Termiset prosessit Mekrijärven bioenergian T&K ympäristössä. Teemu Vilppo

Transkriptio

1 Termiset prosessit Mekrijärven bioenergian T&K ympäristössä Teemu Vilppo

2 Termiset prosessit Mekrijärven bioenergian T&K Termiset prosessit - Ei kuivaamista eikä polttamista C - Hapeton tai vähähappinen ympäristössä FTIR kaasuanalysaattorin käyttö Kaasutuskokeet Vakuumitorrefiointi laitteisto

3 FTIR kaasuanalysaattori Gasmet DX FTIR kaasuanalysaattori - Jopa 50 infrapunavaloa absorboivaa yhdistettä - Ympäristö (ilma), savukaasu, tuotekaasu (laimennettuna)

4 FTIR kaasuanalysaattori Ilma määritykset - Pääasialliset komponentit ja myös häiritsevät yhdisteet ovat vesi ja hiilidioksidi - Pieniä määriä hiilivetyjä, häkää ym. Savukaasuja ei ole vielä määritetty 1,32 % H 2 O 384 ppm CO 2 1,9ppm CH 4

5 FTIR kaasuanalysaattori Tuotekaasumääritys - Pääasialliset komponentit ja myös häiritsevät yhdisteet ovat vesi ja hiilidioksidi - Pieniä määriä hiilivetyjä, häkää ym. - Laimentamattomana kaasua on vaikea mitata luotettavasti 3,8 % H 2 O 7,9 % CO 2 25,5 % CO 2,2 % CH 4

6 FTIR kaasuanalysaattori Tuotekaasumääritys - Vaatii laimentamisen tai lyhyemmän mittauskyvetin - Laimennos typellä ideaali, käytännössä kuiva ilma - noin 70l/min, 2bar paine 2,02 % H 2 O 0,80 % CO 2 1,23 % CO 0,16 % CH 4 Laimennos ,4 % H 2 O * 6,6 % CO 2 * 10,3 % CO 1,3 % CH 4

7 FTIR kaasuanalysaattori 3,8 % H 2 O 7,9 % CO 2 25,5 % CO 2,2 % CH 4 2,02 % H 2 O 0,80 % CO 2 1,23 % CO 0,16 % CH 4 Laimennos ,4 % H 2 O * 6,6 % CO 2 * 10,3 % CO 1,3 % CH 4

8 Laimennin Karkeasuodatus (lasivilla) Ejektori laimennin 1:8 Laimennuspaineilman lämmitin Laimentimen kuumailmavaippa Laimennos kuumana, >200 C vesi ja muut tiivistyvät yhdisteet pysyvät kaasuna FTIR kaasuanalysaattori

9 FTIR kaasuanalysaattori Laimennos tarvitsee kalibraatio suoran näytteen inlet paine vs Laimennoskerroin. - Laimentimen valmistajalta tulee suora +37mbar- -63mbar vs 0-paine-ero

10 FTIR kaasuanalysaattori ZrO 2 happisensori - Tavallisin happisensori ( anturi) - Mittaa hapen määrää ilmaa vastaan - Ei sovellu suurille (>1000 ppm) häkäpitoisuuksille - Näyttää harhaisen alhaisia O2 pitoisuuksia - Kuuma kenno polttaa hapen häkäkaasun kanssa

11 FTIR kaasuanalysaattori Laimentamisen haasteet - Kylmät pisteet - Paine-ero - Paine-ero joudutaan mittaamaan, koska (ilmalla) laimennettua kaasua ei voi palauttaa takaisin kaasulinjaan - Siirrettäessä ilmavuodot, jos käytettävissä ei ole kontrollimittausta - Happimittaus ei ZrO 2 kennolla toteutettuna sovellu

12 Tuloksia CO/CO2 erityisesti, mutta myös CO/CH4 kuvaa kaasutuksen hiilihyötysuhdetta Kaasutuksen reaktiovyöhykkeiden muodostuessa tapahtuu aluksi lähes puhdasta palamista ennen kuin pelkistävä hiilivyöhyke muodostuu hapetusvyöhykkeen alapuolelle.

