Formation and Control of Trace Metal Emissions in Co-Firing of Biomass, Peat, and Wastes in Fluidised Bed Combustors

Environmentally harmful consequences of fossil fuel utilisation andthe landfilling of wastes have increased the interest among the energy producers to consider the use of alternative fuels like wood fuels and Refuse-Derived Fuels, RDFs. The fluidised bed technology that allows the flexible use of a variety of different fuels is commonly used at small- and medium-sized power plants ofmunicipalities and industry in Finland. Since there is only one mass-burn plantcurrently in operation in the country and no intention to build new ones, the co-firing of pre-processed wastes in fluidised bed boilers has become the most generally applied waste-to-energy concept in Finland. The recently validated EU Directive on Incineration of Wastes aims to mitigate environmentally harmful pollutants of waste incineration and co-incineration of wastes with conventional fuels. Apart from gaseous flue gas pollutants and dust, the emissions of toxic tracemetals are limited. The implementation of the Directive's restrictions in the Finnish legislation is assumed to limit the co-firing of waste fuels, due to the insufficient reduction of the regulated air pollutants in the existing flue gas cleaning devices. Trace metals emission formation and reduction in the ESP, the condensing wet scrubber, the fabric filter, and the humidification reactor were studied, experimentally, in full- and pilot-scale combustors utilising the bubbling fluidised bed technology, and, theoretically, by means of reactor model calculations. The core of the model is a thermodynamic equilibrium analysis. The experiments were carried out with wood chips, sawdust, and peat, and their refuse-derived fuel, RDF, blends. In all, ten different fuels or fuel blends were tested. Relatively high concentrations of trace metals in RDFs compared to the concentrations of these metals in wood fuels increased the trace metal concentrations in the flue gas after the boiler ten- to hundred-folds, when RDF was co-fired with sawdust in a full-scale BFB boiler. In the case of peat, lesser increase in trace metal concentrations was observed, due to the higher initial trace metal concentrations of peat compared to sawdust. Despite the high removal rate of most of the trace metals in the ESP, the Directive emission limits for trace metals were exceeded in each of the RDF co-firing tests. The dominat trace metals in fluegas after the ESP were Cu, Pb and Mn. In the condensing wet scrubber, the flue gas trace metal emissions were reduced below the Directive emission limits, whenRDF pellet was used as a co-firing fuel together with sawdust and peat. High chlorine content of the RDFs enhanced the mercuric chloride formation and hence the mercury removal in the ESP and scrubber. Mercury emissions were lower than theDirective emission limit for total Hg, 0.05 mg/Nm3, in all full-scale co-firingtests already in the flue gas after the ESP. The pilot-scale experiments with aBFB combustor equipped with a fabric filter revealed that the fabric filter alone is able to reduce the trace metal concentrations, including mercury, in the flue gas during the RDF co-firing approximately to the same level as they are during the wood chip firing. Lower trace metal emissions than the Directive limits were easily reached even with a 40% thermal share of RDF co-firing with sawdust.Enrichment of trace metals in the submicron fly ash particle fraction because of RDF co-firing was not observed in the test runs where sawdust was used as the main fuel. The combustion of RDF pellets with peat caused an enrichment of As, Cd, Co, Pb, Sb, and V in the submicron particle mode. Accumulation and release oftrace metals in the bed material was examined by means of a bed material analysis, mass balance calculations and a reactor model. Lead, zinc and copper were found to have a tendency to be accumulated in the bed material but also to have a tendency to be released from the bed material into the combustion gases, if the combustion conditions were changed. The concentration of the trace metal in the combustion gases of the bubbling fluidised bed boiler was found to be a summary of trace metal fluxes from three main sources. They were (1) the trace metal flux from the burning fuel particle (2) the trace metal flux from the ash in the bed, and (3) the trace metal flux from the active alkali metal layer on the sand (and ash) particles in the bed. The amount of chlorine in the system, the combustion temperature, the fuel ash composition and the saturation state of the bed material in regard to trace metals were discovered to be key factors affecting therelease process. During the co-firing of waste fuels with variable amounts of e.g. ash and chlorine, it is extremely important to consider the possible ongoingaccumulation and/or release of the trace metals in the bed, when determining the flue gas trace metal emissions. If the state of the combustion process in regard to trace metals accumulation and/or release in the bed material is not known,it may happen that emissions from the bed material rather than the combustion of the fuel in question are measured and reported.

Short-term effects of prescribed burning on wood-rotting fungi

Summary

Seedling establishment after prescribed burning of a Clear-Cut and Partially Cut mesic boreal forest in Southern Finland

Summary

CH‚́ emissions from a West Siberian mire

Tiivistelmä: Metaanivuo länsi-siperialaiselta suolta

Effects of rotation period on biomass production and atmospheric CO‚́‚ emissions from broadleaved stands growing on abandoned farmland

Abstract

Kaasukäyttöisen jäteauton toiminnan tutkiminen ja soveltuvuuden selvittäminen pääkaupunkiseudun jätteenkuljetuksiin

