Biopolttoaineiden päästöjen ja
palamisen tutkimus Kuopion
yliopistossa
Jorma Jokiniemi
Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio
Ympäristötieteiden laitos,
Kuopion yliopisto
Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio
Prof. Jorma Jokiniemi, laboratorion johtaja
TkT Jorma Joutsensaari, tutkimusjohtaja
FM Mirella Miettinen
DI Olli Sippula
Ins. Pentti Willman
FM Kati Hytönen
Sihteeri Anita Kajander
FM Jarkko Tissari
FM Timo Turrek
FM Pasi Yli-Pirilä
Fil.Yo. Valtteri Suonmaa
Tutkimusalat:
1. Pienten hiukkasten muodostuminen ja päästöt
palamisessa
2. Moottoreiden päästöjen vähentäminen ja mittaustekniikat
3. Nanohiukkasten tuottaminen ja niiden terveysvaikutukset
4. Aerosolien dynamiikan mallintaminen
1. Pienten hiukkasten muodostuminen ja päästöt
palamisessa
- pienpoltto (uunit, takat yms.)
- pellettikattilat
- arinakattilat
- leijupetikattilat
- kaasu- ja öljypolttimot
- dieselmoottorit
Muodostumismekanismit
- OC/EC, epäorgaaninen hiili
- metallit/metallikoksidit
- PAH, VOC
- hiukkaskokojakaumat
Nykyiset projektit 2006
Pienhiukkaspäästöt puunpoltossa (PUPO+PUPO-terveys)
TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö 2002-2006
Tekniikan koulutushanke (EU+lääni)
Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR)
Puun polton pienhiukkaspäästöjen vähentäminen
lämmönvaihtimilla (LÄPI)
TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö 2002-2006
Esiselvitys puun pienpolton hiukkaspäästöjen vähentämismahdollisuuksista (PÄVÄ)
TEKES, Puupolttoaineiden pientuotanto ja -käyttö 2002-2006
Biomassan ja raskaan polttoöljyn pienhiukkaspäästöt ilman
tehokasta suodatusta (BIOPOR)
TEKES, FINE Pienhiukkaset - Teknologia, ympäristö ja terveys 20022005
Puun pienpolton tutkimus
Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorio
Tutkimuslaitteet
Tulisijat
Pienet kattilat
Öljypolttimot
Mittausmenetelmät (1)
Kaasuanalysaattorit
O2, CO2, CO, NOx, SO2,
OGC, VOC
FTIR (CH4 …)
CO
18000
NOx
OGC
O2
25
20
14000
12000
15
10000
8000
10
6000
4000
5
2000
0
0
0
20
40
60
Aika (min)
80
100
120
Happipitoisuus (%)
CO, NOx (ppm), OGC (mgC/m3) red. 13 % O2
16000
Mittausmenetelmät (2)
Hiukkaskokomittaus
SMPS: aikaresoluutio 1-2 mins
TSI DMA 3071A and TSI CPC 3022A (5-1 000 nm)
TSI DMA 3080 and TSI CPC 3025A (3-90 nm)
ELPI: reaaliaikainen
Dekati 30/10 Lpm, (7? – 10 000 nm)
FMPS
: reaaliaikainen
(Fast Mobility Particle Sizer)
TSI 3090 (5.6 – 560 nm)
Panospoltto
- Syttyminen
4.E+08
Lukumäärä dN/dlogDp (#/cm3, red 13 % O2)
Syttyminen
Laite A, panoskoko A
Laite B, panoskoko A
3.E+08
Laite C, panoskoko A
Laite B, panoskoko B
2.E+08
1.E+08
0.E+00
0.0
0.1
1.0
Hiukkaskoko (µm)
10.0
Pellettipoltin (8 kW)
3.0E+05
3
Partial load
Mass
2.0E+05
2
Nominal output
1.0E+05
0.0E+00
9:00
1
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
0
17:00
Figure 1: The number and mass concentrations measured with ELPI at nominal output
and partial load operation of pellet burner
J. Tissari, J. Nuutinen, K. Hytönen, T. Raunemaa, J. Kouki, K. Vuorio S. Tuomi (2003) Fine Particle and CO Emissions in an UnderFeed Pellet Burner. Abstract in 1st International Symposium on Incomplete Combustion, November 9 – 11, Kuopio, Finland.
