Pre-Treatment of Southeast Asian Waste for Circulating Fluidized Bed Boiler : Analyzing Biological-Mechanical Pre-Treatment Modification Effects on Boiler
Multaharju, Mika (2021)
Multaharju, Mika
2021
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-05-17
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202104243425
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202104243425
Tiivistelmä
In developing regions of the world increase in population, wealth, and urbanization increases the amount of generated waste. One solution for disposing the waste is to burn it as fuel in boiler. Compared to grate-fired boiler, circulating fluidized bed boiler requires typically more pre-treatment for the waste fuel. Also, in developing regions such as Southeast Asia waste management is not efficient, which would lead to highly heterogeneous waste stream entering the pre-treatment process in the region. To understand the factors affecting the quality of RDF entering the boiler in a specific region, it is necessary to study waste generation and management in the region and pre-treatment process suitable for handling such waste.
The purpose of this thesis was to study a pre-treatment case process for wet Asian waste, for which a potentially cost-saving modification was proposed. Removing an air classifier from the process would reduce investment and operating costs. Also, the air classifier rejects would end up being combusted, which would remove their disposal costs. To make conclusions on the effects of the modification, modelling of the process had to be made. First, waste generation and management in Southeast Asia were studied to understand what kind of waste enters the boiler and what factors are affecting its composition. Then the study focused on what kind of pre-treatment equipment is required in the region to make suitable waste fuel for CFB boiler and how the equipment work. Waste fuel related issues in CFB boiler and the causes of them were identified. Based on the literature findings, model of the case was made, and results were analyzed with sensitivity analysis to make conclusions on the effects of the modification.
Study on waste generation and management in Southeast Asia showed that waste composition is affected by many factors and varies between locations in the region, thus one conclusive profile on Southeast Asian waste cannot be made. In the region awareness and political willingness to improve waste management and implement environment-friendly waste solutions are increasing. Study on the pre-treatment process and equipment showed that each pre-treatment unit has many variables affecting their performance, which makes modelling the process difficult. Identifying issues on CFB boiler caused by waste fuel and the material sources of them can help to make design decisions on pre-treatment process for reducing the problematic components in the fuel. The results of this thesis show that removing the air classifier for undersized refuse would worsen the RDF quality and have mainly adverse effects on the boiler. It should be noted that the analysis made in this thesis shows only one possible outcome with the studied conditions, and changes in waste composition and preceding process units can make a difference in the effects of removing the air classifier.
This thesis shows an example of waste pre-treatment modelling in estimating quality of RDF entering the boiler. It is also shown that because of many variables related to waste and its pre-treatment reliability of this kind of modelling depends on how detailed the available data is. Public domain data available on pre-treatment processes is limited, and some equipment would need more up-to-date studies, for example, on PSD of different materials. Overall, this thesis provides information on how municipal solid waste, pre-treatment process and CFB boiler are interconnected and how each step in the waste-to-energy process affects the following phases. Maapallon kehittyvillä alueilla kasvava väestönmäärä, vauraus ja kaupungistuminen lisäävät tuotetun jätteen määrää. Yksi ratkaisu hävittää jätettä on polttaa sitä polttoaineena kattilassa. Verrattuna arinakattiloihin kiertoleijupetikattilat vaativat tyypillisesti enemmän esikäsittelyä jätepolttoaineelle. Lisäksi kehittyvillä alueilla, kuten Kaakkois-Aasiassa, jätehuolto ei ole tehokasta. Tämä johtaisi kyseisellä alueella siihen, että erittäin heterogeenista jätettä päätyisi esikäsittelyprosessiin. Jotta voidaan ymmärtää, mitkä tekijät vaikuttavat kattilaan syötettävän RDF:n laatuun tietyllä alueella, on tarpeen tukia jätteen tuottamista ja jätehuoltoa kyseisellä alueella, sekä alueen jätteelle sopivaa esikäsittelyprosessia.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia märälle Aasialaiselle jätteelle esikäsittelyn case-prosessia, josta esitettiin mahdollinen kustannuksia säästävä muutos. Ilmaseulan poistaminen prosessista vähentäisi investointi- ja käyttökustannuksia. Lisäksi ilmaseulan rejektit päätyisivät poltettavaksi, ja näin ollen muutos poistaisi niiden hävittämisen kustannukset. Muutoksesta aiheutuvien vaikutusten johtopäätöksiä varten täytyi tehdä mallinnus esikäsittelyprosessista. Ensin tutkittiin jätteen tuottamista ja jätehuoltoa Kaakkois-Aasiassa, jotta ymmärretään, minkälaista jätettä syötetään kattilaan ja mitä tekijöitä vaikuttaa sen koostumukseen. Tämän jälkeen työssä keskityttiin siihen, minkälaista esikäsittelylaitteistoa tarvitaan alueella CFB kattilaan sopivan jätepolttoaineen tuottamista varten ja miten laitteet toimii. Jätepolttoaineisiin liittyviä ongelmia CFB kattilassa ja niiden syitä tunnistettiin. Kirjallisuuteen perustuen case-prosessista tehtiin malli ja tuloksia analysoitiin herkkyystarkastelun avulla, jotta voitiin tehdä johtopäätöksia muutoksen aiheuttamista vaikutuksista.
