8.1.2003 1 (6) Jouni Hämäläinen/Pasi Makkonen Leijupolttoteknologia: vihreää energiaa Johdanto Leijupoltosta on tullut eräs tärkeimmistä menetelmistä tuottaa energiaa kiinteistä polttoaineista ympäristöystävällisesti. Tällä alueella Suomi on sovellusten kehittäjänä maailman johtavia maita: yli puolet leijutekniikkaan perustuvista voimakattiloista on rakennettu kahden Suomesta käsin toimivan yrityksen voimin. Leijupolttotekniikka soveltuu erityisen hyvin sellaisille polttoaineille, joiden poltto on vaikeaa muilla tekniikoilla karkean palakoon, kosteus- ja lämpöarvovaihteluiden sekä hankalien tuhkan ominaisuuksien vuoksi. Koska leijupoltto sietää polttoaineen laatuvaihteluja selvästi muita tekniikoita paremmin, on tekniikka yleistynyt erityisesti teollisuussovelluksissa, joissa polttoaine saadaan omista sivutuotteista, kuten esimerkiksi puunjalostusteollisuudessa. Tekniikka sallii myös fossiilisten polttoaineiden hyödyntämisen perinteisiä menetelmiä tehokkaammin, erityisesti suurissa laitoskokoluokissa. Leijupolton periaate Leijukerrospoltossa palamisreaktiot tapahtuvat pääosin paksussa, ilmavirran leijuttamassa hiekkapatjassa, jonka suuri terminen kapasiteetti stabiloi palotapahtumaa. Inerttinä leijumateriaalina käytetään joko polttoaineen omaa tuhkaa, hiekkaa, tai jotakin muuta raemaista materiaalia. Kupliva leijupoltto perustuu hitaaseen kaasun virtausnopeuteen petimateriaalin läpi, jolloin muodostuu kupliva leijukerros. Polttoaine syötetään tämän leijukerroksen pinnalle tai sisään, jolloin polttoaine kuivuu välittömästi. Polttoaineen sisältämät palavat komponetit palavat joko leijukerroksen sisällä, ylläpitäen petimateriaalin lämpötilaa, tai leijukerroksen yläpuolella, jolloin palamista voidaan tehokkaasti hallita palamisilman annostelulla ja suuntauksella. Osa palamisessa vapautuvasta lämmöstä otetaan talteen tulipesän seinäputkissa kiertävään veteen, johon muodostuva höyry erotetaan lieriössä. Tulipesästä poistuvissa savukaasuissa on vielä runsaasti lämpöenergiaa, joka hyödynnetään höyryyn sidotun energian lisäämiseen ennen höyryn johtamista höyryturbiiniin. Se osa savukaasun sisältämästä lämpöenergiasta, jota ei saada talteen höyryyn, käytetään syöttöveden ja palamisilman lämmittämiseen. Kiertoleijupoltossa käytetään kuplivaa leijupolttoa suurempia kaasun virtausnopeuksia tulipesässä, jolloin merkittävä osa petimateriaalipartikkeleista kulkeutuu kaasujen mukana ulos tulipesästä. Suurin osa näistä partikkeleista palautetaan tulipesään erillisen partikkelierottimen avulla, jolloin muodostuu niin sanottu ulkoinen kierto. Ulkoisen kierron ansiosta lämmönsiirto tulipesän alueella tehostuu, ja samalla tulipesän lämpötilaprofiili tasoittuu. Tästä on hyötyä erityisesti rikkipitoisten polttoaineiden poltossa, koska rikin sitominen kalkkikiven avulla on tällöin mahdollisimman tehokasta. Kupliva leijupoltto soveltuu erityisesti metsäteollisuuden käyttämille polttoaineille, joita ovat muun muassa kuori, puru, hake, turve ja erilaiset lietteet. Kiertoleijukattiloiden polttoainevalikoima sisältää edellä mainittujen lisäksi myös fossiilisia polttoaineita. Kiertoleijukattiloiden laitoskoko on jatkuvasti suurentunut, ja nykyisin suurimmat laitokset ovat jo ylittäneet 550 MW th rajan. Leijupolttokattiloita käytetään kuitenkin edelleen valtaosin teollisuuden vastapainekattiloina, sillä laudevoimalaitoksena yksikkökoon tulisi edelleen kasvaa jotta sähkötehon tuotto olisi tasolla 400-600 MW e (vastaa höyrytehoa n. 950-1300 MW th ). Kuva 1 selventää leijukattiloiden toimintaperiaatetta pääkomponenttien avulla.
