Kokoeko seminaari 16.2.2012, Kuopio Jätteiden energiahyötykäyttö Termisen energiahyötykäytön ilmapäästöt Tissari Jarkko 1, Sippula Olli 1, Jokiniemi, Jorma 1,2 1 University of Eastern Finland, Department of Environmental Science, Fine Particle and Aerosol Technology Laboratory, P.O. Box 1627, FI-70211, Kuopio, Finland 2 VTT Technical Research Centre of Finland, Fine Particles, P.O. Box 1000,FI-02044 VTT, Espoo, Finland Kiitokset VTT JÄPPI/FINE ohjelma Lisätietoja: Lind, Hokkinen & Jokiniemi (2007) Fine particle and trace element emissions from waste combustion Comparison of fluidized bed and grate firing. Fuel Processing Technology, 88, 737-746. 1
Päästöjen muodostuminen kiinteän polttoaineen poltossa Polttoaine C, H, S, N V, Na, Ca, Si, Ni, V Cl, Cd, Pb Kattila Savukaasut CO 2, H 2 O, NO, NO 2, N 2 O SO 2, SO 3 N 2, O 2 CO, H 2, HCl, HF C x H y, Palamisilma N 2, O 2 Pohjatuhka Metalli-ja epämetallioksideja Jäännöshiiltä PAH, POM, Dioksiinit&Furaanit EC (noki) H 2 SO 4, K 2 SO 4, V 2 O 5, SiO 2, Raskasmetallit jätteenpoltossa Polttoainehiukkanen Pyrolyysi/ palaminen/ liekki/ höyrystyminen Raskasmetallit Pb, Cu Hg (kaasumaisia) heterogeeniset reaktiot sulfaatteja klorideja oksideita Hg(kaasuna/ hiukkasina) HCl, HF PbCl 2, CuCl 2..X x O y (hiukkasina) K, Na, Ca tuhkahiukkasia sulfaatteja klorideja oksideita KCl 2, KSO 4, CaSO 4 Jorma Jokiniemi 2
PÄÄSTÖJEN LAATUUN JA MÄÄRÄÄN VAIKUTTAA (yleisesti) Polttoaine, mm. kemiallinen koostumus fysikaaliset ominaisuudet tuhkan määrä ja koostumus Palamisolosuhteet (lämpötila, happi, sekoittuminen, aika) Polttolaitteen rakenne/ominaisuudet prosessin tasaisuus lämpötilojen hallinta Säätötekniikka häiriötilanteiden hallinta Jätteenpolttodirektiivi 2000/76/EC Koskee kaikkia erityyppisiä jätteitä ja niiden polttotekniikoita. Koskee kaikkia jätettä polttavia laitoksia, myös esilajiteltua jätettä rinnakkaispolttona polttavia voimalaitoksia. Asettaa erittäin tiukat vaatimukset polttotekniikalle, polton tehokkuudelle, polttolaitoksen ympäristöpäästöille sekä niiden seurannalle ja valvonnalle. Polttaminen vaatii ympäristöluvan (jossa voi olla myös direktiivin vaatimuksia tiukempia säädöksiä). Vaatimukset huomattavasti tiukemmat kuin muilla polttolaitoksilla. 3
Jätteenpolttoasetus 362/2003 Jatkuvatoimiset mittausvaatimukset Seuraaville komponenteille (tietyin poikkeuksin): Rikkidioksidi (SO 2 ) Typenoksidit (NO x ) Hiilimonoksidi (CO) Vetykloridi HCl Vetyfluoridi HF Orgaaninen kokonaishiili TOC Hiukkaset Apusuureet: happipitoisuus, paine, lämpötila (ja kosteus) Jätteenpolttoasetus 362/2003 Jaksottaiset mittaukset Mitattavat komponentit Raskasmetallit (Cd, Tl, Hg, Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V) Dioksiinit ja furaanit Mittaukset kertaluonteisia (yksittäisnäytteenotto), max. 8 h keräysaika, erillisanalyysit, (PCDD/F 6-8 h, muut 30 min- 8 h) Mitattava ensimmäisen toimintavuoden aikana kolmen kuukauden välein ja sen jälkeen kahdesti vuodessa (tietyin poikkeuksin) Jäsenvaltiot voivat vahvistaa päästöjen raja-arvot polysyklisille aromaattisille hiilivedyille tai muille epäpuhtauksille, sanotun kuitenkaan rajoittamatta perustamissopimuksen määräysten soveltamista. 4
