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.

Carbonation of Mg(OH)2 in a pressurised fluidised bed for CO2 sequestration

I takt med den ekonomiska tillväxten har CO2-utsläppen till atmosfären ständigt ökat, och utan kraftiga åtgärder kommer de att fortsätta att öka i allt snabbare takt. Konsekvenserna av en påtagligt förhöjd atmosfärisk CO2-halt är fortfarande osäkra (men eventuellt katastrofala) och fenomenet går under namnet global uppvärmning eller klimatförändring. CCS från engelskans ”carbon dioxide capture and storage” framstår som ett alternativ för att bekämpa de ständigt ökande CO2-utsläppen. Ett av de mer intressanta, och för Finlands del ända CCS-alternativet, baserar sig på naturens egna sätt att begränsa atmosfärisk CO2, nämligen vittring. Naturlig vittring, som förenklat innefattar nedbrytningen av sten/berg (även känd som erosion) och de därpå följande reaktionerna med CO2-mättat regnvatten. Slutresultatet är en utfällning av fasta mineraler som nu bundit CO2 i form av kalcium- och magnesiumkarbonat. Kalciumkarbonat är även bättre känt som kalksten, d.v.s. CO2 blir bundet i sten. Det gäller dock att snabba upp denna process, som i naturen är ytterst långsam, på ett ekonomiskt och miljömässigt hållbart sätt. Hittills har ett antal metoder för att påskynda naturlig vittring, eller med andra ord öka CO2-upptagningsförmågan av olika mineraler föreslagits. De mera etablerade uttrycken (lånade från engelskan) talar om mineralkarbonatisering och CO2-mineralisering. Till skillnad från många andra CO2-mineraliseringsalternativ är det alternativ som behandlas i denna avhandling i hög grad baserat på möjligheten att utnyttja den värme som frigörs vid karbonatisering. I teorin är det möjligt att föreställa sig en mineraliseringsprocess som inte kräver extern energi, men tillsvidare har man dock inte lyckats uppnå detta mål. Den process som presenteras i denna avhandling går ut på att man utvinner magnesium ur i naturen vanligt förekommande magnesiumrika mineraler, konverterar det till magnesiumhydroxid och därefter karbonatiserar det till magnesiumkarbonat. I rätta förhållanden kan magnesiumhydroxid reagera med CO2 mycket snabbt och i nuläget har processen potential att minska CO2-utsläppen från industri där spillvärme finns till förfogande (t.ex. cement- och stålindustrin). Fortsatt forskning är dock ett måste för att kunna påverka CO2-utsläppen i en globalt signifikant skala.

Particle model for simulating limestone reactions in novel fluidised bed energy applications

The development of carbon capture and storage (CCS) has raised interest towards novel fluidised bed (FB) energy applications. In these applications, limestone can be utilized for S02 and/or CO2 capture. The conditions in the new applications differ from the traditional atmospheric and pressurised circulating fluidised bed (CFB) combustion conditions in which the limestone is successfully used for SO2 capture. In this work, a detailed physical single particle model with a description of the mass and energy transfer inside the particle for limestone was developed. The novelty of this model was to take into account the simultaneous reactions, changing conditions, and the effect of advection. Especially, the capability to study the cyclic behaviour of limestone on both sides of the calcination-carbonation equilibrium curve is important in the novel conditions. The significances of including advection or assuming diffusion control were studied in calcination. Especially, the effect of advection in calcination reaction in the novel combustion atmosphere was shown. The model was tested against experimental data; sulphur capture was studied in a laboratory reactor in different fluidised bed conditions. Different Conversion levels and sulphation patterns were examined in different atmospheres for one limestone type. The Conversion curves were well predicted with the model, and the mechanisms leading to the Conversion patterns were explained with the model simulations. In this work, it was also evaluated whether the transient environment has an effect on the limestone behaviour compared to the averaged conditions and in which conditions the effect is the largest. The difference between the averaged and transient conditions was notable only in the conditions which were close to the calcination-carbonation equilibrium curve. The results of this study suggest that the development of a simplified particle model requires a proper understanding of physical and chemical processes taking place in the particle during the reactions. The results of the study will be required when analysing complex limestone reaction phenomena or when developing the description of limestone behaviour in comprehensive 3D process models. In order to transfer the experimental observations to furnace conditions, the relevant mechanisms that take place need to be understood before the important ones can be selected for 3D process model. This study revealed the sulphur capture behaviour under transient oxy-fuel conditions, which is important when the oxy-fuel CFB process and process model are developed.

