Karakterisering af fine og ultrafine partikler emitteret fra danske kraftvarmeværker Karsten Fuglsang FORCE Technology Seminar, Energinet.dk, 13 april 21
Metode til prøvetagning af fine og ultrafine partikler
Måling på affaldsforbrændingsanlæg Akkrediteret måling af PM 1, NO x, SO 2, CO, O 3
ELPI - partikelstørrelser Karakterisering Impaktor trin nr. Fra [µm] Til [µm] 12 4. - 9.9 11 2.4-4. 1 1.6-2.4 9.95-1.59 8.61 -.95 7.38 -.61 6.26 -.38 5.16 -.26 4.92 -.155 3.54 -.92 2.28 -.54 1.7 -.28 Grove Partikler (2.5µm - 1 µm) Fine Partikler (.1µm - 2.5 µm) Ultrafine Partikler (<.1µm)
Metoder anvendt til karakterisering SEM (Scanning Electron Microscopy) EDX (Energy Dispersive X-ray analysis) FIB-SEM (Focused Ion Beam-SEM)
Resultatoversigt: Affaldsfyrede KVV
Resultatoversigt: Affaldsfyrede (WTE) anlæg Plant name Emission control system (ECS) Number distribution after ECS (averaged, fitted curve) Mass distribution after ECS (averaged, fitted curve) PM.1 PM 1 PM2.5 WTE1 DeNOx (SNCR) ESP desulphurization addition of activated charcoal agglomeration filter dn/dlog [1/cm³] 35 3 25 2 15 1 5 Number dm/dlog [mg/m³].16.14.12.1 Mass.8.6.4.2 16 cm-3 mg/m³(n) emission g/h.2.1.24.33.74 12.33.8 13 WTE2 WTE3 DeNOx (SNCR) desulphurization activated charcoal addition bag filter DeNOx (SNCR) ESP desulphurization addition of CaO and activated charcoal bag filter dn/dlog [1/cm³] dn/dlog [1/cm³] 35 3 25 2 15 1 5 16 14 12 1 Number 8 6 4 2 Number dm/dlog [mg/m³] dm/dlog [mg/m³].6.5.4.3.2.1 Mass.2.15.1.5 Mass 16 cm-3 mg/m³(n) emission g/h 16 cm-3 mg/m³(n) emission g/h.8.1.1.53 2.4E-6.4.166 1.2 63.58.1.2.172 2.2 119.59.2.4
Anlæg WTE2 (affaldsfyret, m. posefilter) Gns. størrelsesfordeling over måleperioden 3.5E+3 Num ber Mass.6 dn/dlog[1/cm³(n)] 3.E+3 2.5E+3 2.E+3 1.5E+3 1.E+3 5.E+2 N/A.5.4.3.2.1 dm/dlog[mg/m³(n)].e+ (µm)
Affaldsfyrede anlæg: Hyppigst forekommende grundstoffer (her anlæg WTE2) 3.5E+3 Num ber K, Cl, O, C, Na Mass.6 dn/dlog[1/cm³(n)] 3.E+3 2.5E+3 2.E+3 1.5E+3 1.E+3 5.E+2 Fe, Mn, O, Cu Ca, O, C, S, (Na), (K), (Fe), (Si) N/A.5.4.3.2.1 dm/dlog[mg/m³(n)].e+ (µm)
Affaldsfyrede anlæg: SEM analyse af repræsentative partikler
Biomassefyrede (BM) anlæg
Resultatoversigt: Biomasse anlæg Plant name Emission control system (ECS) Number distribution after ECS (averaged, fitted curve) Mass distribution after ECS (averaged, fitted curve) PM.1 PM 1 PM2.5 BM1 (mass calc only valid for PM 1 ) Bag filter dn/dlog [1/cm³] 25 2 15 1 5 Number N/A 16 cm-3 mg/m³(n) 2.21.5 2.39 3.4 2.39 N/A 7.E+5 Number N [1/cm³] concentration emission g/h 1.15 84 N/A BM2 6.E+5 (mass calc only valid for PM 1 ) BM3 5.E+5 4.E+5 3.E+5 2.E+5 1.E+5 Bag filter ESP dn/dlog [1/cm³] Number 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 BM2: antal part/cm³ Pulserende koncentrationer Number 14 pga. 12 1 regenerering af 8 6 posefiltre med 4 dn/dlog [1/cm³] trykluft 2 dm/dlog [mg/m³] N/A Mass 1.8 1.6 1.4 1.2 1.8.6.4.2 16 cm-3 mg/m³(n) emission g/h 16 cm-3 mg/m³(n) emission g/h.827.4.27 1.28.7 5.42.138 1.1 66.9 1.7 4.3 353.14 N/A N/A 1.7 5.9 486.E+ 7:12: 8:24: 9:36: 1:48: 12:: 13:12:
Generel, primær grundstofsammensætning for BM anlæg (størrelsesfordeling vist for: BM3 (ESP)) Number Mass dn/dlog [#/cm³(n)] 1.6E+5 1.2E+5 8.E+4 4.E+4.E+ C, Si, Fe, S, (Cu) C, O, S, Cl, (K) (Si) (Fe) (Ni) C, O, S, (Fe) (Cr) (Ni) N/A (µm) 1.8.6.4.2 dm/dlog [mg/m³(n)]
BM anlæg: Karakterisering af morfologi ved SEM analyse
Gasfyrede (GF) anlæg
