Search

This publication summarizes the results of the process validation tests carried out in the EU-funded research project FLEXCHX "Flexible combined production of power, heat and transport fuels from renewable energy sources". The validation tests were realized between March and June 2020 as three test weeks, including a total of 180 hours of gasification operation. The validation tests were performed using the pressurized Staged Fixed Bed (SXB) gasifier, followed by the hot filter unit and the two-stage catalytic reformer. Different woody residues and sunflower husks were used as the gasifier feedstocks. A smaller slipstream of the reformed syngas was cleaned in the final gas cleaning unit, compressed, and utilized in the Fischer-Tropsch synthesis. The major part of the produced syngas was combusted in the hot water boiler connected to the district heating network of Espoo (Finland). All test facilities are located at the Bioruukki Piloting Centre of VTT. Generally, the tests were very successful despite the challenging surrounding conditions caused by the COVID-19 pandemic, which hindered the planned participation of other project partners in the final test runs on-site at VTT and thus created additional challenges for VTT personnel. Based on these tests, it can be concluded that the whole process, as well as its key enabling technologies, have been developed to the targeted Technology Readiness Level of TRL5 and are technically ready for follow-on demonstration. Preliminary ideas for the realization of follow-on demonstration are also presented at the end of this report.

VTT Technical Research Centre of Finland Ltd has developed a new technique based on gasification, which offers a sustainable way to turn forest industry byproducts, such as bark, sawdust and forestry waste, into transport fuels and chemicals. The new approach uses gasification to transform biomass into intermediate products – liquid hydrocarbons, methanol or methane – in production units that are integrated with communal district heating plants or forest industry power plants. The intermediate products are processed further in oil refineries to produce high-quality renewable fuels or chemicals. VTT developed and piloted the new gasification process and evaluated its the competitiveness in the course of a recently concluded project called BTL2030. The distributed generation process developed by the project team makes efficient use of the energy content of biomass. Approximately 55% of the energy content is turned into transport fuels and another 20–25% can be used to provide district heating or to produce steam for industrial processes. The process is based on VTT's low-pressure, low-temperature steam gasification technology, simplified gas purification and small-scale industrial synthesis. Thanks to the small-scale approach, the heat generated by the process can be used throughout the year, and the process can be fuelled with local residues and wastes.The process development was realized using the pilot-scale Dual Fluidized-Bed (DFB) gasification test rig located at the Bioruukki Piloting Centre of VTT. Different DFB gasification alternatives were tested, including operation with two CFB (Circulating Fluidized-Bed) reactors and with a combination of a CFB gasifier and a BFB (Bubbling Fluidized-Bed) oxidizer. Both steam-alone gasification and gasification with a mixture of steam and a small amount oxygen/air were tested. The oxidizer was fluidized with air. The raw gasifier gas was purified in a hot filter unit and the hydrocarbon gases and tars were reformed in a catalytic reformer. Final gas cleaning was tested in a smaller slip-stream test facility. The DFB gasification process was operated for a total of 400 hours under gasification conditions using forest residues, bark, crushed wood pellets, used wood and crushed straw pellets as feedstock.This report is mainly focused on presenting the results and experiences of the experimental process development. In addition, the effect of the gasification process performance on the overall efficiencies of industrial production plants was estimated using an Excel-based flowsheet model. The results of the more detailed techno-economic evaluations carried out in the project is presented in separate publications.

Bioeconomy refers to the various sectors of primary production, such us agriculture, forests and fisheries, and industrial sectors, which transform bio-resources to bio-products. Industrial sectors in bioeconomy cover food and feed industries, cellulose, paper and wood processing industries, bio-refineries, chemical and energy industries, and also the marine and maritime sectors. In addition, bioeconomy includes ecosystem services of nature, such as recreation and wellbeing as well as tourism. In this report, the primary focus is to analyse how to achieve full bioeconomy potential and bridge the on-going research to industrial implementation. In the analysis, we have mainly focused on forestry and forest industries, agriculture and food industries, as well as on bioenergy and biofuels. The aim has been to illustrate effective bioeconomy pathways and the impacts of accelerated R&D and related investments in bioeconomy on Finland’s welfare and greenhouse gas mitigation. The analysis is based on views and synthesis of a large group of VTT’s experts in the fields of forest and food industries, biomaterials, clean energy, and scenario modelling.

