LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN KORKEAKOULU Energiatekniikan osasto PUUN JA TURPEEN SEKAPOLTON VAIKUTUS LEIJUKERROSKATTILAN HIUKKASPÄÄSTÖIHIN Diplomityön aihe on hyväksytty Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun energiatekniikan osaston osastoneuvostossa 7.11.2001. Työn tarkastaja: Professori, TkT Esa Marttila Työn ohjaaja: DI Petri Kouvo Helsingissä 31.3.2002 Timo Maaskola Puustellinpolku 12 A 2 00410 Helsinki puh. 050 583 1779
TIIVISTELMÄ Tekijä: Timo Maaskola Nimi: Puun ja turpeen sekapolton vaikutus leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin Osasto: Energiatekniikan osasto Vuosi: 2002 Paikka: Vantaa Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu. 100 sivua, 30 kuvaa, 12 taulukkoa ja 7 liitettä Avainsanat: leijukerroskattilat, sekapoltto, hiukkaspäästöt, turve, puu, lentotuhka Työn tavoitteena oli tutkia vaikuttaako puupolttoaineen lisääminen turpeen joukkoon leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin tai sähkösuodattimen erotusasteeseen. Työn teoriaosassa selvitettiin hiukkaspäästöjen muodostumista leijukerrospoltossa ja vertailtiin eri polttotekniikoiden hiukkaspäästöjä. Lisäksi esiteltiin erilaisia hiukkasten erottamiseen soveltuvia erotuslaitteita. Tarkastelussa keskityttiin sähkösuodattimeen, joka on yleisin hiukkasten erottamiseen käytettävä erotuslaite. Työn kokeellinen osa suoritettiin turvetta ja puuta polttavalla kuplivalla leijukerroskattilalla. Kokeellisessa osassa tutkittiin vaikuttaako puun lisäys syntyvien hiukkasten kokojakaumiin, sähkösuodattimen jälkeiseen kokonaishiukkaspäästöön tai sähkösuodattimen erotusasteeseen. Kokeet suoritettiin sekä pelkkänä turpeenpolttona (2 koetta), että kahdella eri puu/turve-polttoainesuhteella. Kokojakaumamittaukset suoritettiin lisäksi kahdella eri menetelmällä. Kokojakaumamittausten perusteella todettiin puun lisäyksen kasvattavan pienhiukkasten muodostumista. Pienhiukkasten osuus kasvoi sekapolton myötä myös sähkösuodattimen jälkeen. Sekapoltolla ei sen sijaan ollut selvää vaikutusta kokonaishiukkaspäästöön tai sähkösuodattimen erotusasteeseen.
ABSTRACT Author: Timo Maaskola Title: The impact of wood and peat co-firing on the fluidized bed boiler's particle emissions Chair : Department of Energy Technology Year: 2002 Place: Vantaa Master's thesis. Lappeenranta university of technology. 100 pages, 30 figures, 12 tables ja 7 appendices Keywords: Fluidized bed boilers, co-firing, particle emissions, peat, wood, fly ash The goal of this thesis was to research the impacts of co-firing wood and peat on the fluidized bed boiler's particle emissions and electrostatic precipitator's (ESP) collection efficiency. In the theoretical part of this thesis the principles of particle formation in fluidized bed combustion were introduced. Also, the particle emissions from different combustion technologies were compared. Different particle removal equipments were also reviewed, keeping the focus in most commonly used ESP. The experimental part of this thesis was carried out in peat and wood fired bubbling fluidized bed boiler (BFB). The impact of co-firing on the particle size distributions, total particle emissions after ESP and collection efficiency of ESP were measured. The experiments were carried out both 100 %-peat firing (two experiments) and with two different fuel mixtures. The particle size distribution measurements were performed with two different methods. The results of this study indicates the increase of fine particle formation in co-firing. The fine particle content after ESP was also higher in co-firing than in peat firing. On the other hand, clear impact on total particle emissions after ESP or collection efficiency of ESP wasn't noticed.
ALKUSANAT Diplomityö on tehty tilaustyönä Fortum Power and Heat Oy:lle 29.10.2001-31.3.2002 välisenä aikana Fortum Engineering Oy:n tiloissa Vantaalla. Työ liittyy sekä Fortum Oyj:n sisäiseen Particulate Control-tutkimushankkeeseen (PARCO), että laajempaan Pienhiukkasten orgaanisten yhdisteiden kartoitus-projektiin (PIHIVOC). Jälkimmäisessä projektissa olivat mukana myös Tekes, VTT Kemiantekniikka, Kuopion Yliopisto ja Dekati Oy. Kiitän työni valvojaa Professori Esa Marttilaa Lappeenrannan teknillisestä korkeakoulusta hyvistä neuvoista ja opastuksesta. Työn ohjaajaa DI Petri Kouvoa (nyk. Fortum Engineering Oy) haluan kiittää motivoivan palautteen antamisesta työn tekemisen aikana sekä ripeästä toiminnasta diplomityömahdollisuuden järjestämisessä. Lisäksi haluan kiittää DI Kalle Kaukosta (nyk. Fortum Engineering Oy) asiantuntevista neuvoista työni eri vaiheissa ja TkT Satu Sundqvistia (nyk. Oy Keskuslaboratorio KCL) hyödyllisistä neuvoista työn alkuvaiheissa. Erityiskiitoksen ansaitsevat myös Asko Hannola ja Hannu Arino Fortum Service Oy:stä, jotka suorittivat varsinaisen mittaustyön. PIHIVOC-projektin osapuolia haluan kiittää mittausten tulosaineiston luovuttamisesta käyttöön. Erityiskiitoksen haluan osoittaa tutkimusinsinööri Harri Puustiselle (VTT Kemiantekniikka) opetustuokiosta ELPI-datan parissa. Kiitos myös tuotantoinsinööri Hannu Ahoselle Rauhalahden voimalaitoksen esittelystä sekä teknikko Minna Rantaselle ja Insinööritoimisto Paavo Ristola Oy:n väelle analyysien suorittamisesta. Lopuksi haluan kiittää kaikkia ystäviäni. Erityiskiitos ZSKA Sivatti ry:n ja PuPa:n jäsenille vapaa-ajantoiminnan järjestämisestä vuosien varrella. Isääni Teemua haluan kiittää siitä esimerkistä, joka osoitti että luja tahto vie vaikka läpi sen kuuluisan harmaan kiven.
SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SISÄLLYSLUETTELO... 1 KUVALUETTELO... 3 TAULUKKOLUETTELO... 4 KÄYTETYT MERKINNÄT... 5 1. JOHDANTO... 6 2. HIUKKASTEN MUODOSTUMINEN LEIJUKERROSPOLTOSSA JA PÄÄSTÖT ERI POLTTOTEKNIIKOILLA... 11 2.1. LEIJUKERROSPOLTTO... 12 2.1.1. Polttoaineen tuhkan käyttäytyminen leijukerrospoltossa... 15 2.1.2. Lentotuhkan muodostumismekanismit... 21 2.1.3. Prosessiparametrien vaikutus hiukkaspäästöihin... 27 2.1.4. Puun ja turpeen sekapolton vaikutus leijukerroskattilan toimintaan ja hiukkaspäästöihin... 28 2.2. ARINAPOLTTO... 30 2.3. POLTINPOLTTO... 31 2.3.1. Öljykattilat... 32 2.3.2. Turvepölykattilat... 33 2.3.3. Hiilipölykattilat... 33 2.4. SOODAKATTILAT... 34 2.5. DIESELVOIMALAITOKSET... 36 2.6. ERI POLTTOTEKNIIKOIDEN JA POLTTOAINEIDEN HIUKKASPÄÄSTÖJEN VERTAILUA... 36 3. HIUKKASTEN EROTTAMINEN SAVUKAASUISTA... 38 3.1. SÄHKÖSUODATIN... 40 3.1.1. Sähkösuodattimen toimintaperiaate... 42 3.1.2. Lentotuhkan resistiivisyyden vaikutus sähkösuodattimen erotusasteeseen... 46 3.1.3. Sähkösuodattimen erotusasteen parantaminen pienhiukkasille... 48 3.2. MUUT HIUKKASTEN EROTUSLAITTEET... 50 4. HIUKKASMITTAUKSET RAUHALAHDEN VOIMALAITOKSELLA... 59 4.1. RAUHALAHDEN VOIMALAITOS... 60 4.1.1. Kattila... 61 4.1.2. Polttoaineet... 63 4.1.3. Sähkösuodatin... 65 1
4.2. MITTAUSMENETELMÄT... 67 4.2.1. Andersen-syklonikeräin... 67 4.2.2. Näytteenottoon perustuva kokonaishiukkaspitoisuuden määrittäminen... 67 4.2.3. BLPI-tyyppinen alipaineimpaktori... 68 4.2.4. ELPI (Electrical Low Pressure Impactor)... 70 4.2.5. Muut mittaukset... 72 4.3. MITTAUSTEN SUORITUS JA NÄYTTEENOTTO... 73 4.3.1. Laitoksen ajotapa kokeiden aikana... 73 4.3.2. Mittauspaikat... 76 4.3.3. Näytteenotto... 76 5. TULOKSET JA NIIDEN ANALYSOINTI... 81 5.1. HIUKKASKOKOJAKAUMA ENNEN SÄHKÖSUODATINTA... 81 5.1.1. Andersen-syklonikeräin... 81 5.1.2. ELPI (VTT)... 83 5.2. HIUKKASKOKOJAKAUMA SÄHKÖSUODATTIMEN JÄLKEEN... 86 5.2.1. BLPI... 86 5.2.2. ELPI (Kuopion Yliopisto)... 89 5.3. KOKONAISHIUKKASPITOISUUS SÄHKÖSUODATTIMEN JÄLKEEN (SFS 3866)... 91 5.4. SÄHKÖSUODATTIMEN EROTUSASTE... 92 6. YHTEENVETO... 94 7. JATKOTOIMENPITEET... 96 LÄHDELUETTELO... 97 LIITTEET 2
KUVALUETTELO Kuva 1. Kupla- ja kiertopetikattilan toimintaperiaatteet. Kuva 2. CYMIC -Kiertopetikattila. Kuva 3. Tuhkan vaiheet leijukerroskattilassa. Kuva 4. Polttoaineen tuhkan käyttäytymistä kuvaavan mallin toimintaperiaate. Kuva 5. Polttoaineiden tuhkaa muodostavien aineiden jakaantuminen hienoon ja karkeaan jakeeseen. Kuva 6. Tuhkan muodostumismekanismit biomassan kiertoleijupoltossa. Kuva 7. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva metsätähdehakkeen kiertoleijupoltossa syntyneestä lentotuhkahiukkasesta. Kuva 8. Soodakattilan savukaasujen pölyn komponentit. Kuva 9. Puun ja turpeen polton hiukkaspäästöt (kt/a) vuonna 1995. Kuva 10. Sähkösuodatin. Kuva 11. Yhdistetyn kenttä- ja diffuusiovarautumisen aiheuttama hiukkasten sähköinen liikkuvuus hiukkaskoon funktiona. Kuva 12. Erityyppisiä pesureita: (a) pesutorni, (b) sykloni-pesutorni, (c) lämmöntalteenottopesuri, (d) venturipesuri. Kuva 13. Tangentiaalisella sisäänvirtauksella varustettu vastavirtasykloni. Kuva 14. Moniaukkosyklonin ja konventionaalisen syklonin virtauskaaviot. Kuva 15. Ravistamalla puhdistettava letkusuodin. Kuva 16. Rauhalahden voimalaitoksen kattilan poikkileikkauskuva. Kuva 17. Rauhalahden voimalaitoksen kiinteän polttoaineen vastaanottoasema. Kuva 18. Andersen-syklonikeräin. Kuva 19. BLPI-tyyppinen moniasteimpaktori. Kuva 20. Moniasteimpaktori osiin purettuna. Kuva 21. Sähköisen alipaineimpaktorin toimintakaavio. Kuva 22. Mittauspisteet laitoksella. Kuva 23. Polttoaineen tuhkan palamattomien osuus. Kuva 24. Andersen-syklonikeräimen kertymäfunktiot ennen sähkösuodatinta. Kuva 25. Eri hiukkaskokofraktioiden osuus hiukkasten kokonaismassasta. Kuva 26. Hiukkasten lukumääräjakauma hiukkaskokoalueella 0,01-0,2 m. Kuva 27. Hiukkasten lukumääräjakauma hiukkaskokoalueella 0,3-6,4 m. Kuva 28. BLPI-mittausten massakertymäfunktiot. Kuva 29. BLPI-mittausten massakokojakaumat. Kuva 30. Sähkösuodattimen jälkeen SMPS:llä ja ELPI:llä mitatut laimennuskorjatut lukumääräjakaumat (Kuopion Yliopisto). 3
TAULUKKOLUETTELO Taulukko 1. Uusiin laitoksiin sovellettavat hiukkaspäästöjen raja-arvot mg/m 3 n:ina ilmaistuina (O 2 -pitoisuus 6 % kiinteiden polttoaineiden osalta, 3 % nestemäisten ja kaasumaisten polttoaineiden osalta) Taulukko 2. Kiinteiden polttoaineiden tuhkapitoisuuksia sekä tuhkan alkuainekoostumus painoprosentteina alkuaineen oksidina ilmaistuna. Taulukko 3. Hiukkasmittaus- ja näytekeräyssuunnitelma. Taulukko 4. Rauhalahden voimalaitoksen leijukerroskattilan tekniset tiedot. Taulukko 5. Voimalaitoksen sähkösuodattimen tärkeimpiä mitoitusarvoja Taulukko 6. Suunnitellut ja toteutuneet polttoainesuhteet. Taulukko 7. Laitoksen prosessiparametreja ja savukaasukomponenttien pitoisuuksia eri kokeiden aikana (kaasumaiset päästöt redusoitu 6 % O 2 -pitoisuuteen). Taulukko 8. Polttoaineanalyysin tulokset. Taulukko 9. Kostean polttoaineen teholliset lämpöarvot. Taulukko 10. Polttoaineen tuhkan alkuainekoostumukset. Taulukko 11. Kokonaishiukkaspitoisuudet kosteassa ja kuivassa kaasussa. Taulukko 12. Sähkösuodattimen erotusasteet. 4
KÄYTETYT MERKINNÄT Lyhenteet: BFB BLPI CFB CFD CHP CYMIC ELPI ESP FCC PAH PM REF SMPS TSP VOC WESP Bubbling Fluidized Bed Berner Low Pressure Impactor Circulated Fluidized Bed Computational Fluid Dynamics Combined Heat and Power Cylindrical Multi-inlet cyclone Electrical Low Pressure Impactor Electrostatic Precipitator Fluid Catalytic Cracking Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Particulate Matter Recycled Fuel Scanning Mobility Particle Sizer Total Suspended Particles Volatile Organic Compounds Wet Electrostatic Precipitator Merkinnät: A Sähkösuodattimen keräyspinta-ala [m 2 ] a Polttoaineen vuosikulutus [PJ/a] c Savukaasun pölypitoisuus [g/m 3 n] ef Ominaispäästökerroin ennen hiukkasten erotuslaitetta [mg/mj] em Vuosittainen kokonaishiukkaspäästö [kt/a] H Polttoaineen lämpöarvo [MJ/kg] l Veden höyrystymislämpö [kj/kg] Q Tilavuusvirta [m 3 /s] q Massavirta [kg/s] w Pölyn ominaisvaellusnopeus [m/s] x Hiukkasten läpäisykerroin Alaindeksit: 25 Lämpötilassa 25 C i Polttoaine j Yksikkö/polttotekniikka k Hiukkasten erotustekniikka 0 Ennen erotuslaitetta u Tehollinen arvo 5
