Biopolttoaineiden päästöjen ja palamisen tutkimus Kuopion yliopistossa Jorma Jokiniemi Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio Ympäristötieteiden laitos, Kuopion yliopisto
Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio Prof. Jorma Jokiniemi, laboratorion johtaja TkT Jorma Joutsensaari, tutkimusjohtaja FM Mirella Miettinen DI Olli Sippula Ins. Pentti Willman FM Kati Hytönen Sihteeri Anita Kajander FM Jarkko Tissari FM Timo Turrek FM Pasi Yli-Pirilä Fil.Yo. Valtteri Suonmaa
Tutkimusalat: 1. Pienten hiukkasten muodostuminen ja päästöt palamisessa 2. Moottoreiden päästöjen vähentäminen ja mittaustekniikat 3. Nanohiukkasten tuottaminen ja niiden terveysvaikutukset 4. Aerosolien dynamiikan mallintaminen
1. Pienten hiukkasten muodostuminen ja päästöt palamisessa - pienpoltto (uunit, takat yms.) - pellettikattilat - arinakattilat - leijupetikattilat - kaasu- ja öljypolttimot - dieselmoottorit Muodostumismekanismit - OC/EC, epäorgaaninen hiili - metallit/metallikoksidit - PAH, VOC - hiukkaskokojakaumat
Nykyiset projektit 2006 Pienhiukkaspäästöt puunpoltossa (PUPO+PUPO-terveys) TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö 2002-2006 Tekniikan koulutushanke (EU+lääni) Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR) Puun polton pienhiukkaspäästöjen vähentäminen lämmönvaihtimilla (LÄPI) TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö 2002-2006 Esiselvitys puun pienpolton hiukkaspäästöjen vähentämismahdollisuuksista (PÄVÄ) TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö 2002-2006 Biomassan ja raskaan polttoöljyn pienhiukkaspäästöt ilman tehokasta suodatusta (BIOPOR) TEKES, FINE Pienhiukkaset - Teknologia, ympäristö ja terveys 20022005
Puun pienpolton tutkimus Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio
Tutkimuslaitteet Tulisijat Pienet kattilat Öljypolttimot
Mittausmenetelmät (1) Kaasuanalysaattorit O2, CO2, CO, NOx, SO2, OGC, VOC FTIR (CH4 )
CO 18000 NOx OGC O2 25 20 14000 12000 15 10000 8000 10 6000 4000 5 2000 0 0 0 20 40 60 Aika (min) 80 100 120 Happipitoisuus (%) CO, NOx (ppm), OGC (mgc/m3) red. 13 % O2 16000
Mittausmenetelmät (2) Hiukkaskokomittaus SMPS: aikaresoluutio 1-2 mins TSI DMA 3071A and TSI CPC 3022A (5-1 000 nm) TSI DMA 3080 and TSI CPC 3025A (3-90 nm) ELPI: reaaliaikainen Dekati 30/10 Lpm, (7? 10 000 nm) FMPS : reaaliaikainen (Fast Mobility Particle Sizer) TSI 3090 (5.6 560 nm)
Panospoltto - Syttyminen 4.E+08 Lukumäärä dn/dlogdp (#/cm3, red 13 % O2) Syttyminen Laite A, panoskoko A Laite B, panoskoko A 3.E+08 Laite C, panoskoko A Laite B, panoskoko B 2.E+08 1.E+08 0.E+00 0.0 0.1 1.0 Hiukkaskoko (µm) 10.0
Pellettipoltin (8 kw) 3.0E+05 3 Partial load Mass 2.0E+05 2 Nominal output 1.0E+05 0.0E+00 9:00 1 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 0 17:00 Figure 1: The number and mass concentrations measured with ELPI at nominal output and partial load operation of pellet burner J. Tissari, J. Nuutinen, K. Hytönen, T. Raunemaa, J. Kouki, K. Vuorio S. Tuomi (2003) Fine Particle and CO Emissions in an UnderFeed Pellet Burner. Abstract in 1st International Symposium on Incomplete Combustion, November 9 11, Kuopio, Finland. Mass concentration (mg/m3, raw) Number concentration (#/cm3, raw) Number
Mittausmenetelmät (4) Hiukkasten kerääminen Suodatin keräys Gravimetrinen ja kemiallinen analyysi OC/EC analyysi Dekati PM impaktori, Dp50 1.0, 2.5 and 10 µm LPI, virtuaali-impaktori SEM/TEM-keräin
Leivinuunin hiukkaspäästöt Leivinuunin PM1 ja TSP pitoisuus palamisvaiheittain ja vaihteluväli TSP 250 PM1 n=5 Hiukkaspitoisuus (mg/mj) 200 150 n=3 100 50 n=1 0 Syttyminen Palaminen Hiillos
Mittausmenetelmät (5) Analytiikka: Gravimetrinen (1 µg) Termis-optinen hiilianalysaattori (OC/EC) Hiukkasten haihtuvuus (TDMA menetelmät) Tenax- and DNPH keräys: VOC ja karbonyyli analyysit PAH keräys: lasisondi + denuderit GC-MS (+headspace)- and HPLC laitteet orgaanisineen analytiikkaan Transmission Electron Microscope (TEM) ja Scanning Electron Microscope (SEM) + Energy Dispersive Spectrometry (EDS)
