bio-energia-alueen tutkimuksen esittelyusers.jyu.fi/~ssrasane/selvitys/vttpoltto_marttiaho.pdf ·...

Bio-energia-alueen tutkimuksen esittely

Martti Aho

2

HENKILÖSTÖ

Espoo 1 891Oulu 383Tampere 301Jyväskylä 129Turku 36Lappeenranta 14Muut toimipaikat 26

Yhteensä 2 780

31.12.2006

HENKILÖSTÖ

Espoo 1 891Oulu 383Tampere 301Jyväskylä 129Turku 36Lappeenranta 14Muut toimipaikat 26

Yhteensä 2 780

31.12.2006

VTT:N HENKILÖSTÖN MÄÄRÄ JA TOIMIPAIKKOJEN SIJAINTI

•Nurmijärvi•••

•

•

Tampere

Oulu

Jyväskylä

Helsinki

Lappeenranta

•Turku

•Raahe

Espoo•

Kuopio••Kajaani

3

MonipolttoainekäyttöPasi Vainikka

18 hlö, JYK, OTA

LämmöntuotantoVeli-Pekka Heiskanen

15 hlö, JYK

Biopolttoaineiden tuotantoArvo Leinonen

13 hlö, JYK

BIOENERGIAJouni Hämäläinen

Leijupolton prosessikehitysAntti Tourunen

10 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

6

Leijuprosessien kehitystyö: esimerkkitapauksia, joihin VTT on osallistunut

7

Referenssejä

Maailman ensimmäinenylikriittisillä höyryarvoillavarustettu kiertoleijukattil 460 MWe (HIPE -projekti)

Maailman suurin biopolttoainettakäyttävä leijukattila (CFB)(BIOMAX -projekti)

Technology

development

Puolassa, (Lagisza)Valmistaja:Foster-Wheeler

Alholmens kraft. PietarsaariValmistaja: Metso Power

8

HAPPIPOLTOLLA VÄHÄPÄÄSTÖISTÄENERGIAA HIILESTÄ JA TURPEESTA

Lisätietoja: Teknologiapäällikkö Jouni Hämäläinen

� VTT kehittää teknologiaa, jolla hiiltä sisältävät pol ttoaineet voidaan hyödyntää energiantuotannossa entistä tehokkaammin ja jopa niin, että hiilidioksidia ei pääse ilmaan.

9

Mitä on happipoltto?

Höyry -turbiini

Osittainen savukaasun

kierrätys

Kattila

Lauhdutin

Savukaasun puhdistus

CO2

Ilma

Hapen valmistus-

laitos

O2

N2

G

Poltto -aine

CO2/H2O

H2O

Käyttämällä palamiskaasuna

happea ilman sijasta, estetään typpeä laimentamasta

savukaasua, jolloin CO2:n erottaminen on edullisempaa.

Osa savukaasusta kierrätetään takaisin

tulipesään palamislämpötilan

hallitsemiseksi .

Lähes puhdas CO 2 on erotettu

savukaasusta, jonka jälkeen se

paineistetaan nestemäiseksi, jolloin se voidaan kuljettaa

varastoitavaksi.

EnergiavirratTalousarviot

Polttoaineen laadun hallinta, esimerkki JY-VTT yhteistyöstä: Puun ominaisuuksien mittaus

neutronimenetelmällä

Timo Järvinen 2.3. 2007

11

Neutronimenetelmän kehittämistä VTT:n ja JKL yliopis ton kanssa: visio mittauksesta

Ari virtanen 2.3.2007

Esimerkki; puukuormaEsimerkki; puukuorma

C/O-suhdeja

”epäpuhtaudet”

+

H+-absorption-generaattori

gammailmaisimet

12

Pienpoltto, esimerkki VTT-JY yhteistyöstä

Sähköavusteinen hiukkaspoisto pienpolttoon

Puupolttoaineiden pientuotanto ja käyttö 19-20.09.2006

JY TTY

(VTT)

TKK

TEKES

Genano Velj.Ala-Talkkari

Tulikivi

14

Pienpoltto: Mittausjärjestelyt VTT:n tiloissa Jyväskylässä eräässäJY-VTT-TTY projektissa

15

Biopolttoaineiden aiheuttamista haasteista

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

16

MetsätähdeSahanpuru

Turve

Kierrätyspolttoaine

Tulipesän kannalta….

