13.1 Polttoaineominaisuuksien yhteys polttoon
Polttoaineen kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo kuvaa täysin kuivan polttoaineen palamisessa vapautuvaa energiamäärää olettaen, että polttoaineen sisältämästä vedystä muodostuneen vesihöyryn latenttia läm-pöä ei saada talteen. Vesihöyryn latenttilämpö voidaan ottaa talteen savukaasunlauhduttimella. Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa huomioi polttoaineen sisältämän kosteuden lämpöarvoa alentavan vaikutuk-sen. Lämpöarvon alentamisen lisäksi kosteus lisää savukaasuvirtaa ja heikentää kattilan hyötysuhdetta.
Lisäksi kostea polttoaine jäätyy helpommin talvella ja voi aiheuttaa ongelmia polttoaineen syöttölaitteis-toissa.
Energiatiheys kuvaa energiasisältöä tilavuusyksikköä kohti. Energiatiheys vaikuttaa mm. tarvittaviin polt-toaineen varastointi-, käsittely- ja syöttölaitteistojen kapasiteetteihin sekä kuljetuskustannuksiin. Kuvassa 13.1 on vertailtu eri polttoaineiden energiatiheyksiä tilantarpeen näkökulmasta.
Kuva 13.1. Eri polttoaineiden tilantarve, kun energiamäärä on 10 MWh. Kuva: VTT.
Vaadittava polttoaineen palakoko(jakauma) vaihtelee polttotekniikoittain ja -aineittain. Palakokojakauma vaikuttaa itse palamisprosessin lisäksi myös kuljetus- ja käsittelylaitteistojen toimintaan, esimerkiksi
hol-vaantumiskäyttäytymiseen. Hakkeen palakoko on homogeenisempi kuin murskeen ja hakkeella on pa-remmat käsiteltävyysominaisuudet kuin pidempiä kappaleita sisältävällä murskeella.
Tuhkapitoisuus mm. alentaa polttoaineen lämpöarvoa ja vaikuttaa tuhkankäsittelylaitteistoilta vaaditta-vaan kapasiteettiin. Epäpuhtaudet kuten maa-aines, lasit, kivet ja metallit nostavat bio- ja jäteperäisten polttoaineiden tuhkapitoisuutta.
Kuvassa 13.2 on havainnollistettu edellä kuvattujen ominaisuuksien riippuvuutta toisistaan.
Kuva 13.2. Polttoaineiden ominaisuuksien riippuvuus toisistaan. Lähde: Hartmann 2007. Kuva: VTT.
Haihtuvien aineiden osuus vaikuttaa mm. palamisprofiiliin, reaktiivisuuteen ja päästöjen muodostumiseen.
Pölypoltossa haihtuvien aineiden määrän lisääntyminen helpottaa syttymistä ja stabiloi liekkiä. Biopolttoai-neilla haihtuvien aineiden osuus kuiva-aineesta on korkea ja kivihiilillä alhainen.
Hiili ja vety ovat palamisessa vapautuvan energiamäärän kannalta oleellisimmat alkuaineet. Kuvassa 13.3 on esitetty tyypillisiä hiili- ja vetypitoisuuksia sekä haihtuvien aineiden määriä ja lämpöarvoja eri polt-toainetyypeille (Kurki-Suonio 1981).
Kuva 13.3. Eri polttoainetyyppien hiili- ja vetypitoisuudet, haihtuvien aineiden määrät ja kuiva-aineen lämpöarvot. Kuva: VTT.
Kosteuspitoisuus
Tehollinen lämpöarvo Tuhkapitoisuus
Epäpuhtaudet
Tuhkan sulamis-käyttäytyminen Irtotiheys
Kiintotiheys Mekaaninen
kestävyys (pelletit ja briketit) Palakokojakauma Holvaantumis-ominaisuudet
Polttoaineen sisältämästä typestä suurin osa muuntuu alkuainetypeksi, mutta silti merkittävä osa muodos-taa haitallisia typenoksidipäästöjä, joista typpimonoksidin (NO) osuus on suurin. Typpimonoksidi hapettuu ilmakehässä nopeasti typpidioksidiksi, joka veden kanssa reagoidessaan muodostaa typpihappoa ja typpi-hapoketta, jotka molemmat happamoittavat sadevesiä.
Rikkipitoisuus on oleellinen sekä päästöjen (SO2) että tuhkakemian kannalta kuumakorroosion estämi-sessä. Osa rikistä voi kuitenkin myös muodostaa rikkihappoa, josta voi aiheutua kastepistekorroosiota savukaasukanavan ’kylmässä päässä’, mikäli lämmönsiirtopintojen lämpötilat ovat liian alhaiset. Rikkiha-pon kastepistekorroosio on suuri ongelma myös kanavistossa ja laitteissa kuten sähkösuotimessa, kun rakenteen lämpötila on rikkihapon kastepisteen alapuolella (erityisesti kylmäsillat). Kloori on tärkein tulisti-mien kuumakorroosion aiheuttaja bio- ja jäteperäisten polttoaineiden poltossa ja oleellinen myös päästöjen (HCl, PCDD/F) kannalta.
