TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-6473-12 Indeksilukujen soveltaminen likaantumisen ja korroosion alun ennustamiseen puu/turve-seoksilla Osa 2: Laskuja eri turvelaaduilla Kirjoittajat: Luottamuksellisuus: Martti Aho Julkinen
3 (15) Alkusanat Tutkimusraportti on Metsäpolttoaineiden käytettävyyden parantaminen - Biovarma projektin osaraportti. Projektin päätavoitteena on lisätä metsäpolttoaineiden käyttöä energian tuotannossa. Tämä saadaan aikaan parantamalla metsäpolttoaineiden laatua, laadunhallintaa ja toimituslogistiikkaa, parantamalla metsäpolttoaineiden käytettävyyttä lämpö- ja voimalaitoksissa ja osuutta polttoaineseoksissa sekä alentamalla tuotanto- ja käyttöketjun kustannuksia. Projekti toteutetaan Keski-Suomen Bioenergiasta elinvoimaa klusteriohjelmassa vuosina 211-213. Projektia rahoittavat Keski-Suomen liitto EAKRrahoituksella, Vapo Oy, Protacon Oy, Metsähallitus ja VTT. Tässä osaraportissa (Osa 2) tarkastellaan polttoaineen koostumuksista laskettujen moolisuhteiden S/Cl ja (2S+Al)/Cl arvoja seoksille, joissa on puubiomassaa turpeen tai kivihiilen kanssa. Turpeiden rikkipitoisuuksissa oli selvät erot ja kivihiili sisälsi paljon alumiinisilikaatteja. Tavoitteena oli määrittää laskennallisesti suurimmat turvalliset puun energiaosuudet seoksissa vuosina 1999-21 saatuun kokeelliseen tietoon ja moolisuhteisiin tukeutuen. Turvallinen tarkoittaa seossuhdealuetta, jossa tulistimien likaantumisnopeus ei juuri kasva puupolttoaineen osuuden noustessa, eikä tulistimien korroosioriskiä ole. Projektin ohjausryhmään kuuluvat Jaakko Lehtovaara (pj., Vapo Oy), Jari Kymäläinen (Vapo Oy), Heikki Hämäläinen (Protacon Oy), Paavo Soikkeli (Metsähallitus) ja Jyrki Raitila (VTT). Päärahoittajan yhdyshenkilönä on toiminut ohjelmapäällikkö Pirjo Peräaho Keski- Suomen liitosta. Ohjausryhmän sihteerinä on toiminut projektin päällikkö Ari Erkkilä (VTT). Osaraportin on laatinut johtava tutkija Martti Aho VTT:stä. Jyväskylä 5.1.212
4 (15) Sisällysluettelo Alkusanat... 3 1 Tehtävän kuvaus ja tavoitteet... 5 2 Tausta... 5 3 Menetelmät... 6 3.1 Indeksilukujen laskentaan käytetyt polttoaineet... 6 4 Tulokset... 7 4.1 Indeksi S/Cl... 7 4.2 Indeksi (2S + Al ) / Cl... 11 5 Johtopäätökset ja yhteenveto... 14 Lähdeviitteet... 15
5 (15) 1 Tehtävän kuvaus ja tavoitteet Projektin tulokset varmistavat sellaisten turvetta ja puuta polttavien voimalaitosten toimivuutta, joilla on tarve nostaa puupolttoaineen energiaosuutta, ja joiden höyryarvot mahdollistavat tulistimien likaantumisen ja kuumakorroosion. Testattiin erilaisia indeksejä kuvaamaan suurinta turvallista puupolttoaineen energiaosuutta turpeen kanssa ilman tulistimien likaantumis- ja