Kaasunkäyttö liikennepolttoaineena on Suomessa vielä melko vähäistä. Maa- ja biokaasun käyttöä pyritään kuitenkin lisäämään, sillä EU:n jäsenvaltioiden tulee korvatavuoteen 2010 mennessä 5,75 % nykyisistä liikenteen polttoaineista biopolttoaineilla ja vuoteen 2020 mennessä jopa 20 %:a. Tässä työssä tutkittiin kaasukäyttöisen (CNG) jäteauton vahvuuksia ja heikkouksia dieseljäteautoon verrattuna. Ensimmäinen CNG-jäteauto aloitti liikennöinnin Pääkaupunkiseudun yhteistyövaltuuskunnan alueella joulukuussa 2005. Kaasujäteautolle suoritettujen melu- ja pakokaasupäästömittausten perusteella selvisi, että CNG-jäteauto on ympäristön kannalta dieseljäteautoa puhtaampi vaihtoehto. Kaasujäteautolla on myös yrityksen imagoon positiivinen vaikutus. Jäteautojen kustannuslaskelmat osoittivat, että kaasujäteauto tulee kokonaiskustannuksiltaan kalliimmaksi kuin dieseljäteauto. Ainoastaan CNG-jäteauton polttoainekustannukset ovat toistaiseksi edullisemmat kuin dieseljäteauton. Kaasujäteautokannan lisääntyminen edellyttää kaasun liikennepolttoainekäytön tukemista esimerkiksi antamalla lisäpisteitä urakkatarjouskilpailuissa. Tällöin eri polttoainevaihtoehtojen välillesyntyy kilpailua, millä voi tulevaisuudessa olla vaikutusta CNG-jäteauton kokonaiskustannusten alenemiseen ja kaasun käytön lisäämiseen taloudellisesti kannattavasti. Myös edistämällä biokaasun hyötykäyttöä liikennepolttoaineena saavutetaan maakaasua paremmat ympäristöhyödyt ja saadaan kaatopaikoilla muodostuva metaani talteen. Biokaasu on hiilidioksidineutraali polttoaine, joten sen poltosta ei synny kasvihuonekaasupäästöjä.

Polttoaineiden vastaanotonja käytön tarkastelu ja optimointi biopolttoaineita käyttävässä voimalaitoksessa

Kioton pöytäkirja velvoittaa teollisuusmaita vähentämään hiilidioksidipäästöjään. Energiantuotantolaitosten on vähennettävä tuotantoaan tai siirryttävä käyttämään vähäpäästöisempiä polttoaineita vähennystavoitteiden saavuttamiseksi. Etelä-Savon Energia Oy Mikkelissä rakentaa uuden kattilalaitoksen, joka soveltuu hiilidioksidivapaiden puupolttoaineiden polttoon. Kun uusi kattilalaitos otetaan käyttöön, kasvaa voimalaitoksen polttoaineiden kulutus 1,7 -kertaiseksi. Tämä merkitsee laitokselle tulevien polttoainekuljetusten määrän kasvamista kylmimpinä aikoina yli 70:neen autoon vuorokaudessa. Työssä on tarkasteltu nykyisen polttoaineiden vastaanoton ja kuljettimien kykyä ottaa vastaan kasvavat polttoainevirrat. Vastaanoton sujuvuus on polttoaineiden laadunhallinnan lisäksi edellytys laitoksen käytölle. Työn tavoitteena on ollut kartoittaa vastaanoton ongelmakohtia ja löytää näihin parannusmahdollisuuksia. Vastaanottokapasiteetti tulee venymään äärimmilleen tulevaisuudessa. Jotta määrällisesti riittävä ja laadullisesti sopiva polttoaineseos saadaan vastaanotettua nykyisenä vastaanottoaikana, tulee autojen saapua entistä tasaisemmin laitokselle. Tasainen saapuminen on mahdollista aikatauluttamalla sopivasti polttoainekuljetusten saapumisajat laitokselle. Vastaanoton kapasiteettia voitaisiin nostaa kasvattamalla kenttävaraston kokoa ja pienillä muutoksilla vastaanottoasemissa. Polttoaineen laadun ja vastaanoton tarkastelun lisäksi työssä on tarkasteltu polttoaineen saatavuutta.

Determinants of the price of allowance in the European Union emissions trading market

Teorian mukaan täydellisen kilpailun päästöoikeuskauppamarkkinoilla päästöoikeuden hinta muodostuu markkinoilla vallitsevan päästöjen vähentämisen rajakustannuksen perusteella. Euroopan päästökauppamarkkinoilla päästöjen vähentämisen kustannuksia nostavat suhteellisen lyhyet päästökauppajaksot ja epävarmuus järjestelmän jatkuvuudesta. Toisaalta päästökaupan osallistujien yhteenlaskettu päästöjen vähentämisen tarve lienee suhteellisen vähäinen ellei olematon ensimmäisellä päästökauppajaksolla. Euroopan päästökauppamarkkinoilla päästöjen vähentämisen tarve ja päästöjenvähentämisen kustannukset ovat osittain riippuvaisia muuttuvista tekijöistä. Päästöoikeuden hintaan voivat vaikuttaa päästökauppajakson aikana tapahtuva teollisuuden suhdannevaihtelu, polttoaineiden hintojen heilahtelut sekä säätilojen vaihtelu. Päästökaupan ensimmäisinä kuukausina päästöoikeuden hintakehityksellä on ollut yhteyksiä tekijöihin, joiden muutosten tulisikin vaikuttaa päästökauppamarkkinoiden tasapainoon. Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi polttoainemarkkinoiden ja sähkömarkkinoiden hintakehitys sekä vaihtelut säätiloissa.

Reduction of Greenhouse Gas Emissions in North-West Russia - Finnish Business Opportunities

Tutkimus suomalaisten yritysten liiketoimintamahdollisuuksista hiilidoksidipäästöjen vähentämisen parissa Luoteis-Venäjällä.

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.

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.