Mittausmenetelmät (6) Laimentaminen Ejektorilaimentimet Laimennustunneli Huuvalaimennus FPS (Fine particle sampler) Huokoinen putki laimentimet
Laimennustunneli
FPS Headspace GC-MS
Mittausmenetelmät (7) Hiukkasten tuotto Pirskottimet VOAG (Vibration Orifice Aerosol Generation) Dry powder generator (Topas)
Measurements Gas blower 400 1000 m3/h 5 12 m/s Dilution ratio about 10 PA H ELPI DLPI HH D D Gas cleaning Particle filtration T,P Partial dilution e.g. 60 Lpm 12.5 m/s Dilution tunnel SMPS PM Flue gas channel eg.. 40 m3/h 0.45 m/s ELPI SMPS HH D D D ELPI H PA T Gas analyses (ABB) Boiler / Stove/ Fireplace Weighing Condenser OGC CO CO2 NO NO2 O2 PM Constant vol. punp 0 1200 m3/h n. 2 4 m/s Dilution ratio 60-300
Päästöihin vaikuttavia tekijöitä Polttolaitteen ominaisuudet Tulipesän koko, muotoilu, materiaalit Savusolien koko, esteet, hormipellit Piipun koko (muoto) ja korkeus Lämmön varastoiminen Palamisolosuhteet Savukaasun viipymäaika Palamislämpötila Ilman syöttö ja polttoaineen/ilman sekoittuminen
Päästöihin vaikuttavia tekijöitä Savukaasun jälkikäsittely Toisiopalotila Katalysaattori, muu suodatus Toimintaolosuhteet Palamisnopeus, polttoaineen syöttötiheys Panospoltto/jatkuva poltto, säätölaitteet Polttoaine Tyyppi, laatu, koko, kosteus, hienoaines
Hiukkasen muoto ja koostumus Yksittäinen pallomainen hiukkanen 20 40 nm Pallomaisista hiukkasista koostuva agglomeraatti alle 1 µm Yksittäinen epäsäännöllinen hiukkanen, 500 nm? Tuhkaa, nokea ja kondensoituneita yhdisteitä? Kiinteä ja/tai nestemäinen Jana 50 nm
Pienhiukkasten muodostuminen poltossa Tg[ C] 1200-2500 800-1500 0-200 Päästö H2SO4+hiilivety nokihiukkaset PolttoainePisara/ huono palaminen - noki ja org. hiili Pyrolyysi/ palaminen/ liekki/ höyrystyminen hiukkanen heterogeeniset reaktiot K, Na, Ca tuhkahiukkasia V, Ni, Pb, Cd Fe, Mg, Si, Ca sulfaatteja klorideja oksideita hyvä palaminen - tuhka
3.0 E+0 5 4.5E+0 7 2.5E+0 5 3.8 E+0 7 2.0 E+0 5 3.0 E+0 7 1.5E+0 5 2.3 E+0 7 1.0 E+0 5 1.5E+0 7 5.0 E+0 4 7.5E+0 6 0.0 E+0 0 0.0 E+0 0 0.01 0.1 Particle diameter (µm) 1 Examples of number size distribution for light fuel oil and pellet burners
Pienhiukkaspäästöt Päästöjen muodostumiseen vaikuttavat seuraavat kolme tekijää: Polttoaine Polttolaite/prosessi Käyttäjä Hiukkaserotuslaitteisto
Pienhiukkaspäästöt - mitä pitää mitata? Massapitoisuus [mg/nm3, mg/mj], TSP, PM10, PM2.5, PM1, PM0.1, kokojakauma Lukumääräpitoisuus [#/Nm3], kokojakauma Raskasmetallit [µg/nm3] PAH yhdisteet ja muut orgaaniset Morfologia (agglomeraatit)
Polttoaineet, laitteet ja hiukkaserotuslaitteistot, PIENHIUKKASPÄÄSTÖT polttaine/ prosessi kevytöljy raskas öljy biomassa pölypoltto leijupoltto 0,5-10 arina 15-50 hiili/ turve kaasu Suodatin [mg/mj] 1-30 letku, ESP 0,5-10 letku, ESP ESP, pesuri poltinpoltto 2-(10) 10-50? <2 Ei ole moottorit 20-50? 2-10 [mg/km] Ei yleensä 25-150 [mg/km] pienpoltto 10-200 Ei Soodakattila 5-50 ESP
Hiukkaspäästöjen vähentäminen hiukkaserottimet Lämmönvaihtimet/Pesurit diffuusioforeesi, termoforeesi Teoriassa toimii, käytäntö? Sähkösuodatus Olemassa kaupallinen malli (kallis, Sveitsissä) Sähköavusteinen hiukkaspoisto pienpolttoon - PUUT53/Aho Katalysaattorit USA:ssa yleisesti käytetty (keraamisia, metallisia) Suomeen?, Kennoja testattu myös Suomessa toimiiko? Syklonit Karkealle pölylle, valmistajia löytyy Muita menetelmiä? tekstiilisuodattimet
Moottoritestipenkki
Moottoritestipenkki standardi ISO 8178 dynamometri Froude Consine EC 30 max 30 kw max. 90 Nm/14000 rpm pienet teollisuus moottorit
FOUR-STROKE ENGINE BRAKE GAS ANALYSIS FUEL NOx CO2 CO FID O2 FILTER DILUTION TUNNEL BYPASS LINE 20 350 C THERMAL DESORBER DMA CPC PARTICLE SAMPLER FOR GRAVIMETRIC AND CARBON ANALYSIS HV PUMP PUMP ELPI 30 lpm VOC/ DNPH AEROSOL SAMPLER FOR SEM/TEM GRIDS Nano-DMA UCPC