Lahti Energian KYVO2-kaasutuslaitos

1. Taustaa

Lahti Energia Oy tuottaa ja jakelee energiaa Päijät-Hämeessä ja yhtiön voimalaitoksista Lahden kaupungissa sijaitseva Kymijärven voimalaitos on alueen suurin. Voimalaitoksella on 350 MWPA hiilipölykattila (pääpolttoaineet hiili ja maakaasu), Frame 6 kokoluokan kaasuturbiini ja CFB eli kiertoleijukaasutin, joka on kytketty pääkattilaan. Kaasuttimen tuottama energia koko pääkattilan polttoainetehosta vaihtelee tyypillisesti 15 % ja 20 % välillä.

Lahti Energia Oy on tuottanut energiaa biomassasta ja jäteperäisistä polttoaineista vuodesta 1998 lähtien nykyisellä kaasutuslaitoksella. Kaasuttimen pääpolttoaineet ovat erilaiset puujätteet ja kierrätyspolttoaineet (REF). Käyttökokemukset ovat olleet positiivisia ja kaasuttimen käytettävyys on ollut korkea. Kaasutuslaitos kuluttaa vuosittain noin 100 000 tonnia kiinteitä polttoaineita.

Joulukuussa 2008 julkaistu EY-tuomioistuimen ennakkoratkaisu nykyisen kaasuttimen tulkintaan jätteenpolttodirektiivin soveltamisesta antaa teoriassa mahdollisuuden käyttää nykyistä kaasutinta myös tulevaisuudessa. KHO ei ole vielä antanut lopullisia lupaehtoja. Vuonna 2016 voimaan tuleva IE-direktiivin muutos muuttaa kuitenkin nykyisen laitoksen käyttöä oleellisesti.

2. Projektin tavoitteet

Lahden alueella on pitkät perinteet jätteen lajittelussa (erityisesti syntypaikkalajittelu jäte) ja energiahyötykäytössä nykyisellä Kymijärven voimalaitoksella. Eräs keskeisimmistä polttoaineista kaasutuslaitoksella on ollut kierrätyspolttoaine (REF), joka on syntypaikkalajiteltua kotitalouksista, kaupoista, teollisuudesta ja rakennuspaikoilta tulevaa energiahyötykäyttöön sopivaa polttoainetta. Kierrätyspolttoaineen keräilyn ja valmistuksen Lahden seudulla aloitti vuonna 1997 kunnallisessa omistuksessa oleva Päijät-Hämeen Jätehuolto Oy (PHJ).

Lahti Energia Oy on kuitenkin kiinnostunut panostamaan jatkossakin jätteenlajitteluun, kierrätykseen ja energiahyötykäyttöön, koska järjestelmästä saatu palaute on ollut positiivista ja se vastaa ja täyttää myös tulevaisuuden tavoitteita jätteiden hyötykäytölle. Toisaalta Lahti Energia Oy:lle on tärkeää pystyä tuottamaan sähköä mahdollisimman korkealla hyötysuhteella. Edellisistä syistä johtuen Lahti Energia Oy investoi uuteen, täysin erilliseen kaasutustekniikkaan perustuvaan voimalaitokseen.

3. Voimalaitos

Lahti Energia Oy rakentaa täysin uuden ja erillisen vastapainevoimalaitoksen nykyiselle Kymijärven voimalaitosalueelle. Uuden laitoksen ytimenä toimii CFB- eli kiertoleijukaasutusprosessi varustettuna kaasunjäähdytyksellä ja kaasunpuhdistuksella. Puhdistettu tuotekaasu poltetaan uudessa kaasunpolttokattilassa ja savukaasujen lopullinen puhdistus suoritetaan kattilan jäl-keisellä letkusuotimella ennen niiden johtamista savupiippuun. Voimalaitos koostuu kahdesta kaasutinlinjasta, joiden yhteenlaskettu polttoaineteho on 160 MW. Laitos tuottaa sähköä 50 MW ja kaukolämpöä 90 MW. Vuositasolla kaasuttimet käyttävät noin 250 000 tonnia jätepohjaista kierrätyspolttoainetta.

