Korkeasti kuormitetun soodakattilan likaantumisen ja päästöjen vähentäminen

Tässä työssä perehdytään korkeasti kuormitettujen soodakattiloiden tyypillisiin ongelmiin. Ongelmia ovat likaantuminen ja tukkeutuminen sekä liialliset päästöt. Työn teoriaosassa esitetään taustat likaantumiselle ja päästöjen muodostumiselle. Molemmat johtuvat suurelta osin tulipesän huonosta toiminnasta. Soodakattilan ilmajärjestelmä ja mustalipeän ruiskutus vaikuttavat tulipesän toimintaan. Usein tulipesän toimintaa voidaan parantaa ilmajärjestelmän ja lipeänruiskutuksen säätöjä muuttamalla. Suurempi muutos tulipesän toimintaan saadaan uusimalla perinteinen sekundääri-ilmajärjestelmä vertikaali-ilmajärjestelmäksi. Nykyaikainen vertikaali-ilmajärjestelmä sekoittaa savukaasut tehokkaasti ja saa aikaan tasaisemman virtauksen tulipesään. Myös mustalipeän korkea kloori- ja kaliumpitoisuus voivat aiheuttaa lämpöpintojen likaantumista. Oikea nuohointen sijainti on tärkeä tekijä kattilan puhtaana pysymisen kannalta. Työn kokeellisessa osassa selvitetään, kuinka erään eukalyptussellutehtaan korkeasti kuormitetun soodakattilan käytettävyyttä voidaan parantaa ja kapasiteettia nostaa soodakattilan toimintaa virittämällä. Kattilan nykyinen ajomalli ja ongelmat selvitettiin. Tulipesän toimintaa testattiin muuttamalla ilmajakoa primääri-, sekundääri- ja tertiääri-ilman välillä ja muuttamalla sekundääri-ilman syöttöä tulipesään. Testien ja kerätyn tiedon perusteella voitiin päätellä, miten soodakattilaa kannattaa modernisoida kapasiteetin nostamiseksi ja käytettävyyden parantamiseksi. Usein tulipesän toimintaa ja käytettävyyttä voidaan parantaa paljon jo pienilläkin muutostöillä. Kapasiteetin nostaminen vaatii tavallisesti suuremman investoinnin ja pidennetyn vuosihuoltoseisokin.

Kattilatekniikat biopolttoaineille alle 5 MW teholuokassa

Tässä kandidaatintyössä on tarkoituksena kertoa mahdollisista eri biopolttoaineista ja niiden polttamiseen kehitetyistä kattilatekniikoista alle 5MW:n kokoluokassa. Eri kattilatyyppejä esitellään ja vertaillaan niiden toiminta-arvojen ja investointihintojen perusteella. Lisäksi työssä esitellään näiden kattilatyyppien kotimaisia polttokattilavalmistajia ja -myyjiä tarkastellun tehoalueen rajoissa. Työssä käsitellään vain pienitehoisia biopolttoainekattiloita, jolloin kattilaratkaisut rajoittuvat lähinnä arina- ja leijukerroskattiloihin. Kaasutuskattilat rajattiin työn ulkopuolelle työn rajatun laajuuden takia. Kaasutuskattiloilla on myös Suomessa vähän ja niiden tarjonta on pientä. Kattiloista on pyritty selvittämään niiden paineluokat ja tuotetun veden tai höyryn lämpötila. Kattilavalmistajilta kerättiin tietoa kyselyillä ja internetsivujen avulla. Valmistajien ja toimittajien halukkuus kertoa omista tuotteistaan vaihteli jonkin verran. Tämän takia myös tiedon määrä tuotteista vaihtelee yrityksien välillä.

