SEKAJÄTETTÄ JA ENERGIAJÄTETTÄ POLTTAVIEN JÄTTEENPOLTTOLAITOSTEN ENERGIANTUOTANNON HYÖTYSUHTEET

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Ympäristötekniikan koulutusohjelma BH10A0300 Ympäristötekniikan kandidaatintyö ja seminaari SEKAJÄTETTÄ JA ENERGIAJÄTETTÄ POLTTAVIEN JÄTTEENPOLTTOLAITOSTEN ENERGIANTUOTANNON HYÖTYSUHTEET Energy Recovery Efficiencies of Waste Incineration Plants Burning Mixed Municipal Solid Waste or Recovered Fuels Työn tarkastaja: Työn ohjaaja: Professori, TkT Mika Horttanainen Tutkijaopettaja, TkT Mika Luoranen Lappeenrannassa 21.11.2011 Lauri Anttila

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO... 3 1 JOHDANTO... 5 1.1 Tausta... 5 1.2 Tavoitteet... 6 2 JÄTE POLTTOAINEENA... 7 2.1 Sekajäte... 7 2.1.1 Sekajätteen koostumus ja palamistekniset ominaisuudet... 8 2.2 Kierrätyspolttoaineet... 9 2.2.1 REF... 9 2.3 Jätteen keräys ja jalostus polttoaineeksi... 11 2.3.1 Jätteen keräys Suomessa... 11 2.3.2 Kierrätyspolttoaineen valmistus... 12 2.3.3 Kierrätyspolttoaineiden valmistuksen ja polton materiaali- ja energiavirrat 13 3 JÄTTEEN ENERGIAHYÖDYNTÄMISMENETELMÄT... 15 3.1 Sekajätteen poltto arinakattilassa... 16 3.2 Kierrätyspolttoaineiden poltto leijupetikattiloissa... 17 3.2.1 Rinnakkaispoltto... 18 3.2.2 Kaasutus... 18 3.3 Muut energianhyödyntämistekniikat... 19 4 HYÖTYSUHTEIDEN MÄÄRITYS JA NIIHIN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT... 19 4.1 Voimalaitoksen hyötysuhde... 19 4.2 Hyötysuhteet CHP-laitoksissa... 20 4.3 Jätteenpolton vaikutus voimalaitosten hyötysuhteisiin... 21 4.4 Vuosihyötysuhde... 22 4.5 Sähköntuotannon vuosihyötysuhde... 22 5 JÄTEPERÄISIÄ POLTTOAINEITA POLTTAVIEN LAITOSTEN HYÖTYSUHTEITA... 23 5.1 Menetelmät... 23 5.2 Kerätyt tiedot ja lasketut tulokset... 24 5.3 Laitosten vuosihyötysuhteiden vertailu... 26 5.4 Polttotekniikoiden välinen vertailu... 27

5.5 Tarkasteltavien laitosten käyttötarkoituksen vaikutus vuosihyötysuhteisiin... 29 5.6 Tietojen oikeellisuuteen vaikuttavat tekijät... 30 6 YHTEENVETO... 31 LÄHTEET... 33 LIITTEET Liite I: Sekajätteenpolttolaitosten tiedot ja lasketut tunnusluvut Liite II: Rinnakkaispolttolaitosten tiedot ja lasketut tunnusluvut

3 SYMBOLILUETTELO Symbolit hyötysuhde [%] P teho [W] lämpövirta [W] T lämpötila [ C] W sähköenergia [J] Q lämpöenergia [J] H polttoaine-energia [J] Alaindeksit kesk a s p keskimääräinen vuosi sähkö polttoaine Lyhenteet % prosentti m-% massaprosentti kg kilogramma MJ megajoule MW megawatti GWh gigawattitunti t tonni RDF kierrätyspolttoaine (Refuse derived fuel) REF kierrätyspolttoaine (Recovered fuel) PDF kierrätyspolttoaine (Pakage derived fuel) CHP sähkön ja lämmön yhteistuotanto (Compined power and heat) VTT Valtion teknillinen tutkimuskeskus

4 Termit Yhdyskuntajäte Kierrätyspolttoaine Jätepolttoaine Kotitalousjäte ja jäte, joka on koostumukseltaan tai luonteeltaan samanlaista kuin kotitalousjäte. Teollisuuden, yritysten ja yhdyskuntien syntypistelajitellusta jätteestä tai sekajätteestä valmistettuja polttoaineita. Jäteperäinen polttoaine, tässä työssä kierrätyspolttoainetta tai sekajätettä Jätteenpolttolaitos Kierrätyspolttoainetta tai sekajätettä polttava energiaa tuottava laitos Clausius-Rankine -prosessi Tuorehöyry Ideaalinen höyryvoimalaitosprosessi Höyryvoimalaitoksen prosessikierrossa oleva höyry ennen turbiinia

