilke, koivu 1 irto-m 3 (1 pino-m 3 ) Pilke, leppä 1 irto-m 3 (1 pino-m 3 ) Pilke, havupuu 1 irto-m 3 (1 pino-m 3 ) Hake, irto-m kwh kwh (1 700 kwh) 740 kwh (1230 kwh) kwh ( kwh) 900 kwh Lähde: VTT Tiedotteita 2045 ja Vapo Oy 13 Polttoaineiden keskimääräisiä lämpöarvoja käyttökosteudessa Turvebriketti 5,10 MWh/tonni Palaturve 1,30 MWh/m 3 Turvepelletti 4,85 MWh/tonni Koivuhalko 1,70 MWh/pino-m 3 Polttohake 0,85 MWh/irto-m 3 Puupelletti 4,80 MWh/tonni Energiajyvä 4,30 MWh/tonni Kevytöljy 10,00 MWh/m 3 Lähde: Puupolttoaineiden pienkäyttö, Tekes 14 7

8 Kiinteän biopolttoaineen palaminen 15 Kosteuden haihtuminen Lämpöä tarvitaan Kosteuden haihtuminen alkaa 100 o C lämpötilassa. Lähde: Alakangas, Taloustulisijojen käyttö

9 Pyrolyysi Haihtuvien aineiden vapautuminen alkaa 150 O C. Lämpöä tarvitaan Lähde: Alakangas, Taloustulisijojen käyttö Syttyminen Ensiöilmaa Toisioilmaa o Kun lämpötila on yli 225 C syntyvät kaasut jatkavat palamista itsenäisesti sytytyksen jälkeen. Lähde: Alakangas, Taloustulisijojen käyttö

10 Kaasujen palaminen Lämpöä kehittyy Ensiöilmaa Toisioilmaa runsaasti Polttoainekerroksen päälle johdetun ilman eli toisioilman kanssa reagoivat kaasut palavat näkyvällä liekillä. Lähde: Alakangas, Taloustulisijojen käyttö Jäännöshiilen palaminen Jäännöshiili tuottaa % tulipesään Lämpöä varastoituneesta energiasta. Jäännöshiilen kehittyy palaminen ei tarvitse juuri lainkaan toisioilmaa. Ensiöilmaa Toisioilmaa vähän Lähde: Alakangas, Taloustulisijojen käyttö

11 Panoksen palaminen 1. Puu kuivuu. Vesihöyry vapautuu. 2. Kaasumaiset palavat ainekset vapautuvat kuivasta puusta. 3. Kaasut syttyvät ja palavat. 4. Jäännöshiili palaa ja jäljelle jää tuhka O CO 2 2 O 2 CO 2, H 2 O Haihtuvien aineiden palaminen Aika Jäännöshiilen palaminen 3 CO CO ja C xh y, %, 2 1 0:00 2:59 6:00 9:00 11:59 14:59 18:00 20:59 23:59 26:59 Lähde: Tekesin Tulisija-teknologiaohjelma Aika, minuuttia 0 21 Puun palaminen ja lämmönkehitys 800 O C Syttyminen Jäännöshiilen palo Lämpöä kehittyy Kosteuden haihtuminen Pyrolyysi Haihtuvat aineet % Jäännöshiili % Lämpöä tarvitaan Lähde: Alakangas, Taloustulisijojen käyttö

12 Mitä syntyy puun täydellisessä palamisessa C + O2 ---> CO2 2H + ½O2 ---> H2O hiilidioksidia vettä S + O2 ---> SO2 rikkidioksidia (ei juuri lainkaan) N + O2 ---> NOx Lämpöenergiaa typen oksideja (ei juuri lainkaan) 19 MJ/kg 23 Hiilimonoksidin palamisnopeus eri lämpötiloissa 24 12

