e n e r g i a Pasi Makkonen, asiakaspäällikkö VTT Kehitteillä sekapolttoon soveltuva pienen koon voimalaitos EKOTEHOKAS JÄTTEENPOLTTO tuottaa puhdasta energiaa lähellä 1 2 3 4 5 Jätteiden mukana Suomessa haudataan vuosittain satoja miljoonia käyttökelpoisia kilowattitunteja energiaa. Jos koko tämä energiapotentiaali hyödynnettäisiin optimaalisella tavalla, säästäisimme tuhansia tynnyreitä tuontiöljyä ja kasoittain hiiltä. Perinteisesti jätteiden poltto on ollut tilavuuden pienentämiseen ja inertisointiin liittyvää toimintaa. Energian tuottaminen on ollut vasta kolmannella sijalla. VTT on aloittanut laajan tutkimuksen yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa ja valmistelee koelaitoksen rakentamista. Kuva 1. Jätepyramidi ja jakeiden käyttö eri energiantuottomuodoissa. 1. Kierrätyskelpoinen osuus (recyclable) 2. Korkea lämpöarvo: leijupoltto (high energy waste combustion in a CFB) 3. Matala lämpöarvo: kaasutus (intermediate energy waste, gasification) 4. Muu palava: arinapoltto (low energy waste, mass burning) 5. Hyöytykäyttö (inert landfill) nn Suomi on ollut jätteiden energiahyötykäytössä odottavalla kannalla. Vasta EU:n jätteenpolttodirektiivin 2000/76/EY myötä on syntynyt energiayritysten odottama varmuus vaadittavista toimenpiteistä, joilla voidaan taata riittävän tehokas ja puhdas poltto sekä varmistaa pitkäaikaisten investointien kannattavuus. Jälkeenpäin tulevien ja lisävaateita asettavien toimenpiteiden tarve on direktiiviin pohjautuvan jätteenpolttoasetuksen 362/2003 myötä vähentynyt: investori tietää tänään, millä investoinnilla ja käyttökustannuksilla jätteitä saa ja voi polttaa. Jätteiden energiasisältö ja energiahyödynnettävyys riippuu jätteen koostumuksesta ja tämä taas vuorostaan tuotetun jätteen alkuperästä. Optimaalinen hyödyntäminen edellyttää alkusyntyperän tuntemista ja tähän perustuvaa lajittelua. Kuvassa 1 on esitetty yksi näkemys jätteen termisen hyödyntämisen mahdollisuuksista. Kuva 2. Jätteenpolttoon soveltuvan arinakattilan pääkomponentit. Suoran arinapolton hyöytysuhde on hyvä Mikäli syntyvälle lämmölle on olemassa käyttöä joko kaukolämpönä tai teollisuusprosessien tarvitsemana lämpönä, jätteen suoran arinapolton hyötysuhde on hyvä tai jopa erittäin hyvä. Arinapolttohan perustuu polttoaineen hallittuun palamiseen mekaanisesti liikutettavan arinan päällä. Arinan liike vie palavaa polttoainepatjaa eri lämpötilavyöhykkeiden läpi, ja arinan läpi johdettava primääri-ilma toimii tehokkaasti palamisen hallinnassa. Aluksi polttoaine kuivuu, minkä jälkeen siitä alkaa pyrolyysireaktioiden kautta irrota tervoja ja kaasumaisia yhdisteitä, jotka palavat varsinaisessa palamisvyöhykkeessä. Palamisvyöhykkeen reaktioita hallitaan sekundääri- ja tertiääriilmojen avulla. Pyrolyysireaktioiden jälkeen arinalle jäänyt polttokelpoinen aines palaa arinan pinnalla. Arinan mitoitus määrää pohjatuhkaan jäävän palamattoman aineksen määrän. Osa palamisessa vapautuvasta lämmöstä otetaan talteen tulipesän seinäputkissa kiertävään veteen, johon muodostuva höyry erotetaan lieriössä. Tulipesästä poistuvissa savukaasuissa on vielä runsaasti lämpöenergiaa, jota hyödynnetään höyryyn sidotun energian lisäämiseen ennen höyryn johtamista höyryturbiiniin. Se osa savukaasun sisältämästä lämpöenergiasta, jota ei saada talteen höyryyn, käytetään syöttöveden ja palamisilman lämmittämiseen. Arinapolton merkittävimpänä etuna on soveltuvuus erilaisille, jopa lajittelemattomillekin jätejakeille. Polttoaineen esikäsittelyä ei siis tarvita. Arinan mekaanisen rakenteen kunnossapitäminen tuo mukanaan paljon tarpeita ja muodostaakin yhden merkittävimmistä käyttökustannuksista. Arinapoltto on eniten käytetty jätteiden energiahyödyntämismenetelmä. Leijupoltto on tehokkaimpia menetelmiä Mikäli painopistettä siirretään sähköntuotannon suuntaan, käytettävän tekniikan merkitys koros- 12 TEKNIIKKA ja KUNTA 7/2006
