Biopolttoaineen vierasaineiden hallinnasta apua voimalaitoksen toimintaan

Inray Oy:n puhdistuskonseptien vertailevalla laskentatyökalulla voidaan selkeyttää ja yksinkertaistaa tilannetta olemassa olevan polttoainedatan avulla. Epähaluttuja materiaalijakeita separoiva esikäsittely voidaan integroida osaksi FUEL CONTROL® -järjestelmää toiminnan optimoimiseksi.

Polttoaineiden laatuvaihtelut asettavat haasteita

Kiinteät bioperäiset polttoaineet ovat monenkirjava polttoaineiden joukko, joiden käyttöä pyritään nykyään monien kansainvälisten ja kansallisten sopimusten myötä lisäämään fossiilisten käytöstä luopumiseksi. Kiinteät biopolttoaineet voidaan nähdä uusiutuvana ja kotimaisena tuotteena yhtenä tärkeimpänä vaihtoehtoisena energianlähteenä. Kyseisen polttoainetyypin laatutasot vaihtelevat kuitenkin merkittävästi vierasaineperäisten epäpuhtauksien ja polttoainemateriaalin sisäisten laatupoikkeamien kuten jakeiden kosteustason tai fraktiokoon seurauksena.

Laatutasojen vaihtelulla on vaikutusta esimerkiksi polttoaineen lämpöarvoihin ja siten tulipesän palamiskäyttäytymiseen, aiheuttamalla epätasaisuutta prosessin toiminnassa. Erityistä haittaa epäpuhtaudet aiheuttavat kuitenkin laitteistoille ja lämpöpinnoille kuluttaen ja vaurioittaen niitä. Syöttöjärjestelmät sekä kattila voivat pahimmillaan tukkeutua, tai komponentit ja pinnat tuhoutua liian huonolaatuisen polttoainesyötteen päästessä aiheuttamaan tuhoja laitoksella. Mahdollisesti useiden viikkojen pituiset huoltoseisokit ongelmien korjaamiseksi ovat hyvin merkittävä kuluerä biopolttolaitoksilla. Laitteistojen tuhoutumisesta ja huoltoseisokeista syntyviä kalliita lisäkustannuksia voitaisiin kuitenkin merkittävästi vähentää, jos haittaa aiheuttavat elementit saataisiin eliminoitua pois polttoaineensyötöstä jo ennaltaehkäisevästi.

Ongelmia on mahdollista ennaltaehkäistä

Ennaltaehkäisevässä toiminnassa voidaan nähdä isossa perspektiivissä kaksi tasoa:

1. laatupoikkeamien mahdollisimman tehokas ennaltaehkäisy jo polttoaineen toimitusketjun vaiheissa.

2. syötteen puhdistustoimet polttoaineen vastaanotossa kohdelaitoksella.

Näistä ensimmäinen pitää sisällään panostuksen työn suunnitteluun, huolellisuuteen ja valvontaan kussakin vaiheessa läpi koko toimitusketjun, lähtien liikkeelle aina biomassan keruusta kohti sen haketusta, kuljetusta, varastointia ja lopullista käyttökohdetta. Kyseiseen toimintaan voi laitosoperaattorin taholta olla kuitenkin hyvin vaikeaa puuttua. Siten huomion keskipisteeseen voidaan polttolaitoksen näkökulmasta nostaa jälkimmäinen, eli erilaisten materiaaliseparointia suorittavien laitteiden integroiminen osaksi polttoaineen vastaanottojärjestelmää. Täysi 100 % separointi vierasaineista ja muista epähalutuista fraktiokoista ei ole kuitenkaan taloudellisesti optimaalista, eikä käytännön tasolla edes täysin mahdollista toteuttaa. Jotta tilanteeseen voidaan puuttua asianmukaisesti, onkin keskeistä tunnistaa, mitkä laatupoikkeamat ovat keskeinen ongelman lähde. Niiden separoimiseen pois polttoainesyötteestä olisi ensisijaista keskittyä.

Suomen polttolaitoksissa puhdistustoiminta on yleisesti jo käytössä erityisesti suuremman kokoluokan biopolttolaitoksilla. Maailmalla tilanne ei kuitenkaan ole monesti yhtä hyvällä tasolla, ja ongelmallisen likaista syötettä voi hyvin päätyä suoraan kattilaan ilman minkäänlaista materiaaliseparointia, tai alkuperäisen puhdistuskonseptin puutteiden takia.