Lahden hanketta pidetään tänä päivänä yhtenä potentiaalisimmista laitoshankkeista Suomessa lähinnä seuraavista syistä:

• Kokoluokka on riittävän suuri projektin talouden kannalta
• Konsepti mahdollistaa erittäin korkean sähköntuottohyötysuhteen
• Lahdessa on pitkäaikainen kokemus jätteiden lajittelusta kierrätyksestä sekä kaasuttimesta energiahyötykäytössä
• Kokonaiskonseptissa on oleellisena osan materiaalien talteenotto ja kierrätys energiahyötykäytön lisänä ja kokonaisuudella on vankka paikallinen hyväksyntä.

4. Konsepti

4.1 Polttoaineet ja polttoaineiden käsittely

Kaasutusprosessin polttoaineet ovat jätepohjaisia fraktioita: RDF (Refuse Derived Fuel) ja kierrätyspolttoaine eli REF (Recycled Fuel) kotitalouksista ja teollisuudesta. Laadultaan näistä RDF on hieman heikompaa kuin REF, koska kierrätyspolttoaine REF perustuu syntypaikkalajitteluun, jolloin se ei ole orgaanisen, biohajoavan materiaalin kontaminoimaa, vaan kuivaa ja hyvää lämpöarvon kannalta tarkasteltuna. Jätteiden käsittely hoidetaan kaupallisesti toimivien yhtiöiden kautta.

Polttoaine toimitetaan laitokselle kaasutukseen sopivana valmiina jakeena. Käytännössä, toimituspaikasta riippuen, polttoaine toimitetaan joko paalattuna tai irtonaisena materiaalina. Polttoaineen vastaanottoasema on sinällään varsin yksinkertainen: Se koostuu rekoille ja junille sopivista vastaanottotaskuista, paalatulle materiaalille tarkoitetusta repijästä, raudanerotusmagneetista sekä tarvittavista kuljettimista. Jätepohjaisten polttoaineiden, RDF ja REF, käyttö tukee paikallisten yhtiöiden ja Lahden alueen tavoitteita jätteenkäsittelystä. Alueella pyritään järjestämään jätehuolto ja energiantuotanto niin, että ne tukevat toisiaan.

4.2 Kaasutukseen perustuva voimalaitos

4.2.1 Kaasunpuhdistus

Normaaleista jätepolttoaineista lähtevä tuhka ja kaasun poltosta syntyvät savukaasut ovat aggressiivisia ja saattavat aiheuttaa polttolaitteen likaantumista, kuonaantumista ja korroosiota. Siten erityisesti tapauksissa, joissa jätepolttoaineista tehtyä kaasua poltetaan huomattavissa määrin tai pelkästään, on kaasun puhdistaminen ennen polttoa lähes välttämätöntä. Kaasuttimelta tulevan tuotekaasun puhdistaminen ennen polttoa pienentää tai poistaa ympäristöongelmia kaasun osalta.

4.2.2 Kaasutuslaitos

Uusi vastapainevoimalaitos rakennetaan Kymijärven voimalaitoksen alueelle nykyisen polttoaineen vastaanottoaseman ja olemassa olevan voimalaitoksen väliin. Laitos on täysin erillinen kokonaisuus. Uusi voimalaitos perustuu kiertoleiju- eli CFB-kaasutustekniikkaan, jossa kaasuttimelta tuleva tuotekaasu jäähdytetään ja puhdistetaan ennen sen polttamista uudessa kaasukattilassa. Laitoksen kokonaispolttoaineteho on 160 MW, sähköntuotanto 50 MW (brutto) ja kaukolämmöntuotanto 90 MW. Vuositasolla kaasutuslaitos kuluttaa jätettä mitoituspisteessä noin 215 000 ton/a ja maksimissaan noin 250 000 tonnia. Jäte on sekoitus RDF- (kotitalouksista, kaupoista, teollisuudesta) ja REF-polttoainetta.

