Pajun käyttö polttoaineena kerrosleijukattiloissa

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-06093-13 Energiapajun kestävä tuotanto ja käyttö -projekti Pajun käyttö poltossa -osatehtävä Pajun käyttö polttoaineena kerrosleijukattiloissa Kirjoittajat: Luottamuksellisuus: Markus Hurskainen, Janne Kärki, Kirsi Korpijärvi, Arvo Leinonen & Risto Impola Julkinen 14.11.2013

1 (41) Raportin nimi Pajun käyttö polttoaineena kerrosleijukattiloissa Asiakkaan nimi, yhteyshenkilö ja yhteystiedot Keski-Suomen ELY-keskus PL 250, 40101 Jyväskylä Projektin nimi Energiapajun kestävä tuotanto ja käyttö Raportin laatija(t) Markus Hurskainen, Janne Kärki, Kirsi Korpijärvi, Arvo Leinonen & Risto Impola Avainsanat Energiapaju, kerrosleiju, poltto, korroosio, agglomeraatio Tiivistelmä Asiakkaan viite 1099/3560-2010 Projektin numero/lyhytnimi 72683/EAKR-PAJU Sivujen/liitesivujen lukumäärä 41/0 Raportin numero VTT-R-06093-13 Tässä työssä pajun soveltuvuutta leijukerroskattiloiden polttoaineeksi on tarkasteltu sekä kirjallisuuden pohjalta että kokeellisesti pilot- ja lämpölaitoskokoluokan polttokokeissa. Kirjallisuuskatsauksessa selvisi, että polttoaineominaisuuksiltaan paju on melko lähellä tavanomaista metsähaketta. Metsähakkeeseen verrattuna paju voi kuitenkin sisältää enemmän alkaleita ja joissain tapauksissa myös klooria. Alkalit ja kloori ovat merkittävimmät ongelmien aiheuttajat poltossa ja esimerkiksi Ruotsissa pajun on havaittu aiheuttavan haasteita leijukerrospoltossa. 15 kw:n kerrosleijukoelaitteella suoritetuissa kotimaisen pajun polttokokeissa ei havaittu merkittäviä riskejä kattilalle. Tutkitun pajun erittäin alhaisesta klooripitoisuudesta johtuen, tulistimien kuumakorroosioriski oli pienempi kuin tavanomaisilla metsähakkeilla tai kuorella. Myös tulistinalueen likaantuminen oli vähäisempää tai korkeintaan samaa luokkaa kuin em. polttoaineilla. Myöskään pedissä ei havaittu ongelmallista käyttäytymistä kokeiden aikana. Joensuun 30 MW lämpölaitoksella suoritetuissa noin vuorokauden kestäneissä pajun polttokokeissa nähtiin, että laitoksen käyttö pajumurskeella onnistui ilman suurempia vaikeuksia, eikä merkittäviä riskejä laitoksen toiminnalle havaittu. Pienet ongelmat syötössä johtuivat pikemminkin käytetystä pienennystekniikasta kuin itse pajusta. Mikäli paju olisi haketettu, olisi syöttö ollut helpompaa. Poltossa kerrosleijukattilassa pajumurske ei juuri eronnut muustakaan metsähakkeesta ominaisuuksien puolesta. Pedin käyttäytymiseen kannattaa kuitenkin kiinnittää huomiota, mikäli pajua poltetaan pidempijaksoisesti suurella osuudella. Pajun poltto nosti lentotuhkan ravinnepitoisuuksia, mutta samalla nousivat myös joidenkin raskasmetallien pitoisuudet. Lannoitekäyttöön soveltuvuuden kannalta kriittisin raskasmetalli oli kadmium (Cd), jonka pitoisuus ylitti niukasti metsälannoitekäytön raja-arvon, kun pajun osuus oli 100 %. Yleinen käsitys on se, että kattilassa paju on tavanomaisia suomalaisia puubiomassoja haastavampi polttoaine. Yhteenvetona tehtyjen tutkimusten perusteella voidaan todeta, että haastavuusero on pieni ja painottuu lähinnä hieman korkeampaan pedin sintrautumisriskiin. Korvattavasta polttoaineesta riippuen, paju saattaa jopa pienentää tulistimien korroosioriskiä. Tutkitut pajunäytteet olivat hyvälaatuisia verrattuna joihinkin kirjallisuudessa kuvattuihin ulkomaisiin näytteisiin. Näin ollen tulevaisuudessa voisi olla tarpeen teettää lisäanalyysejä erilaisilla kasvupaikoilla kasvaneen pajun koostumuksista, jotta pajusta ja sen koostumukseen vaikuttavista tekijöistä saataisiin parempi kokonaiskuva. Joka tapauksessa oikeilla käsittelyja polttoteknologioilla pajun poltto ei juurikaan lisää käyttäjien riskitasoa. Seospoltto turpeen tai kivihiilen kanssa jo pienillä osuuksilla riittää poistamaan tulipesäriskit. Suomessa pajua voidaan siis polttaa turvallisesti monissa laitoksissa samaan tapaan kuin muitakin puupolttoaineita. Luottamuksellisuus Julkinen Jyväskylässä 19.5.2014 Laatija Markus Hurskainen, Tutkija VTT:n yhteystiedot VTT, PL 1603, 40101 Jyväskylä Jakelu (asiakkaat ja VTT) Tarkastaja Martti Aho Johtava tutkija Projektin johto- ja projektiryhmä sekä VTT:n arkisto. Projektin johto- ja projektiryhmä ja VTT:n arkisto. Hyväksyjä Jouni Hämäläinen Teknologiapäällikkö VTT:n nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän raportin osittainen julkaiseminen on sallittu vain VTT:ltä saadun kirjallisen luvan perusteella.

2 (41) Alkusanat Tämä tutkimus tehtiin osana VTT:n koordinoimaa Energiapajun kestävä tuotanto ja käyttö - projektia, jossa tutkitaan pajun erilaisia käyttömahdollisuuksia Suomessa. Tutkimusosapuolet projektissa VTT:n ohella ovat Itä-Suomen yliopisto, Suomen ympäristökeskus (Syke) ja Pohjoisen Keski-Suomen oppimiskeskus (POKE). Yrityskumppaneina ovat Vapo Oy, Fortum Power and Heat Oy ja Biowatti Oy. Tämä Pajun käyttö poltossa -osatehtävän raportti koostuu kirjallisuuskatsauksen lisäksi myös pilot- ja lämpölaitoskokoluokassa tehtyjen polttokokeiden tulosten esittelystä ja tulkinnasta. Kirjallisuuskatsauksen tarkoitus oli koota yhteen kirjallisuudesta löytyviä pajun polttoaineominaisuuksia sekä kerätä pajun poltosta jo saatuja käyttökokemuksia. Näiden tietojen perusteella tunnistettiin pajun poltossa huomionarvoiset seikat sekä suunniteltiin ja toteutettiin polttokokeet. Jyväskylä 19.5.2014 Tekijät

3 (41) Sisällysluettelo Alkusanat... 2 Sisällysluettelo... 3 OSA1: KIRJALLISUUSKATSAUS PAJUUN POLTTOAINEENA... 4 1. Johdanto... 4 2. Paju polttoaineena... 4 3. Kokemuksia pajun poltosta... 7 4. Pajun polton tuhkat... 9 5. Yhteenveto kirjallisuuskatsauksesta... 11 OSA 2: PAJUN POLTTOKOKEET... 12 6. Johdanto... 12 7. Pilot-kokeet... 12 7.1 Tutkimuksen tarkoitus ja sisältö... 12 7.2 Kerrosleijukoelaite... 12 7.3 Polttoaineet... 14 7.4 Polttokokeet... 16 7.4.1 Tavoitellut poltto-olosuhteet... 16 7.4.2 Kokeiden suoritus... 16 7.5 Tulokset... 17 7.5.1 Toteutuneet ajoparametrit... 17 7.5.2 Savukaasujen koostumus... 18 7.5.3 Tuhkien koostumus... 19 7.5.4 Likaantumisnopeus ja kerrostumien koostumus... 19 7.5.5 Pedin käyttäytyminen ja agglomeroitumistesti... 25 7.6 Yhteenveto pilot-kokeista... 27 8. Lämpölaitoskokeet... 28 8.1 Tutkimuksen tarkoitus ja sisältö... 28 8.2 Laitoksen kuvaus... 28 8.3 Polttoaineet... 29 8.4 Kokeiden kuvaus... 32 8.5 Prosessidata... 33 8.6 Syötettävyys... 35 8.7 Lentotuhkien koostumus ja soveltuvuus lannoitteeksi... 36 8.8 Yhteenveto lämpölaitoskokeista... 37 9. Loppuyhteenveto... 39 Lähteet... 40