Leijukattilan savukaasujen loppulämpötilan hallinta

Nykyaikaista leijukattilaa voidaan ohjata ja säätää erilaisten säätöpiirien ja sekvenssien kautta erittäin tarkasti. Toiminnot on optimoitu parhaan hyötysuhteen saavuttamiseksi ja kunnossapitokustannusten minimoimiseksi. Tehokkaasta automaatiosta ja nykyaikaisista laitevalinnoista huolimatta leijukattiloissa on usein yksi osa-alue, jota ei pystytä hallitsemaan tehokkaasti. Useilla voimalaitoksilla savukaasu poistuu liian korkeassa lämpötilassa viimeiseltä lämpöpinnalta. Kun kattilahyötysuhdetta tarkastellaan epäsuoralla menetelmällä, savukaasuhäviö on merkittävin tekijä kaikista häviöstä. Tässä diplomityössä on etsitty mahdollisuuksia savukaasun loppulämpötilan hallintaan kattilan ajoarvojen muutoksella sekä lämpöpintoja muuttamalla. Tutkimus keskittyy Järvi-Suomen Voima Oy:n Ristiinan voimalaitokselle. Tutkimus on tehty yhteistyössä laitoksen omistajien Pohjolan Voima Oy:n, UPM-Kymmene Oyj:n sekä laitetoimittaja Valmet Oyj:n kanssa.

Recovery boilers - history and future

Recovery boilers are built all over the world. The roots of recovery technology are longer than the roots of recovery boilers. But it wasn’t until the invention of recovery boilers before the Second World War that the pulping technology was revolutionalized. This led to long development of essentially the same type of equipment, culminating into units that are largest biofuel boilers in the world. Early recovery technology concentrated on chemical recovery as chemicals cost money and if one could recycle these chemicals then the profitability of pulp manufacture would improve. For pulp mills the significance of electricity generation from the recovery boiler was for long secondary. The most important design criterion for the recovery boiler was a high availability. The electricity generation in recovery boiler process can be increased by elevated main steam pressure and temperature or by higher black liquor dry solids as well as improving its steam cycle. This has been done in the modern Scandinavian units.

Kraft recovery boilers – Principles and practice

This book was created as postgraduate lecture notes for Lappeenranta University of Technology's special course of steam power plants. But as with anything ever written the ideas shown have nurtured for a long time. Parts of these chapters have appeared elsewhere as individual papers or work documents. One of the most helpful episodes have been presentations and discussions during Pohto Operator training seminars. Input from those sessions can be seen in chapter firing. You who run recovery boilers, I salute you. The purpose of this text is to give the reader an overview of recovery boiler operation. Most parts of the recovery boiler operation are common to boilers burning other fuels. The furnace operation differs significantly from operation of other boiler furnaces. Oxygen rich atmosphere is needed to burn fuel efficiently. But the main function of recovery boiler is to reduce spent cooking chemicals. Reduction reactions happen best in oxygen deficient atmosphere. This dual, conflicting nature of recovery furnace makes understanding it so challenging. To understand the processes happening in the recovery furnace one must try to understand the detailed processes that might occur and their limitations. Therefore chapters on materials, corrosion and fouling have been added.

Benefits of gas driven ground source heat pump systems

This thesis studies energy efficiencies and technical properties of gas driven ground source heat pumps and pump systems. The research focuses on two technologies: gas engine driven compressor heat pump and thermally driven gas absorption heat pump. System consist of a gas driven compressor or absorption ground source heat pump and a gas condensing boiler, which covers peak load. The reference system is a standard electrically powered compressor heat pump with electric heating elements for peak load. The systems are compared through primary energy ratios. Coefficient of performances of different heat pump technologies are also compared. At heat pump level, gas driven heat pumps are having lower coefficient of performances as compared with corresponding electric driven heat pump. However, gas heat pumps are competitive when primary energy ratios, where electricity production losses are counted in, are compared. Technically, gas heat pumps can potentially achieve a slightly higher temperatures with greater total energy efficiency as compared to the electric driven heat pump. The primary energy ratios of gas heat pump systems in relation to EHP-system improves when the share of peak load increases. Electric heat pump system's overall energy efficiency is heavily dependent on the electricity production efficiency. Economy as well as CO2-emissions were not examined in this thesis, which however, would be good topics for further study.

