Biopolttoaineen rinnakkaispolton kannattavuustarkastelu hiilipölypolttokattilassa Martinlaakso 2:ssa

Euroopan unionin asettamat tavoitteet kasvihuonepäästöjen vähennykselle johtavat vih-reämpään teknologiaan. Tämä diplomityö on teoreettinen tutkimus, joka käsittelee biopolt-toaineen rinnakkaispolton kannattavuutta Vantaan Energian Martinlaakso 2:sen hiilipöly-polttokattilassa. Työssä perehdytään viiteen eri biopolttoainevaihtoehtoon, joita tarkastellaan viidessä eri skenaariossa, jotka vastaavat: 10, 20, 30, 40 ja 50 % biopolttoaineen osuutta kattilassa tuo-tetusta energiasta. Skenaarioissa on pohdittu tarvittavia investointikustannuksia ja muutos-töitä hiilipölypolttokattilassa. Tutkimuksessa on huomioitu myös uusi isojen laitosten pääs-töjä koskeva direktiivi, kattilan oletettava käyttöikä sekä biopolttoaineiden tuet. Saaduista arvioista on lopuksi laskettu vuosittainen polttoainekohtainen kustannusarvio ja investoin-nin kannattavuusarvio. Tuloksista voidaan päätellä, että sahanpurun mahdollisimman suuri hyötykäyttö on kannat-tavaa. Mikäli halutaan käyttää suuria määriä biopolttoainetta, (yli 20 % tuotetusta energias-ta) ei sahanpuru ole varteenotettava vaihtoehto huonon saatavuutensa johdosta. Tällöin hakkeen kaasutuslaitos olisi paras ratkaisu, mutta laitoksen kannattavuus riippuu tulevista energiatuista. Ilman energiatukia sahanpurun hyötykäyttö on ainoa kannattava investointi.

Pienen kokoluokan CHP-tuotannon kannattavuus kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä

Fossiiliset polttoainevarannot ovat ehtymässä. Nykyisen talouskasvumme perustuessa fossiilisten polttoaineiden kestämättömään käyttöön, on energiantuotantorakenteen muututtava. Euroopan Unioni on asettanut tavoitteet uusiutuvan energian osuuden lisäämiseksi. Näistä syistä johtuen kiinnostus uusiutuvaa energiaa ja hajautettua energiantuotantoa kohtaan on kasvanut viime aikoina. Tämän globaalin ilmiön rinnalla yhteiskuntarakenteen muutos Suomessa on johtanut tilanteeseen, jossa taloudellinen aktiviteetti kasvukeskusten ulkopuolella on hiipumassa. Loogisena ratkaisumallina on syntynyt hankkeita kuten Keski-Karjalan Kehitysyhtiö Oy:n Puhos 2013 - ympäristöalasta uutta liiketoimintaa - hanke. Tämä työ on Puhos 2013 - hankkeeseen tilattu tutkimus, jonka tavoitteena on puuta ja biokaasua polttoaineenaan käyttävän mikroturbiinitekniikkaan pohjautuvan pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuden selvittäminen kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä. Tutkimuksessa selvitettiin aluksi pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuteen vaikuttavat tekijät, jonka jälkeen opittua tietoa sovellettiin Kiteen Lämmön Arppentien lämpölaitoksen tapaukseen. Kiteen Lämmön taloudellisen kannattavuuden ohella tutkimuksessa huomioitiin uusien liiketoiminta mahdollisuuksien syntyminen alueelle. Käytetyt tutkimusmenetelmät olivat kvalitatiivinen analyysi ja perinteinen investoinnin kannattavuuslaskenta. Tutkimuksen tuloksena muodostettiin strategia, joka maksimoi molemmat edellä mainitut kannattavuuden näkökulmat. Kehitetyn strategian Kiteen Lämmön tulosta maksimoiva osuus muodostuu oman käyttösähkön tuottamisen aloittamisesta Arppentien lämpölaitoksella 30 kWe mikroturbiinilla käyttäen polttoaineena Bio10 Oy:n toimittamaa biokaasua. Uusien liiketoiminta mahdollisuuksien synty alueelle mahdollistetaan puolestaan kehittämällä puun kaasutukseen perustuva modulaarinen CHP laitos yhteistyössä Mekrijärven tutkimusaseman ja suomalaisten laitevalmistajien kanssa.

