Hyötysuhde- ja päästömittauksia Kälviän 2,0 MW lämpölaitoksella Yliopettaja, TkT Martti Härkönen, CENTRIA Kokkola 3.11.2011 Halsua 700 kw 1000 kw Kälviä 2 x 2000 kw Perho 1400 kw 2000 kw Taustalla EU-Botnia-Atlantica hanke: Biomassan tehostettu hyödyntäminen 2009 2011 Osahankkeet 9 ja 11 sekä hyötysuhde Lasse Jansson Martti Härkönen Kari Manninen Anu-Sisko Perttunen Raportti: Puun polttoainekäyttö pienissä aluelämpölaitoksissa Pentti Etelämäki KP:n energiaosuuskunnat, erityisesti Kälviän EO: Heikki Kykyri ja Perttu Suonperä Dan Boström Jonathan Fagerström Christoffer Boman
Energiaosuuskuntien omistamia tai ylläpitämiä hakelämpölaitoksia on 6 kpl (120 kw 2000 kw) Energia- ja hakeosuuskuntien sijainti kartalla Maakunnassa on energia- ja hakeosuuskuntia yhteensä 7+1=8 kpl Kälviällä on kaksi erillistä 2 MW lämpölaitosta - osuuskunnan jäsenmäärä 65 - hakkeen kulutus on ollut viime vuosina noin 14000 15000 i-m 3 /a - lämpöenergian myynti on reilut 8000 MWh/a 2003 2006
a) hake tehdään pääasiassa EO:n jäsenten omien harvennusmetsien mänty- ja koivupuiden rangoista hakkuutähteitä ei juurikaan käytetä b) haketus tienvarressa ja sieltä kuljetus laitokselle Iso hakevarasto on tarpeen, koska hakkeen kulutus on kylminä talvipäivinä luokkaa 70 80 i-m 3 eli noin 3 i-m 3 tunnissa Hake tuodaan laitokselle joko kuorma-auton tai traktorin lavalla Iso hakeruuvi siirtää hakkeen kattilahuoneessa olevaan syöttökammioon, josta kaksi erillistä syöttöruuvia siirtävät hakkeen tulipesään poltettavaksi Hakkeen kosteus ja irtotiheys mitataan periaatteessa joka kuormasta 2,0 MW arinakattila uudemmalla laitoksella
2,0 MW arinakattila vanhemmalla laitoksella Hakkeen STD-kaavan mukainen energiasisältö on noin 750 820 kwh/i-m 3 riippuen pääasiassa hakkeen kosteudesta todellinen noin 700 800 kwh/i-m 3 Lämpö toimitetaan asiakkaille kaukolämpöputkistoilla, joita osuuskunnan kahdella laitoksella on yhteensä vajaa 5 km Kälviän molemmilla lämpölaitoksilla on ns. märkä tuhkanpoistosysteemi. Tuhka ja sen seassa oleva arinalla palamatta jäänyt aines poistetaan kattilan alla sijaitsevasta tuhkaaltaasta lietemäisenä. Erillinen kuljetin siirtää lietteen kuiva-aineen lopuksi kattilahuoneen ulkopuolelle, josta se aika-ajoin viedään pois.