5 1 JOHDANTO 1.1 Tausta Laitosmaista jätteenpolttoa on harjoitettu Euroopan suurissa kaupungeissa jo 1800-luvun loppupuolelta lähtien. Tällöin jätteenpolton tarkoituksena oli ainoastaan jätteen hävittäminen siitä aiheutuvien hygieniaongelmien vuoksi, ei niinkään energian hyötykäyttö. Vasta 1970- luvun öljykriisin jälkeen kiinnostuttiin enemmissä määrin jätteen energiasisällön hyödyntämisestä. (Vesanto 2006, 9.) Suomessa jätteen energiahyödyntäminen on ollut suhteellisen vähäistä verrattuna muihin Läntisiin Euroopan maihin. Suomessa jätteenpoltto on keskittynyt lähinnä rinnakkaispolttoon muiden polttoaineiden ohessa. Viime aikoina Suomen jätepolitiikka on ollut kuitenkin muutostilassa ja jätteenpolttolaitoksia ollaan rakentamassa lisää. Tällä hetkellä Suomessa on toiminnassa kolme sekajätettä polttavaa laitosta ja arvioidaan, että vuoteen 2016 mennessä sekajätteenpolttolaitosten määrä nousisi 6-7 laitokseen. (Saarinen 2009.) Kierrätyspolttoaineiden ja hyvälaatuisten jätteiden rinnakkaispoltto väheni huomattavasti jätteenpolttoasetuksen tultua voimaan täysimittaisesti vuoden 2005 lopussa. Kyseinen asetus määräsi jätteiden rinnakkaispoltolle entistä tiukemmat vaatimukset, jotka edellyttivät laitoksia uusiin investointeihin jätteen polton jatkamisen mahdollistamiseksi. Rinnakkaispoltto on kuitenkin viime aikoina lisääntynyt uudelleen, kun laitoksia on varustettu jätteenpolttoasetuksen mukaisilla laitteistoilla, ja niille on myönnetty uuden asetuksen mukaisia rinnakkaispolton mahdollistavia ympäristölupia. (Ympäristö 2008.) Vuonna 2009 Suomessa oli 19 jätteitä rinnakkaispolttoaineena käyttävää laitosta (Saarinen 2009). Jätteen energiahyötykäyttö lisääntyy Suomessa ja Euroopassa kaatopaikkasijoituksen rajoitusten ja jätteiden uusiutuvan energian hyödyntämismahdollisuuksien vuoksi. Myös sähkön ja CO2-päästöoikeuksien hintojen nousu vaikuttaa jätteiden energiakäyttöön voimakkaasti pitkällä aikavälillä. (Vesanto 2006, 11-14.) Kaatopaikoilla syntyvillä metaanipäästöillä on suuri ilmastoa lämmittävä vaikutus. Tästä syystä Suomen jätepolitiikan keskeisempiä tavoitteita on vähentää jätteiden loppusijoituksen määrää kaatopaikalle. Tässä jätteen energiahyödyntämisellä on suuri rooli. Valtakunnallisen jätesuunnitelman mukaan syntynyt jäte tulisi hyödyntää energiana heti siinä vaiheessa, kun jätteen materiaalihyödyn-

6 täminen ei ole teknisesti tai taloudellisesti mielekästä. Suomen tavoitteena on hyödyntää syntyvästä jätteestä energiana 30 % vuoteen 2016 mennessä. Tämä tarkoittaa, että jätteenpolttokapasiteettia tulisi olla silloin yhteensä 700000-750000 t/a. (Ympäristöministeriö 2008, 9.) Vuonna 2009 Suomessa käytettiin yhdyskuntajätettä energiana 462 750 t (Tilastokeskus 2009). Tarvetta jätettä polttaville laitoksille siis edelleen on. Jätteenpoltossa kuin myös muiden polttoaineiden poltossa tulisi energianhyödyntämismenetelmäksi valita parhaan mahdollisen hyötysuhteen omaava tekniikka (Ympäristöministeriö 2008, 39). Valinta ei kuitenkaan jätteenpoltossa ole niin yksioikoinen. Todelliseen hyötysuhteeseen vaikuttaa polttolaitoksen prosessihyötysuhteen ohessa moni muukin tekijä. Jätteenpolttolaitoksen toteutunut hyötysuhde ja myös taloudellinen kannattavuus riippuu lämmön ja sähkön kulutusmarkkinoista. Jätteenpolttolaitoksen paikka ja aika ovat olennaisia tekijöitä, kun arvioidaan missä ja milloin jäteperäisillä polttoaineilla voidaan kasvattaa kulutusalueen energiantuotannon kokonaismäärää. Sähköä ja lämpöä tuottavan laitoksen todellinen hyöty ei välttämättä ole kummoinen, jos tuotetulla lämmöllä ei ole aina käyttöä. Niinpä tässä työssä tarkastellaan jätteenpolttolaitosten hyötysuhteita nimenomaan vuosihyötysuhteina, joka kuvaa paremmin todellista tilannetta kuin vaikkapa laitoksen nimellishyötysuhteet. Olennaisia kysymyksiä jätteenpolttolaitosten vuosihyötysuhteisiin liittyen on muun muassa; miten yhdistää energiatehokkaasti jätteenpolttolaitokset Suomessa oleviin energiantuotantojärjestelmiin, jotka tuottavat energiaa pääosin sähkön ja lämmön yhteistuotannolla, onko lämmöllä riittävästi kysyntää ja onko taloudellisia ja ympäristönsuojelullisia edellytyksiä saada laitoksen hyötysuhde riittävän korkeaksi, jos jätevoimaloilla tuotetaan pelkästään sähköä. 1.2 Tavoitteet Tämän työn tarkoituksena on kartoittaa ja vertailla eri jätteenpolttomenetelmien hyötysuhteita. Tavoitteena on tuoda esille jo käytössä olevien jätteenpolttolaitosten hyötysuhteita, verrata niitä keskenään ja tehdä johtopäätöksiä niiden hyötysuhteisiin vaikuttavista tekijöistä. Tämän työn tarkoituksena ei ole asettaa vastakkain sekajätteenpolttolaitoksia ja kierrätyspolttoainetta polttavia voimalaitoksia, eikä verrata niiden paremmuutta hyötysuhteiden valossa. Tällainen vertailu ei ole järkevää muun muassa sekajätteen ja kierrätyspoltto-