Julkaisussa esitetään VTT:n koordinoiman Ultra Clean Gas -projektin keskeisimmän osatehtävän, kaasutusprosessin kehitys, tulokset ja johtopäätökset. Hanke toteutettiin vuosina 2004-2007. Osatehtävän tavoitteena oli kehittää kiinteiden polttoaineiden kaasutus- ja kaasun puhdistustekniikkaa tulevaisuuden voimalaitosprosesseja ja biopolttonesteiden tai vedyn valmistusta varten. Julkaisussa kuvataan, kuinka projektissa edettiin pienen mitan koelaitteilla vuosina 2004-2005 tehdyistä kokeista prosessien arvioinnin ja valinnan kautta noin 0,5 MW:n prosessinkehityskoelaitteen (UCG-PDU) rakentamiseen ja sillä vuonna 2007 toteutettuun koetoimintaan. Projektin työn kohteena oli paineistettuun leijukerroskaasutukseen, kaasun kuumasuodatukseen ja katalyyttiseen hiilivetyjen reformointiin perustuva kaasutusprosessi, jonka toimivuudesta saatiin positiivinen näyttö projektin loppuvaiheessa toteutetuissa onnistuneissa PDU-kokeissa. Projekti loi siten pohjaa yritysvetoisissa jatkohankkeissa tehtäville varsinaisen teollisen prosessin kehittämiselle ja demonstroinnille.

With the objective of gaining a better understanding of the system design trade-offs and economics that pertain to biomass-to-liquids processes, 20 individual BTL plant designs were evaluated based on their technical and economic performance. The investigation was focused on gasification-based processes that enable the conversion of biomass to methanol, dimethyl ether, Fischer-Tropsch liquids or synthetic gasoline at a large (300 MWth of biomass) scale. The biomass conversion technology was based on pressurised steam/O2-blown fluidised-bed gasification, followed by hot-gas filtration and catalytic conversion of hydrocarbons and tars. This technology has seen extensive development and demonstration activities in Finland during the recent years and newly generated experimental data has been incorporated into the simulation models. Our study included conceptual design issues, process descriptions, mass and energy balances and production cost estimates. Several studies exist that discuss the overall efficiency and economics of biomass conversion to transportation liquids, but very few studies have presented a detailed comparison between various syntheses using consistent process designs and uniform cost database. In addition, no studies exist that examine and compare BTL plant designs using the same front-end configuration as described in this work. Our analysis shows that it is possible to produce sustainable low-carbon fuels from lignocellulosic biomass with first-law efficiency in the range of 49.6-66.7% depending on the end-product and process conditions. Production cost estimates were calculated assuming Nth plant economics and without public investment support, CO2 credits or tax assumptions. They are 58-65 /MWh for methanol, 58 -66 /MWh for DME, 64-75 /MWh for Fischer-Tropsch liquids and 68-78 /MWh for synthetic gasoline.

The results of the process-evaluation work carried out in the project, Development of Ultra-Clean Gas (UCG) Technologies for Biomass Gasification, are presented in the publication. The UCG project was directed towards the development of innovative biomass gasification and gas-cleaning technologies for the production of ultra-clean synthesis gas. The process-evaluation work in the UCG project covered a number of topics, including: - process-configuration screening - production-chain screening - techno-economic evaluations of plants producing FT liquids, methanol, SNG or hydrogen; processes simulated with Excel-based codes - techno-economic evaluations of competing technologies / production chains - evaluations of benefits of integration; including novel concepts - design studies of front-end operations by Foster-Wheeler and Pohjolan Voima. The results of the work have proved useful in: - developing and improving the UCG concept for bio-syngas production - planning the experimental R&D work in the UCG project providing input data for sustainability analyses, CO2-balance calculations, etc. (carried out elsewhere) - compiling business plans and developmental strategies.

