Study on the valorization routes of ashes from thermoelectric power plants working under mono-and co-combustion regimes

Thesis submitted to obtain the Doctoral degree in Energy and Bioenergy

Identification of atmospheric pollutants control mechanisms during co-combustion of coal and non-toxic wastes

Doctoral dissertation for Ph.D. degree in Sustainable Chemistry

AFBC of coal with tyre rubber. Influence of the co-combustion variables on the mineral matter of solid by-products and on Zn lixiviation

The study focuses on the generation and distribution of mineral species in fly and bottom ashes. These were formed during a fluidised co-combustion of a fossil fuel (coal) and a non-fossil fuel (tyre rubber) in a small fluidised bed combustor (7cm x 70cm). The pilot plant had continuous fuel feed using varying ratios of coal and rubber. The study also focuses on the lixiviation behaviour of metallic elements with the assessement of zinc recovering.

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.

Biomass Utilization in PFC Co-firing System with the Slagging and Fouling Analysis

Master’s thesis Biomass Utilization in PFC Co-firing System with the Slagging and Fouling Analysis is the study of the modern technologies of different coal-firing systems: PFC system, FB system and GF system. The biomass co-fired with coal is represented by the research of the company Alstom Power Plant. Based on the back ground of the air pollution, greenhouse effect problems and the national fuel security today, the bioenergy utilization is more and more popular. However, the biomass is promoted to burn to decrease the emission amount of carbon dioxide and other air pollutions, new problems form like slagging and fouling, hot corrosion in the firing systems. Thesis represent the brief overview of different coal-firing systems utilized in the world, and focus on the biomass-coal co-firing in the PFC system. The biomass supply and how the PFC system is running are represented in the thesis. Additionally, the new problems of hot corrosion, slagging and fouling are mentioned. The slagging and fouling problem is simulated by using the software HSC Chemistry 6.1, and the emissions comparison between coal-firing and co-firing are simulated as well.

Co-fuelling of peat with meat and bone meal in a pilot scale bubbling bed reactor

Co-combustion performance trials of Meat and Bone Meal (MBM) and peat were conducted using a bubbling fluidized bed (BFB) reactor. In the combustion performance trials the effects of the co-combustion of MBM and peat on flue gas emissions, bed fluidization, ash agglomeration tendency in the bed and the composition and quality of the ash were studied. MBM was mixed with peat at 6 levels between 15% and 100%. Emissions were predominantly below regulatory limits. CO concentrations in the flue gas only exceeded the 100 mg/m3 limit upon combustion of pure MBM. SO2 emissions were found to be over the limit of 50 mg/m3, while in all trials NOx emissions were below the limit of 300 mg/m3. The HCl content of the flue gases was found to vary near the limit of 30 mg/m3. VOCs however were within their limits. The problem of bed agglomeration was avoided when the bed temperature was about 850 °C and only 20% MBM was co-combusted. This study indicates that a pilot scale BFB reactor can, under optimum conditions, be operated within emission limits when MBM is used as a co-fuel with peat. This can provide a basis for further scale-up development work in industrial scale BFB applications

Combustion of coal, bagasse and blends thereof Part I: Emissions from batch combustion of fixed beds of fuels

Batch combustion of fixed beds of coal, bagasse and blends thereof took place in a pre-heated two-stage electric laboratory furnace, under high-heating rates. The average input fuel/air equivalence ratios were similar for all fuels. The primary and secondary furnace temperatures were varied from 800 degrees C to 1000 degrees C. The effects of fuel blending, combustion staging, and operating furnace temperatures on the emissions from the two fuels were assessed. Furnace effluents were analyzed for carbon dioxide and for products of incomplete combustion (PIC) including CO, volatile and semi-volatile hydrocarbons, as well as particulate matter. Results showed that whereas CO2 was generated during both the observed sequential volatile matter and char combustion phases of the fuels, PICs were only generated during the volatile matter combustion phase. CO2 emissions were the highest from coal, whereas CO and other PIC emissions were the highest from bagasse. Under this particular combustion configuration, combustion of the volatile matter of the blends resulted in lower yields of PIC, than combustion of the volatiles of the neat fuels. Though CO and unburned hydrocarbons from coal as well as from the blends did not exhibit a clear trend with furnace temperature, such emissions from bagasse clearly increased with temperature. The presence of the secondary furnace (afterburner) typically reduced PIC, by promoting further oxidation of the primary furnace effluents. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Combustion of coal, bagasse and blends thereof Part II: Speciation of PAH emissions