7 aineiden erilaisten syntypaikkojen, jätteenkeräysjärjestelmien, materiaali- ja energiavirtojen ja palamisteknisten ominaisuuksien takia. Työn kirjallisuusosiossa käsitellään jäteperäisiä polttoaineita sekä niiden tärkeimpiä käytössä olevia energiahyötykäyttöön soveltuvia tekniikoita. Lisäksi määritetään laskentatavat voimalaitosten hyötysuhteille sekä tuodaan esille hyötysuhteisiin vaikuttavia tekijöitä. Työn toteutusosiossa kerätään tietoa Suomessa olevista jätteenpolttolaitoksista. Tietojen avulla lasketaan muun muassa laitosten vuosihyötysuhteet, jonka jälkeen vertaillaan laitoksia saatujen tietojen ja laskettujen tulosten perusteella. Lisäksi tavoitteena on tarkastella laitoksia työn kirjallisuusosion pohjalta, ja tehdä johtopäätöksiä laitosten vuosihyötysuhteisiin vaikuttavista tekijöistä. 2 JÄTE POLTTOAINEENA 2.1 Sekajäte Sekajäte on lajittelematonta yhdyskuntajätettä tai siihen rinnastettavaa teollisuuden tai kaupan alalta peräisin olevaa vastaavaa jätettä. Sekajätettä kutsutaan myös syntypaikkalajitelluksi sekajätteeksi, joka viittaa siihen, että siitä on lajiteltu yksi tai useampia jakeita erilleen kuten biojäte, keräyspaperi ja -kartonki, lasi ja metalli. Yleensä pelkällä sekajätteellä tarkoitetaankin nimenomaan syntypaikkalajiteltua sekajätettä. Sekajätteelle on myös olemassa muita termejä, kuten kuivajäte, loppujäte ja kaatopaikkajäte, joita käytetään sekajätteen tilalla riippuen jätteen käsittelyalueesta ja lajittelutavasta. Esimerkiksi kuivajätteeksi kutsutaan yleensä sekajätettä, josta on lajiteltu syntypaikalla ainakin märkä biojäte erilleen. Tässä työssä käytetään kuitenkin yleisesti termiä sekajäte kaiken tyyppisille kotitalouksien sekalaiselle jätteelle tai siihen rinnastettavan teollisuuden tai kaupan alan jätteelle lajittelutavoista tai paikkakunnasta riippumatta.

8 2.1.1 Sekajätteen koostumus ja palamistekniset ominaisuudet Sekajätteen koostumus riippuu paikkakuntakohtaisesti alueellisista jätehuoltomääräyksistä, jätteenkeräyslähteistä (kerrostalo, omakotitalo, kaupat, teollisuus), vuodenajoista, lajittelun tiedotuksesta ja ihmisten valveutuneisuudesta lajitella. Sekajäte sisältää aina vaihtelevan määrän biojätettä, jonka määrä riippuu lajittelun intensiteetistä. Teirasvuon diplomityössä (Teirasvuo 2011) selvitettiin Etelä-Karjalan alueen sekajätteen koostumus ja palamistekniset ominaisuudet, jossa saatuja tuloksia verrattiin referenssitutkimuksiin. Työssä verrattiin sekajätteen koostumusjakaumaa seitsemään muuhun sekajätteen lajittelututkimukseen, jotka oli tehty eri puolella Suomea. Taulukossa 1 on laskettu sekajätteen koostumuksen keskiarvot ja vaihteluvälit eri jätejakeille kahdeksan lajittelututkimuksen tulosten pohjalta. Taulukko 1. Sekajätteen koostumus jätejakeittain Suomessa (mukaillen Teirasvuo 2011, 96). Jätejae Osuus sekajätteestä ka. [m-%] Vaihteluväli [m-%] Biojäte 26 9-40 Metalli 4 2-5 Lasi 3 2-4 Keräyspaperi,-pahvi ja -kartonki 15 11-17 Muu polttokelpoinen jäte 30 21-43 Muu polttokelvoton jäte 22 3-41 Ongelmajäte ja SER 2 1-6 Sekajätteen palamistekniset ominaisuudet, kuten lämpöarvo, kosteus ja tuhkapitoisuus vaihtelevat jätteen erilaisesta koostumuksesta johtuen. Tästä syystä sekajätteen ominaisuuksien vaihteluvälit ovat huomattavan suuria jo saman alueen sekajätteelle, eikä yhtä täsmällistä arvoa sekajätteen palamisteknisille ominaisuuksille voida antaa. Suuntaa antavina lukuina taulukossa 2 on esitetty sekajätteen palamistekniset ominaisuudet kahdesta eri tutkimuksesta (Teirasvuo 2011), joista toinen on tehty Mikkelin ja toinen Etelä-Karjalan alueelta.