Pyrolyysiöljyn tuottaminen kiertoleijukattilaan liitetyllä prosessilla

Pyrolyysiöljy on biomassasta nopealla hapettomalla lämpökäsittelyprosessilla saatavaa nestemäistä polttoainetta. Kasvavien uusiutuvan energian käyttötavoitteiden myötä pyrolyysiöljystä on tullut kiinnostava vaihtoehto fossiilisille polttoöljyille. Suurimmat käytön haasteet ovat alhainen lämpöarvo, korkeat kiintoainepitoisuudet ja happamuus fossiilisiin polttoöljyihin verrattuna sekä eri raaka-aineista syntyvät ominaisuuksiltaan erilaiset pyrolyysiöljyt. Pyrolyysiöljyn kaupallinen tuotanto on vasta käynnistymässä eikä sen laadulle ole olemassa standardeja, joten eri valmistajien tuotteet voivat poiketa toisistaan huomattavastikin. Suomessa on Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VTT) toimesta kehitetty Integrated Thermal Process (ITP)-konsepti, jossa pyrolyysiöljyn tuotantoprosessi on liitetty kiertoleijukattilaprosessiin. Prosessien yhdistämisellä voidaan parantaa kokonaishyötysuhdetta sekä hyödyntää laitosten yhteistä käyttöä ja polttoaineen hankintaa. Pyrolyysiprosessin tarvitsema lämpöenergia otetaan petihiekan välityksellä kattilasta, jossa poltetaan myös prosessissa syntyvät oheistuotteet. Tässä diplomityössä tutkittiin pyrolyysiprosessin vaikutusta voimalaitoksen toimintaan ja luotiin malli voimalaitoksen energiataseessa tapahtuvien muutosten arviointiin. Malli laskee sekä pyrolysaattorin että raaka-aineen käsittelyn vaikutukset voimalaitoksen sähkön- ja lämmöntuotantoon. Lisäksi mallin avulla voidaan arvioida pyrolysaattorin aiheuttama raaka-aineen tarve sekä voimalaitoksen lisäpolttoaineen tarve. Työssä tarkasteltiin myös pyrolyysiöljyn ominaisuuksia ja käyttökohteita, sekä tarvittavia muutoksia olemassa olevaan voimalaitokseen. Lisäksi arvioitiin tuotannon kannattavuutta. Mallia sovellettiin esimerkkivoimalaitokseen, jossa on harkittu pyrolyysiöljyn tuotannon aloittamista. Laskelmien perusteella pyrolyysiöljyn tuotannolla on sähkön- ja lämmöntuotantoa alentava sekä polttoaineen tarvetta korottava vaikutus. Pyrolyysiprosessin lisääminen nostaa voimalaitoksen kokonaishyötysuhdetta. Suotuisissa olosuhteissa öljytuotanto ITP-konseptilla näyttäisi olevan taloudellisesti kannattavaa.

Nitrogen Oxides Reduction Possibilities at Pulp Mill and Power Plant

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää typenoksidien vähennysmahdollisuudet Stora Enson Varkauden tehtaiden sellutehtaalla ja voimalaitoksella. Tutkimuksessa käsiteltiin tehdasalueen suurimpia typenoksidien päästölähteitä: soodakattilaa, meesauunia, kuorikattilaa, öljykattilaa ja muovi-alumiinijakeen kaasutuslaitosta. Tutkimuksessa selvitettiin typenoksidipäästöjen syntymekanismit ja erilaisiin polttotekniikoihin soveltuvat typenoksidien vähennystekniikat. Varkauden tehtaiden typenoksidien vuosipäästö vuonna 2001 oli 836 tonnia. Kansallinen lainsäädäntö, kansainväliset sopimukset sekä paras käytettävissä oleva tekniikka (BAT) huomioiden selvitettiin kuhunkin kohteeseen parhaiten soveltuvat ratkaisut. Tutkimuksen perusteella laadittiin toimenpideohjelma, joka määrittelee suositeltavan toteutusjärjestyksen typenoksidien vähennystoimenpiteille. Toimenpideohjelman tärkeimpinä kriteereinä pidettiin vuonna 2004 tulevan uuden ympäristöluvan arvioituja luparajoja sekä toimenpiteiden kustannustehokkuutta. Toteutusjärjestyksessä ensimmäiseksi valittiin koeajojakson järjestäminen ajon optimoimiseksi kiertopetikattilalla ja toiseksi meesauunin ajon optimointi jatkuvatoimisen NOx-analysaattorin avulla. Seuraaviksi toimenpiteiksi ehdotettiin vertikaali-ilmajärjestelmän käyttöönottoa soodakattilalla sekä SNCR-järjestelmän asennusta kuorikattilalle. Saavutettava NOx-vähennys tulisi olemaan 10 – 45 % ja hinta 30 – 3573 EUR vähennettyä NOx-tonnia kohti. Tutkimuksen osana Ilmatieteen laitoksella teetetyn typenoksidien leviämisselvityksen mukaan Stora Enson tehtaiden NOx-päästöjen vaikutus Varkauden ilmanlaatuun on hyvin pieni. Suurin osa NOx-päästöistä aiheutuu liikenteestä.