kuva Foster Wheeler Energia Oy:n omaisuutta. Kuva 3. Lomellinassa Italiassa rakenteilla oleva kiertoleijutekniikkaan (CFB) perustuva jätteenpolttovoimalaitos. tuu. Yksi tehokkaimmista menetelmistä on leijupoltto. Leijukerrospoltossa palamisreaktiot tapahtuvat pääosin paksussa, ilmavirran leijuttamassa hiekkapatjassa, jonka suuri terminen kapasiteetti stabiloi palotapahtumaa. Inerttinä leijumateriaalina käytetään joko polttoaineen omaa tuhkaa, hiekkaa tai jotakin muuta raemaista materiaalia. Kupliva leijupoltto perustuu hitaaseen kaasun virtausnopeuteen petimateriaalin läpi. Tällöin muodostuu kupliva leijukerros. Polttoaine syötetään tämän leijukerroksen pinnalle tai sisään, missä polttoaine kuivuu välittömästi. Polttoaineen sisältämät palavat komponentit palavat joko leijukerroksen sisällä, jolloin ne ylläpitävät petimateriaalin lämpötilaa, tai leijukerroksen yläpuolella, jolloin palamista voidaan tehokkaasti hallita palamisilman annostelulla ja suuntauksella. Kiertoleijupoltossa käytetään kuplivaa leijupolttoa suurempia kaasun virtausnopeuksia tulipesässä, jolloin merkittävä osa petimateriaalipartikkeleista kulkeutuu kaasujen mukana ulos tulipesästä. Suurin osa näistä partikkeleista palautetaan tulipesään erillisen partikkelierottimen avulla ja tästä paluukierrosta muodostuu niin sanottu ulkoinen kierto. Ulkoisen kierron ansiosta tulipesän lämmönsiirto tehostuu ja samalla tulipesän lämpötilaprofiili tasoittuu. Tästä on hyötyä erityisesti rikkipitoisten polttoaineiden poltossa, koska rikin sitominen kalkkikiven avulla on mahdollisimman tehokasta. Kiertoleijupoltto mahdollistaa viimeisten höyryntulistusvaiheiden viemisen erillisiin leijutulistimiin, joissa lämpö siirtyy leijutetusta petimateriaalista tulistinputkissa virtaavaan höyryyn. Leijutulistimien kaasuatmosfääri sisältää huomattavasti vähemmän korroosiota aiheuttavia komponentteja. Tästä syystä putkimateriaalin korroosio on vähäisempää ja höyry voidaankin kuumentaa merkittävästi kuumemmaksi kuin savukaasutulistimissa. Tällöin höyryturbiinilta saatava teho kasvaa ja jokaista poltettua jätetonnia kohti saadaan enemmän sähköä. Leijupolttolaitoksia on jätteenpolttokäytössä ainakin Italiassa, Espanjassa ja Ruotsissa. Kuvassa 2 on esitetty Italiaan rakennettava leijukattila. Lahden Energialla hyvä kaasutusratkaisu Kaasutus on parhaimmillaan Lahden Energian tyyppisissä ratkaisuissa, joissa kaasutin toimii polttoaineen esikäsittelylaitteena ja syntyvä kaasu poltetaan jo ennestään olemassa olevassa voimalaitoksessa. Näin voidaan vähentää hiilen tai maakaasun tarvetta ja täten osaltaan vähennetään tuontipolttoaineiden tarvetta. Tällaiselle ratkaisulle olisi muun muassa Saksassa runsaasti kysyntää, mutta tällä hetkellä voimassa oleva jätteenpolttodirektiivi käytännössä estää kyseisen ratkaisun. Direktiivin mukaisesti tulkittuna jätteen kaasutuksessa syntyvä kaasu luokitellaan jätteeksi, jolloin koko voimalaitos täytyy uudelleen luvittaa jätteenpolttolaitokseksi. Tämä taas ei ole taloudellisesti kannattavaa. Vielä ei