1. JOHDANTO Hiukkaspäästöjen syntyminen Ulkoilmassa leijuvat hiukkaset ovat peräisin liikenteen, energiantuotannon ja teollisuuden suorista hiukkaspäästöistä. Lisäksi hiukkasia muodostuu ilmakehässä sekundaarisesti kaasumaisista yhdisteistä (savukaasut ja luonnolliset hiilivetypäästöt) erilaisten fysikaalisten ja kemiallisten reaktioiden tuloksena. Kaikesta ilmassa leijuvasta materiaalista käytetään termiä kokonaisleijuma (TSP, total suspended particles). Kokonsa puolesta hiukkaset jaetaan yleensä hengitettäviin hiukkasiin (PM10, halkaisija alle 10 m) ja pienhiukkasiin (PM2.5, halkaisija alle 2,5 m). Nykyään puhutaan myös ultrapienistä hiukkasista (submicron particles, PM0.1, halkaisija alle 0,1 m). Viime aikaiset epidemiologiset tutkimukset osoittavat, että hengitettävillä hiukkasilla on haitallisia terveysvaikutuksia. Ne voivat aiheuttaa hengityselinsairauksia, sydäntauteja ja sitä kautta kuolleisuuden lisääntymistä. Erityisen uhkatekijän muodostavat pienhiukkaset, koska ne tunkeutuvat syvälle hengitysteihin. Lisäksi useat haitta-aineet kuten raskasmetallit voivat rikastua juuri pienimpiin hiukkasiin. Myös eräät orgaaniset päästökomponentit kuten haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC) ja polyaromaattiset hiilivedyt (PAH) voivat muodostaa hiukkasia erilaisten kondensaatio- ja nukleaatioreaktioiden kautta. Nykyään kiinnitetäänkin yhä tarkempaa huomiota juuri orgaanisiin päästökomponentteihin niiden karsinogeenisen vaikutuksen vuoksi. Niiden mittaaminen ja mittaustulosten oikea tulkinta on kuitenkin vaikeaa, koska orgaanisten yhdisteiden kondensoituminen ja sekundaaristen hiukkasten muodostuminen muuttavat kaasun jäähtyessä päästön todellista hiukkaspitoisuutta ja hiukkaskokojakaumaa. Kun orgaanisten yhdisteiden päästölähteitä Suomessa tulevaisuudessa kartoitetaan, olisikin otettava huomioon Suomen teollisen rakenteen erilaisuus ja poikkeavat ympäristöolot. Erityisesti turvevoimaloiden ja selluteollisuuden päästöt sekä tieliikenteen erityispiirteet (talvella lumi, keväällä ja loppusyksystä hiekoitushiekka) olisi selvitettävä omina kohteinaan. Myös erot liikennekulttuurissa sekä lämmitystarpeessa ja polttoaineiden käytössä (puunpoltto) on otettava huomioon (Raunemaa et. al. 1998). 6
Tilastokeskuksen mukaan Suomen kokonaishiukkaspäästöt (t/a) vuonna 1996 kiinteistä lähteistä olivat noin 77 % kaikista hiukkaspäästöistä. Kiinteiksi lähteiksi luetaan energiantuotannon ja teollisuuden voimalaitosten lisäksi muu polttoaineiden käyttö (teollisuuden prosessit, maatalous ja kotitaloudet). Kiinteistä lähteistä käytetään myös nimitystä pistelähteet. Vaikka liikenteen päästöjen osuus kokonaishiukkaspäästöistä onkin pieni (23 %), muodostavat ne pääosan erityisesti kaupunki-ilman kokonaishiukkaspäästöistä. Hiukkaspäästöille asetetut rajoitukset Kaikki yli 5 MW:n energiantuotanto- ja teollisuuskattilalaitokset ovat ilmoitusvelvollisia tuottamistaan päästöistä. Näiden ilmoitusvelvollisten laitosten päästötietoja ylläpidetään ja valvotaan erityisessä VAHTI-tietokannassa Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) taholta. Hiukkaspäästöt ilmoitetaan tietokannassa kokonaismassana (t/a) (Ohlström 1998). Hiukkaspäästöjä on aikaisemmin rajoitettu ilmansuojelulain nojalla. Vanha ilmansuojelulaki ja -asetus kumoutuivat, kun uusi ympäristönsuojelulaki (86/2000) ja - asetus (169/2000) tulivat voimaan 1.3.2000. Ilmansuojeluvaatimuksissa ei tapahtunut uudistuksen myötä suuria muutoksia ja suurin osa vanhan ilmansuojelulain aikaisista säännöksistä sisältyykin uuteen ympäristönsuojelulakiin (www.vyh.fi). Valtioneuvosto on vuonna 1987 antanut vanhoja 1-50 MW:n voima- ja kattilalaitoksia koskevan hiukkaspäästöjä rajoittavan päätöksen (VNp 157/1987). Tässä kotimaista polttoainetta käyttäville polttoaineteholtaan 1-5 MW:n laitoksille on asetettu kiinteä hiukkaspäästöraja 200 mg/mj. Kokoluokan 5-50 MW laitosten suurin sallittu hiukkaspäästö puolestaan lasketaan huomioiden kattilan polttoaineteho. Valtioneuvosto on lisäksi antanut vuonna 1994 päätöksen (VNp 368/1994), joka rajoittaa uusien 1.1.1994 jälkeen rakennettujen polttoaineteholtaan 50-300 MW:n laitosten hiukkaspäästöjä. Tämä rajoittaa kiinteitä polttoaineita käyttävien 50-300 MW:n laitosten hiukkaspäästöjen ylärajaksi 50 mg/m 3 n. Yli 300 MW:n laitosten vastaava raja- 7
arvo on 30 mg/m 3 n. Ennen kyseistä päivämäärää rakennetuille laitoksille edellä mainitut päästörajat ovat tavoitteellisia ohjearvoja. Päästöjä laskettaessa savukaasun happipitoisuus muunnetaan niin, että se on 6 tilavuusprosenttia käytettäessä kiinteää polttoainetta ja 3 tilavuusprosenttia käytettäessä nestemäistä tai kaasumaista polttoainetta (www.vyh.fi). Hiukkaspäästöjä rajoitetaan kansallisen lainsäädännön lisäksi EU:n asettamilla direktiiveillä. Esimerkiksi suuria laitoksia koskeva EU:n hiukkaspäästödirektiivi uudistettiin vuoden 2001 lopulla. Tämä tiettyjen suurista polttolaitoksista ilmaan pääsevien epäpuhtauspäästöjen (SO 2, NO x ja hiukkaset) rajoittamisesta alunperin 24.11.1988 annettu Euroopan neuvoston direktiivi 88/609/ETY on osaltaan vaikuttanut suurista polttolaitoksista ilmakehään joutuvien päästöjen vähentämiseen ja rajoittamiseen. Selkeyden vuoksi direktiivi kuitenkin laadittiin uudelleen loppuvuoden 2001 aikana. Taulukossa 1 on esitetty uuteen direktiiviin perustuvat hiukkaspäästönormit suurille laitoksille. Vanhojen laitosten velvoitteet astuvat voimaan vuonna 2008, uusien laitosten vuoden kuluessa direktiivin voimaantulosta. Direktiivi astui voimaan sinä päivänä kun se julkaistiin Euroopan yhteisöjen virallisessa lehdessä, eli tässä tapauksessa 27.11.2001. Uusilla laitoksilla tarkoitetaan polttolaitoksia, joiden alkuperäinen rakennuslupa tai käyttölupa on myönnetty 1.7.1987 tai sen jälkeen. 8
Taulukko 1. Uusiin laitoksiin sovellettavat hiukkaspäästöjen raja-arvot mg/m 3 n:ina ilmaistuina (O 2 -pitoisuus 6 % kiinteiden polttoaineiden osalta, 3 % nestemäisten ja kaasumaisten polttoaineiden osalta) (Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2001/80/EY). Polttoainetyyppi Mitattu lämpöteho (MW) Raja-arvot (mg/m 3 n) Kiinteä 500 50 (2) Nestemäinen (1) < 500 100 kaikki laitokset 50 Kaasumainen kaikki laitokset yleensä 5 masuunikaasun osalta 10 niiden terästeollisuuden tuottamien kaasujen osalta, joita voidaan käyttää muualla 50 (1) Raja-arvoa 100 mg/m 3 n voidaan soveltaa laitoksiin, joiden mitattu lämpöteho on alle 500 MWth, (2) ja jotka polttavat sellaista nestemäistä polttoainetta, jonka tuhkapitoisuus on yli 0,06%. Raja-arvoa 100 mg/m 3 n voidaan soveltaa laitoksiin, joille on myönnetty lupa 4 artiklan 3 kohdan mukaisesti ja joiden mitattu lämpöteho on vähintään 500 MWth ja jotka polttavat sellaista kiinteää polttoainetta, jonka lämpösisältö on alle 5 800 kj/kg (alempi lämpöarvo), kosteuspitoisuus on yli 45 % painosta, yhdistetty kosteus- ja tuhkapitoisuus on yli 60 % painosta ja kalsiumoksidipitoisuus on yli 10 %. Tätä direktiiviä sovelletaan vain energiantuotantoon tarkoitettuihin polttolaitoksiin, lukuun ottamatta niitä, jotka käyttävät palamistuotteita suoraan hyväkseen valmistusprosesseissa. Jäsenvaltioiden on saatettava tämän direktiivin noudattamisen edellyttämät lait, asetukset ja hallinnolliset määräykset voimaan viimeistään 27.11.2002 (Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2001/80/EY). Lisäksi EU on 4.12.2000 hyväksynyt erityisen jätteenpolttoa koskevan direktiivin (2000/76/EY), joka asettaa entistä tiukemmat päästönormit jätteiden energiahyötykäytölle. Direktiivi asettaa päästörajat esimerkiksi kokonaishiukkaspäästöille ja eri raskasmetalleille. Tiukemmat päästönormit voivat aiheuttaa ongelmia Suomen kaltaisissa sekapolttoa harjoittavissa maissa, joissa poltetaan jätteeksi luokiteltavaa polttoainetta yhdessä pääpolttoaineen kanssa. Esimerkiksi Suomen metsäteollisuuden biologisten jätevedenpuhdistamoiden lietteet ja 9
