Kuva 1. Nykyaikainen pommikalorimetri.



Samankaltaiset tiedostot
Fysikaalisten ja mekaanisten ominaisuuksien määritys (CEN TC335 / WG4)

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

BIOPOLTTOAINEET JA NIIDEN LÄMPÖARVOT

Energiatehokkuuden analysointi

EKOPELLETTI T&K. Projektiraportti Matti Kuokkanen *, Henna Jokinen, Ritva Imppola, Heikki Takalo-Kippola 2012

Pellettikoe. Kosteuden vaikutus savukaasuihin Koetestaukset, Energon Jussi Kuusela

Öljyalan Palvelukeskus Oy Laskelma lämmityksen päästöistä. Loppuraportti 60K Q D

Polttoaineiden laatuvaatimukset ja luokat moniosainen standardi

Energia-alan keskeisiä termejä. 1. Energiatase (energy balance)

KOE 3, A-OSIO Agroteknologia Agroteknologian pääsykokeessa saa olla mukana kaavakokoelma

Polttoaineiden laatuvaatimukset ja luokat moniosainen standardi

UUSIUTUVAA ENERGIAA HEVOSENLANNASTA

SATAKUNNAN AMMATTIKORKEAKOULU. Veli-Pekka Niinikoski POMMIKALORIMETRIN IKA C200 VALIDOINTI JA KÄYTTÖ LÄMPÖARVON MÄÄRITYKSESSÄ

Poltto- ja kattilatekniikan perusteet

Oljen energiakäyttö voimalaitoksessa

Fysikaaliset ja mekaaniset menetelmät kiinteille biopolttoaineille

Liite 1A UUDET PÄÄSTÖRAJA-ARVOT

KUIVAN LAATUHAKKEEN

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Biohiili energiateollisuuden raaka-aineena

Jyväskylä , Hannes Tuohiniitty Suomen Pellettienergiayhdistys ry.

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

13 KALORIMETRI Johdanto Kalorimetrin lämmönvaihto

EkoPelletti - T&K hanke

Öljyhuippu- ja bioenergiailta Yhdyskuntien ja teollisuuden sivuainevirtojen ja biomassan hyödyntäminen sähköksi ja lämmöksi

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

Kuivausprosessin optimointi pellettituotannossa

Agroteknologian pääsykokeessa saa olla mukana kaavakokoelma, joka löytyy netistä.

ENERGIAA! ASTE/KURSSI AIKA 1/5

Energiaturpeen laatuohjeen 2006 käyttö energiateollisuudessa. Matti Nuutila, ET Eija Alakangas, VTT Jaakko Lehtovaara, Vapo Oy

Polttoaineiden lämpöarvot, hyötysuhteet ja hiilidioksidin ominaispäästökertoimet

SYNTYPAIKKALAJITELLUN SEKAJÄTTEEN PALAMISTEKNISET PÄÄOMINAISUUDET

V T T T I E D O T T E I T A

Biohiilen käyttömahdollisuudet

N:o Uusien polttolaitosten ja kaasuturbiinien, joiden polttoaineteho on suurempi tai yhtä suuri kuin 50 megawattia päästöraja-arvot

Polttoaineen vastaanotto ja sen kehittäminen Pursialan voimalaitos

Tuomas Kuusisto POMMIKALORIMETRIA PALAMISLÄMPÖJEN MÄÄRITYKSESSÄ

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

Puuhiilen tuotanto Suomessa mahdollisuudet ja haasteet

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Uudet mahdollisuudet hevosenlannan poltossa

KAUKOLÄMPÖ ON YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTÄ ENERGIAA ENERGIAA JÄTTEESTÄ YHTEISTYÖ LUO VAKAUTTA

Biohiilen tuotanto ja käyttö, edellytykset ja mahdollisuudet Suomessa

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Matti Puranen ja Ville Savela MUOVIN JA OLJEN HYÖDYNTÄMINEN PELLETÖINNISSÄ

