POLTTOTEKNOLOGIAT1. PUU POLTTOAINEENA JA POLTTOAINEEN PALAMINEN
2.
KOTIMAISEN POLTTOAINEEN KATTILAT 2.1.1 Pienet taso- ja viistoarinat (10 - 500 kW) 2.1.2 GreenFire polttojärjestelmä (0.1 - 1.5 MW) 2.1.3 Mekaaninen viistoarina (0.5 - 15 MW) 2.1.3 Pyörivä alasyöttöarina (1.5 - 15 MW) 2.2 Leijukerrospoltto (10 - 600 MW) 2.3 Biomassan kaasutus (5 - 200 MW) 3.3 Kaasuturbiinikombivoimalaitokset
1. PUU POLTTOAINEENA JA POLTTOAINEEN PALAMINEN Puu koostuu pääasiassa hiilestä (48 - 52 %), vedystä (6 - 6.5 %) ja hapesta (38 - 42 %). Haihtuvien osuus kuiva-aineessa on 70 - 85 % ollen kuorella vähemmän kuin kokopuulla. Polttoaineen palaminen käy läpi seuraavat vaiheet: polttoaineen kuivuminen, haihtuvien aineiden irtoaminen pyrolyysissä eli kiinteän olomuodon muuttuminen kaasumaiseksi, kaasujen palaminen sekä lopuksi jäännöshiilen palaminen. Polttoaineen palamiseen vaikuttavat eniten palamisaika sekä polttoaineen ja ilman sekoittuminen.
Polttoaineen ominaisuuksilla voidaan vaikuttaa paljon palamiseen. Märän polttoaineen tehollinen lämpöarvo on alhainen ja se tuottaa runsaasti vesihöyryä. Palamislämpötila jää alhaiseksi ja palaminen siten epätäydelliseksi; polttoaineen pitäisi olla mahdollisimman kuivaa. Puupolttoaine soveltuu erittäin hyvin arinakattiloiden polttoaineeksi. Leijukerrospoltossa voi tuhkan sintraantuminen rajoittaa puun osuutta polttoaineseoksessa. Turve soveltuu tuhkaominaisuuksien takia hyvin leijukerroskattiloissa lisäpolttoaineeksi. Arinalla on palaminen hyvin intensiivistä, joka johtaa korkeaan lämpötilaan arinan palopäässä. Tämä edesauttaa luonnollisesti polttoaineen palamista. Arinalla onkin mahdollista päästä hyvin pieniin päästöihin palamisessa. Haittapuolena korkeasta lämpötilasta on tuhkan sulaminen ja kuonan muodostus. Varsinkin isompitehoisissa arinoissa on tarpeen mekaaninen kuonanpoisto palopäästä. Tuhkan kuonaantuminen tulee erityisesti ongelmaksi kun poltetaan hyvin kuivia polttoaineita kuten pellettejä. Erityisen vaikea polttoaine on olki, koska sen tuhkapitoisuus on suuri (4 - 5%) ja sen sulamispiste on huomattavasti alhaisempi kuin puulla ja turpeella. Höyrykattilasovelluksissa aiheuttavat tuhkan alkalit syöpymis- ja likaantumisongelmia lauhtuessaan lämpöpinnoille. Turve puupolttoaineen joukossa vähentää näitä ongelmia.
2. KOTIMAISEN POLTTOAINEEN KATTILAT
Suomessa on panostettu erityisesti biopolttoaineiden, puun ja turpeen, polttotekniikoiden kehittämiseen. Suomi onkin tällä hetkellä johtava leijukerroskattiloiden valmistaja. Niiden etuna on laaja polttoainevalikoima ja laatujen käyttömahdollisuus, jolloin polttoainevalinnat voidaan tehdä saatavuuden ja hintasuhteiden perusteella. Paineistetut tekniikat ovat vielä kehitysvaiheessa eikä kaupallistaminen ole vielä lähiaikoina näköpiirissä. Puun polttotavat ovat: arinapoltto, kaasutuspoltto ja leijukerrospoltto. Eri polttoaineiden polttoon ja eri kattilakokoluokkiin tarkoitetut polttolaitteet eroavat toisistaan periaatteiltaan ja käyttöominaisuuksiltaan. Uudet polttotekniikat ovat 1980-luvulla syrjäyttäneet arinapolttotekniikkaa erityisesti Suomessa tehoalueella yli 15 MW. KPA-kattiloita käytetään aina 600 MW:n kokoluokkaan asti. Tällöin ne ovat leijukerroskattiloita. Pienessä kokoluokassa puupolttotekniikassa Suomessakin tarvitaan edelleen kehitystä.