Laskentatyökalu helpottaa investointien vertailua

Puhdistusjärjestelmään investoiminen voidaan nähdä sijoittamiseksi toimintavarmuuteen. Taloudellisesta näkökulmasta investointi on toimena kannattava, jos epähaluttujen jakeiden pois separoinnista aiheutuvat kiinteät ja operointikustannukset ovat tehostuneesta laitosoperoinnista seuraavia säästöjä pienemmät. Tilanteen oikeanlaiseen analysointiin ei ole ollut työkaluja, joten tätä varten luotiin teknistaloudellinen laskentatyökalu biopolttoaineiden puhdistuskonseptien käytön tarkastelemiseen.

Työkalun toimintaperiaatteena on tarjota automatisoitua laskentaa siten, että erilaisia skenaarioita eri kokoluokan kapasiteeteilla, sekä erilaisilla polttoaineiden ja laatupoikkeamien jakaumilla on mahdollista vaivatta tutkia. Tämä kolmiportaiseen vertailevaan analyysiin perustuva työkalu tuo siten esille niin tapauskohtaisen asiakastarpeen, teknisen suorituskyvyn kohteessa esiintyviä eri haitallisuusasteille luokiteltuja materiaaleja vastaan, kuin taloudellisen analyysin investointi- ja operointikustannuksista eri vaihtoehdoille. Näin on mahdollista käyttää vertailevaa teknistaloudellisen kokonaiskuvan luovaa laskentaa apuvälineenä tutkimus- ja kehitystyössä.

Työkalun käyttämä tekninen analyysi perustuu tieteellisistä julkaisuista kerättyyn aineistoon. Taloudellinen kustannusanalyysi puolestaan perustuu laitetoimittajien avulla kartoitettuun haastattelututkimukseen. Jos käytössä on tietoa tai valistunut arvaus epäpuhtauksien määrästä polttoainejakeittain ja arvio halutusta puhdistustehosta, voidaan työkalulla etsiä taloudellisinta vaihtoehtoa puhdistuskonseptille.

Röntgenskannerin avulla älykkäämpää puhdistusta

Jotta kokonaisratkaisu toimisi mahdollisimman kustannustehokkaasti, voidaan puhdistuslinjasto integroida osaksi reaaliaikaista Inray Oy:n FUEL CONTROL® -järjestelmää, jossa tarvittava mittausdata syötteen puhtaus- ja laatutasosta saadaan reaaliajassa suoraan röntgenskannerilta. Tällöin puhdistusjärjestelmä voidaan sijoittaa nk. sekundaariselle sivukuljettimelle, jota operoidaan vain tarpeen mukaan.

Röntgenskanneri on tavallisesti asennettu pääkuljettimen yhteyteen, jolloin skannerin outputin perusteella voidaan syötettä siirtää sivukuljettimen puhdistuslinjalle määriteltyjen raja-arvoparametrien perusteella vain tarvittaessa. Jos epäpuhtauksien osuus ylittäisi määritellyn raja-arvon, siirrettäisiin syötettä tällöin sekundaariselle kuljettimelle jatkokäsittelyyn. Näin puhdistusjärjestelmän tarvitsee olla kapasiteettitasoltaan vain murto-osa primääriseen kuljettimeen verrattuna, ja kustannuserissä voidaan säästää merkittävästi. Jos raja-arvoa likaisempaa syötettä päätyisi järjestelmään yli puhdistuslinjan prosessointikapasiteetin, yksi vaihtoehto on ohjata syötettä väliaikaiseen hylkyyn ja palauttaa se sieltä puhdistuslinjaan puhdistuskuorman vähennyttyä. Järjestelmä mahdollistaa voimalaitoksen operoinnin aiempaa edullisemmin ja tehokkaammin, turvaten samalla luotettavamman toiminnan.

Tehdyn tutkimuksen on tarkoitus avustaa suunnittelu- ja kehitystyötä laitostoiminnan tehostamiseksi, jotta voidaan parantaa toiminnan tuottavuutta vastaten samalla alati kasvaviin energiasektorin ylle kohdistuviin vaatimuksiin. ■

Kirjoittaja on Tampereen yliopistosta ja tekee diplomityötä Inray Oy:lle.