rakennuspuujätteet luokitellaan EU:n mukaan jätteeksi. Luokitus koskee myös lajitellusta palamiskelpoisesta jätteestä (REF, recycled fuel) kaasuttamalla saatua kaasua. On huomattava, että sekapolttoa koskeva direktiivi on voimassa jos yksikin polttoaineen komponenteista luokitellaan jätteeksi. Työn tarkoitus ja rakenne Energiantuotannon osalta hiukkaspäästöjen muodostumisprosessit tunnetaan parhaiten hiilen pölypolton osalta. Viime aikoina tutkimuksia onkin kohdennettu erityisesti leijukerrospolton hiukkaspäästöihin, koska varsinkin sekapolton vaikutuksesta hiukkaspäästöihin on vielä vähän tutkimustuloksia. Puun ja turpeen sekapolton avulla voidaan tunnetusti vähentää vanhojen turvekattiloiden CO 2 - ja SO 2 -päästöjä. Lisäksi sekapoltto ehkäisee eräiden puuperäisten polttoaineiden poltossa esiintyvää kattilan likaantumista ja kuumakorroosiota. Toisaalta puupolttoaineen lisäyksen mahdollista vaikutusta hiukkaspäästöihin ei vielä täysin tunneta. Usein sekapolttoa harjoittavat yhdistetyt lämmön- ja sähköntuotantolaitokset sijaitsevat taajamien läheisyydessä, jolloin väestö saattaa altistua suuremmille hiukkaspitoisuuksille. Koska syntyvien hiukkasten kokojakauma saattaa sekapolton myötä muuttua (pienhiukkasten osuus kasvaa), voi sekapoltolla olla myös terveydellisiä vaikutuksia. Tämän työn teoriaosassa tarkastellaan aluksi hiukkaspäästöjen syntymistä ja niiden hallintaa energiantuotannossa. Erityisesti tarkastellaan leijukerrospolton ominaispiirteitä hiukkaspäästöjen muodostumisen kannalta. Hiukkasten erotustekniikoiden esittelyssä keskitytään sähkösuodattimen toiminnan kuvaamiseen. Työn kokeellisessa osassa on tutkittu miten puun ja turpeen polttoainesuhteen muutos vaikuttaa leijukerroskattilan kokonaishiukkaspäästöön ja hiukkasten kokojakaumaan. Sähkösuodattimen jälkeisiä hiukkasnäytteitä ei tässä tapauksessa analysoitu keräysteknisistä syistä johtuen. Kokeellisessa osassa tarkastellaan myös onko puun ja turpeen sekapoltolla vaikutusta sähkösuodattimen erotusasteeseen. Koska kokojakaumamittaukset on suoritettu kahdella eri menetelmällä, pystytään näiden menetelmien antamia tuloksia myös vertailemaan keskenään. 10
2. HIUKKASTEN MUODOSTUMINEN LEIJUKERROSPOLTOSSA JA PÄÄSTÖT ERI POLTTOTEKNIIKOILLA Energiantuotannon suorat hiukkaspäästöt koostuvat orgaanisista ja epäorgaanisista yhdisteistä. Epäorgaaninen osuus riippuu käytettävän polttoaineen mineraalikoostumuksesta, mineraalien esiintymismuodoista ja palamisolosuhteista (prosessiparametrit). Orgaanisia yhdisteitä kuten PAH-yhdisteitä puolestaan muodostuu pyrolyysissa epätäydellisen palamisen seurauksena, joten niiden osuus riippuu pääosin prosessiolosuhteista. Yleisesti voidaan sanoa, että pienimmät nanokokoluokan hiukkaset muodostuvat aina höyrystyneistä kaasumaisista yhdisteistä, kun taas kokoluokan 1-10 m hiukkasista suurin osa on peräisin palamisen yhteydessä pilkkoutuneista suuremmista hiukkasista. Tällaisia ovat esimerkiksi polttoaineen palamaton osuus eli tuhka, petimateriaali, rikin yhdisteiden erottamiseen käytettävä kalkki ja alkalimetallien erottamiseen käytettävät sorbentit. Palamattomat polttoainehiukkaset ovat suuria, yleensä yli 5 m ja sorbenttihiukkaset yleensä noin 10-30 m (Jokiniemi et. al. 1995, Jokiniemi et. al. 2000). Hiukkasten koon alarajana pidetään molekyyliryppäitä, jotka ovat vain hiukan kaasumolekyyliä suurempia. Käytännöllinen ero kaasumolekyylin ja hyvin pienen aerosolihiukkasen välillä on se, että hiukkasen törmätessä esimerkiksi kattilan lämmönvaihtimen pintaan se tarttuu siihen kiinni (depositio), mutta kaasumolekyylin törmäys pintaan on kimmoinen eli se pomppaa takaisin kaasuvirtaukseen. Yleensä hiukkasten koon alarajana pidetään yhtä nanometriä. Hiukkasten koon yläraja on puolestaan vaikea määritellä, mutta se voi olla esimerkiksi hiukkaskoko, joka pysyy painovoimakentässä ilmassa yhden sekunnin ajan. Käytännössä yli 100 m:n hiukkasia esiintyy savukaasuissa harvoin ennen hiukkasten erotuslaitteita, koska suuret hiukkaset 11
laskeutuvat kaasusta pinnoille painovoiman vaikutuksesta. (Jokiniemi et. al. 1995, Ohlström 1998). Tässä luvussa on tarkasteltu hiukkaspäästöjen muodostumista sekä polttoaineen tuhkan käyttäytymistä leijukerrospoltossa. Lisäksi luvussa esitellään leijukerrospolton perusteita sekä puun ja turpeen sekapolton vaikutusta kattilan toimintaan. Lopuksi esitellään hiukkasten muodostumisen perusteita myös muiden polttoprosessien osalta, jotta saadaan kuva eri polttotekniikoiden erityispiirteistä. Liitteessä 1 on lisäksi esitetty eri polttotekniikoiden hiukkaspäästöjen yhteenvetotaulukko, jossa päästömäärät ilmoitetaan käyttötunneilla painotettuina ominaispäästöinä (mg/mj polttoaine ). Tällöin erilaisen käyttöajan omaavia laitostyyppejä (peruskuormalaitokset/varavoimalaitokset) voidaan verrata keskenään. Ilmoitetut ominaispäästöt perustuvat Suomen ympäristökeskuksen VAHTI-järjestelmän pohjalta tehtyyn tutkimukseen (Ohlström 1998). Pienpolton hiukkaspäästöjä ei ole tässä työssä tarkasteltu. Ominaispäästöt voivat tosin niiden kohdalla olla hyvinkin suuria, esim. keittiön puukäyttöisessä uunissa jopa 1 000 mg/mj ja puukäyttöisessä kiukaassa 300 mg/mj (Karvosenoja 2001). 2.1. Leijukerrospoltto Leijukerrospoltto on ollut 1970-luvulta lähtien eräs tärkeimmistä tavoista polttaa kiinteitä polttoaineita ympäristöystävällisesti. Suomi on ollut alusta alkaen leijukerrostekniikan kehittäjänä maailman johtavia maita. Pedin suuren lämpökapasiteetin ansiosta leijukerrostekniikka soveltuu erityisesti huonolaatuisille (kosteille) polttoaineille, koska erillistä kuivausta ei tarvita. Tällaisia polttoaineita ovat mm. kuori, metsätähdehake sekä metsäteollisuuden ja puhdistamoiden lietteet. Kuumaan hiekkakerrokseen sekoittuva kostea polttoaine kuivuu nopeasti ja lämpenee syttymislämpötilaan. Suuri lämpökapasiteetti tasaa myös hyvin polttoaineen 12