2.0 Stokeripoltto
Polttoaineena stokereissa voidaan käyttää hakkeen lisäksi mm. palaturvetta, turvepellettiä tai sahanpurua. Stokerin toiminta on pitkälle
automatisoitu: palaminen käynnistyy kattilaveden lämpötilan laskiessa
alle asetetun arvon ja jatkuu niin kauan, kunnes asetusarvo on jälleen
saavutettu. Tulen ylläpitoautomatiikka huolehtii liekin säilymisestä
palopäässä lepojakson aikana. Lähde: Thermia Oy Arinapoltto on vanhin kiinteille polttoaineille tarkoitettu polttotapa. Vielä 1970-luvulla rakennettiin alle 100 MW:n tehoiset kiinteän polttoaineen kattilat yleensä arinakattiloiksi ja sitä suuremmat pölypolttokattiloiksi. 1980-luvulla yleistyivät erilaiset leijukerroskattilat ja valtasivat alaa arinakattiloilta. Tänä päivänä rakennetaan länsimaissa arinakattiloita lähinnä vain alle 15 MW:n kattilateholle. Arinat
jaetaan kiinteisiin ja mekaanisiin arinoihin. Kiinteä arina, kuten
taso-, viisto- ja porrasarina, jäähdytetään ilmalla tai vedellä ja
se sopii pienitehoisiin kiinteistökohtaisiin kattiloihin. Isommissa
kokoluokassa käytetään
useimmiten automaattista polttoaineensyöttöä ja tuhkanpoistoa sekä
mekaanisia arinoita. Tätä tekniikkaa käytetään yhä yleisemmin pienimmissäkin
kokoluokissa 1 MW:sta lähtien. Eräs
mielenkiintoinen arinasovellus on pohjois-karjalainen, patentoitu GreenFire
esikuivatuspolttojärjestelmä.
2.1.1 Pienet taso- ja viistoarinat (10 - 500 kW)
Yksinkertaisin arinaratkaisu on kiinteä tasoarina, missä arina koostuu vierekkäin kannatuspalkkien varaan ladotuista valurautaisista arinasauvoista, joiden välissä on ilmarako palamisilman syöttämiseksi polttoainekerrokseen. Tasoarinoita valetaan myös yhtenäisiksi levyiksi. Niissä on ilmareikiä tai rakoja kuten on laita omakotitalon arinassa. Poikkeuksena ovat suuremmat kiinteistökattilat, missä polttoaine voidaan syöttää myös mekaanisesti esim. syöttöruuvilla tai sylintereillä. Viistoarinoissa saadaan polttoaine kulkemaan arinalla painovoimalla. Usein viistoarinan jälkeen on vielä tasoarinatyyppinen jälkipolttoarina, millä varmistetaan polttoaineen loppuunpalaminen. Pienet arinakattilat jaetaan edelleen kahteen pääluokkaan, ylä- ja alapalotilakattiloihin.
2.1.2 GreenFire polttojärjestelmä (0.1 - 1.5 MW)
GreenFire-polttojärjestelmässä esikuivatetaan
tuore polttoaine spiraalirummussa,mikä toimii samalla esiarinana.
Loppupalaminen hoidetaan osin kiinteällä ja osin mekaanisesti
liikuteltavalla tulipesän pohjalla olevalla arinalla. GreenFire soveltuu
niin kostealle kuin kuivallekin polttoaineelle. Säädettävän syötön
ansiosta sillä on hyvä tehon joustavuus ja minimikäyttöaste.
© Rakennustempo Oy
2.1.3 Mekaaninen viistoarina (0.5 - 15 MW)
Mekaanisessa viistoarinassa valurautaiset arinaraudat sijoitetaan kattilapiiriin kytkettyjen vesiputkien väliin. Arinaraudat on muotoiltu siten, että niiden väliin jäävistä raoista palamisilma virtaa polttoaineseokseen. Arinaraudat ovat vaihdettavia ja niitä joudutaan uusimaan kulumisen vuoksi muutamien vuosien välein. Arinapesän katto ja osa sivuseinistä massataan riittävän korkean palamislämpötilan ja polttoaineen kuivumisen varmistamiseksi. Arinan liikettä ja polttoaineen etenemisnopeutta voidaan säätää muuttamalla hydraulisesti toimivien työntötankojen iskupituutta ja nopeutta. Liikkeellä saadaan aikaan polttoaineen sekoittuminen ja hallittu siirtyminen vaiheesta toiseen. Arinakulma voi olla tällöin selvästi loivempi kuin kiinteällä viistoarinalla.