korroosioriskiä, kun sekä turpeen että puun koostumus vaihtelee. Indekseille etsittiin riskin alkamista kuvaavat raja-arvot. Ero osaraporttiin n:o 1, jossa laskettiin indeksejä vain yhdellä turpeella, ovat indeksilaskennat kahdella runsasrikkisemmällä turpeella ja yhdellä kivihiilellä, jonka alumiinisisältö oli huomattavan korkea turpeeseen nähden (kuten kivihiilillä yleensä). Tulokset tukevat esim. sellaisen toimintamallin kehittämistä, jossa turpeen alkuperä valitaan sen perusteella, kuinka suurella energiaosuudella puuta on tarkoitus polttaa voimalaitoksella. On tunnettua esim. että turpeen kasvava rikkipitoisuus parantaa sen suojaavaa vaikutusta suhteessa puupolttoaineen palamisessa syntyviin likaaviin ja syövyttäviin yhdisteisiin. Turpeen alumiinisilikaateilla on samankaltainen suojaava vaikutus. Koska projektin rahoitus ei mahdollistanut polttokoetoimintaa, indeksien raja-arvojen määrittämisen pohjana oli käytettävä aiemman tutkimusprojektin tuloksia [3], jossa turpeen ja kuoren sekä turpeen ja metsätähteen seoksia poltettiin kahdella pilot-laitteistolla ja lopuksi täysimittaisessa voimalaitoksessa 2 Tausta Osaraportissa n:o 1 kuvattiin laajasti lähtötilannetta perusteluksi, miksi kyseiseen tutkimukseen ryhdyttiin, sekä myös sitä kokeellisperäistä taustamateriaalia, jonka avulla valittiin raja-arvot polttoaineen koostumuksista lasketuille indekseille S/Cl ja (2S + Al)/ Cl (edelliselle 3 ja jälkimmäiselle 14). Näiden raja-arvojen perusteella määritettiin väliraportissa n:o 1, ja myös tässä väliraportissa turvallisen puupolttoaineen energiasisällön yläraja turpeen ja puun yhteispoltossa. Kuten väliraportissa n:o 1 todettiin, on syytä muistaa, että näin lasketut raja-arvot ovat vain suuntaa antavia, koska turpeen kalsium ja magnesium saattavat heikentää rikin tehoa alkaliklorideihin nähden. Näiden maa-alkalimetallien mahdollista vaikutusta rikin tehoon on erittäin vaikea arvioida tarkasti polttoaineen koostumuksen perusteella ilman polttokokeita, joista toisaalta saisi samalla tietoa alkalikloridien massavirrasta, kloorin kerrostumisesta tulistimille ja ylimäärä rikin ilmestymisestä savukaasuun SO 2 - muodossa [2-5]. Uutena tietona edellisen raportin lähtötilanteeseen tuli uutinen Jyväskylässä sijaitsevaan Keljonlahden voimalaitokseen asennettavasta alkuainerikin syöttölaitteistosta poistamaan tulistimien likaantumis- ja korroosioriskiä suurilla puupolttoaineen osuuksilla puun ja turpeen yhteispoltossa [6]. Jos lähtökohdaksi otetaankin turpeen rikkipitoisuuden avulla toimiminen, alkuainerikin lisääminen tulipesään tulee tarpeettomaksi. Alkuainerikkiä saadaan mm. öljynjalostusteollisuuden sivuvirtana, ja sen myyntihinta on suuruusluokkaa 7 /tonni.