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

17

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

18

Ruokohelven korjuuta (karhennus ja murskaus)

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

19

Kotitalouksien jätevirta

Tämän jakeen kunnollinenerotus ja prosessointion mahdollisuus

Puhdistus-> uutta paperia

Maanparannukseen

Uusiokäyttö

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

20

Vastaanotto

Valvomo

Pelletöintimatriisi

REF-pelllejä

Syntypaikkalajiteltuapakkausjätettä

• n. 25 MJ/kg muovisisällön ansiosta!!!

OPET Finland � Cocombustion of recycled fuels with biomassVTT Energy/E. Alakangas 13.9.99

Huom! Klooria0,4-0,7p-% vs. metsähakkeen 0,02-0,03p-%

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

21

22

Tulistinputkien korroosiovaurioita

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

23

VTT:llä Jyväskylässä hyvät polttotutkimuslaitteet

nc Xkm

t

mr O2c

c

d

d ==

COefCO Ykt

Y =−d

d

)/1/(1 mCOef kk τ+=

nrefv ddTAb )/)(/exp(=τ

Modelanalyses

CO combustion

MixingChar combustion

Volatile,

moisture

release

kW /m2

1D-MODELflue gas

1

n n+1

to stack

Primary airSecondary air

2

n-1

3

n-2

BENCH SCALE REACTOR (BFB/CFB)

Air

O2, CO2, CO, N2, SO2, NO

Secondary air

Continuousfuel feed

Fuel batch feed

Cooler/heater

Cooler

Primary gas heatingPC control and data logging system

Cyclone

FilterTo Stack

BENCH SCALE REACTOR (BFB/CFB)

Air

O2, CO2, CO, N2, SO2, NO

Secondary air

Continuousfuel feed

Fuel batch feed

Cooler/heater

Cooler

Primary gas heatingPC control and data logging system

Cyclone

FilterTo Stack

Air

O2, CO2, CO, N2, SO2, NO

Secondary air

Continuousfuel feed

Fuel batch feed

Cooler/heater

Cooler

Primary gas heatingPC control and data logging system

Cyclone

FilterTo Stack

kW/m 2

CIRCULATING FLUIDIZED BED REACTOR

Secondary

cyclone

Fuel container 1 and 2 Zone 1

Zone 2

Gas coolig

Primary

cyclone

Observation port Sampling port/Deposit probe

Zone 3

Zone 4To stack

Sampling port

Sampling port

Observation and Sampling port/

Deposit probe

Additive

container

Air

Secondary air

(preheated)

Primary gas heating

Nitrogen

PC control and data logging system

Sampling port

Sampling port

Bag filter

Customer/product

Bench scale 1 kW� phenomena characterisations� parameters for modelling

Pilot scale 100 kW� Process characterisations� Problem solution� 1-D process modelling

Full scale MW’s� Process measurements� 3-D modelling

24

Pilot-kokoluokan koetoiminta leijukerrospolton ympäristössä

25

Leijukerroskoelaite (korkeus 8.5 m)

