Puun polton pienhiukkaset ja päästöjen vähentäminen Dos. Jarkko Tissari Fine particle and aerosol technology laboratory (FINE) Department of Environmental and Biological Sciences Puulämmityspäivä, Helsinki 8.2.2017
Mitkä tekijät vaikuttavat päästöihin Vaikutukset laajalla alueella Climate effects Real effects Health effects Considered effects Vaikutukset lähellä Exposure Dose Particle properties Evaluation Dilution to outdoor air Drifting Transformation Measured emission Complete combustion: NO,SO, ash particles x 2 Measurement Measurement techniques and devices Particle properties: Mass, number, size, morphology, chemical composition (Papers I-IV) Emissions Incomplete combustion: CO, OGC, soot, organic particles (Papers I-IV) Sampling and dilution ( Paper III) Fuel Physical properties (size, moisture, heating value, wood species) Chemical properties (ash composition) (Paper IV) Combustion conditions Combustion temperature, amount of air supply, air and combustion gas mixing ( Papers I-IV) Operational conditions weather conditions, ventilation, draught conditions Operational practices batch size, log size, kindling practice ( Paper I, II) Combustion appliance appliance type, operational principle, combustion technique,regulation devices, batch/continuous burning ( Paper I, III) 6.2.2017 4
Puun polton pienhiukkaset Pitoisuus Lukumäärä, massa, pinta-ala, tilavuus-, koostumuspitoisuus Koko Aerodynaaminen koko, stokesin koko, sähköinen liikkuvuuskoko, jokin muu koko Kokojakauma Massa, lukumäärä, kemiallinen koostumus Morfologia, tiheys, pintaominaisuudet Kemiallinen koostumus OC, EC, metallit, alkuaineet, yhdisteet, PAH Polttohiukkaset n. 100 nm 1 mm janalle peräkkäin 10 000 kpl. = 1 cm 3 10 µm hiukkasia mahtuu 1000 1000 1000 = 1 mrd kpl Polttohiukkasia on tyypillisesti 10-100 miljoonaa (suurempi määrä aiheuttaa törmäilyä, jolloin koko kasvaa ja lukumäärä voi pienentyä). 6
Puun polttaminen Yksinkertaistettuna Palavien aineiden kaasuttamista Kaasujen (CO, CxHy) polttamista (hapettamista) Hiillosvaiheessa hiilen polttamista 7
Hiukkasten muodostuminen 1. TUHKA Puun kaasuuntuessa myös osa palamattomista tuhka-aineista höyrystyy (muuttuu kaasumaiseen muotoon) ja tiivistyy lämpötilan laskiessa hyvin pieniksi hiukkasiksi! Tuhkahiukkasia muodostuu myös täydellisissä palamisolosuhteissa! Esim. Pelletinpoltto 8
1. TUHKA 200 nm Leskinen et al., 2014 20 nm 9
ZnO todettu haitalliseksi KCl, K2SO4 ei todennäköisesti haitallista Sinkkipitoisuus hiukkasissa Sinkkipitoisuus polttoaineessa Tiina Torvelan väitöskirja, 2/2015 10
2. NOKI Tissari et al., 2008 50 nm - 1000 nm agglomeraatteja Syntyvät liekissä Palavat liekin ulkovyöhykkeellä Olosuhteet vaikuttavat hiukkasten ominaisuuksiin. Torvela et al., 2014 11
Tuhka ja nokimoodi kokojakaumassa 1,4E+08 1,2E+08 1,0E+08 8,0E+07 6,0E+07 4,0E+07 Pienhiukkaset 2,0E+07 0,0E+00 0,01 0,1 1 2,5 12
3. Orgaaninen aines Tiivistyy tuhkan ja noen pinnalle. Tissari et al., 2008 Torvela et al., 2014 25.4.2015 Helsinki Puun pienpolton hiukkaspäästöt, Jarkko Tissari 13
Tyypillisiä PM 1 päästökertoimia 3.0-10 g/kg 1.0-3.0 g/kg 0.1-0.3 g/kg 0.5-1.0 g/kg Tissari, J. Väitöskirja 2008 Tärkein tekijä kuitenkin palamisolosuhteet! 14
Vertailua muihin polttolähteisiin: PM 100 Fine particle mass emission (mg/mj fuel ) 80 60 40 20 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Marine engine - Distillate oil Marine engine - Heavy fuel oil Passenger car - Diesel EURO5 small-scale light oil boiler Wood-fired district heating plant Small-scale pellet boiler Wood log stove - modern Wood log stove - traditional Sippula et al., 2009, Atmospheric Environment Lamberg et al., 2011, Atmospheric Environment Kaivosoja et al., 2013, Atmospheric Environment VTT, lipasto.vtt.fi