Suomessa liikennetärinän suhteen erityisen ongelmallisia ovat savikkolaaksopainanteet, joita reunustavat kallioiset tai soraiset mäkialueet. Tällaisilla, usein alle 10 metrin paksuisilla savikkoalueilla värähtely leviää tehokkaasti ja leviämisen arviointi on vaikeaa. Vaakavärähtely voi olla pystyvärähtelyä suurempi, ja värähtelyssä dominoi hyvin kapea, alle 10 Hz:n taajuusalue. Tällaisilla alueilla ongelmalliseksi muodostuu erityisesti pientaloilla rakennuksen rungon resonanssivärähtely, koska normaalisti myös rakennuksen rungon ominaistaajuus on alle 10 Hz. Koska kevyiden välipohjien ja lyhytjänteisten betonivälipohjien ominaistaajuus on yli 10 Hz, lattian resonanssivärähtelyä ei yleensä esiinny hyvin pehmeillä alueilla, mutta se on mahdollinen kovemmilla alueilla, joilla maaperän värähtelyssä dominoivat korkeammat taajuudet. Resonanssin ilmeneminen on sattumanvaraista, mutta esiintyessään resonanssi on erittäin ongelmallinen. Julkaisussa esitetään rakennuksen rungon ja lattian värähtelysuunnittelua varten menetelmä, joka ottaa huomioon maaperästä mitatun värähtelyn suunnan ja taajuussisällön. Rakennuksessa esiintyvän värähtelyn arviointi perustuu kahteen eri lähestymistapaan. Toisessa otetaan huomioon rungon ja lattian alimmalla ominaistaajuudella esiintyvän maaperän värähtelyn voimistuminen resonanssin vuoksi ja toisessa otetaan huomioon maaperän värähtelyn koko taajuusalueen kattava yleinen voimistuminen. Yleiselle voimistumiselle esitetty värähtelyn suurennuskerroin on huomattavasti pienempi kuin resonanssin vuoksi tapahtuvalle värähtelyn voimistumiselle esitetty kerroin. Rungon resonanssitarkastelu perustuu maaperän vaakavärähtelyyn ja lattian resonanssitarkastelu maaperän pystyvärähtelyyn. Asuintiloissa esiintyvän tärinän arvioimiseksi esitetty menetelmä perustuu rakennuksista tehtyihin mittauksiin, FE-laskentaan ja kirjallisuuslähteisiin. Kaikkiaan mittauskohteita on 36. Kohteista seitsemän on vähintään kolmikerroksisia kerrostaloja ja muut 29 ovat yksi- tai kaksikerroksisia omakoti- tai rivitaloja. Kaikki kerrostalokohteet ovat savikkoalueilta. Pientalokohteista seitsemän on hiekka- tai soramaa-alueella ja muut ovat savikkoalueilta. Tärinä on aiheutunut junaliikenteestä 22 kohteessa ja muissa 14 kohteessa tärinä on aiheutunut katuliikenteestä. Rungon FE-tarkastelu perustuu 2-3-kerroksiseen tasokehämalliin ja lattian tarkastelu yksinkertaisesti tuettuun palkkimalliin. FE-tarkastelu on tehty sekä tilastomatemaattiseen resonanssitarkasteluun että mitattuun herätteeseen perustuen.