4 (41) OSA1: KIRJALLISUUSKATSAUS PAJUUN POLTTOAINEENA 1. Johdanto Uusiutuvan energian osuutta on mahdollista lisätä ottamalla käyttöön lyhytkiertoisia energiametsiä, jotka voisivat olla Suomen tapauksessa pajukkoja. Lyhyen kiertoajan (noin 5 vuotta) vuoksi pajubiomassa on nopeasti uusiutuvaa. Suomessa pajua olisi mahdollista kasvattaa esimerkiksi vanhoilla turvetuotantoalueilla tai kesantopelloilla. Aiemmin Suomessa on kokeiltu viljellä vastaavaan energiakäyttöön ruokohelpeä, mikä ei ole osoittautunut menestykseksi. Pahimmat ruokohelven käytön pullonkaulat ovat korkeat tuotanto- ja kuljetuskustannukset sekä hankala käsiteltävyys voimalaitoksella. Kevyt ruokohelpisilppu aiheuttaa kuljettimien ja syöttimien tukkeutumista sekä pölyhaittoja. Erityisesti voimalaitospäässä paju olisi merkittävästi ruokohelpeä houkuttelevampi vaihtoehto. Käsiteltävyys ja palamisominaisuudet ovat merkittävästi lähempänä muita puubiopolttoaineita. Yleinen käsitys on kuitenkin se, että kattilan sisällä paju on tavanomaisia suomalaisia puubiomassoja haastavampi polttoaine. Näin ollen ennen pajun käyttöönottoa tulee sen poltto-ominaisuudet selvittää, jotta mahdollisiin haasteisiin osataan varautua. Tässä katsauksessa esitetään kirjallisuudesta löytyneitä pajun polttoaineanalyysitietoja ja vertaillaan niitä muihin polttoaineisiin sekä arvioidaan mahdollisia haasteita pajun poltossa. Lisäksi esitetään pajun poltosta raportoituja kokemuksia. Tämän katsauksen on tarkoitus olla tukena myöhemmin projektissa toteutettavien pajun polttokokeiden suunnittelussa. 2. Paju polttoaineena Taulukossa 1 on esitetty pajun peruspolttoaineominaisuuksien vertailu muihin Suomessa käytössä oleviin polttoaineisiin. Elementaarianalyysin (C, H, N, O, S) ja lämpöarvon osalta pajun ja tavanomaisten puupolttoaineiden välillä ei ole eroa. Pajun tuhkapitoisuus on noin 2 % (kuiva-aineesta), joka on samaa luokkaa kuin metsähakkeella ja kuorella, mutta suurempi kuin runkopuulla. Oljet ja ruokohelpi sisältävät 4 6 % tuhkaa. Pajun klooripitoisuus on tyypillisesti vain 0,01 0,05 % eli samaa luokkaa tai hieman korkeampi kuin metsähakkeilla. Tältä osalta paju on polton kannalta huomattavasti houkuttelevampi polttoaine kuin peltobiomassat, jotka voivat sisältää kertaluokkaa enemmän klooria. Kloorin tiedetään aiheuttavan merkittävää tulistinmateriaalien korroosiota erityisesti, kun tulistuslämpötila on yli noin 450 C.

5 (41) Taulukko 1. Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia (Alakangas 2000, Veijonen 2003) Kivihiili Turve Puu, kuoreton Kuori Olki Metsätähde* Ruokohelpi** Paju Kosteus % 6 10 40 55 5 60 45 65 50 60 17 25 15 20 50 60 Tuhka % (d) 8,5 10,9 4 7 0,4 0,5 2 3 1 3 5 6,2 7,5 1-3 Teholl. lämpöarvo MJ/kg (d) Lämpöarvo saapumistilassa MJ/kg 26 28,3 20,9 21,3 18,5 20 18,5 23 18,5 20 17,4 17,1 17,5 18,4 19,2 23,2 26,5 9,6 5,9 18,9 4,9 11,6 6-9 12,4 14 13,2 14,2 5,9 10,5 % (d) Hiili, C Vety, H Typpi, N Happi, O Rikki, S Kloori, Cl Kalium, K 76 87 3,5 5 0,8 1,5 2,8 11,3 0,5 3,1 <0,1 0,003 52 56 5 6,5 1 3 30 40 <0,05 0,3 0,02 0,06 0,8 5,8 48 52 6,2 6,4 0,1 0,5 38 42 <0,05 0,01 0,03 0,02 0,05 48 52 5,7 6,8 0,3 0,8 24,3 40,2 <0,05 0,01 0,03 0,1 0,4 *havupuu neulasineen, **keväällä korjattu, d=kuiva-aineesta 48 52 6 6,2 0,3 0,5 40 44 <0,05 0,01 0,04 0,1 0,4 45 47 5,8 6,0 0,4 0,6 40 46 0,05 0,2 0,14 0,97 0,69 1,3 45,5 46,1 5,7 5,8 0,65 1,04 44 0,08 0,13 0,09 0,3 0,5 47 51 5,8 6,7 0,2 0,8 40 46 0,03 0,05 0,01 0,05 0,2 0,5 Taulukkoon 2 on kerätty pajun tuhkan koostumustietoja eri puolilta Eurooppaa: Suomesta, Ruotsista, Tanskasta, Puolasta ja Iso-Britanniasta. Verrokkeina taulukossa toimivat metsätähde, männyn kuori sekä vehnän olki. Muiden puupolttoaineiden tapaan myös pajun tuhka koostuu pääosin alkali- ja maaalkalimetalleista, joista tärkeimmät ovat kalium ja kalsium. Lisäksi pajun tuhkassa voi olla piitä, joka on pääosin peräisin epäpuhtauksista (hiekasta, maa-aineksesta). Erona tavanomaisiin puupolttoaineisiin erityisesti kuoreen on kuitenkin yleensä korkeampi kaliumin osuus. Huomattavaa on kuitenkin pitoisuuksien suuret vaihteluvälit. Puupolttoaineisiin verrattuna pajun tuhka voi sisältää huomattavan määrän fosforia. Useat agrobiomassat, kuten oljet, sisältävät kuitenkin vielä pajua merkittävästi enemmän alkaleita ja lisäksi paljon vähemmän kalsiumia. Kuten puupolttoaineissakin, oljissa osa piistä on peräisin maa-aineksesta, mutta osa on peräisin itse oljesta. Oljen sisältämää piitä pidetään polton kannalta haitallisempana kuin maa-aineksista peräisin olevaa piitä sen suuremman reaktiivisuuden vuoksi. Osa agrobiomassoista sisältää myös erittäin paljon fosforia. Tällaisia ovat esimerkiksi erilaiset viljaetanolin tuotannon sivutuotteet ja rypsin puristusjätteet. Näin ollen paju sijoittuu polttoaineominaisuuksiltaan askeleen tavanomaisista puupolttoaineista peltobiomassojen suuntaan, mutta kuitenkin selvästi lähemmäksi puupolttoaineita.