Tutkimus jätteen tuottamisesta ja jätehuollosta Kaakkois-Aasiassa osoitti, että jätteen koostumus riippuu monista tekijöistä ja vaihtelee alueittain, joten yhtä lopullista profiilia Kaakkois-Aasialaiselle jätteelle ei voida tehdä. Alueella tietoisuus ja poliittinen halu parantaa jätehuoltoa ja ottaa käyttöön ympäristöystävällisiä jäteratkaisuita on lisääntymässä. Tutkimus esikäsittelyprosessista ja -laitteistosta osoitti, että jokaisessa esikäsittelylaitteessa on monia suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä, mikä vaikeuttaa prosessin mallintamista. CFB kattilaan syötetyn jätepolttoaineen aiheuttamien ongelmien ja niiden materiaalilähteiden tunnistaminen voi auttaa tekemään esikäsittelyyn suunnitteluratkaisuita, joilla voidaan vähentää haitallisia ainesosia polttoaineessa.Työn tuloksena saatiin selvitettyä, että alitteelle tarkoitetun ilmaseulan poistaminen heikentäisi RDF:n laatua ja sillä olisi pääosin haitallisia vaikutuksia kattilaan. On huomioitava, että tässä työssä tehty analyysi näyttää yhden lopputuloksen vain tarkastelluin edellytyksin, ja muutokset jätteen koostumuksessa ja edeltävissä laitteissa voivat muuttaa ilmaseulan poiston vaikutuksia.
Tämä diplomityö näyttää esimerkin jätteen esikäsittelyn mallintamisesta arvioidessa kattilaan menevän RDF:n laatua. Työssä myös tuodaan esille se, että lukuisista jätteeseen ja esikäsittelyyn liittyvistä muuttujista johtuen tämän tyyppisen mallintamisen luotettavuus riippuu saatavilla olevan tiedon tarkkuudesta. Yleisesti vapaaseen käyttöön tarkoitettua julkista tietoa esikäsittelyprosesseista on rajoitetusti saatavilla, ja osa laitteistosta tarvitsisi ajantasaista tutkimustietoa, esimerkiksi eri materiaalien kokojakaumista. Kokonaisuudessaan tämä diplomityö tarjoaa tietoa siitä, miten yhdyskuntajäte, esikäsittelyprosessi ja CFB kattila muodostavat yhtenäisen kokonaisuuden, jossa jätteiden energiakonversion jokainen edeltävä askel vaikuttaa seuraaviin vaiheisiin.
The purpose of this thesis was to study a pre-treatment case process for wet Asian waste, for which a potentially cost-saving modification was proposed. Removing an air classifier from the process would reduce investment and operating costs. Also, the air classifier rejects would end up being combusted, which would remove their disposal costs. To make conclusions on the effects of the modification, modelling of the process had to be made. First, waste generation and management in Southeast Asia were studied to understand what kind of waste enters the boiler and what factors are affecting its composition. Then the study focused on what kind of pre-treatment equipment is required in the region to make suitable waste fuel for CFB boiler and how the equipment work. Waste fuel related issues in CFB boiler and the causes of them were identified. Based on the literature findings, model of the case was made, and results were analyzed with sensitivity analysis to make conclusions on the effects of the modification.
Study on waste generation and management in Southeast Asia showed that waste composition is affected by many factors and varies between locations in the region, thus one conclusive profile on Southeast Asian waste cannot be made. In the region awareness and political willingness to improve waste management and implement environment-friendly waste solutions are increasing. Study on the pre-treatment process and equipment showed that each pre-treatment unit has many variables affecting their performance, which makes modelling the process difficult. Identifying issues on CFB boiler caused by waste fuel and the material sources of them can help to make design decisions on pre-treatment process for reducing the problematic components in the fuel. The results of this thesis show that removing the air classifier for undersized refuse would worsen the RDF quality and have mainly adverse effects on the boiler. It should be noted that the analysis made in this thesis shows only one possible outcome with the studied conditions, and changes in waste composition and preceding process units can make a difference in the effects of removing the air classifier.
