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.

Pienitehoisen CHP-laitoksen verkkoonliityntä

Työn tavoitteena on pienitehoisen CHP-laitoksen verkkoonliitynnän suunnittelu. Laitos polttaa Einco Oy:n CFB-kuivurissa (Circulating fluidized-bed) termisesti kuivattua lietettä hönkäkaasujen kanssa Einco Oy:n CTC-reaktorissa (Constant temperature combustion). CFB-kuivuri ja CTC-reaktori on kytketty höyryvoimalaitosprosessiin, jonka turbogeneraattorista saadaan sähköenergiaa. Työssä on tutkittu nykypäivän hajautetun tuotannon pienvoimalaitoksen verkkoonliitynnän suojausvaatimuksia, sähkönlaatuvaatimuksia, suosituksia ja mahdollisen verkonhaltijan ohjeita sekä generaattorilaitteistojen ominaisuuksia. Generaattorilaitteistot ovat vierasmagnetoitu tahtigeneraattori tai itsemagnetoitu tahtigeneraattori, kestomagneettitahtigeneraattori tai verkkomagnetoitu epätahtigeneraattori. Lisäksi on tarkasteltu ja vertailtu generaattorilaitteistojen verkkoonliitynnässä tarvittavien eri automaatiolaitteiden ominaisuuksia. Verkkoonliitynnät on suunniteltu 400 kW generaattorilaitteistovaihtoehdoille kahdella tavalla: suoraan verkkoon kytkettynä ja taajuusmuuttajalla verkkoon kytkettynä. Työn päätuloksia ovat suunnitellut sähköliittymät sekä suojaus- ja ohjauspiirit, ensiö- ja toisiosuojaukset, toteutustason piirustukset ja automaation toimintaselostus. Lisäksi suunnitelluille automaatiokokoonpanoille on laskettu hankintakustannukset. Taajuusmuuttajan avulla verkkoon kytketty suoravetoturbogeneraattori on todettu teknisesti ja taloudellisesti toimivaksi.

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.

A system to assess the stability of airborne nanoparticle agglomerates under aerodynamic shear

Stability of airborne nanoparticle agglomerates is important for occupational exposure and risk assessment in determining particle size distribution of nanomaterials. In this study, we developed an integrated method to test the stability of aerosols created using different types of nanomaterials. An aerosolization method, that resembles an industrial fluidized bed process, was used to aerosolize dry nanopowders. We produced aerosols with stable particle number concentrations and size distributions, which was important for the characterization of the aerosols' properties. Next, in order to test their potential for deagglomeration, a critical orifice was used to apply a range of shear forces to them. The mean particle size of tested aerosols became smaller, whereas the total number of particles generated grew. The fraction of particles in the lower size range increased, and the fraction in the upper size range decreased. The reproducibility and repeatability of the results were good. Transmission electron microscopy imaging showed that most of the nanoparticles were still agglomerated after passing through the orifice. However, primary particle geometry was very different. These results are encouraging for the use of our system for routine tests of the deagglomeration potential of nanomaterials. Furthermore, the particle concentrations and small quantities of raw materials used suggested that our system might also be able to serve as an alternative method to test dustiness in existing processes.

Calcination of aluminum hydroxide over pressure and residence time

This work investigates the possible effect of pressure and residence time to the reaction of aluminum hydroxide into aluminum oxide. Various pressurized conditions are used as well as the help of various residence times. The aim is to increase the conversion of the reaction with the use of different pressures and residence times. The tests were performed with a laboratory scale fluidized bed reactor at the Outotec R&D Center in Frankfurt. Additional test work such as particle size analysis and differential thermal analysis were also carried out. Some calcined samples were also characterized with X-ray diffraction at the University of Auckland to obtain a reaction pathway when using pressurized conditions. All of the results are then compared with previous results.

O efeito da granulometria na decrepitação durante a decomposição térmica de calcários e carvão

The use of fluidized bed combustors to burn coal is largely studied to permit the addition of limestone to capture SO2. The particle size for coal and limestone is an important parameter in this process. Thermogravimetry (TG) is used to elucidate the combustion and sulfation processes, but the experimental parameters must be evaluated to be representative in fluidized bed combustors. In the present study the effect of particle size is analyzed in the calcination of limestones and the combustion of coal through the thermogravimetric curve for limestone and derivative thermogravimetric curve for coal. Small peaks representing mass losses between 400 and 500 ºC are observed due to the jumping of particles out of the crucible. This effect, recognized as decrepitation is observed for mid-sized particles provoked by the release of water vapor trapped within their lattice.