VTT:n julkaisema täysin uudistettu Energia Suomessa -teos tarjoaa ajantasaisen ja monipuolisen kuvauksen Suomen energia-asioiden historiasta, nykytilasta ja tulevaisuudesta. Päivitystä edellyttivät erityisesti suuret muutokset energiamarkkinoilla. Energiamarkkinoiden vapautuminen, joka muutti suojatun kotimaisen liiketoiminnan kansainväliseksi, sekä kansainväliset päästöjen vähentämissitoumukset ovat vaikuttaneet energia-alaan merkittävästi. Tässä kirjassa onkin kuvattu energiamarkkinoiden toiminta kattavammin kuin missään aikaisemmissa teoksissa. Energiamarkkinoiden lisäksi kirjassa käsitellään uusia energiateknologisia ratkaisuja, eri energiantuotantomuotojen ympäristövaikutuksia sekä energiantuotannon kustannuksia. Suomen energiajärjestelmä on keskeinen osa yhteiskuntamme rakenteita. Markkinoiden vapauttaminen ja EU-tasoiset tavoitteet esimerkiksi päästökaupan osalta eivät ole vähentäneet sen merkitystä. Energia- ja ympäristöpolitiikka ovat siis jatkossakin tärkeässä asemassa valtakunnallisessa päätöksenteossa ja tavoitteiden asettelussa. Ympäristömyönteisyyden merkitys kasvaa, mutta samalla on huolehdittava energiaratkaisujen taloudellisuudesta, riittävästä omavaraisuusasteesta ja monipuolisuudesta, jotka ovat kaikki tärkeitä Suomen kansantalouden kehitykselle. Energia Suomessa -kirja toimii taustana energiakeskustelulle ja päätöksenteolle, ja on lisäksi oppikirjana teknillisissä yliopistoissa ja korkeakouluissa. Kirjalla halutaan myös herättää keskustelua energian tuotannon ja käytön eri vaihtoehdoista, mutta samalla muistuttaa niistä tekijöistä, joiden vuoksi energia-alan perusrakenteet muuttuvat hitaasti.

VTT on tehnyt tutkimuksen yhteistyössä Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskuksen kanssa. Tutkimuksessa selvitettiin yhdeksän lypsykarjapihaton ja kolmen sikalarakennuksen kosteus- ja lämpötilaolosuhteita vuoden kestäneellä mittauksella. Olosuhdeselvityksen tarkoituksena oli saada tietoa siitä, millaisiin sisäilmastorasituksiin uusien suurten kotieläinrakennusten rakenteet ja pintamateriaalit joutuvat. Sisäolosuhteiden erot näyttivät korreloivan kunkin kohteen ilmanvaihtojärjestelmän tekniseen toimivuuteen ja toimintaperiaatteeseen. Ilmanvaihdon määrässä oli tuntuvia puutteita. Kotieläinrakennusten ullakko-onteloiden tuulettumisessa oli puutteita. Tutkimuksen perusteella voidaan sanoa, että etenkin talviolosuhteissa suhteelliset sisäkosteudet olivat niin korkeita, että homeen synty ja esiintyminen oli todennäköistä. Lahovaurioiden syntyriski oli kuitenkin vähäinen. Tutkimuksen toisessa vaiheessa konehalleille, lypsykarjapihatoille ja sikaloille kehitettiin toiminnalliset pohjaratkaisumallit, jotka vastaavat kotieläintilojen lähitulevaisuuden rakennustarpeisiin. Pohjaratkaisuihin sovellettiin uusia puumateriaaleihin perustuvia runkorakennemalleja. Konehalleihin suositeltiin naulalevyrakenteista kolminivelristikkokehää sekä amerikkalaisperäistä Post-Frame-runkoa. Pihattoihin ja sikaloihin suositeltiin kerto- tai liimapuista kolminivelkehää, vetotangollista ansasristikkoa sekä liimapuista kolmiaukkoista pilari-palkkirunkoa. Kehitetyt runkorakennejärjestelmät ovat teollisesti esivalmistettavia tyyppiratkaisuja, jotka voidaan tarvittaessa toimittaa tuote-osatoimituksena valmiiksi asennettuna. Kaikki kehitetyt runkotyypit ovat itsensä jäykistäviä, jolloin niitä voidaan käyttää pitkissä rakennuksissa ilman poikittaisia väliseiniä tai jäykistereivauksia. Runkorakennemalleille selvitettiin rakenneratkaisut ja mitoitusmenetelmät. Jäykistysmenetelmät ja rakennemalleihin soveltuvat vaipparakenteet esiteltiin. Uutena jäykistemenetelmänä tarkasteltiin seinä- ja kattopeltien hyödyntämistä yhdessä mastopilarijäykistyksen kanssa. Tälle jäykistysmenetelmälle laadittiin suunnitteluohjeet ja mitoitusohjelma. Uusien runkorakennemallien kustannuksia verrattiin perinteisiin rakenteisiin. Uudet rakennemallit olivat tutkimuksen perusteella taloudellisesti kilpailukykyisiä.

