Biopolttoaineiden standardit Näytteenotto ja näytteen esikäsittely Biopolttoainemarkkinat ja standardit - seminaari 23. 3. 2010, VTT Vuorimiehentie 5 Auditorio, Espoo Antero Moilanen, VTT
2 Johdanto CEN/TC335 WG3 työryhmä käsittelee biopolttoaineiden näytteenottoa ja näytteiden esikäsittelyä Teknisten spesifikaatioiden TS muuttaminen varsinaisiksi EN standardeiksi Dokumentit (helmikuu 2010): pren 14778:2010.9 Solid biofuels Sampling Näytteenotto pren 14780:2010.9 Solid biofuels Sample preparation Näytteen esikäsittely
3 Aikataulu 2010-11 Tällä hetkellä menossa 6 viikon kommentointikierros, kommentit työryhmän sihteerille 30.04.2010 mennessä Toukokuussa 2010 kommenttien käsittelykokous Kesäkuussa 2010 äänestyskierros Toukokuussa 2011 julkaiseminen
4 Näytteenottostandardi EN 14778 ja sen sovellusala Näytteenottosuunnitelmat, näytteenotto ja näytteenottotodistus Näytteenottopaikkoja voivat olla esimerkiksi kasvupaikka, tuotantopaikka, toimituserät kuten rekkakuormat, varastot jne. Näytteenotto voi tapahtua käsin tai koneellisesti Soveltuu biopolttoaineidelle, jotka ovat hienojakoisia ja raekooltaan säännöllisiä (alle 10 mm) kuten pelletit, sahajauhot jne karkearakeisia tai epäsäännöllistä palakokoa olevia (alle 200 mm) kuten metsätähteet, kuoret, oljet jne. isoista kappaleista koostuvia (yli 200 mm) paalattuja (oljet) runkopuita puhtaasti kasviperäistä jätettä kuten sellun tai paperin tuotannon kuitujätettä, josta vettä poistettu myös muut Näytteet otetaan kosteuden, tuhkan, lämpöarvon, tilavuuspainon, pellettien kestävyyden, raekokojakauman, tuhkan sulamisominaisuuksien jne määrittämikseksi Näytteenottostandardin ulkopuolella on erittäin suurten näytteiden ottaminen, jota tarvitaan esim. holvaantumisominaisuuden määrityksessä.
5 Näytteiden esikäsittelystandardin EN 14780 sovellusala Näytteiden kuten yksittäisnäytteiden tai kokoomanäytteiden koon sekä raekoon pienentäminen (laboratorio)näytteiksi, joista määritykset tehdään
6 sample quantity of material, representative of a larger quantity for which the quality is to be determined näyte polttoaineen määrä, joka edustaa suurempaa massaa, jonka laatu on tarkoitus määrittää
7 Muutokset aikaisempiin versioihin Tarkkuuden (presisio) määrittäminen Pohjana: Standardi ISO 18283 Hard coal and coke Manual sampling 2006-09-15 Bionorm projektit: http://www.bionorm2.eu/background.htm
8 Yksittäisnäytteiden lukumäärä Lukumäärä määräytyy halutusta tarkkuudesta (presisiosta) Riippuu biopolttoaineen laadusta ja tyypistä (esim. eri komponentteja tai palakokojakauma) Enintään 2500 tonnin erä voidaan kohdistaa näytteenottoon jonka tuloksena on yksi näyte. Tai se voidaan jakaa osiin (sublot), joista kustakin on tuloksena yksi näyte. Jakamistarve riippuu tarkkuusvaatimuksesta Käytetään huonoimman tapauksen periaatetta
9 Näytteenottokaavio Näytteenottosuunnitelma Toimituserän jakaminen osiin (sublot) Visuaalinen tarkastelu Yksittäisnäytteiden lukumäärän laskeminen joko toimituserästä tai sen osasta Yksittäisnäytteen koon laskeminen Määrityksissä/analyyseissä tarvittavan näytemäärän (tilavuus/massa) laskeminen Näytteenottotapa Laboratorionäytteen valmistaminen Näytteen lähettäminen analyyseihin ja/tai varastoitavaksi
10 Toimituserän jakaminen osiin (sublot) - 1 Toimituserän koon yläraja on 2500 tonnia, jolloin se toimii kokonaisena näytteenoton kohteena. Jos määrä on suurempi, sen jaetaan osiin (sublot), joiden koon yläraja on 2500 tonnia Esimerkiksi: Laivalasti Tiettynä aikana toimitettu polttoainemäärä Osiin jakaminen määräytyy halutusta näytteenoton tarkkuudesta (presisio)
11 Toimituserän jakaminen osiin (sublot)- 2 Jaetaan osiin, jos pitää välttää kosteushäviöitä, lämpöarvon muuttumista varastoinnin tai biologisen aktiivisuuden vuoksi tai muuta systemaattista virhettä Sopivankokoisen näytteen saamiseksi ( jaksaa kantaa ) Eri tyyppiä olevat biopolttoaineet, esim. hake, kuori
12 Toimituserän jakaminen osiin (sublot)- 3 ESIMERKKI Voimalaitokselle tulee kuukaudessa 140 rekkakuormaa haketta, joka on kokonaismäärältään 3500 tonnin toimituserä Tämä toimituserä voidaan jakaa esimerkiksi 4 osaan eli viikossa toimitettavaan määrään; 35 rekkaa eli 875 tonnia.