% tuhkasta % k-a TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-06093-13 6 (41) Taulukko 2. Eri lähteissä raportoituja pajun tuhkankoostumuksia (verrokkeina metsätähde, kuori ja olki) Paju 1) Paju 2) Paju 3) Paju 4) Paju 5) Paju 6) Paju 7) Pajut 8)* Metsätähde 6) kuori Männyn 5) Vehnän olki 2) Tuhkapit. 2,1 2,1 1,37 1,67-1,9 3,0 1,3 2,2 2,1 1,8 5,7 SiO 2 6,0 8,8 12,7 2,6 0,43 4,3 0,02 n/a 18,8 14,5 30,1 Al 2O 3 0,6 1,5 2,5 0,2 0,3 2,2 - n/a 1,1-0,2 Fe 2O 3 1,3 0,7 1,2 0,1 0,2 0,9 0,12 n/a 0,7 3,8 0,1 K 2O 17,7 14,3 15,5 17,4 26,5 25,2 16 9,3 40,2 9,8 3,4 26,4 Na 2O 0,5 0,7 3,8 0,4 0,3 0,1 0,3 0,23 1,6 0,2 2,1 0,7 CaO 38,2 33,3 26,2 35,1 30,8 30,8 39,9 23,8 44,4 35,7 40,0 9,8 MgO 3,8 3,5 4,5 3,5 5,1 3,3 5 2,26 6,3 4,4 5,1 2,9 Mn 3O 4 0,4-0,6 0,1 - - n/a - - - P 2O 5 9,8 6,4 10,0 10,1 4,8 14,7 10,5 0,15 18,8 5,5 2,7 5,2 SO 3 6,0 4,8 4,2 3,8 2,1 3,7 3,8 n/a 2,2 3,7 8,3 1) Skrifvars et al. 1997 2) Grimm et al. 2011, 3) Ala Khodier 2011, 4) Hammerschmid 5) Alakangas 2000 6) Zevenhoven et al. 2000 7) Majevski 2012 8) Hjalmarsson&Ingman 1998 *10 näytettä eri puolilta Ruotsia Miten edellä mainitut alkuaineet sitten vaikuttavat polttoon? Kaliumin tiedetään reagoivan leijukerroskattiloissa petihiekan kanssa muodostaen alhaisessa lämpötilassa sulavia kalium(kalsium)silikaatteja, joiden muodostuminen voi johtaa pedin osittaiseen tai täydelliseen sintrautumiseen. On esitetty, että mitä suurempi on polttoaineen kaliumin pitoisuus kalsiumiin nähden, sitä suurempi on pedin agglomeroitumisen riski. (Öhman et al. 2000) Lisäksi kalium aiheuttaa kattilan lämmönsiirtopintojen likaantumista laskemalla tuhkapartikkelien sulamispisteitä ja muodostamalla aerosoleja, jotka tiivistyvät lämmönsiirtopinnoille. Fosforin rooli tuhkakemiassa on huonommin tunnettu, eikä aivan yksiselitteinen. Puupolttoaineilla, joilla on varsin korkea sintrautumislämpötila, fosforin keinotekoisen lisäämisen on havaittu laskevan sitä. (Grimm et al. 2011) Oljella, jolla pedin sintrautumislämpötila on matala, fosforilisäys puolestaan nosti sintrautumislämpötilaa merkittävästi. Fosforin tiedetään muodostavan fosfaatteja alkali- ja maa-alkalimetallien kanssa, mikä tarkoittaa sitä, että petihiekan kanssa vapaasti reagoivia alkalimetalleja on tarjolla vähemmän. Toisaalta syntyneiden, paljon fosforia sisältävien ja osittain sulien tuhkapartikkelien on havaittu myös reagoivan hiekan jyvien kanssa, minkä on myös havaittu johtavan pedin sintrautumiseen. Oleellista fosforin käyttäytymisessä on tuhkan kalsiumin ja kaliumin välinen suhde. Mikäli polttoaine sisältää paljon fosforia ja kaliumia ja vain vähän kalsiumia, muodostuu kaliumfosfaatteja, joilla on alhainen sulamispiste. Mikäli polttoaine sisältää myös riittävästi kalsiumia (tai mikäli sitä lisätään esimerkiksi kalkkikiven muodossa), muodostuu (kalium-)kalsiumfosfaatteja, joiden sulamispiste on korkeampi. Arinapolttoa ajatelleen myös edellä mainitun hiekkaperäisen piin määrä on oleellinen, sillä se lisää tuhkan ns. slagiintumista arinalla. (Gilbe et al. 2008) Slagiintumisella tarkoitetaan tuhkan sulamista tai harkkoontumista, jossa syntyy erilaisia silikaatteja. Täten on edullista, mitä vähemmän hiekkaa kulkeutuu polttoaineen mukana kattilaan. Tämä pätee yhtälailla myös tavanomaisiin biopolttoaineisiin.

7 (41) Pajun tuhkan sulamislämpötila on laboratorioanalyysien perusteella korkea, joskin määritetyille arvoille löytyy kirjallisuudesta suuri vaihteluväli. Tanskalaisen pajun sintraantumislämpötilaksi on analysoitu vain 1080 C (Hammerschmid), kun taas lähteestä Alakangas 2000, löytyy suomalaiselle pajulle muodonmuutoslämpötilaksi peräti 1570 C (pelkistävä atmosfääri). Kolmelle ruotsalaiselle pajunäytteelle oli analysoitu seuraavat lämpötilat: >1360, >1360 ja 1250 C (Hjalmarsson&Ingman 1998). Tavanomaisille metsähakkeille tyypillinen lämpötila on 1150 1250 C ja kuorille hieman korkeampi. Oljen tuhka voi sulaa jo 750 C:ssa. Tuhkan sulamislämpötiloilla on merkitystä erityisesti arinapoltossa, mutta ne antavat suuntaa myös leijupolton petihiekan sintrautumiseen ja kattilan likaantumiseen, sillä sulanmuodostus on tärkeä osa myös näissä prosesseissa. Biopolttoaineiden tuhkien sulamislämpötilojen määrittäminen laboratoriomenetelmin on kuitenkin hieman ongelmallista, sillä menetelmät on alun perin kehitetty kivihiilen tuhkille, joten tuloksia on tulkittava varoen. 3. Kokemuksia pajun poltosta Raportoituja voima- ja lämpölaitoksilta saatuja kokemuksia pajun poltosta löytyy melko niukasti. Ruotsalaisten, pajua käyttävien lämpö- ja voimalaitosten kokemuksia on raportoitu 90-luvun lopulla (Hjalmarson&Ingman 1998). Mukana oli kolme kiertoleiju-, kaksi kerrosleijuja kuusi arinakattilaa. Osassa laitoksia pajua poltettiin säännöllisesti, osassa tehtiin vain lyhyitä testejä. Pajun osuus vaihteli muutamista prosenteista 100 %:iin. Laitosten käyttämät muut polttoaineet olivat muita biomassoja: haketta, kuorta, pellettejä jne. Mukana olleissa kiertoleijukattiloissa ei esiintynyt sellaisia ongelmia, jotka olisi voitu suoraan liittää pajuun. Kahdessa kattilassa pajun osuus oli vain joitakin prosentteja ja yhdessä kattilassa tehtiin lyhyitä kokeita pelkällä pajulla. Pedin agglomeroitumista havaittiin kerrosleijukattilassa, jossa käytettiin pelkkää pajua. Petilämpötilaksi oli ilmoitettu epätarkasti 800 900 C. Koska paju on hieman tavanomaista haketta kevyempää ja palakooltaan suurempaa sekä vähemmän pieniä partikkeleita sisältävää, havaittiin useammassa kerrosleijukattilassa lisäksi, etteivät pajukappaleet ehdi välttämättä palaa pedissä, vaan ne kulkeutuvat välillä pedin pintaan. Mikäli metsähakkeen palakokojakauma olisi samanlainen, arveltiin, että ilmiö havaittaisiin myös sillä. Tämä osoittaa kuitenkin sen, että joissain tapauksissa myös palakokoon ja -jakaumaan on syytä kiinnittää huomiota. Osassa arinakattiloita pajun huomattiin aiheuttavan merkittävää lämmönsiirtopintojen likaantumista. Tästä syystä esimerkiksi ENA Kraftin 55 MW:n CHP-kattilassa pajun osuus on rajoitettu 15 %:iin kokonaispolttoaine-energiasta. Kahdesta kattilasta oli analysoitu myös tulistimille kerrostuneen tuhkan koostumus ja löydetty korkeita klooripitoisuuksia (14 17 %), mutta siitä, mikä oli pajun vaikutus kerrostumien koostumukseen, ei ollut tietoa. Laitosten käyttämät polttoaineet ilman pajuakin aiheuttavat korroosioriskin. Tämä on yhteinen piirre raportissa esitetyille laitoskokemuksille. Testeihin ei liittynyt selvää mittauskampanjaa, jolla olisi pyritty systemaattisesti selvittämään, mikä ja minkä suuruinen vaikutus pajulla on kattilan käytettävyyteen. Laitoskokemusten lisäksi pajun poltosta löytyy tuloksia myös pilot- ja laboratoriokokoluokasta. Esimerkiksi Grimm kollegoineen (Grimm et al. 2011) tutki useiden polttoaineiden pedin sintrautumislämpötiloja 5 kw BFB-reaktorilla. Pajulla pedin havaittiin sintrautuvan jo 900 C:ssa, kun metsätähdehakkeella ja kuorella vastaavat lämpötilat olivat 1030 ja 1050 C. Vastaavia sintrautumislämpötiloja (882 898 C) pajulla saman kokoluokan BFB-reaktorilla on raportoitu myös lähteessä van der Drift&Olsen 1999. On kuitenkin huomattava, että kyseiset lämpötilat eivät välttämättä suoraan sovellu käytettäväksi täyden kokoluokan kattiloiden agglomeroitumislämpötiloja arvioitaessa johtuen mm. eroista pedin hydrodynamiikassa. Tuloksia on siis pikemminkin pidettävä yhtenä, toistettavasti määritettävissä olevana polttoaineen ominaisuusparametrina, joka osoittaa eri polttoaineiden

