Bio-energia-alueen tutkimuksen esittely Martti Aho
2 VTT:N HENKILÖSTÖN MÄÄRÄ JA TOIMIPAIKKOJEN SIJAINTI HENKILÖSTÖ Espoo 1 891 Oulu 383 Tampere 301 Jyväskylä 129 Turku 36 Lappeenranta 14 Muut toimipaikat 26 Yhteensä 2 780 31.12.2006 Tampere Turku Oulu Raahe Kajaani Nurmijärvi Helsinki Espoo Kuopio Jyväskylä Lappeenranta
3 BIOENERGIA Jouni Hämäläinen Leijupolton prosessikehitys Antti Tourunen 10 hlö, JYK Monipolttoainekäyttö Pasi Vainikka 18 hlö, JYK, OTA Lämmöntuotanto Veli-Pekka Heiskanen 15 hlö, JYK Biopolttoaineiden tuotanto Arvo Leinonen 13 hlö, JYK
Biopolttoaineiden tuotannon tutkimus 26.10.2007
5 Tutkimusaiheet Biopolttoaineiden tuotanto ja käsittely Metsähakkeen tuotanto - hakkuutähde, pienpuu ja kannot Energiaturpeen tuotanto Peltobiomassan tuotanto - Ruokohelpi ja olki Polttopuun tuotanto Biopolttoaineiden jalostus Pellettien valmistus Pellettien jakelu ja käsittely käyttöpaikalla Pellettiliiketoiminta Tuhkan uusiokäyttö
Leijuprosessien kehitystyö: esimerkkitapauksia, joihin VTT on osallistunut 6
7 Maailman ensimmäinen ylikriittisillä höyryarvoilla varustettu kiertoleijukattil 460 MWe (HIPE -projekti) Referenssejä Maailman suurin biopolttoainetta käyttävä leijukattila (CFB)(BIOMAX - projekti) Technology development Puolassa, (Lagisza) Valmistaja:Foster-Wheeler Alholmens kraft. Pietarsaari Valmistaja: Metso Power
8 HAPPIPOLTOLLA VÄHÄPÄÄSTÖISTÄ ENERGIAA HIILESTÄ JA TURPEESTA VTT kehittää teknologiaa, jolla hiiltä sisältävät polttoaineet voidaan hyödyntää energiantuotannossa entistä tehokkaammin ja jopa niin, että hiilidioksidia ei pääse ilmaan. Lisätietoja: Teknologiapäällikkö Jouni Hämäläinen
9 Mitä on happipoltto? Käyttämällä palamiskaasuna happea ilman sijasta, estetään typpeä laimentamasta savukaasua, jolloin CO 2 :n erottaminen on edullisempaa. Hapen valmistuslaitos Polttoaine Ilma O 2 Kattila N 2 Savukaasun puhdistus Osittainen savukaasun kierrätys CO 2 /H 2 O Osa savukaasusta kierrätetään takaisin tulipesään palamislämpötilan hallitsemiseksi. CO 2 Lauhdutin Lähes puhdas CO 2 on erotettu savukaasusta, jonka jälkeen se paineistetaan nestemäiseksi, jolloin se voidaan kuljettaa varastoitavaksi. Höyryturbiini H 2 O G Energiavirrat Talousarviot
Polttoaineen laadun hallinta, esimerkki JY-VTT yhteistyöstä: Puun ominaisuuksien mittaus neutronimenetelmällä Timo Järvinen 2.3. 2007
11 Neutronimenetelmän kehittämistä VTT:n ja JKL yliopiston kanssa: visio mittauksesta Esimerkki; puukuorma gammailmaisimet n-generaattori C/O-suhde ja epäpuhtaudet + H + -absorptio Ari virtanen 2.3.2007
Pienpoltto, esimerkki VTT-JY yhteistyöstä 12
Genano Tulikivi Velj. Ala-Talkkari Sähköavusteinen hiukkaspoisto pienpolttoon (VTT) JY TKK Puupolttoaineiden pientuotanto ja käyttö 19-20.09.2006 TTY TEKES
Pienpoltto: Mittausjärjestelyt VTT:n tiloissa Jyväskylässä eräässä JY-VTT-TTY projektissa 14
15 Biopolttoaineiden aiheuttamista haasteista Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
16 Tulipesän kannalta. Kierrätyspolttoaine Turve Sahan puru Metsätähde Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007 17
18 Ruokohelven korjuuta (karhennus ja murskaus) Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
19 Kotitalouksien jätevirta Puhdistus -> uutta paperia Maan parannukseen Uusiokäyttö Tämän jakeen kunnollinen erotus ja prosessointi on mahdollisuus Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