laatuheilahteluja. Erityisen ympäristöystävälliseksi leijukerrospolton tekee esim. pölypolttoon verrattuna huomattavasti matalampi palamislämpötila ja siten vähäisemmät NO x -päästöt. Lisäksi rikinpoisto on helppo toteuttaa syöttämällä kalkkia suoraan tulipesään (Huhtinen et. al. 1994, Hyppänen et. al. 1995). Leijukerrospoltto voidaan toteuttaa joko kuplivassa leijukerroksessa (BFB, kuplapeti) tai kiertoleijukerroksessa (CFB, kiertopeti). Kuvassa 1 on esitetty kupla- ja kiertopetikattiloiden toimintaperiaatteet. Kuplapeti (BFB) Kiertopeti (CFB) Kuva 1. Kupla- ja kiertopetikattilan toimintaperiaatteet (Hyppänen et. al. 1995). Kuplapedissä leijukerroshiukkaset pysyvät leijukerroksessa, kun taas kiertopedissä kiintoainehiukkaset kulkevat leijutuskaasun mukana pois leijutustilasta ja ne on jatkuvuustilan aikaansaamiseksi palautettava takaisin. Leijukerroksen petilämpötila vaihtelee välillä 750...950 C (Hyppänen et. al. 1995). Lämpötilan ylärajan on oltava polttoaineen tuhkan pehmenemislämpötilan alapuolella, jotta peti ei pääsisi sintraantumaan. Sintraantumaan päässeen hiekan poistaminen kattilasta on erittäin hankalaa ja vaatii yleensä kattilan alasajon (Huhtinen et. al. 1994). Kupliva leijukerros jaetaan kahteen osa-alueeseen eli kupla- ja emulsiofaasiin. Kuplafaasi muodostuu kaasukuplista, jotka nousevat minimileijutustilassa olevassa emulsio- 13
faasissa, joka taas koostuu leijukerroshiukkasista. Pinnan yläpuolista kaasutilaa (freeboard) kutsutaan jälkipalotilaksi (Huhtinen et al. 1994). Kuplapetikattilassa polttoaine syötetään pedin päälle mekaanisesti. Polttoainesiilon alapuolinen kuljetin syöttää polttoaineen sulkusyöttimien kautta pudotusputkiin, joista se putoaa tulipesään pedin päälle. Jotta polttoaine jakautuisi tasaisesti koko pedin alueelle, on syöttöputkia tavallisesti useita. Lisäksi syöttöputkiin voidaan johtaa heittoilmaa, joka myös edesauttaa polttoaineen tasaista leviämistä (Huhtinen et. al. 1994). Kuplapetikattilassa tyypillinen hiekan keskiraekoko on 1-3 mm. Leijutusnopeus on noin 0,7-2 m/s ja pedin korkeus 0,4-0,8 m. (Huhtinen et. al. 1994). Tuhka poistetaan kuplapetikattilasta päästämällä tietty määrä leijutushiekkaa pois arinan aukoista. Tällöin saadaan poistettua pedin kuplintaa haittaava karkea aines. Kiertopetikattilat puolestaan toimivat leijutusalueilla, joille on ominaista voimakas pyörteisyys. Tällöin leijukerroksesta ei erotu selvää rajapintaa, vaan pedin tiheys pienenee korkeuden funktiona. Polttoaine syötetään kattilaan joko etuseinän kautta, tai sekoittamalla se syklonista (erottimesta) palaavan hiekan joukkoon. Kiertopetikattiloissa käytettävät leijutusnopeudet ovat olennaisesti korkeampia kuin kuplapetikattiloissa, luokkaa 3-10 m/s, jolloin osa leijutushiekasta (keskiraekoko on 0,1-0,5 mm) tempautuu savukaasuvirran mukaan (Huhtinen et. al. 1994). Nämä tulipesästä poistuvat hiukkaset erotetaan savukaasuvirrasta syklonissa tai nykyään myös kattilan yhteyteen muuratussa erottimessa ja palautetaan tulipesään. Eräs laitevalmistaja on kokeillut myös erottimen sijoittamista kuvan 2 mukaisesti suoraan kattilan tulipesään. 14
Kuva 2. CYMIC -Kiertopetikattila (http://www.finbioenergy.fi/teknologiat/fin/26.htm) Tässä ratkaisussa erottimena toimii suoraan tulipesään sijoitettu vesijäähdytteinen moniaukkosykloni. Ratkaisun eduiksi mainitaan suuri teho suhteutettuna kattilan kokoon ja tehokas lämmönsiirto. 2.1.1. Polttoaineen tuhkan käyttäytyminen leijukerrospoltossa Polttoaineen tuhkan sisältämät yhdisteet ja niiden erilaiset ominaisuudet vaikuttavat suuresti siihen miten polttoaineen tuhka poltossa käyttäytyy. Yleisesti kiinteän polttoaineen tuhkalla tarkoitetaan sitä epäorgaanisen aineen massaa, joka jää jäljelle poltettaessa polttoainenäyte täydellisesti hapettavassa kaasukehässä. Se ei kuitenkaan vastaa täysin alkuperäisen polttoainenäytteen sisältämää epäorgaanisen aineen määrää, 15
koska polton aikana jotkut polttoaineen sisältämät mineraalit voivat hajota tai hapettua (Moilanen et. al. 1995). Polttoaineen tuhkapitoisuus ilmoitetaan yleensä painoprosentteina kuiva-aineen painosta. Kuvassa 3 on esitetty polttoaineen sisältämän tuhkan vaiheet leijukerroskattilassa aina polttoaineen syötöstä lentotuhkan erotukseen asti. Kuva 3. Tuhkan vaiheet leijukerroskattilassa. Tuhkaa muodostavien ainesosien koostumus vaihtelee siis suuresti eri polttoaineiden välillä. Tavanomaisimpien mineraalien, kuten Fe, Si, Al, Mg ja Ca lisäksi polttoaineen tuhka sisältää muita ympäristövaikutusten kannalta merkittävämpiä mineraaleja, kuten raskasmetalleja (yhteensä 15 kpl, esimerkiksi Hg, Cd, Pb, Cu, As, Cr, Ni ja Zn). Raskasmetalleja esiintyy voimalaitoksen eri jätevirroissa (esim. kattilan pohjatuhka, sähkösuodattimen suppiloiden tuhka jne.) riippuen mineraalin yhdistemuodon eri ominaisuuksista, erityisesti höyrystymislämpötilasta ja reaktioherkkyydestä sekä 16
polttotekniikasta. Metallit voidaan yleisesti jakaa höyrystymis- ja sitoutumiskäyttäytymisen mukaan kolmeen eri ryhmään sen perusteella minkä kokoisiin hiukkasiin ne sitoutuvat (Huotari et. al. 1995): Alkuaineet, jotka osoittavat hyvin vähäistä tai olematonta taipumusta rikastua pieniin hiukkasiin. Näitä ovat mm. Al, Ca, Fe ja Mg. Yhteensä näitä metalleja on 22 kpl, joista suurin osa harvinaisia maametalleja. Metallit, joiden pitoisuus kasvaa lievästi hiukkaskoon pienentyessä. Näitä ovat mm. Ba, Co, Cu, Ni ja U. Metallit, joiden pitoisuus kasvaa hiukkaskoon pienentyessä. Näitä ovat mm. As, Cd, Mo, Pb, Se ja Zn. Käytännössä ongelmaksi muodostuvat ryhmän 3 raskasmetallit, jotka höyrystyessään sitoutuvat yleensä 0,1-1 m:n hiukkasiin. Tämä johtuu siitä, että pienten hiukkasten yhteenlaskettu pinta-ala on huomattavasti suurempi kuin niiden massaa vastaavan suuren hiukkasen. On tosin olemassa ristiriitaisia tutkimustuloksia biomassan leijupoltosta, jossa raskasmetallien rikastumista pienhiukkasiin ei tapahtunut lainkaan (Lind 1999). Raskasmetalleista sinkin on todettu rikastuvan petimateriaaliin metsähakkeen kiertoleijupoltossa. Rikastuminen johtuu todennäköisesti höyrystyneen sinkin ja petimateriaalin hiukkasten välisistä kemiallisista reaktioista. Muiden raskasmetallien rikastumista petiin ei tässä tapauksessa havaittu (Lind 1999). Taulukoon 2 on koottu kiinteiden polttoaineiden tuhkapitoisuuksia ja niiden tuhkan alkuainekoostumuksia. On syytä havaita, että komponentit eivät välttämättä esiinny tuhkassa oksidimuodossa, vaan kyseessä on yleinen käytäntö ilmaista tuhkan alkuainekoostumus. 17
