Maakaasun ja vedyn seospoltto

Tämä työ on toinen osa laajempaa energiatekniikan osastolla meneillään olevaa kaasunpolton tutkimusprojektia, jossa on tarkoituksena tutkia kaasunpolttotekniikoita. Ensimmäisessä vaiheessa projektissa perehdyttiin kaasunpolton mittaustekniikkaan. Seuraavassa vaiheessa suunnitellaan regeneratiivisen kaasunpolton laitteisto. Työssä perehdytään maakaasun ja vedyn seospolttoon maakaasun polttoon tarkoitetulla vakiopolttimella. Työssä keskityttiin tarkastelemaan muutoksia kaasuseoksen syttyvyydessä, liekin muodostuksessa, liekin pituudessa, lämmönsiirrossa, päästöissä ja poltinpään lämpörasituksessa. Työssä tarvittavat mittaukset suoritettiin LTY:n voimalaitostekniikan laboratorioon rakennetulla kaasunpolttolaitteistolla. Liekki- ja syttyvyystutkimus suoritettiin läpinäkyvällä kammiolla, josta saatujen tulosten perusteella tehtiin varsinaisessa polttolaitteistossa tehtävät lämmönsiirto- ja päästömittaukset. Työssä selvitetään, paljonko vetyä voidaan sekoittaa maakaasuun tekemättä muutoksia polttimelle. Työn alkuosassa on kaasunpolton teoriaa seospolttoon liittyen ja vertailua aiempiin seospolton tutkimustuloksiin kaasuturbiineissa. Pääpaino työssä on mittauksilla ja niiden analysoinnilla.

Seospellettien pienpoltto

This work is a part of Vapos research over mixed pellets. In this work combustion of ten different mixed pellets are examined. This is done by two kinds of tests, burning tests and ash melting tests. First there is a short review how different bio fuels burn and what kind of problems they cause. After this burning characteristics and flue gas calculation methods are acquainted. In test part burning tests and ash melting tests and their results are reported. Lastly conclusions and considerations over further study are done.

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.

Monipolttoainebiomassalaitokset

Kandidaatintyössä esitellään biomassapolttoaineiden polttotekniikat. Lisäksi käydään läpi Suomessa käytettävät biomassapolttoaineet ja niiden käsittelyyn, polttoon ja päästöihin vaikuttavia ominaisuuksia. Työssä keskitytään erityisesti uusien voimalaitosteknologioiden monipolttoainekonseptiin ja monipolttoainebiomassalaitoksiin. Niihin liittyy olennaisesti eri polttoaineiden seospoltto, johon myös työssä tutustutaan. Työn tavoitteena on antaa selkeä kuva biomassalaitosten polttotekniikoista ja polttoaineista. Tavoitteena on lisäksi pohtia monipolttoainekonseptin soveltuvuutta yhdeksi ratkaisuksi tulevaisuuden energiantuotannon haasteisiin.

Puun ja turpeen seospolton vaikutus tuhkan hyötykäyttökohteisiin

Työn tavoitteena oli selvittää puun ja turpeen seospolton vaikutukset tuhkien hyötykäyttökohteiden valintaan laitoksella tehtävien koeajojen ja kustannus- sekä SWOT-analyysien avulla. Lisäksi tavoitteena oli selvittää lainsäädännön vaikutukset tuhkien hyötykäyttöön. Kustannusanalyysissä tarkasteltiin tuhkien hyödyntämisen nykytilan lisäksi rakeistuslaitosinvestointia ja selvitettiin eri hyötykäyttövaihtoehtojen etuja ja haittoja. Lainsäädäntö vaikuttaa oleellisesti tuhkien hyötykäyttöön. Hyötykäyttöä säädellään sekä kansallisella että EU-tasolta tulevalla lainsäädännöllä. Ympäristölainsäädännön ja etenkin jätelainsäädännön kokonaisuudistuksen myötä myös hyötykäyttöä koskevat lainsäädäntö uudistui. Energiantuotannon tuhkat tulivat jäteverolain piiriin ja lannoiteasetuksenuudistuksella pyrittiin helpottamaan tuhkien lannoitekäyttöä. Myös jäteluokittelu ja sen päättyminen tuhkien osalta vaikuttaa olennaisesti tuhkien käsittelymenetelmien ja hyödyntämisen kannattavuuteen. Jäteluokituksen päättyminen voi viedä tuhkat kemikaalilainsäädännön piiriin. Kustannus- ja SWOT-analyysissä selvitettiin tuhkien hyödyntämisen kannalta keskeiset kustannustekijät. Rakeistuslaitosinvestoinnissa huomioitiin erilaiset tuhkien käsittelymäärät ja niiden vaikutukset kustannuksiin ja investoinnin kannattavuuteen. SWOT-analyysin avulla selvitettiin hyödyntämisen vahvuudet, heikkoudet, mahdollisuudet ja uhkatekijät. Polttoainesuhteella ei ollut poissulkevaa vaikutusta tuhkien hyötykäyttövalintaan. Lentotuhkat soveltuivat parhaiten lannoitehyötykäyttöön ja pohjatuhkat maarakennushyötykäyttöön. Rakeistuslaitosinvestointi olisi kannattava etenkin suuremmilla tuhkamäärillä.