Resultatoversigt: Gasfyrede anlæg CHP Plant type Plant name Number distribution (averaged, fitted curve) Mass distribution (averaged, fitted curve) PM.1 PM 1 PM2.5 Natural gas GF1 (normal operation) dn/dlog [1/cm³] 16 14 12 1 8 6 4 2 Number dm/dlog [mg/m³] Mass.45.4.35.3.25.2.15.1.5 16 cm-3 mg/m³(n) emission g/h 1.31.4.62 1.37.22 3.8 1.37 N/A N/A Landfill gas GF1 (startup) Samples used for SEM/EDX analysis GF2 dn/dlog [1/cm³] dn/dlog [1/cm³] Number 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 8 7 6 5 4 3 2 1 Number dm/dlog [mg/m³] dm/dlog [mg/m³] Mass 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5.6.5.4.3.2.1 Mass 16 cm-3 mg/m³(n) emission g/h 16 cm-3 mg/m³(n) emission g/h 34.3.34 5.74.554.2.5 34.5 1.16 19.7.591.4.1 34.5 N/A N/A.591.7.2
Gasmotorfyrede anlæg: Samml. med øvrige kraftvarmeværkers emissioner Particle Mass number (PM) (PN) emissions according according to CHP to CHP plant plant type/ type/ emission reduction type type 1. 1,, 1, 1. 1,.1 1, PN*1 PM g/h 12 /h.1 1 1.1 1 WTE plant/ ESP WTE plant/ ESP WTE plant/ bag filter WTE plant/ bag filter BM plant/ bag filter BM plant/ bag filter BM plant ESP BM plant ESP GF plant (nat. gas) GF plant (nat. gas) GF GF plant plant (nat. (nat. gas gas start-up) start-up) GF GF plant plant (landfill (landfill gas) gas) GO GO plant plant (diesel) (diesel)
FIB-SEM 3D analyse: Anlæg GF2
FIB-SEM 3D analyse: Anlæg GF1
Gasfyrede anlæg: Hyppigst forekommende grundstoffer i partikler fra anlæg GF2 (deponigas-fyret) Number Mass dn/dlog [1/cm³(n)] 8.E+3 7.E+3 6.E+3 5.E+3 4.E+3 3.E+3 2.E+3 1.E+3 C, O C, O, Ca, (S) C, O, Ca, (S, Zn) N/A.6.5.4.3.2.1 dm/dlog [mg/m³(n)].e+
Anlæg GO dieselfyret KVV
Resultatoversigt: Dieselfyret anlæg CHP Plant type Plant name Number distribution (averaged, fitted curve) Mass distribution (averaged, fitted curve) PM.1 PM 1 PM2.5 Gasoil fired GO dn/dlog [1/cm³] Number 9 8 7 6 5 4 3 2 1 dm/dlog [mg/m³].16.14.12.1 Mass.8.6.4.2 16 cm-3 mg/m³(n).623.5.89.58.89.64 emission g/h.4.5.5
GF anlæg: Karakterisering af morfologi ved SEM analyse
Primær grundstofsammensætning for dieselfyret anlæg GO Number Mass dn/dlog [1/cm³(n)] 9.E+4 8.E+4 7.E+4 6.E+4 5.E+4 4.E+4 3.E+4 C C,O C, O, (Si).16.14.12.1.8.6 dm/dlog [mg/m³(n)] 2.E+4.4 1.E+4.2.E+
KONKLUSION (1) Affaldsanlæg: Partiklernes struktur var overvejende krystallinsk og porøs. Der blev fundet en signifikant opkoncentrering af metaller (fex. Fe, Mn, Cu) i PM,1 og PM 1 fraktioner. Der var en relativ høj andel af K og Na i partikler med størrelse mellem,1 µm og 1 µm. Det høje indhold af Ca, S, O og C i PM > 1 µm kan forklares ud fra dannelsen af CaSO 4 og CaCO 3 under afsvovlingsprocessen. Emissionen af partikler var meget lav som følge af brugen af effektive posefiltre og elektrostatiske filtre.
KONKLUSION (1) Biomasse-fyrede anlæg: Partiklernes struktur kunne ikke beskrives tilfredsstillende på grund af hygroskopiske partiklers optagelse af vand under prøvetagningen. Der blev fundet en opkoncentrering af metaller såsom Fe og Cu i PM,1 fraktionen. Emissionen af partikler fra BM1 og BM2 var relativt høj, primært som følge af peaks under regenereringen af posefiltre. Emissionen af partikler fra BM3 var relativt høj, hvilket tilskrives, at ESP filteret er dimensioneret efter mindre restriktive miljøkrav.
KONKLUSION (2) Gasfyrede anlæg: Der blev fundet et stort antal fine og ultrafine partikler i røggassen. Årsagen til det høje antal er formodentlig brugen af smøreolie i gasmotorer. De emitterede sodpartikler fra gasmotorer kan være massive eller hule. Sodpartikler, der består af en fast kerne med en overfladebelægning er sandsynligvis dannet ved heterogen kondensation under forbrændingsprocessen. Hule sodpartikler i størrelsen 1-2 µm fra forbrændingsprocesser er ikke fundet beskrevet i andre undersøgelser. Dannelsesmekanismen for hule partikler kan være relateret til en meget hurtig forbrænding af små smøreoliedråber i motoren.
Projektdeltagere Måling og analyser Jacob Marcussen Karina Brotoft Thue Grønhøj Frederiksen Følgegruppe Per Gravers Kristensen, DGC Ole Kenneth Nielsen, DMU
Tak for jeres opmærksomhed