Kerrostumien muodostumisen määritys sondin lämmönsiirron perusteella

Diplomityön tavoitteena oli tutkia kerrostumien muodostumista voimalaitoskattiloiden lämpöpinnoille ja niiden vaikutusta lämmönsiirtoon. Kerrostumien vaikutusta lämpöpintojen lämpötiloihin tutkittiin kerrostumasondin avulla kierto- ja kerrosleijukattiloissa. Saadun mittausaineiston muodostettiin mittaustilannetta vastaava laskentamalli, jonka avulla pystytään selvittämään voimalaitoksen lämpöpintojen likaantumista käyttöperiodin aikana. Työn alussa tarkasteltiin kerrostumien muodostumismekanismeja lämmönsiirtopinnoille, kerrostumien ominaisuuksia ja virtausympäristön vaikutusta lämmönsiirtoon. Poltossa syntyvä tuhka kiinnittyy eri mekanismeilla kattilan seinille ja lämpöpinnoille riippuen polttoaineesta ja ympäröivistä olosuhteista. Likakerrosten muodostuminen lämmönsiirtimen pinnalle pienentää putkeen siirtyvää lämpövirtaa ja alentaa kattilan hyötysuhdetta. Kerrostumien lämmönjohtumisesta ja mikrorakenteesta on hyvin vähän kokeellisen tietoa, mikä vaikeuttaa reaalisten mallien muodostamista kattilan käyttäytymisestä sen likaantuessa.Työn kokeellisessa osassa tarkasteltiin kahdella eri kattilalla tehtyjä mittauksia. Mittaukset tehtiin kerrostumasondilla, jonka lämmönsiirrosta luotiin laskentamalli SIMULINK-simulointiohjelmalla. Mittaustuloksina saatiin kolmen eri pinnan lämpötilat, jotka muuttuivat kerrostuman ja jäähdytyksen vaikutuksesta. Laskentamallista muokattiin mittaustilanteita vastaava, jolloin lämpötilamuutoksista nähdään likakerroksen ominaisuuksien vaikutus lämmönsiirtoon. Sondista muodostettiin myös FLUENT-malli, jolla tarkasteltiin yksittäisen putken virtauskenttää sekä kahden lähekkäin olevan putken vaikutusta virtaukseen.

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.

Polttoaineseoksen ja prosessiolosuhteiden vaikutus kerrosleijukattilan tulistinalueen likaantumiseen

