Ammoniakin korvaaminen urealla leijupetikattilan selektiivisessä ei-katalyyttisessä menetelmässä

Abstract

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää, millä ehdoilla Hämeenkyrön Voima Oy:n biovoimalaitoksen SNCR-järjestelmässä käytettävä ammoniakkivesi voitaisiin korvata urealiuoksella. Lisäksi työssä tarkastellaan leijupetikattiloiden toimintaa ja niiden palamisprosesseissa syntyviä typpipäästöjä, ja perehdytään palamisessa syntyvien NOx-päästöjen muodostumismekanismeihin. Työ toteutetaan kirjallisuuskatsauksena. Merkittävimmät leijupoltossa muodostuvat typpiyhdisteet ovat typpimonoksidi ja typpioksiduuli. Muihin polttotapoihin verrattuna leijupolton typpimonoksidipäästö on kuitenkin pieni, sillä typpimonoksidin muodostuminen riippuu voimakkaasti lämpötilasta ja leijupoltossa palamislämpötila on verrattain matala. Leijupolton typpimonoksidipäästön suuruus riippuukin pääasiassa polttoaineen sisältämästä typestä. SNCR-menetelmällä eli selektiivisellä ei-katalyyttisellä menetelmällä voidaan pienentää voimalaitoksen NOx-päästöä ruiskuttamalla savukaasujen sekaan typpimonoksidia pelkistävää reagenssia. Reagenssina toimii yleensä ammoniakki tai urea, joiden käyttöön liittyy joitakin käytännön eroja. Ammoniakin käyttö reagenssina on edullisempaa kuin urean, mutta toisaalta oikean reaktion vaatima lämpötilaikkuna on urean lämpötilaikkunaa suppeampi. Ammoniakki luetaan vaaralliseksi aineeksi, minkä vuoksi sen varastointi on vaativampaa kuin urean. Liuosmaisen urean varastoinnissa merkittävimmän haasteen luo urealiuoksen korkea jäätymispiste, jonka vuoksi varastosäiliöitä on Suomen olosuhteissa lämmitettävä. Urean haittana voidaan pitää myös ammoniakkiin verrattuna suurempia hiilidioksidi- ja typpioksiduulipäästöjä. Työn lopussa toteutetaan pienimuotoinen tarkastelu siitä, mitä teknisiä muutoksia ammoniakin korvaaminen urealla vaatisi voimalaitoksessa. Tutkittavina komponentteina ovat varastointi ja säiliöt, pumput, putkilinjat sekä suuttimet. Menetelminä käytetään turvallisuusanalyysiä, varastokapasiteetin laskentaa ja lainsäädännön vaatimusten tarkastelua. Turvallisuusanalyysissä esiin nousseita muutostarpeita ovat muun muassa varastosäiliöiden ja putkistojen lämmittäminen sekä suuttimien dimensioiden ja sijoittelun tarkastaminen. Lainsäädännössä ei ole vaatimuksia teknisistä muutoksista mutta useampi pykälä tukee reagenssin vaihtamista. Suoritetun laskennan perusteella päädyttiin siihen tulokseen, että varastokapasiteetin lisäys ei ole tarpeen reagenssin vaihdon yhteydessä. On kuitenkin hyvä huomioida, että laskenta on toteutettu tiettyjä yksinkertaistuksia käyttäen. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että kumpikaan reagenssi ei ole yksiselitteisesti hyvä tai huono, vaan molempien käyttöön liittyy sekä hyötyjä että haittoja. Työn tärkein havainto on, että pienten muutosten jälkeen reagenssinvaihdos Hämeenkyrön Voiman biovoimalaitoksessa olisi mahdollista toteuttaa.