Taulukko 2. Kiinteiden polttoaineiden tuhkapitoisuuksia sekä tuhkan alkuainekoostumus painoprosentteina alkuaineen oksidina ilmaistuna (Skrifvars et. al. 1995) Polttoai ne Tuhka- % SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 P 2 O 5 CaO MgO Na 2 O K 2 O SO 3 Muu* Turpeet 1,6 31,8 13,1 11,0 21,1 6,0 1,4 2,0 13,6 Puut 16,8 20,0 5,2 70,0 2,2 4,7 0,7 0,5 0,7 ** 19,6 57,0 13,0 17,0 1,6 4,4 1,4 2,3 2,0 1,3 Koivu 0,3 0,9 3,5 45,8 11,6 8,7 15,1 2,6 11,8 Mänty 0,2 3,5 2,7 41,8 16,1 3,1 15,3 4,5 13,0 Kuusi 0,3 1,0 2,7 36,8 9,8 3,2 29,6 4,3 12,6 Kuoret Mänty 1,6 3,0 1,0 3,0 60,3 5,9 0,7 4,1 22,0 Kuusi 3,4 21,7 1,8 2,7 50,5 4,2 2,8 3,5 12,8 Palava kivi, Viro *=laskettu erotuksena **=erotus negatiivinen 42,5 28,2 12,2 6,1 39,8 4,3 0,5 3,3 5,6 0,0 Kuten taulukosta 2 huomataan puun tuhka sisältää lähinnä alkali- ja maaalkalimetalleja, kun taas turpeen tuhkassa on huomattavia määriä piitä, alumiinia ja rautaa. Nuorilla polttoaineilla kuten biomassoilla suurin osa tuhkaa muodostavista ainesosista löytyykin polttoaineen orgaaniseen osaan sitoutuneena. Mikäli näiden polttoaineiden tuhkassa on suuria määriä erilaisia mineraalihiukkasia, ovat ne peräisin ulkopuolisista lähteistä kuten hiekasta ja savesta. Turpeella sekä nuorilla hiilillä tuhkaa muodostavat ainesosat puolestaan esiintyvät sekä erillisinä mineraalisulkeumina polttoaineessa, että rakenteeseen liittyneinä orgaanisina yhdisteinä (Skrifvars et. al. 1995). Tuhkan sisältämien metallien erilaiset ominaisuudet, lähinnä resistiivisyys 18
vaikuttaa myös merkittävästi esimerkiksi sähkösuodattimen toimintaan. Lentotuhkan resistiivisyyden vaikutusta erotusasteeseen tutkitaan tarkemmin luvussa 3.4.2. Kuvan 3 mukaisesti polttoaineen sisältämä tuhka jakautuu polttoprosessissa karkeaan ja hienoon jakeeseen. Karkea aines poistetaan kattilasta pohjatuhkana. Se on yleensä lähes inerttiä, mutta voi joissain tapauksissa aiheuttaa pedin agglomeraatiota. Esimerkiksi eräiden biomassojen poltossa tuhkan sisältämä kalium reagoi petihiekan kanssa alentaen hiekan silikaattien sulamislämpötilaa, josta voi olla seurauksena agglomeraatiota (Lind 1999). Pohjatuhkan karkea aines muodostuu kun tuhkakomponentit kiinnittyvät hiekkapartikkeleihin. Näin syntyneet hiukkaset kasvavat edelleen. Tuhkakomponentin kiinnittyminen voi tapahtua kahdella tavalla, joko haihtumattoman komponentin adheesiona (kiinnikasvamisena) hiekkapartikkelin pintaan, tai haihtuvan tuhkakomponentin diffuusiona kvartsihiekkaan (Lind 1999). Kattilan freeboardiin kulkeutuvat pienet hiukkaset (lentotuhka) ovat puolestaan reaktiivisia. Lentotuhkan muodostumista on esitelty tarkemmin kappaleessa 2.1.2. Viime aikoina tehdyissä tutkimuksissa (Skrifvars et. al. 2001, Zevenhoven-Onderwater et. al. 2000) on pyritty kehittämään malleja, joilla polttoaineiden tuhkan käyttäytymistä sekä jakaantumista petiin (karkeat hiukkaset) ja freeboardiin (pienet hiukkaset) voitaisiin ennustaa leijukerrospoltossa eri polttoaineilla. Kuvassa 4 on havainnollistettu mallin toimintaa. Kokeessa polttoainenäyte käsitellään kemiallisesti joko vedellä, ammonium asetaatilla (NH 4 Ac) tai suolahapolla (HCl), jotta sen epäorgaaninen koostumus saataisiin selville. Malli perustuu siihen, että tuhkan eri komponentit (esim. alkaliyhdisteet, karbonaatit ja silikaatit) liukenevat (pilkkoutuvat) eri tavalla. Esimerkiksi vedellä uutettaessa alkaliyhdisteet (pienet hiukkaset) liukenevat, mutta silikaatit, karbonaatit ja sulfaatit eivät. Kun käytettävää uuttavaa ainetta vahvennetaan (ammonium asetaatti ja suolahappo), myös karkea aines liukenee. Osa yhdisteistä ei tosin liukene lainkaan. 19
Polttoainenäyte Kemiallinen pilkkominen Vesi- ja ammonium asetaatti-uuton Suolahappouuton fraktio (+liukenemattomat) Termodynaam inen tasapainolaske Lentotuhka Pohjatuhka Kuva 4. Polttoaineen tuhkan käyttäytymistä kuvaavan mallin toimintaperiaate (Zevenhoven-Onderwater et. al. 2000). Käsittelyn tuloksena saadut näytteet analysoidaan ja saatuja tuloksia käytetään termodynaamisessa tasapainolaskennassa (the global equilibrium analysis). Laskennan tuloksena saadaan polttoaineen tuhkan sisältämän mineraaliaineksen jakaantuminen eri komponentteihin (karkea/hieno). Kuvassa 5 on mallin perusteella saatu yksinkertaistettu esitys eri polttoaineiden tuhkan jakaantumisesta hienoon ja karkeaan jakeeseen. Kun tarkastellaan lisäksi eri polttoaineiden tuhkan pehmenemistaipumusta ja siitä seurauksena olevaa likaantumista ja kuonaantumista, voidaan polttoaineet mallin perusteella luokitella sen mukaan, kuinka paljon ongelmia niiden poltossa esiintyy. 20
Eniten ongelmia poltossa esiintyy tämän mallin mukaan vehnän oljen ja puulastujen poltossa ja vähiten hiilen ja turpeen poltossa (Skrifvars et. al. 2001). 70 Mineraaliaines, g/kg kuivaa polttoainetta 60 50 40 30 Hieno Karkea 20 10 0 Turve Hiili Vehnän olki Kuori Metsähake1 Puulastu-sekoitus Metsähake2 Kuva 5. Polttoaineiden tuhkaa muodostavien aineiden jakaantuminen hienoon ja karkeaan jakeeseen (Skrifvars et. al. 2001). 2.1.2. Lentotuhkan muodostumismekanismit Palamisprosesseissa muodostuvat hiukkaset ovat yleensä sangen monimutkainen sekoitus eri tavoin (fysikaalisesti ja kemiallisesti) muodostuneita, koostumukseltaan ja kooltaan vaihtelevia hiukkasia. Hiukkasmuodostumista kuvaavilla malleilla voidaan hiukkasten ominaisuudet parhaassa tapauksessa ennustaa kvalitatiivisesti. Hiukkasten ominaisuuksien kvantitatiivinen määritys on kuitenkin mahdollista ainoastaan kokeellisesti (Kauppinen et. al. 1989). Lentotuhkahiukkasten muodostuminen polttoprosesseissa tunnetaan parhaiten siis hiilen pölypolton osalta. Kuitenkin hiilihiukkasenkin palamisessa tapahtuvat kaasumaisten yhdisteiden vapautumisprosessit ovat niin monimutkaisia, ettei niitä vielä täysin tunneta. Vapautumiseen vaikuttaa merkittävästi se miten eri aineet ovat alunperin sitoutuneet hiileen, niiden väliset ainesuhteet, hiilen sisältämien mineraalihiukkasten koostumus, hiukkasten koko ja 21
määrä, kemialliset reaktiot hiilihiukkasen sisällä ja palamisolosuhteet (Jokiniemi et. al. 1995). Leijupoltossa hiukkasten muodostumiseen vaikuttavien muuttujien määrä lisäksi kasvaa. Yleisesti lentotuhkan on havaittu muodostuvan leijupoltossa kolmella eri tavalla (Lind 1999): Petimateriaalin pilkkoutuminen Jäännöstuhkahiukkasen (residual ash) muodostuminen koksin sisällä tai pinnalla Uusien tuhkahiukkasten muodostuminen höyrystymisen ja nukleaatioiden kautta (pienhiukkasmoodi) Leijukerrospoltossa lämpötilat ovat alhaisempia ja polttoainehiukkasten koko on suurempi pölypolttoon verrattuna. Näillä tekijöillä ja polttoaineen mukana tulipesään syötettävällä petimateriaalilla (kvartsihiekka tai kalkki) on suuri merkitys arvioitaessa pölyhiukkasten koostumusta ja kokoa ennen hiukkasten erotuslaitetta. Kuvassa 6 on esitetty kaaviokuva tuhkan muodostumisesta biomassan kiertoleijupoltossa. 22