Muita päästöihin(kin) liittyviä määräyksiä Polttolaitokset on suunniteltava, varustettava ja rakennettava ja niitä on käytettävä siten, että päästöjen raja-arvot eivät ylity savukaasussa. Polttolaitoksissa on oltava käytössä automaattinen järjestelmä, joka estää jätteen syötön käynnistyksen aikana, kunnes 850 tai 1 100 C:n taikka 4 kohdan mukaisesti määritetty lämpötila on saavutettu; aina, kun lämpötila alittaa 850 tai 1 100 C:n taikka 4 kohdan mukaisesti määritetyn lämpötilan; aina, kun jatkuvat mittaukset osoittavat, että jokin päästörajoista ylittyy puhdistuslaitteiden häiriöiden tai vikojen vuoksi. Jarkko Tissari 14.2.2012 9 Poikkeukselliset olosuhteet Toimivaltaisen viranomaisen on määrättävä luvassa puhdistus- tai mittauslaitteiden teknisesti väistämättömistä seisokeista, häiriöistä tai vioista johtuva pisin sallittu aika, jona säänneltyjen aineiden pitoisuudet ilmaan joutuvissa päästöissä ja puhdistetussa jätevedessä saavat ylittää säädetyt päästöjen raja-arvot. Häiriön tapahtuessa toiminnanharjoittajan on rajoitettava toimintaa tai keskeytettävä se mahdollisimman nopeasti, kunnes tavanomainen toiminta voi jatkua. ei saa missään olosuhteissa jatkaa jätteenpolttoa keskeytymättä yli neljä tuntia, jos päästöjen raja-arvot ylittyvät yhteenlasketun keston on lisäksi oltava alle 60 tuntia vuodessa. Ilmaan joutuvien polttolaitoksen päästöjen hiukkasten kokonaispitoisuus ei saa missään olosuhteissa ylittää arvoa 150 mg/m 3 puolen tunnin keskiarvona ilmaistuna; myöskään ilmaan joutuvien CO-päästöjen ja orgaanisen hiilen päästöjen raja-arvot eivät saa ylittyä. Jarkko Tissari 14.2.2012 10 5
Päästöjen minimointi jätteenpoltossa Komponentti Esim. /Huom. Palamisolosuhteilla (2 s viipymä 850 C:ssa) Aktiivihiilisuodatus Ammoniakin/urean injektointi savukaasuun (+ katalysointi) Sammutetun kalkin/natriumbikarbonaatin syöttö savukaasuun Hiukkasputsarit (sähkö/letkusuodattimet, pesurit jne) CO, C x H y, POM, PAH, Dioksiinit/furaanit Dioksiinit/furaanit, orgaaniset, elohopea (g) NOx Aktiivihiilen hävittäminen polttamalla 6 NO + 4NH 3 -> 5N 2 + 6 H 2 O SO 2, HCl CaCO 3 +SO 2 +1/2O 2 - >CaSO 4 +CO 2 (+kipsi pois hiukkaserottimilla) Hiukkaset Tehokkaita, toimintaa seurattava. Yleensä useita peräkkäin. Putsareiden toimiessa päästörajat alitetaan selvästi! Tehokkaita menetelmiä saatavilla. Esimerkki: Yhdyskuntajätteenpoltto Ekokemillä Riihimäellä (Ilmansuojelu 4/2008, s. 9-12.). Sumutuskuivain, sähkösuodatin, kaksivaiheinen märkäpesu, kuitusuodatin (aktiivihiili+kalkki) Ympäristöluvassa määritetyt jatkuvatoimiset mittaukset (mg/m 3 ) vrk 30 min 30 min 10 min A (100 %) B (97 %) Hiukkaset 10 30 10 TOC 10 20 10 HCl 10 60 10 HF 1 4 2 SO 2 50 200 50 NO x 200 400 200 CO 50 100 150 (95 %) Mitatut (vrk-arvot) Lisäksi Cd, Tl, muut metallit, Hg, dioksiinit ja furaanit 3.5 1.5 6 PIENHIUKKAS- JA AEROSOLITEKNIIKAN LABORATORIO 14.2.2012 12 6