8 (41) välisiä eroja, eikä absoluuttisina lämpötiloina. Tulokset tukevat kuitenkin aiemmin mainittua täyden mitan BFB-kattilassa tehtyä havaintoa pedin agglomeroitumisesta 100 % pajulla. Ala Khodierin (Ala Khodier 2011) 50 kw kerrosleijureaktorilla suorittamassa polttotutkimuksessa, jossa keskimääräinen petilämpötila oli noin 800 C, ei pajun havaittu aiheuttavan ongelmia pedissä. Polttokoe kesti tosin vain neljä tuntia. Tyypillinen petilämpötila voimalaitoskattiloissa on 800 900 C, joten käytettävään petilämpötilaan ja petimateriaalin riittävään vaihtamiseen on siis kiinnitettävä huomiota käytettäessä pajua suurilla osuuksilla tai ainoana polttoaineena. Ala Khodier (Ala Khodier 2011) tutki kokeissaan myös pajun taipumusta aiheuttaa tulistinputkien likaantumista ja korroosiota keräämällä kerrostumia tulistimia simuloiville holkeille. Tuhkan kerrostumisnopeuden havaittiin olevan alhainen (holkin tulopuolelle noin 35 g/m 2 /h), joten pajun ei arveltu aiheuttavan suuria likaantumisongelmia. 500 C pintalämpötilassa pidetylle holkille kerätty kerrostuma on esitetty kuvassa 1. Kuva 1. Pajun leijukerrospoltossa tulistinputkia simuloivalle holkille syntynyt kerrostuma (metallin pintalämpötila 500 C). (Ala Khodier 2011) Kuvassa 2 on puolestaan esitetty kerätyn kerrostuman kemiallinen koostumus. Tutkimuksessa käytetty paju sisälsi vain 0,011 % klooria (massa-% kuiva-aineesta), mutta kerrostumassa klooripitoisuus on lähes 10 mooli-%, mikä tarkoittaa merkittävää korroosioriskiä. Myös Skrifvars kumppaneineen (Skrifvars et al. 1997) mittasivat samaa luokkaa olevia klooripitoisuuksia kerrostumista 4 MW CFB-kattilalla suorittamissa kokeissaan. Tämä osoittaa sen, että alhainen klooripitoisuus ei yksinään takaa, että tulistimet eivät altistu kloorin aiheuttamalle kuumakorroosiolle. Syy tähän on pajusta ja myös muista puupolttoaineista puuttuvat ns. suoja-aineet, jotka reagoivat haitallisten klooriyhdisteiden kanssa muuttaen ne vähemmän haitalliseen muotoon. Parhaiten tunnettuja suoja-aineita ovat rikki sekä alumiinisilikaatit, joita on tavallisesti mm. kivihiilessä, turpeessa ja jätevesilietteessä. (mm. Aho 2001, Aho&Silvennoinen 2004, Aho&Ferrer 2005, Aho et al. 2013) Myös fosforiyhdisteillä on havaittu olevan positiivisia vaikutuksia. (Grimm et al. 2012) Pajun alhaiset tuhka- ja klooripitoisuudet tarkoittavat kuitenkin sitä, että jo pieni määrä em. polttoaineita seospolttoaineena voi riittää estämään kloorin kerrostumisen ja vähentämään muitakin mahdollisia ongelmia, kuten lämpöpintojen likaantumista tai pedin agglomeroitumista.

9 (41) Kuva 2. Pajun leijukerrospoltossa tulistinputkea simuloivalle holkille (metallin pintalämpötila 500 C syntyneen kerrostuman koostumus (tulopuolelta ja holkin sivulta analysoituna). (Ala Khodier 2011) 4. Pajun polton tuhkat Energiantuotannon sivutuotteina syntyvät tuhkat luokitellaan lähtökohtaisesti jätteiksi. Jätelainsäädäntö ja ympäristöhallinnon laatimat jätesuunnitelmat linjaavat, että tuhkat pitäisi ensisijaisesti hyödyntää, jos se on teknisesti mahdollista, eikä se aiheuta kohtuuttomia kustannuksia jätteen muuhun käsittelyyn verrattuna. Kaikkeen jätteen laitosmaiseen ja ammattimaiseen hyödyntämiseen ja käsittelyyn tarvitaan ympäristölupa. Ilman ympäristölupaa tuhkia on mahdollisuus hyödyntää esimerkiksi lannoitevalmisteina, mikäli lannoitevalmistelain (539/2006) ja -asetusten (24/11 & 11/12) sekä niiden päivitysten vaatimukset täyttyvät tai ilmoitusmenettelyllä maarakennuksessa, mikäli asetuksen VNa 591/2006 vaatimukset täyttyvät. Lannoitteena käytettävien tuhkien ravinteille on asetettu lainsäädännössä minimivaatimuksia ja vastaavasti raskasmetalleille maksimipitoisuuksia. Metsätaloudessa käytettävän tuhkalannoitteen fosforin ja kaliumin yhteenlasketun pitoisuuden tulee olla vähintään 2 % ja kalsiumin 6 %. Maataloudessa, puutarhataloudessa ja viherrakentamisessa käytettävän tuhkan neutraloivan kyvyn tulee olla vähintään 10 % (Ca). Rakeistettuun tuhkalannoitteeseen saa lisätä epäorgaanisia lannoitevalmisteita sen käyttökelpoisuuden lisäämiseksi tai vähimmäisvaatimusten täyttämiseksi. Taulukossa 3 on esitetty enimmäispitoisuudet haitallisille metalleille tuhkalannoitteissa.

10 (41) Taulukko 3. Haitallisten metallien enimmäispitoisuudet tuhkalannoitteissa (MMMa 24/11) Alkuaine Enimmäispitoisuus maataloudessa, puutarhataloudessa, viherrakentamisessa [mg/kg kuiva-ainetta] Enimmäispitoisuus metsätaloudessa käytettävissä tuhkalannoitteissa tai niiden raaka-aineena käytettävässä tuhkassa [mg/kg ka.] Arseeni (As) 25 40 Elohopea (Hg) 1,0 1,0 Kadmium (Cd) 2,5 25 Kromi (Cr) 300 300 Kupari (Cu) 600 700 Lyijy (Pb) 100 150 Nikkeli (Ni) 100 150 Sinkki (Zn) 1500 4500 Poltossa syntyvän tuhkan kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet sekä määrät riippuvat käytettävän polttoaineen koostumuksesta ja laadusta. Polttotekniikalla ja -parametreilla, kuten lämpötilalla ja ilman syötöllä, lisäaineilla sekä kattiloiden kunnolla ja tuhkan talteenottojärjestelmällä on myös vaikutusta tuhkan laatuun. Arinakattiloissa suurin osa tuhkasta poistuu pohjatuhkana, joka etenkin puupolttoaineita käyttävillä laitoksilla on usein lannoitekäyttöön soveltuvaa. Poltossa höyrystyvät raskasmetallit konsentroituvat lentotuhkaan ja jopa puupolttoaineita polttavien arinakattiloiden lentotuhkat saatetaan luokitella vaarallisiksi jätteiksi esimerkiksi korkeiden sinkkipitoisuuksien vuoksi. Tällaisia lentotuhkia ei voida käyttää lannoitevalmisteina. Leijukerrospoltossa tuhkan koostumukseen vaikuttaa myös käytettävä petimateriaali, joka on yleensä kvartsihiekkaa. Poltossa jauhautuva ja lentotuhkan joukkoon kulkeutuva hiekka laimentaa lentotuhkan ravinne- ja raskasmetallipitoisuuksia. Pajutuhkat, kuten muutkin puutuhkat sisältävät ravinteita (K, P, Ca), jotka olisi hyvä palauttaa takaisin kiertoon lannoitteina. Pajuilla on kuitenkin taipumus imeä maaperästä ravinteiden ohella myös haitallisia metalleja, kuten esimerkiksi kadmiumia, lyijyä, sinkkiä ja kuparia. Tämän ominaisuuden vuoksi pajua käytetäänkin jopa maaperän puhdistuksessa. Pajulla on melko alhainen tuhkapitoisuus, joten raskasmetallit konsentroituvat poltossa pieneen tuhkamäärään, jolloin pitoisuudet voivat olla huomattavan korkeita ja lannoitekäytön rajaarvot saattavat ylittyä helposti myös käytettäessä pajua seospolttoaineena. Ruotsissa, Enköpingissä pajua poltetaan yhdessä muiden puupolttoaineiden kanssa arinakattilassa ja pohjatuhka kierrätetään lannoitteena korkean raskasmetallipitoisuuden omaavan lentotuhkan päätyessä kaatopaikkasijoitukseen (Dimitrou et al. 2006). Pajutuhkien raskasmetallipitoisuuksia ei ole juuri raportoitu kirjallisuudessa. Muutama yksittäinen analyysitulos raskasmetallipitoisuuksista polttoaineanalyysien yhteydessä on löydettävissä (taulukko 4). Analyysitulosten pohjalta voidaan laskea, että etenkin tuhkien kadmium- ja sinkkipitoisuudet voivat estää lannoitekäytön. Taulukosta nähdään myös, että pajun raskasmetallipitoisuudet ovat hyvin riippuvaisia kasvupaikasta. Raskasmetallit jakautuvat poltossa eri tuhkafraktioihin polttotekniikasta ja -parametreista riippuen, mutta jakautumiseen vaikuttaa myös mm. polttoaineen klooripitoisuus. Pajun poltossa muodostuvien tuhkien ominaisuuksia ja hyötykäyttömahdollisuuksia onkin lähes mahdoton ennustaa, vaan ne tulee selvittää kokeellisesti.