13 Tuloksia Punaisella merkityt ovat todennäköisiä laimennus ongelmia Syöttöilman nopeus on kriittisin parametri Rikkiyhdisteet on tarkasteltu kontrollipelletistä ja pelleteistä joista on julkaisu ( 06_4_4331_Kuokkanen_VKSN_Chem_Tech_Binding_Age nt_wood_pellet_1782.pdf ) Pelletin pituus(jakauma) vaikuttaa prosessiin Tuotekaasussa voidaan laadullisena parametrina tarkastella myös CO/CO 2 ja CO/CH 4 suhdetta Mikäli muuta ei mainita, pääraaka-aine on havupuusahanpuru / kutterilastu Polttoaine Vapo pelletti Lignosulfo naatti 2% lisäaine Peruna mäski 20% lisäaine Evijärven tärkkelys lisäaine Järvi ruoko 30% Jätti tattari + ahde kaunokki Mfibrils kuitulisäaine ja kuusikuitu Kierrätys paperi 10% CO % CO2 % CH4% CO/CO2 suhde CO/CH4 suhde H2O % C2H4 ppm CHOH ppm Rikkiyhdisteet ppm Ilma (l/min) Lämpötila Arinan alla C Syklonin ulostulo lämpötila (näytteenotto) Pelletin keskipituus mm halkaisija mm

14 Tuloksia Tulokset on laskettu punnituksista Tuhkan määrä on jaettu käytetyn polttoaineen määrällä Runsastuhkaiset lisä- tai raaka-aineet ja toisaalta matala virtausnopeus selittävät suurempaa tuhkan määrää Tuhkaa % Perunamäski 20% (2% tärkkelys) lisäaine Evijärven tärkkelys Järviruoko 30% Jättitattari + ahde kaunokki Mfibrils Kuusikuitu ja kuitulisäaine + Kierrätyspaperi 10% Kokonais 6.5 % 5.0 % 9.4 % 10.4 % 6.8 % Pohja 6.3 % 4.7 % 8.2 % 8.5 % 5.1 % Lento 0.2 % 0.3 % 1.2 % 1.8 % 1.7 % Ilmaa (l/min) Nesteiden ph:t 4,08 4,62 3,66 7,0

15 Tuloksia Pelletin pituus on sen palakokoa pääasiallisesti määrittävä tekijä. Pituusjakauma on parempi määrittäjä kuin keskipituus Koepelletit ovat tyypillistä kaupallista pellettiä pidempiä Kaasutuksen kannalta vähäinen hienoaineksen määrä on välttämätöntä

16 Pelletin käyttö kaasutuksen polttoaineena Palakoko Irtotiheys Kosteus

17 Pelletti Pelletin käyttö kaasutuksen polttoaineena - Palakoko Palako on homogeeninen Tyypillinen kaupallisen pelletin palakoko on tarpeettoman pieni Valuma ja kuljetin ominaisuudet ovat hyvät Myötävirtakaasuttimen mitoituksen vahva riippuvuus polttoaineen palakoosta Vaatimus vähäisestä hienoaineksen määrästä Kaasun vapaa virtaus Tuuliseula kuljettimella suositeltava samalla myös laaduntarkkailua

18 Pelletin käyttö kaasutuksen polttoaineena - Irtotiheys Polttoaineen kulutus 10kg/h Tilavuusvirta Hake 50,0 l/h Pelletti 16,7 l/h Viipymä kussakin reaktiovyöhykkeessä on pelletillä n. 3 kertaa pidempi Kiintotiheys ja tyypillisesti pienin dimensio pelletillä on suurempi kuin hakkeessa 200 kg/m kg/m 3