4.2.3 Kaasutin

Kaasutin on täysin massattua rakennetta oleva kiertoleijukaasutin, joka koostuu itse kaasutinreaktorista sekä paluuputkesta. Kaasuttimessa jäteperäisistä polttoaineista tehdään kaasua pienessä ylipaineessa (6...10 kPA) ja noin 900 °C lämpötilassa. Normaaliajossa kaasuttimen teho määräytyy syötettävän polttoaineen massavirran mukaan ja kaasutuslämpötila säädetään kaasutusilmavirtausta muuttamalla. Aikaisempiin sovellutuksiin verrattuna kaasuttimen osalta innovatiivinen osuus liittyy polttoaineen syöttötapaan ja polttoaineen syöttöjärjestelyyn sekä tervojen minimointiin kaasutusprosessissa.

4.2.4 Kaasunjäähdytin

Kaasuttimen syklonilta tuleva kuuma kaasu johdetaan kaasunjäähdyttimeen, jossa se jäähdytetään noin 400...450° C lämpötilaan. Kaasunjäähdytys on eräs projektin suurimmista teknisistä haasteista, koska tätä jäähdytintyyppiä käytetään ensimmäistä kertaa kaupallisessa kokoluokassa kaasuttimelta tulevan, erityyppisiä epäpuhtauksia sisältävän tuotekaasun jäähdytykseen.

4.2.5 Tuotekaasun suodatus

Kokonaisuuden kannalta tuotekaasun suodatuksella on erittäin tärkeä rooli. Kaasussa olevien haitta-aineiden poistaminen ja tuotekaasun hyvän ja tasaisen laadun säilyttäminen ovat edellytys sille, että poikkeuksellisen korkeille höyrynarvoille suunniteltua kattilaa voidaan käyttää häiriöittä. Tuotekaasun suodatusjärjestelmä on modulaarirakenteinen eli kumpaakin kaasutinlinjaa varten on olemassa viisi suodinyksikköä.

4.2.6 Tuotekaasun poltto

Tuotekaasu poltetaan uudessa, tornimallisessa kaasukattilassa neljällä polttimella. Kumpaakin kaasutinlinjaa varten on kaksi poltinta. Kattilassa toimii maakaasu käynnistys- ja tukipolttoaineena. Kattilan höyrynarvot ovat jätepolttoainesovellutukseen nähden poikkeuksellisen korkeat: Paine 120 bar ja lämpötila 540 °C. Tämän mahdollistaa kaasutus- ja kaasunpuhdistuskonseptin käyttö. Korkeita höyrynarvoja käyttävän kattilan toiminnan kannalta on oleellista, että tuotekaasusta poistetaan korroosiota aiheuttavat komponentit HCl, pöly ja alkalit ennen kaasun polttoa.

Kaasupolttimet itse ovat kaupallista tekniikkaa. Markkinoilta löytyy useita matalan lämpöarvon omaavalle kaasulle sopivien polttimien toimittajia. Referenssejä ei kuitenkaan löydy juuri tämän tyyppisen kaasun polttamisesta, joten kaasun poltto stabiilisti on yksi projektin haasteista. Edelleen polttoon liittyvistä haasteista NOx-päästö ja sen hallitseminen on yksi keskeisimmistä asioista.

4.2.7 Savukaasun loppupuhdistus

Ennen polttoa suoritettavan tuotekaasun puhdistuksen lisäksi tässä ensimmäisessä demoprojektissa polton jälkeisille savukaasuille rakennetaan vielä oma puhdistusjärjestelmä. Tämä sen vuoksi, että voidaan olla varmoja, että jätteenpolttodirektiivin mukaiset päästörajat saavutetaan. Savukaasujen loppupuhdistus suoritetaan tavallisella letkusuotimella, jonka etupuolelle voidaan syöttää lisäaineita haitta-ainejäämien sidonnan tehostamiseksi. Käytännössä tämä on tarpeellista sen vuoksi, että poltosta tuleva savukaasu ei sisällä tuhkaa, koska se on poistettu tuotekaasun puhdistuksen yhteydessä ennen polttoa.