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.

Säilöntämenetelmien parantaminen höyryvoimaprosessissa

Lahti Energia Oy:n kivihiiltä polttavan Kymijärvi I voimalaitoksen vuotuiset käyttötunnit ovat vähentyneet. Syy vähennykseen on ollut uuden kaasutusvoimalaitoksen käyttöönotto vuonna 2012, jolloin vanhan voimalaitoksen käytölle ei ole ollut tarvetta kesäkuukausina. Seisonta-aikana voimalaitoksen höyryvoimaprosessi tulee säilöä. Säilönnällä tarkoitetaan toimenpiteitä, joilla estetään korroosio-olosuhteiden syntyminen voimalaitoksen laitteisiin. Säilöntätavasta riippuen estetään joko hapen tai kosteuden esiintyminen. Tässä diplomityössä tutkitaan eri säilöntämenetelmien ominaisuuksia tavoitteena löytää sopivin vaihtoehto vanhalle kivihiilivoimalaitokselle. Työssä perehdytään teorian kautta kolmeen menetelmään voimalaitoksen kattilan säilönnässä. Typpi- ja märkäsäilönnässä estetään hapen ja kuivailmasäilönnässä kosteuden esiintyminen. Työssä on myös tutkittu kattilan säilöntämenetelmien vaikutuksia muihin laitteistoihin ja järjestelmiin. Tuloksien perusteella voidaan todeta, että kuivailmasäilöntä on toimivin ratkaisu voimalaitoksen viimeisille käyttövuosille. Voimalaitoksen jäädessä varavoimalaitokseksi on typpisäilöntä kustannustehokkain vaihtoehto.

Toimintaohjeistus HSY:n jätteenpolton materiaalivirtojen hallintaan

Vantaan Energia rakentaa ympäristövaatimukset täyttävän jätevoimalan Itä-Vantaan Långmossebergeniin. Jätevoimalassa tullaan käyttämään polttoaineena kierrätykseen kelpaamatonta syntypaikkalajiteltua yhdyskuntajätettä sekä maakaasua. Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä HSY tulee toimittamaan noin 80 % vuosittaisesta jätepolttoaineesta. Tässä työssä on esitetty toimintamalli HSY:n jätteenpolton materiaalivirtojen hallitsemiseksi. Toimintamallin tarkoituksena on antaa ohjeistus jätteiden materiaalivirtojen käsittelymenetelmistä ennen jätteenpolttolaitosta. Lisäksi toimintamallin tarkoituksena on saada vähennettyä pohjakuonan määrää. Toimintamalli sisältää ohjeistuksen kotitalouksien sekajätteen, pienjäteasemien sekajätteen, sekalaisen rakennus- ja purkujätteen sekä kaupan- ja teollisuuden jätteiden käsittelytavoista. Jätevirtojen koostumusta on selvitetty kirjallisuudesta löytyvien tietojen perusteella ja tietoja on täydennetty kesällä 2013 suoritetun lajittelututkimuksen tiedoilla. Tutkimuksen tuloksista selvisi, että pienjäteasemien sekajätteiden lajittelua tehostamalla HSY:llä pystytään tekemään merkittäviä taloudellisia säästöjä. Tutkimuksessa selvisi, että kipsilevy olisi kannattavinta kerätä omalle lavalleen pienjäteasemilla. Sekalaisen rakennus- ja purkujätteen osalta todettiin, että sitä ei kannata ohjata suoraan jätevoimalalle poltettavaksi, eikä sitä voida sijoittaa käsittelemättömänä kaatopaikalle vuoden 2020 jälkeen. Tästä syystä työssä on ehdotettu, että sekalainen rakennus- ja purkujäte ohjattaisiin lajittelulaitokselle käsiteltäväksi ennen sen loppusijoittamista. Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan myös todeta, että toimintamallia noudattamalla, pohjakuonan määrää on mahdollista vähentää lähes puolella alkuperäisestä arviosta.