9 Taulukko 2. Sekajätteen palamistekniset ominaisuudet Mikkelin ja Eteläkarjalan alueella (mukaillen Teirasvuo 2011, 104) Tutkimus Kosteuspitoisuus [%] Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa [MJ/kg] Tuhkapitoisuus kuiva-aineesta [%] Mikkeli, sekajäte Etelä-Karjala, sekajäte 33 14 14 29 15 16 2.2 Kierrätyspolttoaineet Kierrätyspolttoaineet ovat teollisuuden, yritysten ja yhdyskuntien syntypistelajitellusta jätteestä tai sekajätteestä valmistettuja polttoaineita. REF, RDF ja PDF ovat yleisimpiä Suomessa käytössä olevia määrityksiä kierrätyspolttoaineille. REF (Recovered Fuel) on SFS 5875-standardiin perustuva määritys kierrätyspolttoaineelle, josta lyhenne REF on vakiintunut yleiseen käyttöön Suomessa myös puhekielessä. RDF:llä (Refuse Derived Fuel) tarkoitetaan kierrätyspolttoainetta, joka on valmistettu mekaanisella prosessilla sekajätteestä. PDF:llä (Package Derived Fuel) taas tarkoitetaan pakkausmateriaalista valmistettua kierrätyspolttoainetta. 2.2.1 REF Vuonna 2000 Suomessa otettiin käyttöön kierrätyspolttoaineita koskevat laatustandardit SFS 5875, jossa kierrätyspolttoaineet on jaettu kolmeen laatuluokkaan: REF I, -II ja -III. Laatuluokat määräytyvät haitallisten alkuainepitoisuuksien mukaan. Huomioitavia alkuaineita ovat muun muassa kadmium, kloori, elohopea ja rikki. (SFS 5875:2000, 10.) REF I on laatuominaisuuksiltaan parasta ja REF III laadultaan heikointa. Käytännössä korkealaatuisempi kierrätyspolttoaine merkitään usein: REF I-II, jolloin sen laatu vaihtelee I- ja II:n välillä (Alakangas 2000, 109). Hyvälaatuinen kierrätyspolttoaine on valmistettu yleensä kaupan tai teollisuuden tasalaatuisesta energiajätteestä. Sekajätteestä valmistetun kierrätys-

10 polttoaineen eli RDF:n laatu on usein REF III:n luokkaa tai heikompaa. Taulukossa 3 on esitetty REF-laatuluokkien sallitut alkuainepitoisuudet. Taulukko 3. REF-laatuluokitukset (SFS 5875:2000, 10). Standardissa ei määritellä lämpöarvoja eikä muita palamisteknisiä ominaisuuksia eri laatuluokille, vaan laatuluokitus tapahtuu ainoastaan kyseisten alkuainepitoisuuksien mukaan. Taulukossa 4 on esitetty REF I:n ja REF III:n kokeellisesti määritetyt palamistekniset ominaisuudet, jotka perustuvat VTT:n suorittamiin laboratoriomittauksiin.

11 Taulukko 4. REF:n palamistekniset ominaisuudet (Alakangas 2000, 113). 2.3 Jätteen keräys ja jalostus polttoaineeksi 2.3.1 Jätteen keräys Suomessa Suomen syntypaikkalajitteluun perustuvissa keräysjärjestelmissä jätteet lajitellaan 1-5 jakeeseen riippuen kiinteistöjen asuntojen lukumäärästä. Erikseen lajiteltavia jakeita ovat lasi, metalli, biojäte, paperi, kartonki, pahvi sekä ongelmajätteet. Lajittelun jälkeen jäljelle jäänyt jäte on sekajätettä. Lajittelukäytännöt voivat vaihdella suuresti eri jätehuoltoalueiden kesken. Erot johtuvat muun muassa alueiden erilaisista väestötiheyksistä, kiinteistökannoista sekä jätteen hyödyntämiskapasiteeteista. Jätehuoltomääräyksiä laadittaessa tulisi hakea siis optimiratkaisua jätteen materiaali- ja energiahyödyntämiselle, niin että jätteenkeräysjärjestelmä olisi mahdollisimman energia- ja kustannustehokas. Taulukkoon 5 on koottu erilaisia jätteen keräyskäytäntöjä eri puolilta Suomea.