Käytännössä mitatut (mg/nm3, 11% O2) vs. päästörajat Päästökomponentti MITATTU EU-raja %-rajaarvosta Rikkidioksidi, SO 2 0,16 25 50 0,3-50 Typen oksidit NO x (NO 2 eq.) 50-100 200 25-50 Hiukkaspäästöt, TSP 0,2 1 10 2-10 Säädellään Kloorivety, HCl 4 6 10 40-60 kalkin syötöllä Fluorivety, HF 0,02 0,2 1 2-20 Dioksiniit ja furaanit 0,0034 x 10-6 - 0,01 x 0,1 x 10-6 3-10 10-6 Cd+Tl < 0,002 0,05 Alle 4 Hg 0,005 0,007 0,05 10-14 Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V < 0,02 0,5 Alle 4 TOC < 1 10 Alle 10 Mitatut päästöt ovat joillekin komponenteille niin alhaisia, että käytännössä standardin mukaisen mittausmenetelmän havaitsemisraja tulee vastaan. (JÄPPI-projekti) Raskasmetallipitoisuudet (PMx) ennen/jälkeen suodattimen µg/m^3 (NTP) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Trace metal concentrations in sub-micron particles, filter inlet Hässleholm Norrköping Erot jopa 100 000 X µg/m^3 (NTP) 0.30 0.25 0.20 0.15 104 000 Trace metal concentrations in sub-micron particles, filter outlet Hässleholm Norrköping Al As Cd Co0.10 Cu Fe Mn Pb Sb V Zn 0.05 0.00 As Cd Co Cu Mn Pb Sb V Zn sin-arina, pun-leijukerros 7
Hiukkasten massakokojakaumat [mg/nm 3 ] ennen suodatinta. Katkoviiva esierottimelle kerättyjen suurten hiukkasten määrää. Sininen- arinakattila 18 MW Ruotsissa, punainen leijukerroskattila pilot laitos Suomessa ja vihreä leijukerroskattila 75 MW Ruotsissa. dm/dlog(dp) [mg/m^3] (NTP) 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Hässleholm (BLPI) Hässleholm (pre-cyclone) Nörrköping (BLPI) Norrköping (pre-cyclone) Karhula SRF III (BLPI) Karhula SRF III (pre-cyclone) Cyclone cut-off D50 = ~5-8µm 500 0 0.01 0.1 1 10 100 Dp [µm] JÄPPI Hiukkasten massakokojakaumat [mg/nm 3 ] suodattimen jälkeen. 500-2500 mg/m 3 alle 0.08 mg/m 3 = lähes ulkoilmataso dm/dlog(dp) [mg/m^3] (NTP) 0.480 0.430 0.380 0.330 0.280 0.230 0.180 0.130 0.080 0.030 12.4. Outlet 1 11:45-17:40 13.4. Outlet 2 11:10-17:40 Outlet 1 Cyclone Norrköping outlet Norrköping cyclone -0.020 0.01 0.1 1 10 100 Dp [µm] JÄPPI 8
Hiukkasten (massa) läpäisy Lind et al., 2007 Jarkko Tissari 14.2.2012 17 Yhteenveto: Jätteenpoltossa Määräykset tiukat, joten oltava tehokkaat päästöjen puhdistusmenetelmät Käytetään/käytettävä useita rinnakkaisia toimenpiteitä päästöjen estämiseksi jos yksi pettää, toinen estää/minimoi päästöt Jatkuvatoiminen valvonta nopea reagointi Ei ongelmia ilmapäästöjen suhteen! Tehdyt tutkimukset ja selvitykset osoittavat (todelliset, toiminnassa olevat laitokset), että EU:n asettamat päästörajat voidaan alittaa selvästi. Myös mallilaskelmat osoittavat, että esim. raskasmetallipitoisuudet eivät kohoa, eikä ne ylitä ilmanlaadun pitoisuusrajoja voimalaitosten ympäristössä (IL & VTT) Tällöin voidaan myös olettaa, että negatiiviset terveysvaikutukset eivät lisäänny, kun pitoisuustasot pysyvät annettujen raja-arvojen alapuolella. Jarkko Tissari 14.2.2012 18 9