Puubiomassan kaasutukseen perustuva hajautettu energiantuotanto

Kandidaatintyön tarkoituksena oli perehtyä puubiomassan kaasutukseen perustuvaan hajautettuun energiantuotantoon. Työssä tarkasteltiin erilaisia kaasutustekniikoita sekä pohdittiin pientuotannon kannattavuutta ja kaasutusalan kehitysnäkymiä kirjallisuusmateriaalin avulla. Työssä selvisi, että paras tämän hetken pienkaasutusvoimalasovellus koostuu myötävirtakaasuttimesta ja lisäksi joko polttomoottorista tai mikroturbiinista. Kaasutusvoimalan suurin etu hajautetussa energiantuotannossa on omavarainen sähkön- ja lämmöntuotanto. Lisäksi kirjallisuuden mukaan sähköntuotantohyötysuhde on parempi kaasutukseen perustuvassa sähköntuotannossa kuin suoraan polttoon perustuvassa sähköntuotannossa. Ongelmana kaasutuksessa ovat tuotekaasun epäpuhtaudet, etenkin terva ja tuhka, jotka likaavat ja vioittavat kaasuttimen ja sähköntuotantoyksikön osia. Alle 100 kWe:n laitoksissa tuotekaasun puhdistusyksikön investointikustannukset ovat merkittävä osa kokonaisinvestointia. Suomen markkinoillakin on jo saatavilla muutamia kaasutusvoimaloita esimerkiksi maatalouden käyttöön. Kiinnostusta kaasutusalalle on runsaasti ja kaasutusteknologiaa pyritään jatkuvasti kehittämään pilottihankkeiden avulla.

Kuivajätehuollon hiilijalanjälki ja kustannukset sekä kuljetusten kilpailutus – Etelä-Karjalan aluekeräyspisteverkoston päivitys