13 Metaanin palamisnopeus eri lämpötiloissa 25 Poltto-olosuhteiden vaikutus hyötysuhteeseen 26 13

14 Hyötysuhteeseen vaikuttavat häviöt Huonon ja hyvän tapauksen ero % huono hyvä Savukaasun vapaa lämpö CO:n aiheuttama häviö tuhkan aiheuttama häviö säteily ja johtuminen Häviöt yhteensä Hyötysuhde 27 Hyvän- ja huonon polttotavan vaikutus hyötysuhteeseen Esimerkkilaskelma 300 kw:n hakestokerikattilalla Hyvä polttotapa, hyötysuhde n. 90 % - Savukaasun lämpötila 150 C - Savukaasun jäännöshappi 6 %, ilmakerroin 1,4 - Savukaasun CO-pitoisuus 200 ppm - Koivuhakkeen kosteus 25 % Huono polttotapa, hyötysuhde n. 78 % - Savukaasun lämpötila 250 C - Savukaasun jäännöshappi 10 %, ilmakerroin 1,9 - Savukaasun CO-pitoisuus 2000 ppm - Koivuhakkeen kosteus 40 % 28 14

15 Kuinka paljon eri tekijät vaikuttavat hyötysuhteeseen Yksittäisen arvon muutos Hyötysuhteen muutos - Savukaasun lämpötila 150 C => 250 C 90,1 % => 84,3 % - Savukaasun jäännöshappi 6 % => 10 % 90,1 % => 88,0 % - Savukaasun CO-pitoisuus 200 ppm => 2000 ppm 90,1 % => 89,3 % - Koivuhakkeen kosteus 25 % => 40 % 90,1 % => 89,3 % Kumulatiivinen vaikutus - Savukaasun lämpötila 150 C => 250 C 90,1 % => 84,3 % - Savukaasun jäännöshappi 6 % => 10 % 84,3 % => 80,5 % - Savukaasun CO-pitoisuus 200 ppm => 2000 ppm 80,5 % => 79,5 % - Koivuhakkeen kosteus 25 % => 40 % 79,5 % => 77,8 % - Polttoaineen vuorokausikulutus nousee 2075 kg => 3135 kg 29 Puun polton päästöistä 30 15

16 Päästöjen muodostuminen Ideaalisessa palamisessa syntyy pelkästään hiilidioksidia (CO 2 ) ja vettä (H 2 O). Päästöjä syntyy, kun polttoaineen hapettuminen ei ole täydellistä = epätäydellinen palaminen Epätäydellisen palamisen tuotteita ovat C x H y, (hiilivedyt), CO (häkä), haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC:t), aromaattiset monirengashiilivedyt (PAH:t) ja hiukkaset NO x ja SO 2 -päästöt sekä osa tuhkahiukkasista vapautuu, vaikka palaminen olisi täydellistä. typen oksidi- ja rikkipäästöt ovat erittäin pieniä puun poltossa, koska puu sisältää vähän rikkiä ja typpeä Päästöjen muodostumiseen vaikuttavat Polttoaine Polttolaite/prosessi Käyttäjä Hiukkaserotuslaitteisto (ei yleensä pienpoltonlaitteissa) Lähde: Jorma Jokiniemi, VTT 31 Epätäydellinen palaminen Puun palaminen tulisijoissa on käytännössä enemmän tai vähemmän epätäydellistä. Syynä epätäydelliseen palamiseen on palamisilman riittämättömyys ja epätäydellinen sekoittuminen palavien kaasujen kanssa, liian alhainen lämpötila, jotta palamisreaktiot ehtivät tapahtua sekä liian vähäinen viipymäaika tulipesän olosuhteissa. Epätäydellisen palamisen tuotteita ovat mm. hiilimonoksidi eli häkä, erilaiset hiilivedyt, hiilihiukkaset, noki ja pienhiukkaset. Palamisen täydellisyyttä arvioidaan yleensä savukaasujen häkäpitoisuuden (CO) ja hiilivetyjen perusteella. Mikäli CO-pitoisuus on riittävän alhainen, muita päästöjä ei savukaasuissa käytännössä juuri ole

