Sellutehtaan hajukaasujen hallinnan kehittäminen

Diplomityössä on tarkasteltu sellutehtaan laimeiden ja väkevien hajukaasujen käsittely-järjestelmän toimivuutta ja riittävyyttä muuttuvassa tuotantotilanteessa. Käyttöhenkilökunnan nimeämiin järjestelmän ongelmiin on esitetty parannusehdotuksia. Työssä arvioidaan kyseiselle sellutehtaalle paras käyttökelpoinen tekniikka hajukaasujen polttotavaksi. Työssä on tutustuttu nykyaikaisiin erilaisiin hajukaasujen käsittelytapoihin ja esitetty niiden heikkouksia ja vahvuuksia. Työssä on tuotu esille hajukaasujen keräilyyn liittyviä turvallisuusnäkökohtia. Diplomityössä arvioitiin koivu- ja havusellua valmistavan sellutehtaan hajukaasujen käsittelyjärjestelmän toimivuutta haastattelemalla käyttöhenkilökuntaa ja seuraamalla järjestelmän poikkeusilmoituksia. Työssä on annettu muutosehdotuksia, jotta keräily saadaan aikaisempaa turvallisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Riittävyyttä on arvioitu vertaamalla hajukaasujen käsittelyjärjestelmän mitoitusarvoja toteutuneisiin arvoihin ja tuotannon nousun vaikutusta syntyvien hajukaasujen määriin on arvioitu karkeasti laitetoimittajan ohjeiden mukaan. Pääosin hajukaasujen keräily onnistuu hyvin ja on riittävä keräämään syntyvät hajukaasut. Tilanne on harkittava uudelleen, mikäli prosesseissa tehdään merkittäviä muutoksia, jotka vaikuttavat syntyvien hajukaasujen määriin tai niiden rikkipitoisuuteen.

Kaasutuskaasun puhdistus

Tässä diplomityössä on selvitetty hiilestä, jätteestä tai biopolttoaineesta kaasutetun kaasun märkä- ja kuivapuhdistusta. Kaasutuskaasun puhdistuksella voidaan likainen ja jopa ongelmallinen aines muuttaa tai puhdistaa sellaiseksi ympäristökelpoiseksi polttoaineeksi, että sitä voidaan käyttää nykyisissä kulutuskohteissa ongelmitta. Lisäkannustusta kaasutuskaasun puhdistus saa uusista EU-direktiiveistä, jotka tulevat rajoittamaan jätteiden läjittämistä kaatopaikoille. Loppusijoitukseen meneviä jätevirtoja voidaan energiakäytöllä pienentää huomattavasti.Työ on tehty PVO-Engineering Oy:n voimalaitostekniikan osastolle kevään 2001 aikana. Työn tavoitteena oli kasvattaa yrityksen tietomäärää kaasutuskaasun puhdistuksen osalta. Lisäksi pyrittiin selvittämään uuden keraamisen pussisuodatinmateriaalin käyttöä kaasutuskaasun kuumakuivasuodatuksessa. Työn ensimmäisessä osassa esitetään kaasutuskaasun koostumuksen ja syntymisen lisäksi tämän työn lähtökohdat ja tavoitteet. Toisessa osassa selvitetään kaasulle asetettavia vaatimuksia eri käyttötapojen mukaan. Kolmannessa ja neljännessä osassa selvitetään puhdistettavien komponenttien käyttäytymistä ja sopivia puhdistusmenetelmiä.Kaasutuskaasun puhdistustekniikka vaihtelee paljonkin riippuen kaasun käyttökohteesta. Eroja syntyy käyttökohteen asetettamista vaatimuksista polttoaineelle, kaasutettavan polttoaineen koostumuksesta ja laadun vaihtelusta. Puhdistuksessa keskitytään kloori -, rikki -, typpi - ja metalliyhdisteiden poistamiseen kaasuvirrasta. Erotuskyvyllä arvioituna eri puhdistusmenetelmistä tehokkaimpia ovat pesurisähkösuodatinyhdistelmät. Niiden suuret jätemäärät ovat kuitenkin iso ongelma. Kuumakuivapuhdistuksessa pyritään kehittämään menetelmä, jossa syntyvät jätemäärät ovat pieniä ja puhdistustulos on riittävä. Puhdistuksen apukeinona käytetään usein erilaisia katalyyttejä. Tunnetuimpia ovat erilaiset kalsiumpohjaiset materiaalit ja mineraalit. Katalyyteillä voidaan tehostaa tarpeellisia kemiallisia reaktioita puhdistusprosessissa. Kaikki puhdistukseen liittyvät ongelmat ovat kooltaan niin suuria, että niiden ratkaisemiseksi on tulevaisuudessa tehtävä lujasti töitä. Markkinanäkymät toimivalle puhdistustekniikalle ovat nykymaailmassa hyvät. Niinpä tuotekehitykseen laitetut panokset voivat tulevaisuudessa olla yritykselle kullan arvoisia.

