Effect of Material Recycling on the Feasibility of Solid Recovered Fuel Fired Power Plant

This master’s thesis examines the effects of increased material recycling on different waste-to-energy concepts. With background study and a developed techno-economic computational method the feasibility of chosen scenarios with different combinations of mechanical treatment and waste firing technologies can be evaluated. The background study covers the waste scene of Finland, and potential market areas Poland and France. Calculated cases concentrate on municipal solid waste treatment in the Finnish operational environment. The chosen methodology to approach the objectives is techno-economic feasibility assessment. It combines calculation methods of literature and practical engineering to define the material and energy balances in chosen scenarios. The calculation results together with other operational and financial data can be concluded to net present values compared between the scenarios. For the comparison, four scenarios, most vital and alternative between each other, are established. The baseline scenario is grate firing of source separated mixed municipal solid waste. Second scenario is fluidized bed combustion of solid recovered fuel produced in mechanical treatment process with metal separation. Third scenario combines a biomaterial separation process to the solid recovered fuels preparation and in the last scenario plastics are separated in addition to the previous operations. The results indicated that the mechanical treatment scenarios still need to overcome some problems to become feasible. Problems are related to profitability, residue disposal and technical reliability. Many uncertainties are also related to the data gathered over waste characteristics, technical performance and markets. With legislative support and development of further processing technologies and markets of the recycled materials the scenarios with biomaterial and plastic separation may operate feasibly in the future.

Thermogravimetric and kinetic analysis of the decomposition of solid recovered fuel from municipal solid waste

The thermal decomposition of a solid recovered fuel has been studied using thermogravimetry, in order to get information about the main steps in the decomposition of such material. The study comprises two different atmospheres: inert and oxidative. The kinetics of decomposition is determined at three different heating rates using the same kinetic constants and model for both atmospheres at all the heating rates simultaneously. A good correlation of the TG data is obtained using three nth-order parallel reactions.

Paperinkeräysyhtiön ympäristölupa sekä energiajakeen vastaanoton, haketuksen ja hyötykäytön suunnittelu ja kannattavuuden arviointi

Papinniemi Oy harjoittaa paperiteollisuuskuidun jatkojalostus- ja paperinkeräystoimintaa. Yhteensä raaka-ainetta tulee käsiteltäväksi noin 10 000 t/a. Työn tavoitteena oli uudistaa yhtiön jätelain (1072/1993) 42 §:n mukainen jätelupa hakemalla toiminnalle uusi ympäristönsuojelulain (86/2000)mukainen ympäristölupa. Lupahakemus toimitettiin Kaakkois-Suomen ympäristökeskuksen Lap-peenrannan toimipisteeseen 22.6.2006. Hakemuksen kuulutusajan ja lausuntokierroksen jälkeen ympäristökeskus teki asiasta myönteisen ympäristölupapäätöksen 1.11.2006. Lupapäätöksen kuulu-tusaika on 30 päivää, jonka jälkeen päätös saa lainvoiman, ellei siitä valiteta. Papinniemi Oy:n tulee tehdä hakemus lupamääräysten tarkistamiseksi 30.6.2017 mennessä. Papinniemi Oy aikoo tulevaisuudessa laajentaa toimintaansa energiajakeen vastaanotto- ja kierrä-tyspolttoaineen valmistustoimintaan. Työn toisena tavoitteena oli laatia suunnitelma ja kannatta-vuuslaskelma ko. toiminnan aloittamiseksi. Saatujen tulosten perusteella kierrätyspolttoaineen val-mistus on kannattavaa, mikäli energiajakeen saatavuus Imatran seudulla on vähintään 1700 t/a. Täl-löin yhden kierrätyspolttoainetonnin valmistuskustannus on 90 ¤. Kustannus vastaa edullisimman Imatralla kilpailevaa toimintaa harjoittavan yrityksen energiajakeen vastaanottohintaa. Polttokel-poista jätettä tuottaville yrityksille tehdyn kyselyn perusteella energiajakeen saatavuus Imatran seu-dulla on noin 3000 t/a, jolloin yhden kierrätyspolttoainetonnin valmistuskustannus on 51,49 ¤. Vaikka kierrätyspolttoaineen hinta romahti EU:n jätteenpolttodirektiivin (2000/76/EY) vaatimusten voimaantulon myötä vuoden 2006 alussa, tullee kierrätyspolttoaineen hinta nousemaan lähivuosina takaisin direktiiviä edeltäneelle tasolle (24 ¤/t). Tällöin energiajakeen vastaanottohinta toiminnan kannattavuusrajalla on 27,49 ¤/t. Kierrätyspolttoaineiden käyttöä tulevaisuudessa lisännee muiden polttoaineiden hinnan nousu, meneillään olevakierrätyspolttoaineiden standardisoimistyö, jätteiden hyödyntämisasteen parantamistavoitteet, jätteiden kaatopaikkasijoituskustannusten nousu ja päästö-kaupan vaikutus.