Meesauunin vaipan konepajavalmistus ja laaduntarkastus

Meesauuni on osa sulfaattisellutehdasta ja sen kemikaalikiertoa. Se on pyörivä kaltevaan tasoon asetettu rumpu-uuni, joka voi olla jopa 160 metriä pitkä ja halkaisijaltaan 5,5 metriä. Kalkki on kiertävä apukemikaali, jota käytetään soodakattilalta tulevan viherlipeän muuttamiseen valkolipeäksi. Meesauunin tehtävänä on kierrättää kalkki (CaO) uudelleen käytettäväksi kaustisoinnissa syntyneestä meesasta (CaCO3). Meesauunin vaipan konepajavalmistus on prosessina hyvin yksinkertainen, mutta toleranssivaatimukset ovat hyvin tiukat suhteutettuna meesauunin kokoon. Vaippalohkojen valmistus on siirtynyt halpatyövoiman maihin lähelle loppukäyttäjiä, joten vaatimukset piirustusten laadulle, valmistukselle, ohjeille ja tarkastamiselle ovat lisääntyneet. Uunin vaippa toimitetaan asennuspaikalle useassa lohkossa ja jokainen vaippalohko on tarkastettava ennen toimitusta. Virheellisten vaippalohkojen siirtyminen asennuspaikalle on estettävä. Työn tavoitteena oli parantaa meesauunin vaippalohkojen konepajavalmistuksen laaduntarkastusta. Tässä työssä tutkitaan mittausmenetelmiä vaippalohkojen geometrian mittaamiseen. Tärkeimmät uunin toiminnallisiin ominaisuuksiin vaikuttavat muototoleranssit vaippalohkoille ovat ympyrämäisyys ja keskiviivan suoruus. Virheet näissä toleransseissa aiheuttavat vaurioita uunin muurauksille ja liian suuria kuormituksia tuennoille. Vaippalohkot on mitattava pyöritysrullaston päällä ja konepajan olosuhteissa, mikä aiheuttaa omat haasteensa. Vaippalohkojen suuret massat ja dimensiot aiheuttavat vaippalohkoihin muodonmuutoksia. Muodonmuutokset täytyy olla hallinnassa, mikäli halutaan käyttää CMS-laitteistoja (Coordinate Measuring System). Meesauunin vaippalohkot ovat mitattavissa radiaalimittauksina tai käyttäen CMS-laitteistoja.

Kiertoleijupetikattilateknologia ja sen matemaattinen mallinnus energiantuotantoprosessissa

Työn teoreettisessa osuudessa tehdään katsaus kiertoleijupetiteknologian eri osa-alueisiin: leijupedin virtausdynamiikkaan, hiukkaserottimeen ja kiintoaineen palautusmekanismiin. Myös teknologian historiaa ja muita käyttötarkoituksia energiantuotannon ohella käydään läpi. Termodynamiikkaa sekä lämmönsiirron ja voimalaitosprosessien teoriaa käsitellään mallinnuksessa tarvittavilta osin. Mallinnusosiossa käydään läpi kiertoleijupetihöyrykattilan matemaattisen mallin tekoprosessia. Malli perustuu yleisesti saatavilla oleviin yhtälöihin ja korrelaatioihin. Mallintaminen koostuu höyrykattilan jakamisesta lämpöpintoihin ja niiden mitoittamisesta. Mallissa esitetään myös näkemys siitä, miten lämpö siirtyy savukaasuun ja miten petimateriaalin kierto tapahtuu tulipesässä.

Separation of lignin in Pulp Mill process and its effect on sodium sulphur balance

The aim of this thesis is to define effects of lignin separation process on Pulp mill chemical balance especially on sodium/sulphur-balance. The objective is to develop a simulation model with WinGEMS Process Simulator and use that model to simulate the chemical balances and process changes. The literature part explains what lignin is and how kraft pulp is produced. It also introduces to the methods that can be used to extract lignin from black liquor stream and how those methods affect the pulping process. In experimental part seven different cases are simulated with the created simulation model. The simulations are based on selected reference mill that produces 500 000 tons of bleached air-dried (90 %) pulp per year. The simulations include the chemical balance calculation and the estimated production increase. Based on the simulations the heat load of the recovery boiler can be reduced and the pulp production increased when lignin is extracted. The simulations showed that decreasing the waste acid stream intake from the chlorine dioxide plant is an effective method to control the sulphidity level when about 10 % of lignin is extracted. With higher lignin removal rates the in-mill sulphuric acid production has been discovered to be a better alternative to the sulphidity control.

