FINE Pienhiukkaset Teknologia, ympäristö ja terveys 2002 2005

FINE Pienhiukkaset Teknologia, ympäristö ja terveys 2002 2005 Teknologiaohjelmaraportti 9/2006 Loppuraportti

FINE Pienhiukkaset Teknologia, ympäristö ja terveys 2002 2005 Loppuraportti Teknologiaohjelmaraportti 9/2006 Helsinki 2006

Tekes rahoitusta ja asiantuntemusta Tekes on tutkimus- ja kehitystyön ja innovaatiotoiminnan rahoittaja ja asiantuntija. Tekesin toiminta auttaa yrityksiä, tutkimuslaitoksia, yliopistoja ja korkeakouluja luomaan uutta tietoa ja osaamista ja lisäämään verkottumista. Tekes jakaa rahoituksellaan teollisuuden ja palvelualojen tutkimus- ja kehitystyön riskejä. Toiminnallaan Tekes vaikuttaa liiketoiminnan kehittymiseen, elinkeinoelämän uudistumiseen, kansantalouden kasvuun, työllisyyden vahvistumiseen ja yhteiskunnan hyvinvointiin. Tekesillä on vuosittain käytettävissä avustuksina ja lainoina runsaat 400 miljoonaa euroa tutkimus- ja kehitysprojektien rahoitukseen. Teknologiaohjelmat Tekesin valintoja suomalaisen osaamisen kehittämiseksi Tekesin teknologiaohjelmat ovat laajoja monivuotisia kokonaisuuksia, jotka on suunnattu elinkeinoelämän ja yhteiskunnan tulevaisuuden kannalta tärkeille alueille. Teknologiaohjelmilla luodaan uutta osaamista ja yhteistyöverkostoja. Ohjelmien aiheiden valinnat perustuvat Tekesin strategian sisältölinjauksiin. Tekes ohjaa noin puolet yrityksille, yliopistoille, korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille myöntämästään rahoituksesta teknologiaohjelmien kautta. Copyright Tekes 2006. Kaikki oikeudet pidätetään. Tämä julkaisu sisältää tekijänoikeudella suojattua aineistoa, jonka tekijänoikeus kuuluu Tekesille tai kolmansille osapuolille. Aineistoa ei saa käyttää kaupallisiin tarkoituksiin. Julkaisun sisältö on tekijöiden näkemys, eikä edusta Tekesin virallista kantaa. Tekes ei vastaa mistään aineiston käytön mahdollisesti aiheuttamista vahingoista. Lainattaessa on lähde mainittava. ISSN 1239-1336 ISBN 952-457-231-1 Kansi: Oddball Graphics Oy Sisäsivut: DTPage Oy Paino: Libris Oy, 2006

Esipuhe Tämä julkaisu on Tekesin teknologiaohjelman FINE Pienhiukkaset Teknologia, ympäristö ja terveys 2002 2005 loppuraportti. Puhdas hengitysilma on yksi hyvinvointimme perusedellytyksistä. Teknologian kehittämisen voimakkaimmassa buumissa viime vuosikymmeninä terveyteen vaikuttavat tekijät eivät ole olleet tärkeimpiä kriteereitä kehitystä suunnattaessa. Tänään on kuitenkin toisin. Nyt tiedetään paljon ihmisten elinympäristön vaikutuksista terveyteemme ja hyvinvointiimme. Teknologian aiheuttamat terveysvaikutukset ovat nousseet agendalla jopa ympäristövaikutusten edelle. Jo kehitetty teknologia on jouduttu ottamaan kriittiseen tarkasteluun samoin kuin uudelle teknologialle asetettavat vaatimukset. Fokukseen on noussut ihminen itse. FINE-teknologiaohjelman käynnistämistä olivat vauhdittamassa toisaalta tieto pienhiukkasiin liittyvien terveysongelmien vakavuudesta ja sitä kautta alan teknologiatarpeen ja -markkinoiden kasvusta ja toisaalta suomalaisesta korkeatasoisesta tieteellisestä osaamisesta. Nähtiin huomattavaa potentiaalia kehittää uusia tuotteita ja palveluita sekä kasvattaa alan liiketoimintavolyymia kuin myös edistää ihmisten hyvinvointia. Ohjelma käynnistyi vuonna 2002 ja päättyi tutkimustyön osalta vuoden 2005 lopussa. Mukana on ollut 52 projektia, joista 20 yritysten omia tuotekehityshankkeita. Työn kokonaisvolyymi on 26 milj., josta Tekes on kattanut 14 milj.. Yritysten tuotekehityshankkeet ovat edustaneet volyymiltaan noin 55 % ohjelmakokonaisuudesta ja lisäksi yritykset ovat osallistuneet aktiivisesti tutkimushankkeiden rahoitukseen ja ohjaukseen. Muita rahoittajia ovat olleet Suomen Akatemia, liikenne- ja viestintäministeriö ja ympäristöministeriö. Suomen Akatemialla oli oma tutkimushankehaku FINE-ohjelmaan terveystiedon tutkimushankkeiden mukaan saamiseksi. Helsingin yliopistossa ja Kansanterveyslaitoksen Kuopion yksikössä toimivat alan huippuyksiköt ovat tehneet kiinteää yhteistyötä FINE-ohjelman kanssa. Ohjelman tärkeimpänä tehtävänä on ollut tukea tutkimustulosten hyödyntämistä liiketoiminnassa. Tavoitteena on ollut saada markkinoille tuotteita, prosesseja, menetelmiä ja palveluita, jotka edistävät ihmisten hyvinvointia. Tieteellisestä tutkimuksesta on aina pitkä matka markkinoilla oleviin hyödykkeisiin. Matka on väistämättä pitkä myös ajallisesti ei riitä, että tulokset ovat

hyödynnettävässä muodossa, vaan aikaa kuluu tiedon ja teknologian siirtoon, oikeiden kumppaneiden löytämiseen, yhteistyön rakentamiseen, rahoituksen järjestämiseen ja mahdollisesti vielä asenteiden ja toimintatapojen muokkaamiseen. Neljä vuotta toimiva teknologiaohjelma voi olla vain sillanrakennuksen alullepanijana ja käynnistävänä katalysaattorina, kun tieteellisestä tutkimuksesta tehdään kaupallista toimintaa. Työtä tarvitaan vielä pitkään ohjelman jälkeen merkittävien vaikutusten aikaan saamiseksi. Maaliskuu 2006 Tekes