Tutkimuksen tavoitteena oli yhtenäistää Etelä-Karjalan alueen erilaisia tapoja toimia alueke-räyksen suhteen. Aluekeräyksellä tarkoitetaan jätteiden keräystä pisteiltä, joihin kotitaloudet, jotka eivät kuulu kiinteistökohtaiseen keräykseen, voivat tuoda syntypaikkalajitellun kuiva- eli sekajätteensä. Tavoitteena oli myös saada tietoa siitä, minkälaiset ovat eri kuivajätehuoltovaihtoehtojen ilmastonmuutos- ja kustannusvaikutukset. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, miten ympäristönäkökohdat voidaan ottaa huomioon kuljetuskilpailutuksissa. Tutkimuksessa kerättiin tietoa internetistä, opinnäytetöistä ja tieteellisistä artikkeleista sekä yritysten edustajilta. Kasvihuonekaasupäästöjen laskennassa hyödynnettiin GaBi 6.0 -elinkaariarviointiohjelmaa. Tutkimuksen perusteella aluekeräyspisteet kannattaa sijoittaa reiteille, joita asukkaat käyttävät vähintään kerran viikossa ja mitkä ovat optimaalisesti myös kuljetusurakoitsijan kannalta. Taajama-alueelle ei nähty suositeltavaksi sijoittaa aluekeräyspisteitä. Suositeltavina astioina aluekeräyspisteille nähtiin syväkeräyssäiliöt, joiden tyhjennys onnistuu samalla keräyskalustolla kuin kiinteistöjen jäteastioiden, kun ajoneuvo on varustettu puominosturilla. Suositeltavaksi nähtiin myös harventaa jäteastioiden talvityhjennystiheyksiä, jos tyhjennystiheys on vakio ympäri vuoden, sillä pääosa aluekeräyspisteiden käyttäjistä on loma-asukkaita. Tyhjennystiheyksien harvennuksella olisi mahdollista saavuttaa kustannussäästöjä. Tutkimuksessa laskettiin kuivajätteen elinkaarenaikaisia kasvihuonekaasupäästöjä kuivajätteen keräyksestä loppusijoitukseen ja energiahyötykäyttöön. Energiahyötykäyttökohteiksi valittiin Riihimäen, Kotkan sekä Leppävirran (suunnitteilla) jätteenpolttolaitokset. Tulosten pohjalta kuivajätteen energiahyötykäyttö oli loppusijoitusta selkeästi parempi vaihtoehto. Kuivajätteen keräys- ja kuljetuspäästöjen vaikutus oli pieni. Kuivajätteen kuljetusmatkan pituus jätteenpolttolaitokselle ei ole siis ratkaisevassa roolissa kokonaiskasvihuonekaasupäästöjä tarkasteltaessa. Etäisyyttä suurempi vaikutus onkin kuivajätteen koostumuksella, polttolaitosten vuosihyötysuhteilla ja korvattavilla polttoaineilla. Jatkossa suositellaan selvittämään vielä vaihtoehtoisia käsittelytapoja kuivajätteen sisältämälle sekamuovijakeelle, jonka poltosta aiheutuu merkittävä osuus (noin 74 %) kuivajätteen polton kasvihuonekaasupäästöistä. Ajankohtaisia kuljetuskilpailutuksia varten tarkasteltiin vielä tarkemmin keräys- ja kuljetuspäästöjä. Tulosten pohjalta havaittiin, että keräys- ja kuljetuspäästöjä on mahdollista vähentää reilusti (46–74 %) siirtymällä dieselistä biopolttoaineiden käyttöön. Tuloksiin vaikuttaa kuitenkin merkittävästi, minkälaisista raaka-aineista biopolttoaineet on valmistettu. Kuivajätteen keräyspäästöjä on mahdollista pienentää myös päivittämällä aluekeräyspisteverkostoa. Tutkimuksessa tarkasteltiin kustannuksia aluekeräyspisteiden astioiden uusinnasta tai korjauksesta kuivajätteen loppusijoitukseen tai energiahyötykäyttöön asti. Merkittävimmät kustannukset aiheutuivat kuivajätteen loppusijoituksesta, energiahyötykäytöstä sekä keräyksestä. Kustannusten näkökulmasta keräyksen rooli oli siis suurempi. Työn lopussa annettiin vielä vinkkejä, joiden avulla jätehuoltoyritykset voivat tehdä jätekuljetushankintoja ympäristönäkökohdat huomioiden. Usein selkein tapa huomioida ympäristönäkökohdat kuljetuskilpailutuksissa on asettaa riittävän tiukkoja pakollisia vaatimuksia, jolloin voi valita hinnaltaan halvimman vaihtoehdon. Kuljetuspalvelun hankinnassa tulee huomioida ainakin energiankulutus, hiilidioksidi-, typenoksidi-, hiilivety- ja hiukkaspäästöt. Lainsäädäntö ei määrää vähimmäistasoja, vaan hankintaa tehdessä kannattaa kartoittaa markkinatilanne, jotta vaatimukset osaa asettaa oikealle tasolle. Markkinoille kannattaa myös tiedottaa tulevaisuuden tarpeista ja suunnitelmista. Suuria hankintakokonaisuuksia suositellaan pilkottavan pienempiin osiin, jotta pienet ja keskisuuret yritykset pystyvät myös osallistumaan tarjouskilpailuihin. Kannustus innovaatioiden huomioimiseen hankinnoissa on lisääntynyt myös jätehuollon alalla. Selvitettyjen kasvihuonekaasupäästöjen perusteella oli merkille pantavaa, miten suuri vaikutus polttolaitoksen valinnalla oli kasvihuonekaasupäästöihin. Oleellista onkin huomioida ympäristönäkökohdat myös energiahyötykäyttökohdetta valittaessa.

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.