This work reports on emissions of unburned hydrocarbon species from batch combustion of fixed beds of coal, sugar-cane bagasse, and blends thereof in a pre-heated two-stage laboratory furnace operated in the temperature range of 800-1000 degrees C. The effects of fuel blending, combustion staging, and operating furnace temperatures on emissions of pollutants were assessed. Furnace effluents were analyzed for products of incomplete combustion (PICs) including CO, volatile and semi-volatile hydrocarbons, and particulate matter, as has been reported in Ref. [1]. Emitted unburned hydrocarbons include traces of potentially health-hazardous Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), which are the focus of this work. Under the batch combustion conditions implemented herein, PAH were only generated during the volatile combustion phase of the fuels. The most prevalent species were in descending order: naphthalene, acenaphthylene, phenanthrene, fluoranthene, pyrene, dibenzofuran, benzofuran, byphenyl, fluorene, 9H-fluoren-9-one, acephenantrylene, benzo[b] fluoranthene, 1-methyl-naphthalene; 2-methyl-naphthalene, benz[a] anthracene and benzo[a] pyrene. PAH yields were the highest from combustion of neat bagasse. Combustion of the blends resulted in lower yields of PAH, than combustion of either of their neat fuel constituents. Increasing the furnace operating temperature enhanced the PAH emissions from bagasse, but had little effect on those from the coal or from the blends. Flue gas treatment in a secondary-stage furnace, upon with additional air, typically reduced PAH yields by promoting oxidation of the primary-stage furnace effluents. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Steam reforming of ethanol for hydrogen production on Co/CeO²-ZRO² catalysts prepared by polymerization method

Catalysts containing 10%Co supported on CexZr1-xO2 (0 < x < 1) were applied to ethanol steam reforming reactions. The catalysts were characterized by Raman spectroscopy, XANES-H-2 and DRS-UV-Vis. The catalytic tests were conducted at 673, 773 and 873 K, with molar ratios of H2O:ethanol = 3:1. The ethanol conversion and H-2 selectivity were temperature dependent and the association of CeO2 with ZrO2 in the support led to show a low formation of CO, due to the higher mobility of oxygen. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Jätteen rinnakkaispolton rooli ja rajaehdot Suomen jätestrategiassa

Suomen jätehuolto on kokemassa murrosta kuluvina aikoina. Pienimuotoinen jätteen rinnakkaispoltto, joka on ollut Suomen jätehuollolle ominaista, uhkaa koitua kannattamattomaksi ja loppua kokonaan. Tässä työssä pyritään selvittämään jätteen rinnakkaispolton rooli ja rajaehdot Suomen jätestrategiassa nytkun jätehuolto on muuttunut uusien direktiivien voimaan astumisen myötä. Työssäkäsitellään rinnakkaispolttoa koskevaa lainsäädäntöä ja sen vaikutusta polton tulevaisuuteen. Rajaehtoja on tarkasteltu savukaasupäästöjen, päästörajojen ja tuhkan ominaisuuksien muuttumisen avulla polttosuhteen muuttuessa. Lisäksi työssä on arvioitu jätteenpolttoasetuksen aiheuttamat lisäkustannukset jätettä polttaville voimalaitoksille ja pohdittu, miten kustannukset on kompensoitavissa. Työn perusteella vaikuttaa siltä, että jätteen rinnakkaispoltolla voi tulevaisuudessakin olla merkittävä rooli Suomen jätehuollossa. Jätteen energiahyödyntämistä joudutaan lisäämään tulevaisuudessa rutkasti, jotta saavutettaisiin vaadittu jätteen hyötykäyttötaso. Rinnakkaispolton alalta on Suomessa huippuosaamista ja laitospotentiaalia on valmiina, joten rinnakkaispoltto tarjoaa helpon mahdollisuuden jätteen hyödyntämisasteen parantamiseen. Kriittiseksi tekijäksimuodostuu se, voiko yhdyskuntajätteistä valmistettua polttoainetta polttaa sähkön ja lämmön yhteistuotantoon tarkoitetuilla laitoksilla. Mikäli se olisi mahdollista, voisi tämän työn perusteella rinnakkaispoltolla olla suuri rooli suomalaisessa jätehuollossa ja sen tulevaisuudessa.