Työ 3: Veden höyrystymislämmön määritys

Todentaminen - tausta

Side- ja lisäaineet pellettituotannossa

Puusta lämpöä. Energia-ilta Mynämäki Jussi Somerpalo Metsäkeskus Lounais-Suomi Kiinteän bioenergian edistämishanke Varsinais-Suomessa

BioForest-yhtymä HANKE

PUULÄMMITTÄJÄN TIETOLAARI KULLAA

Erilaisia entalpian muutoksia

Kemialliset menetelmät kiinteille biopolttoaineille

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 2, Harmoninen värähtelijä

Pellettien pienpolton haasteet TUOTEPÄÄLLIKKÖ HEIKKI ORAVAINEN VTT EXPERT SERVICES OY

Aineopintojen laboratoriotyöt 1. Veden ominaislämpökapasiteetti

Energiaturpeen laatuohje Eija Alakangas, VTT Jaakko Lehtovaara, Vapo Oy

Puuhakkeen standardit ja niiden soveltaminen Vakkalämpö Oy:llä

Y.Muilu. Puukaasutekniikka energiantuotannossa

CHEM-C2200 Kemiallinen termodynamiikka. Työ 2: Kaliumkloridin liukenemisentalpian määrittäminen. Työohje

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Biopolttoaineet, niiden ominaisuudet ja käyttäytyminen maaperässä

Puupelletit. Biopolttoainepelletin määritelmä (CEN/TS 14588, termi 4.18)

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Hyötysuhde- ja päästömittauksia Kälviän 2,0 MW lämpölaitoksella

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

SOPIMUSLUONNOS POLTTOAINEEN TOIMITTAMISESTA

Kirjoittaja: tutkija Jyrki Kouki, TTS tutkimus

VAPO PELLETTI. Vapo-puupelletti edullista lämpöä helposti

(6) Uudelleentarkastelu antoi näyttöä siitä, että höyryä tai kuumaa vettä tuottavien kattiloiden energiatehokkuuden viitearvot olisi eriytettävä.

Selvitys biohiilen elinkaaresta

BIOHIILIPELLETTI. Liiketoiminnan kannattavuus

Tietoja pienistä lämpölaitoksista

Heidi Ala-Mattinen KIINTEIDEN POLTTOAINEIDEN LÄMPÖARVOJEN MÄÄRITYSMENETELMÄN VALIDOINTI

Puun keinokuivauksen perusteet ja energiasisältöön perustuva pilkekauppa

KIINTEIDEN BIOPOLTTOAINEIDEN LÄMPÖARVON JA KOSTEUDEN MÄÄRITTÄMINEN NMR -MENETELMÄLLÄ

Järvisedimentin hyödyntämismahdollisuudet Etelä-Pohjanmaan Järviseudulla

VESI-SEMENTTISUHDE, VAATIMUKSET JA MÄÄRITTÄMINEN

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Erilaisia entalpian muutoksia

Polttoaineluokitus 2010

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Biopolttoaineille haasteelliset tavoitteet. Uusiutuvan energian ajankohtaispäivä Tekninen asiantuntija Mari Tenhovirta

Torrefioitu biomassa tuotantoprosessi ja mahdollisuudet

Lämpö- eli termokemiaa

Polttopuun tehokas ja ympäristöystävällinen käyttö lämmityksessä. Pääasiallinen lähde: VTT, Alakangas

VIERUMÄELLÄ KIPINÖI

1. Kumpi painaa enemmän normaalipaineessa: 1m2 80 C ilmaa vai 1m2 0 C ilmaa?

Metsäenergian mahdollisuuudet Hake, pelletti, pilke

Pyy Jussi-Pekka. Purun, hakkeen, kauran oljen ja ruokohelven pelletöityminen

Yhdyskunta, tekniikka ja ympäristö Tietoja pienistä lämpölaitoksista vuodelta 2006

KAUKOLÄMPÖ ON YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISTÄ ENERGIAA ENERGIAA JÄTTEESTÄ YHTEISTYÖ LUO VAKAUTTA

Pohjois-Pohjanmaan pellettivarat ja käyttäjät paikkatietona. Toni Sankari Oulun seudun ammattikorkeakoulu, Luonnonvara-alan yksikkö 11.4.