Metsäteollisuuden sivuainevirtojen käsittely- ja hyödyntämisvaihtoehtojen vaikutus hiilidioksidipäästöihin

Tämä tutkimus kuuluu ympäristöklusterin tutkimusprojektiin "Materiaalivirrat ja energiankäyttö metsäteollisuusintegraateissa ja niihin liittyvät toimintastrategiat ympäristövaikutuslähtöisesti". Työn päätavoitteena oli kehittää laskentapohja, jossa alkuarvoja muuttamalla voidaan helposti määritellä metsäteollisuuden jäte- eli sivuainevirtojen käsittelystä ja hyötykäytöstä aiheutuvia hiilidioksidivaikutuksia. Tutkimuksen sisältö pohjautuu pääosin projektin muihin tutkimuksiin, joissa on tarkasteltu sivuainevirtojen hyötykäytön teknisiä ja taloudellisia reunaehtoja. Metsäteollisuuden tärkeimmiksi sivuainevirroiksi voidaan määritellä tuhka, soodasakka, jätevedenkäsittelyn liete sekä pastaliete. Tässä tutkimuksessa on laskettu näiden sivuainevirtojen nykyisten käsittelymenetelmien hiilidioksidivaikutukset projektissa mukana olevilla tehtailla ja vertailtu niitä potentiaalisempien uusien käsittely- ja hyötykäyttömenetelmien vaikutuksiin. Työstä saatujen tulosten perusteella voidaan arvioida, että tuhkan osalta hiilidioksidivaikutukset ovat suhteellisen merkityksettömiä. Pastalietteen osalta prosessiin palautus vaikuttaisi parhaalta menetelmältä, koska tuorepastan tuotannosta aiheutuu varsin runsaasti hiilidioksidipäästöjä. Suurin merkitys kokonaispäästöjen kannalta näyttäisi kuitenkin olevan jätevedenkäsittelyn lietteen ja soodasakan käsittelymenetelmillä. Soodasakan orgaaninen aines aiheuttaa kaatopaikoilla suurehkot metaanipäästöt, joita hyötykäytöllä voitaisiin vähentää merkittävästi. Jätevedenkäsittelyn lietteen osalta uudet kuivauksen tehostamismenetelmät parantavat lietteen poltettavuutta, jolloin myös hiilidioksidipäästöt pienenevät. Toisaalta suuremman kuiva-ainepitoisuuden vuoksi myös varastointi voisi olla mahdollista, jolloin lietettä ei tarvitsisi läjittää enää kaatopaikoille, ja myös kaatopaikkapäästöiltä vältyttäisiin.