12 Taulukko 5. Erilaisia jätteenkeräyskäytäntöjä Suomessa. Jätteen keräysalue Etelä-Karjala Käytäntö Jäte lajitellaan bio- ja kuivajäteastiaan. Keräyspaperi kerätään erikseen yli kolmen huoneiston kiinteistöissä ja muita hyödynnettäviä jakeita aletaan kerätä erikseen syntyvän jätemäärän mukaan. (Lappeenrannan kaupungin jätehuoltomääräykset 1.1.2002.) Kymenlaakso ja Lapinjärvi Lahti Tampere Turku ja Jyväskylä Pietarsaaren Ekorosk Oy:n keräysalue Rivi- ja kerrostalokiinteistöillä lajitellaan biojäte- ja sekajäte omiin keräysastioihin. Lisäksi, jos kiinteistöllä on yli kymmenen asuinhuoneistoa, tulee keräyskartonki ja metalli kerätä omiin keräysastioihin. Omakoti- ja paritaloilla tai vapaa-ajankiinteistöillä ei sen sijaan biojätteen keräysvelvoitetta ole, vaan biojäte tulee laittaa sekajätteeseen. Sekajäte toimitetaan sekajätteenpolttolaitokselle Kotkan Hyötyvoimalaan. (Kymenlaakson ja Lapinjärven jätehuoltomääräykset 1.1. 2011.) Jätteet lajitellaan alle kymmenen hengen kiinteistössä energiajätteeseen ja kaatopaikkajätteeseen. Yli kolmen hengen kiinteistössä myös paperi kerätään omaan astiaan. Yli kymmenen hengen kiinteistössä tulee olla myös keräysastiat pahvi- ja paperipakkausjätteelle sekä biojätteelle. Energiajäte hyödynnetään energiana kaasuttamalla Kymijärven voimalaitoksessa. (Ajanko et al 2005, 13-14.) Viiden asunnon ja sitä suuremmilla kiinteistöillä lajitellaan erikseen biojäte, paperi ja kuivajäte. Keräysastioita on siis kolme. Pienemmillä kiinteistöillä sen sijaan vaaditaan keräysastia vain sekajätteille. (Ajanko et al 2005, 13-14.) Lajittelu tapahtuu kiinteistöjen koon perusteella seuraaviin jakeisiin: biojäte, lasi, metalli, paperi ja sekajäte. Turussa sekajäte poltetaan sekajätteenpolttolaitoksessa. (Ajanko et al 2005, 13-14.) Jätteet lajitellaan kotitalouksissa kahteen jakeeseen: biojäte mustaan muovipussiin ja sekajäte valkoiseen muovipussiin ja pussit laitetaan samaan keräysastiaan. Hyötyjakeille ja ongelmajätteille on omat keräysasemansa. Pussit erotellaan värin perusteella. Biojäte menee mädätykseen Vaasan Stormossenin laitokseen ja sekajätteestä valmistetaan kierrätyspolttoainepellettejä Ewapowerin pelletöintilaitoksessa, jotka toimitetaan rinnakkaispolttoon Pietarsaaren voimalaitokseen. (Ajanko et al 2005, 13-14.) Vaasa Vaasan alueella jätteet lajitellaan sekajätteeseen ja keittiöjätteeseen, johon kuuluvat biojäte ja pakkaukset. Viiden asunnon ja sitä suuremmille kiinteistölle tulee olla myös keräysastiat lasille, metallille ja keräyspaperille. Keittiöjakeesta erotellaan biojäte mädätysprosessiin ja pakkausjäte kuljetetaan Ewapowerin pellettitehtaan raaka-aineeksi. Sekajäte päätyy kaatopaikalle. (Ajanko et al 2005, 13-14.) 2.3.2 Kierrätyspolttoaineen valmistus Kierrätyspolttoaineita valmistetaan jalostamalla niin sanotusta huonolaatuisesta jätteestä erilaisilla prosesseilla parempilaatuista, eli paremmin polttoon sopivaa jätettä. Näihin prosesseihin kuuluu muun muassa jätteen murskaus polttotekniikoille sopivampaan palakokoon, metallien ja muiden polttoon sopimattomien aineiden erottelu ja biohajoavien aines-

13 ten erottelu. Prosessin jälkeinen tuote voidaan lisäksi pelletoida, jolloin siitä saadaan kuljetukseen paremmin sopivaa kierrätyspolttoainetta. Eroteltua ainesta, jota prosessien jälkeen jää jäljelle, kutsutaan alitteeksi. Teoriassa alitteesta erotetusta biohajoavasta aineesta voidaan saada energiaa mädättämällä tai se voidaan kompostoida. Erotetut metallit voidaan hyödyntää materiaalina ja jäljelle jäänyt hyödyntämiskelvoton rejekti täytyy loppusijoittaa kaatopaikalle. (Tchobanoglous et al. 1993, 286-287.) Todellisuudessa valmistusprosessin alite päätyy metalleja lukuun ottamatta usein kokonaisuudessaan kaatopaikalle loppusijoitukseen. Kierrätyspolttoaineiden valmistusprosesseja on useita, riippuen minkälaisesta jätteestä valmistetaan ja kuinka laadukasta kierrätyspolttoainetta halutaan valmistaa. Hyvälaatuista kaupan ja teollisuuden energiajätettä (REF I-II) voidaan polttaa sellaisenaan, mutta tavallisempaa on, että se prosessoidaan kierrätyspolttoainelaitoksessa ennen myymistä ja voimalaitokselle toimittamista. Voimalaitoksellakin voi olla erikseen murskaimet, seulat ja erottimet, joiden läpi kierrätyspolttoaine kulkee ennen kattilaan syöttämistä. RDF:n valmistuksessa jalostusprosessilta vaaditaan kuitenkin enemmän ja murskainten ja erottimien on oltava varsin tehokkaita. (Tchobanoglous et al 1993, 591-592.) Sekajätettä polttavissa arinalaitoksissa sekajäte tarvittaessa myös murskataan ennen polttoon syöttämistä. Tavoitteena on kuitenkin vain saada sekajäte sopivampaan palakokoon ennen polttoa, ei niinkään parantaa jätteen laatua. 2.3.3 Kierrätyspolttoaineiden valmistuksen ja polton materiaali- ja energiavirrat Kierrätyspolttoaineen valmistuksessa kuluu energiaa ja syntynyt alite ohjataan useimmiten kaatopaikalle. Sivuainevirtojen määrät vaihtelevat tapauskohtaisesti. Esimerkkinä hyvälaatuisen kierrätyspolttoaineen (REF I-II) materiaali- ja energiavirroista kuvissa 1 ja 2.