Ympäristösuojelulain 61 :n mukainen ilmoitus, joka koskee ruokohelpin polttoaineena käyttämisen kokeilua muun polttoaineen seassa, Kuopio

Osio 1. Laskutehtävät

Liikenteen biopolttoaineet

Kuoren energiasisällön säilyttäminen sellutehtaalla

Pohjois-Karjalan Bioenergiastrategia

Transkriptio:

DEPARTMENT OF CHEMISTRY NESTEIDEN JA KIINTEIDEN AINEIDEN LÄMPÖARVOJEN MÄÄRITYS Matti Kuokkanen 1, Reetta Kolppanen 2 ja Toivo Kuokkanen 3 1 Oulun yliopisto, kemian laitos, PL 3000, FI-90014, Oulu, matti.kuokkanen@oulu.fi 2 Metsäntutkimuslaitos, Kannus, PL 44, FI-69101, Kannus, reetta.kolppanen@metla.fi 3 Oulun yliopisto, kemian laitos, PL 3000, FI-90014, Oulu, toivo.kuokkanen@oulu.fi 1. Johdanto EU:n ilmasto- ja energiapoliittisen strategian mukaisesti tavoitteena on nostaa uusiutuvan energian osuus EU:ssa 25 %:iin ja Suomessa jopa 38 %:iin vuoteen 2020 mennessä. Edelleen EU asetti tavoitteeksi, että vuoteen 2010 mennessä EU:ssa 5,75 % kaikesta liikenteen käyttämästä polttoaineesta olisi biopohjaista ja vuonna 2020 jopa 20 %. Vastaavanlaisia tavoitteita on kaikkialla maailmassa, mutta prosenttiosuudet luonnollisesti vaihtelevat. Jotta nämä tavoitteet saavutetaan, tehdään tällä hetkellä globaalisti monipuolista tutkimusta uusien nestemäisten ja kiinteiden biopolttoaineiden kehittämiseksi sekä toisaalta myös erilaisten biomassojen käyttömuodon ja kuivauksen kustannustehokkuuden selvittämiseksi. Näiden seikkojen selvittämiseksi tvitaan lämpövojen määrityksiä, jotka lähes poikkeuksetta tehdään pommikalorimetrisesti. Kiinteiden polttoaineiden lämpövo voidaan ilmoittaa monella eri tavalla, joten eri lämpövokäsitteiden tunteminen on välttämätöntä, mikäli halutaan verrata eri lämpövotuloksia keskenään. Tässä raportissa esitellään yleisimmät käytössä olevat lämpövon ilmoitustavat. 2. Pommikalorimetrin toimintaperiaate Pommikalorimetrillä mitataan lämpömäärää, joka vapautuu kun näyte poltetaan happi-ilmakehässä, veden ympäröimässä suljetussa astiassa. Pommikalorimetrissä reaktio tapahtuu vakiotilavuudessa, joten sisäenergian muutos ΔU on sama kuin vapautuva lämpömäärä q v. Tapahtuva lämpötilanmuutos on suhteessa lämpömäärään, joka reaktiossa vapautuu tai sitoutuu. Polton seurauksena tapahtuva lämpöenergian siirtyminen pommia ympäröivään veteen aiheuttaa siinä lämpötilan nousun, jota laite mittaa. Lämpötilan muutoksen avulla voidaan laskea vapautuva lämpömäärä. Jotta kalorimetrillä

