70 MWth kuplapetikattilan typenoksidipäästöjen vähentäminen

Abstract

Työn tarkoituksena oli Vapo Oy:n toimeksiannosta selvittää, kuinka Forssan voimalaitoksen 70 MWth kuplapetikattilan typenoksidipäästöjä (NOx) voidaan vähentää. Päästövähennystarve on seurausta laitosta koskevan kaukolämpöjouston päättymisestä vuoden 2022 lopussa, minkä jälkeen teollisuuspäästödirektiivin ja jouston aikana julkaistujen suurten polttolaitosten BAT-päätelmien vaatimukset tulevat voimaan. Laitoksen NOx-päästöjen vähennystarpeen arvioinnissa käytettiin voimassa olevaa ympäristölainsäädäntöä, ja päästöjen vähentämistä tutkittiin kirjallisuuden avulla. Vähennysmenetelmien käsittelyssä keskityttiin tutkimaan primäärisiä menetelmiä, joilla NOx-päästöjen muodostumista pyritään rajoittamaan jo palamisen aikana.

Forssan voimalaitokselle tehdyssä nykytilanteen analyysissä selvisi, että kattilan sekundääri-ilmajärjestelmässä on huomattavia ongelmia, joiden takia kattilan palamisilman vaiheistusta ei pystytä luotettavasti ohjaamaan. Palamisilman vaiheistus on yksi tärkeimmistä primäärisistä NOx-päästöjen vähennysmenetelmistä. Sekundääri-ilmajärjestelmän ongelmien juurisyyksi tunnistettiin kattilan ilmatasoille johdettavien ilmamäärien puutteelliset tai puuttuvat tilavuusvirtausmittaukset. Mittausten toteutus perinteisten tilavuusvirtamittareiden avulla osoittautui vaikeaksi, joten työssä kehitettiin uusi menetelmä kattilan ilmatasoille johdettavien ilmamäärien mittaamiseen ja säätämiseen. Myös kattilan primääri-ilmamäärän ja savukaasujen jäännöshappipitoisuuden todettiin olevan liian korkeita.

Palamisilman vaiheistuksen vaikutusta NOx-päästöihin tutkittiin laitoksella suoritettujen koeajojen avulla. Ilman vaiheistusta muutettiin soveltamalla työssä kehitettyä säätömenetelmää. Ongelmien takia ilman vaiheistuksen vaikutusta NOx-päästöihin ei pystytty toteamaan. Päästöjen todettiin kuitenkin riippuvan vahvasti savukaasujen jäännöshappipitoisuudesta. Tulosten perusteella kattilan primääri-ilmamäärää voidaan vähentää kattilan normaalilla tehoalueella huomattavasti nykyisestä.

Laitokselle laadittiin NOx-päästöjen vähentämistä varten toimenpidesuunnitelma, jonka välivaiheiden mukaan päästöjen vähentämisprosessissa suositellaan edettävän. Suunnitelmassa huomioitiin myös ympäristölainsäädännössä oleva mahdollisuus hakea BAT-päätelmiä lievempiä päästörajoja, jos päästöjen rajoittamiseen vaaditut toimenpiteet osoittautuvat kalliiksi toteuttaa niillä saavutettavaan ympäristö- ja terveyshyötyyn verrattuna.

This work was done for Vapo Oy. The objective of the work was to find the best practices to reduce nitrogen oxide (NOx) emissions in a 70 MWth bubbling fluidized bed boiler in Forssa power plant. The plant must comply with new emission limits set by the industrial emissions directive and BAT conclusions for large combustion plants from the beginning of 2023 when an exemption granted for district heating plants ends. The quantity of the needed NOx reduction was determined in accordance with the valid national environmental protection legislation. NOx control methods were studied by means of the literature review. The Focus was on the primary methods which aim to reduce NOx emissions during the combustion.

A current state analysis conducted in the power plant revealed the boiler secondary air system has significant issues causing the unreliable control of the combustion air staging. Air staging is one of the most used primary methods to control NOx emissions. Inadequate or missing flow measurements in the combustion air feeding levels were identified to be the main reason for the issues in the secondary air system. The use of traditional flow meters in the measurements proved to be very challenging, thus a new measurement and control method was developed. Also, the share of the primary air and flue gas oxygen content were examined to be too high.

The effect of combustion air staging on NOx emissions was studied in the full-scale power plant field tests. The Air staging was changed by using the control method developed in this work. Conclusions, whether changes in the air staging had any effect on NOx emissions cannot be made due to problems encountered in the tests. However, the test results show NOx emissions strong dependence on the flue gas oxygen content. The results also indicate that a remarkable decrease of the primary air is possible to conduct in the boilers normal operational range.

Finally, a plan for the reduction of NOx emissions in Forssa power plant was established. The plan consists of recommended steps how to proceed in the reduction process and it accounts a possibility to get an exemption from compliance with the emission limits referred in the BAT conclusions. Requirements for the exemption may fulfil if the costs originated in the reduction of emissions are significantly larger than environmental or health benefits achieved by the reduction.