19 Pelletin käyttö kaasutuksen polttoaineena - Kosteus Kaasutuksessa muodostuu kosteutta sekä polttoaineen kuivuessa että kemiallisesti sitoutuneen veden vapautuessa pyrolyysissä Biomassapelletit hajoavat puruksi kosteuden vaikutuksesta ja muodostavat hienoaineksesta tukoksen Kaasutettaessa virtauksen tulisi ohjautua polttoaineesta poispäin niin kauan kuin prosessissa muodostuu kosteutta pyrolyysivyöhykkeelle Prosessi voidaan pysäyttää, kun pelletit ovat pyrolyysivyöhykkeessä ja kuumentuneet selkeästi yli 200 C

20 Pelletin käyttö kaasutuksen polttoaineena - Kosteus Käytännössä - käynnistys, mutta erityisesti sammutus on helpoin tehdä hakkeella - Lopetuksessa ennen alasajoa kannattaa vaihtaa hakkeeseen - Hätäpysäytyksessä kaasutusprosessi pitää pitää yllä käynnistyspuhalitimella kunnes pellettipottoainepinta saavuttaa pyrolyysivyöhykkeen Pelletit eivät sovellu vastavirtakaasuttimeen, jossa kaikki muodostuva kaasu, kosteus mukaan lukien, virtaa kylmän polttoaineen läpi. Soveltuvat hyvin, jauhettuna, sekä leijupeti että entrained flow kaasuttimiin.

21 Vakuumitorrefiointilaitteisto 50 l reaktioastia tilavuus 50mbar (abs) paine +400 C max lämpötila 2 rinnakkaista, laskevan lämpötilan viiden keräyssormen sarjaa

22 Vakuumitorrefiointilaitteisto - Käsittelykammio 5 monipistelämpötilamittaussauvaa 9 yhdistettyä lämmityssauvaa ja imukanavaa Runsaasti pintalämpötilamittauksia 2 pantavastusta Kattava lämpötilaseuranta ja minimoitu etäisyys lämmittäviin pintoihin.

23 Vakuumitorrefiointilaitteisto - näyteenkeräyslinjasto 5 lämpötilaa, +120 C +60 C, +0 C, - 20 C, -80 C 2 rinnakkaista sormisarjaa, virtaus voidaan vaihtaa ajon aikana. Mahdollistaa ajon jatkamisen tukkeuman sattuessa tai mikäli halutaan toteuttaa monivaiheinen näytteenkeräys.

24 Vakuumitorrefiointilaitteisto - mahdollisuudet Alipaineessa kiehumispiste laskee. Voidaan vähentää tai välttää sekundaarireaktiot Voidaan ottaa talteen ainesosia ennen kuin niissä tapahtuu lämpötilan aiheuttamia muutoksia Esimerkkejä 50 mbar kiehumispisteistä Vesi 20 C (100 C) Etikkahappo 34 C (118 C) -pineeni (tärpätti) 64 C (156 C) Fenoli 85 C (182 C) mbar 1013 mbar Vesi Etikka Pineeni Fenoli

25 Vakuumitorrefiointilaitteisto - mahdollisuudet Alhainen kiehumis- (eli tiivistymis) 250 piste on haaste keräyksessä. 200 Nestemäisen tiivistymisen 150 lämpötila-alue kapenee, koska 100 jäätymispiste muuttuu vähemmän kuin kiehumispiste. 50 Mikäli yhdisteen kolmoispiste 0 sattuu +20 C C ja 50mbar mbar alueelle, vaikuttaa tämä näytteen keräykseen Kiehumispiste 1013 mbar Kiehumispiste 50 mbar +125 C +60 C 0 C -20 C -70 C

26 Kiitokset Mekrijärven tutkimusaseman tutkimuspalvelu tiimi, erityisesti Kari Huohvanainen ja Eine Ihanus avusta kaasutuskokeiden toteuttamisessa. KSAO Biosampo pyrolyysikokeiden mahdollistamisesta ja Itä-Suomenyliopiston Sib-Labs Kuopio yhteistyöstä. Kaasutuskokeiden tulevaisuudesta lisää CHP-teemapäivässä tiistaina Mekrijärven tutkimusasemalla