Rinnakkaispolttolaitoksen ympäristöntarkkailusuunnitelma

Diplomityössä päivitetään voimalaitoksen ympäristöntarkkailusuunnitelma vastaamaan uudistuneen ympäristöluvan ja lainsäädännön edellytyksiä. Työssä tutkitaan leijupetikatti-loiden tulipesän lämpötiloja, savukaasun viipymäaikoja tulipesässä, leijukerroskattiloiden päästöjä, päästöjen jatkuvatoimista mittaamista sekä päästöjen seurantaa ja raportointia. Tulipesän lämpötiloja mitattiin kupla- ja kiertoleijukattiloilla. Tuloksien perusteella havait-tiin kiertoleijukattilan tulipesän alaosan lämpötilojen olevan lähes riippumaton pedin lämpötilasta ja höyrykuormasta. Tulipesän yläosassa lämpötilat nousevat höyrykuorman kasvaessa, mutta pedin lämpötilalla ei havaittu vaikutusta tulipesän yläosassakaan. Molemmilla kattiloilla havaittiin voimakas vaakatasoinen lämpötilaprofiili. Kuplaleijukattilalla sekä höyrykuorma että pedin lämpötila vaikuttivat tulipesän lämpötilaan. Savukaasun teoreettiset viipymäajat laskettiin kiertoleijukattilalle. Laskelmien ja mittauksien perusteella havaittiin kattilalla mahdollisuus saavuttaa savukaasun kahden sekunnin viipymäaika 850 ºC lämpötilassa. Kattilan käyttäytymisen aukottomaksi selvittämiseksi kaikilla polttoaineseoksilla ja höyrykuormilla tarvitaan lisää toimenpiteitä kattilalla ja lisää tulipesän lämpötilamittauksia. Leijukerroskattiloiden päästöjen syntymistä ja hallintaa tutkittiin teoreettisesti kirjallisuustutkimuksena. Tutkittuihin päästöihin kuuluivat typen oksidit, rikkidioksidi, hiukkaset, hiilimonoksidi, orgaaninen kokonaishiili, suolahappo, fluorivety, raskasmetallit sekä dioksiinit ja furaanit. Jatkuvatoimisten päästömittausmittauslaitteiden toimintaperiaatteita selvitettiin kirjalli-suustutkimuksena. Samoin selvitettiin jatkuvatoimisten päästömittauslaitteiden virhelähtei-tä. Päästömittauslaitteille laadittiin pitkän ja lyhyen ajan laadunvarmistussuunnitelma. Ha-vaittiin, että nykyiset jatkuvatoimiset päästömittauslaitteet eivät täytä kaikkia uusia laatu-kriteereitä. Päästöjen jatkuvatoimiseen seuraamiseen työssä suunniteltiin uusi valvomonäyttö. Uuden näytön avulla tehostetaan päästöjen valvontaa. Päästöjen raportointiin työssä suunniteltiin vuorokausiraportti. Raporttiin kerätään jatkuva-toimisten päästömittauslaitteiden puolen tunnin keskiarvot. Raportin tarkastaa, allekirjoittaa ja arkistoi vuorossa oleva operaattori.

