BioPor ­ Biomassan ja raskaan polttoöljyn päästöt ilmantehokasta suodatusta

Jorma Jokiniemi, Harri Puustinen, Jouni Hokkinen jaOlli Sippula,

VTT ja Kuopion yliopisto

Rahoitus: Tekes, VTT, Wärtsilä Biopower, Laatukattila, Oilon,Energiateollisuus ry.

VTT2

Taustaa ­ Motiivi• Biopolttoaineiden käyttöä halutaan lisätä merkittävästi

• uusiutuvan energian käyttöä tulisi lisätä vuoteen 2010 mennessä noin 30 % vuoteen 2001verrattuna (UEO).

• Ilman tehokkaita savukaasun puhdistusmenetelmiä biomassan polttotuottaa merkittävästi enemmän hiukkaspäästöjä kuin esim. POK jaPOR ?• pienpoltto ja pienet lämpölaitokset merkittäviä päästölähteitä (laitteet joissa ei

hiukkaspuhdistimia)• Ympäristö­ ja terveysvaikutukset biomassan ja öljyn poltosta

huonosti tiedossa• Hiukkasten muodostus aiheuttaa lisäksi käytettävyysongelmia

voimalaitoksissa (likaantuminen, korroosio)

VTT3

Taustaa ­ Ilmapäästöt

• KAASUMAISET: CO, NOx, hiilivedyt, SO2 (turve, olki)

• HIUKKASET: TSP (Total Suspended Particles)• Pienhiukkaset: PM1 (dp<1  m) , PM2.5 (dp<2.5  m)• Hengitettävät hiukkaset: PM10 (dp<10  m)• Suuret hiukkaset: dp> 10  m

22.5.2006

Puun poltto 5 MW

0.0E+00

5.0E+06

1.0E+07

1.5E+07

2.0E+07

2.5E+07

3.0E+07

3.5E+07

4.0E+07

0.01 0.1 1dp [µm]

dN/d

logd

p (1

/cm

3) a

t 3 / 

6 %

 O2

VTT4

HiukkaspHiukkaspääääststöött

t Tuhkahiukkaset– Hienojakoinen lentotuhka (poltossa kaasuuntunut epäorgaaninen

aines)– Tärkeimmät: K, Na, S, Cl, Zn

– Karkea lentotuhka– Tärkeimmät: Ca, Mg, Fe, Mn, Al, Si

t Hiiltä sisältävät hiukkaset– Noki– Orgaaninen aines– Koksi (palamaton hiili, karkeat hiukkaset)

t Muu– rikkihappo

VTT5

Mittaussysteemin kaaviokuva (impaktori)

Savukanava

Tyhjöpumppu

Esisykloni Huokoisen putkenlaimennin

CO2 mittari

VirtauslämmitinT=150°C / 50°C )

Virtaussäätö(kriittinen aukko)

Laimennusilmansyöttö

BLPIT=150°C / 50°C )

T=150°C / 50°C

VTT6

Mittaussysteemin kaaviokuva (ELPI, TEOM, suodatin)

Savukanava

Tyhjöpumppu

Huokoisen putkenlaimennin

VirtauslämmitinT=50°C )

Virtaussäätö(kriittinen aukko)

Laimennusilmansyöttö

TEOMT=50°C

ELPIT=~20°C

Suod. EC/OCT=~20°C

CO2mittari

Tyhjöpumppu

Tyhjöpumppu

linjat, T=50°C

Esisykloni

VTT7

Standardin mukainen mittaussysteemiraskasmetalleille (ja hiukkasille ilman kuplituspulloja)

BIO, pesurin jälkeen:POR ja BIO, yleensä:

T=0°C T=0°CT=150°C

VTT8

t Pienhiukkasten muodostuminen biomassan poltossa

Polttoaine­

hiukkanen

Pyrolyysi/palaminen/liekki/höyrystyminen

nokihiukkaset

K, Na, Zn…

heterogeeniset reaktiot

sulfaattejakloridejakarbonaatteja

hiilivedyt

Tg[°C] 900­1500 600­1000 0­500 Päästö ennen suod.

huono palaminen­ noki ja org. hiili +

hyvä palaminen­ tuhka

VTT9

Polttoainemääritykset PORAnalyys i Pyhäjärvi LoviisaDensity (at 15 oC) g/cm3 0.9875 0.9969Viscosity (at 50 oC) mm2/s 189.7 194.3Carbon Residue (Conradson) m­% 12.2 12.3Asphaltene hydrocarbons m­% 4.7 5.4Water m­% 0.05 < 0.05Ash m­% 0.03 0.03S m­% 0.91 0.89Cl m­% 0.04 0.006Mn µg/g 0.54 2.1As µg/g <0.1 <0.1Sb µg/g 1.6 <0.1Cd µg/g <0.01 <0.01Cr µg/g 0.9 14Cu µg/g 28 <1Pb µg/g 2.9 <0.1Ni µg/g 25 22Zn µg/g 190 <0.1Sn µg/g 0.81 1V µg/g 36 52Hg µg/g <0.02 <0.01

VTT10

t Pienhiukkasten muodostuminen raskaan polttoöljyn poltossa

Polttoaine­

pisara

Pyrolyysi/palaminen/liekki/höyrystyminen

nokihiukkaset

V, Ni, … tuhkahiukkasia sulfaattejaoksideita

H2SO4+hiilivety

Tg[°C] 1200­2500 800­1500 0­200 Päästö

huono palaminen­noki, org. +

hyvä palaminen­ tuhka, rikkihappo

V, Ni, Fe katalysoiSO2 SO3

VTT11

Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät

22.5.2006

Voimalaitokset:1. Jälkikäsittelytekniikka2. Polttoaineen "laatu"3. Polttotekniikka

