Experimental and discrete element simulation studies of bell-less charging of blast furnace

This thesis presents an experimental study and numerical study, based on the discrete element method (DEM), of bell-less charging in the blast furnace. The numerical models are based on the microscopic interaction between the particles in the blast furnace charging process. The emphasis is put on model validation, investigating several phenomena in the charging process, and on finding factors that influence the results. The study considers and simulates size segregation in the hopper discharging process, particle flow and behavior on the chute, which is the key equipment in the charging system, using mono-size spherical particles, multi-size spheres and nonspherical particles. The behavior of the particles at the burden surface and pellet percolation into a coke layer is also studied. Small-scale experiments are used to validate the DEM models.

BIOTULI - Selvitys bioliiketoiminnan uusista liiketoimintamahdollisuuksista ja -malleista

Tämä raportti on osa BIOTULI-projektia, jossa tutkitaan biojalostamoiden uusia tuotteita ja liiketoimintamalleja. Raportin tavoitteena on selvittää, millaisilla liiketoimintamalleilla BIOTULI-projektissa löytyneitä potentiaalisia bioliiketoimintamahdollisuuksia pystytään hyödyntämään pk-yrityksen näkökulmasta. Tavoitteena on myös tutkia millaisen toimitusketjun liiketoimintamalli vaatii, ja millä edellytyksillä sen toteuttaminen on kannattavaa. Raportissa tarkastellaan torrefioinnin ja lämmöntuotannon yhdistämistä sekä BIOTULI-projektissa kehitetyn uuden erottelumenetelmän hyödyntämistä biohajoavan desinfiointiaineen valmistuksessa. Selvitystyö toteutettiin asiantuntijahaastatteluiden ja kirjallisuuskatsauksen perusteella. Molemmille casetapauksille muodostettiin liiketoimintamalli sekä arvioitiin sen toteutettavuutta ja kehitysnäkymiä. Torrefioinnin ja lämmöntuotannon yhdistäminen ei tehdyn analyysin perusteella ole tällä hetkellä kannattavaa, mutta muutokset markkinatilanteessa voivat muuttaa tilannetta tulevaisuudessa. Biohajoavan desinfiointiaineen valmistuksessa on potentiaalia kannattavaan liiketoimintaan, mutta tutkimus on vielä kesken, joten tarkkaa liiketoiminnan tai sen kannattavuuden arviointia ei vielä voi tehdä. Työn tuloksia voi käyttää pohjana tarkemmille kannattavuusarvioille.

Puuhakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksien parantaminen

Nykyaikana yhteiskunta tavoittelee uusiutuvaa ja ympäristöä säästävää energiantuotantoa. Biopolttoaineiden käyttö vähentää fossiilisten polttoaineiden osuutta energiantuotannossa. Jotta biopolttoaineilla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita, biopolttoaineita täytyy jalostaa. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää puuhakkeen jalostuksen merkitystä hakkeen käytölle ja kannattavuudelle. Hakkeen kuivaamisella ja seulonnalla voidaan parantaa hakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksia. Kosteuden ja tasalaatuisuuden merkitys suurenee, kun haketta käytetään pienissä kattiloissa. Pienissä kattiloissa lämmöntuotannon hyötysuhde pienenee merkittävästi kosteuden suurentuessa. Tällöin polttoaineen kulutus ja energiantuotantokustannukset suurenevat. Suuremmissa kattiloissa hyvälaatuisella hakkeella on mahdollista korvata kalliimpia vara- ja huippukuormapolttoaineita, kuten öljyä. Tällöin fossiilisten polttoaineiden osuus pienenee. Lisäksi kuivaaminen ja seulominen ovat edullisia jalostusprosesseja esimerkiksi pelletin tuotantoon verrattuna.

Comparison of energy balances of steam explosion and torrefaction technologies

The present study introduce two pretreatment technologies which are torrefaction and steam explosion, and compare energy balance for both technologies to investigate and compare the use of these technologies to improve pelletization. In this research, torrefaction and steam explosion pretreatments were accomplished on the mixed small diameter wood (70%) with moisture content of 40 %, and logging residues (30%) with moisture content of 45 % at temperature 230 ̊C, and treatment duration 10 min. Competing methods were evaluated, and the results showed higher volumetric energy for steam explosion pellet than torrefied pellet.