Selvityksen kohteena olivat kaasutus- ja polttotekniikat, yhdistetyt energian, polttoaineiden ja kemikaalien tuotantovaihtoehdot, korkealämpötilapolttokennot ja polttokennohybridit. Paineistetun leijukerrospolton potentiaali ja markkinanäkymät ovat heikentyneet mm. perinteisen höyryvoimalan kehityksen, maakaasukombitekniikan hyvän kilpailukyvyn, kiristyneiden päästönormien sekä kaasutuskombitekniikan kehitysnäkymien myötä. Hiilen paineistettuun pölypolttoon perustuva kombivoimalaitosprosessin kehitys on vielä alkuvaiheessa. Toistaiseksi maailmalla rakennetut happikaasutukseen perustuvat IGCC-laitokset ovat olleet luonteeltaan demonstraatiolaitoksia. IGCC-tekniikan oletetaan kaupallistuvan ensin öljynjalostamoihin integroiduissa pohjaöljyn kaasutussovelluksissa ja sitten kivihiilikäyttöisissä lauhdevoimaloissa. Ilmakaasutukseen perustuvalla, ns. yksinkertaistetulla kaasutuskombiprosessitekniikalla on toistaiseksi toteutettu vain yksi koelaitos, jonka koekäyttö saatiin päätökseen vuonna 1999. Teknisesti prosessi on valmis myös suuren kokoluokan demonstrointiin. Kehitteillä olevista mustalipeän kaasutusprosesseista teknisesti pisimmällä on Chemrec-prosessi. Ilmanpaineinen prosessi on demonstroitu ja paineistetun prosessin demonstrointi on käynnistymässä sekä Ruotsissa että Yhdysvalloissa. Mustalipeän kaasutus tarjoaisi mahdollisuuden nostaa sellutehtaiden energiantuotannon rakennusastetta huomattavasti. Katalyyttisen polton odotetaan kaupallistuvan aluksi maakaasua käyttävissä pienissä kaasuturbiineissa ja bensiiniä käyttävissä mikroturbiineissa. Katalyyttinen poltto voi olla vaihtoehto myös biomassan kaasutuskaasun poltossa syntyvän polttoaineperäisen NOx:n eliminoimisessa. Moottorivoimaloissa voidaan käyttää myös kiinteistä polttoaineista valmistettua kaasutuskaasua tai pyrolyysiöljyä. Tekniikan kaupallistumisen esteenä pienvoimalasovelluksissa ovat olleet tekniset ongelmat, erityisesti kaasun puhdistukseen ja öljyn laatuun liittyvät kysymykset. Kaasutustekniikalla tuotettua synteesikaasua voidaan käyttää erilaisten kaasumaisten tai nestemäisten polttoaineiden ja kemikaalien valmistamiseen sekä energiantuotantoon. Hyödyntämällä lähtöaineiden ja tuotteiden joustavan käytön yhteistuotanto tarjoaa huomattavasti taloudellisemman vaihtoehdon nykyisiin, pelkkää energiaa tuottaviin laitoksiin verrattuna. Yhdysvaltojen yhteistuotantoon tähtäävissä projekteissa on useita hankkeita, joiden tarkoituksena on muuntaa eri raaka-aineista peräisin oleva synteesikaasu polttoaineiksi ja kemikaaleiksi. Fischer-Tropsch-teknologialla on tarkoitus tuottaa polttonesteitä korvaamaan bensiiniä ja dieselpolttoaineita. Synteesikaasun metanointiprosesseilla pyritään monikäyttöisen teollisuuskemikaalin, metanolin, tuotantoon. Jos jo käynnistyneissä hankkeissa todetaan, että tutkitut prosessivaihtoehdot ovat sekä teknisesti että taloudellisesti toteutuskelpoisia, uusien yhteistuotantolaitosten rakentaminen ja käyttöönotto aloitettaneen. Yhteistuotantolaitosten rakentamisen seurauksena on mahdollista vähentää tehokkaasti myös kasvihuonekaasujen päästöjä, erityisesti hiilidioksidipäästöjä. Suomessa energian, polttonesteiden ja kemikaalien yhteistuotantolaitokset voisivat perustua maamme biomassavarantoihin, Happikaasutukseen perustuvasta biojalosteiden tuotannosta on kuitenkin suuressa kokoluokassa vähän kokemuksia. Puunjalostusteollisuuden ohella myös muu prosessiteollisuus voisi olla sopiva sijoituspaikka yhteistuotannolle. Korkealämpötilapolttokennot ja polttokennohybridit ovat 0,2-10 MW:n kokoluokan sähköntuotannossa ja yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa käyttökelpoisia teknologioita jo kymmenen vuoden kuluessa. Suurten polttokennovoimaloiden toteuttamisen aika on kauempana tulevaisuudessa. Kaikki merkittävimmät polttokennokehittäjät pyrkivät markkinoille aluksi maakaasukäyttöisillä tuotteilla. Tekniikoilla voidaan saavuttaa korkeampia sähköntuotannon hyötysuhteita pienemmin päästöin kuin nykyisillä tai kehitteillä olevilla kilpailevilla tekniikoilla, ts. Polttomoottoreilla ja turbiineilla. Lyhyellä aikavälillä polttokennovalmistajien tavoitteena ovat lähinnä täsmämarkkinat. Korkealämpötilakennojen ja polttokennohybridien tutkimus ja kehitys kohdistuvat polttokennomoduulien ja järjestelmän hinnan alentamiseen ja kennojen tehotiheyden nostoon. Suomessa korkealämpötilapolttokennoihin kohdistuva tutkimus ja kehitys on kotimaisen teollisuuden, Tekesin ja VTT:n kiinnostuksen seurauksena lisääntymässä. Suomen kannalta erityisen kiinnostava, hieman pitemmän aikavälin vaihtoehto on biomassan ja erilaisten jätteiden kaasutuskaasun käyttäminen korkealämpötilakennoissa ja polttokennohybrideissä. Ensimmäiset kaasutuskaasusovellukset toteutettaneen sulakarbonaattikennoilla. Näillä on jo saatu kokemuksia kaasutuskaasun käytöstä. Kennojen toimintalämpötila on myös sopivampi nykyisiin kiinteäoksidikennoihin verrattuna.