Mitä mitattiin: a. lämpölaitoksen savukaasujen kaasu- ja hiukkaspäästöt erilaisilla kattilakuormituksilla ja hakkeen koostumuksilla (CENTRIA, ETPC) b. tuhkan ja lämpöpintoihin kerääntyneen kuonan analysointi (ETPC) c. lämpölaitoksen hyötysuhde (CENTRIA) Savukaasut sisältävät pieniä kiinteitä partikkeleita ja lisäksi kaasumaisia komponentteja, kuten: O 2, H 2 0, CO 2, CO, SO 2, NO x, CH 4 jne... Mittauksia tehty Kälviän 2 MW lämpölaitoksella syksyn 2009 ja kevään 2011 aikana (5 kertaa) CO (click) CH4 H2O NOx 150 Mitä ovat päästöt (kaasumaiset ja kiinteät) ja mikä on lämpölaitoksen hyötysuhde? 2000 kw hakekattila 100 1150 50 Mittausten loppuyhteenveto loppuvuodesta 2011 Raportti: Puun polttoainekäyttö pienissä aluelämpölaitoksissa
Hakelämpölaitoksen hyötysuhde- ja päästömittaukset Kälviällä sekä kostean hakkeen eräitä ominaisuuksia Kokkola 3.11.2011 Martti Härkönen, CENTRIA Kälviä 2,0 MW Lohtaja 0,3 MW Hyötysuhdemittaukset ovat periaatteessa MITÄ MITATAAN: helppoja ja yksinkertaisia savukaasujen kaasumaiset täytyy päästöt vain selvittää savukaasujen kattilaan hiukkaspäästöt viedyn hakkeen tuhkan ja kuonan ominaisuuksia energiasisältö lämpölaitoksen ja mitata hyötysuhde tuotetun lämpöenergian määrä! Paljonko hakkeessa sitten on energiaa? (kwh/kg tai kwh/i-m 3 ) Hakkeessa oleva ja siitä poltettaessa saatava energia riippuu monista seikoista: mistä puusta hake on tehty: kuivan puun lämpöarvo haketyyppi: kokopuuhake, rankahake, hakekattila: ajotapa, lämpöpintojen puhtaus, Hakkeen kosteus on tärkein yksittäinen tekijä lämpöarvo/energiasisältö ja hakkeen irtotiheys Hakkeen kosteus vaihtelee noin välillä 20 40 % (50 %) Mittausten analysointia ja simulointilaskelmia varten täytyy hakkeen tärkeimmät ominaisuudet osata mallintaa eli on oltava laskentakaavat mm. hakkeen irtotiheydelle ja energiasisällölle kosteuden funktiona kaikkeahan ei voi aina mitata!!!
Kuinka suuri on puun lämpöarvo? Puun kuiva-aineen kalorimetrinen eli ylempi lämpöarvo (qylempi) on kaikilla puulajeilla suunnilleen sama eli 19,5-20,5 MJ/kg ka. eli noin 5,6 kwh/kg ka. Puun vedettömän kuiva-aineen alkuainekoostumus on keskimäärin: Hiili C: 50-52 % Vety H: 5,9-6,3 % Rikki S: alle 0,01 % Typpi N: 0,2-0,3 % Happi O: 41-42 % (loput) Tuhkaa on lisäksi noin 0,5 1,5 % ka:sta Kuiva-aineen tehollinen eli alempi lämpöarvo ottaa huomioon puun sisältämän vedyn palaessaan muodostaman veden höyrystämiseen kuluvan energian qalempi = qylempi 0,21987 x H% qalempi = 18,68 MJ/kg ka. = 5,2 kwh/kg ka. 1 kg kuivaa puuta poltetaan syntyy 540 g vettä KOSTEUS alentaa hakkeesta saatavaa todellista lämpöenergiaa, 4H + O koska kaikki 2 2H 2 O hakkeen sisältämä eli vesi täytyy 1 kg vetyä 9 kg vettä vesihöyryksi ja tämä vaatii tai paljon energiaa 1 kg kuivaa puuta poltetaan 540g vettä Miten otetaan huomioon puun (hakkeen) sisältämän kosteuden vaikutus? Standardikaava kostean puun energiasisällölle saapumistilassa (qalempi = 18,68 MJ/kg) qstd = qalempi(100 X)/100 0,02443*X jossa X = kosteusprosentti ja yksikkönä MJ/kg puuta (haketta) (tätä laskentakaavaa käyttävät mm. kaikki energiaosuuskunnat) Esimerkki: Olkoon puun kosteus X = 40 % ja alempi lämpöarvo 18,68 MJ/kg. q = 18,68(100-40)/100 0,02443*40 = 10,23 MJ/kg 10,23/3,6 = 2,84 kwh/kg puuta (sama Tällä kaavalla kaava käy saadaan myös hakkeelle) selville puun (tai hakkeen) laskennallinen energiasisältö ennen kattilaa ns. saapumistilassa! Mutta paljonko lämpöenergiaa kosteaa puuta/haketta poltetaan?
