PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO Puun pienpolton p hiukkaspäästöt Jorma Jokiniemi, Jarkko Tissari, i Heikki Lamberg, Kti Kati Nuutinen, Jarno Ruusunen, Pentti Willman, Mika Ihalainen, Annika Hukkanen, Terhi Penttilä, Ilpo Nuutinen
Esityksen sisältö Palaminen Päästöihin vaikuttavia tekijöitä Mittaukset/menetelmät Päästöt PM1, OGC, CO Massajakauma Lukumääräjakauma PAH Yhteenveto PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 2
Palaminen = aineen yhtymistä happeen; kemiallinen reaktio, joka tuottaa tt lämpöenergiaa. Optimaaliset palamisolosuhteet korkea palamislämpötila riittävä palamisilman määrä hyvä sekoittuminen Epätäydelliset palamisolosuhteet (paikallisesti tai kokonaisuudessaan) Häkä, hiilivety, ja nokipäästöt. C, O, H N, S, K N, O Palamisilma Savukaasukomponentit N 2, O 2, CO 2, H 2 O, NO x, SO 2, CO, C x H y, noki (C), OC, pieniä ja karkeita tuhkahiukkasia (esim. K 2SO 4 4), kiinteää palamatonta polttoainetta.
Pienhiukkasten muodostuminen pienpoltossa T g g[ [ C] 1200 2500 2500 800 1500 0 200 Päästö nokihiukkaset hiilivety Polttoaine Pyrolyysi/ palaminen/ liekki/ höyrystyminen heterogeeniset reaktiot huono palaminen noki ja org. hiili +tuhka K, Na, Ca tuhkahiukkasia V, Ni, Pb, Cd Fe, Mg, Si, Ca sulfaatteja klorideja oksideita hyvä (täyd.) palaminen tuhka
Päästöt energiantuotannosta Isoissa laitoksissa > 50 MW käytetään joko sähkösuodattimia tai letkusuodattimia i kemikaaleilla ill Hiukkaspäästöt sähkösuodattimella 1 10 mg/mj Hiukkaspäästöt letkusuodattimella << 10 mg/mj Palaminen on hyvää ja vastaa useimmiten EU:n jätteenpolttodirektiivin vaatimuksia 2 s 850 C, jolloin PAH, muuta haitalliset orgaaniset komponentit ja noki palavat pois Päästöt ovat pieniä ja sisältävät hyvin vähän orgaanista hiiltä (OC, OGC) tai alkuainehiiltä (EC) Pienhiukkaspäästöillä on suurempi merkitys prosesseissa, joissa ei ole tehokasta suodatusta ja/tai palaminen on epätäydellistä Hyvän pellettipolttimen päästöt voivat olla pieniä ilman suodatustakin< 10 mg/mj
Arinakattiloiden pienhiukkaspäästöt Pienet lämpölaitokset 35 PM1 em mission (mg/mj) 30 25 20 15 10 5 Other OC EC 0 0.5 MW / Pellets 5 MW / Sawdust & bark (After scrubber) 15 MW / Forest residue (After ESP) 7 MW / Forest residue (Gasification combustion)
Hiilianalyysit / POR 45 40 PM1 OC PM1 (m mg/nm3) at 3 % O2 35 30 25 20 15 10 PM1 EC Other PM1 5 0 Pyhäjärvi 1 Pyhäjärvi 2 Loviisa 1 Loviisa 2 Loviisa 3
Puun pienpolton p päästöihin vaikuttavia tekijöitä Avotakka, Liesi, Pienkattila, Stokeripoltin + kattila, Kiuas, Kamiina, Takkasydän, Varaava takka, Pellettipoltin+kattila Halko, pilke, hake, puru/kuori, pelletti Palakoko, kosteus, tuhkapitoisuus, lämpöarvo Koivu, Kuusi, Mänty, Pyökki, Paju, Ruokohelpi, Sekoituspolttoaine Poltto laite (toimintaperiaate, ominaisuudet, säätötekn.) Panoskoko, palakoko, sytytystapa, sytykkeet, toimenpiteet polton aikana Ulkoiset olosuhteet: sääolot, veto olot, ilmanvaihto Käyttäjä Palamisilman riittävyys, Lämpötila, palamiskaasujen ja ilman sekoittuminen Polttoaine Palamis olosuhteet Päästöt, erit. panospoltosssa p aikariippuvuus Mittaustulokseen vaikuttaa lisäksi käytetty mittausmenetelmä: mittalaite, laimennus jne. PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 8