6 (15) 3 Menetelmät 3.1 Indeksilukujen laskentaan käytetyt polttoaineet Taulukkoon 1 on koottu käytettävissä olevien VTT:n näytepankkipolttoaineiden koostumukset sekä pari muuta polttoainetta, jotka ovat loppuneet näytepankista. Keltaisella merkitty luku tarkoittaa arvioitua, ei analysoitua pitoisuutta. Osaa näistä polttoaineista on käytetty indeksilukujen laskentaan, joiden tulokset on esitetty luvussa 4. Taulukko 1. Valittujen polttoaineiden ominaisuuksia puu N:o Puupolttoaine teholl tuhka Cl S MJ/kg p-% 815 p-% p-% 1 Kuusen kuori 19.3 3.3.15.35 2 Männyn kuori 2. 2..5.4 3 Kuusen kuori 18.6 5.2.3.3 4 Kokopuu 18.7 2.2.2.2 5 Metsätähde 2. 1.9.3.5 6 Kuusen kuori 18.9 2..2.2 7 Metsätähde 19.5 2.2.2.3 8 Kuusen kuori 18.7 2.2.2.2 9 Bark W85 18.8 2.5.25.2 Turve N:o Turve 1 21. 4.2.3.16 2 W772 21.4 3.8.35.17 3 W794 18.1 13.9.26 3.16 4 Turve Pihlassuo 22.4 5.1.22.31 5 Turve Valkeasuo 2.2 9.5.3.66 Kivih. N:o Kivihiili 1 Etelä-Afrikka 27.84 16.1.3.59 puu N:o Puupolttoaine Na K Ca Al p-% p-% p-% p-% 1 Kuusen kuori.25.187.95.31 2 Männyn kuori.42.132.587.65 3 Kuusen kuori.13.2.91.24 4 Kokopuu.11.1.8.5 5 Metsätähde.8.183.491.18 6 Kuusen kuori.19.181.78.24 7 Metsätähde.19.188.491.73 8 Kuusen kuori.18.89.783.48 9 Bark W85.16.211.923.32 Turve N:o Turve 1.35.39.418.348 2 W772.17.27.432.24 3 W794.154.114 1.5.464 4 Turve Pihlassuo.14.35.159.636 5 Turve Valkeasuo.15.3.65.5 Kivih. N:o Kivihiili 1 Etelä-Afrikka.12.17 1.15 2.62 Valittujen turpeiden rikkipitoisuudet vaihtelivat välillä,16 3,16 p- % kuivaainetta. Turpeella 2 (rikkipitoisuus,17 %) ei tehty laskelmia, koska se muistuttaa koostumukseltaan suuresti turvetta 1, jota käsiteltiin edellisessä osaraportissa. Turpeen 3 (peräisin Itä-Suomesta) rikkipitoisuus on erittäin korkea, ja on
7 (15) epäiltävissä, ettei vastaavaa turvetta pysty kokoamaan aumoihin suuria määriä. Siksi sen koostumus on annettu vain vertailutietona muihin polttoainenäytteisiin, eikä sillä ole laskettu indeksilukuja. Pääero kivihiilen ja turpeiden välillä on kivihiilen paljon suurempi alumiinisisältö. Turpeiden kalsiumpitoisuuksissa esiintyi suuria vaihteluja (,16 1,5 p- %). Sen sijaan puuperäisessä biomassassa kalsiumia oli aina runsaasti (tuhkamäärään suhteutettuna). Kivihiilessä oli suunnilleen yhtä paljon kalsiumia kuin turvenäytteissä ja puubiomassassa enimmillään. Kuten jo osaraportissa 1 todettiin, männyn kuoressa oli epätavallisen paljon klooria, joka saattoi olla pääosin kuljetusperäistä maantiesuolaa. Tämä suurensi vastaavasti tarvittavaa suojapolttoaineen osuutta muihin puubiomassoihin nähden. 4 Tulokset 4.1 Indeksi S/Cl Moolisuhde S/Cl on yksinkertainen määrittää. Epäkohtina ovat alumiinisilikaattien suojavaikutuksen ja maa-alkalimetallien rikin suojavaikutusta alentavan tekijän huomiotta jättäminen. Lisäksi polttoaineen kloorianalyysin tarkkuus ei ole kovin hyvä, kun analysoitavat klooripitoisuudet ovat matalia (tarkastelluissa polttoaineissa on yhtä lukuun ottamatta,3 p- % klooria). Laskettujen S/Cl- moolisuhteiden (indeksilukujen) arvot on esitetty kuvissa 1-6 kuoren, metsätähteen, männyn kuoren ja kokopuuhakkeen seoksille. Turvetta 4 sisältävät seokset on esitetty kuvissa 1 ja 2, turvetta 5 sisältävät seokset kuvissa 3 ja 4, ja kivihiiltä sisältävät seokset kuvissa 5 ja 6. Nuolet on sijoitettu osoittamaan S/Cl suhteen arvoa 3, joka on oletettu turvallisen seoksen alarajaksi perustuen osaraportissa 1 kuvattuun taustatietoon. Verrattuna vähärikkisellä turpeella saatuun suojavaikutukseen (ks. osaraportti 1), turpeet 4 ja 5 sekä kivihiili mahdollistavat huomattavasti suuremmat puupolttoaineen osuudet. Esim. männyn kuoren tapauksessa (joka oli klooripitoisuuden perusteella haastavin tutkituista puubiomassoista) siirtymä on 45 %:n ylärajasta turpeella 1 noin 73 %:n ylärajaan turpeella 4 ja noin 83 %:n ylärajaan turpeella 5 (% energiasisällöstä turpeeseen seostettuna). Kivihiilellä saatiin suurimaksi turvalliseksi männyn kuoren osuudeksi noin 75 % seoksen energiasisällöstä. Muilla puubiomassoilla turvallisen osuuden yläraja oli vähintään 85 % seoksen energiasisällöstä, kokopuuhakkeella jopa 95 %, kun sitä seostettiin turpeeseen 5, kun vastaava kokopuuhakkeen pitoisuuden yläraja turpeella 1 oli noin 7 %. Metsätähteen ja kuoren tulokset oivat lähellä kokopuuhakkeella saatuja, mahdollistaen selvästi suuremmat puupolttoaineen osuudet männyn kuoreen verrattuna samalla turpeella.