ole olemassa ennakkopäätöstä siitä, miten paljon tai miten kaasua tulisi käsitellä, jotta se ei enää olisi jätepolttoainetta. Kaasun suodatukseen ja katalyyttiseen käsittelyyn liittyvää tutkimusta kuitenkin on tehty ja tehdään, ja tilanne jätteestä tuotetun kaasun luokittelusta saattaa lähiaikoina muuttua. Ratkaisu, jossa kaasutin ja kaasua polttava kattila kumpikin rakennetaan uusinvestointina, on myös mahdollinen. Kaasutus mahdollistaa suoran polton lisäksi myös kaasun käytön eri prosessien raaka-aineena. Yhtenä esimerkkinä näistä prosesseista on liikennepolttoaineiden tuotanto tuotekaasusta kemiallisten synteesien avulla. Sekapoltto loppunut lähes kaikkialla Ennen jätteenpolttoasetuksen voimaantuloa Suomessa oli runsaasti voimalaitoksia, joissa poltettiin lajiteltua energiajätettä hyvällä menestyksellä. Eri kaupungeilla ja jäteyrittäjillä oli tapana pyytää kotitalouksia lajittelemaan polttokelpoinen jäte TEKNIIKKA ja KUNTA 7/2006 13
erikseen, ja tämä jätejae yhdessä kaupan ja teollisuuden jätteiden kanssa vietiin näille sekapolttolaitoksille. Tämä lisäsi hieman laitosten käyttökustannuksia muun muassa lisääntyneenä likaantumisena, mutta samaan aikaan mahdollisti olemassa olevan kapasiteetin tehokkaan käytön. Jätteenpolttoasetuksen myötä sekapoltolle asetettiin samat vaatimukset kuin varsinaisille jätteenpolttolaitoksille. Näihin vaatimuksiin kuuluvat jatkuvat ilmapäästöjen seurannat ja säännölliset tarkistusmittaukset. Tämä lisäkustannus lopetti sekapolton lähes kaikkialla. Vain muutama voimalaitos oli halukas lisäkustannuksista huolimatta jatkamaan entiseen tapaan. Päästökammo perua vanhoilta ajoilta Jätteiden polttaminen koetaan tunneperäisesti ympäristölle erittäin haitallisena toimintana. Tämä uskomus perustuu vanhoihin kokemuksiin Kyläsaaren polttolaitoksen ajoilta: vielä 70-luvullahan päästöjen vähentäminen perustui laimentamiseen, eli jos haluttiin vähentää päästöjä, rakennettiin korkeampi savupiippu. Nykyaikainen jätteenpoltto perustuu jo lähtökohtaisesti parhaaseen saatavilla olevaan tekniikkaan (BAT = Best Available Technology). Palamisen valvonta on kehittynyt: erilaiset modernit säätö- ja prosessimittaukset kytkettynä kehittyneisiin laskentoihin mahdollistavat optimaaliset palamisolosuhteet ja täten tuottavat mahdollisimman alhaiset päästöt jo palamistapahtumassa. Tämän lisäksi päästöjen vähentäminen ei enää vain siirrä haitallisia päästöjä eri muotoon, vaan haitallisten aineiden pitoisuuksia voidaan aidosti alentaa. Erilaiset kemialliset reaktiot, aktiivisten prosessien ja suodattimien käyttö sekä parantuneet kemikaalit auttavat minimoimaan laitosten päästöjä. Jätteenpolttolaitoksille asetetut päästömääräykset ovat tiukemmat kuin muita polttoaineita polttaville voimalaitoksille. Kaasupäästöjen alentamiseen useita tekniikoita Voimalaitoksen piipusta näkyvänä savuna tuleva osuus on vesihöyryä. Tämän lisäksi savukaasu sisältää ilmasta peräisin olevaa typpeä ja happea sekä polttoaineen palamisessa syntyvää hiilidioksidia. Pieniä määriä typen eri oksideja, rikin oksideja, kiinteitä hiukkasia ja palamatonta hiiltä eri muodoissaan sisältyy kaasuun, mutta näiden yhdisteiden pitoisuudet ovat erittäin alhaisia. Taulukossa 1 on esitetty jätteenpolttodirektiivin mukaiset vaatimukset ja vertailu suurten voimalaitosten vastaaviin vaatimuksiin siltä osin, mitä asetuksessa on määritelty. Kaasumaisten päästöjen alentamiseen on olemassa kolme erilaista tekniikkaa: l märkämenetelmät