14 Kuva 1. Esimerkki materiaalivirroista hyvälaatuisen jätteen valmistuksessa ja rinnakkaispoltossa. Polttoaineen valmistuksessa erotettavien materiaalien määrä ja muodostuvien tuhkien määrät riippuvat lähtöaineena käytettävän jätteen koostumuksesta. Prosenttiosuuksien perustana on kierrätyspolttoaineen massa. (Novox Oy 2009, 10.) Kuva 2. Esimerkki hyvälaatuisen jätteen rinnakkaispolton energiavirroista yhdistetyssä sähkön- ja lämmön tuotannossa. (Novox Oy 2009, 10.) Jos huonolaatuisesta jätteestä, esimerkiksi sekajätteestä, valmistetaan kierrätyspolttoainetta (RDF, REF III), saanto on usein 60 %:n luokkaa, jolloin alitteen määrä on 40 % sekajätteen massasta (Myllymaa et al 2008a, 36). Sekajätteen energiahyödyntämisen kannalta on alitteen kautta hukkaan menevän energiavirran vuoksi järkevämpää polttaa sekajäte sellaisenaan sekajätteenpolttolaitoksessa (arinakattilassa) kuin jalostaa siitä RDF kierrätyspolttoainetta. Tilanne muuttuu, jos alite hyödynnetään materiaalina tai energiana, mutta siinä tapauksessa vastaan saattaa tulla käytännön ongelmat, kuten tekninen ja taloudellinen mielekkyys. Sekajätteestä valmistetun kierrätyspolttoaineen käyttö rinnakkaispolttona leijupe-

15 tikattiloissa on Suomessa tosin hyvin vähäistä epäpuhtauksista aiheutuvien ongelmien takia. 3 JÄTTEEN ENERGIAHYÖDYNTÄMISMENETELMÄT Höyryvoimalaitosprosessi on maailman yleisin energiantuotantomenetelmä suuressa mittakaavassa, johon valtaosa energiantuotantolaitosten tekniikoista perustuu. Höyryvoimalaitoksen tärkeimmät komponentit ovat lämmön lähde, höyryturbiini ja lämmön poisto. Järjestelmä perustuu Clausius-Rankine -prosessiin tai sen paranneltuun versioon. Lämmönlähde on yleisimmin kattila, jossa poltetaan tiettyä polttoainetta ja tuotetaan tulistettua höyryä. (Kaikko 2009, 4) Sähköä tuottavia höyryvoimalaitoksia kutsutaan lauhdevoimalaitoksiksi, koska niissä paineistettu höyry lauhdutetaan mahdollisimman alhaiseen paineeseen ja lämpötilaan esimerkiksi kylmän meriveden avulla. Paineen alenemisesta saadulla höyryn entalpiavirralla pyöritetään sähköä tuottavaa lauhdeturbiinia. Suomen energiantuotantojärjestelmä perustuu pää-asiassa lämmön ja sähkön yhteistuotantoon eli suurin osa Suomessa tuotetussa energiasta tuotetaan CHP-laitoksissa. CHPstä on monia eri konstruktioita, mutta kaikkien laitosten perusperiaatteena on kuitenkin edellä mainittu Clausius-Rankine -prosessi. Vastapainevoimalaitos on yleisin näistä konstruktiosta. Siinä höyry johdetaan turbiinista ulostulon jälkeen lämmittämään lämmitettävää prosessia eikä lämpöä ohjata ympäristöön, toisin kuin lauhdevoimalaitoksessa. Höyry tulee ulos vastapaineturbiinista lämmitettävän prosessin paineessa. Turbiinin ulostulopaine, ja näin ollen myös turbiinia pyörittävän entalpiavirran suuruus, riippuu siis lämmitettävän prosessin lämpökuormasta. Toinen yleinen konstruktio on väliottolauhdutusturbiiniin perustuva järjestelmä. Siinä lauhdevoimalaitoksen tavoin höyry lauhdutetaan ulkopuolisesta lähteestä otetun veden avulla. Erona tavalliseen lauhdevoimalaitokseen on, että turbiinin keskipaineosasta voidaan ottaa yksi tai useampi väliotto sopivassa paineessa ja lämpötilassa ja toimittaa ulkopuoliseen prosessikiertoon luovuttamaan lämpöenergiaa. (Kaikko 2009, 5-6.) Suomessa lähes kaikki jäteperäistä polttoainetta polttavat energiantuotantolaitokset perustuvat CHP-tuotantoon ja joihinkin edellä mainittuun konstruktioon tai niiden yhdistelmiin.

