Metsäteollisuuden lentotuhkien laadun vaikutus hyötykäyttösovellutuksiin

Työn tavoitteena oli kartoittaa metsäteollisuuden tuotantolaitoksissa syntyvän lentotuhkan laadun vaikutusta hyötykäyttökohteisiin. Hyötykäyttökohteista tarkasteltiin tuhkien soveltumista maarakentamiseen, päällystettyyn- ja peitettyyn rakenteeseen, pelto- ja puutarhakäyttöön, maisemointiin ja viherrakentamiseen sekä metsäkäyttöön. Tuhka-analyysien tietojen perusteella tuhkalle määritettiin mahdollinen hyötykäyttökohde verrattaessa niitä lainsäädännönasettamiin raja-arvoihin jokaisessa hyötykäyttökohteessa. Lisäksi tarkasteltiinmahdollisia esteitä tuhkan käytölle tietyissä hyötykäyttökohteissa sekä pyrittiin saamaan tuhkalle järkevämpi loppusijoituspaikka kuin kaatopaikka. Kirjallisuusosaan on koottu metsäteollisuudessa käytössä olevat polttomenetelmät sekä poltettavat raaka-aineet. Eri polttojakeiden tuhkien koostumuksista on tehty yhteenveto kirjallisuudesta löytyvien tietojen perusteella. Lisäksi kirjallisuusosassa on esitetty lentotuhkan fraktiointimenetelmiä sekä eri hyötykäyttökohteet ja niiden vaatimukset lentotuhkalta. Kokeellisessa osassa on vertailtu olemassa olevien tuhkanäytteiden haitta-aineiden pitoisuuksia eri hyötykäyttökohteiden vaadittuihin raja-arvoihin. Tähän työhön valittiin viisi eri metsäteollisuuden tuotantolaitosta Suomesta ja niille jokaiselle pyrittiin löytämään parhaiten soveltuva loppukäyttö. Metsäteollisuuden tuotantolaitoksilla poltetaan useita eri polttojakeita. Lisäksi polttoainekoostumus ja -määrä vaihtelevat vuositasolla. Tämä vaikuttaa tuhkan laatuun ja vaikeuttaa tuhkan hyödyntämistä eri hyötykäyttökohteissa. Jokaiselle tuhkan eri hyötykäyttökohteelle on säädetty omat raja-arvonsa, joka rajoittaa tuhkan hyötykäyttöä. Tällä hetkellä tuhkaa hyödynnetään eniten metsälannoitteena, jolloin puuaineksen mukana poistuneet ravinteet saadaan palautettua takaisin luontoon. Myös tuhkan hyödyntäminen maarakentamisessa on järkevää, koska silloin korvataan maa-ainesta tuhkalla ja vältytään kaatopaikkasijoittamiselta. Yleisesti pelto- ja puutarhakäyttöä ajatellen raja-arvot ovat liian tiukat metsäteollisuuden lentotuhkalle.