Polttoaineen syöttö tapahtuu nykyaikaisissa mekaanisissa viistoarinoissa hydraulisilla tankopurkaimilla, jolloin arinalle saadaan tasainen, halutunpaksuinen polttoainekerros. Jos polttoaine ei levity tasaisesti arinalle, tapahtuu primääri-ilman hallitsematon virtaaminen sieltä, missä polttoainekerroksen paksuus on pienin. Polttoaineen kosteus voi olla mekaanisella arinalla tyypillisesti 35 - 55 %. Joissakin arinaratkaisuissa kuten pyörivässä alasyöttöarinassa ja polttoaineen kuivauksella varustetussa arinassa kosteusvaihtelualue voi olla vieläkin suurempi.
2.1.3 Pyörivä alasyöttöarina (1.5 - 15 MW) Mekaanisissa alasyöttöarinoissa polttoaine
syötetään alapuolelta ruuvikuljettimen avulla arinan keskelle kaukaloon,
mistä se leviää eri puolelle arinaa. Uudessa alasyöttöarinassa on
mekaaninen pyörivä arinaratkaisu, missä joka toinen vyöhyke pyörii.
Pienillä arinavyöhykkeiden liikkeillä saadaan aikaiseksi polttoaineen
hidas liikkuminen eteenpäin vinolla arinapinnalla. Samalla
polttoainekerros kuohkeutuu ja mahdollistaa arinan alta syötettävän
primääri-ilman virtaamisen rengasmaisten ilmarakojen kautta
polttoainekerroksen läpi. Sekundääri-ilma tuodaan tulipesään arinan
yläpuolelle. Polton vaiheistamiseksi voidaan tuoda osa palamisilmasta
myös ns. tertiääri-ilmana tulipesän yläosaan.
2.2 Leijukerrospoltto (10 - 600 MW)
Leijukerrospolttosovellutukset (FBC) kehittyivät kaupalliselle tasolle 1970 luvulla. Nyt FBC on tullut erääksi tärkeimmistä teknologioista ja on syrjäyttänyt arinakattilat kokoluokassa yli 10 - 15 MW. FBC-tekniikka soveltuu erityisen hyvin huonolaatuisille polttoaineille, joiden poltto ei onnistu muilla polttolaitteilla ilman erikoisjärjestelyjä. Hyvät ja huonolaatuiset polttoaineet voidaan polttaa samassa kattilassa ympäristöystävällisesti ja hyvällä palamishyötysuhteella. FBC -poltossa käytetään lisäksi alhaista palamislämpötilaa, mikä mahdollistaa yhdessä vaiheistetun ilmansyötön kanssa matalat typpioksidipäästöt. Tekniikka mahdollistaa myös savukaasujen rikinpuhdistuksen jo kattilassa syöttämällä kalkkia tai dolimiittia suoraan tulipesään.
2.3 Biomassan kaasutus (2- 200 MW) Kaasutuksessa polttoaine kaasutetaan korkeassa lämpötilassa syöttämällä ilmaa vähemmän kuin mikä on polttoaineen täydellisen eli stökiömetrisen palamisen tarvitsema ilmamäärä. Kaasutuksessa tapahtuu polttoaineen kuivuminen, polttoaineen hajoaminen pyrolyysissä sekä jäännöshiilen kaasuuntuminen ja palamisreaktiot. Jäännöshiilen polttamisella tuotetaan suurelta osin kaasutuksessa tarvittava lämpöenergia.