saatavat tulokset olisivat mahdollisimman tkkoja, täytyy kalorimetrille määrittää lämpökapasiteetti. Lämpökapasiteetti on lämpömäärä, joka tvitaan nostamaan kalorimetrin lämpötilaa yhdellä celsiusasteella. Lämpökapasiteetti saadaan kalibroimalla laite käyttäen näytettä, jonka tkka lämpövo tiedetään. Käytettävä kalibrointiaine on yleensä bentsoehappo. Nykyiset pommikalorimetrit tekevät kaikki laskutoimitukset automaattisesti, mutta niiden automatiikka-aste vaihtelee tpeiden mukaan. Kuva 1. Nykyaikainen pommikalorimetri. 3. Lämpövojen määritys Kuiva-aineen tehollinen lämpövo määritetään noudattaen standdeja ISO 1928, DIN 51900, CEN/TS 14918, ASTM D 5865, ASTM D 1989-96 ja ASTM D 3286-96, ASTM E711, tai BS 1016; pt.105. Kalorimetrisessa lämpövossa eli ns. ylemmässä lämpövossa on otettu huomioon palamisen aikana höyrystyvän veden höyrystymisenergia. Suomessa lämpövo ilmoitetaan usein kuitenkin tehollisena lämpövona (ns. alempi lämpövo). Tehollinen lämpövo saadaan laskettua muunnoskaavan avulla kalorimetrisesta lämpövosta ottamalla huomioon polttoaineen sisältämän vedyn palamisessa syntyvän ja savukaasuissa poistuvan vesihöyryn haihduttamiseen kuluva lämpömäärä (kts. yhtälö (4) jäljempänä). Kolmas tapa lämpövon ilmoittamiselle on tehollinen lämpövo toimituskosteudessa eli saapumiskosteudessa. Tämä on lämpövoista alin, koska sitä laskettaessa joudutaan vähentämään

polttoaineen luontaisesti sisältämän ja palamisessa vähentyvän veden haihduttamiseen kuluva energiamäärä. Lämpövo ilmoitetaan yleensä megajouleina polttoainekiloa kohti tai kilojouleina grammaa kohti ([MJ/kg] tai [kj/g] tai kj/g, 1 MJ = 0,2778 kwh). 3.1. Kalorimetrivakio, ominaispalamislämpö ja ylempi eli kalorimetrinen lämpövo Ilmakuivasta analysoitavasta näytteestä punnitaan noin 1 g. Näytekappale poltetaan nesteeseen upotetussa kalorimetripommissa happiatmosfäärissä ja siitä vapautuva lämpömäärä mitataan. Tässä tutkimuksessa käytettiin Oulun yliopiston kemian laitoksella IKA C200 ja vastaavasti Kannuksen Metlalla IKA C5000 pommikalorimetriä. Vapautunut lämpömäärä havaitaan lämpötilan nousuna digitaalisella lämpömittilla. Pommikalorimetri kalibroidaan bentsoehapolla, jonka avulla voidaan määrittää laitteen kalorimetrivakio C yhtälön (1) mukaisesti: C 26,44 m 1 = (1) T 1 T 0 C = kalorimetrivakio [kj/ ºC] m 1 = bentsoehapon massa [g] ΔT 1 = bentsoehapon palamisesta johtuva lämpötilanmuutos [ºC] ΔT 0 = sytytyksestä ja langan palamisesta johtuva lämpötilanmuutos [ºC]. Kalorimetrivakion määrittämisen jälkeen minkä hyvänsä näytteen (neste tai kiinteä) ominaispalamislämpö ΔH m [kj/g] voidaan laskea yhtälöstä (2). ( T T ) C 2 0 H m = (2) m2 ΔH m = näytteen ominaispalamislämpö [kj/g] ΔT 2 = ilmakuivatun näytteen palamisesta johtuva lämpötilanmuutos [ºC] ΔT 0 = sytytyksestä ja langan palamisesta johtuva lämpötilanmuutos [ºC] C = kalorimetrivakio [kj/ ºC] m 2 = näytteen massa [g] Samanaikaisesti määritetään analyysinäytteen kosteus, jonka avulla ilmakuivan näytteen lämpövo saadaan muunnettua vastaamaan absoluuttisen kuivan näytteen lämpövoa. Tuloksena ilmoitetaan kahden rinnakkaismäärityksen keskivona saatu kalorimetrinen eli ylempi lämpövo absoluuttisen