Susteinable steelmaking by process integration

Environmental issues, including global warming, have been serious challenges realized worldwide, and they have become particularly important for the iron and steel manufacturers during the last decades. Many sites has been shut down in developed countries due to environmental regulation and pollution prevention while a large number of production plants have been established in developing countries which has changed the economy of this business. Sustainable development is a concept, which today affects economic growth, environmental protection, and social progress in setting up the basis for future ecosystem. A sustainable headway may attempt to preserve natural resources, recycle and reuse materials, prevent pollution, enhance yield and increase profitability. To achieve these objectives numerous alternatives should be examined in the sustainable process design. Conventional engineering work cannot address all of these substitutes effectively and efficiently to find an optimal route of processing. A systematic framework is needed as a tool to guide designers to make decisions based on overall concepts of the system, identifying the key bottlenecks and opportunities, which lead to an optimal design and operation of the systems. Since the 1980s, researchers have made big efforts to develop tools for what today is referred to as Process Integration. Advanced mathematics has been used in simulation models to evaluate various available alternatives considering physical, economic and environmental constraints. Improvements on feed material and operation, competitive energy market, environmental restrictions and the role of Nordic steelworks as energy supplier (electricity and district heat) make a great motivation behind integration among industries toward more sustainable operation, which could increase the overall energy efficiency and decrease environmental impacts. In this study, through different steps a model is developed for primary steelmaking, with the Finnish steel sector as a reference, to evaluate future operation concepts of a steelmaking site regarding sustainability. The research started by potential study on increasing energy efficiency and carbon dioxide reduction due to integration of steelworks with chemical plants for possible utilization of available off-gases in the system as chemical products. These off-gases from blast furnace, basic oxygen furnace and coke oven furnace are mainly contained of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen and partially methane (in coke oven gas) and have proportionally low heating value but are currently used as fuel within these industries. Nonlinear optimization technique is used to assess integration with methanol plant under novel blast furnace technologies and (partially) substitution of coal with other reducing agents and fuels such as heavy oil, natural gas and biomass in the system. Technical aspect of integration and its effect on blast furnace operation regardless of capital expenditure of new operational units are studied to evaluate feasibility of the idea behind the research. Later on the concept of polygeneration system added and a superstructure generated with alternative routes for off-gases pretreatment and further utilization on a polygeneration system producing electricity, district heat and methanol. (Vacuum) pressure swing adsorption, membrane technology and chemical absorption for gas separation; partial oxidation, carbon dioxide and steam methane reforming for methane gasification; gas and liquid phase methanol synthesis are the main alternative process units considered in the superstructure. Due to high degree of integration in process synthesis, and optimization techniques, equation oriented modeling is chosen as an alternative and effective strategy to previous sequential modelling for process analysis to investigate suggested superstructure. A mixed integer nonlinear programming is developed to study behavior of the integrated system under different economic and environmental scenarios. Net present value and specific carbon dioxide emission is taken to compare economic and environmental aspects of integrated system respectively for different fuel systems, alternative blast furnace reductants, implementation of new blast furnace technologies, and carbon dioxide emission penalties. Sensitivity analysis, carbon distribution and the effect of external seasonal energy demand is investigated with different optimization techniques. This tool can provide useful information concerning techno-environmental and economic aspects for decision-making and estimate optimal operational condition of current and future primary steelmaking under alternative scenarios. The results of the work have demonstrated that it is possible in the future to develop steelmaking towards more sustainable operation.