Torrefioidun biohiilipelletin kirjallisuustutkimus ja koeajot pilottilaitoksessa

Tämä raportti käsittelee ”Torrefioidun biohiilipelletin laatu ja varastoitavuus” hankkeen tuloksia. Hankkeen tavoitteena oli tutkia torrefioidun biohiilipelletin prosessiteknologiaa, markkinoita ja tuotantokustannuksia kirjallisuustutkimusosiossa. Hankkeen päätutkimus keskittyi koeajoihin pilottilaitoksella, jossa valmistettiin biohiilipellettiä erilaisista puuraaka-aineista. Pilottilaitos oli perustettu Torrec Oy:n toimesta Etelä-Savon Energian Pursialan voimalaitoksen yhteyteen Mikkelissä ja sen tuotanto oli käynnistynyt kesällä 2014. Kaikki koe-erät valmistettiin vain käyttämällä sidonta-aineena lauhdevettä, jota oli tiivistynyt säiliön pohjalle torrefiointiprosessin aikana. Näin ollen erillistä lisäsidonta-aineita ei tarvittu, jolloin voidaan säästää tuotantokustannuksissa jatkossakin. Euroopan Unioni on asettanut 20 % tavoitteen uusiutuvien energioiden käytölle vuoteen 2020, josta biomassalla voidaan kattaa kaksi kolmannesta. Tutkimushankkeen tavoitteena oli metsään perustuvan bioenergiatuotannon lisääminen ja tuontienergian korvaaminen kotimaisella polttoaineella. Hankkeen tarkoituksena oli tutkimusanalyysien kautta kehittää uutta kilpailukykyistä teknologiavaihtoehtoa puupolttoaineiden hyödyntämiseksi. Torrefiointiteknologiaa ollaan kaupallistamassa ympäri Eurooppaa parasta aikaa ja uusia biohiilen tuotantolaitoksia on kehitteillä ja rakenteilla. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että biohiilipelletillä on mahdollisuudet suurimittakaavaiseen energiantuotantoon laadun suhteen, kunhan sen käyttäminen tulee edullisemmaksi laitoksissa. Toisaalta, tämä kehitys vaatii tukimekanismeja valtion puolelta, jotta pelletit lähtisivät todella liikkeelle markkinoilla.

The feasibility of torrefaction for the co-firing of wood in pulverised-fuel boilers

Torrefaction is the partial pyrolysis of wood characterised by thermal degradation of predominantly hemicellulose under inert atmosphere. Torrefaction can be likened to coffee roasting but with wood in place of beans. This relatively new process concept makes wood more like coal. Torrefaction has attracted interest because it potentially enables higher rates of co-firing in existing pulverised-coal power plants and hence greater net CO2 emission reductions. Academic and entrepreneurial interest in torrefaction has sky rocketed in the last decade. Research output has focused on the many aspects of torrefaction – from detailed chemical changes in feedstock to globally-optimised production and supply scenarios with which to sustain EU emission-cutting directives. However, despite its seemingly simple concept, torrefaction has retained a somewhat mysterious standing. Why hasn’t torrefied pellet production become fully commercialised? The question is one of feasibility. This thesis addresses this question. Herein, the feasibility of torrefaction in co-firing applications is approached from three directions. Firstly, the natural limitations imposed by the structure of wood are assessed. Secondly, the environmental impact of production and use of torrefied fuel is evaluated and thirdly, economic feasibility is assessed based on the state of the art of pellet making. The conclusions reached in these domains are as follows. Modification of wood’s chemical structure is limited by its naturally existing constituents. Consequently, key properties of wood with regards to its potential as a co-firing fuel have a finite range. The most ideal benefits gained from wood torrefaction cannot all be realised simultaneously in a single process or product. Although torrefaction at elevated pressure may enhance some properties of torrefied wood, high-energy torrefaction yields are achieved at the expense of other key properties such as heating value, grindability, equilibrium moisture content and the ability to pelletise torrefied wood. Moreover, pelletisation of even moderately torrefied fuels is challenging and achieving a standard level of pellet durability, as required by international standards, is not trivial. Despite a reduced moisture content, brief exposure of torrefied pellets to water from rainfall or emersion results in a high level of moisture retention. Based on the above findings, torrefied pellets are an optimised product. Assessment of energy and CO2-equivalent emission balance indicates that there is no environmental barrier to production and use of torrefied pellets in co-firing. A long product transport distance, however, is necessary in order for emission benefits to exceed those of conventional pellets. Substantial CO2 emission reductions appear possible with this fuel if laboratory milling results carry over to industrial scales for direct co-firing. From demonstrated state-of-the-art pellet properties, however, the economic feasibility of torrefied pellet production falls short of conventional pellets primarily due to the larger capital investment required for production. If the capital investment for torrefied pellet production can be reduced significantly or if the pellet-making issues can be resolved, the two production processes could be economically comparable. In this scenario, however, transatlantic shipping distances and a dry fuel are likely necessary for production to be viable. Based on demonstrated pellet properties to date, environmental aspects and production economics, it is concluded that torrefied pellets do not warrant investment at this time. However, from the presented results, the course of future research in this field is clear.