Pienpoltto:1. Polttotekniikka ja käyttäjä2. Polttoaineen laatu

• syklonit• pesurit• sähkösuodatin• kuitusuodatin

VTT12

Hiukkassuodattimien erotustehokkuudet

22.5.2006

• Keskipakoisvoimaa hyödyntävät hiukkaserottimet (syklonit):­ dp>5  m:n hiukkasille 50­90 % erotusaste

• Märkäpesurit:– dp>1  m hiukkasille, venturipesureilla jopa 99%, muilla huonompi

• Sähkösuodattimet– korkea erotusaste pienhiukkasille: 96­99 %­ erotusasteen minimi noin 110 nm

• Kuitusuodattimet (letkusuodattimet)– paras erotusaste, yleensä jopa 99,9% <1  m:n hiukkasille

VTT13

Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät

22.5.2006

Voimalaitokset:1. Jälkikäsittelytekniikka2. Polttoaineen "laatu"3. Polttotekniikka

Pienpoltto:1. Polttotekniikka ja käyttäjä2. Polttoaineen laatu

• syklonit• pesurit• sähkösuodatin• kuitusuodatin

• tuhkapitoisuus• K ja Na ­pitoisuus• klooripitoisuus• Si, Al ja S ­pitoisuus

VTT14

Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät

22.5.2006

Voimalaitokset:1. Jälkikäsittelytekniikka2. Polttoaineen "laatu"3. Polttotekniikka

Pienpoltto:1. Polttotekniikka ja käyttäjä2. Polttoaineen laatu

• syklonit• pesurit• sähkösuodatin• kuitusuodatin

• tuhkapitoisuus• K ja Na ­pitoisuus• klooripitoisuus• Si, Al ja S ­pitoisuus

• prosessin tasaisuus• lämpötilan hallinta

VTT15

Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät

22.5.2006

Voimalaitokset:1. Jälkikäsittelytekniikka2. Polttoaineen "laatu"3. Polttotekniikka

Pienpoltto:1. Polttotekniikka ja käyttäjä2. Polttoaineen laatu

• syklonit• pesurit• sähkösuodatin• kuitusuodatin

• tuhkapitoisuus• K ja Na ­pitoisuus• klooripitoisuus• Si, Al ja S ­pitoisuus

• prosessin tasaisuus• lämpötilan hallinta

• hyötysuhde• lämpötila• polttotapa

VTT16

Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät

22.5.2006

Voimalaitokset:1. Jälkikäsittelytekniikka2. Polttoaineen "laatu"3. Polttotekniikka

Pienpoltto:1. Polttotekniikka ja käyttäjä2. Polttoaineen laatu

• syklonit• pesurit• sähkösuodatin• kuitusuodatin

• tuhkapitoisuus• K ja Na ­pitoisuus• klooripitoisuus• Si, Al ja S ­pitoisuus

• prosessin tasaisuus• lämpötilan hallinta

• hyötysuhde• lämpötila• kitupoltto

• tuhkapitoisuus• kosteus• sopiva palakoko

VTT17

Puupolttoaine vs. raskas polttoöljy pienissä kaukolämpölaitoksissa

VTT18

Pienhiukkasten kemiallinen koostumus

Metsätähde, arinapoltto

K

SO4

Zn

Org. C

CO3

EC

Other

CaCl

Na

CaClKNaSO4ZnOrg. CCO3ECOther

Raskas polttoöljy

Fe K Na

Ni

SO4

V

Org. C

EC

Cr

CrFeKNaNiSO4VOrg. CEC

VTT19

Pienhiukkasten epäorgaanisten kemiallinen koostumus

0.1 10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

dp (um)

dm/d

logd

p (m

g/N

m3)

 at 

6 %

 O2

SO4

Cl

Zn

Na

K

Ca

Other Analyzed

0.1 1 100

2

4

6

8

10

12

14

16

dp (um)dm

/dlo

gdp 

(mg/

Nm

3) a

t 3 %

 O2

K

CaNa

SO4

V Ni

Cr

Al

Fe

Other Analyzed

Metsätähde, arinapoltto Raskas polttoöljy

VTT20

ELPI, lukumääräkokojakaumia

0.0E+00

2.0E+07

4.0E+07

6.0E+07

8.0E+07

1.0E+08

1.2E+08

1.4E+08

1.6E+08

0.01 0.1 1 10Dp [µm]

dN/d

log(

Dp)

Loviisa 70%Loviisa 100%Pyhäsalmi Scrubber outTammisaari ESP inletTammisaari ESP outletLoviisa PORPyhäsalmi POR

VTT21

Hiilianalyysit / POR

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Pyhäjärvi 1 Pyhäjärvi 2 Loviisa 1 Loviisa 2 Loviisa 3

PM

1 (m

g/N

m3)

 at 3

 % O

2

PM1 OC

PM1 EC

Other PM1

VTT22

Öljynpolton hiukkasia 1975 ja 2006

1975 2006

VTT23

Yhteenveto

t Voimalaitoksissa hiukkaspäästöihin vaikuttaa eniten valittupuhdistustekniikka

– LCP ­direktiivin myötä suurten voimalaitosten päästöt aleneeedelleen

t Laitoksissa ilman tehokasta puhdistusta päästöihin vaikuttaapolttoaineen laatu ja valittu polttotekniikka

­> Bioenergian käytön lisääntyessä polttoaineen laatu heikkenee ­>päästöt lisääntyvät tai laitoksiin täytyy asentaa tehokkaampiapuhdistimia

­> Kaasutuspoltosta on saatu lupaavia tuloksia

t Biomassanja fossiilisten polttoaineiden polton pienhiukkastenterveysvaikutusten eroja ei tunneta