Järviruo´on polttokoe Väkiparran tilan lämpölaitoksessa

Rannoilla ja matalissa vesissä voimakkaasti levinnyt järviruoko muodostaa suuren biomassareservin, jonka suunnitelmallisella korjuulla voidaan saavuttaa monia ympäristöhyötyjä. Luonnon- ja vesienhoitotöiden kustannustehokkuutta ja kiinnostavuutta voidaan lisätä ruokomassan hyötykäytöllä. Talvella korjattavan järviruo’on yksi potentiaalinen käyttökohde on poltto energiaksi muiden korsimateriaalien tapaan. Polttokokeen tavoitteena oli testata puhtaan järviruokosilpun polttoa laitoksessa, joka soveltuu korsimateriaalien polttoon. Teknisten kokemusten lisäksi tavoitteena oli hankkia mittaustietoa järviruo’on polton päästömääristä ja savukaasujen laadusta, sekä vertailla saatuja tietoja samassa laitoksessa tehtyyn puuhakkeen polttokokeen tuloksiin. Koepoltto tehtiin Väkiparran tilan lämpölaitoksessa, jonka polttoteho on 990 kW. Polttoaineen syöttöjärjestelmä on suunniteltu huomioimaan polttoaineen laadun vaihtelut ja polttoaine siirretään varastosta pesäruuville kolakuljettimella. Savukaasujen mittauksessa sovellettiin standardin EN 13284-1 määräyksiä. Järviruoko korjattiin kaksoissilppuri –rinnekone –yhdistelmällä maaliskuun alussa 2013. Silppurin terämäärän tarve aliarvioitiin ja silpussa oli runsaasti pitkiä, jopa yli 30 cm mittaisia korsia. Leikkuupäivien kostean sään vuoksi ruoko oli kosteaa (kosteusnäytteet 24-34 %). Kokeen aikana poltettiin noin 40 kuutiota ruokosilppua ja 20 tunnin koepolton aikana tuotettiin energiaa n. 4 MW. Laitoksen vakiosäädöillä saavutettiin n. 300 kW/h teho. Syöttölaitteiden teho rajoitti suuremman polttotehon saavuttamista, koska kevyttä silppua ei pystytty toimittamaan nopeammin pesään. Pitkät korret vaikeuttivat aluksi silpun syöttöä kolakuljettimelta pesäruuville, mutta syöttö alkoi sujua sen jälkeen, kun varastossa lajiteltiin silpusta pisimmät korret pois. Ruo’on kosteus ei vaikuttanut palamistulokseen, ruokosilppu paloi pesässä hyvin eikä palamatonta ainetta jäänyt tuhkaan. Typen oksidien pitoisuudet ja hiukkaspäästöt olivat ruokoa poltettaessa samaa luokka kuin puuhakkeen poltossa ja arvot jäivät alle viitteellisten päästöraja-arvojen (Valtioneuvoston asetus 750/2013, liite 1). Ruo’on poltosta mitatut rikkidioksidin pitoisuudet ylittivät viitteelliset päästöraja-arvot ja ero puun polttoon oli selkeä. Rikkidioksidin pitoisuuksista arvioitiin olevan jonkin verran riskiä kattilan korroosiovaurioiden syntymiselle. Häkäpitoisuudet olivat ruo’on poltossa selvästi korkeammat, mutta pitoisuuksia voidaan kuitenkin pitää alhaisina. Ruokotuhkasta analysoidut metallipitoisuudet jäivät selvästi alle MMM:n asetuksen 24/11 mukaisten enimmäispitoisuuksien tuhkan käytölle metsätaloudessa. Kokeen perusteella voidaan arvioida, että ruoko sopii poltettavaksi laitoksessa, kunhan silppu on kooltaan riittävän lyhyttä. Tekninen käyttövarmuus, korroosioriskit ja rikkidioksidipäästöt huomioiden järkevä käyttötapa on kuitenkin seospoltto hakkeen kanssa. Luonnon- ja vesienhoidon sivutuotteena syntyvää ruokosilppua kannattaa kuljettaa poltettavaksi, kun kuljetusmatka on lyhyt ja kuljetus tehdään isoilla kuorma-autoilla.