Jätteiden energiakäytön näkymät Euroopassa leijukerrospolton kannalta

Polttaminen on tehokas jätteenkäsittelymenetelmä, jossa jätteen tilavuus pienenee huomattavasti ja energiasisältö voidaan hyödyntää. Euroopan yhtenäistyneen ja tiukentuneen jätelainsäädännön takia jätteen sijoittaminen kaatopaikoille tulee vähenemään merkittävästi, jolloin jätteenkäsittelyn kapasiteettivaje voidaan korvata ensisijaisesti jätettä hyödyntävillä käsittelymenetelmillä. Tässä työssä tarkastellaan kiinteiden polttokelpoisten jätteiden hyödyntämistä polttoaineena erityisesti Suomessa yleisesti käytettävän leijukerrospolton kannalta. Työn tavoitteena on vertailla yleisimpiä jätteen energiakäytössä käytettäviä tekniikoita ja tutkia jätteen energiakäytön nykytilaa sekä tulevaisuuden mahdollisuuksia Euroopan maissa. Työ voidaan jakaa kahteen osaan: alkuosassa on esitetty kiinteän polttoaineen palamisen teoriaa sekä erilaisten kiinteiden polttoaineiden ominaisuuksia. Lisäksi alkuosassa on perehdytty yleisimpiin jätteen energiakäytön tekniikoihin. Työn jälkimmäisessä osassa on käsitelty jätteen energiakäyttöä ohjaavia tekijöitä sekä esitetty jätehuollon nykytila Suomessa ja muutamassa muussa Euroopan maassa. Tarkoituksena on ollut antaa yleiskuva siitä, miten jätettä hyödynnetään energiantuotannossa eri puolilla Eurooppaa ja miten yhtenäistyvä lainsäädäntö vaikuttaa eri maiden jätehuoltopolitiikkaan sekä jätteen energiakäytön määriin.

Kierrätyspolttoaineen käyttö leijupetikattilan konseptiin

Diplomityö tehtiin Rautjärven kunnassa sijaitsevalle M-real Simpeleen tehtaan voimalaitokselle. Voimalaitoksella on leijupetikattila ja se tuottaa prosessilämmön ja höyryn kartonki- ja paperikoneelle. Vuotuinen energiantuotanto on noin 115 GWh. Diplomityön tavoitteena oli tutkia kierrätyspolttoaineen käyttöä osana voimalaitoksen polttoainekonseptista. Voimalaitoksen biokattila on leijupetikattila, jossa poltetaan tehtaalta tulevaa kuorta ja lietettä sekä tehtaan ulkopuolisia puuperäisiä biopolttoaineita ja turvetta. Yksi työn päätavoitteista oli laatia voimassa olevan ympäristöluvan muutoshakemus, jotta kierrätyspolttoaineen käytölle saataisiin lupa. Suurten polttolaitosten päästöjen tarkkailu- ja raportointivaatimukset ovat uudistuneet viime vuosina paljon. Suurimpia muutosten aiheuttajia ovat Valtioneuvoston asetukset 1017/2002 ja 362/2003. Tässä työssä kuvataan uusien asetusten tuomia vaatimuksia itse kattilalle ja polttoaineen syötölle, jatkuvatoimisille mittalaitteille ja muille suoritettaville mittauksille. Uutena asiana on myös ilmapäästöjen seurantamittaukset ja -tapa, jolla tulokset ilmoitetaan. Mahdollisimman pieniin leijupetikattilamuutoksiin uskotaan pääsevän korvaamalla kierrätyspolttoaine REF1:llä 5 – 10 % turpeesta tai puupolttoaineista.