Sisältö Esipuhe 1 Ohjelmakatsaus....1 1.1 Ohjelman tausta...1 1.1.1 Pienhiukkasongelma....1 1.2 Ohjelman tavoitteet ja toteutus....2 1.2.1 Ohjelman tavoitteet ja niiden kehittyminen...2 1.2.2 Ohjelman toteutus ja sisältö...3 Ohjelman tapahtumat...3 Ohjelman laajuus ja osallistujat...3 1.3 Ohjelman tulokset...5 1.3.1 Verkottuminen...5 1.3.2 Ohjelman antama tieto...5 1.3.3 Liiketoiminta...5 1.4 Lopuksi...6 2 Energiantuotannon ja teollisuuden pienhiukkaspäästöt...7 2.1 Fine particle emissions from energy production and industry problems and solutions.... 7 2.2 Projektit...10 Pienhiukkas- ja raskasmetallipäästöjen karakterisointi PIHI-RAME...10 Puun polton pienhiukkaspäästöt PIPO1-2.... 15 Fine particle emissions of waste incineration Development of waste quality and flue gas cleaning technique...23 Hiukkaset puun ja energiaturpeen polttoaineketjussa...29 Fine particle emissions from fluidized bed combustion of biomass A prediction method.... 29 CFB-kattiloiden pienhiukkas- ja raskasmetallipäästöt ja niiden hallinta....33 Biomassan ja raskaan polttoöljyn pienhiukkaspäästöt ilman tehokasta suodatusta BIOPOR...37 Sähkösuodattimen esivarausjärjestelmä...40 Voimalaitosten imuilman suodatuksen tehostaminen ja suodattimien toiminta eri käyttöolosuhteissa....46 Aerosolimallien kehittäminen ydinvoimalaitossovelluksiin AMY.. 47 Large Engine Emission Reduction LEER.... 55 Elementtisuodatinjärjestelmän kehittäminen....59

3 Liikenteen ja liikennevälineiden pienhiukkaspäästöt...61 3.1 Vehicle particle emissions challenge to technology... 61 3.2 Projektit...63 Liikenteen pienhiukkaspäästöjen yhteys ajoneuvojen testimittauksiin LIPIKA... 63 Raskaan ajoneuvokannan hiukkaspäästön koko ja morfologia HD-PM...69 Otto- ja dieselmoottoreiden nestehiukkaset: voiteluaineen ja jälkikäsittelyn vaikutus, osat I ja II... 78 Reduction of particulate emissions in compression ignition engines...82 Palamistekniikan hallinta 2010-luvulla PATE 2010... 84 Partial DPF...85 Polttoaineen aromaattien vaikutus dieselhiukkasten haitallisuuteen...85 Nanoparticles from diesel engines operated with bio-derived oils.. 89 Z-palaminen...95 Katupölypäästöjen ajoneuvomittaukset VIPEN-projekti.... 96 4 Mittalaitteet ja mittaaminen...101 4.1 Aerosol measurement techniques and instrumentation...101 4.2 Projektit...102 Fine particle transformations during dilution...102 Laitteisto pienhiukkasten kemiallisen koostumuksen in-situ-määritykseen...109 Kaupunki-ilman hiukkasten mittausverkko PARNET... 114 Condensation particle counter with photoinduced nucleation... 121 Nanoparticle Emissions Simulator NaPES.... 123 Alailmakehän optiset mittaukset AtmOS... 127 Pienhiukkasten tutkimuspalvelut Tutkimusmenetelmien ja palvelutuotteen kehittäminen...127 Pienhiukkasten dynamiikan numeerinen mallinnus...131 Hiukkasmittaustekniikoiden perusilmiöt...131 Tribosähköiset sovellukset TRIBOS... 133 Lidar aerosolitutkimuksessa LATU... 136 5 Rakennukset ja sisäilma...141 5.1 Fine particles in indoor air...141 5.2 Projektit...143 Hitsaamon pienhiukkaset...143 Hiukkasaltistuksen vähentäminen rakennus- ja LVI-teknisin keinoin HALVI HALVI-hankkeessa rakennettavan mallin validointi VALIDI.... 147 Ilmanvaihtolaitteiden hiukkaspäästöt: terveyshaitat, mittaaminen ja tuotekehitys....153 Emission of fine particles in sanding of wood materials and filtration efficiency for sanding dust FineWood... 163

Measurement and characterization of the biological fraction of fine particles BIOFINE... 169 DNA-microarray for detection of harmful microorganisms in indoor environments...174 MFI-tekniikalla kannattavaa liiketoimintaa...178 3G-suodattimen kehittäminen...183 6 Terveys-, ilmasto- ja muut ympäristövaikutukset... 187 6.1 Terveys ilmansuojelun suunnannäyttäjänä...187 6.2 Projektit...191 Pienhiukkasten kokonaispäästöt ja vähentämismahdollisuudet Suomessa yhdennetty tarkastelu khk-päästöjen rajoittamisen yhteydessä PIHI-KHK... 191 Kokonaismalli pienhiukkasten päästöjen, leviämisen ja riskin arviointiin KOPRA... 197 Inflammaatio ja pienhiukkaset....205 Seasonal variations in physicochemical and toxicological characteristics of urban air particulate matter PAMCHAR-FINE... 211 Determinants and sources of PM 2.5 exposure among elderly subjects....220 Chemical mass closure of tropospheric aerosol modes...227 Polluted clouds: the effects of gases and surfactants.... 233 Non Steady State Nucleation as a Formation Mechanism of Atmospheric Aerosol Particles...238 Liitteet 1 Johtoryhmä....243 2 Osallistujat...244 3 Projektit...245 Tekesin teknologiaohjelmaraportit....248