Biomassakattilan simulointi

Tässä diplomityössä mallinnetaan Apros-simulointiohjelmistolla kylläistä höyryä tuottava KPA Uniconin toimittama Biograte-kattilalaitos. Työ on rajattu käsittelemään vesihöyrypiiri syöttövesisäiliöstä prosessiin lähtevään höyryyn saakka. Savukaasupuoli on mallinnettu polttoaineen ja palamisilman syötöstä savupiippuun asti, mutta savukaasujen puhdistus on jätetty pois simulaatiomallista. Työssä kerrotaan yleisesti biopolttoaineista, kattilalaitoksista ja tulipesäratkaisuista. Simuloitava kattilalaitos ja sen säätöjärjestelmä käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Simuloinnista ja sen mahdollisuuksista kerrotaan yleisesti, jonka jälkeen esitellään tehty simulaatiomalli. Simulointituloksia verrataan kattilan mitoitusarvoihin ja tärkeimpien prosessisuureiden muutoksia tutkitaan kuormanmuutostilanteissa. Lopuksi tuloksista tehdään yhteenveto ja esitellään jatkotoimenpidesuunnitelmat. Simuloitu kattilalaitos tuottaa kylläistä höyryä halutun määrän oikeassa paineessa ja lämpötilassa. Kattilan prosessisuureet vastaavat melko hyvin mitoitusarvoja ja simulaatiomalli toimii vakaasti myös kuormanmuutostilanteissa. Suurimmat kompromissit ja yksinkertaistukset on tehty tulipesän ja polttoaineensyötön mallinnuksessa. Näitä osa-alueita kehittämällä simulaation tarkkuutta olisi mahdollista parantaa entisestään. Jatkossa simulointimallia on tarkoitus kehittää laajentamalla se kattamaan myös laitoksen sekundääripuoli kokonaisuudessaan. Tulosten perusteella simulaatiota voidaan pitää onnistuneena mallina Biograte-kattilalaitoksesta.

Puu- ja turvetuhkan hyötykäyttökelpoisuuteen vaikuttavat tekijät pienillä polttolaitoksilla

Energiantuotannossa syntyvä tuhka voi olla laadultaan hyvin vaihtelevaa ja laadunvaihtelulle on haastavaa löytää yksiselitteistä syy-seuraussuhdetta. Ympäristönsuojelulainsäädäntö ja taloudelliset intressit ohjaavat tuhkantuottajia etsimään tuhkalle sopivia hyötykäyttökohteita, ja sen vuoksi tuhkan laatuun ja hyötykäyttökelpoisuuteen vaikuttavia tekijöitä on tarpeen selvittää. Tässä diplomityössä on tutkittu pienissä, alle 50 MW:n polttolaitoksissa syntyvää tuhkaa. Tavoitteena oli selvittää, kuinka tuhkan hyötykäyttökelpoisuuteen voidaan vaikuttaa. Tutkimuksen kohteena oli polttoainekoostumuksen, poltto-olosuhteiden ja tuhkan jälkikäsittelyn vaikutus tuhkassa olevien haitta-aineiden pitoisuuksiin ja liukoisuuksin. Työhön sisältyi myös aiemmin tehtyjen tuhka-analyysien tarkastelu sekä tuhkakokeet kahdella kohderyhmään kuuluvalla laitoksella. Työssä todettiin lentotuhkan haitta-ainepitoisuuksien ja -liukoisuuksien olevan keskimäärin korkeampia kuin pohjatuhkan vastaavien, ja että tyypillisesti arinakattilan tuhkien haitta-aineet ylittävät useammin hyötykäyttökelpoisuuden raja-arvoja kuin kuplaleijupetikattilan tuhkien. Lisäksi havaittiin metsätähdehaketuhkan kelpaavan useammin hyötykäyttöön kuin rankahaketuhkan.

Voimalaitosten kattilaputkien sisäpuolisten kerrostumien paksuuden mittaaminen ultraäänimenetelmällä

