Biomassan pienpolton mallintaminen ja säätö ilmapäästöjen vähentämiseksi EnePro-konferenssi, Oulun yliopisto 3.6.2009 Mika.Ruusunen@oulu.fi
Biomassan pienpoltto? Polttoaine Puu: Hake, klapit, halot, briketit, pelletit, synteesikaasu Muut: Vilja, olki, bioöljyt ja kaasu, eläinten raadot, Pieni mittakaava, lämpöteho alle 500 kw 300 kw, puuhake (Stokeri ja Stokeri 2 -projekti, Tekes - Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö 2002-2006) 20 kw, puupelletti (ERA-NET Bioenergy, COPECOM-projekti)
Pienpolton ympäristövaikutuksia Merkittävä osuus Suomen kokonaisilmapäästöistä Hiilivedyt ~25% Pienhiukkaset 40-50% Karsinogeenisia haihtuvia yhdisteitä Paikallisesti vaikutus hengitysilmaan Pienhiukkasilla yhteys sydän-, verisuonitauti-, hengitystiekuolleisuuteen ja keuhkosyöpään
Ilmapäästöjen vähentämiskeinoja pienpoltossa Prosessikehitys Polttoaine Säätö ja automaatio Suodattimet ja katalysaattorit Lainsäädäntö
Pienpolton säädön kehittäminen Vastataan Tuleviin päästörajoihin Suuriin kuorma-, polttoaine- ja tehovaihteluihin Palamisen hallinnan kustannustehokkuuteen Tavoitteet Vuosihäviöiden ja -päästöjen jatkuva valvonta ja minimointi anturit ja instrumentointi polton valvonta-, optimointi- ja säätömenetelmät Ylläpito- ja huoltokustannusten alentaminen poikkeustilanteiden havainnointi- ja hallintamenetelmät kunnonvalvonta
Malleihin perustuva säätö palamisyötysuhde polttoainekosteus CO 2 teho Lämpötilojen mittaus mallinnus säätö 50-1100 C Polttoainepatja Polttoaineen syöttö Arina 200-500 C Tulipesä Edullisuus Mukautuvuus, vanhat ja uudet polttolaitteet
310 300 290 280 270 260 250 240 230 0 200 400 600 800 1000 1200 220 11 10 9 8 7 6 5 4 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 3 0 200 400 600 800 1000 1200 0-0.005 Measured and simulated model output -0.01 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Time Pienpolton simulointi Perustuu kokeelliseen mallinnukseen Vähäpäästöinen säätötapojen testausmenetelmä Polttoaineen syöttö 1 In1 Subsystem 1 Out1 kw hyöty simuloitu mitattu Polttoaineen kosteus Subsystem7 Subsystem1 Simulointi- Subsystem2 malli Subsystem5 2 Out2 O 2 Polttoilma Arinaliike 2 In2 3 In3 Subsystem3 Subsystem4 Subsystem6 3 Out3 CO
Päästöjen minimointi Palamishyötysuhde (tehotaso 30-100%, pa-kosteus 9-40%) Palamishyötysuhde, % Konvektiohyötysuhde Lämpötilaero
Säädön vaikutuksia 300 kw lämminvesikattila stokerisyötöllä, puuhake 0.12 Testien CO (@ 13% O 2 ) -pitoisuuksien keskiarvot (%) ja keskihajonnat, tehotaso 90% - 270 kw 91.5 Kokonaishyötysuhteet (%) Perussäätö Uusi säätöstrategia 0.1 - Hakkeen kosteus: 33% 39% 34% 40% 91 90.5 0.08 90 89.5 0.06 89 88.5 0.04 88 87.5 0.02 87 86.5 0 Ohjaus Ohjaus, prosessikeh. Perussäätö Uusi säätömenetelmä 86 200 kw 270 kw 200 kw 270 kw
Vuosihyötysuhteen kohottaminen 2%-yks. Laskenta-arvot: 300 kw nimellisteho ja huipunkäyttöaika 2500h, puuhake Polttoaineen säästö, 2kg puuhaketta/h 5000kg/v (~17m 3 ) tai lisää hyötyenergiaa 7kWh/h 17.5MWh/v Toteutumattomat hiilidioksidipäästöt 1.4kg/h CO 2 3500kg/v Rahan säästö, polttoaine 8.4 euro cent/h 210EUR/v (vastaa: CO 2 -päästöt, 3 henkilöä, lento Oulu - Seoul - Oulu)
Yhteenveto Biomassan pienpoltto Pieni mittakaava, hajautettu Vaihtelevat olosuhteet: polttoaine, prosessiympäristö Merkittävä ilmapäästöjen osatekijä Keinoja on monia, yhtenä palamisen säätö yhteistyö Kustannustehokkaalla säädöllä päästöjen ja häviöiden ennaltaehkäisyyn
Kirjallisuutta Ruusunen M. & Leiviskä K.: Fuzzy Modelling of Carbon Dioxide in a Burning Process. Control Engineering Practice, Vol 12/5, pp. 607-614, 2004. Ruusunen M. & Leiviskä K.: Fuzzy, Adaptive Modelling of a Burning Process. Proceedings of eunite 2001, European Symposium on Intelligent Technologies, Hybrid Systems and their implementation on Smart Adaptive Systems, Puerto de la Cruz, Tenerife, Spain, December 13-14, 2001. Ruusunen M., Isokangas A. & Leiviskä K.: Model Selection in Large-Scale Databases. Proceedings of the ALSIS' 06, 1st IFAC Workshop on Applications of Large Scale Industrial Systems, Helsinki/Stockholm, 30-31 August, 2006. Ruusunen M.: Real-time Moisture Content Monitoring of Solid Biomass in Grate Combustion. Proceedings of the 17th World Congress of the International Federation of Automatic Control (IFAC), Seoul, South-Korea, July 6-11, 2008. Ruusunen M.: Model-Based Method for Combustion Power Stabilisation in Grate-Fired Boilers. PP&PSC 2009, IFAC Symposium on Power Plants and Power Systems Control, Tampere, Finland, July 5-8, 2009. Accepted. Korpela T., Ruusunen M., Björkqvist T. & Lautala P.: Control structures of a multivariable process applied to small scale biomass combustion. Automaatio 09, seminar days, March 17-18, 2009, Helsinki, Finland. Ruusunen, M., Monitoring of Small-Scale Biomass Combustion Processes, Department of Process and Environmental Engineering, Control Engineering Laboratory, Report Series A 29. March 2006. 28 p. ISBN 951-42-8027-X. Ruusunen M., Pietilä, K., Oravainen H. & Leiviskä K.: Stokeripolttimen kehittynyt säätöjärjestelmä, vaihe 2 - PUUT55. In: Alakangas E. (Ed.). Puupolttoaineiden pientuotannon ja -käytön panostusalue, Annual report 2007. Ruusunen M.: Effect Of Automatic Control Technologies on Emission Reduction in Small-scale Combustion, In: (Eds. Hytönen Kati & Jokiniemi Jorma) Reduction of fine particle emissions from residential wood combustion - final report, Workshop in Kuopio on May 22-23, 2006. University of Kuopio, Report Series 3/2007. 77 p. ISSN 0786-4728. Korpela T, Ruusunen M, Zethraeus B.: Final report of the project Control potential of different operating methods in small-scale wood pellet combustion (COPECOM). To be published in www.eranetbioenergy.net website, July 2009.
Kiitos!