Lentotuhkan fraktiointi sähkösuodattimella ja Ion Blast -menetelmällä

Diplomityö on osa YTI-tutkimuskeskuksessa vuosina 2002 - 2004 toteutettavaa Jätekompostit rakeiksi tuhkaseostuksella -käyttöarvon parantaminen -projektia. Työssä tutkittiin Etelä-Savon Energia Oy:n Pursialan voimalaitoksen lentotuhkan fraktioimista voimalaitoksen nykyisellä 3-kenttäisellä sähkösuodattimella ja pilot-mittakaavaisella Ion Blast -koelaitteistolla. Sähkösuodattimen koeajojen aikana muuteltiin sen ajotapaa mm. CBO -suhteen ja maksimijänniteasetuksen avulla. Ion Blast -koelaitteistolla tutkittiin mahdollisuuksia voimalaitoksen lentotuhkan puhdistamiseksi raskasmetalleista. Lentotuhkan hyötykäyttöä vaikeuttaa sen raskasmetallipitoisuuksien suuri vaihtelu. Ongelmallisin raskasmetalli puuperäisessä lentotuhkassa on kadmium, jonka lannoitelainsäädännön raja-arvo on tällä hetkellä 3 mg/kg. Sähkösuodattimella tehtyjen fraktiointikokeiden perusteella voidaan todeta raskasmetallipitoisuuksien olevan pienimmillään sähkösuodattimen 1-kentässä ja suurimmillaan 3-kentässä. Tämä johtuu siitä, että 1-kenttään kerääntyy hiukkaskooltaan suurimmat lentotuhkahiukkaset ja 3-kentässä on mukana enemmän pienhiukkasia sisältävää tuhkaa. Lannoitteeksi menevän tuhkan Cd-pitoisuutta voidaan vähentää parhaimmillaan jopa 70 % sähkösuodattimella fraktioimalla. Muiden raskasmetallien pitoisuudet eivät vähene aivan yhtä paljon. Sähkösuodattimella voidaan tulosten perusteella fraktioida lentotuhkaa. Sähkösuodattimella ei kuitenkaan voida varmasti saavuttaa alle 3 mg/kg Cd-pitoisuuksia polttoaineen laadunvaihtelun vuoksi. Ion Blast -koelaitteiston tulokset tukevat sähkösuodattimella tehtyjä kokeita. Erottimen jännitteen kasvaessa raskasmetalleja sisältävien hiukkasten erotusaste kasvaa. Ion Blast -laitteistolla tehdyissä kokeissa myös Cd-pitoisuus oli korkeimmillaan pienimmän raeluokan hiukkasissa ja laski sitten raeluokan suurentuessa. Ion Blast -laitteisto ei kuitenkaan sellaisenaan ole hyvä fraktiointiin. Se on liian tehokas, jolloin se puhdistaa tehokkaasti myös raskasmetalleja sisältävät pienhiukkaset. Jos laitetta aiotaan käyttää fraktiointiin, tulisi sen rakennetta muuttaa.

Puun ja turpeen sekapolton vaikutus leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin

Työn tavoitteena oli tutkia vaikuttaako puupolttoaineen lisääminen turpeen joukkoon leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin tai sähkösuodattimen erotusasteeseen. Työn teoriaosassa selvitettiin hiukkaspäästöjen muodostumista leijukerrospoltossa ja vertailtiin eri polttotekniikoiden hiukkaspäästöjä. Lisäksi esiteltiin erilaisia hiukkasten erottamiseen soveltuvia erotuslaitteita. Tarkastelussa keskityttiin sähkösuodattimeen, joka on yleisin hiukkasten erottamiseen käytettävä erotuslaite. Työn kokeellinen osa suoritettiin turvetta ja puuta polttavalla kuplivalla leijukerroskattilalla. Kokeellisessa osassa tutkittiin vaikuttaako puun lisäys syntyvien hiukkasten kokojakaumiin, sähkösuodattimen jälkeiseen kokonaishiukkaspäästöön tai sähkösuodattimen erotusasteeseen. Kokeet suoritettiin sekä pelkkänä turpeenpolttona (2 koetta), että kahdella eri puu/turve-polttoainesuhteella. Kokojakaumamittaukset suoritettiin lisäksi kahdella eri menetelmällä. Kokojakaumamittausten perusteella todettiin puun lisäyksen kasvattavan pienhiukkasten muodostumista. Pienhiukkasten osuus kasvoi sekapolton myötä myös sähkösuodattimen jälkeen. Sekapoltolla ei sen sijaan ollut selvää vaikutusta kokonaishiukkaspäästöön tai sähkösuodattimen erotusasteeseen.

Polttoainekoostumuksen vaikutus lentotuhkan laatuun ja hyötykäyttömahdollisuuksiin UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan tehtailla