Kuva 6. Tuhkan muodostumismekanismit biomassan kiertoleijupoltossa (Lind 1999). Kuivuminen ja pyrolyysi Tullessaan tulipesään polttoainehiukkanen aluksi kuivuu, jolloin sen sisältämä vesi höyrystyy. Tämän jälkeisessä pyrolyysissa polttoaineen sisältämät orgaaniset haihtuvat aineet muuttuvat kaasumaiseen muotoon (höyrystyvät). Pyrolyysin aikana myös eräät reaktiiviset tuhkaa muodostavat aineet vapautuvat samanaikaisesti haihtuvien aineiden kanssa. Koska kaasun ja hiukkasten lämpötila on leijukerrospoltossa useita satoja asteita alhaisempi kuin pölypoltossa, eivät vaikeasti höyrystyvät oksidit, kuten MgO, SiO 2, CaO ja FeO merkittävästi vapaudu kaasufaasiin (Jokiniemi et. al. 1995). Osa alkali- ja raskasmetalliyhdisteistä voi kuitenkin kaasuuntua korkean höyrynpaineen johdosta. Puupolttoaineita poltettaessa esimerkiksi merkittävä osa polttoaineen sisältämästä natriumista, kaliumista, kloorista ja rikistä voi kaasuuntua leijupoltossa. Polttoaineesta 23
riippuen pyrolyysissa häviää tietty osa polttoaineen massasta. Polttoaineen vety-hiilisuhteen kasvu kasvattaa myös pyrolyysissa poistuvan aineen määrää. Esimerkiksi turve ja biomassat voivat menettää yli 90 % massastaan tässä polttoaineen palamisen ensimmäisessä vaiheessa. (Skrifvars et. al. 1995, Zevenhoven 2001). Nukleaatiot ja kondensaatio Höyrymuodossa polttoainehiukkasesta vapautuneet reaktiiviset tuhkaa muodostavat aineet kulkeutuvat kaasun mukana ja jäähtyvät. Näin muodostuu hyvin ylikylläistä höyryä, joka pyrkii tiivistymään. Tällöin höyrymolekyylit takertuvat toisiinsa muodostaen primäärihiukkasia ja saavuttavat ns. kriittisen koon. Tätä prosessia kutsutaan homogeeniseksi nukleaatioksi, eli -ydintymiseksi. Kriittisen koon saavuttavat hiukkaset ovat pienimpiä systeemissä esiintyviä hiukkasia ja ne voivat olla hyvinkin pieniä, vain muutaman Ångströmin (0,0001 m) läpimittaisia. Nämä primäärihiukkaset kasvavat nanometriluokasta noin 0,1 m:n kokoon heterogeenisen nukleaation ja koagulaation tai agglomeraation tuloksena. Heterogeenisella nukleaatiolla tarkoitetaan höyryn tiivistymistä jo olemassa olevan primäärihiukkasen pinnalle. Koagulaatiolla puolestaan tarkoitetaan kahden hiukkasen välistä törmäämistä ja sen seurauksena tapahtuvaa sulautumista yhdeksi pallomaiseksi hiukkaseksi. Mikäli törmäävät hiukkaset ovat kiinteitä tai vain osittain sulia, ne eivät sulaudu yhdeksi pallomaiseksi hiukkaseksi, vaan muodostavat ketjuagglomeraatteja (Flagan et. al. 1988, Jokiniemi et. al. 1995). Leijukerrospoltossa agglomeraatio on huomattavasti merkittävämpää kuin koagulaatio palamislämpötilasta johtuen. Viime aikaisissa tutkimuksissa (Lind 1999) on havaittu, että biomassan leijupoltossa nukleaatioiden kautta muodostuneiden hiukkasten lukumäärä on suurempi kuin esimerkiksi hiilen leijupoltossa. Tämä johtuu todennäköisesti siitä, että hiilen poltossa petimateriaalin suuret hiukkaset voivat kaapata nukleaatioiden kautta syntyneitä hiukkasia sisäänsä. Hiili palaa lisäksi alemmissa osissa tulipesää kuin biomassat, jolloin pienhiukkasten karkaaminen tulipesästä on biomassoilla helpompaa. Tästä syystä hiilen 24
leijupoltossa mitatut pienhiukkaspitoisuudet ovatkin olleet pienempiä kuin biomassan poltossa. Pienhiukkasten mitattu massaosuus kaikista hiukkasista oli suurin pajun poltossa (8 %) ja pienin hiilen poltossa (0,3 %) (Lind 1999). Jäännöshiilen palaminen ja petimateriaalin pilkkoutuminen Haihtuvien aineiden ja reaktiivisten tuhkaa muodostavien aineiden poistuttua polttoainehiukkasesta, alkaa polttoainehiukkasessa palamisen toinen vaihe, eli jäännöshiilen (koksin) palaminen ja sitä seuraava polttoaineen mineraaliaineksen pilkkoutuminen. Polttoainehiukkasen pilkkoutumismekanismeja ei kuitenkaan vielä täysin tunneta (Zevenhoven 2001). Polttoaineen pilkkoutuminen johtuu polttoainepartikkelien ja muiden partikkelien välisistä tiheistä yhteentörmäyksistä. Leijupedissä on yleensä polttoainetta noin 1-2 % pedin kokonaismassasta. Tästä syystä polttoaine- ja tuhkahiukkaset törmäilevätkin yleensä petimateriaalin kanssa. Törmäilyn seurauksena jäännöstuhkahiukkaset joko pilkkoutuvat tai agglomeroituvat pedin hiekkapartikkelien kanssa (Lind 1999). Kuvassa 7 on esitetty pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva näin syntyneestä agglomeraattihiukkasesta. Näin syntyneiden hiukkasten pinta on usein muodostunut pienemmistä hiukkasista, jotka ovat osittain sintraantuneet ja sulaneet yhteen. 25
Kuva 7. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva metsätähdehakkeen kiertoleijupoltossa syntyneestä lentotuhkahiukkasesta (Kauppinen et. al. 1997a). Poltettaessa puuperäisiä polttoaineita leijukerroskattilassa mitatut lentotuhkan hiukkaskokojakaumat ovat siis kaksihuippuisia. Pienhiukkasmoodi 0,01-0,2 m:n kohdalla on muodostunut tiivistymällä, ja se koostuu alkalisulfaateista sekä - klorideista. Lisäksi siinä esiintyy piitä, kalsiumia, alumiinia, kaliumia, rautaa ja natriumia. Esimerkiksi metsähakkeen kiertoleijupoltossa tiivistynyt osa koostuu pääosin kaliumkloridista (KCl). Kuten edellä todettiin, suuremmat hiukkaset ovat lähinnä palamatonta polttoainetta ja petimateriaalia (Kauppinen et. al. 1997b, Lind 1999, Zevenhoven 2001). Leijukerrospoltossa kattilan jälkeen mitattu hiukkaspitoisuus on yleensä aina korkeampi kuin esimerkiksi arinakattiloissa, koska tuhkasta 80-100 % lähtee lentotuhkana savukaasuvirran mukaan. Palamattoman polttoaineen osuus hiukkasista on yleensä biopolttoaineilla aina alle 10 %. Ennen erotuslaitetta mitatut hiukkaskokojakaumat riippuvat lisäksi käytettävästä leijukerrostekniikasta (BFB tai CFB). Kuten edellä todettiin, kiertopetikattilassa suuri osa leijutusmateriaalista palautetaan tulipesään 26