As part of the European harmonisation of building codes, the determination of design values for loads and materials is important and is the motivation for this research. This report begins with a summary of the probabilistic basis of Eurocodes, analyses the strength distributions of wooden materials, demonstrates the effects of different distribution functions on the calculated safety level and shows some results of the applications of reliability analysis. When the number of experiments allows, determination of the 5% fractile of strength should be based on the function fitting on the lower tail of the strength values, for instance 10%. All smooth functions fitted to tail data gave good estimates of the 5% fractile. When the 5% fractile was determined from a function fitted to all data, up to 5% error occurred (in one case 9%) when compared to a non-parametric estimate. Three-parameter Weibull distribution gave, in all calculated cases, the 5% fractile within an accuracy of ±3%. The result of structural reliability analysis depends strongly on the load and strength distribution types used. When fitted functions are used in reliability analysis, it is essential that the fit is good in the lower tail area, the lowest values being most important. When fitted to the same data, a two-parametric Weibull distribution gives the most pessimistic prediction for the tail, with a normal distribution being next, and lognormal and three-parameter Weibull being the most optimistic. In an example, a two-parameter Weibull gave a failure probability 10 times higher than that of a three-parameter Weibull. The analysis suggests that gM = 1.2 to 1.3 is reasonable for timber structures when gG = 1.2 and gQ = 1.5.