1 Ohjelmakatsaus 1.1 Ohjelman tausta 1.1.1 Pienhiukkasongelma Pienhiukkasiksi luetaan aerodynaamiselta halkaisijaltaan alle 2,5 µm olevat hiukkaset. Suomessa näiden merkittävimmät lähteet ovat liikenteen pakokaasupäästöt ja puun pienpoltto. Liikenteen ja pienpolton hiukkasten merkitystä korostaa se, että päästöt tapahtuvat suoraan hengitysilmakerrokseen. Liikenne vaikuttaa ilman hiukkaspitoisuuteen suorien päästöjen lisäksi myös nostattamalla ilmaan pölyä liikenneväylien pinnoilta. Puun pienpoltosta vapautuvilla hiukkasilla voi olla suuri merkitys paikalliseen ilmanlaatuun etenkin epäsuotuisissa leviämisolosuhteissa tiiviisti rakennetuilla pientaloalueilla. Hiukkasia pääsee ilmaan myös mm. energiantuotannosta, teollisuuden prosesseista ja rakentamisesta. Suomeen kulkeutuu ajoittain runsaasti pienhiukkasia myös maan rajojen ulkopuolelta. Pienhiukkasten haitoista terveydelle on näyttöä jo pitkältä ajalta savusumuepisodeista epidemiologisten tutkimusten tuloksiin. Varmaa käsitystä ei ole siitä, mikä hiukkasten ominaisuus tai komponentti on terveyden kannalta haitallisin. Käytettävissä oleva tieto viittaa siihen, että turvallista kynnyspitoisuutta ei kuitenkaan ole, vaan pienilläkin pitoisuuksilla aiheutuu terveyshaittoja ja haitat kasvavat lineaarisesti altistuksen myötä. Lähilähteistä, liikenteestä ja pienpoltosta peräisin olevia pienhiukkasia pidetään kaikkein haitallisimpina terveydelle. Terveyshaittojen syntymiseen vaikuttavat erityisesti hiukkasten koko sekä lyhyt- ja pitkäaikaisesti vallitseva massa- tai lukumääräpitoisuus. Alempiin hengitysteihin kulkeutuvien, ns. hengitettävien hiukkasten, massapitoisuus (PM 10 ; halkaisija < 10 µm) on ollut lukuisten terveystutkimusten käyttämä ilmanlaatusuure. Tätä suuremmat hiukkaset jäävät nenähengityksessä ylempiin hengitysteihin eli nenään ja sen sivuonteloihin sekä nieluun. Viimeaikaisten terveystutkimusten mielenkiinto on kohdistunut myös PM 10 :n alakokoluokkiin: pienhiukkasten massapitoisuus (PM 2.5 ; halkaisija < 2,5 µm), karkeiden hengitettävien hiukkasten massapitoisuus (PM 10-2.5 ; 2,5 µm < halkaisija < 10 µm) ja ultrapienten hiukkasten (halkaisija < 0,1 µm) lukumääräpitoisuus. Nykyinen terveystutkimustieto on kuitenkin vielä puutteellista sekä hiukkaskokoluokkien että erityisesti niiden lähteisiin ja kemialliseen koostumukseen liittyvien vaikutusten osalta. Pienhiukkaset pääsevät aina keuhkorakkuloihin saakka, mistä niiden poistuminen tapahtuu hitaasti. Ultrapienet hiukkaset (halkaisija alle 0,1 µm) saattavat myös päästä keuhkorakkuloista verenkiertoon. Yhdyskuntailman pienhiukkaset ja ultrapienet hiukkaset kulkeutuvat hyvin huoneistojen sisäilmaan, jos ilmanvaihto on painovoimaista tai koneellista ottoilmaa ei suodateta tehokkaasti. Sen sijaan yhdyskuntailman karkeat hengitettävät hiukkaset kulkeutuvat huonosti sisäilmaan. Pienhiukkasiin liittyvän tutkimustarpeen moninaisuutta kuvastaa kuvan 1 vaikutusketju. Joka vaiheesta tarvitaan vielä lisää tietoa ennen kuin hiukkasten terveyshaittojen vähentämiseen tähtäävät päätökset voidaan tehdä tietoon perustuen. Pienhiukkasten terveysvaikutukset ovat johtaneet eri puolilla maailmaa kiristyviin ilmanlaadun ohje- ja raja-arvoihin. Euroopassa EU:n komissio on julkistanut Clean Air for Europe -ilmanlaatustrategian (CAFE), jonka on määrä vähentää huonosta ilmasta johtuvia vaikutuksia merkittävästi vuoteen 2020 mennessä. Nykyisten arvioiden mukaan ilman epäpuhtaudet aiheuttavat EU-maissa satoja tuhansia kuolemantapauksia vuosittain ja Suomessa tuhatkunta kuolemantapausta vuodessa. Keskeisiä toimijoita Suomessa pienhiukkasten tutkimuksen eri osa-alueilla ovat Tampereen tek- 1

Päästolähde Leviäminen & muutunta Ihmisen altistuminen Terveyshaitta Sairautta edeltävä kudosmuutos Biologisesti vaikuttava annos Keuhkoannos Kuva 1. Hiukkasten vaikutusketjun komponentteja. nillinen yliopisto, huippuyksiköt Helsingin ja Kuopion yliopistolla, VTT, TKK, Kansanterveyslaitos, Ilmatieteen laitos ja Työterveyslaitos. Haitallisten hiukkasten lisäksi on olemassa myös teollisesti hyödynnettyjä, hyviä hiukkasia. Hiukkasia hyödynnetään mm. lääketeollisuudessa, nanomateriaaleissa sekä elektroniikkateollisuudessa. Hyödyllisten hiukkasten tutkiminen rajattiin FINE-teknologiaohjelman ulkopuolelle alueella olevien muiden tutkimusohjelmien takia. 1.2 Ohjelman tavoitteet ja toteutus Pienhiukkaset eivät rajaa yhtä selkeää toimialaa. Pienhiukkasiin liittyvä toimintaympäristö on hajanainen ja hiukkaset ovat vain yksi yhteinen nimittäjä. Saman nimikkeen alla ovat niin sisäilmakysymykset kuin jätteen polton hiukkaset, ja alan yritykset ovat hyvin erilaisia. Taustalla on kuitenkin paljon yhtenäistä tutkimusta perustuen samaan pohjatietoon ja osaamiseen. Alan tutkimus on monitieteistä, tutkimus jakaantuu toisaalta pienhiukkasten synnyn, käyttäytymisen, poistamisen ja hiukkasten mittausmenetelmien tutkimukseen ja toisaalta tutkitaan hiukkasten kansanterveydellisiä ja ympäristövaikutuksia. FINE-teknologiaohjelma toteutettiin vuosina 2002 2005. Ohjelman rahoittajina olivat Tekes, Suomen Akatemia, liikenne- ja viestintäministeriö, ympäristöministeriö sekä osallistuneet yritykset ja tutkimuslaitokset. Suomen Akatemia tuli mukaan, koska perustutkimusta pienhiukkasten vaikutuksista terveyteen ja ilmastoon haluttiin mukaan ohjelmaan. Suomen Akatemian rahoittamina FINE -ohjelmassa oli viisi projektia. Liikenne- ja viestintäministeriöllä (LVM) sekä ympäristöministeriöllä (YM) oli edustajat ohjelman johtoryhmässä ja ne rahoittivat muutamia niitä kiinnostavia, yksittäisiä projekteja ohjelmassa. 1.2.1 Ohjelman tavoitteet ja niiden kehittyminen FINE-ohjelman tavoitteet olivat: FINE-ohjelman päätavoitteena on pienhiukkasiin liittyvien liiketoimintamahdollisuuksien lisääminen hyödyntämällä korkeatasoista suomalaista tutkimusosaamista. Ohjelmassa tuotetaan tutkimustietoa ja kehitetään menetelmiä ja laitteita, joiden avulla voidaan auttaa vähentämään ja hallitsemaan pienhiukkaspäästöjä ja niiden haitallisia vaikutuksia ihmiseen, ilmastoon ja muuhun ympäristöön. FINE-ohjelman haasteena on terveys- ja ympäristövaikutuksiin liittyvien laajempien yhteiskunnallisten tarpeiden ymmärtäminen ja sitä kautta uusien innovaatiomahdollisuuksien identifiointi sekä hyödyntäminen. Lisäksi liiketoiminnallisiksi tavoitteiksi asetettiin: Suomeen syntyy uutta pienhiukkastekniikan osaamiseen perustuvaa liiketoimintaa Toimijoiden kyky päästönormien ennakointiin paranee 2