11 (41) Taulukko 4. Kirjallisuudessa esitettyjä raskasmetallipitoisuuksia pajulle, mg/kg ka Alkuaine Paju 1) Paju 2) Paju 3) Paju 4) Arseeni (As) 0,7 Elohopea (Hg) 1,0 Kadmium (Cd) 0,8 1,7 1,9 3,2 8,2 20 Kromi (Cr) 3 2,1 1,4 Kupari (Cu) 2 4 3,1 3,3 7,8 Lyijy (Pb) 0,4 2,0 1,9 7,0 5,1 16 Nikkeli (Ni) 11,2 2,0 Sinkki (Zn) 40 105 61,8 106 220 1660 1) Alakangas 2000, 2) ECN 2003, 3) OFI 2008, 4) Syc et al. 2012 (maaperän puhdistukseen käytetty paju) Tuhkien jalostaminen esimerkiksi haitallisten aineiden pitoisuuksien vähentämiseksi on mahdollista ja lainsäädännön puolesta sallittua. Erilaiset jalostusmenetelmät ovat olleet viime aikoina tutkimuksen kohteena, mutta toistaiseksi niitä ei ole juuri otettu käyttöön taloudellisesti kannattamattomina. Samaan aikaan tuhkien kaatopaikkasijoittamisen kustannukset ovat kuitenkin nousseet ja jätevero on laajentunut koskemaan myös lentotuhkia. Jokaisesta kaatopaikalle sijoitettavasta lentotuhkatonnista on maksettava jäteveroa 50. Esimerkiksi Jyväskylässä toimivan Mustankorkea Oy:n jäteveron sisältävä käsittelymaksu lentotuhkalle vuonna 2013 on 97,55 /t (alv. 0 %) (Mustankorkea 2013) ja Joensuussa toimivan Puhas Oy:n Kontionsuon jätekeskuksen vastaanottohinta yritysten arina- ja lentotuhkille 138 /t (alv. 24 %) (Puhas 2013). 5. Yhteenveto kirjallisuuskatsauksesta Polttoaineanalyysien perusteella paju ei vaikuta aivan niin haastavalta polttoaineelta kuin mitä esimerkiksi laitoskokeilut Ruotsissa antaisivat helposti olettaa. Polttoaineominaisuuksiltaan paju on huomattavasti lähempänä metsähaketta kuin peltobiomassoja. Verrattuna tyypilliseen metsähakkeeseen pajun polton kloorikorroosioriski voimalaitosten tulistimille lienee samaa luokkaa, mutta leijukerrospoltossa pedin agglomeroitumisriski on korkeampi johtuen pajun korkeammista alkalipitoisuuksista. Samasta syystä kattilan likaantumisnopeus voi olla hieman korkeampi käytettäessä pajua. Seospoltossa turpeen kanssa jo suhteellisen pieni määrä turvetta riittänee estämään em. ongelmat, mikä tarkoittaa sitä, että Suomessa pajua voitaisiin polttaa turvallisesti monissa laitoksissa. Peltobiomassoihin verrattuna pajun käsittely ja syöttö on huomattavasti helpompaa, mikä lisää pajun houkuttelevuutta. Pajun polton tuhkat voidaan hyödyntää lannoitteina mikäli lannoitelainsäädännön vaatimukset täyttyvät. Pajutuhkien lannoitekäytön esteeksi voivat nousta korkeat raskasmetallipitoisuudet, jotka johtuvat pajun taipumuksesta ottaa maasta ravinteiden lisäksi myös raskasmetalleja. Pajutuhkien soveltuvuus lannoitekäyttöön tulee arvioida tapauskohtaisesti tuhka-analyysien perusteella.

12 (41) OSA 2: PAJUN POLTTOKOKEET 6. Johdanto Pajun polttoa tutkittiin sekä pilot-kokoluokassa että lämpölaitoksella. Pilot-kokeet suoritettiin VTT:n 15 kw:n kerrosleijureaktorilla, jossa pajua poltettiin 100 % osuudella. Lämpölaitoksella pajua seostettiin aluksi teollisuuden sivutuotteisiin (sahanpuru, kuori) ja lopussa pajua poltettiin pieni jakso ainoana polttoaineena. Pilot-kokeissa oli enemmän tutkimuksellinen ja analyyttisempi lähestymistapa, kun taas lämpölaitoskokeiden tarkoituksena oli hakea käytännön kokemusta pajun poltosta. 7. Pilot-kokeet 7.1 Tutkimuksen tarkoitus ja sisältö Pilot-polttokokeiden tarkoitus oli karakterisoida Suomen olosuhteissa lupaavimman pajulajikkeen, siperianpajun (Salix schwerinii), poltto-ominaisuudet leijukerrospoltossa. Kokeet suoritettiin VTT:n 15 kw:n kerrosleijukoelaitteella, jossa pajua poltettiin 100 %:n osuudella. Tällainen koe olisi ollut riskialtis toteutettavaksi oikeassa voima- tai lämpölaitoskattilassa, joten koe oli järkevä toteuttaa pilotilla. Myöskään Suomen viljelty ja siten järkevästi korjattavissa oleva energiapajumäärä ei olisi riittänyt kattaviin laitoskokeisiin. Kokeissa tutkittavia asioita olivat: savukaasujen koostumus (O 2, CO 2, CO, NO, SO 2 ) tulistimien likaantumisnopeus ja kerrostumien korrosiivisyys käyttäen lämpötilasäädettäviä kerrostumasondeja ( tulistinputkisimulaattoreita ) lentotuhkien koostumus pedin käyttäytyminen / agglomeroitumislämpötila Tuloksia verrattiin muissa yhteydessä tehtyihin kokeisiin metsätähdehakkeella sekä kuorella. 7.2 Kerrosleijukoelaite Kokeissa käytettiin VTT:n 15 kw:n sähköstabiloitua kerrosleijukoelaitetta (Kuva 3). Laitteen sylinterin muotoisen tulipesän korkeus on noin 4 m ja halkaisija petialueella 16 cm ja nousuputkialueella (=freeboard) 23 cm. Nousuputken yläpuolella on vielä kahden metrin korkuinen kattilan konvektioaluetta simuloiva mittausputkialue, jonka läpimitta on 8,1 cm.

13 (41) Kuva 3. VTT:n 15 kw:n sähköstabiloitu kerrosleijureaktori. Koelaite on jaettu useaan vyöhykkeeseen, joiden lämmitystä ja jäähdytystä voidaan säätää toisistaan riippumatta. Sähköstabiloinnin ja jäähdytysten avulla koelaitteeseen on mahdollista saada täyden mitan voimalaitoskattiloiden tulipesiä vastaava lämpötilaprofiili ja olosuhteet pysyvät erittäin stabiileina. Tämä yhdessä riittävän pitkien viipymäaikojen kanssa mahdollista tulosten soveltamisen suurempaan kokoluokkaan. Prosessin seuraamiseksi koelaitteessa on useita lämpötila- ja painemittauksia. Koelaitteessa on polttoaineita varten kaksi erillistä säiliötä, joista polttoaineet syötetään tulipesään ruuvien avulla. Tämän lisäksi mahdolliselle lisäaineelle (esimerkiksi kalkkikivi) on oma säiliönsä ja syöttöruuvinsa. Näissä kokeissa lisäaineita ei kuitenkaan syötetty. Palamisilma syötetään kolmessa vaiheessa. Primääri-ilma syötetään arinan alta ja sitä on mahdollista esilämmittää. Sekundääri- ja tertiääri-ilmojen syöttökohdat näkyvät kuvassa 3. Poltossa syntynyt karkeampi lentotuhka saadaan talteen syklonilta. Syklonin läpäisevä lentotuhka päätyy letkusuodattimelle. Savukaasun koostumusta seurataan jatkuvatoimisin analysaattorein peruskomponenttien (O 2, CO 2, CO, NO, SO 2 ) osalta. Optiona on myös FTIRmittaus, mikäli on tarvetta analysoida koostumus tarkemmin. Näissä kokeissa FTIR:ää ei käytetty. Petimateriaalina käytettiin 0,1 0,6 mm raekoossa olevaa luonnonhiekkaa, jonka tyypillinen koostumus oksideina ilmoitettuna on Na 2 O 3,0, K 2 O 2,3, MgO 0,59, CaO 2,3, Al 2 O 3 11,8, Fe 2 O 3 2,0 and SiO 2 77,5 massa-%.