Vaikutus ulkoilmapitoisuuksiin Lisäys taajama-alueilla 1 µg/m 3 (vuosikeskiarvo) Helsingin alueella talviaikaan 30-40 % ilmassa olevista hiukkasista on peräisin puun pienpoltosta (Saarnio ym., 2012). Puunpolttoalueilla pitoisuudet korkeammat kuin Mannerheimintiellä tai muilla vastaavilla alueilla. Lähde: NIKO KARVOSENOJA SYKE 17
Suurin väestöaltistus aiheutuu takkojen ja kiukaiden päästöistä taajama-alueilla NIKO KARVOSENOJA SYKE Puun pienpolton hiukkaspäästöt, Jarkko Tissari 25.4.2015 Helsinki 18
Hyvien palamisolosuhteiden edellytykset klapin poltossa Polttoa säätelevä automatiikka, savukaasupuhallin Suuri polttoainesäiliö -> jatkuva poltto Primääri-ilma kaasuttaa Tuhkan poisto Toisioilma palotilaan, joka eristetty -> korkea lämpötila Savukaasun ja palamisilman sekoitus - geometria Tehokas lämmönvaihto (ruuvit) Lämmönvaihtoputkien automaattinen nuohous Hyviä, tehokkaita kattiloita löytyy. 19
Mitä tehtävissä? Polttolaite: uuden teknologian laitteisiin investoiminen kannattaa, erityisesti puukattiloiden osalta. Vanhaa teknologiaa myynnissä edelleen Hiukkaspäästöt, erityisesti noki ongelma tulisijoissa -> kehitystyötä tarvitaan Tulisijojen automatisointi? Palamisen hyvyyden indikaattorit (vs. käyttö) 20
PM päästöissä ei välttämättä merkittäviä eroja, mutta mm. PPAH-päästöissä eri polttotilanteissa: Vastaavat palamisolosuhteet: 10-kertainen ero PPAHeissa PPAH ehkä yksi parhaista polton laadun (ja hiukkasten toksisuuden) indikaattoreista C M O O N D V E E R N 21 N T
Putsarit: katalysaattori kiukaassa, koko poltto (Hukkanen et al., 2011) PM1-30% CO -20 % OGC -14 % CO hiillos -80 % Putsarit: Sähkösuodattimet, katalysaattorit, filtterit, kondensoivat lämmönvaihtimet Vähän puuta käyttäville kallis. Ei riittävän toimiva/tehokas? Kattiloihin? Kun saadaan toimivia ratkaisuja -> OK 22
Käyttötapa? Kituutetaan pienellä teholla isoilla klapeilla vs. poltetaan nopeasti varataan lämpö tehokkaasti. Poltetaan pitkään ( esim. 10 pientä panosta), vs. poltetaan yksi iso panos. Pieniä panoksia vs. pesä täyteen. Ladotaan tiiviisti vs. ladotaan harvasti. Pienet klapit yksi iso klapi Jne. Sähköviesti 3/2014 23
Mitä tehtävissä? Käyttötapa: tehokkain keino vähentää päästöjä lyhyellä aikavälillä. Tiedotuskampanjat Kayttötapa OK????? mtv3 24
50 g lisäys hiilloksen päälle: puutikku vs. leikkelerasia Hiukkaspitoisuus (mg/m 3 ) 250 200 150 100 50 Hiukkaspitoisuus (mg/m 3 ) LISÄYS LISÄYS 250 Muovi 200 Puu Puu 150 100 50 0 0.00 0.02 0.05 0.08 0.11 0.14 0.17 0.20 0.23 Aika (min) 0 0.00 0.02 0.05 0.08 0.11 0.14 0.17 0.20 0.23 Aika (min) 6.2.2017 25
1. Panoksen polttaminen, puun seassa pahvia 1000 Hiukkasten massapitoisuus (mg/m 3 ) 750 500 250 Puhdas puu Puun seassa pahvia 0 0,01 0,1 1 10 Hiukkas koko (µm) 6.2.2017 27
Yhteenveto Puun pienpoltolla merkittäviä vaikutuksia ilmastoon ja terveyteen, myös Suomessa. Polttolaite: uuden teknologian laitteisiin investoiminen kannattaa, erityisesti puukattiloiden osalta. Vanhaa teknologiaa myynnissä edelleen Hiukkaspäästöt, erityisesti noki ongelma tulisijoissa -> kehitystyötä tarvitaan Polttoaine: kuivan polttoaineen käyttö, metallit polttoaineissa? Käyttötapa: tehokkain keino vähentää päästöjä lyhyellä aikavälillä. Kaikki tulisijat/olosuhteet erilaisia, tarkkoja yleisohjeita vaikea antaa Päästöjen vähentäminen haastavaa sekä teknisesti että lainsäädännöllisesti! Taajama-alueille & toissijaiseen lämmitykseen + kiukaiden päästöihin pitäisi kiinnittää erityinen huomio. 28
KIITOS! Pienpolttosimulaattori: Yksikkö tulisijojen päästöjen ja talotekniikan yhteistoiminnan kehittämiseen Pilotointeihin Koulutukseen Tutkimukseen Tuotekehitykseen Testaukseen Pienpolttosimulaattorihanke NABCEA-hanke