Yritysten tuotteiksi ja käyttöön sekä markkinoille valikoituu tuotteita ja prosesseja, jotka menestyvät jatkossakin normien tiuketessa Pienhiukkasiin liittyvä laite- ja osaamisvienti kasvaa Suomen pienhiukkasosaaminen verkottuu entistä tiiviimmin ja saavuttaa johtavan aseman Euroopassa. Ohjelman tavoitteena oli synnyttää ja lisätä uutta liiketoimintaa sekä ylläpitää tutkimuksen korkeaa tasoa. Haastatteluiden mukaan jo alussa tiedettiin, että ohjelman perustutkimuksen osuus tulee olemaan suurta ja oltiin tukemassa tuotteiden ja palveluiden kehittämistä markkinoille, joita ei ole välttämättä vielä syntynyt. Ohjelman alkuvaiheessa odotettiin erilaisten päästöjä koskevien säädösten tulevan voimaan. Säädöstyö on kuitenkin edennyt ohjelmaa perustettaessa ajateltua hitaammin. 1.2.2 Ohjelman toteutus ja sisältö Ohjelma toteutettiin siten, että Tekes ja Suomen Akatemia rahoittivat omia projektejaan erikseen. Suomen Akatemia rahoitti perustutkimuksellisia projekteja terveysvaikutus- ja ilmastotutkimuksen alueella. Tekes ja ministeriöt rahoittivat yhteisesti eräitä projekteja, joissa ministeriön tietotarpeet ja ohjelman tavoitteet kohtasivat. Näissäkin projekteissa päärahoittajana oli Tekes. Ohjelman tapahtumat Ohjelma perustettiin keväällä 2002, jolloin avattiin aiehaku yrityksille ja tutkimuslaitoksille. Akatemialla oli pienhiukkasalueelle suunnattu hakukierros samaan aikaan. Aiehaun lisäksi järjestettiin uudet hakukierrokset tutkimuslaitosten projekteille loppuvuodesta 2003 ja 2004. Yrityksillä oli mahdollisuus ehdottaa projekteja koko ohjelman ajan ilman erityisiä hakuaikoja. Ohjelman johtoryhmä nimitettiin elokuussa 2002. Luettelo johtoryhmän jäsenistä on liitteessä 1. Ohjelmassa järjestettiin aloitusseminaarin lisäksi kaksi vuosiseminaaria ja päätösseminaari. Osaalueittain järjestettiin seurantakokouksia, joissa tutkijoiden lisäksi oli mukana projekteihin osallistuvien yritysten edustajia. Vuonna 2005 aloitettiin kaksi markkinaselvitystä Pohjois-Amerikan puhtaan ilman markkinoista, toinen liikenteen ja teollisuuden alueelta ja toinen sisäilma- ja turvallisuusalueelta. Markkinaselvitykset valmistuvat keväällä 2006. Ohjelman laajuus ja osallistujat Ohjelmassa oli mukana 52 projektia: 20 yritysten omia t&k-projekteja ja 32 tutkimusprojektia, joista 5 oli Akatemian rahoittamia. Ohjelman projekteihin osallistui lähes 60 yritystä ja yli 20 tutkimusryhmää. Luettelo osallistujista on liitteenä 2. Projektiluettelo ja projektien rahoitus on esitetty liitteessä 3. Ohjelman kokonaisvolyymi oli noin 26 miljoonaa euroa, josta yritysprojektien osuus oli 12,7 miljoonaa euroa ja tutkimusprojektien osuus 13,2 miljoonaa euroa, mikä sisältää Suomen Akatemian noin 1 miljoonan euron rahoituksen. Yritysprojekteissa Tekesin rahoitus oli noin 5,8 miljoonaa euroa ja tutkimusprojekteissa noin 8,5 miljoonaa euroa (kuva 2). Tekesin kokonaisrahoitus ohjelmassa oli noin 14 miljoonaa euroa, Akatemian noin 1 miljoona euroa ja muiden osapuolten noin 11 miljoonaa euroa. Ohjelma projektit jaettiin viiteen osa-alueeseen: energiantuotannon ja teollisuuden päästöt 7 tutkimus- ja 6 yritysprojektia liikennevälineiden ja liikenteen päästöt 6 tutkimus- ja 5 yritysprojektia mittalaitteet ja mittaaminen 4 tutkimus- ja 5 yritysprojektia rakennukset ja työympäristö 7 tutkimus- ja 4 yritysprojektia terveys-, ilmasto- ja muut vaikutukset 8 tutkimusprojektia (5 Akatemian rahoittamaa) Rahoitus jakautui tasaisesti kaikkiin näihin alueisiin, ks. kuva 3. 3

14 FINE-ohjelman rahoituslähteet 12 Milj. euroa 10 8 6 4 Muu Akatemia Tekes 2 0 Tutkimushankkeet Yrityshankkeet Kuva 2. FINE-ohjelman rahoituslähteet. Ohjelma-alueiden osuus rahoituksesta Energiantuotannon ja teollisuuden päästöt Liikennevälineet, liikenne Mittalaitteet, mittaaminen Rakennukset, työympäristö Terveys-, ilmasto- ja muut projektit Kuva 3. Rahoituksen jakautuminen FINE-ohjelman eri osa-alueille. Ohjelman tutkimuksellisuus näkyi erityisesti siinä, että suuri osa ohjelman tutkimusprojekteissa tehdystä työstä liittyi hiukkasten syntymekanismien ja muodostumiseen vaikuttavien tekijöiden selvittämiseen, hiukkasten ominaisuuksien ja vaikutusten selvittämiseen, mittausmenetelmien vakiointiin sekä mittaustulosten keräämiseen. Osaa yritysten projekteista voidaan myös pitää tutkimuksellisina. 4