Työn tavoitteena oli löytää yhteys kerrosleijukattilaan syötetyn polttoaineseoksen sekä kattilan likaantumisen välille. Tulistinalueen likaantumista tutkittiin kahden kerrostumasondin avulla 28 päivää kestäneellä mittausjaksolla. Mittausten aikana otettiin näytteitä polttoaineseoksesta, lentotuhkasta sekä nuohouksen aikaisesta tuhkavirrasta. Mittausjakson jälkeen myös sondien tuhkakerrostumien pitoisuudet määritettiin. Mittausjakson aikana sondien jättöpinnoille muodostui tuhkakerrostumaa, joka voitiin poistaa nuohouksella, kun taas tulopinnalle syntyi pysyvää kerrostumaa. Nuohouksella irtoavan tuhkakerrostuman havaittiin sisältävän suuremmat pitoisuudet piitä, alumiinia, natriumia ja kaliumia kuin kattilan läpi jatkuvasti kulkevan lentotuhkan. Tuhkakerrostuma, jota ei nuohouksella saatu poistettua, sisälsi enemmän natriumia, rikkiä, kaliumia ja lyijyä kuin muut tuhkanäytteet. Polttoaineista turpeella oli merkittävin vaikutus likaantumiseen. Turpeen osuuden ollessa suurimmillaan jäivät jättöpinnan tuhkakerrostuman lämpövastukset pienemmiksi kuin muulloin eli lyhytaikaista kerrostumaa syntyi tällöin vähemmän. Pysyvän kerrostuman kasvu hidastui, kun turpeen osuus oli suuri, ja jopa pysähtyi, kun turpeen osuus oli 42-51 %. Prosessiolosuhteista tutkittiin kattilan kuorman vaikutusta likaantumiseen. Havaittiin, että ajettaessa kattilaa isommilla kuormilla, syntyi lyhytaikaista kerrostumaa vähemmän kuin muulloin.

Characterisation of waste for combustion : with special reference to the role of zinc

Waste combustion has gone from being a volume reducing discarding-method to an energy recovery process for unwanted material that cannot be reused or recycled. Different fractions of waste are used as fuel today, such as; municipal solid waste, refuse derived fuel, and solid recovered fuel. Furthermore, industrial waste, normally a mixture between commercial waste and building and demolition waste, is common, either as separate fuels or mixed with, for example, municipal solid waste. Compared to fossil or biomass fuels, waste mixtures are extremely heterogeneous, making it a complicated fuel. Differences in calorific values, ash content, moisture content, and changing levels of elements, such as Cl and alkali metals, are common in waste fuel. Moreover, waste contains much higher levels of troublesome trace elements, such as Zn, which is thought to accelerate a corrosion process. Varying fuel quality can be strenuous on the boiler system and may cause fouling and corrosion of heat exchanger surfaces. This thesis examines waste fuels and waste combustion from different angles, with the objective of giving a better understanding of waste as an important fuel in today’s fuel economy. Several chemical characterisation campaigns of waste fuels over longer time periods (10-12 months) was used to determine the fossil content of Swedish waste fuels, to investigate possible seasonal variations, and to study the presence of Zn in waste. Data from the characterisation campaigns were used for thermodynamic equilibrium calculations to follow trends and determine the effect of changing concentrations of various elements. The thesis also includes a study of the thermal behaviour of Zn and a full—scale study of how the bed temperature affects the volatilisation of alkali metals and Zn from the fuel. As mixed waste fuel contains considerable amounts of fresh biomass, such as wood, food waste, paper etc. it would be wrong to classify it as a fossil fuel. When Sweden introduced waste combustion as a part of the European Union emission trading system in the beginning of 2013 there was a need for combustion plants to find a usable and reliable method to determine the fossil content. Four different methods were studied in full-scale of seven combustion plants; 14Canalysis of solid waste, 14C-analysis of flue gas, sorting analysis followed by calculations, and a patented balance method that is using a software program to calculate the fossil content based on parameters from the plant. The study showed that approximately one third of the coal in Swedish waste mixtures has fossil origins and presented the plants with information about the four different methods and their advantages and disadvantages. Characterisation campaigns also showed that industrial waste contain higher levels of trace elements, such as Zn. The content of Zn in Swedish waste fuels was determined to be approximately 800 mg kg-1 on average, based on 42 samples of solid waste from seven different plants with varying mixtures between municipal solid waste and industrial waste. A review study of the occurrence of Zn in fuels confirmed that the highest amounts of Zn are present in waste fuels rather than in fossil or biomass fuels. In tires, Zn is used as a vulcanizing agent and can reach concentration values of 9600-16800 mg kg-1. Waste Electrical and Electronic Equipment is the second Zn-richest fuel and even though on average Zn content is around 4000 mg kg-1, the values of over 19000 mg kg-1 were also reported. The increased amounts of Zn, 3000-4000 mg kg-1, are also found in municipal solid waste, sludge with over 2000 mg kg-1 on average (some exceptions up to 49000 mg kg-1), and other waste derived fuels (over 1000 mg kg-1). Zn is also found in fossil fuels. In coal, the average level of Zn is 100 mg kg-1, the higher amount of Zn was only reported for oil shale with values between 20-2680 mg kg-1. The content of Zn in biomass is basically determined by its natural occurrence and it is typically 10-100 mg kg-1. The thermal behaviour of Zn is of importance to understand the possible reactions taking place in the boiler. By using thermal analysis three common Zn-compounds were studied (ZnCl2, ZnSO4, and ZnO) and compared to phase diagrams produced with thermodynamic equilibrium calculations. The results of the study suggest that ZnCl2(s/l) cannot exist readily in the boiler due to its volatility at high temperatures and its conversion to ZnO in oxidising conditions. Also, ZnSO4 decomposes around 680°C, while ZnO is relatively stable in the temperature range prevailing in the boiler. Furthermore, by exposing ZnO to HCl in a hot environment (240-330°C) it was shown that chlorination of ZnO with HCl gas is possible. Waste fuel containing high levels of elements known to be corrosive, for example, Na and K in combination with Cl, and also significant amounts of trace elements, such as Zn, are demanding on the whole boiler system. A full-scale study of how the volatilisation of Na, K, and Zn is affected by the bed temperature in a fluidised bed boiler was performed parallel with a lab-scale study with the same conditions. The study showed that the fouling rate on deposit probes were decreased by 20 % when the bed temperature was decreased from 870°C to below 720°C. In addition, the lab-scale experiments clearly indicated that the amount of alkali metals and Zn volatilised depends on the reactor temperature.

