Laanilan biovoimalaitoksen monipolttoainetuhkan koostumus ja hyötykäyttö

Abstract

Diplomityön tavoitteena oli tutkia Laanilan biovoimalaitoksella muodostuvan monipolttoainetuhkan koostumus sekä saatujen kemiallisten analyysitulosten perusteella selvittää monipolttoainetuhkan hyötykäyttömahdollisuuksia. Työ toteutettiin käyttäen kvantitatiivista tutkimusmenetelmää. Tutkimuskysymykset, joihin työssä vastataan ovat:

1. Mikä on polttoainejakauman vaikutus Laanilan biovoimalaitoksen monipolttoainetuhkan ominaisuuksiin?

2. Mitkä ovat edellytykset, että Laanilan biovoimalaitoksen monipolttoainetuhka täyttää hyödyntämislainsäädännön vaatimukset?

3. Millaisilla edellytyksillä Laanilan biovoimalaitoksen monipolttoainetuhkaa voidaan hyötykäyttää?

Työssä perehdyttiin Laanilan biovoimalaitokseen ja siellä käytettäviin polttoaineisiin (biopolttoaine, turve, SRF) sekä muodostuviin tuhkatuotteisiin (pohja-, kattila- ja lentotuhka). Lisäksi käsiteltiin kirjallisuuslähteiden pohjalta yleisesti tuhkan muodostumista ja koostumusta sekä tutustuttiin dolomiitin käyttöön lisäaineena leijukerrospoltossa. Kirjallisuusosion lopussa tarkasteltiin myös tuhkien hyötykäyttöön liittyvää lainsäädäntöä, joiden perusteella kokeellisen tutkimuksen tulokset käsiteltiin.

Monipolttoainetuhkan koostumusta tutkittiin näytteenottosuunnitelman mukaisesti. Tuhkatuotteista otetuista osanäytteistä koottiin kahden viikon välein kokoomanäytteet. Monipolttoainetuhkanäytteitä analysoitiin sekä akkreditoidussa laboratoriossa että tutkimuslaboratorioissa MARA-, lannoite- ja kaatopaikka-asetuksen määrittämillä kemiallisilla analyysimenetelmillä. Polttoainejakauman tietoja kerättiin myös vastaavissa kahden viikon jaksoissa, jotta varmistuttiin kyseisen ajanjakson polttoainetaseesta ja sen vaikutuksista monipolttoainetuhkan koostumukseen.

Tutkimustuloksia kerättiin noin kolmen kuukauden ajalta. Kemialliset analyysitulokset osoittivat, että pohjatuhka täyttää MARA-asetuksen laatuvaatimukset, joten sitä voidaan hyötykäyttää maarakentamisessa. Lento- ja kattilatuhka eivät kemiallisten analyysitulosten perusteella täyttäneet kaikkia MARA-asetuksen laatuvaatimuksia, mutta ovat hyötykäyttökelpoisia maarakennuskohteissa, jotka täyttävät MARA-asetuksen poikkeusehdot. Kemiallisten analyysitulosten perusteella kaikki biovoimalaitoksen tuhkatuotteet täyttävät lannoiteasetuksen määrittämät laatuvaatimukset metsätuhkalannoitteelle muutamia pistemäisiä pitoisuusraja-arvon ylityksiä lukuun ottamatta lento- ja kattilatuhkan osalta. Tutkimustulosten perusteella tuhkatuotteita ei ole tarpeellista tai kannattavaa loppusijoittaa kaatopaikalle.

Työn tutkimustulokset tukevat kirjallisuudesta saatuja lähtötietoja tuhkan muodostumisesta ja polttoaineiden vaikutuksista tuhkan kemialliseen koostumukseen. Tutkimustulokset ovat sovellettavissa vastaavissa voimalaitoksissa, jotka ovat polttoaineteholtaan noin 215 MW ja käyttävät polttoaineina biopolttoainetta, turvetta ja SRF-polttoainetta.

The aim of the thesis was to study the composition of the multi-fuel ash formed at the Laanila biopower plant and to find out the utilization possibilities of the multi-fuel ash based on the obtained results of the chemical analyses. The thesis was carried out using a quantitative research method. The thesis will answer to the following research questions:

1. What is the effect of fuel distribution on the properties of multi-fuel ash at the Laanila biopower plant?

2. What are the conditions for the Laanila biopower plant’s multi-fuel ash to meet the requirements of the recovery legislation?

3. Under what recovery conditions the multi-fuel ash from the Laanila biopower plant can be utilized?

The thesis focused on the Laanila biopower plant, the fuels that are used there (biofuel, peat, SRF) and the resulting ash products (bottom ash, boiler ash and fly ash). In addition, the formation and composition of ash were generally discussed based on the literature sources, and the use of dolomite as an additive in fluidized bed combustion was studied briefly. The thesis also reviewed the legislation related to the utilization of ashes, based on which the results of the experimental study were processed.

The composition of the multi-fuel ash was determined according to the sampling plan with aggregate samples performed every two weeks. Multi-fuel ash samples were analyzed both in an accredited laboratory and in research laboratories using the analytical methods specified by the MARA, Fertilizer and Landfill Regulations. Fuel distribution data were also collected at corresponding two-week periods to determine the fuel balance for those periods and its effects on the properties of the multi-fuel ash.

The results of the experimental study were collected over a period of three months. The results of the chemical analyses showed that the bottom ash complies with the quality requirements of the MARA Regulation and is usable as earth construction material. Based on the results of the chemical analyses the fly ash and boiler ash did not meet all the quality requirements of the MARA Regulation. However, fly ash and boiler ash are both usable as earth construction material if the exception conditions of the MARA Regulation are met. Based on the results of chemical analyses all ash products from biopower plant meet the quality requirements set by the Fertilizer Regulation. Only in a few chemical analyses of fly ash and boiler ash show that concentration limit values are exceeded. The research results obtained showed that it is not necessary or profitable to dispose the ash products to the landfill.

The research results of the work support the initial data obtained from the literature on the formation of ash and the effects of fuels on the chemical composition of ash. The research results are applicable to similar power plants with fuel capacity of approximately 215 MW using biofuels, peat and SRF as fuels.