Hakkeesta poltettaessa saatava todellinen lämpöenergia arinalla Standardikaavassa on oletettu vertailulämpötilaksi vakio 25 C ja se ei ota huomioon: hakkeen ja siinä olevan veden sekä palamisilman todellista alkulämpötilaa irroittamiseen tarvittavaa todellista lämpöenergiaa (on loppuvaiheessa jopa kaksin- tai kolminkertainen alkutilanteeseen verrattuna) puun kutistumista/turpoamista Esimerkiksi talvella -20 C hakkeen sisältämästä vedestä osa on todennäköisesti jäässä tämä jää joudutaan sulattamaan kattilassa kattilaan syötetyn kylmän hakkeen ja siinä olevan kosteuden eli veden sekä kylmän palamisilman lämmittämiseen tarvitaan myös energiaa suurilla kosteuksilla, esim. 40 % 30%, veden höyrystäminen vaatii noin 0,68 kwh/kg, kun taas vaikkapa kosteudesta 10 % 0 %, energiantarve on jo noin 1,81 kwh/kg (eli + 166 %)! Hakkeen palaessa arinalla, siitä todellisuudessa vapautuva lämpöenergia jää selvästi pienemmäksi kuin mitä standardin mukainen laskentakaava olettaa tarvitaan tarkempia laskentayhtälöitä mittaustulosten analysointiin ja mahdollisten simulointilaskelmien tekemiseen! Esimerkki: 100 kg puuta poltetaan (kosteus 40 %). Paljonko lämpöä tarvitaan puussa olevan veden poistamiseksi ja höyrystämiseksi? Ratkaisu: Puussa on vettä 0,40*100=40 kg, josta 17 kg on vapaata vettä ja loput 23 kg sidottua vettä. Vapaan veden poistaminen vaatii 17*0,68=11,56 kwh lämpöenergiaa ja sidotun veden poistaminen 23*1,36=31,28 kwh eli yhteensä 42,84 kwh lämpöenergiaa tarvitaan siis 42,84 kwh/40kg vettä = 1,07 kwh/kg vettä (+57 %) Energian tarve on keskimäärin 1,36 kwh/kg vettä PSK-rajana on käytetty arvoa U = 0,30 kg vettä/kg kuivaa puuta, mikä vastaa kosteutta X = 23 % 0,68 kwh/kg vettä Sidottua vettä (soluonteloiden seinämissä) Vapaata vettä (soluonteloissa)
Hakkeen energiasisältö hakekiloa kohti Kalorimetrinen lämpösisältö per hakekilo Alempi lämpösisältö per hakekilo 3,45 3,20 Hakkeen todellinen lämpösisältö ARINALLA per hakekilo (kesä/talvi) 3,05 Hakkeen energiasisältö irtokuutiota kohti 860 810 775 860 745 695
Esimerkki kuorman energiasisällöstä alemman lämpöarvon mukainen määrä eli 858 kwh/i-m 3 *15 i-m 3 = 12,9 MWh (tämä arvo ei riipu kosteudesta, jos X > 23 %) Hakkeen tuojalle maksetaan standardimallin mukaisesti 775 kwh/i-m 3 eli 11,6 MWh perusteella! Kattilassa poltettuna tästä saadaan kwh/i-m 3 x 15 i-m 3 = 11,1 MWh ja tästäkin vielä osa menee kattilan savukaasu-, tuhka- ym. häviöihin. KL-veden lämmittämiseen jää ehkä noin 9 MWh tästä miinustetaan vielä KL-verkon lämpöhäviöt jää noin 8 MWh, josta asiakas maksaa energiaosuuskunnalle!!! 4275 kg x 2,72 kwh/kg = noin 11,6 MWh energiaa tästä maksetaan hakkeen tuojalle 4275 kg x 2,61 kwh/kg = noin 11,1 MWh energiaa tämän verran lämpöä irtoaa arinalla Lämpölaitokselle tulee 15 i-m3 haketta (Ko2Mä98 ja T = +2 C). Hakkeen kosteus on 42 % (0,42 kg vettä per kg haketta). Tiiviys v = 0,40. Kattilan hyötysuhde- ja savukaasujen päästömittaukset (CENTRIA/ETPC) 11/2009 2/2010 3/2010 11/2010 5/2011 Jonathan Mittauksia tehtiin yhteensä 5 kertaa, Uumajan Yliopiston ETPC-laitos oli mukana 3 kertaa omine mittauslaitteineen ETPC: kaasu- ja hiukkaspäästöt ja lisäksi tuhkan sekä kuonan analyysi CENTRIA: hyötysuhde ja kaasumaiset päästöt Perttu
Hyötysuhdemittaukset Kälviällä 1 Hyötysuhdemittaukset on tehty Kälviän energiaosuuskunnan 2 MW lämpölaitoksella (otettu käyttöön 2003) 3/2010: Polttoaineena oli hyvälaatuinen ja kuiva (27%) pääasiassa mäntypuusta tehty rankahake (Ko2Mä98) 5/2011: Polttoaineena oli hyvälaatuinen ja kuiva (21 %) mänty- ja kuusipuiden sahauspinnoista tehty hake (Mä50Ku50) Poltettu hakemäärä saatiin mittaamalla hakkeen tilavuus lavalla ennen ja jälkeen mittausten (3/2010) tai suoraan punnitsemalla hakkeen massa (5/2011) haketta poltettiin 3,9 i-m 3 (3/2010) haketta poltettiin 415 kg (5/2011) Hyötysuhdemittaukset Kälviällä 2 Hakkeen irtotiheys saatiin punnitsemalla useita 100 litran hake-eriä 3/2010: irtotiheys oli 222 kg/i-m 3 poltettiin 3,9*222 = 866 kg 5/2011: irtotiheys oli 205 kg/i-m 3 poltettiin 415/205 = 2,0 i-m 3 hakkeen kosteus mitattiin jälkikäteen CENTRIAn laboratoriossa kosteus 26,8 % (3/2010) kosteus 21,2 % (5/2010) Hake syötettiin ruuville käsin lapioimalla. Hake värjättiin ennen ruuvia siniseksi, jolloin kattilahuoneessa tiedettiin, koska mitattavaa hake-erää alkaa tulla poltettavaksi kellot käyntiin! tai kannettiin suoraan kattilahuoneen syöttöruuveille sankoilla (5/2011).