Gas-liquid mass transfer in bubbly flow: Estimation of mass transfer, bubble size and reactor performance in various applications

Gas-liquid mass transfer is an important issue in the design and operation of many chemical unit operations. Despite its importance, the evaluation of gas-liquid mass transfer is not straightforward due to the complex nature of the phenomena involved. In this thesis gas-liquid mass transfer was evaluated in three different gas-liquid reactors in a traditional way by measuring the volumetric mass transfer coefficient (kLa). The studied reactors were a bubble column with a T-junction two-phase nozzle for gas dispersion, an industrial scale bubble column reactor for the oxidation of tetrahydroanthrahydroquinone and a concurrent downflow structured bed.The main drawback of this approach is that the obtained correlations give only the average volumetric mass transfer coefficient, which is dependent on average conditions. Moreover, the obtained correlations are valid only for the studied geometry and for the chemical system used in the measurements. In principle, a more fundamental approach is to estimate the interfacial area available for mass transfer from bubble size distributions obtained by solution of population balance equations. This approach has been used in this thesis by developing a population balance model for a bubble column together with phenomenological models for bubble breakage and coalescence. The parameters of the bubble breakage rate and coalescence rate models were estimated by comparing the measured and calculated bubble sizes. The coalescence models always have at least one experimental parameter. This is because the bubble coalescence depends on liquid composition in a way which is difficult to evaluate using known physical properties. The coalescence properties of some model solutions were evaluated by measuring the time that a bubble rests at the free liquid-gas interface before coalescing (the so-calledpersistence time or rest time). The measured persistence times range from 10 msup to 15 s depending on the solution. The coalescence was never found to be instantaneous. The bubble oscillates up and down at the interface at least a coupleof times before coalescence takes place. The measured persistence times were compared to coalescence times obtained by parameter fitting using measured bubble size distributions in a bubble column and a bubble column population balance model. For short persistence times, the persistence and coalescence times are in good agreement. For longer persistence times, however, the persistence times are at least an order of magnitude longer than the corresponding coalescence times from parameter fitting. This discrepancy may be attributed to the uncertainties concerning the estimation of energy dissipation rates, collision rates and mechanisms and contact times of the bubbles.