erottimen kautta. Erottimen jälkeisessä savukaasukanavassa ei siksi juurikaan löydy yli 10 m:n kokoisia tuhkahiukkasia (Skrifvars et al. 1995). 2.1.3. Prosessiparametrien vaikutus hiukkaspäästöihin Hiukkaspäästöjen syntyyn vaikuttavilla ajotapa- tai prosessiparametreilla tarkoitetaan tässä työssä seuraavia tekijöitä: Palamislämpötila (polttotekniikasta tai ajotavasta johtuva) Kattilan ilmanjako ja polttoaineen syöttö (palamisen täydellisyys) Kattilan nuohoukset Savukaasun puhdistuskemikaalien käyttö (kalkki, sorbentit) Hiukkasten erotuslaitteen toiminta Kuten edellä todettiin palamislämpötila vaikuttaa erityisesti polttoprosesseissa vapautuvien kaasumaisten yhdisteiden muodostumiseen. Esimerkiksi kivihiilen pölypoltossa kaasun lämpötila on noin 1500 C ja palavan polttoainehiukkasen pintalämpötila on useita satoja asteita tätä korkeampi. Polttoainehiukkasen kuivuessa, pyrolysoituessa ja palaessa siitä vapautuu suuri määrä aerosolihiukkasten muodostumiseen vaikuttavia hiilen, rikin ja kloorin kaasumaisia yhdisteitä (Jokiniemi et. al. 1995). Siltä osin, kun leijukerroskattiloita koskevia hiukkaskokojakaumamittauksia on ollut saatavilla, on havaittu, että hiukkaskokojakauma sekä hiukkaspitoisuus vaihtelevat petilämpötilan ja varsinkin petimateriaalin lisäyksen funktiona. Esimerkiksi petihiekan lisäys pölläyttää paljon 0,2-5 m:n hiukkasia savukaasun mukaan, jolloin yli 0,2 m:n (pienhiukkasmoodi) hiukkaspitoisuudet kohoavat merkittävästi (Ohlström 1998). Myös leijukerrospolton petilämpötilojen muutoksen on havaittu vaikuttavan pienhiukkasten muodostumiseen. Sellutehtaan biolietteellä ja kuorella tehdyssä laboratoriomittakaavan kokeessa havaittiin, että petilämpötilan noustessa tasaisesti, kasvoi epäorgaanisten tuhkakomponenttien höyrystyminen lähes lineaarisesti. Näiden komponenttien 27
höyrystymisen on todettu indikoivan hyvin ultrapienten hiukkasten muodostumista (Latva-Somppi 1998). Epätäydellisen palamisen on havaittu kasvattavan hiukkaspäästöjä. Mikäli polttoaine ei polttoteknisistä syistä johtuen ehdi palamaan loppuun, syntyy suurempia (yleensä yli 5 m) hiukkasia. Palamatta jääminen voi johtua esim. huonosta sekoittumisesta tai liian nopeasta lämmönsiirrosta tulipesässä. Käytännössä polttoaineen täydellistä palamista ei koskaan saavuteta teoreettisella (stökiömetrisellä) minimi-ilmamäärällä, vaan tulipesään on syötettävä ilmaa jonkin verran sitä enemmän (Huhtinen et. al. 1994). Polttoaineessa olevien hiilivetyjen palaessa epätäydellisesti syntyy pyrolyysin seurauksena nokihiukkasia, jotka ovat hyvin pienien (yleensä noin 30 nm) primääripallojen muodostamia ketjuja (agglomeraatteja). Näiden ketjujen läpimitta on yleensä 0,1 m:n luokkaa. Nokihiukkaset ovat lähinnä amorfista hiiltä, ja niiden pinnalle tiivistyy polyaromaattisia hiilivetyjä, eli PAH-yhdisteitä (Flagan et. al. 1988, Jokiniemi et. al. 1995). Hiukkasten erotuslaitteella on luonnollisesti hyvin suuri merkitys ympäristöön leviävään lopulliseen hiukkaspäästöön. Esimerkiksi sähkösuodattimen toiminnassa esiintyvät häiriöt (huono virtausjakauma, suodattimen likaantuminen, säätö ym.) voivat aiheuttaa huomattavaa erotusasteen alenemista. Luvussa 3 on tarkasteltu erityyppisten erotuslaitteiden ominaisuuksia ja niiden soveltumista hiukkaspäästöjen erotukseen tarkemmin. 2.1.4. Puun ja turpeen sekapolton vaikutus leijukerroskattilan toimintaan ja hiukkaspäästöihin Puun ja turpeen sekapolton vaikutusta leijukerroskattilan toimintaan on tutkittu aiemminkin. Tutkimuksissa on havaittu, että puun lisäyksen avulla voidaan saavuttaa 28
pienempiä päästöarvoja CO 2 -, SO 2 - ja NO x -päästöjen osalta. SO 2 -päästöjen raja on turvevoimalaitoksille tyypillisesti 140 mg/mj (350 mg/m 3 n) ja tähän pääseminen edellyttää usein kalkkikiven käyttöä rikinsidontaan, mutta se voidaan saavuttaa myös polttamalla noin 20-30 % puuta turpeen kanssa (Orjala 2001). Parhaat puupolttoaineet rikinsidonnan kannalta ovat metsätähdehake, kuori ja kokopuuhake, koska näissä rikkiä sitovien alkalimetallien osuus on suurin. Sekapoltolla voidaan vaikuttaa myös polttoainekustannuksiin, koska puun kohdalla ne muodostuvat jonkin verran pienemmiksi (Hughes et. al. 1998, Orjala 2001). Tarkasteltaessa sekapoltossa syntyvien tuhkien laatua, on voitu havaita, että puun ja turpeen sekapoltossa syntyvien tuhkien kalsium-, kalium-, mangaani- ja klooripitoisuudet laskivat verrattuna pelkän puun polttoon. Sekapolton rauta-, magnesium- ja rikkipitoisuudet puolestaan kasvoivat. Yleisesti on voitu todeta, että sekapolton tuhkan laatua ei voida ennustaa eri polttoainekomponenttien tunnettujen tuhka-analyysien perusteella (Steenari et. al. 1999). Puun ja turpeen sekapoltolla pystytään vaikuttamaan myös kattilan kuonaantumiseen (slagging) ja likaantumiseen (fouling). Tuhkan pehmenemisestä aiheutuvasta kattilan likaantumisesta voi pahimmassa tapauksessa olla seurauksena korroosio-ongelmia lämmönvaihtopinnoilla. Esimerkiksi paljon viherainetta (neulaset ja lehdet) sisältävä märkä metsähake voi lisätä kattilan likaantumista suurempien alkalipitoisuuksien takia (anon. 2001). Suuret alkalimetallien pitoisuudet biopolttoaineissa voivat johtua mm. käytetystä lannoituksesta (Moilanen et. al. 1997). Kuorelliseen runkopuuhun verrattuna esimerkiksi kuusen neulasten typpi-, kalium-, fosfori- ja kalsiumpitoisuudet ovat moninkertaisia kuivamassayksikköä kohden. Polton kannalta hankalimpia alkalimetalleja ovat kalium ja natrium, koska ne toimivat kuumakorroosiota aiheuttavan kloorin välittäjinä tulistinputkille. Tämän vuoksi sekapoltossa onkin suotavaa käyttää pääpolttoaineena rikkipitoista polttoainetta kuten turvetta tai kivihiiltä, jolloin alkalit sulfatoituvat ja kloori vapautuu kloorivedyksi ja kulkeutuu savukaasuvirran mukana pois kattilasta haittaa aiheuttamatta. Turpeen ja hakkuutähteiden sekapolton onkin 29
havaittu olevan tehokas keino, jolla metsähakkeen aiheuttamaa kattilan likaantumista, kuonaantumista sekä kuumakorroosion riskiä voi vähentää (anon. 2001, Orjala 2001). Eräänlaisena sekapolton ongelmana voidaan pitää polttoainesekoituksen lämpöarvon laskua puun lisäämisen myötä. Tämä saattaa aiheuttaa ongelmia esimerkiksi kaukolämpöä tuottavissa laitoksissa, koska vaadittua kattilan kuormaa ei välttämättä saavuteta sekapoltossa (talvella). Lisäksi puupolttoaineen saatavuuden järjestäminen voi suurissa laitoksissa tuottaa ongelmia. Puun ja turpeen sekapolton vaikutusta leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin on tutkittu varsin vähän. Eräässä kokeessa, joka suoritettiin 314 MW:n (polttoaineteho) sekä 332 MW:n kiertopetikattiloilla, havaittiin lievää kokonaishiukkaspitoisuuden kasvua. Hiukkaspitoisuudet kasvoivat ensin mainitulla kattilalla arvosta 25 mg/m 3 n arvoon 29 mg/m 3 n, ja toisella vastaavasti arvosta 5 mg/m 3 n arvoon 6 mg/m 3 n (Tolvanen et. al. 1998). Hiukkasten kokojakauman muutosta ei tässä tapauksessa tutkittu. 2.2. Arinapoltto Arinapoltto on ollut pienten ja keskisuurten polttolaitosten yleisin kiinteiden polttoaineiden polttomenetelmä teollistumiskauden alusta lähtien. Viime aikoina uudet polttotekniikat, erityisesti leijupoltto on kuitenkin syrjäyttäneet arinapolttotekniikkaa Suomessa yli 5 MW:n yksiköissä. Arinakattilat voidaan käyttötarkoituksensa mukaan jakaa esimerkiksi seuraaviin luokkiin: Omakotitalokattilat 15-40 kw Kiinteistökattilat 40-400 kw Alue- ja kaukolämmityskattilat 400-20 000 kw Teollisuuskattilat 1 000-80 000 kw 30