Jätteenpolttolaitosten nykytilasta ja tulevaisuuden näkymistä viidessä Euroopan maassa

Tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa jätteenpolttolaitosten nykytilannetta ja tulevaisuuden näkymiä aina vuoteen 2015 asti viidessä Euroopan maassa (Saksa, Ranska, Iso-Britannia, Espanja ja Italia). Jätteenpoltolla ja jätteenpolttolaitoksella käsitettiin tässä tutkimuksessa kaikki jätteenpolttodirektiivin 2000/76/EY alaisuuteen kuuluva jätteen polttaminen. Tutkimus oli luonteeltaan kvalitatiivista eli laadullista. Tutkimusmenetelmänä käytettiin asiantuntijahaastatteluita. Asiantuntijat olivat useista Euroopan maista ja edustivat eri organisaatioita. Haastattelut toteutettiin puhelimen ja sähköpostin välityksellä. Tutkimuksen johtopäätöksenä oli, että jätteenpoltto on kasvava ala kaikissa tutkimuksen kohdemaissa ja että uusia jätteenpolttolaitoksia tullaan rakentamaan kaikkiin viiteen maahan. Eräänä tärkeimmistä syistä oli ns. kaatopaikkadirektiivin 1999/31/EY asettamat rajoitukset kaatopaikoille vietävän jätteen määrälle. Jätteiden rinnakkaispoltto ja jätteistä jalostettujen polttoaineiden käyttö tunnistettiin tulevaisuuden kannalta merkittäviksi trendeiksi.

Carbon balance of Fibre-Based Package

Customers are more and more interested in the environmental impacts of the products they purchase. Different labels give the required environmental information to consumers and the labels might affect to the consuming decisions. The European Union has set a plan for sustainable consuming, which encourages industry and commerce to calculate carbon footprints for the products. A term “carbon footprint” means carbon dioxide emissions across the product lifecycle. In this thesis, carbon footprints are calculated for two different fibre-based packages. In the end, greenhouse gas emissions from fibre-package production are compared to greenhouse gas emissions from PET bottle production. The data for mill processes is exact and monitored in the mill. In addition, data was gathered from raw material and material suppliers, customers, official records, KCL-eco databases and literature. The data for PET bottle is sourced from literature. End-of-life operations affect greatly on the carbon footprint of a fibre-based package. The results show that the carbon footprint is smallest when used packages are recycled. Recycling saves also natural resources. If used packages are not recyclable for some reason, it is recommended to use them in energy production. Through waste incineration fossil fuels could be substituted and greenhouse gas emissions avoided.

Seisokkien aiheuttamat kustannukset ja tulonmenetykset ongelma- ja yhdyskuntajätteen termisessä käsittelyssä

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää seisokkitunnista aiheutuvat kustannukset ja tulonmenetykset eri polttolinjoille ja niiden kombinaatioille Ekokem Oy Ab:n jätteenpolttolaitoksessa. Työ suoritettiin tarkastelemalla prosessitietokantaan tallentunutta tietoa sekä keräämällä tietoa haastatteluilla. Jätetulon menetyksen määrittelytavalla oli keskeinen vaikutus tulonmenetysten muodostumiseen. Muita kustannuksiin ja tulonmenetyksiin vaikuttavia tekijöitä olivat vuodenaika, seisokin pituus ja energiantoimituksen sopimukset. Kaikissa seisokeissa ei välttämättä aiheudu välitöntä jätetulon menetystä, mutta käsittelemättä jäävän jätteen voidaan silti nähdä aiheuttavan tilapäisvarastoinnin tarvetta, josta aiheutuu kustannuksia. Tämän vuoksi eri polttolinjojen jätetulon menetys laskettiin kahdella tavalla olettaen ensin kaiken polttamatta jäävän jätteen aiheuttavan jätetulon menetystä sekä siten, että jätetulon menetys ja mahdollisesta varastoinnista aiheutuvat kustannukset arvioitiin kokemusperäisesti. Jätetulon todellisten menetysten määräytyminen voi tapahtua kummalla tavalla hyvänsä riippuen seisokkihetkellä vallitsevista olosuhteista. Kustannukset ja tulonmenetykset laskettiin kolmelle eripituiselle ajanjaksolle ja jaettiin tuntihinnoiksi. Työssä käsitellyille eri seisokkitilanteille saatiin 131 eri tuntihintaa kun muuttujia vaihdeltiin. Suurimmat kustannukset ja tulonmenetykset muodostuivat jätevoimalan seisokista lämmityskaudella. Tämä johtui siitä, että jätevoimalassa poltettavaa yhdyskuntajätettä ei pystytä varastoimaan toisin kuin ongelmajätteitä. Jätevoimalan seisokkitunti voi lämmityskaudella maksaa enimmillään 2600 €/h, josta menetetyn jätetulon osuus on liki puolet. Lisäksi jätevoimalan höyryntuotanto on yli puolet kokonaistuotannosta.

