The impact of a fuel conversion on the existing power plant process of a pulverized coal-fired CHP-plant

Tämän diplomityön tutkimuskohteena on Helen Oy:n Salmisaari B -voimalaitos. Työn tavoitteena on selvittää kolmen eri polttoainemuutosvaihtoehdon vaikutuksia hiilipölypolttoisen voimalaitoksen olemassa olevaan prosessiin. Tarkasteltaviksi muutosvaihtoehdoiksi on työtä edeltäneessä esiselvitysvaiheessa valittu kattilan muuttaminen metsähaketta polttavaksi BFB-kattilaksi, pellettipölykattilaksi tai maakaasukattilaksi. Voimalaitoksen prosessista tutkimuskohteiksi on rajattu SCR-järjestelmä, sähkösuodatin, pääilma- ja savukaasupuhaltimet sekä syöttövesijärjestelmä. SCR-järjestelmän ja sähkösuodattimen osalta vaikutusten arviointi perustuu pääasiassa kirjallisuustutkimukseen. Puhaltimiin ja syöttövesijärjestelmään liittyviä vaikutuksia on arvioitu laskelmiin sekä laitoksen tekniseen dokumentaatioon ja ajohistoriaan perustuen. Tulosten perusteella sekä BFB- että pellettipölymuutoksella on merkittäviä vaikutuksia erityisesti SCR- ja syöttövesijärjestelmään. Puupohjaisten polttoaineiden palamisessa muodostuvat alkaliaerosolit neutraloivat katalyytin toiminnan kannalta välttämättömiä happopaikkoja, minkä seurauksena katalyytti deaktivoituu arviolta jopa 3–4 kertaa nopeammin kuin kivihiiltä poltettaessa. Tulipesän olosuhteista johtuen pelletin pölypoltossa muodostuvien haitallisten alkaliaerosolien määrä on todennäköisesti korkeampi kuin BFB-poltossa. Polttoainemuutoksen seurauksena laskevan kattilatehon taas todettiin aiheuttavan merkittäviä haasteita erityisesti turbiinin väliottojen käytettävyyteen syöttöveden esilämmityksessä. Sekä BFB- että pellettivaihtoehto edellyttävät siten muutoksia laitoksen omakäyttöhöyryjärjestelmään. Lisäksi syöttöveden tarpeen pienentyessä syöttövesipumppujen toimintapisteet siirtyvät pumppukokonaisuuden hyötysuhteen kannalta epäedulliselle alueelle, minkä seurauksena pumppukokonaisuuden hyötysuhde laskee noin 50–60 prosenttiin.The aim of this study is to evaluate the effects of three different fuel conversion scenarios on the pulverized coal-fired Salmisaari B power plant, operated by Helen Oy. The fuel conversion scenarios selected for this study are a wood chip-fired BFB boiler, a pulverized wood pellet-fired boiler and a natural gas-fired boiler. This study focuses specifically on the effects on the SCR system, the electrostatic precipitator (ESP), the FD- and ID-fans and the boiler feed water system. The evaluation of the effects on the SCR system and the ESP is based on a range of research articles, technical reports and other related literature. Furthermore, literature-based calculations, as well as the power plant’s technical documentation and operational history, have been used in the evaluation of the effects on the usability of the fans and boiler feed water system. The results suggest that both the BFB and the pulverized fuel options would have a significant impact on the operation of the SCR and boiler feed water systems. The alkali rich aerosols formed during the combustion of wood fuels neutralize acid sites located on the surface of the catalyst, thus impairing the catalytic reaction required for the SCR system to operate as intended. As a result, the catalyst deactivates at a rate of up to 3 to 4 times faster compared to the typical deactivation rate in pulverized coal combustion. Due to different furnace conditions in pulverized pellet firing the concentration of harmful alkali aerosols is likely to be higher compared to BFB combustion. The reduction in boiler’s thermal power was also found to cause significant challenges in the availability of steam turbine bleed steam for feed water preheating. Certain modifications to the plant’s bleed steam system are therefore required for both the BFB and pulverized pellet conversions. Additionally, the efficiency of the feed water pump system is reduced significantly due to reduction in feed water flow. The resulting net efficiency of the pump system would likely be as low as 50 to 60 percent