Hyötysuhdemittaukset Kälviällä 3 3/2010: mittausjakson pituus noin 2 tuntia poltettiin 3,9 i-m 3 eli 866 kg haketta noin 1620 kw pa-teho (81 %) hakkeen energiasisältö 3131 kwh 5/2011 mittausjakson pituus 5,5 tuntia poltettiin 415 kg eli 2,0 i-m 3 haketta noin 300 kw pa-teho (15 %) hakkeen energiasisältö 1684 kwh Lisäksi mitattiin: kattilaan syötettävän hakkeen ja palamisilman alkulämpötila KL-veden meno- ja paluulämpötila kattilahuoneen ja ulkoilman lämpötila kattilan pintalämpötila savukaasujen lämpötila Kattilassa tuotettu lämpöenergia mittausjakson aikana selvitettiin lämpölaitoksen omien energiamittareiden avulla Hyötysuhdemittaukset Kälviällä 4 Samanaikaisesti mitattiin kattilasta poistuvien savukaasujen koostumusta GASMET-kaasuanalysaattorilla: happi (O 2 ), häkä (CO), hiilidioksidi (CO 2 ), vesihöyry (H 2 O), metaani (CH 4 ), rikkidioksidi (SO 2 ) jne O 2 : 7,814,6 % CO: 5002000 ppm CO 2 : 1012 % SO 2 : 28 ppm CH 4 : 350 ppm H 2 O: 715 % Näytteitä otettiin hakkeen kosteuden määrittämistä varten. Lisäksi otettiin näytteitä myös kattilan tuhka- siinä olevien palavien ainesten määrittämistä varten palavaa ainesta oli jopa 2 x varsinaisen tuhkan määrä!
Hyötysuhdemittaukset Kälviällä 5 Virhemahdollisuuksia oli mittauksissa useita: poltetun hakemäärän mittaus hakkeen irtotiheyden mittaus tuotetun lämpöenergian mittaus kosteuden määritys jne Herkkyysanalyysi kosteuden ja tilavuuden mittausvirheille 3/2010 3,82 i-m 3 85,5 %
Savukaasujen kaasumaiset päästöt GASMET-kaasuanalysaattorilla mitattiin jatkuvatoimisesti mm. seuraavien kaasukomponenttien pitoisuuksia: Häkä, CO Hiilidioksidi, CO2 Rikkidioksidi, SO2 Rikkivety, H2S Typen oksidit: NO, NO2, N2O jne Jäännöshappi O2 Metaani CH4 Ammoniakki NH3 + noin 10 muuta kaasukomponenttia Savukaasujen hiukkaspäästöt Emissions (mg/nm3 dry at 10 % O2) 140 120 100 80 60 40 20 EW 50% L EW 100% L EW/FR 75 % L 0 PM tot PM 9 PM 1
Hiukkasten kokojakautuma tarkemmin Dm/d log(dp) (mg/nm 3 ) 250 nov-09 feb-10 200 nov-10 150 100 50 0 0,01 0,10 1,00 10,00 Particle diameter Dp (μm) 1436
Kiitoksia! Energiailta energiaosuuskunnille Kannuksessa (MSO) 12.12.2011 tervetuloa!