14 (41) 7.3 Polttoaineet Polttoaineena käytetty paju oli Liperistä korjattua 5 6 vuoden ikäistä siperianpajua (Salix schwerinii), joka vaikuttaa tällä hetkellä potentiaalisimmalta lajikkeelta Suomen olosuhteissa viljeltäväksi. Valittu paju oli myös iältään energiakäyttöön kasvatettavaa pajua edustavaa. Paju oli korjattu keväällä ja säilötty kesän yli kasoissa. Tällä tavoin pajua voidaan kuivata ja sen säilyvyys paranee verrattuna tapaan, jossa paju haketetaan heti korjauksen yhteydessä. Paju haketettiin suursäkkeihin paikan päällä kuljetusta varten. Suursäkeistä otettiin edustava näyte polttoaineanalyysiin. Tämän jälkeen paju kuivattiin VTT:n toimesta sekä mädäntymisen estämiseksi että hienomurskausta helpottamaan. Polttokoelaitetta varten paju oli murskattava alle 5 10 mm palakokoon. Paju kostutettiin juuri ennen polttoa. Pajusta tehtyjen analyysien tulokset sekä käytetyt menetelmät on esitetty taulukossa 5. Analyysit suoritti Enas Oy. Taulukko 5. Pajun polttoaineanalyysitulokset (k-a = kuiva-aineesta) Analyysi Tulos Yksikkö Menetelmä Kosteus 44,8* m-% EN 14774-2, CEN/TS 15414-2, ISO 589 Tuhkapitoisuus 815 C 1,5 m-% k-a ISO 1171:1997 Tuhkapitoisuus 550 C 1,5 m-% k-a EN 14775, EN 15403 Haihtuvat aineet 83,1 m-% k-a EN 15148, EN 15402, ISO 562 Tehollinen lämpöarvo 18,58 MJ/kg k-a EN 14918, EN 15400, ISO 1928 C H N 49,9 6,1 <0,3 m-% k-a EN 15104, EN 15407, ISO 29541 S 0,03 m-% k-a ASTM D 4239 (mod), EN 15289 Cl 0,003 m-% k-a SFS-EN ISO 10304-1:2009 (mod.) Na K Ca Mg P Al Si Fe Cr Cu Mn Ni Zn 76 1700 3000 350 620 230 1100 120 1,9 2,8 37 0,8 90 *pajua ei poltettu tässä kosteudessa mg/kg k-a EN 15290:2011 A (mod.) SFS-EN ISO 11885:2009 (mod.) Polttoaineanalyysituloksista nähdään, että ko. pajuerä oli saapuessaan melko kosteaa, mikä johtui kuivumisen suhteen epäsuotuisasta kasan sijainnista. Paju poltettiin kuitenkin noin 35 %:n kosteudessa, mikä on tyypillisempi pajun kosteus kasakuivauksen jälkeen. Tuhkapitoisuus, lämpöarvo, haihtuvien aineiden osuus ja CHN-analyysin tulokset ovat tyypillisiä hakkeille. Typpipitoisuus jäi alle määritysrajan. Typen määritysraja tosin on korkea ja pajun typpipitoisuus lienee lähellä määritysrajaa. Myös rikkipitoisuus on puupolttoaineille ominaisesti alhainen.

15 (41) Tutkitun pajun klooripitoisuus on vain 0,003 %, mikä on samaa luokkaa kuin runkopuulla. Kloori analysoitiin ionikromatografisesti happipommihajotuksessa saadusta liuoksesta. Jopa tavallinen metsähake ja kuori sisältävät tavallisesti lähes kertaluokkaa enemmän klooria. Tästä syystä päätettiin tutkia vielä tarkemmin kirjallisuudesta löytyviä klooripitoisuuksia suomalaiselle pajulle, jotta selviäisi, edustaako tutkittu paju klooripitoisuudeltaan ollenkaan tavanomaista pajua. Jerkku (Jerkku 2012) on analysoinut pro gradu -työssään pajujen sekä muiden lyhytkiertopuiden klooripitoisuuksia sekä useita muita ominaisuuksia. Liperistä, läheisestä pajukosta korjatun siperianpajun klooripitoisuudeksi analysoitiin 0,00216 %. Salix myrsinofoliasta analysoitiin vielä alhaisempi pitoisuus 0,00051 %. Määritykset tehtiin spektrofotometrisesti käyttäen Langen kyvettitestiä LCK 311 happipommihajotuksen jälkeen. Määritysrajaksi menetelmälle oli ilmoitettu todella matala 0,00005 %. Analysoidut näytteet oli otettu tuoreeltaan keväällä eli pajut eivät olleet kuivuneet kasoissa kesän yli. On tunnettua, että varastointi kesän yli voi vähentää merkittävästi kloori- ja alkalipitoisuuksia sadeveden huuhtoessa vesiliukoisia yhdisteitä pois. Erityisen merkittävää tämä on olkibiomassoilla. Metsäbiomassalla varastoinnin positiivinen vaikutus johtuu pitkälti myös neulasten varisemisesta pois, sillä neulasissa alkali- ja klooripitoisuudet ovat korkeimmillaan. Mahdollisen kesän yli varastoinnin vaikutuksen selvittämiseksi, samalta kasvupaikalta haettiin vielä tuore pajunäyte kloorianalyysiin, joka osoitti sen sisältävän saman 0,003 % klooria. Näyte analysoitiin Enas Oy:n toimesta samalla menetelmällä kuin kesän yli ikäännytetty näytekin, jolloin tulokset ovat varmasti vertailukelpoisia. Näin ollen vaikuttaa siis siltä, että tässä projektissa analysoitu pajun alhainen klooripitoisuus ei johdu kesän yli varastoinnista, vaan siitä, että ainakaan kyseisen kaltaisessa maaperässä ja käytetyillä lannoitteilla, paju ei sisällä juurikaan klooria. Suomalaisen pajun alhaista klooripitoisuutta tukee myös lähteestä Alakangas 2000, löytyvä analyysitulos 0,0037 %. Lähteessä ei kuvata tarkemmin, millaisesta pajunäytteestä oli kyse. Joka tapauksessa näiden analyysitulosten perusteella kloorin aiheuttaman tulistimien kuumakorroosion riski ei ainakaan nouse korvattaessa osa hakkeesta/kuoresta pajulla. Tästä syystä projektissa aluksi kaavaillut seospolttokokeet turpeen kanssa päätettiin jättää tekemättä ja kohdistaa rahat muuhun tekemiseen. Tuhkaa muodostavat pääalkuaineet määritettiin suoraan polttoaineesta märkähajotuksen jälkeen ICP-OES:llä. Näistä tuloksista nähdään helposti kattilaan syötettävät alkuainevirrat. Joskus on kuitenkin helpompi analysoida tuhkan ominaisuuksia laskemalla tulokset tuhkan koostumukseksi. Näin on tehty taulukossa 6, jossa tuhkankoostumus on laskettu olettaen, että alkuaineet esiintyvät oksideina. Taulukossa on lisäksi listattu Jerkun ICP-OES:llä analysoimat tulokset läheisellä paikalla kasvaneesta siperianpajun tuhkasta oksideina ilmoitettuna. (Jerkku 2012) Tulokset ovat hyvin yhtenevät. Kirjallisuudesta löytyviin tuhkan koostumuksiin (Taulukko 2) verrattuna nyt tutkittu paju edustaa vähiten haastavaa laatua. Lähteistä Grimm 2012 ja Ala Khodier 2011 löytyvät pajun tuhkan koostumukset ovat samankaltaisia. Pajun analyysituloksien saamisen jälkeen polttokokeiden oleellisimmaksi tutkittavaksi seikaksi nousi mahdollinen pedin sintrautuminen/agglomeraatio.

16 (41) Taulukko 6. Pajun tuhkan koostumus (p-%) Oksidi Tutkittu paju Paju (Jerkku 2012) SiO 2 15,7 ei analysoitu Al 2O 3 2,9 0,1 Fe 2O 3 1,1 0,3 K 2O 13,7 14,5 Na 2O 0,7 0,1 CaO 28,0 32,2 MgO 3,9 3,3 Mn 3O 4 0,3 0,3 P 2O 5 9,5 8,9 SO 3 5,0 2,8 ZnO 0,7 0,4 7.4 Polttokokeet 7.4.1 Tavoitellut poltto-olosuhteet Taulukkoon 7 on koottu tavoitellut poltto-olosuhteet ja ajoparametrit. Pedin lämpötila pyrittiin pitämään taseen aikana alle 850 C, jotta varmistuttaisiin, ettei pedin agglomeroitumista tapahdu vielä taseen aikana. Nousuputken lämpötila pyrittiin pitämään noin 850 C:ssa lukuun ottamatta sekundääri-ilmansyöttökohtaa. Kuten oikeissakin kerrosleijukattiloissa, lämpötilaprofiilissa esiintyy tällä kohtaa piikki haihtuneiden palamiskelpoisten yhdisteiden palaessa. Kerrostumaholkkien tulopuolen metallilämpötilat pidettiin samoina (500 C) molemmissa mittausyhteissä. 500 C:n metallilämpötila vastaa noin 470 480 C tuorehöyryn lämpötilaa. Ilmajako oli 50:30:20 (prim:sek:tert) ja jäännöshappi pyrittiin pitämään 4 5 %:ssa (kuivassa kaasussa). Taulukko 7. Tavoiteparametrit polttokokeisiin Parametri Arvo Petilämpötila 830 850 C Savukaasun lämpötila 1. kerrostumaholkin kohdalla ~850 C Savukaasun lämpötila 2. kerrostumaholkin kohdalla ~650 C Holkkien pintalämpötilat 500 C Jäännöshappi 4 5 % (kuiva) Ilmajako (prim:sek:tert) 50:30:20 7.4.2 Kokeiden suoritus Koelaitteen ylösajo aloitettiin panostamalla 3385 g petihiekkaa, minkä jälkeen reaktoria alettiin lämmittää sähkölämmittimillä. Polttoaineensyöttö aloitettiin, kun oli saavutettu riittävä lämpötilataso polttoaineen syttymiselle. Tämän jälkeen polttoaineen syöttöä lisättiin hiljalleen sekä säädettiin lämmityksiä ja jäähdytyksiä halutun lämpötilaprofiilin saavuttamiseksi. Kun