Behavior of black liquor nitrogen in combustion : formation of cyanate

The Kraft pulping process is the dominant chemical pulping process in the world. Roughly 195 million metric tons of black liquor are produced annually as a by-product from the Kraft pulping process. Black liquor consists of spent cooking chemicals and dissolved organics from the wood and can contain up to 0.15 wt% nitrogen on dry solids basis. The cooking chemicals from black liquor are recovered in a chemical recovery cycle. Water is evaporated in the first stage of the chemical recovery cycle, so the black liquor has a dry solids content of 65-85% prior to combustion. During combustion of black liquor, a portion of the black liquor nitrogen is volatilized, finally forming N2 or NO. The rest of the nitrogen remains in the char as char nitrogen. During char conversion, fixed carbon is burned off leaving the pulping chemicals as smelt, and the char nitrogen forms mostly smelt nitrogen (cyanate, OCN-). Smelt exits the recovery boiler and is dissolved in water. The cyanate from smelt decomposes in the presence of water, forming NH3, which causes nitrogen emissions from the rest of the chemical recovery cycle. This thesis had two focuses: firstly, to determine how the nitrogen chemistry in the recovery boiler is affected by modification of black liquor; and secondly, to find out what causes cyanate formation during thermal conversion, and which parameters affect cyanate formation and decomposition during thermal conversion of black liquor. The fate of added biosludge nitrogen in chemical recovery was determined in Paper I. The added biosludge increased the nitrogen content of black liquor. At the pulp mill, the added biosludge did not increase the NO formation in the recovery boiler, but instead increased the amount of cyanate in green liquor. The increased cyanate caused more NH3 formation, which increased the NCG boiler’s NO emissions. Laboratory-scale experiments showed an increase in both NO and cyanate formation after biosludge addition. Black liquor can be modified, for example by addition of a solid biomass to increase the energy density of black liquor, or by separation of lignin from black liquor by precipitation. The precipitated lignin can be utilized in the production of green chemicals or as a fuel. In Papers II and III, laboratory-scale experiments were conducted to determine the impact of black liquor modification on NO and cyanate formation. Removal of lignin from black liquor reduced the nitrogen content of the black liquor. In most cases NO and cyanate formation decreased with increasing lignin removal; the exception was NO formation from lignin lean soda liquors. The addition of biomass to black liquor resulted in a higher nitrogen content fuel mixture, due to the higher nitrogen content of biomass compared to black liquor. More NO and cyanate were formed from the fuel mixtures than from pure black liquor. The increased amount of formed cyanate led to the hypothesis that black liquor is catalytically active and converts a portion of the nitrogen in the mixed fuel to cyanate. The mechanism behind cyanate formation during thermal conversion of black liquor was not clear before this thesis. Paper IV studies the cyanate formation of alkali metal loaded fuels during gasification in a CO2 atmosphere. The salts K2CO3, Na2CO3, and K2SO4 all promoted char nitrogen to cyanate conversion during gasification, while KCl and CaCO3 did not. It is now assumed that cyanate is formed when alkali metal carbonate or an active intermediate of alkali metal carbonate (e.g. -CO2K) reacts with the char nitrogen forming cyanate. By testing different fuels (bark, peat, and coal), each of which had a different form of organic nitrogen, it was concluded that the form of organic nitrogen in char also has an impact on cyanate formation. Cyanate can be formed during pyrolysis of black liquor, but at temperatures 900°C or above, the formed cyanate will decompose. Cyanate formation in gasifying conditions with different levels of CO2 in the atmosphere was also studied. Most of the char nitrogen was converted to cyanate during gasification at 800-900°C in 13-50% CO2 in N2, and only 5% of the initial fuel nitrogen was converted to NO during char conversion. The formed smelt cyanate was stable at 800°C 13% CO2, while it decomposed at 900°C 13% CO2. The cyanate decomposition was faster at higher temperatures and in oxygen-containing atmospheres than in an inert atmosphere. The presence of CO2 in oxygencontaining atmospheres slowed down the decomposition of cyanate. This work will provide new information on how modification of black liquor affects the nitrogen chemistry during thermal conversion of black liquor and what causes cyanate formation during thermal conversion of black liquor. The formation and decomposition of cyanate was studied in order to provide new data, which would be useful in modeling of nitrogen chemistry in the recovery boiler.

Biohiilen teknillistaloudelliset käyttömahdollisuudet meesauuneissa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia biohiilen teknillisiä ja taloudellisia käyttömahdollisuuksia meesauunien polttoaineena. Suomessa meesauunit käyttävät polttoaineinaan yleensä maakaasua ja polttoöljyä. Näiden polttoaineiden käytön korvaamisessa ja vähentämisessä halvemmilla biopolttoaineilla on saatavilla suuret säästöt ja päästöjen vähennykset. Työssä keskityttiin erityisesti tutkimaan biohiilen mahdollisia polttotapoja, biohiilen polton tuottamien vierasaineiden määrää ja biohiilen käytön taloudellista kannattavuutta meesauunien polttoaineena. Työn pohjalta voidaan sanoa, että biohiilen käyttö meesauunien polttoaineena on mahdollista ja kannattavaa. Biohiiltä voidaan käyttää polttoaineena meesauuneissa samoilla polttotavoilla, mitä on käytetty sellu- ja sementtiteollisuudessa polttamaan biohiilen kaltaisia polttoaineita. Biohiilen polton tuottamien vierasaineiden määrä on samaa suuruusluokkaa kuin puun pölypolton tuottamien vierasaineiden määrä. Vierasaineiden pitoisuuksia voidaan hallita avaamalla kemikaalikiertoa. Biohiilen kanssa kilpaileviin puun pölypolttoon ja kaasutukseen nähden biohiilelle löydettiin etuja.