8 (15) 18 16 S/Cl 14 12 1 8 Kuori6/turve 4 Metsätähde7/turve4 Turvallinen suhde S/Cl > 3 6 4 2 puubiomassaa % energiasisällöstä Kuva 1. Molaarinen S/Cl suhde laskettuna kuoren n:o 6 ja metsätähteen n:o 7 seoksille turpeen n:o 4 kanssa. 18 16 S/Cl 14 12 1 8 Kokop4/turve 4 Männynk2/turve4 Turvallinen suhde > 3 6 4 2 puubiomassaa % energiasisällöstä Kuva 2. Molaarinen S/Cl suhde laskettuna kokopuuhakkeen n:o 4 ja männyn kuoren n:o 7 seoksille turpeen n:o 4 kanssa.
9 (15) 3 25 2 Kuori6/turve 5 Metsätähde7/turve5 S/Cl 15 Turvallinen suhde S/Cl > 3 1 5 puubiomassaa % energiasisällöstä Kuva 3. Molaarinen S/Cl suhde laskettuna kuoren n:o 6 ja metsätähteen n:o 7 seoksille turpeen n:o 5 kanssa 3 25 2 Kokop4/turve 5 Männynk2/turve5 S/Cl 15 Turvallinen suhde > 3 1 5 puubiomassaa % energiasisällöstä Kuva 4. Molaarinen S/Cl suhde laskettuna kokopuuhakkeen n:o 4 ja männyn kuoren n:o 7 seoksille turpeen n:o 5 kanssa
1 (15) 25 2 Kuori6/kivihiili 1 Metsätähde7/kivihiili 1 S/Cl 15 Turvallinen suhde S/Cl > 3 1 5 puubiomassaa % energiasisällöstä Kuva 5. Molaarinen S/Cl suhde laskettuna kuoren n:o 6 ja metsätähteen n:o 7 seoksille kivihiili n:o 1:n kanssa 25 2 Kokop4/kivihiili 1 Männynk2/kivihiili 1 15 S/Cl 1 Turvallinen suhde > 3 5 puubiomassaa % energiasisällöstä Kuva 6. Molaarinen S/Cl suhde laskettuna kokopuuhakkeen n:o 4 ja männyn kuoren n:o 7 seoksille kivihiili n:o 1:n kanssa
11 (15) 4.2 Indeksi (2S + Al ) / Cl Kivihiiltä lukuun ottamatta indeksi S/Cl antoi keskimäärin hieman korkeamman turvallisen ylärajan puupolttoaineen pitoisuudelle verrattuna indeksiin (2S + Al) / Cl (turvallisen seoksen alarajana käytettiin (2S + Al) / Cl-indeksillä arvoa 14, joka on piirretty kuviin). Esim. männyn kuoren ja turpeen seoksilla arvot olivat turpeella 4 73 % ja 68 % ja turpeella 5 83 % ja 75 %, missä edellinen luku on S/Cl-indeksi. Kivihiilellä, jossa alumiinin suojavaikutusosuus on merkittävä, alumiinin sisältävä indeksi antoi korkeamman turvallisen pitoisuuden ylärajan (S/Cl = 75 % vs. (2S+ Al)/Cl= 86 %) Sattumalta (2S + Al) /Cl indeksin arvot turpeilla 4 ja 5 olivat lähes yhtä suuret (69, ja 7,5, ks. y:n arvo kun. x= kuvissa 7-1). Turpeessa 5 oli enemmän rikkiä, joka vahvistui indeksissä kertoimella 2, mutta sen suurempi kloori- ja pienempi alumiinipitoisuus johtivat mainittuun lopputulokseen. 8 7 6 (2S+Al)/Cl 5 4 3 Turvallinen suhde > 14? Kuori 6/turve4 Metsätähde7/turve4 2 1 % puubiomassaa energiasisällöstä Kuva 7. Molaarinen (2S+Al)/Cl suhde laskettuna kuoren n:o 6 ja metsätähteen n:o 7 seoksille turpeen n:o 4 kanssa.