17 (41) lämpötilaprofiili sekä jäännöshappitaso saatiin halutunlaisiksi ja vakaiksi, aloitettiin tasejakso, jonka pituus oli kolme tuntia. Tasejakson alussa kerrostumasondit työnnettiin reaktoriin. Lisäksi syklonituhkan keräysastia tyhjennettiin ylösajon aikana kertyneestä tuhkasta, jotta taseen aikaiset tuhkat saadaan erilleen. Lisäksi savukaasut ohjattiin kulkemaan myös pussisuodattimen kautta. Ylösajovaiheessa savukaasut kulkivat pussisuodattimen ohi. Tasejakson päätyttyä kerrostumaholkit poistettiin reaktorista, valokuvattiin, punnittiin ja asetettiin eksikaattoriin, jotta ilmankosteus ei vaikuttaisi niiden koostumukseen. Holkeista otettiin näytteet SEM-EDX-analyysiä varten kolmesta kohtaa: tulo-, jättö- ja sivupuolelta. Syklonituhkan keräysastia tyhjennettiin, tuhkat punnittiin ja purkitettiin. Tämän jälkeen otettiin petinäyte ja aloitettiin agglomeroitumistesti, jonka tarkoituksena oli selvittää petilämpötiloja nostamalla se lämpötila, jossa peti sintrautuu. Petilämpötilaa alettiin nostaa poistamalla ensin petialueen jäähdytykset. Tämän jälkeen alettiin ohjata yhä suurempi osa primääri-ilmasta lämmittimen kautta, kunnes haluttu ilmiö nähtäisiin. Taseen aikana primääri-ilma syötettiin kokonaisuudessaan lämmittämättömänä. Koetta seuranneena aamuna pussisuodattimelle taseen aikana kertynyt tuhka otettiin talteen, punnittiin ja purkitettiin sekä otettiin petimateriaali talteen. 7.5 Tulokset 7.5.1 Toteutuneet ajoparametrit Toteutunut keskimääräinen lämpötilaprofiili viipymäajan funktiona on esitetty kuvassa 4. Kuvaajaan on lisäksi merkitty minimi- ja maksimilämpötilat kustakin mittauspisteestä. Kuvaajasta selviää lisäksi peti-, nousuputki- ja mittausputkialueet sekä kerrostumaholkkien sijainnit ja sekundääri-ilman syöttökohta. Kuvaajasta nähdään, että tavoiteparametreihin päästiin hyvällä tarkkuudella ja että lämpötilat pysyivät stabiileina (kuva 4). Keskimääräinen petilämpötila oli noin 840 C ja lämpötila juuri pedin yläpuolella noin 850 C. Sekundääri-ilman syöttökohdalla lämpötila oli noin 950 C, minkä jälkeen se tasaantui 840 860 C välille nousuputkessa ennen jäähtymistä mittausputkessa. Savukaasun lämpötilat kerrostumaholkkien kohdilla olivat noin 840 ja 650 C.

18 (41) Kuva 4. Toteutuneet lämpötilat viipymäajan funktiona. 7.5.2 Savukaasujen koostumus Savukaasujen koostumus mitattiin kahdella Servomex 4900 -analysaattorilla. Toista käytettiin O 2 :n, CO 2 :n ja CO:n määrittämiseen ja toisella analysoitiin NO ja SO 2. Näyte otettiin syklonin jälkeisestä savukaasuvirrasta käyttäen lämmitettyä, hiukkassuodattimella varustettua näytteenottosondia. Savukaasun lämpötila näytteenottokohdassa oli noin 360 C. Sondista näyte johdettiin lämmitettyä 30 metriä pitkää näytteenottolinjaa pitkin näytteenkäsittelyyksikölle, jossa se kuivattiin permeaatiokuivaimessa ja suodatettiin toistamiseen ennen sen johtamista analysaattoreille. Taseen aikaiset savukaasukomponenttien pitoisuuksien trendit on esitetty kuvassa 5. Kuvaajasta nähdään, että polttoaineensyöttö ja palamisprosessi olivat suurimman osan ajasta stabiileja, joskin klo 16:20 kohdilla nähdään häiriö, joka johtui hetkellisestä polttoaineen syöttöongelmasta. Keskiarvoja laskettaessa häiriön aikaisia pitoisuuksia ei otettu huomioon. Häiriö olisi vaikuttanut tuloksiin vain CO:n osalta. Jäännöshappipitoisuus oli taseen alussa noin 5,5 %, josta se liukui taseen loppua kohden noin 4 %:iin, jolloin taseen aikaiseksi keskiarvoksi muodostui 4,8 % (kuiva kaasu). Häkäpitoisuus (CO) oli jatkuvasti alle määritysrajan, mikä osoittaa palamisen olleen täydellistä. Johtuen polttoaineen alhaisesta rikkipitoisuudesta sekä korkeahkoista kalsium- ja kaliumpitoisuuksista, myöskään rikkidioksidia (SO 2 ) ei muodostunut muutamaa pientä happitason putoamisesta johtunutta piikkiä lukuun ottamatta. NO-päästö vaihteli mittausjaksolla 75 85 ppm:n välillä. Redusoituna 6 % jäännöshappeen, NO päästö oli keskimäärin 72 ppm kuivassa kaasussa. Yksikössä mg/nm 3 ja ilmoitettuna NO 2 :na tämä vastaa 148 mg/nm 3 suuruista päästöä. Lukema on hieman alhaisempi kuin metsähakkeilla ja kuorilla tavallisesti mitatut päästöt, jotka ovat olleet 150 250 mg/nm 3 (6 % O 2 ). Ero selittyy polttoaineiden typpipitoisuuksilla. Pajun NO-päästö on samaa luokkaa kuin hyvälaatuisella, vähän kuorta tai neulasia sisältävällä rankahakkeella.

CO, SO2, NO, ppm kuiva kaasu O2, CO2, til-% kuiva kaasu TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-06093-13 19 (41) Teollisuuden päästöjä koskevassa ns. IE-direktiivissä (2010/75/EU) NO 2 -päästörajat kiinteää biomassaa käytettäville, ennen 7.1.2013 luvitetuille laitoksille ovat 1.1.2016 alkaen 300 mg/nm 3 (6 % O 2, kuiva), jos kokonaislämpöteho on 50 100 MW, 250 mg/nm 3 jos kokonaislämpöteho on 100 300 MW ja 200 mg/nm 3 jos kokonaislämpöteho on yli 300 MW. Tämän jälkeen luvitetuille laitoksille vastaavat päästörajat ovat 250, 200 ja 150 mg/nm 3. Pajulle mitattu päästö oli siis alle tiukimpienkin rajojen ilman sekundäärisiä typenoksidien vähennysmenetelmiä (SCR, SNCR). Alhainen mitattu päästö johtuu osittain käytetystä melko aggressiivisesta ilmavaiheistuksesta. CO (ppm) NO (ppm) SO2 (ppm) O2 (%) CO2 (%) 180 160 140 18 16 14 120 100 80 60 40 20 0 13:39 14:08 14:36 15:05 15:34 16:03 16:32 12 10 8 6 4 2 0 Kuva 5. Savukaasujen koostumus tasejakson aikana (kuiva kaasu, ei redusoitu). Piikit 16:20 kohdalla johtuivat häiriöistä polttoaineen syötössä. 7.5.3 Tuhkien koostumus Kerätyt sykloni- ja pussisuodatintuhkat analysoitiin VTT Expert Services Oy:n toimesta röntgenfluoresenssispektroskopiaa (XRF) käyttäen. Analysoinnissa käytettiin Philips PW2404 -laitteistoa ja puolikvantitatiivista SemiQ-ohjelmistoa. Tyypillinen määritysraja on luokkaa 0,01 m-%. Tuloksista ilmeni, että kerätyt tuhkat olivat kontaminoituneet aiemmissa kokeissa reaktoriin jääneestä tuhkasta tarkasta puhdistuksesta huolimatta. Syyksi ilmeni koelaitteen syklonituhkan poistoruuvin puutteellinen pyöriminen, minkä johdosta sykloniin oli päässyt kertymään tuhkaa edellisistä kokeista. Ruuvin puutteellista pyörimistä ei havaittu kokeen aikana, sillä moottori pyöri normaalisti. Tästä syystä lentotuhkien koostumuksia ei raportoida tässä yhteydessä. Lentotuhkien koostumusta päätettiin tutkia lämpölaitoskokeiden yhteydessä, jolloin muodostuvat tuhkamäärät ovat suurempia. 7.5.4 Likaantumisnopeus ja kerrostumien koostumus Kerrostumia kerättiin kolme tuntia kahdelle tulistinputkea simuloivalle holkille, joiden tulopuolen pintalämpötilat pidettiin 500 C:ssa ilmajäähdytyksen avulla. Holkkien halkaisija on 16 mm ja pituudet 100 ja 30 mm. Pidempi holkeista asetettiin nousuputkialueelle, jossa

