Voimalaitoksen polttoaineiden ominaisuustiedon hyödyntäminen päästöjen hallinnassa

Opinnäytetyö on tehty yhteistyössä Oulun Energia Oy:n kanssa. Yhtiö kuuluu Oulun Energia -konserniin, joka on yksi Pohjois-Suomen johtavista energia-alan yrityksistä. Työssä tutustutaan Toppi-lan voimalaitokseen, joka on kahdesta laitosyksiköstä koostuva kaukolämmön ja sähkön yhteistuotantolaitos. Työn tavoitteena on perehtyä erityisesti laitoksessa käytettäviin polttoaineisiin, polttotekniikkaan ja energiantuotantoprosessista aiheutuviin päästöihin. Voimalaitosten ilmapäästöt aiheuttavat haittaa ekosysteemeille, eliöille ja infrastruktuurille laajalla alueella. Ympäristön suojeleminen on merkittävä kansainvälinen tavoite, joka näkyy alati kiristy-vissä päästörajoituksissa. Energia-alan yritysten haasteena on päivittää prosessejaan tulevia ym-päristövaatimuksia vastaaviksi ja parasta mahdollista teknologiaa hyödyntäviksi. Tämä aiheuttaa toimenpiteitä myös Oulun Energian voimantuotantolaitoksilla. Toppilan voimalaitokselle on tulossa kevään aikana voimaan uusi ympäristölupa, jossa määritetään laitoksen uudet päästöraja-arvot. Päästöihin vaikuttavat pääasiassa polttoaineen ominaisuudet ja polttotekniset ratkaisut. Työssä tutkitaan, miten polttoaineen rikki- ja typpipitoisuus vaikuttavat poltossa syntyviin päästöihin ja mi-ten tietoa polttoaineen ominaisuuksien vaihtelusta voitaisiin hyödyntää kattilan ohjauksessa, jotta vältyttäisiin ympäristöluvassa määritettyjen päästöraja-arvojen ylityksiltä. Asiaa selvitettiin polttoaineanalyyseillä ja mittauksilla sekä tutkimalla saatujen tuloksien, prosessitietojen ja päästöjen riippuvuussuhteita. Rikille ja typelle suoritettiin myös taselaskelma, jonka poh-jalta määritettiin polttoaineen rikkipitoisuudelle laaturaja-arvot. Taselaskennan pohjalta tutkittiin myös sitä, miten voimalaitoksen päästöjä olisi mahdollista vähentää prosessikemikaalien avulla mahdollisimman kustannustehokkaasti. Työssä selvisi, että polttoaineen kemiallisella koostumuksella on vaikutusta voimalaitoksen ilmapäästöihin etenkin Toppila 1 -laitosyksikön tapauksessa. Toppila 2:n ilmapäästöt sen sijaan riippuvat voimakkaammin palamisolosuhteista. Selkeimmin polttoaineen koostumuksen vaikutus näkyi rikkidioksidipäästöissä. Polttoaineen typpipitoisuuden vaihtelulla on osittainen vaikutus NOx-päästöihin, mutta typenoksidipäästöt riippuvat voimakkaasti myös palamisolosuhteista ja tarkan päästölähteen paikantaminen on siten hankalaa. Saatuja tuloksia on mahdollista hyödyntää Oulun Energian Toppilan voimalaitoksen energiaketjun ja tuotantoprosessin suunnittelussa, polttoaineen laadun ennustamisessa sekä prosessin ohjauksessa.This thesis is made in co-operation with Oulun Energia Oy which is a parent company of one of the most remarkable energy corporations in Northern Finland. The company is a commercial enterprise and it is owned by the city of Oulu. Oulun Energia produces and sells electric power and district heat for its customers. 90 % of district heat and 40 % of electric power is produced in Toppila power plant. It is a CHP (Combined Heat and Power) plant consisting of two boilers with fuel powers 265 MW and 315 MW. The Toppila power plant uses fluidized bed as a combustion technique. Air emissions, especially nitric oxide and sulphur dioxide emissions, can cause several problems for ecosystems, people’s health, and the infrastructure in a large area. This makes environmental protection and emission reduction significant international goals. This can be seen in tightened emission limits. Energy companies are facing great challenges since they have to revise their processes in order to use best available techniques to achieve the new limits. The Toppila power plant will receive its new environmental permit in spring 2016 which will lead to actions concerning the planning of energy production process. Generation of air pollutants mainly depends on two things – the chemical consistence of fuel and combustion techniques. The aim of this thesis is to study fuels used in the power plant, their chem-ical properties and how those properties affect emissions of the combustion process. The closest study will be for the concentrations of nitrogen and sulphur in the fuel. The goal is to find out what amount of pollutants and percentage of emission originates from the fuel sources. The study was carried out with chemical analyses of fuel mix and process measurements. A study of correlations between fuel consistence, process parameters, and emissions is also a part of this document. The results show that air emission, especially sulphur dioxide emission, depends strongly on the consistence of fuel. Dependence is stronger in the Toppila 1 power plant than in the Toppila 2 because of differences in combustion technique. On the other hand, the correlation between nitric oxide emission and combustion conditions can be seen more clearly in the case of Toppila 2 plant. Results can be used for predicting the quality of fuel, and knowledge of the fuel’s properties can be utilized in planning of combustion process