Kaukolämpöliiketoiminnan kehittäminen Mäntsälän Sähkö osakeyhtiössä

Tämän diplomityön tarkoitus oli selvittää Mäntsälän Sähkö Oy:n kaukolämpöliiketoiminnan nykytila ja kehityskohteet. Tutkimuskysymykset olivat: 1) Millaisilla toimenpiteillä varmistetaan kaukolämpöliiketoiminnan kannattavuus tulevaisuudessa? ja 2) Millaisia mahdollisuuksia älykäs kaukolämpö tuo kaukolämpöliiketoiminnalle? Tutkimus suoritettiin perehtymällä aiheen kirjallisuuteen ja uutisiin. Takaisinmaksuajan menetelmällä arvioitiin maakaasun korvaamisen kannattavuutta. Työn tuloksena voitiin todeta, että kaukolämmön hinnoittelua kannattaa kehittää kustannusvastaavampaan suuntaan. Nykyinen kaukolämmön energiankulutukseen painottuva hinnoittelu ei sovi uusille rakennuksille, jotka kuluttavat vähän energiaa. Yleistyvät hybridilämmitysjärjestelmät on otettava huomioon hinnoittelussa. Kaukolämmön kausihinnoittelu toisi etuja asiakkaalle, kaukolämpöyhtiölle sekä ympäristölle. Kaukolämmön kulutuksen tuntimittaus mahdollistaisi siirtymisen kaukolämpötehoon perustuvaan hinnoitteluun. Kaukolämmön hinta on ollut Mäntsälän Sähkö Oy:llä suhteellisen korkea. Korkea hinta johtuu enimmäkseen maakaasulla tuotetun kaukolämmön korkeista tuotantokustannuksista. Kaukolämmön tuotantoa voidaan kehittää kannattavammaksi, vaikka lämmöntalteenottolaitoksen oletettu lämmöntuotanto kattaa Mäntsälän lämmöntarpeesta noin puolet ja vähentää tuotantokustannuksia. Nykyisten maakaasukattiloiden käyttäminen pelletin pölypolttoon olisi teknisten muutoksien avulla mahdollista. Pölypolton kannattavuus riippuu erityisesti puupelletin ja maakaasun hintaerosta. Älykäs kaukolämpöjärjestelmä voisi automaattisesti tasoittaa kaukolämmön kysyntää yhdessä lämpövaraston kanssa. Tällöin huippulämpölaitosten käyttö vähentyisi ja lämmöntuotannon kustannukset pienentyisivät. Älykäs kaukolämpöjärjestelmä ja kaukolämpötehon tuntimittaus mahdollistaisivat myös kaksisuuntaisen kaukolämpökaupan.