kuivalle näytteelle, joka lasketaan yhtälön (3) mukaisesti. Rinnakkaismääritysten ero saa olla korkeintaan 0,120 MJ/kg. Lämpövomääritysten ilmoitustkkuus on 0,01 MJ/kg. gr, d = gr, ad 100 100 M ad (3) gr,d = kuiva-aineen kalorimetrinen eli ylempi lämpövo [MJ/kg] gr,ad = ilmakuivan näytteen kalorimetrinen lämpövo [MJ/kg] M ad = ilmakuivan näytteen analyysikosteus [%]. Täten lämpökaapissa yli yön kuivatun näytteen (16-24 h, 105 o C) mitattu lämpövo on suoraan kyseisen aineen kalorimetrinen eli ylempi lämpövo gr,d. Yleensä lämpövomääritys tehdään ns. tasapainokosteasta eli ilmakuivasta näytteestä, sillä eliminoidaan kosteuspitoisuuden muutos mittausprosessin aikana. 3.2. Tehollinen eli alempi lämpövo Absoluuttisen kuivan polttoaineen tehollinen eli alempi lämpövo net,d saadaan laskettua vastaavasta kalorimetrisesta lämpövosta gr,d yhtälön (4) mukaisesti: 18,015 =, 0,02441 H % ( ) net, d gr d (4) 2,016 0,02441 [MJ/kg] = veden höyrystymislämmöstä aiheutuva korjaustekijä vakio tilavuudessa (+25 C) H % =Polttoaineen sisältämä vedyn määrä prosentteina 18,015= veden (H 2 O) molekyylipaino 2.016 = vedyn (H 2 ) molekyylipaino 3.3. Saapumistilassa olevan polttoaineen tehollinen lämpövo Polttoaineen tehollinen lämpövo saapumistilassa net, lasketaan yhtälön (5) mukaisesti: 100 M = 0, 02443 net, net, d 100 M (5)

net,d = kuiva-aineen tehollinen lämpövo [MJ/kg] M = vastaavan polttoaine-erän kokonaiskosteus saapumistilassa painotettuna kostean polttoaineen massalla [%] 0,02443 [MJ/kg] = veden höyrystymiseen kuluva lämpömäärä vakiopaineessa (+25 C). 3.4 Energiatiheys Energiatiheys E saapumistilassa lasketaan yhtälön (6) mukaisesti: E 1 3600 = net, D (6) E, =energiatiheys [MWh/i-m 3 ] net, = saapumistilaisen polttoaineen tehollinen lämpövo [MJ/kg] D = [kg/i-m 3 ] irtotilavuuspaino saapumiskosteudessa 1 = muuntokerroin [MWh/MJ] 3600 3.5 Toimitettu energiamäärä Toimitettu energiamäärä W [MWh] lasketaan yhtälön (7) mukaisesti: W = net, 3,6 m (7) W = toimitettu energiamäärä [MWh/t] net, = saapumistilaisen polttoaineen tehollinen lämpövo m = toimitetun polttoaineen massa tonneina

4. Eräiden polttoaineiden kalorimetrisia lämpövoja Polttoaine Ylempi lämpövo [MJ/kg] Kevyt polttoöljy 42,5-42,9 Raskas polttoöljy 41,0-41,3 Kierrätysmuottiöljy (rypsi) 39,5 Kierrätysteräketjuöljy 39,5 Biodiesel (RME, maatalous) 40,0 Rypsiöljy (maatalouskäyttö) 39,4 Bioetanoli 27,8 Paju (puu,kuori) 19,2 20,6 Rankahake 18,5-20 Ruokohelpi 17,1-17,5 Olki 17,2-18,4 Kutterinlastu 19-19,2 Sahanpuru 19-19,2 Puupelletti 19-21 Turve 20,9 22,5