1.3 Ohjelman tulokset 1.3.1 Verkottuminen FINE-ohjelman suurimpana toteutuneena vaikutuksena voidaan pitää tiedeyhteisön, teollisuuden, Tekesin ministeriöiden verkostoitumista. Ohjelma antoi synergiaetua ja toi eri osapuolia yhteen. Koska ohjelmassa oli mukana paljon erilaisia toimijoita, oli vaarana, että kokonaisuus olisi jäänyt hajanaiseksi. FINE-ohjelman kohdalla erilaisuus oli kuitenkin vahvuus. Ohjelma on vaikuttanut ennen kaikkea tutkijayhteisöön. Ohjelma on vahvistanut olemassa olevia osaamiskeskittymiä ja tuonut lisää kytköksiä. Helsinki/Espoo ja Tampere ovat omilla alueillaan vakiintuneita pienhiukkastutkimusosaamisen keskuksia. Kuopion osaamiskeskittymä on FINEohjelman aikana vahvistunut. Tutkimusmaailma oli ennestään vahva ja hyvin verkottunut, mutta yritysmaailma oli erillään ja verkostot hajanaisia. Tutkijayhteisöön integroitui uusia tahoja ja syntyi aitoa uutta yhteistyötä, mikä vahvisti jo olemassa olevaa yhteisöä. Myös yrityspuolella FINE-ohjelma lisäsi yhteistyötä ja antoi tietoa potentiaalisista yhteistyökumppaneista. 1.3.2 Ohjelman antama tieto Ohjelman vaikutuksesta tietämys hiukkasten muodostumisesta polttoprosesseissa kasvoi, erityisesti puun pienpoltossa ja energiantuotantolaitoksissa, joita erikseen on mainittava jätteenpolttolaitokset. Myös hiukkasten muodostumisesta ja siihen vaikuttavista tekijöistä polttomoottoreissa saatiin runsaasti uutta tietoa. Liikenteen puolella tuotettiin uutta tietoa myös liikennekaluston laboratoriomittausten ja käytännön liikennevirrassa tehtyjen mittausten vastaavuudesta. Ennen ohjelmaa ei ollut kattavaa kuvaa pienhiukkasten kokonaispäästöistä Suomessa, eri lähteiden osuuksista ja päästöjen alueellisesta jakautumisesta. Mallinnuksessa luotiin työkalut hiukkasten leviämisen ja vaikutusten arviointiin. Rakennusten ilmanvaihdon hallintaan ja sisäilman laatuun vaikuttavista tekijöistä saatiin uutta tietoa ohjelmassa. Ohjelman projekteissa kehitettiin myös puhdistuslaitteita ja selvitettiin niiden toimintaan vaikuttavia tekijöitä. Ohjelmassa saatiin myös tietoa hiukkasten vähentämisen kustannuksista. Ministeriöille FINE-ohjelma on antanut lisärahoitusta pienhiukkastutkimukseen. 1.3.3 Liiketoiminta FINE-ohjelma oli tutkimuspainoinen ohjelma. Lyhyellä tähtäimellä ohjelman tuloksena ei ole syntymässä uusia yrityksiä. Koska huonoihin hiukkasiin liittyvät markkinat riippuvat voimakkaasti lainsäädännöstä, ei voida olettaakaan, että ohjelman kestäessä olisi syntynyt paljon uutta liiketoimintaa. FINE-ohjelman tulosten odotetaan näkyvän 5 10 vuoden päästä, kun erilaiset määräykset ovat tiukentuneet ja pakottavat toimenpiteisiin. Lisäksi odotetaan, että jatkossa lisääntyy yleinen tietoisuus ja huoli pienhiukkasasioista, mikä lisää markkinoita ja investointeja puhtaampaan ilmaan. Tulosten käyttöönoton viivästymiseen vaikuttaa myös asioiden monimutkaisuus. Yritysten aktivoituminen näkyy FINE-ohjelman viimeisenä vuotena ja päättymisen jälkeen alkaneina useina yritysprojekteina. Pienhiukkasiin liittyvä liiketoiminta ei muodosta yhtenäistä kokonaisuutta, vaan alueella on useita eri toimialoja ja toimijoita. Suomen pienhiukkasten toimintaympäristössä toimii esimerkiksi mittalaitevalmistajia (Vaisala, Dekati), puhdistuslaitevalmistajia (Alstom, Kvaerner, Lifa Air, Genano; Ecocat, Finnkatalyt), moottorivalmistajia (Wärtsilä, Sisu), palamistekniikkaan erikoistuneita yrityksiä (Kvaerner, Ahlström, Wärtsilä) sekä soodakattiloiden valmistajia (Foster Wheeler). Omat toimialansa muodostuu lisäksi tulisijojen valmistajista sekä ilmanvaihtoalan toimijoista. 5

Regulaation kehitys vaikuttaa voimakkaasti markkinoiden syntyyn ja kasvuun erityisesti päästöjen vähentämisessä ja tarkkailussa. Niin kauan kun esimerkiksi mittausmenetelmiä ei ole vakiinnutettu, ei voi odottaa suuria laitetilauksia. Mittausmenetelmien standardointi tapahtuu kansainvälisenä yhteistyönä ja vaatii oman aikansa. Kansainvälisille markkinoille pääsy on suomalaisille yrityksille välttämätöntä usealla hiukkasiin liittyvällä alueella pienen kotimarkkina-alueen vuoksi. Pienhiukkaset tarjoavat liiketoimintamahdollisuuksia ennen kaikkea suodatinvalmistajille, ilmanvaihtoalalle ja mittalaitevalmistajille. Markkinoiden kokoon vaikuttaa halu panostaa vapaaehtoisesti hiukkasten haitallisiin vaikutuksiin. Mikäli ihmisten terveystietoisuus nousisi tai regulaatiolla vaikutettaisiin nopeasti markkinoiden kasvuun, olisi laajoja markkinoita esimerkiksi auton sisäilman suodattimille ja muille omaan terveyteen vaikuttaville tuotteille. Kysyntä on kuitenkin toistaiseksi pientä. Markkinat eivät ole homogeeniset, sillä esimerkiksi Aasiassa on vakavia ilmanlaatuongelmia, joiden voidaan odottaa luovan kysyntää hiukkasten torjuntateknologioille elintason ja terveystietoisuuden kohotessa. 1.4 Lopuksi FINE-ohjelman syntyvaihetta edelsi pitkään tehty aerosolitutkimus, jota Suomessa tehdään kansainvälisesti merkittävissä määrin suhteessa maan kokoon. Ohjelman taustalla oli myös USA:ssa ja Euroopassa 1990-luvulla saatu uusi tutkimustieto mm. yhdyskuntailman pienhiukkasten terveysvaikutuksista. Ohjelman taustalla oli myös pyrkimys edistää suomalaista hiukkasiin liittyvää osaamista ja sen soveltamista pienhiukkasten vaikutusten selvittämiseen ja vähentämiseen ja näihin liittyvän liiketoiminnan edistämiseen. Tavoitteiden toteutuminen voidaan arvioida vasta muutaman vuoden kuluttua ohjelman päättymisen jälkeen. Pienhiukkasriskien vähentäminen tai eri toimenpiteiden hyötyjen arviointi ei ole helppoa. Eri lähteet, eri hiukkastyypit, eri kokoluokat käyttäytyvät eri tavoin ja vaikuttavat terveyteen eri tavoin. Vasta kokonaisvaltaisessa tarkastelussa, jossa otetaan lukuisia eri muuttujia (mukaan lukien epävarmuudet) huomioon, saadaan riittävän kattava kokonaiskuva toimenpiteiden suuntaamiseksi järkevästi. Pienhiukkasaluekaan ei ole vielä tutkittu valmiiksi asti. 6