Puuperäiset polttoaineet soveltuvat hyvin kaasutukseen, koska ne sisältävät paljon haihtuvia aineosia. Biomassan kaasutukseen soveltuvat kaupalliset tekniikat perustuvat ilmanpaineiseen kaasutukseen. Kaasutusta on tutkittu viime vuosina paljon, koska se mahdollistaa nykyistä tehokkaampien energiantuotantoprosessien käytön ja alhaisemmat päästöt. Yhdistämällä kaasutus kaasu- ja höyryturbiinivoimalaitosprosessiin voidaan nostaa sähköntuottohyötysuhdetta merkittävästi. Ilmanpaineinen kaasutus on jo kaupallinen tuote, mutta paineistettu kaasutus on vasta demonstraatiovaiheessa. Biopolttoaineiden kaasutukseen soveltuvia ilmanpaineisia kaasuttimia on markkinoilla kahta tyyppiä pienikokoiset kiinteäkerroskaasuttimet teholuokassa 0.02 - 15 MW, kokoluokassa 15 - 200 MW tulevat kyseeseen leijukerrostekniikkaan perustuvat kaasuttimet
Kiinteäkerroskaasutin Vastavirtaperiaatteella toimivissa kaasuttimissa polttoainekerros on hyvin korkea. Polttoaine valuu hitaasti alaspäin kuivumis-, pyrolyysi-, pelkistys- ja palamisvyöhykkeiden läpi. Kaasuttimen pohjalla tapahtuu palamista sen verran, että sillä lämmöllä saadaan polttoaine kaasutettua. Vastavirtakaasukselle on ominaista kaasun korkea hiilivety- ja tervapitoisuus ja matala kaasun lämpötila alle 600°C. Myötävirtakaasuttimessa polttoaine ja kaasu virtaavat samaan suuntaan. Kaasun tervapitoisuus on pienempi kuin vastavirtakaasuttimessa. Tuhka poistetaan mekaanisesti arinan kautta. Kaasutuslaitos ei vaadi jatkuvaa miehitystä. Käytössä olevat vasta- ja myötävirtakaasutukset soveltuvat hyvin kuivan (kosteus alle 50 %) ja tasalaatuisen polttoaineen kaasutukseen. Suuret kappaleet (< 300 mm) eivät haittaa kaasutusta, mutta hienojakoista ainetta ei saa olla yli 30 %, koska muutoin estyy kaasuvirtaus kaasuttimessa. Myötävirtakaasutinta ollaan kehittämässä edelleen, jotta hienojakoisempaa polttoainetta voidaan käyttää nykyistä suurempi osuus.
Leijukerroskaasutin (FBC) FBC-kaasuttimessa leijutetaan polttoaineen ja inertin petimateriaalin muodostamaa patjaa arinan alta syötettävällä korkeapaineisella ilmalla. Tällaiselle kaasuttimelle on ominaista polttoaineen hyvä sekoittuminen leijukerrokseen, suhteellisen tasainen lämpötilajakauma, korkea tuotekaasun lämpötila ja tästä johtuen myös pienempi tuotekaasun tervapitoisuus kuin kiinteäpatjakaasuttimessa. Kaasuttimen tarvitsema lämpö kehitetään kaasuuntumattomaksi jääneen polttoaineen poltolla kaasuttimen alaosassa.
FBC-kaasuttimia on sekä kuplivaa (BFB) että kiertoleijukerrostyyppiä (CFB). Erona näillä on se, että BFB-kaasuttimessa on kaasun nopeus leijukerroksessa pienempi kuin CFB-kaasuttimessa. FBC-kaasuttimimet soveltuvat hyvin haihtuvien polttoaineiden kuten puun kaasutukseen. Hyvälaatuisen kaasun aikaansaamiseksi pitää polttoaineen kosteuden olla alle 50 % . Kaasu johdetaan kuumasyklonierottimen ja jäähdytyksen kautta poltettavaksi. Eräs merkittävä sovellus CFB-kaasuttimelle on erityyppisten puuperäisten polttoaineiden kaasuttaminen ja kaasun polttaminen suuressa höyrykattilassa, jolloin polttoaineesta voidaan tuottaa sähköä korkealla hyötysuhteella. Näin vältetään kaatopaikkasijoituksesta aiheutuvat yhä kasvavat kustannukset. Hyvänä esimerkkinä tästä on Lahden Lämpövoimalle rakennettu n. 50 MW:n CFB-kaasutin kytkettynä 350 MW:n hiilipölykattilaan.