This thesis shows an example of waste pre-treatment modelling in estimating quality of RDF entering the boiler. It is also shown that because of many variables related to waste and its pre-treatment reliability of this kind of modelling depends on how detailed the available data is. Public domain data available on pre-treatment processes is limited, and some equipment would need more up-to-date studies, for example, on PSD of different materials. Overall, this thesis provides information on how municipal solid waste, pre-treatment process and CFB boiler are interconnected and how each step in the waste-to-energy process affects the following phases.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia märälle Aasialaiselle jätteelle esikäsittelyn case-prosessia, josta esitettiin mahdollinen kustannuksia säästävä muutos. Ilmaseulan poistaminen prosessista vähentäisi investointi- ja käyttökustannuksia. Lisäksi ilmaseulan rejektit päätyisivät poltettavaksi, ja näin ollen muutos poistaisi niiden hävittämisen kustannukset. Muutoksesta aiheutuvien vaikutusten johtopäätöksiä varten täytyi tehdä mallinnus esikäsittelyprosessista. Ensin tutkittiin jätteen tuottamista ja jätehuoltoa Kaakkois-Aasiassa, jotta ymmärretään, minkälaista jätettä syötetään kattilaan ja mitä tekijöitä vaikuttaa sen koostumukseen. Tämän jälkeen työssä keskityttiin siihen, minkälaista esikäsittelylaitteistoa tarvitaan alueella CFB kattilaan sopivan jätepolttoaineen tuottamista varten ja miten laitteet toimii. Jätepolttoaineisiin liittyviä ongelmia CFB kattilassa ja niiden syitä tunnistettiin. Kirjallisuuteen perustuen case-prosessista tehtiin malli ja tuloksia analysoitiin herkkyystarkastelun avulla, jotta voitiin tehdä johtopäätöksia muutoksen aiheuttamista vaikutuksista.
Tutkimus jätteen tuottamisesta ja jätehuollosta Kaakkois-Aasiassa osoitti, että jätteen koostumus riippuu monista tekijöistä ja vaihtelee alueittain, joten yhtä lopullista profiilia Kaakkois-Aasialaiselle jätteelle ei voida tehdä. Alueella tietoisuus ja poliittinen halu parantaa jätehuoltoa ja ottaa käyttöön ympäristöystävällisiä jäteratkaisuita on lisääntymässä. Tutkimus esikäsittelyprosessista ja -laitteistosta osoitti, että jokaisessa esikäsittelylaitteessa on monia suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä, mikä vaikeuttaa prosessin mallintamista. CFB kattilaan syötetyn jätepolttoaineen aiheuttamien ongelmien ja niiden materiaalilähteiden tunnistaminen voi auttaa tekemään esikäsittelyyn suunnitteluratkaisuita, joilla voidaan vähentää haitallisia ainesosia polttoaineessa.Työn tuloksena saatiin selvitettyä, että alitteelle tarkoitetun ilmaseulan poistaminen heikentäisi RDF:n laatua ja sillä olisi pääosin haitallisia vaikutuksia kattilaan. On huomioitava, että tässä työssä tehty analyysi näyttää yhden lopputuloksen vain tarkastelluin edellytyksin, ja muutokset jätteen koostumuksessa ja edeltävissä laitteissa voivat muuttaa ilmaseulan poiston vaikutuksia.
Tämä diplomityö näyttää esimerkin jätteen esikäsittelyn mallintamisesta arvioidessa kattilaan menevän RDF:n laatua. Työssä myös tuodaan esille se, että lukuisista jätteeseen ja esikäsittelyyn liittyvistä muuttujista johtuen tämän tyyppisen mallintamisen luotettavuus riippuu saatavilla olevan tiedon tarkkuudesta. Yleisesti vapaaseen käyttöön tarkoitettua julkista tietoa esikäsittelyprosesseista on rajoitetusti saatavilla, ja osa laitteistosta tarvitsisi ajantasaista tutkimustietoa, esimerkiksi eri materiaalien kokojakaumista. Kokonaisuudessaan tämä diplomityö tarjoaa tietoa siitä, miten yhdyskuntajäte, esikäsittelyprosessi ja CFB kattila muodostavat yhtenäisen kokonaisuuden, jossa jätteiden energiakonversion jokainen edeltävä askel vaikuttaa seuraaviin vaiheisiin.