Puunpolton mahdollisuudet Suomenojan voimalaitoksella

Puuenergian käyttö on viime vuosina lisääntynyt kaukolämmön tuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Puun kilpailukykyä polttoaineena ovat lisänneet polttotekniikan ja korjuutekniikoiden kehittyminen. Puun energiakäyttöä on edistänyt myös valtiovalta tukien ja veroratkaisuiden avulla, koska fossiilisten polttoaineiden korvaaminen puupolttoaineilla tukee Suomen ilmastopoliittisia tavoitteita. Tämän työn tavoitteena oli selvittää puupolttoaineiden käytön mahdollisuudet Espoon Sähkön Suomenojan voimalaitoksella. Nykyiset Suomenojan pääpolttoaineet ovat kivihiili ja maakaasu. Suomenojalle toimitetut puupolttoaineet koostuisivat sahoilta saatavista sivutuotteista, metsätähdehakkeesta ja kierrätyspuusta. Puupolttoaineiden taloudellinen saatavuus vaihtelee alueittain huomattavasti. Espoo ei tässä suhteessa ole sijainniltaan edullinen. Saatujen polttoainetarjousten perusteella puunpolton kustannukset nousevat kivihiilen kustannuksia korkeammiksi kuljetusetäisyyksistä johtuen, kun puunpoltto on yli 300 GWh/a. Tämä vastaisi 10 prosenttia Espoon Sähkön vuoden 2000 kokonaispolttoainekäytöstä ja 8 prosenttia arvioidusta polttoaineiden käytöstä vuodelle 2010. Puuta voidaan polttaa leijukerrostekniikkaan perustuvissa kattiloissa, arinakattiloissa, pölypolttona tai kaasuttamalla ja johtamalla tuotekaasu poltettavaksi. Puun ravinneaineista kloori voi aiheuttaa kuumakorroosiota höyrykattiloiden tulistimissa. Tätä pyritään estämään seospoltolla rikkipitoisten polttoaineiden, kuten turpeen tai kivihiilen kanssa. Seospoltto muiden polttoaineiden kanssa parantaa myös puun palamistulosta. Puupolttoaineiden kosteus voi olla jopa 60 prosenttia. Tässä työssä tutkittiin puun energiakäytölle pääasiassa kuutta eri ratkaisua. Ne olivat: kaasuttimen rakentaminen ja tuotekaasun poltto nykyisessä hiilipölykattilassa, hiilipölykattilan muuttaminen leijukerrospolttoon, uuden vastapainevoimalaitoksen rakentaminen, Suomenojalla olevan hiilivesikattilan muuttaminen puupolttoaineille, kivihiilen ja puun yhteispoltto hiilipölykattilassa puu/hiilipölypolttimilla sekä leijukerroskattilan rakentaminen ja sen yhdistäminen olemassa olevaan höyryturbiiniin. Taloudellisesti kannattaviksi ratkaisuiksi osoittautui kaksi viimeksi mainittua. Jos voimalaitostonttia halutaan säästää myöhempää maakaasuvoimalaitoshanketta varten, nousee puun ja kivihiilen yhteispoltto puu/hiilipölypolttimilla oleellisesti paremmaksi vaih-toehdoksi. Tämän vaihtoehdon korollinen takaisinmaksuaika on 7-11 vuotta, riippuen puunpolton laajuudesta. Kannattavuudelle on hyvin tärkeää puulla tuotetun sähkön tuki. Yhteispolton ansiosta hiilipölykattilan rikkidioksidi- ja hiilidioksidipäästöt sekä mahdollisesti myös typenoksidipäästöt vähenisivät. Puunpoltto lisää savukaasuvirtaa, nostaa savukaasun loppulämpötilaa ja mahdollisesti laskee hyötysuhdetta. Laitoksen rekkaliikenne lisääntyy. Kaikki esitetyt ratkaisuvaihtoehdot vähentäisivät hiilidioksidipäästöjä. Puunpolttoratkaisuilla ei kuitenkaan pystytä vähentämään Espoon Sähkön energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä alle vuoden 1990 tason, mutta hiilidioksidin ominaispäästöissä edellä mainitun tason alle päästäisiin.

Voimalaitostutkimuksen teknologiastrategia

Tässä diplomityössä muodostettiin Lappeenrannan teknillisen korkeakoulun voimalaitostekniikan laboratorion tutkimustyötä palveleva teknologiastrategia. Teknologiastrategian muodostaminen aloitettiin tarkastelemalla energiateollisuuden trendejä ja kehitysnäkymiä sekä voimalaitosalan tutkimus- ja kehityspalveluiden tarpeita haastattelemalla energia-alalla toimivia yrityksiä. Tarkastelujakson jälkeen pidettiin strategiapalavereita laboratorion henkilökunnan kanssa. Palavereissa keskusteltiin energiateollisuuden trendeistä, laboratorion omista osaamisalueista sekä mahdollisista panosalueista, joihin strategiassa sitoudutaan panostamaan. Strategiassa keskeisimmiksi panosalueiksi valittiin kaukolämpöala sekä kaasunpolttotekniikan tutkiminen, joista varsinkin kaukolämpöalalla on jo saavutettu hyviä tuloksia. Kasvualueena kaasunpolttotekniikan tutkiminen on kuitenkin merkittävämpi tulevaisuuden kannalta, sillä kaasun käytön uskotaan jatkavan kasvuaan. Teknologiastrategian laatiminen koettiin henkilökunnan keskuudessa varsin hyödylliseksi, sillä nyt kaikki tutkimusryhmän jäsenet ovat paremmin perillä omista osaamisalueista, taloudellisesta tilanteesta sekä valituista kasvu- ja panosalueista. Rahoituspuolta tarkasteltaessa energia-alan yritysten haastattelut sekä vierailut olivat varsin hyödyllisiä, sillä nyt saatiin luotua muutama uusi yrityskontakti sekä parannettua suhteita moneen alalla varsin merkittävään yritykseen. Tulevaisuudessa uusia tutkimushankkeita käynnistettäessä otetaan varmasti voimalaitostekniikan laboratorio entistä paremmin huomioon. Myös laboratorion omia tutkimusprojekteja varten on todennäköisesti helpompi saada rahoitusta. Nyt aloitettu teknologiastrategian muodostaminen jatkuu vielä tämän diplomityön jälkeenkin, sillä strategia vaatii vähintäänkin vuotuista tarkistamista. Vuoden välein tulee strategiaan kirjata mahdolliset muutokset omista osaamisalueista, teollisuuden sidosryhmien tarpeista sekä energia-alalla vallitsevista trendeistä.