Biomassan käsittely voimalaitoksissa

Tässä diplomityössä tutkitaan biomassan esikäsittelyä suurissa voimalaitoksissa. Työssä keskitytään puusta saataviin polttoaineisiin. Biomassan esikäsittely on tärkeä osa voimalaitoksen toimintaa. Sillä pyritään saamaan puulle halutut ominaisuudet loppukäyttöä, kuten polttoa tai kaasutusta varten. Puubiomassan tärkeimpiä ominaisuuksia ovat kosteus, palakoko ja tasalaatuisuus. Työ on jaettu neljään osaan. Ensimmäisessä osassa tutkitaan kiinteän biomassan ominaisuuksia ja ongelmia. Toisessa osassa esitellään erilaisia voimalaitoksissa käytettäviä puubiomassoja ja niiden erityisominaisuuksia ja -vaatimuksia. Kolmannessa osassa esitellään biomassan käsittelyä voimalaitoksella. Käsittely jaotellaan vastaanottoon, esikäsittelyyn, varastointiin ja käsittelylaitteistoihin. Kolmannessa osassa tutkitaan myös käsittelyn erityisvaatimuksia ja esitellään esimerkkejä biomassan kokonaiskäsittelystä laitoksella. Työn neljäs osa paneutuu biomassan käsittelyn turvallisuus- ja ympäristöasioihin. Puubiomassan esikäsittely on suunniteltava käytettävien puulaatujen ja -määrien mukaan. Biomassan kosteuden ollessa korkea, on tutkittava onko kuivurien käyttö kannattavaa ja perusteltua. Jos voimalaitokselle tuleva puu on epätasalaatuista tai sisältää epäpuhtauksia, on käytettävä erilaisia puhdistus- ja murskainlaitteistoja. Biomassan käsittelyssä syntyy melua ja päästöjä. Ympäristö- ja terveyshaittojen ehkäisemiseksi käsittelylaitteistoihin on suunniteltava tarpeelliset suojat ja varojärjestelmät.

Chemical changes in biomass during torrefaction

Torrefaction is moderate thermal treatment (~200-300 °C) of biomass in an inert atmosphere. The torrefied fuel offers advantages to traditional biomass, such as higher heating value, reduced hydrophilic nature, increased its resistance to biological decay, and improved grindability. These factors could, for instance, lead to better handling and storage of biomass and increased use of biomass in pulverized combustors. In this work, we look at several aspects of changes in the biomass during torrefaction. We investigate the fate of carboxylic groups during torrefaction and its dependency to equilibrium moisture content. The changes in the wood components including carbohydrates, lignin, extractable materials and ashforming matters are also studied. And at last, the effect of K on torrefaction is investigated and then modeled. In biomass, carboxylic sites are partially responsible for its hydrophilic characteristic. These sites are degraded to varying extents during torrefaction. In this work, methylene blue sorption and potentiometric titration were applied to measure the concentration of carboxylic groups in torrefied spruce wood. The results from both methods were applicable and the values agreed well. A decrease in the equilibrium moisture content at different humidity was also measured for the torrefied wood samples, which is in good agreement with the decrease in carboxylic group contents. Thus, both methods offer a means of directly measuring the decomposition of carboxylic groups in biomass during torrefaction as a valuable parameter in evaluating the extent of torrefaction. This provides new information to the chemical changes occurring during torrefaction. The effect of torrefaction temperature on the chemistry of birch wood was investigated. The samples were from a pilot plant at Energy research Center of the Netherlands (ECN). And in that way they were representative of industrially produced samples. Sugar analysis was applied to analyze the hemicellulose and cellulose content during torrefaction. The results show a significant degradation of hemicellulose already at 240 °C, while cellulose degradation becomes significant above 270 °C torrefaction. Several methods including Klason lignin method, solid state NMR and Py-GC-MS analyses were applied to measure the changes in lignin during torrefaction. The changes in the ratio of phenyl, guaiacyl and syringyl units show that lignin degrades already at 240 °C to a small extent. To investigate the changes in the extractives from acetone extraction during torrefaction, gravimetric method, HP-SEC and GC-FID followed by GC-MS analysis were performed. The content of acetone-extractable material increases already at 240 °C torrefaction through the degradation of carbohydrate and lignin. The molecular weight of the acetone-extractable material decreases with increasing the torrefaction temperature. The formation of some valuable materials like syringaresinol or vanillin is also observed which is important from biorefinery perspective. To investigate the change in the chemical association of ash-forming elements in birch wood during torrefaction, chemical fractionation was performed on the original and torrefied birch samples. These results give a first understanding of the changes in the association of ashforming elements during torrefaction. The most significant changes can be seen in the distribution of calcium, magnesium and manganese, with some change in water solubility seen in potassium. These changes may in part be due to the destruction of carboxylic groups. In addition to some changes in water and acid solubility of phosphorous, a clear decrease in the concentration of both chlorine and sulfur was observed. This would be a significant additional benefit for the combustion of torrefied biomass. Another objective of this work is studying the impact of organically bound K, Na, Ca and Mn on mass loss of biomass during torrefaction. These elements were of interest because they have been shown to be catalytically active in solid fuels during pyrolysis and/or gasification. The biomasses were first acid washed to remove the ash-forming matters and then organic sites were doped with K, Na, Ca or Mn. The results show that K and Na bound to organic sites can significantly increase the mass loss during torrefaction. It is also seen that Mn bound to organic sites increases the mass loss and Ca addition does not influence the mass loss rate on torrefaction. This increase in mass loss during torrefaction with alkali addition is unlike what has been found in the case of pyrolysis where alkali addition resulted in a reduced mass loss. These results are important for the future operation of torrefaction plants, which will likely be designed to handle various biomasses with significantly different contents of K. The results imply that shorter retention times are possible for high K-containing biomasses. The mass loss of spruce wood with different content of K was modeled using a two-step reaction model based on four kinetic rate constants. The results show that it is possible to model the mass loss of spruce wood doped with different levels of K using the same activation energies but different pre-exponential factors for the rate constants. Three of the pre-exponential factors increased linearly with increasing K content, while one of the preexponential factors decreased with increasing K content. Therefore, a new torrefaction model was formulated using the hemicellulose and cellulose content and K content. The new torrefaction model was validated against the mass loss during the torrefaction of aspen, miscanthus, straw and bark. There is good agreement between the model and the experimental data for the other biomasses, except bark. For bark, the mass loss of acetone extractable material is also needed to be taken into account. The new model can describe the kinetics of mass loss during torrefaction of different types of biomass. This is important for considering fuel flexibility in torrefaction plants.