Mittausmatriisi Kaasupäästöt Pienhiukkaspäästöt projekti ml. massa luku kemiallinen morfologia optiset Toksisuus kasvihuonekaasut määrä koostumus omin. (+ kemia + PAH) Pellettikattila, jakso 1 (P1) x x x x Tasainen palaminen PUPO p./bioher Pellettikattila, jakso 2 (P2) x x x x x Tasainen palaminen PUPO p./bioher takka 1 (C1_1) x x x x x x Koko poltto (optim.) PUPO terveys takka 1 (C1_2) x x x x x x Kitupoltto PUPO terveys takka 1 (C1_3) x x x x Koko poltto PUPO p./bioher Moderni takka 1 (M1) x x x x PUPO p. Jatkuvalämmitteinen kiuas (SS) x x x x x Sytytys + 1. panos PUPO p. takka 2 (C2) x x x x 2. Panos 15 min. PUPO p. takka 3 (C3) x x x x x PUPO p. takka 4 (C4) x x x x 2. ja 3. panos PUPO p. Moderni takka 2 (M2) x x x x 3. ja 4. panos PUPO p. Öljypoltin (POK) BIOHER Raskasöljypoltin (POR) BIOHER Biomassa, aluelämpö (B) Vielä mittaamatta BIOHER Pellettikattila, moderneja takkoja, perinteisiä takkoja, saunan kiuas Päästöt, kemia ja toksisuus mitattiin laajasti Toksisuusnäytteitä pyrittiin ottamaan sekä koko poltosta, että erilaisista polttotilanteista. PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 9
Mittausjärjestely je tely Laimennuskerroin n. 15 40 CO2 OC/EC ED PRD Kolme laimennusyksikköä laimennustunneli huokoinen putki+ejektori huokoinen putki Hiukkaskeräykset DGI toksikologisten näytteiden keräämiseen hiukkasanalyyseihin Hiukkasten lukumäärä ja kokojakauma vaihtoehtoisesti eri paikoissa Laimennuskerroin, n. 100 T DLPI LAIMENNUSTUNNELI ABB T CO2 ED FTIR Laimennuskerroin 75 300 CO2 PRD POLTTOLAITE FMPS ELPI FMPS ELPI DGI Laimennuskerroin e n. 15 25 5 PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 10
300 PM 1 1, OGC ja CO päästöt PM1 OGC CO 4400 830 3000 päästö [mg g/mj] PM M1 ja OGC 200 100 Koko poltto Koko poltto 2. panos, 15 min alusta ʺkaasutusʺ 2. ja 3. panos 3. ja 4. panos Tasainen palaminen 2000 1000 CO päästö [mg/mj] 0 0 takka 1 takka 2 takka 3 takka 4 Moderni takka Pellettikattila Saunan kiuas PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 11
Hiukkasten massakokojakauma 300 Mass sapäästö dm M/dlogDp [m mg/mj] 200 100 takka 1 i takka 2 takka 3 takka 4 Moderni takka Pellettikattila 0 0,01 0,1 1 10 Hiukkaskoko o (μm) PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 12
Hiukkasten lukumääräkokojakauma 1,0E+14 Lukum määräpäästö dn/dlogd Dp [#/MJ] 7,5E+13 5,0E+13 2,5E+13 takka 1 takka 2 takka 3 takka 4 Moderni takka Pellettikattila Saunan kiuas 0,0E+00 0,01 0,1 1 10 Hiukkaskoko o (μm) PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 13
HiukkasPAH päästöt (summa 32 analysoidusta) 5 26 4 3,7 PAH pää ästö [mg/mj J] 3 2 1 0,99 1,1 0 0,10 0.000096 Saunan kiuas takka 4 takka 1 takka 3 Moderni takka Pellettikattila PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 14
Malli 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 600 PM1 päästö (mg/mj) Toksisuuden ja kemiallisen koostumuksen yhteys PM1 päästökertoimen yhteys kemialliseen koostumukseen k laitetyypeittäin / polttotilanteittain > > Malli (+tietokanta+tietopaketti) yleisesti hyödynnettäväksi PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 15
Yhteenvetoa Päästöjen määrä ja koostumus vaihtelee laitetyypeittäin ja palamistilanteittain. Perinteisissä laitteissa kaasupäästöt (CO ja OGC) merkittäviä ja OC hiukkasissa. Polttotapa vaikuttaa merkittävästi päästöihin. Moderneissa takoissa PM 1 hieman alempi tai samaa luokkaa kuin perinteisissä laitteissa. Toisiopalaminen i i kuitenkin ki parempaa.»erot näkyvät erityisesti kaasupäästöissä.»myös OC tyypillisesti alempi. EC samaa luokkaa. PAH päästöt selvästi alempia. Kiukaiden päästöt korkeampia kuin muiden laitteiden. Yhteys toksisuuteen selvitetään! PIENHIUKKAS JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 22.2.2010 16