2 Energiantuotannon ja teollisuuden pienhiukkaspäästöt 2.1 Fine particle emissions from energy production and industry problems and solutions Hiukkaset energiantuotannossa ja teollisuudessa ongelmia ja ratkaisuja Mikael Ohlström Jorma Jokiniemi Pasi Makkonen VTT Summary A lot of research considering fine particle (PM2.5, PM1) emissions from energy production and industrial processes has been carried out in recent years. Negative health effects and tightening of air quality legislations are reasons for increased interest in fine particles and their emission sources as well as how to reduce these emissions. Legislation There are not yet any emission standards for fine particles only for total particle mass released from power plants and industrial processes. However, the tendency of air quality legislation is toward fine particle (PM2.5) regulations whereas only total suspended particles (TSP) and respirable particles (PM10) has been regulated earlier. EU Commission announced its air protection strategy (COM(2005)446) and new air quality directive (COM(2005)447) on 21st September 2005. The main target of the new air protection strategy is to reduce human exposure both to direct (primary) and indirectly formed (secondary) fine particles, because these emissions have been identified to reduce life expectancy by 8 9 months in the EU (by 2 3 months in Finland). The air quality directive has two new elements that try to reduce the health effects from fine particles. First, an annual ceiling limit of 25 µg/m 3 has been proposed. This value corresponds to the binding limit of 40 µg/m3 for respirable particles (PM10) valid at present. Therefore, this ceiling value has mostly effect on decreasing of long range transportation from most polluted areas. The other new element is the target to reduce human exposure caused by fine particle concentrations by 20 % during 2010 2020 everywhere outside cities where concentrations are 7 µg/m 3 or more. This target is based on real fine particle concentration measurements beginning at 2008. These new legislative actions are based on the work done in CAFE (Clean Air for Europe) Programme. In this three years long programme, the adequacy of present legislation to fulfil the air quality targets of the EU s Sixth Framework Programme for year 2020 were studied. According to results, the health effects caused by air pollution would still be significant at 2020, so the Commission ended up tightening the legislation. In the U.S., the regulations considering fine particles are even stricter, so there is possible trend to more tightening legislation in the EU, too. Other guiding regulations and practises From energy production point of view, the CAFE strategy says that there won t be any changes to recent LCP directive considering over 50 megawatt s power stations. Meanwhile, power stations in the range of 20 50 megawatts can in future be exposed under IPPC directive. Also air quality targets are considered when reforming the IPPC directive. For individual heating, the technical regulations for firing equipment and their fuels are going to be harmonised so that they drive development to low-emission solutions. In addition, it will be determined if the scope of energy 7

efficiency directive could be extended to smaller buildings than at present. Even if there are not any direct regulations on PM2.5 emissions, the directive of waste incineration as well as BAT (Best Available Technology) practise are regulating and guiding the use of some combustion technologies and fuels. Main sources of fine particles The main sources of combustion-related particles are diesel motor vehicles, managed burning, open burning, residential wood combustion, and utility and commercial boilers. Primary emissions from combustion sources are made primarily of unburned fuel (hydrocarbons), elemental carbon (soot), sulphates, mineral salts, and often contain traces of toxic metals. Secondary emissions are a combination of ammonia with either sulphuric acid or nitric acid and water, together with a complex mixture of the organic oxidation products of VOCs. Additionally, alkali metals (Na and K) and some trace metal compounds (e.g. Hg, Se, Pb, Cd, Cu, Tl, Zn, As, Cr, Ni, V) are concentrated in the PM of the size with less than 1 ìm during combustion processes. FINE Programme projects relating to energy and industry sectors The Tekes Programme FINE (Particles Technology, Environment and Health 2002 2005) included a total of 14 research projects concerning fine particles in the area of energy production and industry. Seven of them were led by industrial corporations and also seven by research institutes. Several projects produced emission data by fine particle measurements and/or modelling. Also this survey summarises the main results of these projects as well as their influence on development of science and business in the research area. According to FINE programme and some earlier research projects, the specific emissions of PM2.5 fine particles in large-scale boilers are significantly lower as compared to the emissions of small-scale (10 50 kw) boilers, i.e. 0.5 50 mg/ MJ compared to 10 300 mg/mj. The specific emissions of fine particles depend most of all on particle separation device(s) used. The used fuel or combustion technique does not have as great influence if an efficient control device is used. The most effective separation device for fine particles is fabric filter. Recent measurements show that after fabric filter the share of PM1 in flue gas is only 1 10 % of the total particle mass that is mainly composed of coarse particles/material released from filter or from exhaust gas duct. Fluidised bed boilers equipped with electrostatic precipitators (ESP) or with fabric filters have during optimal operation as low specific emission factors as 3 5...10 mgmj -1 for fine particles. For grate boilers, the emission factors are usually a bit higher, but with efficient dust removal devices specific emission levels of 5 20 mgmj -1 are typical. In pulverized coal combustion the particle emission is composed mainly of particles smaller than 5 µm in aerodynamic diameter. Roughly half of the total mass of particle emission is composed of fine particles (PM2.5). For large boilers equipped with ESP and/or with fabric filter, the specific emission factor for fine particles is as low as 0.5 5 mgmj -1. For pulverized combustion of peat, ca. 20 25% of the total mass of particle emission is fine particles, and then the specific emission factor is between 5 and 8 mgmj -1. For recovery boilers, the fine particle portion of the total particle emission is 50 60% (by mass) and the specific emission factor for fine particles varies considerably according to the boiler size category, being between 10 and 80 mgmj -1. With small scale boilers (< 15 MW) it is not economically feasible to use ESP or fabric filter and thus higher fine particle emissions are typical for these plants as compared to large boilers during optimal operation. For heavy fuel oil boilers the total suspended particulate matter (TSP) emission is typically around 25 50 mg/mj, but the fine particle share is only 2.5 5 mg/mj as compared to biomass combustion equipped with cyclone and scrubber where TSP is around 30 50 mg/mj and the fine particle share is 20 40 mg/mj. On the other hand, fine particles from heavy fuel oil combustion include plenty of vanadium and nickel, and from biomass combustion zinc is the main heavy metal component. All these elements are harmful trace metal compounds and there is connection with direct toxicity. 8