2 (6) Kuva 1. Leijukattiloiden pääkomponentit. Vasemmassa kuvassa kuplivaan leijukerrokseen perustuva kattila (BFB), ja oikeassa kuvassa kiertoleijukattila (CFB). Puun käyttö leijupoltossa Puubiomassan merkitys Suomen tärkeimpanä uusiutuvana polttoaineena on kiistämätön. Erityisen tärkeää puuperäisen aineksen poltto on metsäteollisuudelle. Vaikka turve onkin edelleen käyttömääriltään ja taloudeltaan tärkein kotimainen markkinapolttoaine, ei turvetta kaikissa yhteyksissä luokitella biomassaksi. Tekesin Puuenergia teknologiaohjelman tavoitteena onkin ollut metsähakkeen tuotannon ja käytön viisinkertaistaminen viidessä vuodessa vuoden 1998 0,5 milj. m 3 :n tasolta. Useat selvitykset osoittavat, että metsiemme energiapuupotentiaali mahdollistaa tavoitteeksi asetetut käyttömäärät. Asetetun tavoitteen saavuttaminen on mahdollista käyttämällä metsähaketta suurten voimaloiden kattiloissa nykyisissä ja uusissa laitoksissa. Näin ollen metsähakkeen hintakilpailukyky on luonnollisesti avainasemassa käyttömääriä lisättäessä. Kuvassa 2 on esitetty kaaviokuva metsähakkeen eri tuotantoketjuista. Vaikka käyttäjien asenteet ovat kehittyneet metsähakkeelle myönteiseen suuntaan, käytön kasvun tiellä on kuitenkin esteitä. Metsähakkeen keskihinta vuonna 2001 oli 8.3 /MWh, joten puun hinta polttoaineena on verraten alhainen. Metsähakkeen kannattavuutta rajoittaa eniten polttoaineen kuljetuskustannusten nousu. Erityisesti kostean viherhakkeen käytön lisääminen on vaikeaa alhaisen lämpöarvon vuoksi. Tästä syystä suuria, pelkästään puubiomassaa käyttäviä laitoksia ei kannata rakentaa ilman turpeen ja hiilen käyttömahdollisuutta. Metsähakkeen poltolle tyypillisiä seoksia voivat olla turve-hake, kuorihake ja erityyppisten lietteiden ja hakkeen seokset tai kaikkien näiden yhdistelmät. Myös kivihiili voi olla seoksen osana. VTT on tutkinut runsaasti puun ja turpeen polttoa, erityisesti Tekesin ja EU:n tutkimusohjelmissa sekä teollisuuden toimeksiantoina. Metsähake on luonteeltaan ympäristöystävällinen polttoaine, mutta polttoteknisesti sen hyödyntäminen ei ole ongelmatonta. Puupolttoaineita poltettaessa puutuhkan kemiallinen koostumus voi aiheuttaa likaantumis- ja kuumakorroosio-ongelmia kattiloiden lämpö- ja tulistinpinnoille. Erityisesti ongelma tulee esille metsähakkeella, joka sisältää huomattavasti neulasia ja ohuita oksia. Vaikka alkalimetalli- ja klooripitoisuudet ovat tyypillisesti matalia puuperäisissä polttoaineissa, ongelmana on, että ne vapautuvat helposti kaasumaiseen muotoon palamisen aikana. Alkalimetallit voivat hapettua oksideiksi, muodostaa sulfaatteja tai klorideja.
