Röntgenskanneria hyödyntävien polttoainesyötteen puhdistusjärjestelmien vertailu: Kiinteiden biopolttoaineiden laatupoikkeamien separointi

Abstract

Kiinteän olomuodon bioperäiset polttoaineet ovat laatutasoltaan erittäin vaihteleva ja kirjava polttoaineiden ryhmä. Tässä diplomityössä tarkasteltiin kyseisissä polttoaineissa ilmeneviä laatupoikkeamia, ja puuttumista niiden esiintymiseen voimalaitoksen toimintavarmuuden, energiatehokkuuden ja taloudellisen kannattavuuden parantamiseksi. Laatupoikkeamiksi voidaan lukea niin vierasaineperäiset epäpuhtaudet, kuten epäorgaaniset palamattomat materiaalit, kuin kooltaan, kosteustasoltaan tai muilta ominaisuuksiltaan epähalutut polttoainepartikkelit. Työssä perehdyttiin erilaisiin menetelmiin laatupoikkeamien tunnistamiseksi, ja erityisesti niiden puhdistamiseksi pois loppukäyttäjän voimalaitoksen polttoainesyötteen virrasta. Tarkoituksena työllä oli tarjota metodit puhdistusmenetelmien konseptisuunnitteluun eri menetelmien välisen vertailevan analyysin avulla. Tutkimustapaukseksi työhön asetettiin eräs asiakaskohde, jonka syöttöjärjestelmässä olisi käytössä reaaliaikaista dataa tarjoava röntgenskanneri tunnistusmenetelmänä.

Biopolttoaineiden rooli kasvaa alati energiamurroksen seurauksena, ja siten myös niiden laadunvalvonta on entistä keskeisempää energiasektorin kehittämiseksi ja tehostamiseksi. Epäpuhtauksia päätyy biopolttoaineen sekaan helposti läpi sen toimitusketjun vaiheiden lähtien aina biomassan kasvuvaiheesta sen keräykseen, kuljetukseen, varastointiin ja muuhun esikäsittelyyn kohti lopullista käyttökohdettaan. Myös sisäistä laadunvaihtelua voi seurata näiden toimenpiteiden suorittamistason perusteella. Ensisijaisena keinona laatupoikkeamien syntymisen suhteen voidaan pitää ennaltaehkäisevää toimintaa kaikissa toimitusketjun vaiheissa panostamalla työn suunnitteluun, huolellisuuteen ja valvontaan. Laatupoikkeamille muodostettiin kolmiportainen haitallisuusluokittelu perustuen siihen, kuinka ongelmallisia ne ovat loppukäyttökohteeseen päätyessään, ja kuinka tärkeää niiden pois separointi on.

Erilaisten puhdistuskonseptien väliseen vertailuun toteutettiin kolmivaiheinen tutkimusmenetelmä konseptien soveltuvuuden ja hyödyllisyyden analysoimiseksi. Vertailumenetelmässä tuotiin esille seuraavat 3 näkökulmaa analyysin suorittamiseksi: konseptien tapauskohtainen soveltuvuus kohteessa, konseptien tekninen toiminnallisuus ja tehokkuusaste, sekä konseptien taloudellinen kustannusanalyysi. Viimeiseksi mainittua osiota varten työssä suoritettiin haastattelututkimus. Vertailumenetelmän pohjalta luotiin automatisoitu Excel-laskentatyökalu, jonka avulla konseptisuunnittelua voitaisiin toteuttaa mahdollisimman suoraviivaisesti. Laskentatyökalun tarkoituksena oli skaalautua erilaisiin kiinteää biopolttoainetta käyttäviin energiateollisuuden kohteisiin, ja antaa kannattavuuteen perustuvia tuloksia vertailumenetelmän näkökulmiin perustuen siten, että myös useamman konseptin yhteiskäyttöä on mahdollista analysoida.

Teknistaloudellisen vertailuanalyysin perusteella erityisesti pesemiseen perustuvat puhdistusmenetelmät 64,8 % separointitehokkuudella, sekä partikkelikoon perusteella jakeita separoivat seulat (64,5 %) olisivat kannattavimpia investointeja kohdelaitoksen Case 1 polttoainelaadun parantamiseksi. Laskenta suoritettiin vertailun vuoksi myös toiseen esimerkkikohteeseen Case 2 sekä likaisemmalla että monimutkaisemmalla polttoaine- ja laatupoikkeamajakaumalla. Tästäkin tapauksesta saatiin tulokseksi, että edellä mainitut 2 menetelmää separointitehokkuuksilla 65,3 % ja 49,0 % osoittautuivat kannattavimmiksi investointivaihtoehdoiksi. 2 menetelmän yhteiskäytöllä saavutettiin tarkastelukohteissa 96,5 % ja 90,1 % separointitehokkuudet. Haastattelututkimuksen ja aineiston perusteella 2 menetelmän kombinaatioista kokoseparointiin perustuvan seulan sekä gravitaatioseparointiin perustuvan, erityisesti hienoaineksen puhdistamiseen soveltuvan ilmaseulan yhteiskäytöllä voitaisiin päästä tyydyttävimpään lopputulokseen. Eri menetelmien vaatimat annuiteetit kohteessa Case 1 olisivat 48 000–200 000 $ USD 4 vuoden tarkasteluajalla.