Energiantuotannon ja prosessiteollisuuden pienhiukkas- ja raskasmetallipäästöjen karakterisointi

Hiukkas- ja raskasmetallipäästöt energiantuotannossa ovat jatkuvasti tiukentuvien säännösten kohteena.Pienhiukkasten negatiiviset terveysvaikutukset ovat saaneet laajalti julkisuutta energiantuotannon ollessa yksi suurimmista pienhiukkasten tuottajista.Samalla tuntemus erilaisten palamisprosessien ja polttoaineiden merkityksestä hiukkasten ominaisuuksiin ja hiukkaserotuslaitteistojen toimintaan on puutteellista.Raskasmetallit, elohopeaa ja mahdollisesti seleeniä lukuun ottamatta, esiintyvät pääosin hiukkasissa hiukkaserotuslaitteistojen toimintalämpötilassa. Pienhiukkasmittauksia tehtiin kolmessa leijukerrostekniikkaan perustuvassa voimalaitoksessa, joissa polttoaineena käytettiin biomassaa, turvetta, jätettä ja lietettä sekä terästehtaan sintraamolla ja kahdella mustalipeää polttavalla soodakattilalla.Leijupeti- ja soodakattiloilla mittaukset tehtiin samanaikaisesti ennen hiukkaserotuslaitteistoja ja niiden jälkeen erotustehokkuuksien selvittämiseksi.Laitos 1 oli polttoaineteholtaan 60 MW:n BFB (kupliva leijukerroskattila), ja polttoaineina käytettiin kahta seosta. Seoksessa A oli polttoainetehosta 30 % turvetta ja 70 % sahanpurua.Seoksessa B oli noin 12 % yhdyskuntajätettä, 18 % turvetta ja 70 % sahanpurua.Laitoksen 2, 150 MW CFB (kiertoleijukerroskattila), polttoaineena käytettiin kuorta ja lietettä sekä laitoksessa 3, 90 MW BFB, kuorta, turvetta ja lietettä. Soodakattiloissa, Laitokset 4 ja 5 poltettiin mustalipeää.Laitoksella 3 oli käytössä letkusuodatin ja laitoksilla 1, 2, 4 ja 5 sähkösuodatin. Pienhiukkasten massapitoisuus ja massakokojakauma mitattiin BLPI:llä (Bernerin alipaineimpaktori).Massapitoisuutta seurattiin myös jatkuvatoimisella massamonitorilla TEOM:lla.Lukumääräpitoisuus ja lukumääräkokojakauma mitattiin ELPI:llä (jatkuvatoimisella sähköisellä alipaineimpaktorilla).Näytteitä kerättiin myös pyyhkäisyelektronimikroskooppia varten.BLPI:llä kerätyt hiukkaset analysoitiin ICP-MS (induktiivisesti kytketty plasma-massaspektrometri) ja IC (ionikromatografia) analyyseillä raskasmetallien ja muiden yleisimpien aineiden pitoisuuksien määrittämiseksi. Polttoaineet analysoitiin joko XRF:llä (röntgenfluoresenssi) tai ICP-MS:llä ja IC:llä.Leijukerroskattiloilla hiukkaserotuslaitteistojen erotustehokkuus hiukkasten kokonaismassasta oli 98,0-99,9 %.Pienhiukkasten, halkaisijaltaan 0,1-1,0 µm, kohdalla sähkösuodatinten erotustehokkuus on pienempi kuin kokonaispölylle, 90 % ja 99 % välillä.Letkusuodattimen pienhiukkaserotustehokkuus on parempi kuin sähkösuodattimen, yli 99 %. Soodakattiloilla pienhiukkasten massapitoisuus on suurempi kuin leikerroskattiloilla johtuen korkeammasta palamislämpötilasta ja suuremmasta polttoaineen natriumpitoisuudesta.Tällöin myös pienhiukkasmoodi on suuremmissa hiukkasissa, noin 1-3 µm, ja sähkösuodattimen erotustehokkuus on hyvä myös pienhiukkasille.Alle 1 µm:n pienhiukkasia muodostuu palamisessa höyrystyvistä eli sellaisista aineista, joilla on prosessin lämpötilaan verrattuna matala sulamispiste ja korkea höyrynpaine, kuten esimerkiksi kloori, kalium, kadmium ja lyijy.Siten prosessin maksimilämpötilalla ja sellaisilla aineilla, jotka voivat yhdisteinä alentaa muiden aineiden sulamispistettä ja nostaa höyrynpainetta, lähinnä kloorilla, on suuri merkitys alle 1 µm:n pienhiukkasten määrään.Tehdyistä impaktorimittauksista voitiin havaita yhteys pienhiukkasten kokonais-massapitoisuudelle, prosessin lämpötilalle sekä polttoaineen ja pienhiukkasten kloori-, rikki-, kalium-, natrium-, lyijy-, kadmium- ja kupari- sekä joissain tapauksissa arseenipitoisuuksille.Suurempi kloorin pitoisuus polttoaineessa ja korkeampi prosessin lämpötila lisäsi näiden aineiden suhteellista osuutta alle 1µm pienhiukkasissa