Model-based study of a chemical-looping combustion process

Chemical-looping combustion (CLC) is a novel combustion technology with inherent separation of the greenhouse gas CO2. The technique typically employs a dual fluidized bed system where a metal oxide is used as a solid oxygen carrier that transfers the oxygen from combustion air to the fuel. The oxygen carrier is looping between the air reactor, where it is oxidized by the air, and the fuel reactor, where it is reduced by the fuel. Hence, air is not mixed with the fuel, and outgoing CO2 does not become diluted by the nitrogen, which gives a possibility to collect the CO2 from the flue gases after the water vapor is condensed. CLC is being proposed as a promising and energy efficient carbon capture technology, since it can achieve both an increase in power station efficiency simultaneously with low energy penalty from the carbon capture. The outcome of a comprehensive literature study concerning the current status of CLC development is presented in this thesis. Also, a steady state model of the CLC process, based on the conservation equations of mass and energy, was developed. The model was used to determine the process conditions and to calculate the reactor dimensions of a 100 MWth CLC system with bunsenite (NiO) as oxygen carrier and methane (CH4) as fuel. This study has been made in Oxygen Carriers and Their Industrial Applications research project (2008 – 2011), funded by the Tekes – Functional Material program. I would like to acknowledge Tekes and participating companies for funding and all project partners for good and comfortable cooperation.

Estudo termogravimétrico do efeito da temperatura e da atmosfera na absorção de dióxido de enxofre por calcário

Thermogravimetry was applied to investigate the effects of temperature and atmosphere on conversion of sulfur dioxide (SO2) absorbed by limestone. Ranges of temperature and particle size were studied, typical of fluidized-bed coal combustion. Isothermal experiments were performed at different temperatures (between 750 and 950 ºC) under local atmospheric pressure (~ 697 mmHg) in dynamic atmospheres of air and nitrogen. The maximum conversion was 29% higher in nitrogen atmosphere than in air atmosphere. The optimum conversion temperature was found at 831 ºC in air atmosphere and at 894 ºC in nitrogen atmosphere.

Non conventional biological treatment based on Trametes versicolor for the elimination of recalcitrant anticancer drugs in hospital wastewater

This work presents a study about the elimination of anticancer drugs, a group of pollutants considered recalcitrant during conventional activated sludge wastewater treatment, using a biological treatment based on the fungus Trametes versicolor. A 10-L fluidized bed bioreactor inoculated with this fungus was set up in order to evaluate the removal of 10 selected anticancer drugs in real hospital wastewater. Almost all the tested anticancer drugs were completely removed from the wastewater at the end of the batch experiment (8 d) with the exception of Ifosfamide and Tamoxifen. These two recalcitrant compounds, together with Cyclophosphamide, were selected for further studies to test their degradability by T. versicolor under optimal growth conditions. Cyclophosphamide and Ifosfamide were inalterable during batch experiments both at high and low concentration, whereas Tamoxifen exhibited a decrease in its concentration along the treatment. Two positional isomers of a hydroxylated form of Tamoxifen were identified during this experiment using a high resolution mass spectrometry based on ultra-high performance chromatography coupled to an Orbitrap detector (LTQ-Velos Orbitrap). Finally the identified transformation products of Tamoxifen were monitored in the bioreactor run with real hospital wastewater

Remoção do íon amônio de águas produzidas na exploração de petróleo em áreas offshore por adsorção em clinoptilolita

This work describes the use of clinoptilolite for removal of ammonium ions present in waters produced at the Campos' Basin. Samples were previously treated in order to remove organic compounds and metals. Experiments were run in fixed- and fluidized-bed systems, at room temperature. The fluidized-bed systems did not remove efficiently the ammonium ion. The best operational conditions were obtained with clinoptilolite particle size in the range 0.30-0.50 mm, under ascendant flow (3 mL min-1), in a fixed-bed system. The best zeolite performance was found when it was pretreated with 0.5 mol L-1 NaOH. Na+ was the most important interfering ion due to its high concentration in the water. Clinoptilolite lost partially its capacity to retain ammonium ions after several regeneration cycles with NaOH.

Caracterização de cinza obtida por combustão de casca de arroz em reator de leito fluidizado

The rice husk combustion in a bubbling and atmospheric fluidized bed reactor was investigated. This paper presents the rice husk ash characterization employing the techniques of X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), and scanning electron microscopy (SEM) among others. After combustion, a rice husk ash containing 93% amorphous silica and <3% unburned char was produced. Methods usually applied to fixed bed considering external sources of energy and high reaction times were employed. Thus, the potential of this type of reactors with respect to speed, continuity and self-sufficiency energy of the process was shown.

A Development and Application of a Three-Dimensional Model for a CFB Gasifier

The developing energy markets and rising energy system costs have sparked the need to find new forms of energy production and increase the self-sufficiency of energy production. One alternative is gasification, whose principles have been known for decades, but it is only recently when the technology has become a true alternative. However, in order to meet the requirements of modern energy production methods, it is necessary to study the phenomenon thoroughly. In order to understand the gasification process better and optimize it from the viewpoint of ecology and energy efficiency, it is necessary to develop effective and reliable modeling tools for gasifiers. The main aims of this work have been to understand gasification as a process and furthermore to develop an existing three-dimensional circulating fluidized bed modeling tool for modeling of gasification. The model is applied to two gasification processes of 12 and 50 MWth. The results of modeling and measurements have been compared and subsequently reviewed. The work was done in co-operation with Lappeenranta University of Technology and Foster Wheeler Energia Oy.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.