3 (6) Kuva 2. Metsähakkeen tuotantoketjun eri mahdollisuuksia. Pelkkää puuta poltettaessa palamisprosessin rikkipitoisuus on matala, jolloin alkalimetallit muodostavat alkaliklorideja, jotka ovat matalissa lämpötiloissa sulavia suoloja. Näin ollen nämä suolat muodostavat tahmeita kerrostumia kattiloiden lämmönsiirtopinnoille aiheuttaen merkittävän kuumakorroosioriskin. Mikäli polttoprosessin rikkipitoisuutta nostetaan esimerkiksi turpeen lisäkäytöllä, alkalit sitoutuvat rikin kanssa muodostaen sulfaatteja ja vapautuva kloori muodostaa kaasumaista vetykloridia (HCl). Vetykloridi kulkeutuu matalina pitoisuuksina savukaasun mukana ulos kattilasta eikä siitä tällöin aiheudu merkittävää kloorikorroosio- tai päästöriskiä. Tutkimuksissa on havaittu, että yhteispoltolla saavutetaan etuja päästöjen ja kattilan likaantumisen hallinnassa. Näin yhteispoltolla voidaan parantaa kattilalaitoksen käytettävyyttä. Turpeen ja puun yhteispoltto Voidaan siis suositella, että puupolttoaineiden seassa olisi aina hyvä polttaa 10-30 % turvetta tai vastaavassa suhteessa muuta rikkipitoista polttoainetta, jotta vähennetään pedin agglomeroitumisongelmia ja alkalikloridien muodostumista tulistinpinnoille. Metsähakkeen poltossa turpeen osuus olisi hyvä olla vielä korkeampi eli 30-40 %. Vastaavasti turpeen poltolle on etuja puun käytöstä seospolttoaineena. Turpeen polton rikkidioksidipäästöjä voidaan alentaa puun käytöllä. Turvevoimalaitoksilla rikkidioksidin päästöraja on tyypillisesti 140 mg/mj (350 mg/m 3 N) ja tähän pääseminen edellyttää usein kalkin käyttöä rikinsidontaan. Päästöraja voidaan saavuttaa myös polttamalla noin 20-30 % puuta turpeen kanssa. Menetelmä on testattu kiertoleijukattilassa, turpeen rikkipitoisuus oli tuolloin keskimäärin 0,22 %. Rikkipäästöjä vähentävät puun alhainen rikkipitoisuus ja puun alkalisen tuhkan rikkiä sitovat ominaisuudet.
4 (6) Puun polton kustannuksiin vaikuttavat tekijät Puun polttaminen joko pääpolttoaineena tai yhteispolttona turpeen tai hiilen kanssa on siis houkutteleva ajatus. Puun polton aloittaminen tai lisääminen kattilalla aiheuttaa muutoksia käyttökustannuksiin ja vaatii mahdollisesti investointeja uusiin laitteisiin. Puun polton käyttökustannuksiin vaikuttavia tekijöitä ovat mm. Lämmönsiirtopintojen nuohoustarve Savukaasun loppulämpötilan muutokset -> mahdollisesti alentunut hyötysuhde Kattilan puhdistustarve, yleensä kattilan tarkastusseisokkien yhteydessä Petihiekan vaihtotarve Tuhkan koostumuksen muutokset Omakäyttötehon muutokset Polttoaineen varastointi Rikinsidonnan tarve Nuohoustarve ja kattilan likaantuminen, savukaasun loppulämpötilan muutokset Puun poltossa syntyy enemmän kerrostumia lämpöpinnoille kuin esimerkiksi turpeen poltossa, joten kattilaa joudutaan nuohoamaan useammin. Eräissä tapauksissa nuohouksen tarve voi kasvaa jopa kymmenkertaiseksi. Nuohouksesta huolimatta kerrostumia ei saada kaikissa tapauksissa kokonaan puhdistetuiksi, jolloin on vaarana lämpöpintojen korroosio sekä kattilan tukkeutuminen. Tukkeutumista saattaa myös aiheuttaa kiertoleijukattiloissa syklonien sisäpinnoille takertuva tahmea tuhka. Poltettaessa puun seassa rikkipitoisia polttoaineita, kuten turvetta, voidaan estää vahingollisten alkali- ja klooriyhdisteiden muodostuminen lämpöpinnoille. Lisääntyneestä nuohouksesta huolimatta peti- ja tuhkapartikkelit voivat takertua lämmönsiirtoputkistoihin tulipesän seinämillä ja savukaasukanavassa. Jos partikkelikerros lämmönvaihtoputkistojen pinnalla kasvaa riittävän paksuksi, se toimii eristeenä ja estää lämmön siirtymisen savukaasusta höyryputkistoihin ja kattilan tehontuottokyky