Hevosenlannan jätestatus ja polttaminen Suomen ja Euroopan unionin lainsäädännössä

Tutkielmassa on selvitetty, vastaavatko Suomessa käytetty hevosenlan-nan jätteeksi määrittely ja hevosenlannan polttamista koskevat vaatimuk-set EU:n lainsäädäntöä. Lisäksi haluttiin etsiä mahdollisuuksia keventää hevosenlannan polttamiselle asetettuja vaatimuksia. Tutkielma toteutettiin lainopillista ja de lege ferenda –menetelmiä käyttäen. Hevosenlanta on EU:n sivutuoteasetuksen mukaan eläimistä saatava si-vutuote, johon sovelletaan jätedirektiiviä silloin, kun se on tarkoitettu pol-tettavaksi tai muuhun direktiivissä määriteltyyn tarkoitukseen. Jätelain so-veltamisala on jätedirektiiviä laajempi, sillä jätelakia sovelletaan hevosen-lantaan riippumatta siitä, minkälaiseen käsittelyyn se on tarkoittu. Suo-messa meneillään olevan jätelain uudistamisen myötä jätelain sovelta-misala tulee vastaamaan jätedirektiivin soveltamisalaa. Hevosenlannan polttamiselle Suomen jätteenpolttoasetuksessa asetetut vaatimukset vastaavat EU:n jätteenpolttodirektiivin vaatimuksia. Hevosen-lannan polttamisen helpottamiseksi tulisi jatkotutkimuksissa selvittää ensi-sijaisesti sitä, voidaanko jätteenpolttodirektiivissä polttamisen seurannalle asetetuista teknisistä vaatimuksista myöntää poikkeuksia poltettaessa ta-salaatuista hevosenlanta-kuivikeseosta.

Jätteenpolton typenoksidipäästöjen vähentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää jätteenpolton typenoksidipäästöjen puhdistusmahdollisuuksia. Työssä käydään läpi typen oksidien muodostuminen poltossa ja typen oksidien poistomenetelmät. Poistomenetelmiä käsiteltäessä painotus on arinapoltossa ja erityisesti selektiivisessä ei-katalyyttimenetelmässä (SNCR). Työn kokeellinen osa tehtiin Ekokem Oy Ab:n jätevoimalassa Riihimäellä. Kokeellisessa osassa selvitettiin ensin ammoniakkiveden massavirran, SNCR-laitteiston veden massavirran ja räjähdysnuohouksen vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Samalla selvitettiin muita typenoksidipitoisuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä SNCR-laitteiston puhdistustehokkuus. Sen jälkeen selvitettiin parhaita toiminta-arvoja öljyisen veden massavirralle, SNCR-laitteiston massavirralle ja primääri- ja sekundääri-ilman suhteelle typenoksidipitoisuuden, ammoniakki-slip:n, ilokaasupitoisuuden, ammoniakkiveden kulutuksen ja höyryn tuotannon kannalta. Tulokseksi saatiin, että ammoniakkiveden massavirran lisääminen pienentää typenoksidipitoisuutta, mutta voi aiheuttaa ammoniakkipäästön. Paras SNCR-laitteiston veden massavirta on suurin tutkittu, 800 kg/h, jolloin typenoksidipitoisuus sekä typenoksidipitoisuuden hetkittäinen vaihtelu, ammoniakkiveden kulutus ja ammoniakkipäästö ovat pienimmät. Samalla tosin höyryn virtaama pienenee. SNCR-laitteiston puhdistustehokkuudeksi saatiin 60 %. Räjähdysnuohouksella ei ole havaittavaa, eikä öljyisen veden massavirralla merkittävää vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Ammoniakkiveden kulutuksen kannalta paras öljyisen veden määrä on 600 kg/h, kun taas ammoniakki-slip:n kannalta paras öljyisen veden määrä on 950 kg/h. Primääri-ilman osuuden pienentäminen pienentää ammoniakki-slip:iä ja ammoniakkiveden kulutusta.

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.