Biomethanation of syngas: identification of metabolic pathways from CO in a natural anaerobic consortium

Au cours des dernières décennies, l’intérêt pour la gazéification de biomasses a considérablement augmenté, notamment en raison de la grande efficacité de recouvrement énergétique de ce procédé par rapport aux autres procédés de génération de bioénergies. Les composants majoritaires du gaz de synthèse, le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2) peuvent entre autres servir de substrats à divers microorganismes qui peuvent produire une variété de molécules chimiques d’intérêts, ou encore produire des biocarburants, particulièrement le méthane. Il est donc important d'étudier les consortiums méthanogènes naturels qui, en syntrophie, serait en mesure de convertir le gaz de synthèse en carburants utiles. Cette étude évalue principalement le potentiel de méthanisation du CO par un consortium microbien issu d’un réacteur de type UASB, ainsi que les voies métaboliques impliquées dans cette conversion en conditions mésophiles. Des tests d’activité ont donc été réalisés avec la boue anaérobie du réacteur sous différentes pressions partielles de CO variant de 0.1 à 1,65 atm (0.09 à 1.31 mmol CO/L), en présence ou absence de certains inhibiteurs métaboliques spécifiques. Dès le départ, la boue non acclimatée au CO présente une activité carboxidotrophique relativement intéressante et permet une croissance sur le CO. Les tests effectués avec de l’acide 2- bromoethanesulfonique (BES) ou avec de la vancomycine démontrent que le CO est majoritairement consommé par les bactéries acétogènes avant d’être converti en méthane par les méthanogènes acétotrophes. De plus, un plus grand potentiel de méthanisation a pu être atteint sous une atmosphère constituée uniquement de CO en acclimatant auparavant la boue. Cette adaptation est caractérisée par un changement dans la population microbienne désormais dominée par les méthanogènes hydrogénotrophes. Ceci suggère un potentiel de production à large échelle de biométhane à partir du gaz de synthèse avec l’aide de biofilms anaérobies.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.