Kuitusaven hyödyntäminen energiantuotannossa

Abstract

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää kuitusaven rinnakkaispolton vaikutusta Mäntän Energia Oy:n K4-leijupetikattilan toimintaan, savukaasupäästöihin sekä tuhkan määrään joulukuussa 2014 järjestetyssä koepoltossa. Koepolttojaksosta saatujen tulosten perusteella kartoitettiin tarvittavia investointeja, joilla kuitusaven rinnakkaispoltolle asetetut savukaasupäästöjen päästöraja-arvot pystyttäisiin alittamaan kuitusavea poltettaessa.

Mäntän Energa Oy:n K4-leijupetikattila tuottaa energiaa Metsä Tissue Oyj:n Mäntän paperitehtaalle sekä Mäntän keskustaajamaan. Vuonna 2014 K4-leijupetikattilan polttoaineina käytettiin turvetta, puupolttoaineita, puhdistamolietettä ja paperitehtaan jätepolttoaineita, sekä varapolttoaineina kivihiiltä ja öljyä. Kuitusavea syntyy Mäntän paperitehtaan siistausprosessissa n. 60 000 tonnia vuodessa. Kuitusavi koostuu siistausprosessissa kierrätyspaperista poistetuista epäpuhtauksista. Mäntän paperitehtaalla syntynyttä kuitusavea on hyödynnetty maankäyttötarkoituksessa. K4-leijupetikattilan nykyinen ympäristölupa ei mahdollista kuitusaven rinnakkaispolttoa. Tulevaisuudessa kuitusavea halutaan kuitenkin hyödyntää myös energiantuotannossa.

Tässä työssä tehdyissä polttoaineanalyyseissä kuitusaven kosteudeksi saatiin 68,6% ja kiintoaineen tuhkapitoisuudeksi 43 %. Kuitusaven teholliseksi lämpöarvoksi saapumistilassa saatiin 0,83 MJ/kg, teholliseksi lämpöarvoksi 7,97 MJ/kg ja kalorimetriseksi lämpöarvoksi 9,30 MJ/kg. Pommikalorimetrikokeissa kuitusaven tuhka muovautui kalorimetripommin upokkaassa ”möykyksi”.

Viisi päivää kestäneen koepolttojakson aikana kuitusavea lisättiin K4-leijupetikattilan tavanomaisten polttoaineiden sekaan. Kuitusavea poltettiin koepolttojakson aikana yhteensä 390 tonnia, kuitusaven osuuden ollessa poltetusta polttoaineesta n. 21 %. Koepolttojakson aikana savukaasuista mitattiin O2-, H2O-, SO2-, NOx-, HF-, TOC-, HCl- ja pölypitoisuuksia Mäntän Energia Oy:n jatkuvatoimisilla mittareilla.

Koepolttojakson aikana vain CO- ja TOC-pitoisuudet savukaasuissa kasvoivat koetta edeltävään tilanteeseen verrattuna. Savukaasujen SO2-pitoisuuteen kuitusavella huomattiin olevan alentava vaikutus. Savukaasujen päästöt ylittivät kuitusaven rinnakaispoltolle lasketut päästöraja-arvot koko kokeen ajan SO2-, HF- ja HCl-pitoisuuksien osalta. Savukaasujen CO-pitoisuus ylitti rinnakkaispolton päästöraja-arvot kolmena ensimmäisenä päivänä. Pöly- ja TOC-pitoisuudet savukaasuissa alittivat päästöraja-arvot koko kokeen ajan. Koepolttojakson aikana syntyi 250 m3 tuhkaa.

Koepolttojakso osoitti, että Mäntän Energia Oy:n K4-leijupetikattila soveltuu hyvin kuitusaven rinnakkaispolttoon. Kuitusaven polttaminen ei aiheuttanut ongelmia K4-leijupetikattilan toiminnassa. Rinnakkaispoltto vaatii kuitenkin investointeja savukaasujen puhdistukseen, jotta kuitusaven rinnakkaispoltolle asetetut päästöraja-arvot pystytään alittamaan. Kuitusaven poltosta syntyneen tuhkan kelpoisuus kaatopaikkajätteeksi täytyy tulevaisuudessa todentaa. Lisäksi olisi syytä selvittää pommikalorimetrikokeissa syntyneiden ”möykkyjen” alkuainekoostumus.

The goal of this thesis was to find out what kind of effect the combusting deinking sludge in Mäntän Energia Oy’s K4-bubbling fluidized bed boiler will have on the boiler’s emissions, operations and ash quality. The influence of combusting deinking sludge was surveyed in an experiment, which lasted for five days. In the experiment deinking sludge was added among the standard fuels. The results were used to survey possible investments, which might be needed to reduce emissions when combusting deinking sludge.

Mäntän Energia Oy’s K4-BFB produces energy for the Metsä Tissue Oyj’s paper factory in Mänttä and for the city of Mänttä. In 2014 K4-BFB was using peat, wood fuels, sewage sludge and waste from the paper factory as a fuel and coal and oil as a reserve fuel. Mänttä paper factory is producing 60 000 tons of deinking sludge annually. Deinking sludge consists of impurities, which have been removed from recycled paper in the deinking process. The existing environmental permit doesn’t allow using deinking sludge in energy production. In the future Metsä Tissue Oyj and Mäntän Energia Oy would like to use deinking sludge in energy production.

In the fuel analysis made in this thesis deinking sludge’s moisture was 68,3 %. Solid matter contained 43 % of ash contents. The higher heating value of the deinked sludge was 9,30 MJ/kg, the lower heating value was 7,97 MJ/kg and the gross heating value was 0,83 MJ/kg. In the fuel analysis tests deinking sludge’s ash content moulded as a ”lump” in a bomb calorimeter.

Deinking sludge was combusted 390 tons in the test period. The percentage of the deinking sludge in the fuel was no more than 21 %. In the test period O2, H2O, SO2, NOx, HF, TOC, HCl and particulate emissions contents were measure from the fluid gases.

In the test period CO and TOC contents were increased in fluid gases compared to the situation before the test period. Deinking sludge had decreasing effect for the SO2 content in fluid gases. Fluid gases emission standard values were exceeded with SO2, HF and HCl contents. CO content in fluid gases exceeded emission standard values in the first three days. Particulates and TOC contents were below emission standard values during the whole test period. During the test period 250 m3 of ash was generated.

The results from the test period proved that K4-BFB is suitable for using deinking sludge in energy production. Using deinking sludge as a fuel did not cause any dramatic effect on the K4-BFB processes. However using dein- king sludge in energy production will need investments to the flue gas cleaning system, so that the emission standard values can be fulfilled. For the formed ash analysis it will be needed to clarify if the ash will fulfill the standards for dump waste. Furthermore the lumps elemental composition should be investigate.