Kierrätyspolttoainemarkkinat Euroopassa

Työn tavoitteena oli selvittää Saksan, Ruotsin ja Suomen kierrätyspolttoaineen valmistusta ja käyttöä sekä kierrätyspolttoainemarkkinoita. Kierrätyspolttoaineiden käyttöä ja valmistusta sekä kierrätyspolttoainemarkkinoita säädellään tarkastelumaissa EU-lainsäädännöllä ja kansallisilla lainsäädännöillä jätteistä, jätteenpoltosta ja materiaalikierrätyksestä sekä CEN/TC 343-toimikunnan standardeilla kiinteille kierrätyspolttoaineille. Työn johtopäätöksenä on, että kierrätyspolttoainemarkkinat ovat tarkastelumaissa hyvin ulkoapäin ohjautuvat ja markkinaehtoista tasapainoa ei ehdi syntyä. Tarkastelumaiden markkinat ovat erilaiset, Saksassa kierrätyspolttoaineiden käyttö ja valmistus on pitkälle kehittynyttä, tiheää ja monipuolista, Ruotsissa yhteisen termistön puuttuminen kertoo alan hajanaisuudesta. Saksassa ja Ruotsissa kierrätyspolttoainemarkkinoiden kasvamiseen ovat vaikuttaneet kaatopaikkakiellot. Suomessa tähän asti pelkkään rinnakkaispolttoon perustuneet kierrätyspolttoainemarkkinat ovat vasta vakiintumassa. Kierrätyspolttoainemarkkinat tulevat kansainvälistymään ja kilpailu materiaalista tulee kovenemaan. Standardien käyttöönotto tulee olemaan helpointa Suomessa, jossa kierrätyspolttoaineen standardisoinnista on kokemusta. Suomen olisi syytä ottaa jäte- ja energiahuollon ratkaisuissa huomioon eri toimintojen aiheuttamat talous- ja ympäristövaikutukset.

Waste-to-Energy Scenarios in the China Context

Waste incineration plants are increasingly established in China. A low heating value and high moisture content, due to a large proportion of biowaste in the municipal solid waste (MSW), can be regarded as typical characteristics of Chinese MSW. Two incineration technologies have been mainly established in China: stoker grate and circular fluidized bed (CFB). Both of them are designed to incinerate mixed MSW. However, there have been difficulties to reach the sufficient temperature in the combustion process due to the low heating value of the MSW. That is contributed to the usage of an auxiliary fossil fuel, which is often used during the whole incineration process. The objective of this study was to design alternative Waste-to-energy (WTE) scenarios for existing WTE plants with the aim to improve the material and energy efficiency as well as the feasibility of the plants. Moreover, the aim of this thesis was to find the key factors that affect to the feasibility of the scenarios. Five different WTE plants were selected as study targets. The necessary data for calculation was gained from literature as well as received from the operators of the target WTE plants. The created scenarios were based on mechanical-biological treatment (MBT) technologies, in which the produced solid recovered fuel (SRF) was fed as an auxiliary fuel into a WTE plant replacing the fossil fuel. The mechanically separated biowaste was treated either in an anaerobic digestion (AD) plant, a biodrying plant, a thermal drying plant, or a combined AD plant + thermal drying plant. An interactive excel spreadsheet based computation tool was designed to estimate the viability of the scenarios in different WTE cases. The key figures of the improved material and energy efficiency, such as additional electricity generated and avoided waste for landfill, were got as results. Furthermore, economic indicators such as annual profits (or costs), payback period, and internal rate of return (IRR) were gained as results. The results show that the AD scenario was the most profitable in most of the cases. The current heating value of MSW and the tipping fee for the received MSW appeared as the most important factor in terms of feasibility.

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.