20 (41) savukaasun lämpötila oli noin 840 C ja toinen savukaasukanavaan, noin 650 C lämpötilaan. Holkkien massat punnittiin sekä ennen että jälkeen mittauksen kerrostuneen tuhkien massojen määrittämiseksi. Ennen mittauksen aloittamista, holkit puhdistettiin huolellisesti, jotteivät mahdolliset tulipesäolosuhteissa höyrystyvät epäpuhtaudet vaikuta punnitustuloksiin. Punnitustuloksista laskettiin likaantumisnopeus universaalimmassa muodossa grammaa neliömetrille tunnissa, g/(m 2 h). Kerrostumien korrosiivisyyttä arvioitiin kerrostumien kemiallisen koostumuksen perusteella. Kemiallinen koostumus määritettiin elektronimikroskooppiin kytketyllä röntgenanalysaattorilla (SEM-EDX). Näytteet otettiin VTT:n toimesta tulo-, sivu- ja jättöpinnoilta kuvan 6 mukaisesti. Näyte otettiin muutaman neliömillimetrin alueelta. Itse analyysi tilattiin alihankintana Åbo Akademista. Analysoinnissa käytettiin LEO 1530 Gemini FEG -elektronimikroskooppia, Thermo Noran EDX-analysaattoria ja Vantage-ohjelmistoa. Tulosten laskennassa alkuaineet oletettiin oksideiksi ja tulokset ilmoitettiin massaprosentteina oksidien summasta. Kuva 6. Näytteenottokohdat kerrostumaholkeista. Nousuputkialueella, noin 840 C savukaasulämpötilassa olleelle kerrostumaholkille tuhkaa kertyi nopeudella noin 5 g/(m 2 h). Pääosa kerrostumasta muodostui jättöpuolelle (kuva 7). Jättöpuolelle jäänyt tuhka oli hyvin haurasta ja suuri osa siitä irtosi holkkia sondista irrotettaessa. Irronnut tuhka otettiin kuitenkin huomioon kerrostumisnopeutta laskettaessa. Jättöpuolelle kerrostumat muodostuu tavallisesti ns. pyörreimpaktiomekanismilla (kuva 8). Pyörreimpaktiomekanismissa kaasuvirtauksen ohittaessa putken, muodostuu pyörteitä, joiden vaikutuksesta partikkelit voivat lentää ja tarttua jättöpuolelle. On mahdollista, että tuhka on kertynyt jättöpuolelle osittain takaisinvirtauksen / reaktorin yläosasta tippuneen tuhkan vaikutuksesta. Tulo- ja sivupuolelle muodostui homogeeninen tuhkakerros. Tulopuolella homogeenisen kerroksen pinnassa erottui lisäksi selvästi erilliset, isommat partikkelit.

21 (41) Kuva 7. 840 C savukaasulämpötilassa ollut holkki sivupuolelta kuvattuna. Kuva 8. Tyypilliset tuhkan kerrostumismekanismit Noin 650 C savukaasun lämpötilassa ns. mittausputkialueella olleelle holkille tuhkaa kerrostui noin 10 g/(m 2 h). Pääosa tuhkasta kertyi tulopuolelle, jonne muodostui harjannemuotoinen kerrostuma (kuva 9). Tämä on tyypillinen kerrostumamuoto inertiaaliimpaktiomekanismille. Inertiaali-impaktiossa hiukkaset, jotka eivät inertiansa (massan hitauden) vuoksi seurata kaasuvirtaa sen kiertäessä holkin, törmäävät holkin pintaan (kuva 8). Riippuen sekä törmäävien partikkeleiden että kerrostuman tahmaavuudesta ( stickyness ), hiukkaset joko tarttuvat kiinni tai kimpoavat pois. Usein biomassan poltossa puhtaalle tulistinputkelle kertyy aluksi tiivistymällä tahmea alkalikloridi/sulfaattikerros, minkä jälkeen yhä useampi siihen törmännyt partikkeli tarttuu kiinni. Savukaasunopeus mittausputkessa on lähes seitsemänkertainen verrattuna nousuputken yläosaan (4 vs 0,6 m/s), mikä selittää eron kerrostumis-mekanismeissa holkkien välillä. Sivupuolelle muodostui vain erittäin ohut, vaalea ja sileä kerrostuma. Jättöpuolelle kertyi pieni määrä selvästi toisistaan erottuvia partikkeleita.

22 (41) Kuva 9. 650 C savukaasulämpötilassa ollut holkki sivupuolelta kuvattuna. Mitatut likaantumisnopeudet ovat alhaiset. Koska reaktoriin on aikojen saatossa tehty muutostöitä, ja koska prosessiolosuhteet ja metallilämpötilat eivät ole aina olleet samat, ei uusia tuloksia voi aina suoraan verrata kaikkiin aiempiin tuloksiin. Mitatuista likaantumisnopeuksista voidaan kuitenkin todeta, etteivät ne ole ainakaan suuremmat kuin havupuun kuorella ja erilaisilla metsähakkeilla aiemmin mitatut. Erityisesti viileämmässä savukaasussa olleelle holkille on useimmissa kokeissa mitattu kaksin-, kolmin- tai jopa nelinkertaisia nopeuksia. Alhainen likaantumisnopeus ei ole yllätys, sillä tutkitun pajun alhainen klooripitoisuus vaikuttaa myönteisesti myös tulistimien likaantumiseen. Likaantumisnopeuksiin vaikuttaa tuhkan koostumuksen lisäksi luonnollisesti myös tuhkapitoisuus, mikä on erityisesti kuorella ja metsätähteellä pajua korkeampi. Mitatut likaantumisnopeudet eivät kuitenkaan kerro koko totuutta polttoaineiden likaavuuskäyttäytymisestä oikeissa voimalaitoksissa, vaan ne kertovat vain kerrostuman muodostuksen alkuvaiheesta tulistinpinnoilla. Näin ollen tietoa ei saada ns. pitkän aikavälin likaantumisnopeusta. Pitkän aikavälin kerrostumisella tarkoitetaan kerrostumia, jotka eivät irtoa nuohouksessa, vaan jäävät haittaamaan lämmönsiirtoa sekä savukaasuvirtausta. Lisäksi likaantumisongelmat voivat esiintyä kattiloissa myös vasta tulistinalueen jälkeen. Kerrostumien kemialliset koostumukset on esitetty kuvissa 10 ja 11. Huomattavaa on, että klooria ei käytännössä löytynyt lainkaan. Toisena yleisenä huomiona voidaan nostaa esiin korkeahkot fosforipitoisuudet, joskaan fosfori ei ole merkittävästi rikastunut kerrostumiin verrattuna pajun tuhkaan. Havainnot eivät välttämättä ole täysin riippumattomia, sillä kuten aiemmin mainittiin, fosforin on myös havaittu vähentävän haitallisten alkalikloridien ja siten myös kloorin määrää kerrostumissa. Tässä tapauksessa kloorin määrä polttoaineessa oli kuitenkin niin vähäinen, että asiasta ei voi tehdä johtopäätöksiä. Kuumemmassa savukaasussa olleen holkin tulo- ja sivupuolien kerrostumien koostumus on lähes identtinen (kuva 10). Kerrostumat koostuvat todennäköisesti pääosin kaliumsulfaatista sekä kalium-kalsiumfosfaateista. Jättöpuolen kerrostumassa piin ja kalsiumin osuudet ovat korkeammat ja rikin ja alkalien osuudet alhaisemmat, mikä johtuu karkeampien partikkelien (esim. kalsiumsilikaatti, -sulfaatti tai -oksidi) kertymisestä jättöpuolelle. Tätä tukee myös kerrostumasta otettu valokuva (kuva 7). Syy miksi tulo- ja sivupuolille muodostui toisiaan kemiallisesti vastaavat kerrostumat lienee savukaasun nopeudessa, joka ei ollut riittävä aiheuttamaan tyypillistä harjannemuotoista kerrostumaa tulopuolelle.