16 Jätepolttoaine sen sijaan poltetaan erilaisin tekniikoin erityyppisissä kattiloissa. Seuraavissa kappaleissa on kerrottu tärkeimmistä jätteenpolttotekniikoista. 3.1 Sekajätteen poltto arinakattilassa Sekajätteenpolttolaitokset ovat tekniikaltaan arinakattiloita. Niitä on ollut käytössä Euroopassa jo kymmeniä vuosia, mutta Suomessa sekajätettä polttavia moderneja arinalaitoksia on otettu käyttöön vasta viime vuosina. Keski-Euroopassa sijaitsevat sekajätteenpolttolaitokset tuottavat yleensä pelkkää sähköä, koska lämmön tarvetta ei siellä juurikaan ole. Sähköntuotannon hyötysuhteet näissä laitoksissa jäävät 10-20 %:iin ja tuorehöyryn lämpötilat ovat luokkaa 380-440 C. Ruotsissa käytössä olevat massapolttolaitokset tuottavat sen sijaan pelkästään lämpöä. Suomeen on tällä hetkellä kolmen valmiin laitoksen lisäksi rakenteilla tai suunnitteilla puolisen tusinaa sekajätteenpolttolaitosta. Arinakattiloita on pidetty varmana ja riittävän yksinkertaisena vaihtoehtona jätteenpolton konseptiin. Arinatekniikka ei vaadi palakooltaan ja lämpöarvoltaan kovinkaan tasalaatuista polttoainetta. Prosessi sietää oikein säädettynä melko hyvin jätteen kosteuden, lämpöarvon ja tuhkapitoisuuden vaihtelua, joten jätettä ei tarvitse juurikaan käsitellä ennen polttoa. Riittää, kun hyvin suuret kappaleet rikotaan ja jätteestä poistetaan hyvin suuret metalliesineet. Savukaasun puhdistukselta vaaditaan massapolttolaitoksella paljon, koska EU:n asettamat jätteenpolton päästöjen raja-arvot ovat tiukat. Savukaasujen puhdistuslaitteistot ovatkin huomattava investointierä polttolaitoksessa. Massapolttolaitoksen pohjatuhkaa pystytään hyötykäyttämään, mutta dioksiineja ja raskasmetalleja sisältämä lentotuhka sen sijaan on ongelmajätettä, joka täytynee stabiloimisen jälkeen läjittää kaatopaikalle. (Mroueh et al 2007, 89-91.) Arinapolton tekniikka on ehkä polttoteknikoista yksinkertaisin. Kahmari ja erilaiset hydraulitoimiset työntimet saattavat jätteen arinalle. Arinat ovat yleisemmin vinoja ja pyörivä tai edestakaisin liikkuvia, jossa jäte käy läpi kuivumis-, pyrolyysi- ja kaasuuntumisvyöhykkeet ja lopuksi hiiltojäännöksen palamisalueen. Polttoa voidaan ohjata arinan eri osiin syötettävän ilman määrää säätämällä. Jätteestä nousevat kaasut pyritään sekoittamaan hyvin tulipesässä, jotka sitten palavat korkeassa lämpötilassa arinan yläpuolella. Osittain sulaneet ja sintrautuneet palamattomat aineet poistuvat arinan alapäästä laitoksen pohjatuhkajärjestelmään. Savukaasut johdetaan ensin esijäähdytyskammioon, jossa höyrystyneet

17 epäpuhtaudet tiivistyvät kiinteiksi kattilatuhkaksi ja tippuvat pohjalla olevaan tuhkajärjestelmään. Tämän jälkeen savukaasut ohjataan lämmöntalteenottokattilan kautta puhdistusjärjestelmään. Suurimpana ongelmana koko polttoprosessissa on korroosio, joka pakottaa pitämään höyrynlämpötilat melko alhaisina verrattuna tavalliseen arinapolttoprosessiin. Matala tuorehöyryn lämpötila alentaa prosessihyötysuhdetta etenkin sähköntuotannossa. (Vesanto 2006, 31.) 3.2 Kierrätyspolttoaineiden poltto leijupetikattiloissa Toinen tärkeä jätteiden energiahyödyntämismenetelmä on kierrätyspolttoaineiden poltto leijupetikattiloissa. Leijupetipolttoa alettiin soveltamaan energiantuotannossa vasta 1970- luvulla, joten se on paljon uudempi polttotekniikka kuin arinapoltto. Viime vuosikymmenien aikana leijupetipoltto on yleistynyt laajasti muun muassa siksi, että polttotapa mahdollistaa eri polttoaineiden polton, myös huonolaatuisen, kuten jätepolttoaineen polton samassa kattilassa hyvällä palamishyötysuhteella. (Huhtinen 1997, 140.) Tällä hetkellä yhdyskuntien ja teollisuuden CHP -kattilat ovat suurimmaksi osaksi leijupetikattiloita. Leijupetipoltossa on kaksi teknisesti toisistaan hieman poikkeavaa tekniikkaa. Toinen niistä on kerrosleijutekniikka eli BFB, josta käytetään myös nimeä kuplapetitekniikka. Tämän tekniikan omaavissa kattiloissa tulipesä on suunniteltu niin, että sieltä poistuvan savukaasuvirran nopeus on niin pieni, että petimateriaalipartikkelit eli hiekka ja tuhka, eivät lähde savukaasuvirtauksen mukaan, vaan ne pysyvät tulipesässä kuplivana petinä. Toisena toteutustapana on kiertoleijutekniikka eli CFB. Sen pääperiaatteena taas on, että petimateriaali kiertää savukaasuvirran mukana tulipesän ja savukaasukanavan alkuosan välillä, josta se palautuu syklonin kautta takaisin tulipesään. Kiertoleijutekniikassa savukaasujen virtausnopeus on suurempi kuin kerrosleijutekniikassa. Näiden kahden leijupetipolton toteuttamistavan lisäksi on kehitetty lukuisia eri variaatioita yhdistellen molempia tekniikoita. Merkittävimmät hyödyt leijupetipoltossa on, että petimateriaalin avulla polttoaine saadaan palamaan tasaisemmin ja täydellisemmin vaihtelevillakin polttoainelaaduilla. Etuna on myös se, että leijuva, koko ajan sekoittuva kuuma petimateriaali lisää lämmönsiirron tehokkuutta tulipesästä kattilan putkistoissa kiertävään veteen, ja näin kattilahyötysuhdetta saadaan parannettua.