Energiana hyödynnettävien jätteiden elinkaaritarkastelu Porin seudulla

Työssä tarkasteltiin elinkaariarvioinnin keinoin energiana hyödynnettävien jätteiden ympäristövaikutuksia Porin Jätehuollon toiminta-alueella. Energiana hyödynnettäväksi jätteiksi tutkimuksessa lukeutuivat kunnan vastuulle kuuluvat sekajätteet sekä erilliskerätyt energiajätteet. Elinkaaritarkastelussa selvitettiin energiajätteen erilliskeräyksen ja jätteiden energiahyödyntämisen vaikutuksia kolmen eri skenaarion tarkasteluna. Skenaarioissa vertailtiin tarkasteluajanhetkellä voimassa olevien jätehuoltomääräyksien erilliskeräyslaajuutta, erilliskeräyksen lakkauttamista sekä erilliskeräyksen tehostamista. Lisäksi työssä arvioitiin energiajätteen erilliskeräyksen kustannusvaikutuksia kuluttajanäkökulmasta. Tässä tarkastelussa ja tutkimuksen laajuudessa saatujen tulosten perusteella energiajätteen erilliskeräyksellä Porin seudulla voidaan hillitä ilmastonmuutosvaikutuksia. Toisaalta taas erilliskeräyksen lakkauttamisella voi olla happamoitumista ja rehevöitymistä vähentäviä vaikutuksia. Kustannusvaikutusarviossa selvisi, että energiajätteen erilliskerääminen sekajätteestä on jonkin verran edullisempaa kuin pelkän sekajätteen kerääminen.

Jätteen kaasutus ja energiakäyttö

Kiinteiden polttoaineiden muuntaminen kaasumaiseen muotoon eli kaasuttaminen herätti jo vuosia sitten tutkijoiden kiinnostusta. Suomessa yleinen mielenkiinto on viimeaikoina keskittynyt edullisempien polttoaineiden kaasuttamiseen ja saatavan tuotekaasun polttamiseen. Lahti Energian uudessa Kymijärvi 2 voimalaitoksessa kaasutetaan puuta ja kierrätyspolttoainetta (REF). Saatava tuotekaasu jäähdytetään ja suodatetaan, jotta epäpuhtaudet saadaan pois tuotekaasusta. Puhdistettu tuotekaasu poltetaan kaasukattilassa korkeilla höyrynarvoilla. Tuotekaasun jäähdyttämistä ei ole paljoa tehty eikä siitä ole juurikaan tieteellistä tutkimusta eikä kokemusta. Tuotekaasun jäähtyessä partikkelit tarttuvat lämpöpinnoille aiheuttaen kerrostumia. Kerrostumat heikentävät lämmönsiirtoa olennaisesti. Tämän työn tarkoitus on tutkia kaasutusprosessia, tuotekaasun jäähdyttimen likaantumista sekä antaa lisätietoja likaantumiseen vaikuttavista tekijöistä.

Promoting Cleantech in Emerging Markets: Business Model for Waste Pre-treatment Equipment in China

Waste incineration is becoming increasingly widespread method of waste disposal in China. Incineration plants mostly use grate and circular fluidized bed (CFB) technology. Waste combustion in cement production is also beginning to gradually increase. However, Chinese waste composition is causing problems for the energy utilization. Mechanical waste pre-treatment optimizes the combustion process and facilitates the energy recovery. The objective of this study is to identify how Western waste pre-treatment manufacturer could operate in Chinese markets. Chinese waste management industry is reviewed via PESTEL analysis. The current state and future predictions of grate and CFB incineration as well as cement manufacturing are monitored. Grate combustion, which requires lesser waste pre-treatment, is becoming more common at the expense of CFB incineration in China. The most promising future for waste treatment is in cement production industry. Waste treatment equipment manufacturer should try to create pilot projects with biggest cement producers with a view of growing co-operation in the future.