Höyryvoimalaitoksen käyttöönotossa muodostuu kattilaputkien sisäpinnoille niitä korroosiolta suojaava ohut metallioksidikerros. Tämän kerroksen päälle kasvaa kattilan käytön aikana haitallista kerrostumaa paikallisen korroosion tai kattilavedessä olevien epäpuhtauksien kerääntymisen tai kiteytymisen seurauksena. Kerrostuma haittaa lämmönsiirtoa tulipesästä putkiseinämän läpi kattilaveteen. Putkien lämpötilan nousu suunniteltua korkeammaksi kasvattaa putkivaurioiden ja sisäpuolisen korroosion riskiä. Tästä johtuen paksuksi kasvaneet kerrostumat pyritään poistamaan happokäsittelyllä eli peittauksella ennen vaurioiden syntyä. Perinteisesti kerrostumapaksuus on määritetty kattilasta irrotetuista näyteputkista mikroskoopilla. Työn tavoitteena oli tutkia uudenlaisen ultraäänimittauksen teoriaa ja selvittää sen toimivuus höyrystinputkien kerrostumapaksuusmittauksissa. Lisäksi tavoitteena oli tutkia voimalaitoksen höyrystimen sisäpuolisten kerrostumien muodostumista ja niiden vaikutuksia sekä kattilan peittaustarpeen arviointia. Höyrystimen kerrostumien kasvunopeuteen vaikuttavat eniten voimalaitostyyppi, käytetty vesikemia ja kattilaveteen kulkeutuvien epäpuhtauksien määrä. Kasvunopeus vaihtelee laitosten välillä suuresti ja eroaa myös tulipesän eri kohdissa. Kattilaveden epäpuhtauspitoisuus ja kerrostumapaksuus vaikuttavat molemmat korroosiovaurioiden todennäköisyyteen. Peittauspaksuuden ohjearvoissa tulisi huomioida kattilan käyttöpaine, kattilatyyppi ja riski kattilaveden laadun heikkenemiselle. Putkinäytteistä ja laitoksilla suoritettujen mittauksien perusteella uusi ultraäänitekniikka tuottaa luotettavia tuloksia tavanomaisten kerrostumien mittauksessa. Vain yhdellä laitoksella esiintyi irtonaisen sakan kaltaista kerrostumaa, jota mittaus ei kyennyt havaitsemaan. Mittaustulokset kerrostumista tulipesän eri osissa antavat hyvän perustan peittaustarpeen arviointiin.

Optimal Recycling Combination of Ash in South-East Finland

The present world energy production is heavily relying on the combustion of solid fuels like coals, peat, biomass, municipal solid waste, whereas the share of renewable fuels is anticipated to increase in the future to mitigate climate change. In Finland, peat and wood are widely used for energy production. In any case, the combustion of solid fuels results in generation of several types of thermal conversion residues, such as bottom ash, fly ash, and boiler slag. The predominant residue type is determined by the incineration technology applied, while its composition is primarily relevant to the composition of fuels combusted. An extensive research has been conducted on technical suitability of ash for multiple recycling methods. Most of attention was drawn to the recycling of the coal combustion residues, as coal is the primary solid fuel consumed globally. The recycling methods of coal residues include utilization in a cement industry, in concrete manufacturing, and mine backfilling, to name few. Biomass combustion residues were also studied to some extent with forest fertilization, road construction, and road stabilization being the predominant utilization options. Lastly, residues form municipal solid waste incineration attracted more attention recently following the growing number of waste incineration plants globally. The recycling methods of waste incineration residues are the most limited due to its hazardous nature and varying composition, and include, among others, landfill construction, road construction, mine backfilling. In the study, environmental and economic aspects of multiple recycling options of thermal conversion residues generated within a case-study area were studied. The case-study area was South-East Finland. The environmental analysis was performed using an internationally recognized methodology — life cycle assessment. Economic assessment was conducted applying a widely used methodology — cost-benefit analysis. Finally, the results of the analyses were combined to enable easier comparison of the recycling methods. The recycling methods included the use of ash in forest fertilization, road construction, road stabilization, and landfill construction. Ash landfilling was set as a baseline scenario. Quantitative data about the amounts of ash generated and its composition was obtained from companies, their environmental reports, technical reports and other previously published literature. Overall, the amount of ash in the case-study area was 101 700 t. However, the data about 58 400 t of fly ash and 35 100 t of bottom ash and boiler slag were included in the study due to lack of data about leaching of heavy metals in some cases. The recycling methods were modelled according to the scientific studies published previously. Overall, the results of the study indicated that ash utilization for fertilization and neutralization of 17 600 ha of forest was the most economically beneficial method, which resulted in the net present value increase by 58% compared to ash landfilling. Regarding the environmental impact, the use of ash in the construction of 11 km of roads was the most attractive method with decreased environmental impact of 13% compared to ash landfilling. The least preferred method was the use of ash for landfill construction since it only enabled 11% increase of net present value, while inducing additional 1% of negative impact on the environment. Therefore, a following recycling route was proposed in the study. Where possible and legally acceptable, recycle fly and bottom ash for forest fertilization, which has strictest requirements out of all studied methods. If the quality of fly ash is not suitable for forest fertilization, then it should be utilized, first, in paved road construction, second, in road stabilization. Bottom ash not suitable for forest fertilization, as well as boiler slag, should be used in landfill construction. Landfilling should only be practiced when recycling by either of the methods is not possible due to legal requirements or there is not enough demand on the market. Current demand on ash and possible changes in the future were assessed in the study. Currently, the area of forest fertilized in the case-study are is only 451 ha, whereas about 17 600 ha of forest could be fertilized with ash generated in the region. Provided that the average forest fertilizing values in Finland are higher and the area treated with fellings is about 40 000 ha, the amount of ash utilized in forest fertilization could be increased. Regarding road construction, no new projects launched by the Center of Economic Development, Transport and the Environment in the case-study area were identified. A potential application can be found in the construction of private roads. However, no centralized data about such projects is available. The use of ash in stabilization of forest roads is not expected to increased in the future with a current downwards trend in the length of forest roads built. Finally, the use of ash in landfill construction is not a promising option due to the reducing number of landfills in operation in Finland.