Mass concentration (mg/m3, raw)
Number concentration (#/cm3, raw)
Number
Mittausmenetelmät (4)
Hiukkasten kerääminen
Suodatin keräys
Gravimetrinen ja kemiallinen
analyysi
OC/EC analyysi
Dekati PM impaktori,
Dp50 1.0, 2.5 and 10 µm
LPI, virtuaali-impaktori
SEM/TEM-keräin
Leivinuunin hiukkaspäästöt
Leivinuunin PM1 ja TSP pitoisuus palamisvaiheittain ja vaihteluväli
TSP
250
PM1
n=5
Hiukkaspitoisuus (mg/MJ)
200
150
n=3
100
50
n=1
0
Syttyminen
Palaminen
Hiillos
Mittausmenetelmät (5)
Analytiikka:
Gravimetrinen (1 µg)
Termis-optinen hiilianalysaattori
(OC/EC)
Hiukkasten haihtuvuus (TDMA –
menetelmät)
Tenax- and DNPH –keräys:
VOC ja karbonyyli analyysit
PAH keräys: lasisondi + denuderit
GC-MS (+headspace)- and HPLC
–laitteet orgaanisineen
analytiikkaan
Transmission Electron Microscope
(TEM) ja Scanning Electron
Microscope (SEM) + Energy
Dispersive Spectrometry (EDS)
Mittausmenetelmät (6)
Laimentaminen
Ejektorilaimentimet
Laimennustunneli
Huuvalaimennus
FPS (Fine particle
sampler)
Huokoinen putki
laimentimet
Laimennustunneli
FPS
Headspace
GC-MS
Mittausmenetelmät (7)
Hiukkasten tuotto
Pirskottimet
VOAG (Vibration Orifice
Aerosol Generation)
Dry powder generator
(Topas)
Measurements
Gas blower
400 – 1000 m3/h
5 – 12 m/s
Dilution ratio about 10
PA
H
ELPI DLPI
HH D
D
Gas cleaning
Particle filtration
T,P
Partial dilution
e.g. 60 Lpm
12.5 m/s
Dilution tunnel
SMPS
PM
Flue gas
channel
eg.. 40 m3/h
0.45 m/s
ELPI
SMPS
HH D
D
D
ELPI
H
PA
T
Gas analyses (ABB)
Boiler /
Stove/
Fireplace
Weighing
Condenser
OGC
CO
CO2
NO
NO2
O2
PM
Constant vol. punp
0 – 1200 m3/h
n. 2 – 4 m/s
Dilution ratio 60 - 300
Päästöihin vaikuttavia tekijöitä
Polttolaitteen ominaisuudet
Tulipesän koko, muotoilu, materiaalit
Savusolien koko, esteet, hormipellit
Piipun koko (muoto) ja korkeus
Lämmön varastoiminen
Palamisolosuhteet
Savukaasun viipymäaika
Palamislämpötila
Ilman syöttö ja polttoaineen/ilman sekoittuminen
Päästöihin vaikuttavia tekijöitä
Savukaasun jälkikäsittely
Toisiopalotila
Katalysaattori, muu suodatus
Toimintaolosuhteet
Palamisnopeus, polttoaineen syöttötiheys
Panospoltto/jatkuva poltto, säätölaitteet
Polttoaine
Tyyppi, laatu, koko, kosteus, hienoaines
Hiukkasen muoto ja koostumus
• Yksittäinen pallomainen hiukkanen
20 – 40 nm
Pallomaisista hiukkasista koostuva
agglomeraatti alle 1 µm
Yksittäinen epäsäännöllinen hiukkanen,
500 nm?