Tutkimuskattilan taselaskenta

Diplomityön tavoitteena oli luoda Varkauden energiatutkimuskeskuksen tutkimuskäyttöön tarkoitetun kuplapetikattilan tase- ja säätölaskenta. Työssä on esitelty yleisesti kuplapetikattiloiden teoriaa ja tarkasteltu lyhyesti kuplapetikattilan muodostamaa kokonaisuutta energiantuotannossa. Työssä käsitelty tutkimuskattila ei ehtinyt valmistua ennen tätä diplomityötä, joten mittauksia käytön ajalta ei voitu suorittaa ja sisällyttää tähän työhön. Lisäksi mahdolliset käytössä havaittavat korjaukset ja parannukset taselaskentaan jäivät tämän työn tarkastelun ulkopuolelle. Taselaskennan muodostamisessa hyödynnettiin kattilan suunnitteluvaiheessa luotuja säätö- ja PI-kaavioita. Säätömekaniikkaa luodessa huomioitiin mahdollisimman tarkasti automaatiojärjestelmän vaatimukset ja suorituskyky. Työssä on esitetty suuri määrä kattilalaskennan kannalta keskeisiä yhtälöitä. Prosessia ja säätömekaniikkaa mallinnettiin laskentaperusteisesti, työssä on esitetty yhtälöistä saatavat tulokset kattilaa ajettaessa tyypillisillä arvoilla 100 %:n teholla. Työn tuloksena tutkimuskattilalle saatiin säätömekaniikka, jolla pystytään arvioimaan viipymäaikaa kattilassa. Lasketun viipymäajan avulla polttoprosessi kattilassa voidaan suunnitella ja suorittaa tutkimuskäyttöön vaaditulla tarkkuudella ja laissa säädettyjen määräyksien mukaan, mikäli kierrätyspolttoainetta käytetään yli 50 tonnia vuodessa.

Kaupallisen sekajätteen mekaaniset käsittelyprosessit ja laitos investoinnin kannattavuus

Työn tavoitteena oli tutkia mekaanisia käsittelylaitteita ja -prosesseja kaupalliselle sekajätteelle ja selvittää mahdollisen laitoshankkeen kannattavuutta case-yritykselle. Jätehuollon yritykset ovat jatkuvan muutoksen alla kasvavien keräys- ja käsittelykustannusten takia, joka vaatii säästöjen etsimistä. Sekajäte sisältää arvokkaita kierrätysraaka-aineita ja näiden erottelu voisi luoda lisäarvoa alentuneina hävityskustannuksina ja lisääntyneinä myyntituottoina. Työssä selvitettiin kaupallisen sekajätteen koostumusta lajittelukokeen ja muiden sekajätetutkimusten avulla. Mekaanisia käsittelylaitteita tutkittiin kirjallisuuden ja case-esimerkkien kautta. Laitoshakkeen kannattavuutta arvioitiin taulukkolaskentamallin avulla. Laitosvaihtoehtoja tarkasteltiin 10-30 tuhannen tonnin kapasiteetin välillä. Laskelmien ja kirjallisuustutkimuksen pohjalta kannattavimpana vaihtoehtona nähtiin SRF kierrätyspolttoainetta valmistava laitos. Kirjallisuustutkimuksen ja case-laitosten pohjalta luotiin kaksi investointiskenaariota, joille laskettiin taulukkolaskentamallin avulla yksikkökustannukset, nettonykyarvot ja sisäiset korot. Kustannusaineisto oli peräisin case-yritykseltä ja muista laitostutkimuksista. Kannattavuuslaskelmien mukaan skenaario 2, jossa SRF-tuotannon lisäksi eroteltaisiin sekalaisia muoveja, on kannattavampi. Skenaarioiden 1 ja 2 kriittiset pisteet olivat noin 15,3 ja 13,6 tuhatta tonnia vuodessa. Kumpikaan skenaarioista ei kuitenkaan ole kannattava case-yrityksen omilla vuotuisilla kuormilla (10 000 tonnia). Lisää käsiteltävää jätettä tulisi hankkia ulkopuolisilta yrityksiltä taloudellisesti edullisen vaakamaksun avulla. Skenaarion 2 ongelmaksi kuitenkin muodostuu sekalaisten muovien poistuminen SRF:n komponenttina, mikä vaikuttaa SRF:n markkinoitavuuteen tehollisen lämpöarvon alenemisen takia.

Emissions of polybrominated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PBDD/Fs) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from a cement kiln using a continuous monitoring system

Resumen de la comunicación presentada en PIC2015 – the 14th International Congress on Combustion By-Products and Their Health Effects, Umeå, Sweden, 14-17 June 2015.