laskee. Lisäksi lisääntynyt savukaasumäärä ja suurempi savukaasujen kosteus johtavat suurempiin savukaasuhäviöihin ja huonontavat osaltaan hyötysuhdetta. Kattilan puhdistustarve Koska lämpöpinnat likaantuvat enemmän seospoltolla kuin turpeen poltolla, niiden puhdistus aiheuttaa enemmän työtä seisokkien aikana. Joskus lämpöpinnoille kertyneen pinnoitteen lujuus saattaa muodostua niin suureksi, ettei pinnoitetta saada irti normaalisti käytettävissä olevilla keinoilla. Mikäli likaantuminen on voimakasta ja lämmönsiirto heikkenee liikaa, kattilaa voidaan joutua puhdistamaan myös suunniteltujen seisokkien välillä, jotta suuret kerrostumat lämpöpinnoilta saadaan irrotettua. Haitallisten kerrostumien muodostumista ja niiden tulistinputkia korrodoivaa vaikutusta voidaan estää ja vähentää kattiloiden suunnittelulla. Kun tavoitteena on nostaa hyötysuhdetta, käytetään korkeita höyryn tulistuslämpötiloja, yli 530 C. Tällöin lämpöpintojen sijoittelu, tulistinmateriaalien valinta sekä kaasujen virtausteiden geometria ja väljyys ovat tärkeitä tekijöitä kattilan hyvän käytettävyyden ja keston saavuttamisessa. Petihiekan vaihtotarve Puusta peräisin olevat alkalimetallit vaikuttavat myös leijupoltossa olevan petimateriaalin käyttäytymiseen. Erityisesti metsähakkeen poltossa leijukerrosmateriaalina käytettyjen petihiekkapartikkelien ympärille tarttuu alkalimetalleja, maa-alkalimetalleja ja fosforia sisältäviä yhdisteitä. Nämä yhdisteet agglomeroivat petipartikkeleita toisiinsa ja kasvattavat partikkelien kokoa. Pelkkää puuta poltettaessa leijupedin sintraantuminen saattaa muodostua ongelmaksi.
5 (6) Suuret agglomeraatit saattavat jopa tukkia petiin tulevat polttoilmasuuttimet, jolloin koko leijukerroskattila lakkaa toimimasta. Ongelmia pystytään valvomaan tihentämällä petimateriaalin vaihtoa. Lisäksi puupolttoaineet sisältävät vähemmän tuhkaa kuin turve, jolloin tarvitaan enemmän petimateriaalia prosessista poistuneen hiekan tilalle. Arviolta noin 30-40%:n turpeen osuudella voidaan parantaa kerrostumien laadun ja pedin käyttäytymisen hallintaa. Tuhkan koostumuksen muutokset Puupolttoaineiden tuhkapitoisuus on huomattavasti pienempi kuin turpeen, jolloin tuhkan käsittelykustannukset seospoltolla ovat pienemmät kuin turpeen poltolla. Toisaalta joissakin tapauksissa turpeen tuhkaa on voitu hyödyntää esim. teollisuudessa, jolloin tuhkan kuljetuksesta ei ole aiheutunut laitokselle kustannuksia. Seospolton aiheuttamat muutokset tuhkan koostumuksessa voivat estää tuhkan hyötykäytön, jolloin kuljetus- ja läjityskustannukset jäävät laitoksen maksettaviksi. Tuhkien hyötykäyttömahdollisuuksia lisäämällä on mahdollista parantaa merkittävästi laitosten käyttötaloutta. Omakäyttötehon muutokset Polttoaineen laadun epätasaisuus voi tuoda mukanaan kattilan toimintaan liittyviä ongelmia. Jos polttoaineen laatu vaihtelee jatkuvasti, ei prosessin säätöjä voida pitää niiden optimialueella. Värähtelevät säädöt aikaansaavat toimilaitteissa ylimääräisiä toimintoja, jotka puolestaan lyhentävät laitteiden huoltovälejä ja elinikää. Epästabiili prosessi ei myöskään saavuta hyötysuhdeoptimia: omakäyttöhyötysuhde alenee, koska puhaltimet ja pumput tekevät osan ajasta työtä säätö peltejä tai venttiilejä vastaan. Polttoaineen varastointi Puupolttoaineita ei yleensä voida varastoida pitkiä aikoja ilman merkttävää laadun alenemista. Mikäli varastointi kuitenkin on tarpeen, voivat varastoinnin kustannukset olla merkittävä kannattavuuteen vaikuttava seikka. Rikinsidonnan tarve Puupolttoaineiden käyttö yhdessä turpeen tai hiilen kanssa voi tuoda merkittäviä säästöjä rikinsidonnassa, koska puun