13 Erän visuaalinen tarkastelu Näytteenottosuunnitelman osa Biopolttoainetyyppin toteaminen Näytteenottomenetelmän tai tavan valinta Epäuhtauksien (maa-aineksen, metallin palojen jne) havainnointi Mainitaan näytteenottotodistuksessa Poikkeamista ilmoitetaan toimittajalle
14 Yksittäisnäytteen koon laskeminen Vähimmäistilavuus (Vol. incr litraa) määräytyy raekoon perusteella: 0,5, kun d 95 < 10 mm 0,05 * d 95, kun d 95 10 mm d 95 = nominal top size, raekoon suurin nimellishalkaisija seulaanalyysin perusteella, ts.seulakoko, jonka vähintään 95% materiaalista läpäisee
15 Näytteenottovälineitä kuvat standardissa
16 Näytteenoton esikäsittelystandardi EN 14780 Näytekoon pienentäminen analyysinäytteeksi Kaksi perusmenetelmää 1) näytteen jakaminen, jakolaitteet 2) näytteen raekoon pienentäminen, murskaus ja jauhaminen Kosteuden ja hienoaineksen häviämistä on vältettävä
17 Näytekoon pienentäminen Jakolaitteita kuvat standardissa
18 Näytekoon pienentäminen Jakaminen käsin Strip mixing Neliöinti - ei kovin suositeltava kuvat standardissa
19 Näytekoon pienentäminen Raekoon ja massan välinen yhteys Raekoko d, mm *) 100 63 50 45 40 30 10 5 1 0.25 Minimi massa, g 15000 4000 2000 1500 1000 500 150 100 50 10 Massa noudattaa raekoon kolmannen potenssin lakia m d 3 * ) 95% seulan läpi
20 Näytteenoton tarkkuus (presisio) Tarkkuus on toistettujen mittausten keskihajonta Näytteenottotavasta ja biopolttoainetyypistä riippuva Määritettävä erillisellä tutkimuksella Kokonaistarkkuus näytteenotto, näytteen esikäsittely ja määritys.