l puolikuivat menetelmät ja l kuivat menetelmät. Märkämenetelmät perustuvat savukaasujen pesemiseen nestemäisillä yhdisteillä. Tässä prosessissa on yleensä kolme tai joskus jopa viisi vaihetta: l kiintoainehiukkasten erotus, koska ne voivat häiritä varsinaista pesuprosessia l alkalinen pesu, jossa poistetaan happamia yhdisteitä l hapan pesu, jossa poistetaan alkalisia yhdisteitä l kondensoituneiden kiintoainehiukkasten erotus ja l kaasujen kuivaus kondensoimalla eli jäähdyttämällä. Puolikuivissa menetelmissä savukaasuun lisätään ennen nestemäistä kemikaalia kiintoaineiden erotusta. Tämä kemikaali reagoi savukaasussa olevien komponenttien kanssa. Näiden reaktioiden tuotteet ovat kuivassa muodossa, jolloin ne voidaan poistaa kiintoainehiukkasten erotusprosessissa lentotuhkan mukana. Kuivissa menetelmissä savukaasun sekaan puhalletaan kiinteitä kemikaaleja, esimerkiksi aktiivihiiltä, joka reagoi kaasujen ja hiukkasten kanssa vasta suotimella. Tällöin kaikki käytettävät kemikaalit voivat olla kiinteässä muodossa alusta loppuun eikä nestemäisiä päästöjä synny lainkaan. Syntyvät kiintoaineet voi- 14 TEKNIIKKA ja KUNTA 7/2006
Taulukko 1. Jatkuvatoimisesti mitattavat savukaasun komponentit jätteenpolttoasetuksen ja LCP-asetuksen mukaan. daan fraktioida eri jakeisiin, mikä mahdollistaa tehokkaan hyötykäytön. Nestemäisiä päästöjä syntyy savukaasua puhdistettaessa Nestemäisiä päästöjä syntyy kun savukaasua puhdistetaan märkämenetelmillä. Tällöin savukaasun sekaan syötettävien kemikaalien reagoimaton osuus ja savukaasusta eri reaktioiden kautta nestefaasiin siirtyneet komponentit pysyvät nestemäisessä muodossa. Nämä nestemäiset kemikaalit vaativat erityskäsittelyä, koska niiden sisältämät aineet ovat usein haitallisia. Tästä syystä puolikuivat ja kuivat menetelmät ovat uusissa jätteenpolttolaitoksissa saaneet paljon suosiota. Toisaalta esimerkiksi raskasmetallien sisältyminen liuosfaaseihin mahdollistaa metallien talteenoton, etenkin jos laitos on riittävän iso. Pohjatuhka maanrakennukseen Jätepolttoaine sisältää palamatonta ainesta, joka polttoprosessin jälkeen voidaan ottaa talteen eri osista prosessia. Pohjatuhkaksi kutsutaan ainesta, joka poistuu suoraan tulipesästä palamisprosessin jälkeen. Tämä osuus sisältää kivet, metallit ja muut palamattomat kappaleet. Savukaasujen mukana kulkeutuvaa ainesta kutsutaan lentotuhkaksi. Lentotuhkaa voidaan poistaa useammasta kohtaa kattilaa, mutta usein nämä jakeet yhdistetään ennen laitokselta poistamista. Pohjatuhka poikkeaa yleensä lentotuhkasta sekä partikkelikoon että koostumuksen osalta. Usein pohjatuhka kelpaa esikäsiteltynä esimerkiksi kaatopaikoille tai tuhkien läjitysalueiden maanrakennukseen. Joissakin tapauksissa pohjatuhkan sisältämät metallit kannattaa ottaa erikseen talteen. Lentotuhka puolestaan voi sisältää runsaasti raskasmetalleja, jotka tavallisesti poistuvat tulipesästä savukaasujen mukana kaasumaisina yhdisteinä ja savukaasujen jäähtyessä kondensoituvat tai reagoivat tuhkan muiden aineiden kanssa. Tästä syystä lentotuhka voi sisältää liukoisia raskasmetalleja ja niiden eri yhdisteitä. Kuvassa 4 on esitetty yksi esimerkki kaasumaisten ja kiinteiden aineiden päästöjen vähentämisestä Turku Energia Oy:n tapaan. Kyseessä on puolikuiva menetelmä. Ekotehokkaan jätteenpolton reunaehdot Ekotehokas jätteenpoltto edellyttää kokonaistarkastelua ja on mahdollista silloin, kun l jätepolttoaineen saatavuus on riittävä, l jätepolttoaineen laatu pysyy määritellyissä rajoissa, l kuljetusetäisyydet ovat kohtuullisia, TEKNIIKKA ja KUNTA 7/2006 15