Fast pyrolysis in circulating fluidized bed: feasibility study

Today the limitedness of fossil fuel resources is clearly realized. For this reason there is a strong focus throughout the world on shifting from fossil fuel based energy system to biofuel based energy system. In this respect Finland with its proven excellent forestry capabilities has a great potential to accomplish this goal. It is regarded that one of the most efficient ways of wood biomass utilization is to use it as a feedstock for fast pyrolysis process. By means of this process solid biomass is converted into liquid fuel called bio-oil which can be burnt at power plants, used for hydrogen generation through a catalytic steam reforming process and as a source of valuable chemical compounds. Nowadays different configurations of this process have found their applications in several pilot plants worldwide. However the circulating fluidized bed configuration is regarded as the one with the highest potential to be commercialized. In the current Master’s Thesis a feasibility study of circulating fluidized bed fast pyrolysis process utilizing Scots pine logs as a raw material was conducted. The production capacity of the process is 100 000 tonne/year of bio-oil. The feasibility study is divided into two phases: a process design phase and economic feasibility analysis phase. The process design phase consists of mass and heat balance calculations, equipment sizing, estimation of pressure drops in the pipelines and development of plant layout. This phase resulted in creation of process flow diagrams, equipment list and Microsoft Excel spreadsheet that calculates the process mass and heat balances depending on the bio-oil production capacity which can be set by a user. These documents are presented in the current report as appendices. In the economic feasibility analysis phase there were at first calculated investment and operating costs of the process. Then using these costs there was calculated the price of bio-oil which is required to reach the values of internal rate of return of 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%.

Wireless Application Test Bed and Simulations for Broadband Mobile Communications Systems

Langattoman laajakaistaisen tietoliikennetekniikan kehittyminen on herättänyt kiinnostuksen sen ammattimaiseen hyödyntämiseen yleisen turvallisuuden ja kriisinhallinnan tarpeisiin. Hätätilanteissa usein olemassa olevat kiinteät tietoliikennejärjestelmät eivät ole ollenkaan käytettävissä tai niiden tarjoama kapasiteetti ei ole riittävä. Tästä syystä on noussut esiin tarve nopeasti toimintakuntoon saatettaville ja itsenäisille langattomille laajakaistaisille järjestelmille. Tässä diplomityössä on tarkoitus tutkia langattomia ad hoc monihyppy -verkkoja yleisen turvallisuuden tarpeiden pohjalta ja toteuttaa testialusta, jolla voidaan demonstroida sekä tutkia tällaisen järjestelmän toimintaa käytännössä. Työssä tutkitaan pisteestä pisteeseen sekä erityisesti pisteestä moneen pisteeseen suoritettavaa tietoliikennettä. Mittausten kohteena on testialustan tiedonsiirtonopeus, lähetysteho ja vastaanottimen herkkyys. Näitä tuloksia käytetään simulaattorin parametreina, jotta simulaattorin tulokset olisivat mahdollisimman aidot ja yhdenmukaiset testialustan kanssa. Sen jälkeen valitaan valikoima yleisen turvallisuuden vaatimusten mukaisia ohjelmia ja sovellusmalleja, joiden suorituskyky mitataan erilaisten reititysmenetelmien alaisena sekä testialustalla että simulaattorilla. Tuloksia arvioidaan ja vertaillaan. Multicast monihyppy -video päätettiin sovelluksista valita tutkimusten pääkohteeksi ja sitä sekä sen ominaisuuksia on tarkoitus myös oikeissa kenttäkokeissa.

Three-dimensional model of bubbling fluidized bed combustion

 Diplomityön tarkoituksena on kehittää kolmiulotteinen malli kerrosleijupoltolle. Työn kirjallisuusosa sisältää seuraavat perusteet kerrosleijupolton tekniikasta: yleistiedot, leijutus- ja palamisilmiöt, kiinteän aineen ja kaasun sekoittuminen, päästöt ja lämmönsiirto. Lisäksi palamissysteemin mallinnuksen perusteet ja ratkaisumenetelmät ovat esitelty. Työn mallinnusosassa kehitetty koodi on ohjelmoitu Fortran-ohjelmointikielellä. Kehitetty malli perustuu olemassa olevaan malliin kiertoleijupoltosta. Yhtälö kiintoainekonsentraatioprofiilille on vaihdettu ja kiertovirta on poistettu koodista. Mallilla on tehty herkkyystarkasteluja polttoaineen ja kaasun sekoittumisen sekä reaktiokertoimen vaikutukselle. Visualisointi on tehty ohjelmassa Tecplot 360 ja mallinnustuloksia on vertailtu mitattuihin tuloksiin. Mallin laskemattulokset vastaavat hyvin mittaustuloksia ja kokemusperäisiä tietoja; monissa tapauksissa malli pystyy kvantitatiivisesti kuvaamaan parametrien variointia ja kaikissa tapauksissa malli antaa ainakin kvalitatiivisesti oikeita tuloksia. Työhön liittyvän kehityksen ja mallinnuskokemuksen perusteella on tehty ehdotukset mallin tulevaa kehitystä ja mittauksia varten.