18 Jätteen leijupetipoltossa jäte syötetään tulipesään pudotustorvella tai ruuvisyöttimellä. Suurin osa palamisilmasta syötetään leijutusarinan kautta eli tulipesän pohjasta. Petimateriaalin tuhkan osuus saattaa olla hyvinkin suuri. Ylimääräinen karkea tuhka ja jätteiden palamaton inertti aines poistetaan tulipesän pohjalta. Leijupetikattilassa, joka on suunniteltu nimenomaan jäteperäisille polttoaineille, on yleensä käytössä savukaasujen esijäähdytyskammio. Esijäähdytyskammion tarkoituksena on jäähdyttää savukaasuja niin paljon, että sen sisältämät höyrystyneet metallit ja epäorgaaniset aineet kiinteytyvät ennen kattilan lämmönsiirtimiä. Kerrosleijukattiloiden tuorehöyryn lämpötila pidetään yleensä 400 C:ssa korroosion ehkäisemiseksi. Kiertoleijukattiloissa tuorehöyryn lämpötila voi olla hieman korkeampi, koska tulistin voidaan sijoittaa kattilan palautusvirtaan. Tulipesän lämpötila pidetään yleensä 800-1000 C:ssa tuhkan ja petimateriaalin sulamispisteen alapuolella kattilan likaantumisen estämiseksi. Kiertoleijutekniikka sopii kerrosleijua paremmin huonosti palaville polttoaineille kuten jätteille, koska petimateriaalin ja polttoaineen sekoittuminen on hyvin voimakasta ja näin tehostaa palamista. (Vesanto 2006, 31-33.) 3.2.1 Rinnakkaispoltto Tällä hetkellä kaikissa Suomen kierrätyspolttoainetta polttavissa leijupetikattiloissa poltto toteutetaan rinnakkaispolttona muun polttoaineen ohessa. Tavallisesti rinnakkaispoltossa käytetään REF I-II -laatuista kierrätyspolttoainetta. Myös muita jäteperäisiä polttoaineita kuten purkupuuta, pakkausjätteitä sekä tuotantojätteitä poltetaan tavanomaisien polttoaineiden rinnalla. Suurinta osaa Suomen leijupetikattiloista ei ole varsinaisesti suunniteltu kierrätyspolttoaineen tai jätteen polttoon, mutta niissä voidaan polttaa jätepolttoainetta jopa parin kymmenen prosentin polttoaineosuuteen saakka. Jos jätettä poltetaan suurina polttoaineosuuksina, laadun pitää olla hyvää (vähäinen metalli, kloori ja alkalipitoisuus), ettei polttoprosessi häiriinny. (Vesanto 2006, 35-36.) 3.2.2 Kaasutus Kaasutuksen periaatteena on polttaa polttoaine vähähappisissa olosuhteissa, jolloin saadaan tuotekaasua. Saatu tuotekaasuseos poltetaan kattilassa perinteisen polttoaineen tavoin. Tuo-

19 tekaasu voidaan puhdistaa ennen polttamista, jolloin päästöt ja epäpuhtaudet saadaan minimoitua. Kaasuttimia on olemassa teknisiltä ratkaisuiltaan erilaisia. Kiertoleijukaasuttimet ovat polttoaineteholtaan suurimpia (Mroueh et al 2007, 87). Leijukerroskaasutus toimii samalla periaatteella kuin leijukerroskattilatkin, mutta polttoaine ei pala, vaan se kuumenee ja pyrolysoituu ilman leijuttamassa pedissä, jolloin muodostuu palavia kaasukomponentteja, tuotekaasua. Suomessa on käytössä tällä hetkellä yksi kierrätyspolttoainetta kaasuttava kaasutin (60 MW) Kymijärven voimalaitoksella. Lahti Energia on rakentamassa uutta, polttoaineteholtaan 160 MW:n kiertoleijukaasutus -tekniikkaan perustuvaa voimalaitosta Kymijärvelle, joka tulee käyttämään pääpolttoaineenaan kierrätyspolttoainetta. Laitos otetaan kaupalliseen käyttöön huhtikuussa 2012. 3.3 Muut energianhyödyntämistekniikat Jätteiden polttoon on olemassa erilaisia rumpu-uuneja, jotka soveltuvat varsinkin ongelmajätteille. Rumpu-uunit sopivat niin kiinteiden, nestemäisten, pastamaisten kuin kaasumaistenkin materiaalien polttamiseen, ja niissä jäte voidaan polttaa turvallisesti. Poltettavan jätteen viipymäaika on rumpu-uunissa yleensä pitkä ja uunin lämpötila voidaan suunnitella hyvin korkeaksi. (Jätelaitosyhdistys 2011.) Jätteitä voidaan hyödyntää energiana myös pyrolyysitekniikalla. Pyrolyysi on kaasutusta muistuttava tekniikka, mutta siinä prosessi tapahtuu 400-800 C:n lämpötilassa ja hapettomissa olosuhteissa, toisin kuin kaasutuksessa. Pyrolyysitekniikka, varsinkin jätteenpolton yhteydessä, on vielä kehittyvä tekniikka eikä siitä ole pitkän aikavälin kokemuksia maailmassa. Muita kokeiluasteella olevia tekniikoita jätteiden poltossa on muun muassa plasmakonversiotekniikka sekä polttokennotekniikka. (Myllymaa et al 2008a, 148-150.) 4 HYÖTYSUHTEIDEN MÄÄRITYS JA NIIHIN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT 4.1 Voimalaitoksen hyötysuhde