FCC-yksikön NOx-päästöjen hallinta

Työssä tutkittiin typen oksidien (NOx) päästöjen muodostumista ja NOx-päästöjen poistomenetelmiä leijukatalyyttisessa krakkausyksikössä (FCC). Koeajossa Porvoon öljynjalostamon FCC-yksikössä tutkittiin NOx-päästöjen hallintaa CO-promoottorin (CO:n palamista edistävä lisäaine) annostelun avulla. Kirjallisuusosassa käsiteltiin NOx-päästöjen muodostumista FCC-yksikön regeneraattorissa. Katalyyttisten lisäaineiden vaikutusta NOx-päästöjen muodostumiseen tarkasteltiin laajasti. Katalyyttisten lisäaineiden ohella käsiteltiin muitakin NOx-päästöjen poistomenetelmiä. Koeajojen tarkoituksena oli optimoida FCC-yksikön katalyyttikiertoon annosteltavan CO-promoottorin määrä. CO-promoottorin sisältämä platina lisää NOx-päästöjen muodostumista regeneraattorissa, mutta vähentää jälkipalamista. Jälkipalamisen vuoksi regeneraattorin ylimenolinjan lämpötila nousee. Regeneraattorin ylimenolinjan lämpötila oli CO-promoottorin vähentämistä rajoittava tekijä, NOx-päästöjä pyrittiin vähentämään ilman merkittävää jälkipalamisen kasvua. Tuorekatalyytin platinapitoisuuden pienentäminen vähentää merkittävästi NOx-päästöjä.

Sivuainevirtojen paikallinen energiahyötykäyttö: toiminnan kannattavuus ja liiketoimintamahdollisuudet

Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää sivuainevirtojen paikallisen energiahyötykäytön kannattavuutta ja liiketoimintamahdollisuuksia. Sivuainevirtojen energiahyötykäytöllä tarkoitetaan jäteperäisen polttoaineen käyttöä energiantuotannossa. Tässä tutkimuksessa on keskitytty erilliskerätystä energiajätteestä valmistetun kierrätyspolttoaineen (REF) käyttöön hajautetuissa pienen kokoluokan lämmöntuotantolaitoksissa, tarkasteltava laitoskoko on alle 10 MW. Tällä hetkellä uhkakuvana on, että muuttavan lainsäädännön seurauksena jätteiden energiahyötykäytön kustannukset kohoavat tulevaisuudessa ja näin ollen toiminta pienissä laitoksissa voi muuttua taloudellisesti kannattamattomaksi. Työssä on selvitetty kahden toimivan case-tapauksen avulla paikallisen jätteiden energiahyötykäytön kustannusrakennetta sekä toiminnan jatkomahdollisuuksia uudistuvan lainsäädännön velvoitteet täyttäen. Virtain kaupungin tapauksessa selvitetään paikallisen kaukolämpölaitoksen mahdollisuuksia jatkaa REFin käyttöä turpeen ohella rinnakkaispolttotilanteessa. Etelä-Karjalan tapauksessa paikallisen sivuainevirtojen energiahyötykäytön kannattavuutta selvitetään uuden laitosinvestoinnin näkökulmasta. Molempien case-tapausten tulosten perusteella on lisäksi kartoitettu alan liiketoimintamahdollisuuksia.

Polttoaineseoksen ja prosessiolosuhteiden vaikutus kerrosleijukattilan tulistinalueen likaantumiseen