17 Mitkä asiat vaikuttavat pienhiukkasten syntyyn puun pienpoltossa? Polttoaine ja sen tuhkan koostumus Puun tuhka sisältää paljon kaliumia, joka höyrystyy tulipesässä ja muodostaa myöhemmin kondensoituneita pienhiukkasia. Tämä ilmiö tapahtuu aina ja voi olla voimakkaampi hyvässä poltossa, koska lämpötila voi olla korkeampi. Jos polttoaineessa on paljon tuhkaa hiukkaspäästöt lisääntyvät Epätäydellisestä palamisesta Nokihiukkasia Tervayhdisteitä, jotka kondensoituvat (tiivistyvät) tulipesän jälkeen muodostaen pienhiukkasia Lähde: Heikki Oravainen, VTT 33 Mikä on pienhiukkanen? Halkaisija D < 2,5 µ m (PM2.5) ultrapienet 0,01 < D < 0.1 µm kertymähiukkaset 0.1 < D < 1 µm karkeat hiukkaset D > 2,5 µm Primäärihiukkaset ilmaan suoraan hiukkasmuodossa päässyt aine Sekundäärihiukkaset ilmakehässä erilaisista kaasuista tiivistyvät hiukkaset 1 µm = mikrometri = 1/ m = 10-6 m 34 17

18 Mistä pienhiukkaset ovat peräisin? Ultrapienet hiukkaset palaminen: liikenne (moottorit) ja polttolaitokset pääosin sekundäärisiä Kertymähiukkaset kaukokulkeuma kasvavat ultrapienistä Karkeat hiukkaset maaperä: liikenne (renkaat/hiekoitus), tuulet, siivous jne. 35 Mitä haittaa pienhiukkasista on? Terveyshaitat lyhentynyt elinikä astmaoireiden paheneminen hengitys- ja sydänsairauksien oireiden lisääntyminen haitta-aineita rikastuu pienhiukkasiin (suuri ominaispinta-ala) 9-10 m 6-9 m 5-6 m 3-5 m 2-3 m 1-2 m Viihtyvyyshaitat likaisuus, hajut <1 m Partikkelikoko 1 on mm 36 18

19 Polttoaine Polttolaite Kiukaat Alle 50 kw puun pienpolttolaitteiden päästöt (Ohlström et. Al VTT Tiedotteita 2300) Teho kw < 15 Pilke CO, mg/mj Hiilivedyt, mg/mj 600 NO x, mg/mj 120 Kokon. hiukkaset mg/mj 200 PM1 mg/mj 190 Lukumäärä, kpl/mj ,5 Koko, nm 110 Takat, takkasyd.uunit < 30 pilke ,8 130 Pellettitakat 10 Pelletti ,2 155 Pellettikattilat < 30 Pelletti ,2 145 Stokerit Hake+ pelletti ,1 100 Hake Pelletti ,0 1, Tulevat päästö- ja hyötysuhdemääräykset Lämmityskattilat, pääasiallinen lämmitysjärjestelmä Nimellisteho (P), kw Mitattava suure ja sille asetettavat vaatimukset CO-pitoisuus (10% O 2 kuivaa kaasua enintään mg/m 3 n) OGC (10% O 2 kuivaa kaasua enintään mg/m 3 n) Hyötysuhde vähintään, % P< 50 kw log P 50 kw < P < 150 kw log P 150 kw < P log P Hyötysuhde vaatimukset muutamilla tehoilla: 20 kw 74,8 % 50 kw 77,2 % Lähde: Heikki Oravainen, VTT 100 kw 79,0 % 38 19

20 Päästöihin vaikuttaminen Laitetekniset keinot (mm.) palamisilman jako ja ohjaus, tulipesän koko suhteessa tehoon, arinarakenne jne. virallinen testaus Polttoaineen merkitys oleellinen. Tarvitaan vastuullisia polttoainekauppiaita ja tiedotusta. Käyttäjän merkitys oleellinen. Siksi tarvitaan hyvät käyttöohjeet, säännöllinen nuohous jne. 39 Keinoja T&K-toimintaan on edelleen panostettava palamisprosessin parempi tunteminen säätötekniikan keinojen parempi hyödyntäminen uusien puhdistustekniikoiden kehittäminen polttoaineen esikäsittely Suomessa olevan tiedon parempi hyödyntäminen tiedon ja teknologian siirto ulkomailta päästömääräykset myös Suomeen valtiovallan toimenpiteet T&K-rahoitus fossiilisten polttoaineiden verotus tiedotus ja koulutus 40 20

21 Lopputoteamus Puun pienpoltto oikein toteutettuna on erittäin ympäristöystävällistä