20 Valvomo Vastaanotto Syntypaikkalajiteltua pakkausjätettä Huom! Klooria 0,4-0,7p-% vs. metsä hakkeen 0,02-0,03p-% Pelletöintimatriisi REF-pelllejä n. 25 MJ/kg muovisisällön ansiosta!!! OPET Finland Cocombustion of recycled fuels with biomass VTT Energy/E. Alakangas 13.9.99 Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
21
22 Tulistinputkien korroosiovaurioita Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
23 VTT:llä Jyväskylässä hyvät polttotutkimuslaitteet BENCH SCALE REACTOR (BFB/CFB) CIRCULATING FLUIDIZED BED REACTOR Observation port Sampling port/deposit probe Gas coolig Customer/product Cooler Cyclone Bag filter To Stack Filter Cooler/heater Fuel batch feed To stack Observation and Sampling port/ Deposit probe Zone 4 Primary cyclone Secondary cyclone Sampling port Zone 3 Secondary air Continuous fuel feed Sampling port Zone 2 Sampling port Fuel container 1 and 2 Additive container Zone 1 Nitrogen O2, CO2, CO, N2, SO2, NO Sampling port Secondary air (preheated) PC control and data logging system Primary gas heating Air PC control and data logging system Primary gas heating Air 1D-MODEL flue gas to stack Model analyses Volatile, moisture release CO combustion Mixing Char combustion n τv = b exp( A/ T)( d/ d ref ) d d t k = /(1/ Y CO = k Y ef CO + τ ) ef 1 k CO m n n+1 n-1 n-2 dm c rc = = km cx dt n O2 Secondary air 3 2 1 Primary air Bench scale 1 kw phenomena characterisations parameters for modelling Pilot scale 100 kw Process characterisations Problem solution 1-D process modelling kw/m 2 Full scale MW s Process measurements 3-D modelling kw /m 2
Pilot-kokoluokan koetoiminta leijukerrospolton ympäristössä 24
Leijukerroskoelaite (korkeus 8.5 m) 25 FTIR sampling port Gas analysator Bag filter Gas cooling Deposit probe port To stack Sampling port Observation port Secondary cyclone Sampling port Zone 4 Primary Sampling port cyclone FTIR sampling port Sampling port Zone 3 Sampling port Zone 2 Sampling port Fuel container 1 and 2 Additive container Zone 1 Secondary air Nitrogen M Primary gas heating Air PC control and data logging system Sampling port
26 20 kw:n kerrosleijureaktori, korkeus 4m To stack Observation port Gas probe Gas cooling Deposit probe Gas sample Temperature control Sampling port Bag filter Sampling port Heating zone 4 Obervation port/ Deposit probe Heating zone 3 Sampling port Cyclone Tertiary air optional Obervation port Tertiary air optional Tertiary air (preheated) Heating zone 2/ Cooling zone 2 Fuel container 2 Fuel container 1 Additive container Obervation port Heating zone 1/ Cooling zone 1 Obervation port BED made of quarz PC control and data logging system Secondary air (preheated) Primary gas heating Nitrogen Air
Arinapolton pilot- tutkimus
Arinapolttokoelaite, korkeus 10 m 28
Polttoaineiden reaktiivisuusmittauksista 29
30 BENCH SCALE REACTOR (BFB/CFB) Cooler Cyclone To Stack Filter Fuel batch feed Cooler/heater Pieni n. 1kW:n laite Secondary air Continuous fuel feed Nitrogen PC control and Primary gas heating data logging system Air
Reaktori: Korkeus 10 m Paineastia 7.5 t Minimi viiveaika Näytteenottoon Aika 50 ms Näytettä 60-300 mg 31
32 Tulipesäongelmien ratkaisuun tähtäävä tutkimus Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
Laitosmittauksista 33
Monipolttoaineiden käyttötutkimukset Tulistimien likaantuminen, sondimittaukset voimalaitoksilla 34
35 Korroosio/kerrostumanäytteenotin laitoskäytössä altistusajat > 1000 h Renkaita eri metalliseoksista korroosiokestävyyden tutkimiseksi. Metallin kuluma mitataan Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007 Likaantumisnopeutta voidaan määrittää myös reaaliajassa kerrostuma-alueen anturoinnin avulla (T,..)