Lietettä polttoaineenaan käyttävän pienen kokoluokan lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksen investointikustannus

Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa on käynnissä hanke, jossa kehitetään lietettä polttoaineenaan käyttävä höyryvoimalaitosprosessiin perustuva pienen kokoluokan lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitos. Kehitteillä olevan pienen kokoluokan lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksen erikoisuutena on laitoksen polttoaineeksi valittu yhdyskuntaliete. Valitussa ratkaisussa jätevedenpuhdistamolla esikäsitelty liete tuodaan voimalaitokselle, jossa liete kuivataan epäsuorassa kiertomassakuivurissa ja kuivauksen jälkeen poltetaan kiertoleijutekniikkaan perustuvassa reaktorissa. Palamistuotteena syntyvän tuhkan määrä on vain murto-osa laitoksella käsitellystä lietemäärästä. Laitoksessa on mahdollista käyttää lietteen lisäksi biopolttoaineita sekä kierrätyspolttoaineita. Tämän työn tavoitteena on määrittää laitoksen investointikustannus. Määritys perustuu koneiden ja laitteiden osalta yrityksiltä saatuihin tarjouksiin ja muilta osin kirjallisuustietoihin sekä toteutettuihin vastaavan kaltaisiin hankkeisiin. Tässä työssä määritetyn investointikustannuksen perusteella voidaan tehdä jatkotarkasteluja laitoksen toteutettavuudesta valitussa liiketoimintaympäristössä.

Sahan lämmöntuotannon ohjaus

Sahalaitoksilla käytetään lämpöenergiaa sahatavaran kuivauksessa. Lämpö tuotetaan pääasiassa polttamalla sivutuotteita, kuten kuorta ja purua. Hyvän kuivauslaadun saavuttamiseksi kuivausilman lämpötilan ja kosteuden on oltava oikean suuruiset. Epäsuotuisat kuivausolosuhteet hidastavat kuivumista tai aiheuttavat kuivausvikoja. Työssä käsiteltävänä sahalla lämpö tuotetaan kahdella sivutuotteita polttavalla kuorikattilalla sekä tarvittaessa raskasöljykattilalla. Raskasöljykattilalla tuotetaan myös kuivaamojen kostutushöyry. Automatiikkaa kehittämällä lämmöntuotanto saatiin reagoimaan paremmin vaihtelevaan lämmöntarpeeseen. Hyvin toimivan lämmöntuo¬tantojärjestelmän ansiosta kuivausolosuhteet ovat säilyneet entistä vakaampina. Matalapaineista höyryä johdetaan osaan sahan kuivaamoista. Höyrytys parantaa kuivauslaatua ja mahdollistaa nopeamman kuivauksen. Kuivaamot höyrytetään kuormanvaihdon jälkeen, jotta ilmankosteus nousee nopeasti tavoitetasolle. Lämmitys-vaiheen jälkeen höyrykostutusta ei tulisi käyttää ennen seuraavaa kuormanvaihtoa. Kehittämällä kuivaamoautomatiikkaa höyryn käyttö saatiin aikaisempaa kustannustehokkaammaksi. Muutoksien avulla polttoainekustannukset ovat pienentyneet.