Tuhkaa, nokea ja kondensoituneita
yhdisteitä ?
Kiinteä ja/tai nestemäinen
Jana 50 nm
Pienhiukkasten muodostuminen poltossa
Tg[°C]
1200-2500
800-1500
0-200
Päästö
H2SO4+hiilivety
nokihiukkaset
PolttoainePisara/
huono palaminen
- noki ja org. hiili
Pyrolyysi/
palaminen/
liekki/
höyrystyminen
hiukkanen
heterogeeniset reaktiot
K, Na, Ca tuhkahiukkasia
V, Ni, Pb, Cd…
Fe, Mg, Si, Ca…
sulfaatteja
klorideja
oksideita
hyvä palaminen
- tuhka
3 .0 E+0 5
4 .5E+0 7
2 .5E+0 5
3 .8 E+0 7
2 .0 E+0 5
3 .0 E+0 7
1.5E+0 5
2 .3 E+0 7
1.0 E+0 5
1.5E+0 7
5.0 E+0 4
7.5E+0 6
0 .0 E+0 0
0 .0 E+0 0
0.01
0.1
Particle diameter (µm)
1
Examples of number size distribution for light fuel oil and pellet burners
Pienhiukkaspäästöt
Päästöjen muodostumiseen vaikuttavat
seuraavat kolme tekijää:
Polttoaine
Polttolaite/prosessi
Käyttäjä
Hiukkaserotuslaitteisto
Pienhiukkaspäästöt - mitä pitää mitata ?
Massapitoisuus [mg/Nm3, mg/MJ], TSP, PM10, PM2.5,
PM1, PM0.1, kokojakauma
Lukumääräpitoisuus [#/Nm3], kokojakauma
Raskasmetallit [µg/Nm3]
PAH yhdisteet ja muut orgaaniset
Morfologia (agglomeraatit)
Polttoaineet, laitteet ja hiukkaserotuslaitteistot, PIENHIUKKASPÄÄSTÖT
polttaine/
prosessi
kevytöljy raskas
öljy
biomassa
pölypoltto
leijupoltto
0,5-10
arina
15-50
hiili/
turve
kaasu
Suodatin
[mg/MJ]
1-30
letku, ESP
0,5-10
letku, ESP
ESP, pesuri
poltinpoltto 2-(10)
10-50
?
<2
Ei ole
moottorit
20-50
?
2-10
[mg/km]
Ei yleensä
25-150
[mg/km]
pienpoltto
10-200
Ei
Soodakattila
5-50
ESP
Hiukkaspäästöjen vähentäminen
hiukkaserottimet
Lämmönvaihtimet/Pesurit
diffuusioforeesi, termoforeesi
Teoriassa toimii, käytäntö?
Sähkösuodatus
Olemassa kaupallinen malli (kallis, Sveitsissä)
Sähköavusteinen hiukkaspoisto pienpolttoon - PUUT53/Aho
Katalysaattorit
USA:ssa yleisesti käytetty (keraamisia, metallisia)
Suomeen?, Kennoja testattu myös Suomessa –toimiiko?
Syklonit
Karkealle pölylle, valmistajia löytyy
Muita menetelmiä? tekstiilisuodattimet
Moottoritestipenkki
Moottoritestipenkki
standardi ISO 8178 dynamometri
Froude Consine EC 30
max 30 kW
max. 90 Nm/14000 rpm
pienet teollisuus moottorit
FOUR-STROKE
ENGINE
BRAKE
GAS ANALYSIS
FUEL
NOx
CO2
CO
FID
O2
FILTER
DILUTION TUNNEL
BYPASS LINE
20… 350 °C
THERMAL DESORBER
DMA
CPC
PARTICLE SAMPLER
FOR GRAVIMETRIC AND
CARBON ANALYSIS
HV
PUMP
PUMP
ELPI
30 lpm
VOC/
DNPH
AEROSOL SAMPLER
FOR SEM/TEM GRIDS
Nano-DMA
UCPC