Tavoitteena tässä diplomityössä oli selvittää UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan tehtaiden lentotuhkan hyötykäyttömahdollisuuksia. Tarkastelussa olivat mukana metsälannoite-, maarakennus- sekä sementtiteollisuuskäytöt. Ensin työssä tarkasteltiin näitä vaihtoehtoja kirjallisuuden perusteella. Tämän jälkeen pohdittiin Kaukaan lentotuhkasta tehtyjen analyysien perusteella, mihin käyttökohteisiin lentotuhka soveltuu tällä hetkellä, sekä tulevaisuudessa uuden biopolttoainekattilan myötä. Lentotuhkan hyötykäyttöä lannoitteena ja maarakentamisessa säätelee lainsäädäntö. Lannoitteille on asetuksessa säädetty tietyille haitta-aineille enimmäispitoisuudet, jotka tuhkan tulee alittaa, jotta sitä voitaisiin hyödyntää. Maarakennuskäytölle on asetuksessa määritelty raja-arvot, jotka alitettaessa voidaan tuhkaa hyödyntää rakenteissa ilmoitusmenettelyllä. Tämä menettely helpottaa rakennusprojekteja huomattavan paljon, sillä tällöin ympäristölupaa ei tarvitse hakea jokaiselle projektille erikseen. Maarakennuskäyttö on mahdollista, vaikkei raja-arvoja alitettaisikaan, mutta tällöin ympäristöluvan hakeminen hankaloittaa projektien etenemistä ja aiheuttaa kustannuksia. Tuhkan on lisäksi oltava ominaisuuksiltaan riittävän hyvää, jotta hyötykäyttö olisi mahdollista. Kaukaan tuhkasta tehtyjen analyysien perusteella huomattiin, että se sopii hyvin metsälannoitteeksi ja todennäköisesti myös sementtiteollisuuskäyttöön. Maarakennuskäytön osalta tulokset osoittivat tuhkan olevan juuri rajoilla ilmoitusmenettelyn hyödyntämisen suhteen. Maarakennuskäytöstä tarvitaankin vielä lisäselvityksiä jatkossa. Uudessa polttolaitoksessa poltetaan myös turvetta puuperäisen lisäksi. Kirjallisuuden perusteella voitiin tehdä arvio, mihin suuntaan turve tulee tuhkaa todennäköisesti muuttamaan. Todettiin, että turpeen poltto parantaa todennäköisesti tuhkan laatua sementtiteollisuudessa käytön kannalta. Tuhkan lannoitekäyttöön turpeen poltolla todettiin taas olevan negatiivisia vaikutuksia. Maarakennuskäytön kannalta turpeella saattaa myös olla negatiivisia vaikutuksia. Tuhkaa kannattaisikin käyttää sementtiteollisuudessa silloin kun turvetta on polttoaineessa paljon ja muuhun käyttöön silloin kun turvetta on vähän.

Teollisuuden sivutuotteiden hyödyntäminen ekstruusion raaka-aineena

Ilmaston lämpeneminen ja luonnonvarojen ehtyminen ovat nostaneet ympäristöasiat erittäin ajankohtaisiksi ja kierrättämisen merkitys korostuu entisestään. Tässä diplomityössä on käsitelty teollisuuden jätteiden ja sivutuotteiden kierrättämistä puumuovikomposiitin raaka-aineeksi. Työssä on tutkittu Kaakkois-Suomessa olevia tärkeimpiä teollisuuden sivuainevirtoja puumuovikomposiitin kannalta sekä valmistettu puumuovikomposiittia hyödyntämällä kahta kaatopaikalle päätyvää jätettä. Kaakkois-Suomen teollisuuden jätteitä selvitettäessä löytyi paljon puumuovikomposiitin valmistamiseen soveltuvia jätteitä. Mekaanisen metsäteollisuuden sivutuotteita käytetään yleisesti puumuovikomposiitin valmistamiseen. Muita potentiaaliseksi havaittuja raakaaineita ovat mm. lentotuhka, lasikuitujäte, pakkauskartonki, muovijätteet ja vuorivillan valmistuksessa syntyvät jätteet. Koemateriaaleiksi valittiin puunpoltosta peräisin oleva lentotuhka ja vuorivillan valmistamisessa syntyvä vuorivillapöly. Materiaaleilla korvattiin puuta puumuovikomposiitissa ja valmistetulle komposiitille suoritettiin kokeita mekaanisten ominaisuuksien selvittämiseksi. Molempien materiaalien kohdalla ominaisuuksien havaittiin parantuneen ilman täyteainetta valmistettuun komposiittiin verrattuna.

Sinkin stabiloiminen pilaantuneesta maa-aineksesta: 28 vuorokauden stabilointiajan riittävyys liukoisuustesteissä eri sinkkiyhdisteillä