36 Pilot-kokoluokka (polttokokeet VTT:n koehallissa) Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
37 Kerrostumanäytteenottoa VTT:n Pilot-reaktorista Jyväskylässä, näytteenottoaika n. 3 tuntia 30m m 16m m Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
38 Kerrostuman analysointi pilot-laitteista kerättyjen kerrostumien eri kohdista, Åbo Akademi Jättöpuoli L Lee side Kriittinen sivupiste S 50 o from Wind side β=50 Tacky deposit Pintalämpötila säädetty Tiettyyn tasoon Wind side Tulopuoli W Inorganic vapors Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
39 Kerrostumanäytteenoton + analyysin antia: kerrostumien klooripitoisuuksia eri kohdissa kolmella polttoaineseoksella 30 % Cl kerrostumassa 25 20 15 10 5 0 500W 500S 500L 420W 420S 420L 20CYN-SAC 30CYN-SAC 50CYN-SAC Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
40 Uusinta: Korroosion esto tulipesään ruiskutettavien kemikaalien avulla Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
41 2MCl + SO 3 + H 2 O -> M 2 SO 4 + 2 HCl Suoraan SO 3 Na2SO4 K2SO4 HCl hyökkäys NaCl, KCl Martti Aho Voimalaitosten optimaalinen käyttö Lernen koulutus 10.10.2007
42 Yhteistyöaiheita: - Metallipintojen korroosion alkuhetkien havainnointi ja ennusteiden teko siltä pohjalta (muutaman tunnin tulipesäaltistumisen jälkeen metallin pinnasta tulisi löytää korroosiotuotteita syvyyden funktiona) - Lento- ja pohjatuhkan sulaosan määrän ja lämpötilan välinen riippuvuus, kvantitatiivista tietoa lentotuhkan ja slagien kemiallisista yhdisteistä - Rikkitrioksidin tuottaminen ja syöttö suoraan polttolaitteeseen. SO 3 -rikin merkitseminen radioaktiivisella isotoopilla ja radioaktiivisen rikin analysoiminen lentotuhkasta ja savukaasuista - Savukaasun on-line kokonaiskloorianalysin ja on-line HCl-analyysin (FTIR-pohjainen) yhdistäminen samaan laitteistokokonaisuuteen. Näytteenoton kehittäminen ko. analyysiin
43 Yhteistyöaiheita, jatkoa - Raskasmetallianalyysi suoraan kerrostuneesta lentotuhkasta paikan funktiona - Leijukerrospoltossa käytetyn hiekan (jyväkoon suuruusluokka, 1 mm) pinnoittumisen analyysi - Poltossa käytettävien lisäaineiden huokoisuus- ja rakennetutkimukset - Tarkka halogeenianalyysi (Cl, F, Br, I) polttoaineesta, havaintoraja < 0.001p-% - FTIR savukaasuanalyysin havaintorajan laskeminen suola- ja fluorivetyhapolle, sekä virhemahdollisuuksien eliminointi - Polyaromaattisten hiilivetyjen on-line analytiikan kehittäminen