12 (15) 8 7 6 (2S+Al)/Cl 5 4 3 Kokop4/turve 4 Männynk2/turve4 2 Turvallinen suhde > 14? 1 % puubiomassaa energiasisällöstä Kuva 8. Molaarinen (2S+Al)/Cl suhde laskettuna kokopuuhakkeen n:o 4 ja männyn kuoren n:o 7 seoksille turpeen n:o 4 kanssa. 8 7 6 (2S+Al)/Cl 5 4 3 Turvallinen suhde > 14? Kuori 6/turve5 Metsätähde7/turve5 2 1 % puubiomassaa energiasisällöstä Kuva 9. Molaarinen (2S+Al)/Cl suhde laskettuna kuoren n:o 6 ja metsätähteen n:o 7 seoksille turpeen n:o 5 kanssa
13 (15) 8 7 6 (2S+Al)/Cl 5 4 3 Kokop4/turve 5 Männynk2/turve5 2 Turvallinen suhde > 14? 1 % puubiomassaa energiasisällöstä Kuva 1. Molaarinen (2S+Al)/Cl suhde laskettuna kokopuuhakkeen n:o 4 ja männyn kuoren n:o 7 seoksille turpeen n:o 5 kanssa 18 16 14 (2S+Al)/Cl 12 1 8 6 4 2 Turvallinen suhde > 14? Kuori 6/kivihiili 1 Metsätähde7/kivihiili 1 % puubiomassaa energiasisällöstä Kuva 11. Molaarinen (2S+Al)/Cl suhde laskettuna kuoren n:o 6 ja metsätähteen n:o 7 seoksille kivihiili n:o 1:n kanssa
14 (15) 16 14 12 (2S+Al)/Cl 1 8 6 Kokop4/kivihiili 1 Männynk2/kivihiili 1 4 Turvallinen suhde > 14? 2 % puubiomassaa energiasisällöstä Kuva 12. Molaarinen (2S+Al)/Cl suhde laskettuna kokopuuhakkeen n:o 4 ja männyn kuoren n:o 7 seoksille kivihiili n:o 1:n kanssa 5 Johtopäätökset ja yhteenveto Taulukkoon 2 on koottu suurimmat turvalliset puupolttoaineen osuudet (% seoksen energiasisällöstä) molemmilla indekseillä laskettuna. Taulukko sisältää myös osaraportin n:o 1 seokset. Puubiomassa n:o Suojapolttoaine S/Cl (2S+Al)/Cl Kuori 6 Turve 1 68 62 Kuori 6 Turve 4 85 84 Kuori 6 Turve 5 92 89 Kuori 6 Kivihiili 1 89 93 Metsätähde 7 Turve 1 73 71 Metsätähde 7 Turve 4 89 91 Metsätähde 7 Turve 5 93 92 Metsätähde 7 Kivihiili 1 92 95 Kokopuuhake 4 Turve 1 69 68 Kokopuuhake 4 Turve 4 88 88 Kokopuuhake 4 Turve 5 93 92 Kokopuuhake 4 Kivihiili 1 89 94 Männyn kuori 2 Turve 1 45 42 Männyn kuori 2 Turve 4 73 68 Männyn kuori 2 Turve 5 83 75 Männyn kuori 2 Kivihiili 1 75 86
15 (15) Lasketut puupolttoaineiden ylimmät turvalliset energiaosuudet ovat suuntaantavia. Laskelmat nojautuvat 199-luvun lopussa tehdyn tutkimuksen [3] kokeelliseen tietoon, jonka perustella määritettiin raja-arvot käytetyille indeksiluvuille. Esim. kalsiumin vaikutusta (tehollisen rikin sitojana) ei pystytty huomioimaan lainkaan, koska sen vaikutus on monimutkainen (riippuen mm. kalsiumin yhdisteistä). Tarvittaisiin lisää kokeellista tietoa (lähinnä polttokokeita, joissa määritettäisiin savukaasun SO 2 -pitoisuus, alkalikloridien määrä ja/tai kloorin kerrostuminen). Saattaa olla, että savukaasun SO 2 - pitoisuutta