Lentotuhkan fraktiointi sähkösuodattimella ja Ion Blast -menetelmällä

Diplomityö on osa YTI-tutkimuskeskuksessa vuosina 2002 - 2004 toteutettavaa Jätekompostit rakeiksi tuhkaseostuksella -käyttöarvon parantaminen -projektia. Työssä tutkittiin Etelä-Savon Energia Oy:n Pursialan voimalaitoksen lentotuhkan fraktioimista voimalaitoksen nykyisellä 3-kenttäisellä sähkösuodattimella ja pilot-mittakaavaisella Ion Blast -koelaitteistolla. Sähkösuodattimen koeajojen aikana muuteltiin sen ajotapaa mm. CBO -suhteen ja maksimijänniteasetuksen avulla. Ion Blast -koelaitteistolla tutkittiin mahdollisuuksia voimalaitoksen lentotuhkan puhdistamiseksi raskasmetalleista. Lentotuhkan hyötykäyttöä vaikeuttaa sen raskasmetallipitoisuuksien suuri vaihtelu. Ongelmallisin raskasmetalli puuperäisessä lentotuhkassa on kadmium, jonka lannoitelainsäädännön raja-arvo on tällä hetkellä 3 mg/kg. Sähkösuodattimella tehtyjen fraktiointikokeiden perusteella voidaan todeta raskasmetallipitoisuuksien olevan pienimmillään sähkösuodattimen 1-kentässä ja suurimmillaan 3-kentässä. Tämä johtuu siitä, että 1-kenttään kerääntyy hiukkaskooltaan suurimmat lentotuhkahiukkaset ja 3-kentässä on mukana enemmän pienhiukkasia sisältävää tuhkaa. Lannoitteeksi menevän tuhkan Cd-pitoisuutta voidaan vähentää parhaimmillaan jopa 70 % sähkösuodattimella fraktioimalla. Muiden raskasmetallien pitoisuudet eivät vähene aivan yhtä paljon. Sähkösuodattimella voidaan tulosten perusteella fraktioida lentotuhkaa. Sähkösuodattimella ei kuitenkaan voida varmasti saavuttaa alle 3 mg/kg Cd-pitoisuuksia polttoaineen laadunvaihtelun vuoksi. Ion Blast -koelaitteiston tulokset tukevat sähkösuodattimella tehtyjä kokeita. Erottimen jännitteen kasvaessa raskasmetalleja sisältävien hiukkasten erotusaste kasvaa. Ion Blast -laitteistolla tehdyissä kokeissa myös Cd-pitoisuus oli korkeimmillaan pienimmän raeluokan hiukkasissa ja laski sitten raeluokan suurentuessa. Ion Blast -laitteisto ei kuitenkaan sellaisenaan ole hyvä fraktiointiin. Se on liian tehokas, jolloin se puhdistaa tehokkaasti myös raskasmetalleja sisältävät pienhiukkaset. Jos laitetta aiotaan käyttää fraktiointiin, tulisi sen rakennetta muuttaa.

The objective of the study was to find possibilities to fractionate fly ash with electrostatic precipitation at Etelä-Savon Energia Oy, Pursiala power plant. The experimental set-up constituted of power plants prevailing electrostatic precipitator with three collector chambers and a pilot scale set up of Ion Blast equipment. During the experiments the test conditions were modified for example via changing a voltage of the precipitator. The purpose of the Ion Blast set-up was to assess its adequacy to remove heavy metals from fly ash. Due to its high heavy metal concentrations utilisation of fly ash is often complicated. In wood originated fly ash the most problematic heavy metal is cadmium for which the limit value in fertilisers is 3 mg/kg. The heavy metal concentrations observed during the fractionation experiments were lowest in the first collector chamber and highest in the third chamber. This results from the fact that the largest ash particles are collected into the first chamber where as the fine particular matter is collected into the third collector. The cadmium concentration of fly ash can be reduced up to 70 % by electrical precipitation fractionation. The removal of other heavy metals was not as efficient as of cadmium. Based on the results of this study electrical precipitation is an adequate method to fractionate fly ash. However, the limit concentration of 3 mg/kg can not always be achieved due to the changes in the Cd-concentrations of the original fuel material. The results from the Ion Blast test runs support the results of the electrical precipitation experiments. The separation efficiency of the particles improves coincidentally with the raising voltage of the precipitator. In the Ion Blast experiments the Cd-concentration was highest in the fine particles and was decreased as the particle size enlarged. The results of the experiments on this study present that the Ion Blast equipment has too high collection efficiency for fly ash fractionation applications. With its present efficiency Ion Blast removes not only the heavy metals but also the fine particulate matter from fly ash. The Ion Blast equipment needs structural modification to be suitable for fractionation of fly ash.