Käytettäviä lisäaineita ovat aktiivihiili ja kalsiumhydroksidi. Aktiivihiiltä tarvitaan lähinnä elohopean sitomiseksi, koska elohopeaa ei saada sidottua tuotekaasun puhdistuksen yhteydessä johtuen korkeasta yli 400 °C suodatuslämpötilasta. Kalsium-hydroksidisyötöllä varmistetaan, että vetykloridi (HCl) ja rikkidioksidi (SO2) päästöt jäävät alle raja-arvojen

Alla on esitetty jätteenpolttodirektiivin mukaiset päästörajat.

Taulukko 1. Jätteenpolttolaitokselle asetettavat päästörajat (mg/m3).

4.2.8 Kaasuttimen lentotuhkan ja kattilan lentotuhkan loppukäsittely

Kaasutusprosessista tuleva lentotuhka sisältää tyypillisesti paljon kaasuuntumatonta hiiltä. Hiilen massaosuus tuhkassa voi olla jopa 20...40 %. Hiilen energiasisällön talteen ottamiseksi ja lentotuhkan loppusijoituksen helpottamiseksi tuhka voidaan käsitellä ennen sen kuljettamista pois laitokselta. Tuhkan käsittelyä varten on perustettu erillinen projekti, jossa yhteistyössä mm. VTT:n kanssa tutkimme mahdollisia hyötykäyttökohteita. Saamme tuhkaa käyttöömme vasta sen jälkeen, kun laitos on käytössä. Tämän jälkeen myös tuhkan hyötykäyttömahdollisuuksien tutkiminen konkretisoituu.

5. Projektin innovatiivinen osuus

Teollisuus- ja kotitalouspohjaisten jätteiden energiahyötykäytöstä on tullut tärkeä osa jätehuoltoa ja energiantuotantoa materiaalikierrätyksen ohella. Kioton sopimus ja EU:n tavoitteet nostaa uusiutuvien energialähteiden käyttöä tukevat tätä trendiä. Myös tavoitteet entistä tehokkaammasta materiaalinkierrätyksestä ja energiahyötykäytöstä suosivat tekniikoita, joissa energiahyötykäyttöön sopivat palavat jakeet saadaan hyödynnettyä mahdollisimman suurella hyötysuhteella.

Tässä projektissa on kehitetty uusi ja innovatiivinen materiaalinkierrätys- ja energian talteenottokonsepti. Aiempiin tekniikoihin verrattuna korkealaatuiselle jätepohjaiselle kierrätyspolttoaineelle sovelletaan innovatiivista, korkeahyötysuhteisempaa kaasutukseen perustuvaa voimalaitoskonseptia. Laitoksen kokonaispolttoaineteho on 160 MW ja laitos tuottaa 50 MW sähköä ja 90 MW kaukolämpöä Lahden alueelle. Laitoksen kokonaishyötysuhde on korkea, noin 87-88 % polttoaineen alempaan lämpöarvoon perustuen.

Projektin keskeisimpiä innovatiivisia osia ovat:

• Koko jätehuoltoketjun demonstroiminen ja optimointi mukaan lukien materiaalikierrätys ja energiahyötykäyttö
• Puhtaan kaasun tuotantoon perustuvan jätepohjaisia polttoaineita käyttävän kaasutusprosessin demonstrointi kaupallisessa mittakaavassa
• Muihin jätteen energiahyötykäyttötekniikoihin verrattuna sähköntuotannon osalta selvästi korkeampihyötysuhteisen, kaasutustekniikkaan perustuvan, voimalaitosprosessin demonstrointi
• Innovatiivisen tuhkan loppukäsittelyjärjestelmän kehittäminen
• EU:n jätteenpolttodirektiivin päästöjen raja-arvojen saavuttaminen pelkästään kuivalla savukaasujen puhdistustekniikalla