kuvan omistaa Turku Energia Oy Kuva 4. Turku Energian jätteenpolttolaitos Orikedossa ja laitoksen savukaasujen puhdistus sekä kiintoaineen poisto. l energialle on ympärivuotinen käyttö, l käytettävä energiajärjestelmä on investointina kannattava, l laitoksen käyttökulut pysyvät kohtuullisina eikä l laitos kuormita ympäristöä enempää kuin on välttämätöntä. Ainakin nämä edellytykset tulee täyttää, jotta voidaan puhua ekotehokkaasta jätteiden hyödyntämisestä. Näitä reunaehtoja voidaan helpottaa, jos saatavilla on poltto- tai kaasutustekniikka, jossa voidaan soveltaa kaikkia paikallisesti saatavilla olevia energialähteitä. Jätettä ei enää hävitetä polttamalla, vaan sen energiasisältö hyödynnetään ja jalostuskelpoiset arvokkaat raaka-aineet otetaan uusiokäyttöön. Tämä edellyttää, että energialle on todellista hyötykäyttöä. Pelkkä sähköntuotanto jätteitä polttamalla ei ole järkevää, koska suurin osa energiasta joudutaan lauhduttamaan ilmaan tai veteen, eli energiaa menee hukkaan. Mikäli energialle on myös muuta käyttöä, kuten kaukolämpö, laitoksen energiatalous paranee merkittävästi. Ekotehokas jätteenpoltto perustuu jätteiden alkuperän ja koostumuksen tuntemiseen. Kun polttoaine tunnetaan, voidaan jätejakeita ohjata niille parhaiten soveltuviin käyttökohteisiin. Lisäksi palamisprosessia ohjataan entistäkin paremmin tehokkaan ja puhtaan palamisen mahdollistamiseksi. Tämä puolestaan auttaa minimoimaan päästöjä. Lämmön talteenoton haasteet, kuten likaantuminen ja materiaalien korroosio, ovat suurin este, jos halutaan saavuttaa korkea sähköntuotantohyötysuhde. Tästä syystä likaantumisen, nuohouksen ja lämmönsiirtimien materiaalien optimointi on ekotehokkaassa jätteenpoltossa itsestäänselvyys. Erilaiset päästöjen vähentämistekniikat ja niiden kustannustehokas käyttö kuuluvat olennaisena osana kokonaisuuteen. Ekotehokkaaseen jätteenpolttoon kuuluu myös polttoaineen lajittelu eri polttojakeisiin ja tuhkien jalostaminen sekä hyötykäyttö. Tuhkien hyötykäytössä myös arvokkaat metallit otetaan talteen ja hyödynnetään. Tulevaisuuden monipolttoainekattila Yksi mahdollisuus vastata em. haasteisiin on kehittää juuri sekapolttoon soveltuva pienen koon voimalaitos. Tällöin polttoaineen saatavuusehto on helpompi täyttää kuin suurvoimalassa, joka vaatii aina erikseen raskaan polttoaineinfrastruktuurin. Syntyvälle energialle löytyy helpommin paikallinen käyttäjä silloin, kun energiaa ei synny liikaa. Haasteeksi muotoutuvat investointikustannus, käyttökustannukset ja ympäristövaikutusten hallinta. Investointikustannuksen alentaminen vaatii modulaarisuutta ja monistettavuutta. Käyttökustannuksia voidaan pienentää laitoksen luotettavuuden parantamisella. Lisäksi automaatio voi tuoda kustannussäästöjä. Luotettavuuden ja automaation lisääminen tarkoittaa yleensä suurta investointia. Ollaan siis selkeästi optimointiongelman edessä. Vastatakseen tähän haasteeseen VTT on aloittanut laajan tutkimuksen yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Samaan aikaan VTT valmistelee koelaitoksen rakentamista yhdessä koti- ja ulkomaisten yritysten kanssa. Lisäksi aletaan tutkia jätteiden lajittelua, varastointia, kuljetusta, termistä käsittelyä ja uusiokäyttömahdollisuuksia. Tutkimuskokonaisuuteen sisällytetään myös jätteiden termisen käsittelyn kiinteiden päästöjen hallinta. n 16 TEKNIIKKA ja KUNTA 7/2006