Feasibility of ASH DEC‐ process in treating sewage sludge and manure ash in Finland

In Finland the thermal treatment of sewage sludge has been moderate in 21th century. The reason has been the high moisture content of sludge. During 2005-2008, 97-99% of sewage sludge was utilized in landscaping and agriculture. However agricultural use has been during 2005-2007 less than 3 %. The aim of national waste management plan is that by 2016 100% of sludge is used either as soil amendment or energy. The most popular utilization method for manure is spreading it on arable land. The dry manures such as poultry manure and horse manure could also be used in incineration. The ashes could be used as fertilizers and while it is not suitable as a starter fertilizer, it is suitable in maintaining P levels in the soil. One of the main drivers for more efficient nutrient management is the eutrophication in lakes and the Baltic See. ASH DEC process can be used in concentrating phosphorus rich ashes while separating the heavy metals that could be included. ASH DEC process uses thermochemical treatment to produce renewable phosphate for fertilizer production. The process includes mixing of ashes and chlorine donors and subsequent treatment in rotary kiln for 20 min in temperature of 900 – 1 050 oC. The heavy metals evaporate and P-rich product is obtained. The toxic substances are retained in air pollution control system in form of mixed metal hydroxides. The aim of conducting this study is to estimate the potential of ASH DEC process in treating phosphorus rich ashes in Finland. The masses considered in are sewage sludge, dry manure from horses, and poultry and liquid pig manure. To date the usual treatment method for sewage sludge in Finland is composting or anaerobic digestion. Part of the amount of produced sewage sludge (800 kt/a fresh mass and 160 kt/a TS) could also be incinerated and the residual ashes used in ASH DEC process. Incinerating only manure can be economically difficult to manage because the incineration of manure is in Finland considered as waste incineration. Getting a permit for waste incineration is difficult and also small scale waste incineration is too expensive. The manure could act as an additional feedstock in counties with high density of animal husbandry where the land area might not be enough for spreading of manure. Now when the manure acts as a supplementary feedstock beside sludge, the ash can’t be used directly as fertilizer. Then it could be used in ASH DEC process. The perquisite is that the manure producers could pay for the incineration, which might prove problematic.

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.

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.

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.

Jätteenpolton tulevaisuus Suomessa

Vuonna 2013 Suomessa astui voimaan Valtioneuvoston asetus kaatopaikoista 331/2013. Siinä asetettiin muun muassa rajoituksia orgaanisen ja biohajoavan aineksen sijoittamisesta kaatopaikoille. Tämä rajoitus astuu voimaan 1. tammikuuta 2016 alkaen, josta lähtien kaatopaikoille sijoitettava jäte ei saa sisältää yli 10 prosenttia orgaanista tai biohajoaaa ainesta. Asetus aiheutti muutos paineen Suomen jätesektorille, jossa perinteisesti oltiin suurin osa jätteestä sijoitettu kaatopaikoille. Edelleen suurin osa syntyvistä jätteistä sijoitetaan kaatopaikoille, mutta yhdyskuntajätteen energiahyödyntäminen on kasvattanut roolia huomattavasti. Kun 2000-luvun alussa Suomen jätteenpolttolaitosten kapasiteetti oli vielä 50 000 tonnia jätettä vuodessa, on kapasiteetti vuonna 2016 lähes 1,7 miljoonaa tonnia. Vuonna 2016 Suomessa on yhdeksän toiminnassa olevaa jätteenpolttolaitosta ja työn tarkasteluhetkellä uusia ei ole suunnitteilla. On todennäköistä, ettei jätteenpolttolaitosten kapasitetti nouse enää huomattavasti, koska poltettavan jätteen määrä on rajallinen ja kapasiteetin nostaminen vaatisi jätteen tuomista muualta.