Työn tavoitteena oli löytää yhteys kerrosleijukattilaan syötetyn polttoaineseoksen sekä kattilan likaantumisen välille. Tulistinalueen likaantumista tutkittiin kahden kerrostumasondin avulla 28 päivää kestäneellä mittausjaksolla. Mittausten aikana otettiin näytteitä polttoaineseoksesta, lentotuhkasta sekä nuohouksen aikaisesta tuhkavirrasta. Mittausjakson jälkeen myös sondien tuhkakerrostumien pitoisuudet määritettiin. Mittausjakson aikana sondien jättöpinnoille muodostui tuhkakerrostumaa, joka voitiin poistaa nuohouksella, kun taas tulopinnalle syntyi pysyvää kerrostumaa. Nuohouksella irtoavan tuhkakerrostuman havaittiin sisältävän suuremmat pitoisuudet piitä, alumiinia, natriumia ja kaliumia kuin kattilan läpi jatkuvasti kulkevan lentotuhkan. Tuhkakerrostuma, jota ei nuohouksella saatu poistettua, sisälsi enemmän natriumia, rikkiä, kaliumia ja lyijyä kuin muut tuhkanäytteet. Polttoaineista turpeella oli merkittävin vaikutus likaantumiseen. Turpeen osuuden ollessa suurimmillaan jäivät jättöpinnan tuhkakerrostuman lämpövastukset pienemmiksi kuin muulloin eli lyhytaikaista kerrostumaa syntyi tällöin vähemmän. Pysyvän kerrostuman kasvu hidastui, kun turpeen osuus oli suuri, ja jopa pysähtyi, kun turpeen osuus oli 42-51 %. Prosessiolosuhteista tutkittiin kattilan kuorman vaikutusta likaantumiseen. Havaittiin, että ajettaessa kattilaa isommilla kuormilla, syntyi lyhytaikaista kerrostumaa vähemmän kuin muulloin.

Kierrätyspolttoaineiden käyttö leijukerrospoltossa vetykaasun kanssa

Tämä diplomityö on tehty Leppäkosken Energia Oy:n ja Kemira Chemicals Oy:n yhteisyritys FC Energia Oy:lle. FC Energia Oy suunnittelee rakentaa uutta bio-vetyvoimalaitosta Sastamalaan. Voimalaitoksella tuotettaisiin Kemira Chemicals Oy:n ylijäämävedystä ja biopolttoaineista sähköä, kaukolämpöä ja prosessihöyryä. Ympäristölupaa on haettu hakkeen, turpeen ja kierrätyspuun poltolle vetykaasun kanssa. Voimalaitoksen kattilan toiminta perustuu kuplivaan leijukerrostekniikkaan. Diplomityössä selvitettiin, mitä muutoksia kierrätyspolttoaineiden käyttö vaatii leijukerrospoltossa verrattuna hakkeen ja turpeen polttoon. Kierrätyspolttoaineena käytetään hyvälaatuista kierrätyspuuta. Kierrätyspuun käytössä sovelletaan jätteenpoltto-asetusta. Jätteenpolttoasetus määrää tiukemmat päästöjen raja-arvot rinnakkaispoltolle kuin hakkeen ja turpeen poltolle sekä jatkuvatoimiset savukaasujen mittauslaitteet. Rinnakkaispolton hiukkasmaisten päästöjen tiukempi raja-arvo vaatii tehokkaamman sähkösuodattimen. Lisäksi kierrätyspuuta käytettäessä tulistimen materiaaliin tulee olla kestävämpää, mikä aiheuttaa huomattavan lisäinvestoinnin. Työn päätavoitteena oli selvittää, onko kierrätyspuun käyttö taloudellisesti kannattavaa. Oletetulla kierrätyspuun hinnalla 10 €/MWh kierrätyspuuta polttavan voimalaitoksen takaisinmaksuaika on sama kuin haketta polttavan laitoksen ja vuoden lyhyempi kuin turvetta polttavan laitoksen. Tulokseksi saatiin, että rinnakkaispoltto käyttö on taloudellisesti kannattavaa hakkeenpolttoon nähden jos kierrätyspuun hinta on alle 11,2 €/MWh. Kierrätyspuun polttoon liittyy toiminnallinen riski, koska vastaavanlaisia rinnakkaispolttolaitoksia ei ole aiemmin rakennettu.

Economy of converting wood to biocoal

The pre-treatment step has a significant influence on the performance of bioenergy chains, especially on logistics. In nowadays conditions it is important to have technologies allowing to convert biomass at modest scales into dense energy carriers that ease transportation and handling. There are such technologies as charring and torrefaction. It is a thermal treatment of organic waste (only woody biomass is considered as a raw material in this work), which aims to produce a fuel with increased energy density. Wood processing is attractive under meaning of green house gas emissions. Charring and torrefaction are promising technologies due to its high process efficiency. It may be also attractive in the future as a renewable fuel with improved storage properties, increased energy density (compared to raw wood) for co-combustion and/or gasification.