Taustaa Kaasutuksen kehityshistoria alkaa 1800-luvun alkupuolelta ja on perustunut lähinnä hiilen kaasutukseen. Hiilikaasua on käytetty niin sähköntuotannossa kuin kemianteollisuudessa. 1980-luvulla huomio kiinnitettiin paineistettuun kaasutukseen ja tavoitteena oli kiinteiden polttoaineiden käyttö kombivoimalaitoksissa.
Kaasu- ja höyryturbiinivoimalaitoksessa eli kombivoimalaitoksessa saavutetut edut kasvattivat paineita polttoainevalikoiman laajentamiseksi. Perinteisessä kombivoimalaitoksessa ei ole voitu käyttää kuin suhteellisen kalliita, puhtaita savukaasuja muodostavia polttoaineita. Polttoaineeksi on lähinnä soveltunut maakaasu.
Puukaasulla on historiansa myös maantieliikenteessä. Toisen maailmansodan aikaan Suomessa bensiiniä korvattiin puukaasulla. Vuosien 1939-1944 aikana yli 43 000 autoa muutettiin kulkemaan häkäpöntöllä. Autoon lisätyssä häkäpöntössä kaasutettiin kuivaa puuhaketta ja tuotekaasu poltettiin auton moottorissa.
Häkäpönttö vaati käyttäjältä laitteenhallintaa ja hyvälaatuista polttohaketta. Ylösajo vei aikansa ja puukaasusta saatava teho jäi puoleen bensiinin tuottamasta tehosta.
Puun käyttö liikennepolttoaineiden raaka-aineena on kasvavan mielenkiinnon kohteena. Tavoitteena on kehittää teknologiaa niin, että kaasu saadaan puhdistettua ja nesteytettyä taloudellisesti järkevillä ratkaisuilla. Puunkaasutus on lämpökemiallinen käsittelytapa ja tämän ohella tutkitaan myös puun entsymaattista jalostusta. Kaasutuksen sijaan puuaines osallistuu hydrolyysiin ja käymisreaktioon (fermentaatio).
Periaate Kaasuttimen tehtävä on muuttaa kiinteä polttoaine kaasumaiseen muotoon. Tämä tapahtuu polttamalla kiinteätä polttoainetta ali-ilmalla. Polttoaineen kiinteä jäännöshiili reagoi kaasumaiseksi hiilimonoksidiksi. Syntyvä kaasuseos ohjataan joko suoraan työkoneeseen (esimerkiksi moottori) tai sitten se puhdistetaan ennen polttoa.
Jaottelua Polttoaineiden kaasutustapoja on erilaisia samoin kuin jaotteluperusteita. Kaasutusvaihtoehtojen jaotteluna voidaan käyttää esimerkiksi seuraavia:
- kaasuttimen paineistus (paineistettu, osittain paineistettu ja paineistamaton)
- kaasutusaste (osittain tai kokonaan)
- reaktorityyppi (leijukerros, kiinteäkerros, pölykaasutus ja muut tyypit)
- lämmöntuonti (epäsuora, happi ja ilma)
Paineistettu kaasutus on kehittelyn alla isommissa laitoksissa (yli 50 MW sähköntuotanto). Pienemmissä laitoksissa ja erityisesti biopolttoaineiden kaasutuksessa taloudellisempi tapa on paineistamaton kaasutus.
Kokonaiskaasutuksessa polttoaine kaasutetaan kokonaan. Osittaiskaasutuksessa osa polttoaineesta otetaan pois jäännöshiilenä ja poltetaan erillisessä hiilikattilassa. Kivihiilellä kokonaiskaasutus on vaikeaa ja yleensä epätaloudellista. Puu- ja biopolttoaineilla kokonaiskaasutus on huomattavasti helpompi toteuttaa.
Biomassan kaasutuksessa käytetään yleensä kiinteäkerros- tai leijukerrosreaktoria. Kiinteäkerrosreaktori on tyypillisesti pystymallinen. Kaasutettava materiaali syötetään ylhäältä ja tuhka poistuu pohjalta. Ilma syötetään pohjasta ja tuotekaasu tulee ulos ylhäältä. Kyseessä on tällöin vastavirtakaasutin.
Kiinteäkerrosreaktoriin syntyy kerroksittain kuivumis-, pyrolyysi-, kaasutus- ja polttovaiheet. Leijukerroskaasutin toimii vastaavalla periaatteella kuin leijukerrospoltin, mutta poltto tapahtuu ali-ilmalla.
Kaasutus vaatii aina lämpöä. Useimmiten lämpö tuotetaan osittaispoltolla (happi tai ilma), mutta joissakin tapauksissa prosessi lämpö synnytetään epäsuorasti. Tämä voi tapahtua esimerkiksi kierrättämällä tulistettua vesihöyryä tai kuumaa tuotekaasua reaktorissa.
Biomassan kaasutuksessa kehittely on kohdistunut ilmakaasutukseen. Jos ilmakaasutuksen synnyttämä pienilämpöarvoinen tuotekaasu (3-7 MJ/m3n) ei riitä, voidaan epäsuoralla lämmöllä tavoitella keskilämpöarvoista tuotekaasua (7-15 MJ/m3n).
sivun alkuun
Prosessi Kiinteän aineen kaasutuksessa noudatetaan palamisen vaiheita: kuivuminen, pyrolyysi, kaasutus ja poltto. Kiinteässä polttoaineessa on haihtuvia aineita ja haihtumattomia aineita. Haihtuvat aineet pyrolysoituvat korkean lämpötilan vaikutuksesta. Haihtumattomat aineet rupeavat kaasuuntumaan, kun happimolekyylit tunkeutuvat polttoaineen sisään ja reagoivat hiilen kanssa. Kaasutuksessa kiinteää polttoainetta poltetaan vajaalla ilmalla, jolloin syntyy pääosin hiilimonoksidia ja vetyä.
Tuotekaasun eräs keskeinen ongelma on sen epäpuhtaus. Erityisesti kiinteäkerrosreaktorin pyrolyysissä syntyvät tervamaiset tuottavat ongelmia tuotekaasun puhdistuksessa. Tuotekaasun koostumus riippuu kaasutettavasta aineesta. Puuta kaasutettaessa ilmalla saadaan seuraavanlainen koostumus tilavuusprosentteina (Huhtinen ym. 2000):
Metaani (CH4) | 1-6 |
| Vety (H2) | 8-20 |
| Häkä (CO) | 10-20 |
| Hiilidioksidi (CO2) | 9-15 |
| Typpi (N2) | 42-56 |
| Vesi (H20) | 0-27 |
Lämpöarvo MJ/m3n | 3,3-5,1 |
Lähdekirjallisuus
Huhtinen, M., Kettunen, A., Nurminen, P. ja Pakkanen, H. 2000. Höyrykattilatekniikka (5. uudistettu painos). Opetushallitus, Edita Oy. Helsinki.
Raiko, R., Saastamoinen, J., Hupa, M. ja Kurki-Suonio, I. 2002. Poltto ja palaminen (2. painos). IFRF - Suomen kansallinen osasto. Jyväskylä.
Energia Suomessa - Tekniikka, talous ja ympäristövaikutukset (3. painos). 2004. VTT. Edita Prima Oy. Helsinki.
sivun alkuun