Fine particle emissions from industrial processes are more uncertain or even unknown compared to energy production. One reason for this is the fact that measurements from several emission sources like roof openings are too difficult and/or expensive to do. Fine particle emission in waste combustion The JÄPPI project showed that a bag house filter combined with usage of lime and activated carbon proved to be highly efficient in waste incineration plants using different combustion techniques. Collection efficiency of fine particles was over 99.9%. Total particle emissions were between 0.5 and 1 mg/m 3, dioxines being 1/10 of directive s boundary value. All trace metal and other measured emissions (NO x,so 2, HCl, HF, TOC) were below the limits set by European WID. Particle amount of flue gases before the filter was fairly large, and high heavy metal concentrations were analysed from fine particles. Particle size distributions were bimodal at both facilities at the fabric filter inlet and outlet. Fine particle concentrations were high at the fabric filter inlet. The waste quality had a significant effect on the fine particle concentrations according to pilot-scale investigations. In addition to Na, K, Cl, and S, fine particles contained Pb and Cu in large quantities. Cd, Tl, Cu, and Pb were enriched in fine particle fraction (PM1). Increasing chlorine content in the fuel increased the release to the gas phase, and enrichment in the fine particles. Hg was mainly in the gas phase at the fabric filter inlet, and approximately 90 % of Hg was captured in the filter at the full-scale plant. Although the fine particle and heavy metal concentrations at the filter inlet are around one hundred times larger than the WID limit, the annual emissions can be significantly greater than temporary measured results during optimal plant operation. Future If the increasing use of biomass will take place mainly in the larger scale (>20 MW) heat and power plants where fine particle emissions of burning wood don t diverge significantly from emissions from fossil fuels or peat because of efficient particle separation devices, as electrostatic precipitator and fabric filter the PM2.5 fine particle emissions in Finland would be reduced 15 21 % from year 2002 to 2010, and 30 38 % till year 2020 in different scenarios calculated in PIHI-KHK project, despite the fact that primary energy consumption rises clearly in all the scenarios considered. Reducing greenhouse gas emissions speeds up the fine particle emission reduction. But if the additional use of biomass would take place mainly in mini-chp boilers (Fig.1), the fine particle emissions would probably increase due to the lack of cost-efficient filtration devices for those size classes. And this scenario is also quite possible because of increasing energy production targets by smaller, distributed facilities. Small-scale wood combustion (and also the transportation sector) has the biggest fine particle emission reduction potential, so developing the regulation for these areas would lead to significant effects on air quality. However, the annual emissions from large-scale energy production boilers can also be significantly greater than temporary measurement results during optimal plant operation indicate. Therefore, long-time measurement periods would be needed to verify annual emission levels. Emission ceiling directive (NEC) is in preparation as a follow-up work for preceding actions. It would be extended to concern also direct particle emissions. At the same time, the directive would be extended to year 2020, as the EU s air protection strategy. Market potentials In Finland, the additional capacity for small and medium size CHP units has been evaluated to be 941 MW e and 1670 MW heat with 6000 hours annual peak load time, and 3685 MW e and 5020 MW heat with 2000 hours peak load time. The deviations of the corresponding unit sizes for these two scenarios are shown in Figure 1. It may be noted that with the combustion technologies available by Finnish manufactures, all these units could be built for e.g. biomass-based fuels (possi- 9

Figure 1. Number of extra potential CHP units in Finland with two different scenarios. bly using fine particle removal devices), so the national market potentials both for chp and new filter technologies are very large. On the other hand, there aren t yet any cost-efficient filtration technologies for plants below 10 MW. There is a need to develop low-emission biomass fuels, combustion technologies (incl. sorbents), and filters. Export potential for these efficient and environmentally friendly technologies is huge. 2.2 Projektit Pienhiukkas- ja raskasmetallipäästöjen karakterisointi PIHI-RAME Characterisation of fine particle and trace element emissions VTT Pienhiukkaset Jorma Jokiniemi, Terttaliisa Lind ja Jouni Hokkinen PL 1601, 02044 VTT jorma.jokiniemi@vtt.fi Ilmatieteenlaitos Risto Hillamo Aerosolitutkimus PL 503, 00101 Helsinki Avainsanat: pienhiukkaset, raskasmetallit Keywords: fine particles, trace elements Abstract Fine particles emitted to the atmosphere have gained increasing attention lately because of the adverse health effects associated to fine particles in recent studies. Energy production by combustion is one of the major stationary sources of fine particles, and it has therefore been the subject of tightening regulations as regard to emissions. Trace elements are mainly found in the particulate phase at the particle removal device operating temperatures Fine particle measurements were made in three power plants utilising fluidized bed combustion, in a sintering plant and in two kraft recovery boilers. The measurements were made simultaneously at filter inlet and outlet except in the sintering plant where there was no filter. The solid fuel combustion-generated particle emissions typically consist of two types of particles: fine particles approximately 0.1 1 µm in diameter that are formed from the ash-forming species that are volatilized during combustion and residual ash particles larger than 1 µm in diameter that are formed from mineral impurities in the fuels. Many trace elements are relatively volatile during combustion and are consequently enriched in the fine particle fraction. The measurements showed, that there is a relation between the fine particle mass concentration, the 10