lämpöenergialla korvataan rikkipitoisempaa polttoainetta, ja samalla puun tuhka sitoo rikkiä. Investoinnit ja päästöt Mikäli kattilan polttoaineen syöttöjärjestelmät on alunperin suunniteltu muulle polttoaineelle kuin puulle, esimerkiksi turpeelle, metsähaketta poltettaessa voi esiintyä kattilan tehon vajausta. Tämä voi johtaa puupolttoaineiden vastaanottoon, varastointiin ja käsittelyjärjestelmiin kohdistuviin investointitarpeisiin. Lisäksi voidaan joutua investoimaan myös savukaasujen ja tuhkan käsittelyyn. Investoinneilta voidaan välttyä, jos rajoitetaan puun osuutta seospoltossa niin, että olemassa olevien laitteiden kapasiteetti riittää käsittelemään kasvaneet materiaali- ja kaasuvirrat, jolloin puupolttoaineiden syöttäminen kattilaan onnistuu vanhoilla laitteilla. Kuvassa 3 on esitetty erään voimalaitoksen käyttökustannusten kasvu eri seospolttosuhteilla lisäkustannusluokittain eriteltynä. Kuvasta voidaan havaita, että 10% puuosuus ei lisää laitoksen käyttökustannuksia ollenkaan, 30% hieman ja 70% puuosuus jo merkittävästi. Jos otetaan huomioon biomassan mukanaan tuoma CO 2 -päästön pieneneminen, on puun käyttö kokonaisuudessaan edelleenkin erittäin kannattavaa myös 70% osuudella.
6 (6) mk/mwh pa 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 Puu 70%+Turve 30% Puu 30%+Turve 70% Puu 10%+Turve 90% Omakäyttöteho Varastointi Tuhka Puhdistus Petihiekka Nuohous Kuva 3. Esimerkki erään voimalaitoksen käyttökustannusten kasvusta seospoltolla verrattuna turpeen polttoon. Yhteenveto Suomessa on poltettu puupolttoaineita leijukattiloissa jo kymmenien vuosien ajan. Viime vuosina leijutekniikka on saanut jalansijaa myös Euroopassa, ja kiinnostusta tekniikan tuomiin mahdollisuuksiin esiintyy myös muissa maanosissa. Koska paras osaaminen leijupolttotekniikoiden käyttämisestä biomassojen poltossa on edelleen yrityskaupoista huolimatta pysynyt Suomessa, luo tämä suuntaus kasvavia vientimahdollisuuksia energiatekniikan alueella. Metsähake, kuten muutkin biomassat, on luonteeltaan ympäristöystävällinen polttoaine, mutta polttoteknisesti sen hyödyntäminen ei ole ongelmatonta. Puuta pääpolttoaineena käyttävillä laitoksilla jo vähäinen turpeen määrän lisäys parantaa laitoksen käytettävyyttä ja käyttötaloutta, sillä turpeen mukana tuleva tuhka ja rikki vähentävät puun tuhkan aiheuttamia ongelmia kattilan likaantumisessa. Suomessa on viime vuosina siirrytty turpeen poltossa useissa laitoksissa pölypoltosta leijukerrospolttoon. Vanhojen laitoksien arina- ja pölypolttokattiloita on muutettu leijupolttokattiloiksi jälkiasennuksin, jolloin muutosten jälkeen on mahdollista polttaa myös puuta. Erityisesti uudet laitokset, joiden pääpolttoaineena käytetään turvetta tai biomassaa, hyötyvät leijutekniikoiden mukanaan tuomista mahdollisuuksista merkittävästi. Polttolaitteisiin ja -prosessiin liittyvien vaikeuksien tiedostaminen on oleellinen osa uusien laitosten suunnittelussa, vanhojen laitosten modernisoinnista puhumattakaan. Laitosinvestointeja päätettäessä on otettava huomioon polttoaineen saatavuus pitkällä aikajänteellä, ja usein varauduttava myös tukipolttoaineiden ajoittaiseen käyttöön. Tällä alueella leijupolttotekniikat tarjoavat selkeästi parhaan kokonaissuorituskyvyn. Uudet kiinteää polttoainetta käyttävät voimalaitokset perustuvat tänä päivänä lähes poikkeuksetta leijukerrostekniikkaan, joka mahdollistaa laajan polttoainevalikoiman. Voidaankin siis perustellusti sanoa, että leijupolttotekniikoihin perustuvat voimalaitokset mahdollistavat "vihreän" energian kustannustehokkaan tuottamisen markkinoilla olevista polttotekniikoista ylivoimaisesti parhaiten.