Suomessa valmistetaan sellua lähes yksinomaan sulfaattimenetelmällä. Sulfaattisellun keitossa syntyvän mustalipeän polttoon ja keittokemikaalien talteenottoon sekä regenerointiin suunniteltua kattilaa kutsutaan soodakattilaksi. Soodakattilaan syötettävää, haihduttimista tulevaa lipeää kutsutaan vahvalipeäksi ja se sisältää keiton aikana puusta liuenneen orgaanisen aineksen, mikä vastaa noin puolta tehtaalle tuodusta puumäärästä. Tämän palavan aineen lisäksi mustalipeässä ovat keitossa käytetyt kemikaalit, jotka otetaan talteen ja regeneroidaan aktiiviseen muotoon, uutta keittoa varten. Soodakattilan päätehtävät ovat mustalipeän sisältämän energian ja keittokemikaalien talteenotto. Mustalipeän sisältämä orgaaninen (palava) aines ja epäorgaaninen (keittokemikaalit sisältävä) aines on erotettava toisistaan. Tämä tapahtuu siten, että soodakattilassa poltetaan palava osa, jolloin palamaton, kemikaalit sisältävä epäorgaaninen osa jää tuhkaan. Lämpötilan ollessa riittävän korkea tuhka poistuu kattilasta sulana. Polttoaineen laatu ja kemikaalien talteenotto sekä halutut kemialliset reaktiot vaativat soodakattiloihin erikoisratkaisuja, jollaisia muissa kattiloissa ei ole.
Eri polttotekniikoita on hyödynnetty menestyksellisesti yhdistetyn sähkön ja lämmöntuottamiseen bioenergialla. Tekniikoiden kehitys ja biopolttoaineiden kilpailukyvyn lisääntyminen on mahdollistanut yhä pienempien voimalaitosten rakentamisen.
1999 käynnistyi Kiuruvedellä sahan yhteyteen rakennettu Suomen ensimmäinen mäntähöyrykonetta käyttävä pienvoimalaitos, mikä tuottaa erilaisilla puujätteillä sähköä 0.9 MW ja lämpöä 6 MW. Tällainen voimalaitos sopii hyvin kohteisiin, missä on mekaanista puuteollisuutta. Tehdas saa voimalaitokselta prosessilämmön sekä suuren osan sähköstä ja toimittaa suurimman osan voimalaitoksen tarvitsemasta puuperäisestä polttoaineesta. Kun voimalaitos sijaitsee tehtaan vieressä, voidaan sähkö toimittaa saarekekäyttönä ilman erillisiä suuria sähkönsiirtokustannuksia.
Vastapainehöyryvoimalaitos on yleisimmin käytetty konsepti bioenergian käyttöön pohjautuvissa voimalaitoksissa, missä on hyödynnetty useimmin kaukolämmityksen suomaa vastapainetehoa. Tällainen laitos voi tulla kyseeseen jo kokoluokassa 2 MW sähköä ja 9 MW lämpöä, jos polttoaine on edullista ja saadaan riittävän pitkä vuosittainen käyttöaika esim kytkemällä voimalaitos kaukolämmön tuotannon lisäksi ympäri vuotta lämpöä tarvitsevaan teollisuuslaitokseen. Suomeen ja Ruotsiin on rakennettu 80- ja 90-luvulla jo yli 20 pienvoimalaa, missä sähköntuotto vaihtelee 2.5 MW:sta 20 MW:iin. Paperi- ja sellutollisuudessa sekä isoissa kaupunkien energialaitoksissa on käytetty bioenergiaa oman prosessilämmön ja sähköntuottamiseen vastapainehöyryvoimalaitoksissa jo kymmeniä vuosia. Vastapainesähkön lisäksi niissä voidaan tuottaa tarvittaessa usein myös lauhdesähköä sähkönhinnan ollessa korkea.
3.3 Kaasuturbiinikombivoimalaitokset
Kaasutuksen hyödyntäminen bioenergialle IGCC (Integrated Gasification Combiend Cycle) voimalaitoksissa on demonstraatiovaiheessa. Suomessa on kehitetty sekä paineistettua BFB- että CFB-kaasutusta 90-luvun alusta alkaen. Suomessa kehitetään myös paineistettuun BFB-teknologiaan pohjautuva IGCC-voimalaitosta. Maailmassa on rakenteilla myös muutama atmosfääriseen CFB-kaasutukseen pohjautuva IGCC-demonstraatiolaitos. IGCC-laitosten kaupallistamisessa on ongelmana korkea investointihinta ja teknologian saattaminen samalle luotettavuustasolle kuin konventionaalinen höyryvoimalaitostekniikka.
Kaasuttimen käyttö yhdessä dieselin kanssa on kehitteillä. Tämä tarjoaa mahdollisuuden tuottaa sähköä biopolttoaineilla kokoluokassa yli 5 MW sähköä. Kuten IGCC:ssäkin on tämänkin teknologian ongelmana korkea investointihinta ja teknologian saattaminen samalle luotettavuustasolle kuin konventionaalinen höyryvoimalaitostekniikka.
Kirjoittanut: DI Martti Puhakka, Giga Power Oy Lähde: Miilu.com |
