Combustion optimization for co-firing

Helen Oy lisää uusiutuvaa energiaa ja tavoitteena on nostaa tuotannossa uusiutuvien osuus 20 % vuoteen 2020 mennessä. Tavoitteiden saavuttamiseksi on puupelletin seospoltto aloitettu Hanasaaren ja Salmisaaren voimalaitoksilla, joiden pääpolttoaineena toimii kivihiili. Uusiutuvaa energiaa olisi tarkoitus lisätä 5 – 7 % voimalaitoksen kokonaispolttoainetehosta. Tähän päästääkseen on Hanasaaren voimalaitokselle rakennettu uudet pelletinsyöttölaitteistot. Hanasaaressa jatkuva seospoltto aloitettiin vuonna 2016. Hanasaaren voimalaitoksella on seosjauhatusta tutkittu vuonna 2012 ja tämän työn tarkoitus on tutkia seosjauhatusta ja palamista tarkemmin jatkuvassa seospoltossa. Työlle löytyy aikaisempia polttokokeita koelaitteistolla, mutta niiden kesto ja optimointi oli vähäisempää, jotta niistä voitaisiin luoda pitkäkestoisempia johtopäätöksiä kattilan toiminnasta ja palamisesta. Työssä käydään palamisen teoriaa läpi ja etsitty referenssejä ulkomailta seospolttoon liittyvissä asioissa. Seospolton palamisen optimointia haarukoitiin vuoden 2015 lopussa pelletinsyöttölaitteiston vastaanottokokeiden yhteydessä ja näin löydettiin kiinnostavimmat hiilimyllyjen kombinaatiot. Tarkempien säätöjen koeajojakson aikataulu sijoittui keväälle 2016. Kattilassa seospolttoa voi tehdä neljällä eri poltintasolla ja optimoinnilla haettiin prosessiarvoja pelletin seospoltolle. Työssä keskitytään palamisilman vaiheistuksen vaikutuksiin ja raja-arvot seospoltolle. Haastavaa optimoinnissa on suuri määrä muuttujia ja niiden vaikutukset toisiinsa ovat suuria. Työssä keskitytään löytämään voimalaitoksen täydellä teholla toimivat säädöt, koska rajoittavat tekijät tulevat tällöin selvemmin esiin. Tutkimuksen alussa kävi selväksi seospolton sotkevan myllyjen jauhatusta ja täten seosjauhatus on suositeltava tehdä vain yhdessä hiilimyllyssä. Seospoltossa yhdellä tasolla ei huomattu tarpeelliseksi muuttaa polttimen ilmanjakoa. Kokeiden alussa suurimmat ongelmat aiheutuivat hiilimyllyjen kytöpaloista, mutta niistä päästiin hyvin eroon säätöteknisesti. Seospoltolla ei huomattu olevan vaikutusta NOx-päästöihin, mutta SO2 päästöt tippuivat noin 15 %. Vuoden alussa ei päästy 5 % tavoitteeseen, mutta huhtikuussa saavutettiin tavoitetaso kattilan 3 osalta. Tutkimuksien perusteella ylin poltintaso sopii parhaiten seospolttoon. Työn edetessä kokeiltiin 100 % jauhatusta ja tästä saatiin parhaimmat tulokset palamisen kannalta. Lisätutkimuksia 100 % jauha-tuksesta ja eri pellettilaaduista on syytä jatkaa tulevaisuudessa.Helen Ltd invests renewable energy and aims to increase the production with renewable energy to share of 20% by 2020. To achieve these objectives one solution is the mixture of wood pellets combustion which has started at Salmisaari and Hanasaari power plants, where main fuel is coal. Renewable energy from wood pellets has been designed to in-crease from 5 to 7% of the total power plant fuel ratio. To achieve this objective Hanasaari power plant was built in the new pellet feeding equipment. Continuous pellet co-firing at Hanasaari was started in 2016. Hanasaari power plant has studied pellet co-firing at 2012 and the purpose of this thesis is to examine that in more detail in the aspect of co-firing and burning the pellet and coal mixture in a continuous combustion. There are some present studies which are made from the previous experiments by the previous version of the combustion test rig, but the duration and the value of optimization was lower, so that there was not possibility to confirm long-lasting conclusions about the activities and the burning in the boiler. This thesis presents the theory of combustion and introduces existing references in the matters in combustion of wood pellets co-firing. Optimization of the combustion and fuel mixture burning tests started at the end of 2015. Test trials and thus discovered the most interesting combinations of coal mills. More precise adjustments test run period, the schedule was ranked the spring of 2016. The boiler combustion of the mixture can be made at the level of four different burner levels and optimization was applied for process values pellets co-firing. This thesis will focus on combustion phasing effects and limitations of the co-firing. One of the greatest challenge is the optimization of a large number of variables, and how those affect to each other. This thesis will focus on finding the optimal adjustments for the full capacity of the power plant operation because the limiting factors are the easiest to notice and point out. At the beginning of the study, it became clear that mixture combustion interfere the grinding mills and thus wood pellet grinding was recommended to do at only one coal mill. The mixture burning at each burner level reveals that it is not necessary to change the burner air distribution. At the beginning of the experiments the biggest problems were caused by the coal mills smoldering fires, but they were largely achieved through technically rid of adjustment. During the Co-firing tests of pellets there was no affect to NOx emissions, but the SO2 emissions fell by about 15%. At the beginning of the year the plant did not reach the 5% pellet share which was the target, but the amount was reached in April at boiler 3. The research shows that the burners located in the highest level of boiler suits better for combustion of the mixture. As work progresses, the tested 100% share of pellets in mill give the best results in terms of combustion. Further studies are 100% of pellets grinding in each mill and different pellet qualities should be investigated in the future