Tässä kandidaatintyössä selvitettiin, onko 28 vuorokautta riittävä aika sinkillä pilaantuneen maaperän massastabilointiin, ja kuinka sinkin esiintymismuoto vaikuttaa sen stabilointiaikaan. Kokeellisessa osassa jäljiteltiin malmijätteessä, orgaanisessa aineksessa sekä liuenneena maaperässä esiintyvän sinkin stabiloitumista lisäämällä maanäytteeseen sinkkiä eri yhdisteinä; sinkkirakeina, -kloridina ja -asetaattina. Näytteet stabiloitiin sementti-lentotuhkaseoksella 1–28 vuorokauden pituisia ajanjaksoja, minkä jälkeen ne kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja niille tehtiin liukoisuustestit. Liukoisuustestien tuloksista voidaan huomata sinkkikloridin stabiloituvan jo ensimmäisen vuorokauden aikana ja pysyvän samalla tasolla koko tarkasteluajan. Sinkkirakeiden ja -asetaatin stabiloituminen ei ole yhtä tasaista; alun sitoutumisen jälkeen niiden liukoisuuksissa on havaittavissa selkeät piikit 21 vuorokauden kohdalla. Tämän jälkeen ne alkavat sitoutua uudelleen. Tulosten perusteella sinkin esiintymismuoto vaikuttaa sen stabilointiaikaan, eikä 28:aa vuorokautta voida pitää riittävänä aikana sinkillä pilaantuneen maa-aineksen stabilointiin. Vaikka liukoinen sinkki stabiloituu jo yhdessä vuorokaudessa, ei malmijätteessä tai orgaanisessa aineksessa esiintyvä sinkki ehdi stabiloitua vakaalle tasolle vielä 28 vuorokaudenkaan aikana. Tämä tulisi ottaa huomioon suunniteltaessa ja toteutettaessa sinkkiä sisältävien maiden kunnostushankkeita.

Puu- ja turvetuhkan hyötykäyttökelpoisuuteen vaikuttavat tekijät pienillä polttolaitoksilla

Energiantuotannossa syntyvä tuhka voi olla laadultaan hyvin vaihtelevaa ja laadunvaihtelulle on haastavaa löytää yksiselitteistä syy-seuraussuhdetta. Ympäristönsuojelulainsäädäntö ja taloudelliset intressit ohjaavat tuhkantuottajia etsimään tuhkalle sopivia hyötykäyttökohteita, ja sen vuoksi tuhkan laatuun ja hyötykäyttökelpoisuuteen vaikuttavia tekijöitä on tarpeen selvittää. Tässä diplomityössä on tutkittu pienissä, alle 50 MW:n polttolaitoksissa syntyvää tuhkaa. Tavoitteena oli selvittää, kuinka tuhkan hyötykäyttökelpoisuuteen voidaan vaikuttaa. Tutkimuksen kohteena oli polttoainekoostumuksen, poltto-olosuhteiden ja tuhkan jälkikäsittelyn vaikutus tuhkassa olevien haitta-aineiden pitoisuuksiin ja liukoisuuksin. Työhön sisältyi myös aiemmin tehtyjen tuhka-analyysien tarkastelu sekä tuhkakokeet kahdella kohderyhmään kuuluvalla laitoksella. Työssä todettiin lentotuhkan haitta-ainepitoisuuksien ja -liukoisuuksien olevan keskimäärin korkeampia kuin pohjatuhkan vastaavien, ja että tyypillisesti arinakattilan tuhkien haitta-aineet ylittävät useammin hyötykäyttökelpoisuuden raja-arvoja kuin kuplaleijupetikattilan tuhkien. Lisäksi havaittiin metsätähdehaketuhkan kelpaavan useammin hyötykäyttöön kuin rankahaketuhkan.

Prerequisites for commercialization of tube granulator for fly ash

A large amount of fly ash is produced in power plants and a big fraction of it ends up as waste to landfills. Disposal of fly ash to landfills is expensive for power plants due to for example waste taxation. However fly ash can utilized in different applications. Possibility of utilizing fly ash can be increased by granulation which also removes the dustiness problems of ash. This Thesis deals with the prerequisites for commercialization of a new granulation technique, tube granulation. Tube granulation technique utilizes water, calcium oxide in fly ash plus carbon dioxide and heat from flue gas. This Thesis determines the necessary auxiliary equipment for tube granulation, approaches for process dimensioning and implementation of the granulation process into a continuous power plant process. In addition, the economic benefits of tube granulation are examined from the user’s perspective. A continuous tube granulation process requires the following auxiliary systems to function: ash system, water feed system and flue gas system. Implementation of tube granulation system into a power plant process depends on the specific power plant but a general principle is that fly ash should be obtained to the granulator as fresh as possible and flue gas should be taken from the pressure side of a flue gas fan. Dimensioning of the process can be examined for example in terms of degree of filling and residence time in the granulator or in terms of granule drying. Determining the optimal dimensioning parameters requires pilot tests with the granulator.