Tuhkan koostumus määrittää polton ns. tuhkakemiaa (likaantumis-, kuonaantumis-, korroosio- ja peti-hiekan agglomeraatiomekanismit). Esimerkiksi alkalimetallit (K, Na) vaikuttavat kattilan likaantumiseen, tuhkan sulamiseen, korroosioon (yhdessä kloorin kanssa) ja leijupetihiekan agglomeraatioon eli petihiek-kajyvästen yhteenliimautumiseen. Raskasmetallit vaikuttavat ilmaan joutuviin päästöihin, tuhkan hyötykäyt-töön sekä korroosiomekanismeihin (erityisesti lyijy Pb ja sinkki Zn). Näitä vaikutuksia on kuvattu tarkemmin seuraavissa luvuissa.
Kuvassa 13.4 on havainnollistettu polttoaineen kemiallisten ominaisuuksien vaikutusta poltossa esiinty-viin haasteisiin Valmet Oyj:n näkemyksen mukaan.
Kuva 13.4.Polttoaineanalyysin tulosten yhteys polttoon. Lähde: Valmet Oyj.
13.2 Polttoaineet ja niiden asettamat haasteet polttoprosessille
Polttoaineet eroavat ominaisuuksiltaan merkittävästi toisistaan, joten ne asettavat laitoksille eriasteisia vaatimuksia ja haasteita (taulukko 13.1 ja 13.2). Kuvassa 13.5 on esitetty Amec Foster Wheelerin laatima polttoaineiden laatuluokittelu lämpöarvon ja poltossa esiintyvien ongelmien mukaan. Parhaimmat polttoai-neet eli ne, joilla on korkea lämpöarvo ja jotka eivät aiheuta poltossa ongelmia, löytyvät kuvaajan oikeasta yläkulmasta. Huonoimmat eli paljon ongelmia aiheuttavat, matalan lämpöarvon polttoaineet löytyvät vas-taavasti vasemmasta alakulmasta. Ongelmat voivat liittyä esimerkiksi kattilassa esiintyviin haittailmiöihin, kuten likaantumiseen, kuonaantumiseen, korroosioon ja tuhkan sulamiseen. Haasteet voivat liittyä myös polttoaineen syötettävyyteen, hygieniaan tai päästöihin.
Kuva 13.5. Polttoaineiden haastavuus kattilasuunnittelun kannalta. Kuva muokattu Amec Foster Wheelerin kuvasta. Haastavuusasteikko on suhteellinen ja mukautettu tilan mukaan.
Haasteellisempia polttoaineita ovat erilaiset jäteperäiset materiaalit. Ongelmat ovat pääosin lähtöisin kor-keista kloori- ja alkalipitoisuuksista, mutta myös raskasmetalleista. Poltossa muodostuvat alkalikloridit lisäävät riskiä tulistinputkien kuumakorroosioon erityisesti silloin, kun höyryn tulistuslämpötila on yli 450–
480 ºC. Lisäksi jätepolttoaineista muodostuvat sinkki- ja lyijy-yhdisteet aiheuttavat korroosiota myös tätä alemmissa lämpötiloissa (noin 350–400 °C), jolloin myös höyrystinputket (tulipesän paneliseinät) ovat alttiina korroosiolle. Tästä syystä jätettä pääpolttoaineena käyttävissä kattiloissa painetaso (ja siten myös keittopintojen metallilämpötila) on alempi kuin tavanomaisia polttoaineita käytettäessä. Jätepolttoaineet voivat sisältää myös bromia, jolla on havaittu klooria vastaava – tai mahdollisesti jopa merkittävämpi – haittavaikutus (Vainikka 2011), mutta bromipitoisuudet ovat usein lähes merkityksettömät klooripitoisuuk-siin verrattuna. Jätepolttoaineissa voi olla myös metallista alumiinia, joka voi aiheuttaa likaantumista ja ääritapauksessa jopa koko kattilan tukkeutumisen. Raskasmetallit voivat aiheuttaa ongelmia päästöjen ja tuhkien loppukäytön osalta. Lisäksi jäteperäisten materiaalien käsittely ja syöttö on usein haasteellista ja niiden käyttöön liittyy aina terveys-, haju- ja hygieniariskejä.
Käsittelemättömän yhdyskuntajätteen (MSW) käyttöä rajoittaa palakoko ja palamattomien vieraskappa-leiden (lasi, keramiikka, metallit yms.) suuri määrä, minkä vuoksi yhdyskuntajäte soveltuu sellaisenaan vain arinakattiloihin. Syntypaikkalajittelemattomasta jätteestä voidaan valmistaa palakooltaan myös esi-merkiksi leijupetikattiloihin sopivaa ja vähemmän vieraskappaleita sisältävää kierrätyspolttoainetta (RDF).
Leijupetikattiloissa on kuitenkin tärkeää varmistaa ylisuurten kappaleiden tehokas poisto pedistä. Muilta osin haasteet kattilalle ovat samaa luokkaa kuin yhdyskuntajätteellä.
Myös monenlaiset kuluttajalähtöiset pakkausjätteet (PDF) ovat haastavia polttoaineita, kuten myös syn-typaikkalajitellusta jätteestä valmistetut polttoaineet (REF tai SRF). Ongelmat ovat lähtöisin samoista syis-tä kuin RDF:llä, mutta ovat lievempiä esilajittelun vuoksi. Jäteperäisillä polttoaineilla pätee trendi, jonka mukaan ongelmallisimpia ovat kuluttajalähtöiset jätteet, sitten kaupalliset ja vähiten ongelmia aiheuttavat