Energy efficiency of glassmaking production

Master’s thesis Energy efficiency of glassmaking production gives description of glassmaking production and possible energy saving measures. Due to the high electricity and fuel prices the problem of rational energy utilization rises sharply. In addition the environmental issues also require a great attention. This work represented the feasible increasing of the furnace efficiency as the most productive activity. Thesis also provides a detail description of utilizing waste heat boiler. Also possible boiler characteristics are calculated and represented at the end of the thesis. As well as brief description of the feasibility of using this method of energy saving. The solution of this problem has a huge importance. Due to the increasing of energy costs and limits of raw materials, glassmaking industry should overcome on high efficiency operation mode. Especially, if such measures is making a significant contribution in the safety of environment.

Automatization of feeding the heat flux data to water circulation simulations of recovery boilers

Tässä työssä perehdytään soodakattiloiden vesikiertomallin rakentamiseen. Työn päätavoitteena on kehittää simulointimallia varten taulukkolaskentapohja, jonka avulla soodakattilan lämpövuotietoja on yksinkertaista ja nopeaa käsitellä ja siirtää Apros 6 -simulointiohjelmaan. Lisäksi tarkoituksena on pyrkiä automatisoimaan työvaiheet mahdollisimman pitkälle, jolloin vesikiertolaskennan tekeminen yksinkertaistuisi, yhtenäistyisi ja tarkentuisi. Tämä on mahdollista Excel- makrojen ja Apros 6:n uusien toimintojen avulla. Apros 6:ssa on nyt mahdollista hyödyntää SCL- komentotiedostoja, joiden avulla sujuva tiedonsiirto Aproksen ja Excelin välillä vodaan toteuttaa. Vesikiertolaskentaan käytettävän datan käsittely on aikaisemmin ollut työlästä ja sen tarkkuus on pitkälti riippunut mallintajasta. Tässä diplomityössä päästään hyödyntämään uusimpia ja realistisempia soodakattiloiden CFD- malleja, joiden avulla pystytään luomaan aikaisempaa tarkemmat lämpövuojakaumat soodakattilan lämpöpinnoille. Tämä muutos parantaa vesikiertolaskennan tarkkuutta. Työn kokeellisessa osassa uutta Excel laskentatyökalua ja uusia lämpövuoarvoja testataan käytännössä. Eräs vanha Apros- vesikiertomalli päivitetään uusilla lämpövuoarvoilla ja sen rakenteeseen tehdään muutoksia tarkkuuden parantamiseksi. Uuden mallin toimivuutta testataan myös 115 %:n kapasiteetilla ja tutkitaan kuinka kyseinen vesikiertopiiri reagoi suurempaan lämpötehoon. Näitä kolmea eri tilannetta vertaillaan toisiinsa ja tarkastellaan eroavaisuuksia niiden vesi-höyrypiireissä.