M

Secondary

cyclone

Fuel container 1 and 2 Zone 1

Zone 2

Primary

cyclone

Observation port

Deposit probe port

Zone 3

Zone 4

To stack

Sampling port

Sampling port

Sampling port

Additivecontainer

Air

Secondary air

Primary gas heating

Nitrogen

PC control and data logging system

Sampling port

Sampling port

Gas analysator

FTIR sampling port

FTIR sampling port

Sampling port

Sampling port

Gas coolingBag filter

M

Secondary

cyclone

Fuel container 1 and 2 Zone 1

Zone 2

Primary

cyclone

Observation port

Deposit probe port

Zone 3

Zone 4

To stack

Sampling port

Sampling port

Sampling port

Additivecontainer

Air

Secondary air

Primary gas heating

Nitrogen

PC control and data logging systemPC control and data logging system

Sampling port

Sampling port

Gas analysator

FTIR sampling port

FTIR sampling port

Sampling port

Sampling port

Gas coolingBag filter

26

20 kW:n kerrosleijureaktori, korkeus 4m To stack

Sampling port

Sampling port

Sampling port

Gas cooling

Bagfilter

Gas probe

Observationport

Cyclone

Gas sample

Temperature control

Tertiary air optional

Tertiary air optional

Tertiary air (preheated)

Fuel container 2Fuel container 1

Secondary air(preheated)

Nitrogen

Air

Additivecontainer

Primary gas heating

Heating zone 2/Cooling zone 2

Heating zone 3

Heating zone 4

Heating zone 1/Cooling zone 1

BEDmade of quarz

PC control and data logging system

Obervation port

Obervation port

Obervation port

Obervation port/Deposit probe

Deposit probe

Arinapolton pilot- tutkimus

28

Arinapolttokoelaite, korkeus 10 m

29

Polttoaineiden reaktiivisuusmittauksista

30

BENCH SCALE REACTOR (BFB/CFB)

Air

Nitrogen

Secondary air

Continuousfuel feed

Fuel batch feed

Cooler/heater

Cooler

Primary gas heatingPC control and data logging system

Cyclone

FilterTo Stack

Pieni n. 1kW:n laite

31

Reaktori: Korkeus 10 mPaineastia 7.5 tMinimi viiveaikaNäytteenottoonAika50 msNäytettä60-300 mg

32

Tulipesäongelmien ratkaisuun tähtäävätutkimus

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

33

Laitosmittauksista

34

Monipolttoaineiden käyttötutkimuksetTulistimien likaantuminen, sondimittaukset voimalai toksilla

35

Korroosio/kerrostumanäytteenotin laitoskäytössä altistusajat > 1000 h

Renkaita eri metalliseoksista korroosiokestävyyden tutkimiseksi. Metallin kuluma mitataan

Likaantumisnopeutta voidaanmäärittää myös reaaliajassa kerrostuma-alueenanturoinnin avulla (T,..)

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

36

Pilot-kokoluokka (polttokokeet VTT:n koehallissa)

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

37

Kerrostumanäytteenottoa VTT:n Pilot-reaktoristaJyväskylässä, näytteenottoaika n. 3 tuntia

30m m

16mm

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

38

Kerrostuman analysointi pilot-laitteista kerättyjen kerrostumien eri kohdista, Åbo Akademi

Lee side

Inorganicvapors

Tackydeposit

Wind side

50o from Wind side β=50°

Lee side

Inorganicvapors

Inorganicvapors

Tackydeposit

Wind side

50o from Wind side β=50°

Jättöpuoli L

Tulopuoli W

Kriittinen sivupiste S Pintalämpötila säädettyTiettyyn tasoon

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

39

Kerrostumanäytteenoton + analyysin antia: kerrostumien klooripitoisuuksia eri kohdissa kolmella polttoaineseoksella

0

5

10

15

20

25

30

20CYN-SAC 30CYN-SAC 50CYN-SAC

% C

l ker

rost

umas

sa

500W500S500L420W420S420L

Martti AhoVoimalaitostenoptimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

40

Uusinta: Korroosion esto tulipesään ruiskutettavien kemikaalien avulla

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen koulutus 10.10.2007

41

’

2MCl + SO3 + H2O -> M2SO4 + 2 HCl

NaCl, KCl

Na2SO4K2SO4HCl

Suoraan SO3hyökkäys

Martti AhoVoimalaitosten optimaalinen käyttöLernen 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. SO3-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