Optimal Recycling Combination of Ash in South-East Finland

The present world energy production is heavily relying on the combustion of solid fuels like coals, peat, biomass, municipal solid waste, whereas the share of renewable fuels is anticipated to increase in the future to mitigate climate change. In Finland, peat and wood are widely used for energy production. In any case, the combustion of solid fuels results in generation of several types of thermal conversion residues, such as bottom ash, fly ash, and boiler slag. The predominant residue type is determined by the incineration technology applied, while its composition is primarily relevant to the composition of fuels combusted. An extensive research has been conducted on technical suitability of ash for multiple recycling methods. Most of attention was drawn to the recycling of the coal combustion residues, as coal is the primary solid fuel consumed globally. The recycling methods of coal residues include utilization in a cement industry, in concrete manufacturing, and mine backfilling, to name few. Biomass combustion residues were also studied to some extent with forest fertilization, road construction, and road stabilization being the predominant utilization options. Lastly, residues form municipal solid waste incineration attracted more attention recently following the growing number of waste incineration plants globally. The recycling methods of waste incineration residues are the most limited due to its hazardous nature and varying composition, and include, among others, landfill construction, road construction, mine backfilling. In the study, environmental and economic aspects of multiple recycling options of thermal conversion residues generated within a case-study area were studied. The case-study area was South-East Finland. The environmental analysis was performed using an internationally recognized methodology — life cycle assessment. Economic assessment was conducted applying a widely used methodology — cost-benefit analysis. Finally, the results of the analyses were combined to enable easier comparison of the recycling methods. The recycling methods included the use of ash in forest fertilization, road construction, road stabilization, and landfill construction. Ash landfilling was set as a baseline scenario. Quantitative data about the amounts of ash generated and its composition was obtained from companies, their environmental reports, technical reports and other previously published literature. Overall, the amount of ash in the case-study area was 101 700 t. However, the data about 58 400 t of fly ash and 35 100 t of bottom ash and boiler slag were included in the study due to lack of data about leaching of heavy metals in some cases. The recycling methods were modelled according to the scientific studies published previously. Overall, the results of the study indicated that ash utilization for fertilization and neutralization of 17 600 ha of forest was the most economically beneficial method, which resulted in the net present value increase by 58% compared to ash landfilling. Regarding the environmental impact, the use of ash in the construction of 11 km of roads was the most attractive method with decreased environmental impact of 13% compared to ash landfilling. The least preferred method was the use of ash for landfill construction since it only enabled 11% increase of net present value, while inducing additional 1% of negative impact on the environment. Therefore, a following recycling route was proposed in the study. Where possible and legally acceptable, recycle fly and bottom ash for forest fertilization, which has strictest requirements out of all studied methods. If the quality of fly ash is not suitable for forest fertilization, then it should be utilized, first, in paved road construction, second, in road stabilization. Bottom ash not suitable for forest fertilization, as well as boiler slag, should be used in landfill construction. Landfilling should only be practiced when recycling by either of the methods is not possible due to legal requirements or there is not enough demand on the market. Current demand on ash and possible changes in the future were assessed in the study. Currently, the area of forest fertilized in the case-study are is only 451 ha, whereas about 17 600 ha of forest could be fertilized with ash generated in the region. Provided that the average forest fertilizing values in Finland are higher and the area treated with fellings is about 40 000 ha, the amount of ash utilized in forest fertilization could be increased. Regarding road construction, no new projects launched by the Center of Economic Development, Transport and the Environment in the case-study area were identified. A potential application can be found in the construction of private roads. However, no centralized data about such projects is available. The use of ash in stabilization of forest roads is not expected to increased in the future with a current downwards trend in the length of forest roads built. Finally, the use of ash in landfill construction is not a promising option due to the reducing number of landfills in operation in Finland.

Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Recuperação do cromo contido nas cinzas provenientes da incineração de resíduos sólidos das indústrias coureira e calçadista visando a obtenção de cromato de sódio (VI)

O processo de transformação da pele em couro envolve uma seqüência complexa de reações químicas e processos mecânicos, no qual o curtimento representa fundamental estágio, por propiciar à pele características como qualidade, estabilidade hidrotérmica e excelentes propriedades para uso. O sulfato básico de cromo trivalente é o agente curtente predominantemente empregado no curtimento de peles em todo o mundo. É produzido a partir do cromato de sódio, industrialmente obtido do minério de cromo. Consideráveis quantidades de resíduos sólidos contendo cromo são geradas pelas indústrias coureira e calçadista. Estes resíduos tem sido motivo de preocupação constante, uma vez que são considerados perigosos devido a presença do cromo. O processo de incineração destes resíduos é uma importante alternativa a ser considerada, em decorrência de suas características de redução de massa, volume e possibilidade de aproveitamento da energia térmica dos gases de combustão. O processo de incineração dos resíduos das indústrias coureira e calçadista dá origem a cinzas contendo cerca de 40% de cromo que pode ser submetida a um processo de recuperação. Este trabalho apresenta os resultados da pesquisa sobre a utilização das cinzas, provenientes da incineração dos resíduos sólidos da indústria coureira e da indústria calçadista, para a produção de cromato de sódio(VI). No processo de planejamento e de condução dos experimentos foram utilizadas as técnicas de Planejamento Fatorial 2k, Metodologia de Superfície de Resposta e Análise de Variância na avaliação da produção de cromato de sódio(VI). Os fatores investigados foram: temperatura, taxa de aquecimento, tempo de reação, vazão de ar e quantidade de dolomita. A partir das variáveis selecionadas identificaram-se como parâmetros importantes a temperatura e a taxa de aquecimento. As superfícies de resposta tridimensionais obtidas a partir dos modelos de segunda ordem ajustados aos dados experimentais, apresentaram o comportamento do efeito conjugado dos fatores temperatura e taxa de aquecimento sobre a variável resposta grau de oxidação, desde a temperatura de inicio da reação química até a temperatura limite utilizada industrialmente. As condições de operação do processo de produção de cromato de sódio(VI) foram otimizadas. Os níveis ótimos dos fatores de controle aplicados as cinzas dos resíduos da indústria calçadista, geradas em uma planta piloto com incinerador de leito fixo, com tecnologia de gaseificação e combustão combinadas, apresentaram um grau de oxidação superior a 96% para as cinzas coletadas no ciclone e de 99,5% para as cinzas coletas no reator de gaseificação. Os resíduos sólidos, as cinzas e o produto de reação foram caracterizados por análises químicas, fluorescência de raio-X, microscopia eletrônica de varredura e difração de raio-X.