process temperature and Cl, Pb, Cd, Cu and As concentrations in fuel. Higher process temperature and higher Chlorine content in fuel increase the concentration of preceding trace elements in submicron fine particles. Projektin tausta Hiukkas- ja raskasmetallipäästöt energiantuotannossa ovat jatkuvasti tiukentuvien säännösten kohteena. Pienhiukkasten negatiiviset terveysvaikutukset ovat saaneet laajalti julkisuutta energiantuotannon ollessa yksi suurimmista pienhiukkasten tuottajista. Samalla tuntemus erilaisten palamisprosessien ja polttoaineiden merkityksestä hiukkasten ominaisuuksiin ja hiukkaserotuslaitteistojen toimintaan on puutteellista. Raskasmetallit elohopeaa ja mahdollisesti seleeniä lukuun ottamatta ovat pääosin hiukkasissa hiukkaserotuslaitteistojen toimintalämpötilassa. Hiukkasten muodostuminen ja raskasmetallien käyttäytyminen kiinteiden polttoaineiden poltossa tunnetaan hyvin. Tyypillisesti palamisessa syntyy kahdenlaisia hiukkasia. Pienhiukkaset, halkaisijaltaan noin 0.1 1 µm, muodostuvat polton aikana höyrystyvistä aineista ja suuremmat yli 1 µm hiukkaset ovat peräisin palamattomasta polttoaineesta ja sen epäorgaanisesta mineraaliaineksesta. Leijupetipoltossa kolmannen hiukkastyypin muodostaa murskautunut petimateriaali. Hiukkastyyppien suhteelliset osuudet riippuvat polttoaineesta ja polttomenetelmästä sekä olosuhteista palamisessa. Muun muassa korkeampi palamislämpötila lisää pienhiukkasten määrää. Yleensä biomassan poltossa syntyy enemmän pienhiukkasia kuin esimerkiksi hiilen poltossa polttoaineiden tuhkaa muodostavien yhdisteiden erilaisten olomuotojen johdosta. Projektin tavoitteet Projekti oli aihealueeltaan jaettu kolmeen osaprojektiin (1) pienhiukkaspäästöjen määritys leijukerroskattiloille (2) prosessiteollisuuden pienhiukkaspäästöt ja (3) näytteenotto- ja laimennusmetelmien kehitys sekä niiden käyttö soodakattiloiden pienhiukkaspäästöjen määrityksessä. Projektin yleisenä tavoitteena on selvittää eri lähteiden pienhiukkas- ja raskasmetallipäästöt, pienhiukkasten muodostuminen ja niiden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet sekä erilaisten päästöjen vähennystekniikoiden vaikutukset. Erityisesti tutkittiin pienhiukkaspäästöjen muodostumiseen vaikuttavien tekijöiden, polttoaineen, prosessin ja suodattimien, vaikutusta. Pienhiukkaspäästöjen määritys leijukerroskattiloille osaprojektissa tavoitteena oli selvittää ja tuottaa julkista mittaustietoa pienhiukkas- ja raskasmetallipäästöistä kupliva- ja kiertoleijukerrospoltossa eri polttoaineyhdistelmillä, mistä tietoa aikaisemmin on ollut vähän. Tämä palvelee sekä pienhiukkasten päästökertoimien arvioinnissa (tärkeää lainsäädäntöä ja mallinnusta varten) että kattila- ja erotinlaitevalmistajia mahdollisien raja-arvojen täyttämisessä. Prosessiteollisuuden pienhiukkaspäästöt osaprojektin tavoitteena oli selvittää metalliteollisuuden tehdasalueen pienhiukkaspäästöjen lähteet ja määrät. Saadun tiedon perusteella voidaan jatkossa tarvittaessa vaikuttaa tehdasalueen pienhiukkasten kokonaispäästöihin sekä alueen ilmanlaatuun kehittämällä metallien tuotanto- ja jatkojalostusprosessien hiukkaspäästöjen erotusteknologiaa sekä kehittämällä näitä prosesseja vähemmän hiukkaspäästöjä muodostaviksi. Kolmannessa osaprojektissa, näytteenotto- ja laimennusmenetelmien kehitys sekä niiden käyttö soodakattiloiden pienhiukkaspäästöjen määrityksessä, selvitettiin ensin EPA:n (USA:n ympäristönsuojeluvirasto) käyttämiin hiukkaspäästöjen mittausmenetelmiin liittyvät virhelähteet ja epävarmuudet. Mittaustavalla on suuri vaikutus hiukkasten määrään, kuten esim. mitataanko myös höyrymäiset aineet hiukkasina vai kaasuina. Osaprojektissa kehitettiin hiukkaspäästöjen hallitulle mittaamiselle menetelmä, jolla voidaan erottaa eri lämpötiloissa olevien hiukkasten ja höyryjen määrät. Myöhemmin tällä menetelmällä tehtiin mittauksia soodakattilasta ja verrataan sitä EPA:n menetelmien antamiin tuloksiin. Tällä tavoin voidaan myös vaikuttaa kattilan hiukkaspäästöihin, esim. eliminoimalla tiettyjen höyrymäisten komponenttien lähteet. Asialla on suuri merkitys Suomen vientiteollisuudelle, koska USA:ssa uudet määräykset mm. PM10-päästöille tulee hallita. 11

Projektin toteutus Pienhiukkasmittauksia tehtiin kolmessa leijukerrostekniikkaan perustuvassa voimalaitoksessa, joissa polttoaineena käytettiin biomassaa sekä terästehtaan sintraamolla ja kahdella mustalipeää polttavalla soodakattilalla. Leijukerros- ja soodakattiloilla mittaukset tehtiin samanaikaisesti ennen hiukkaserotuslaitteistoja ja niiden jälkeen erotustehokkuuksien selvittämiseksi. Laitos 1 oli teholtaan 60 MW:n BFB, ja polttoaineina oli kaksi seosta. Seoksessa A oli polttoainetehosta 30 % turvetta ja 70 % sahanpurua. Seos B koostui noin 12 % yhdyskuntajätettä, 18 % turvetta ja 70 % sahanpurua. Laitoksen 2, 200 MW CFB, polttoaineena käytettiin kuorta ja lietettä sekä laitoksessa 3, 90 MW BFB, kuorta, turvetta ja lietettä. Soodakattiloissa, Laitokset 4 ja 5 poltettiin mustalipeää. Laitoksella 3 oli käytössä letkusuodatin ja laitoksilla 1, 2, 4 ja 5 sähkösuodatin. Pienhiukkasten massapitoisuus ja massakokojakauma mitattiin BLPI:llä (Bernerin alipaineimpaktori). Massapitoisuutta seurattiin myös jatkuvatoimisella massamonitorilla TEOM:lla. Lukumäärä pitoisuus ja lukumääräkokojakauma mitattiin ELPI:llä (jatkuvatoimisella sähköisellä alipaineimpaktorilla). BLPI:llä kerätyt hiukkaset analysoitiin ICP-MS, induktiivisesti kytketty plasma massaspektrometri, ja IC, ionikromatografia, analyyseillä raskasmetallien ja muiden yleisimpien aineiden pitoisuuksien määrittämiseksi. Polttoaineet analysoitiin joko XRF:llä, röntgenfluoresenssi, tai ICP-MS:llä ja IC:llä. Projektin tulokset Hiukkaserotuslaitteistojen erotustehokkuus hiukkasten kokonaismassasta oli 98 99,9 %. Pienhiukkasten, halkaisijaltaan 0.1 µm 1 µm, kohdalla sähkösuodatinten erotustehokkuus on pienempi, 90 % ja 99 % välillä. Letkusuodattimen pienhiukkaserotustehokkuus on parempi, yli 99 %. Kuvassa 1 on esitetty hiukkaserotuslaitteistojen läpäisy hiukkaskoon funktiona tässä projektissa mitatuilla laitoksilla (1 5) sekä lisäksi kolmessa hiili- ja yhdessä biomassavoimalassa (A, B ja C). Kuva 1. Hiukkaserotuslaitteistojen läpäisy hiukkaskoon funktiona laitoksilla 1, 2, 3, 4 ja 5 sekä lisäksi kolmessa hiili- ja yhdessä biomassavoimalassa. Laitoksissa 3 ja C on letku- ja muissa sähkösuodatin. 12