21 Toimituserästä tai sen osasta otettavien yksittäisnäytteiden lukumäärä n = yksittäisnäytteiden pienin lukumäärä P L = haluttu kokonaistarkkuus sisältäen näytteenoton, esikäsittelyn ja määrityksen (analyysin) 95% tilastollisella luottamustasolla V I primäärinen yksittäisnäytteiden välinen varianssi N = toimituserän osien (sublot) lukumäärä V PT = esikäsittelyn ja määrityksen varianssi Otetaan kuitenkin vähintään 10 inkrementtiä valitusta toimituserästä tai sen valitusta osasta
22 Primäärinen yksittäisnäytteiden välinen varianssi V I - 1 Tärkein näytteenoton tarkkuuteen vaikuttava muuttuja Tutkitaan näytteenottotavan, -menetelmän, -käytännön mukaan Otetaan toimituserästä tai useista eristä halutulla jaksolla vähintään 30 yksittäisnäytettä ja kustakin yksittäisnäytteestä analysoidaan haluttu ominaisuus, esim. kosteus, tuhka Tuhkamäärityksen perusteella saavutettu tarkkuus, riittää myös muille ominaisuuksille Bionorm-projektissa esitetty esimerkkejä, joita on standardin liitteinä
23 Primäärinen yksittäisnäytteiden välinen varianssi V I määrittäminen kokeellisesti n = yksittäisnäytteiden lukumäärä x i = analysoitu suure V PT = esikäsittelyn ja määrityksen varianssi ISO 18283 Hard coal and coke Manual sampling 2006-09-15
24 Varianssit voidaan ottaa Bionorm projektista Esimerkki 1 Biopolttoaine Ominaisuus Tarkkuus P L Yksittäisnäyte varianssi V I Esikäsittelyn ja analyysin varianssi V PT Lehtipuupelletti Kokonaiskosteus Tuhka 0.20 % (m/m) 0.20 % (m/m) 0.025 % 2 (m/m) 0.008 % 2 (m/m) 0.014 % 2 (m/m) 0.0071 % 2 (m/m) Mekaaninen kestävyys 0.20 % (m/m) 0.005 % 2 (m/m) 0.0016 % 2 (m/m) Kokonaiskosteus 1.00 % (m/m) 12.5 % 2 (m/m) 0.059 % 2 (m/m) Puuhake Tuhka 0.10 % (m/m) 0.05 % 2 (m/m) 0.0004 % 2 (m/m) Raekokojakauma 2 % (m/m) 25.4 % 2 (m/m) 0.86 % 2 (m/m)
25 Varianssit voidaan ottaa Bionorm projektista Esimerkki 2 Biopolttoaine Ominaisuus Tarkkuus P L Yksittäisnäyte varianssi V I Esikäsittelyn ja analyysin varianssi V PT Kuori Kokonaiskosteus Tuhka 1.00 % (m/m) 0.15 % (m/m) 8.00 % 2 (m/m) 0.019 % 2 (m/m) 0.68 % 2 (m/m) 0.015 % 2 (m/m) Lämpöarvo 0.100 % (m/m) 0.081 MJ/kg 2 0.0042 MJ/kg 2 Kokonaiskosteus 1.50 % (m/m) 10 % 2 (m/m) 0.73 % 2 (m/m) Havupuun hakkuutähde Tuhka 1 % (m/m) 1.15 % 2 (m/m) 0.37 % 2 (m/m) Raekokojakauma 5 % (m/m) 54 % 2 (m/m) 25.6 % 2 (m/m)
26 Esikäsittelyn ja määrityksen varianssi V PT määrittäminen kokeellisesti Jaetaan näyte ja määritetään rinnakkaisten ominaisuus d i yksittäisten näyteparien ero n p parien lukumäärä ISO 18283 Hard coal and coke Manual sampling 2006-09-15
27 Suomesta kerätty data Suomalaisilta voimalaitoksilta kerättiin mittausdataa toimitetuista polttoaine-eristä. Yleensä otettiin kustakin rekasta kuusi yksittäisnäytettä, jotka koottiin päivänäytteiksi. Näistä tehtiin analyysit Aineistossa ei ole tietoa yksittäisnäytteiden välisestä hajonnasta, varianssista V I, joten tarkkuudesta ei saatu tietoa
28 %, ar 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Polttoainelaji -toimittaja Suomesta kerätty data Polttoainetyyppi- ja -toimittajakohtainen kosteus ja sen vaihtelu 3 3 3 4 5 5 5 5 5 5 5 7 8 8 8 8 8 10 10 10 12 37 37 61 61 61 FRC Peat 1 i Peat 2 i W.chips c g q q d e f i p u v c i j p u v a b k h q s e f l FV DK
29 Yhteenveto Biopolttoaineiden näytteenoton pohjana on toiminut kivihiilen näytteenoton standardi ISO 18283 Hard coal and coke Manual sampling 2006-09-15 Biomassapolttoaineita on kuitenkin useita tyyppejä (metsähake, sahanpuru, kantohake, sekoitukset jne) Näytteenoton tarkkuus (presisio) pitäisi mitata erikseen kullekin tyypille käytössä olevalle näytteenottokäytännössä Nykyisin käytössä oleva 6 (2+4) yksittäisnäytteen ottamisesta aiheutuvaa tarkkuutta ei tunneta - lienee riittävä, liiankin tarkka? - Vaihtelu samassa polttoainetyypissä suurta riippuen toimittajasta, vuodenajasta ym. - Standardissa esitettyjen laskentamenetelmien käyttäminen erityyppisille biopolttoaineille!