voitaisiin käyttää indikaattorina ilman, että alkalikloridivirtoja ja kloorin kerrostumista tarvitsisi mitata [2], mutta varmuuden tästä saisi ainoastaan jatkotutkimuksen avulla. Tulokset osoittavat kuitenkin vakuuttavasti sen, että turve kannattaa markkinoitaessakin käsittää tuotteeksi, jolla on muitakin ominaisuuksia kuin tietty kosteuspitoisuus ja lämpöarvo. Vastoin aiempia käsityksiä, jolloin turvetta ajettiin voimalaitoksiin suurina osuuksina ja puupolttoainetta pieninä osuuksina, turpeen kohonnutta rikkipitoisuutta (,4-,6 p- %) voi pitää positiivisena ominaisuutena silloin kuin on tarvetta ajaa puuta suurella energiaosuudella ja turvetta pienellä energiaosuudella. Rikkipitoinen turve suojaa tulistimia likaantumiselta ja korroosiolta. Kivihiili on vielä turvettakin tehokkaampaa, ja sen osalta korostuu usein alumiinisilikaatin vaikutus, joka turpeella ei nouse selvästi esiin alkalikloridien tuhoajana. Turpeita, joiden ominaisuudet muistuttavat laskennassa käytettyjä näytteitä (esim. rikkipitoisuuden osalta) löytyy todennäköisesti suuria määriä. Silloin turvetuotantoalueille voidaan koota aumoja, joissa rikkipitoisuudet eroavat selvästi, ja vastaavat tutkittuja näytteitä. Auma, josta turve kulloinkin toimitetaan voimalaitokselle, valitaan sitten sen perusteella, kuinka suurella osuudella puuta on tarkoitus polttaa. Rikkipitoinen turve voidaan hinnoitella jopa hieman korkeammalle kuin vähärikkinen turve. Sen avulla voidaan välttää mm. alkuainerikin syöttö tulipesään, eikä sellaisia rikinsyöttölaitteistoja tarvita, joita on suunnitteilla esim. Keljonlahden voimalaitokselle Jyväskylään. Lähdeviitteet 1. Virtanen, K., Hänninen, P., Kallinen, R.-L., Vartiainen, S., Herranen, T., Jokisaari, R., Geologian tutkimuskeskus, Tutkimusraportti 156, 23. 2. Silvennoinen, J., Roppo, J., Nurminen, R.V., Aho, M., Vainikka. P., Ferrer, E., Proceedings of 18th International Conference on Fluidised Bed Combustion, May 22-25, 25. Toronto, Ontario, Canada. 3. Aho, M., Taipale, R., Lybeck, E., Veijonen, K., Paakkinen, K., Skrifvars, B.-.J., Lauren, T., Zevenhoven, M., ja Hupa, M., Uuden ennustusmenetelmän kehittäminen kerrostuman muodostukselle. VTT Energian raportteja 28/21. 4. Aho, M., Vainikka, P., Taipale, R., Vesala. H., Veijonen, K., In: Proceedings of 14th European Biomass Conference & exhibition, Paris, France, 17-21. October, 25. 5. Aho, M., Gil, A., Taipale, R., Vainikka. P., Vesala, H., Fuel 28; 87: 58 69. 6. Laatikainen, O., (toim.), sanomalehti Keskisuomalainen 22.12 211, s. 3 Jyväskylän Keljonlahden voimalaitos: Puun osuus kasvaa.