A flue gas cleaning system’s sufficiency under an increased thermal load : A case study on a Waste-to-Energy plant shifting to 120 % of nominal power

Abstract

This thesis focussed on studying whether or not the capacity of Vantaa Energy’s Waste-to-Energy plant’s flue gas cleaning system would be sufficient for a 120 % thermal load. The project focussed on the process equipment supplied by a French company called LAB S.A., excluding some flue gas cleaning equipment such as flue gas condensers. This study is of interest for the company because the amount of municipal mixed waste produced at the moment in Finland and the Metropolitan region is greater than the incineration capacity. It is not allowed to place municipal mixed waste in landfills and thus, it would be beneficial for both Vantaa Energy and its waste supplier HSY to be able to combust more waste.

The thesis was conducted by studying the mechanical flue gas flow operation ranges for the different process parts stated by the supplier in their contract and other documentation and by comparing it to the realized flue gas flow rate data during steady operation periods between September 2015 and March 2016. Also estimations of flue gas flow under the desired 120 % load were made and compared to the operation ranges of the equipment. ID fan fault situations were listed and studied separately because they were not included in the steady operation data.

The main results were that for most process parts, a significant percentage (4,4–46,8 %) of observations have already exceeded the operation ranges of the equipment, while the boilers have been operated at the present maximum continuous load (110 % of nominal load). Extreme maximum limits have seldom been exceeded, but the estimated percentage of observations exceeding them under the desired 120 % load would also be significant for some process parts (0,7–35,5 %). The process equipment exceeding their operation range the most have been cooling towers. The stacks have exceeded their operation ranges the least. Contributory equipment such as conveying systems and silos have enough capacity to be operated under 120 % load.

It seems risky to increase the load of the plant since it is already operating above its operation range for a significant percentage of time. System collapse situations would most likely become more frequent, and the economic benefit of the load shift might be compromised.

Tämän insinöörityön tarkoitus oli tutkia Vantaan Energian jätevoimalan savukaasunpuhdistusjärjestelmän kapasiteetin riittävyyttä 120 %:n kattilateholle. Työssä keskityttiin ranskalaisen alihankkijan LAB S.A.:n toimittamiin laitteisiin, joten työn rajauksen ulkopuolelle jäi joitakin savukaasunpuhdistuslaitteita, mm. savukaasulauhduttimet. Aihe on Vantaan Energialle tarpeellinen, sillä koko Suomessa ja myös pääkaupunkiseudulla polttokelpoisen sekajätteen tuotanto on suurempaa kuin polttokapasiteetti. Orgaanisia materiaaleja sisältävää jätettä ei saa enää sijoittaa kaatopaikoille, joten olisi sekä Vantaan Energian että yhteistyökumppanin HSY:n kannalta kannattavaa nostaa polttokapasiteettia.

Projekti toteutettiin tutkimalla toimitussopimuksissa ja muussa dokumentaatiossa ilmoitettuja savukaasun läpivirtauksen maksimirajoja ja vertaamalla niitä toteutuneisiin savukaasuvirtaamiin vakaiden toimintaolojen vallitessa aikavälillä syyskuu 2015 – maaliskuu 2016. Savukaasuvirtauksen muutoksesta tehon noustessa 120 %:iin tehtiin arvio ja myös arvioituja virtauksia verrattiin laitteiden toimintarajoihin. Savukaasupuhaltimen romahdustilanteita tutkittiin erikseen, sillä ne eivät sisältyneet vakaan ajon aikaiseen dataan.

Tärkeimmät tulokset olivat, että merkittävä osa (4,4–46,8 %) savukaasuvirtaushavainnoista on ollut laitteiden toimintakapasiteettien yläpuolella jo normaalilla maksimiteholla (110 %) ajon aikana. Jäähdytystornien toiminta-alue on ylitetty useimmin ja piippujen harvimmin. Laitteille ilmoitettuja äärimmäisiä maksimirajoja ei ole ylitetty usein, mutta 120 %:n kuormalla myös kyseiset rajat ylittyisivät virtausarvioiden mukaan joidenkin laitteiden kohdalla merkittävän usein (0,7–35,5 % havainnoista). Avustavien prosessinosien kuten kuljetus- ja varastointilaitteiden kapasiteetti näyttäisi olevan riittävä 120 %:n teholle.

Tehon nosto 120 %:iin olisi riski, sillä savukaasunpuhdistuslaitteisto toimii jo nykyisellään toiminta-alueensa maksimirajoilla ja sen yläpuolella. Prosessissa on koettu tilanteita, joissa toiminta on jouduttu keskeyttämään savukaasupuhaltimien suojaamiseksi. Lisääntyneet toiminnan keskeytykset saattavat vaarantaa tehonnostolla saavutettavan taloudellisen hyödyn.