The project concerned three different approaches to achieve reliable operationin fixed-bed gasification of available biomass residues. The first approach was based on the pretreatment of fuels for use in standard downdraft gasifiers. The second one was based on using a commercially available updraft fixed-bed gasifier for heating applications. The third was based on the developmentg of a new type of gasifier that were independent of the natural descending fuel flow caused by gravity. The downdraft gasification tests were carried out in Italy in a gasifier-engine-generator facility with a range of Italian biofuels, the aim being to create criteria for fuel selection, collect reliable performance data with suitable fuels and to identify technical possibilities for broadening the feedstock basis by using mixture fuels and additives. The test results and experiences clearly demonstrated the limitations of this type of commercial gasification technology. Operation experiences of commercial updraft gasifiers operating in Finland and Sweden were collected and evaluated. These updraft gasifiers operate well with sod peat and wood chips. However, these gasifiers cannot operate reliably with low-bulk density fibours fuels like bark, sawdust and shavings. The third technical approach was realised by designing, constructing and testing a pilot plant of a new type of gasifier, based on forced fuel flow and suitable for low-bulk-density fibrous biomass fuels. The pilot plant was connected to a secondary catalytic gas cleaning device, which made it possible to produce tar-free gas suitable for engine use. This new fixed-bed gasifier makes it possble to utilise such biomass residues and energy crops that cannot be used in the presently available fixed-bed gasifiers, like forest residue chips, sawdust and crushed bark. However, further work is required to demonstrate the whole gasifier, gas cleaning and engine concept and to define the lifetime and availability of the catalytic gas cleaning system.

We have studied ash formation during the pulverized combustion of coal both at laboratory and field scale combustion systems, with special emphasis on the formation of ultrafine ash particles below 0.5 µm in diameter. In addition, we have determined ash penetration through the electrostatic precipitator (ESP) as the function of particle diameter at various ESP operation conditions, both at field scale and at pilot-scale ESP. Volatilized ash species, mainly oxides of Al and Si, form agglomerated ultrafine ash particles during char combustion. The fraction of ash volatilized and accordingly the average particle size increases as the function of char surface temperature, i.e. when increasing the oxygen partial pressure surrounding the burning char particle. In addition, the ultrafine particle size decreases when increasing the distance between the burning char particles. The size distribution of ultrafine ash formed at given combustion conditions varied from one coal to another. The maximum penetration value from 3 to 10 % was measured for particles from 0.1 to 0.5 µm in diameter at full scale industrial ESP's. Pilot-scale studies showed that ultrafine ash particle collection efficiency can be significantly improved by reducing the ion concentration within the ESP via pulsed mode operation, by increasing the gas humidity and by reducing the gas temperature within the ESP.

The publicly funded gasification and pyrolysis research activities of VTT have been integrated into a three-year programme to elevate the profile of Finnish gasification and pyrolysis R&D and to efficiently maintain contacts with foreign enterprises that utilise these technologies. The programme is focused on applied technical research, and on process and equipment development done in co-operation with industries. The total volume of the programme in 1997-99 will amount to FIM 35 million, the main financiers being VTT, several EU Pro-grammes, the Technology Development Centre (Tekes) and a number of enter-prises. In addition to VTT's R&D projects, several confidential industrial and demonstration projects are also linked to the PROGAS programme. The PROGAS programme aims at promoting development and commercialisa-tion of energy production methods based on gasification and pyrolysis technol-ogy as well as creating new export products. The processes concerned will be more efficient, environmentally sounder and, in the long term, also more profit-able than the competing conventional combustion technology. This aim will be achieved through the following technical sub-tasks: · Supporting on-going and planned demonstration projects based on pressur-ised gasification through follow-up studies, test runs and solving critical problems · Improving the competitiveness of simplified IGCC plants by developing gasification of coal and biomass mixtures, hot gas cleaning and other critical parts of the process · Supporting demonstration projects based on atmospheric-pressure gasifica-tion, and solving critical problems that are hampering the commercialisation of the gasification systems for problematic agrobiomasses and wastes · Development and demonstration of power plant concepts based on flash py-rolysis and diesel engines and development of catalytic tar cleanup, presently the bottleneck of the gasification diesel power plant · Development of biomass-based flash pyrolysis oils to boiler fuels · Active development of new conversion methods for solid fuels and initiation of new research and development projects.

Atmospheric-pressure gasification of biomass and waste fuels and co-firing of pro-duced gas in large utility boilers is a promising and cost-effective method for re-ducing the CO2 emissions of coal-based energy production in short and medium time scale. The commercialisation of this co-utilisation technology will also pro-mote the development and commercialisation of advanced biomass-based power production systems, such as IGCC, which in the longer run have a key role in the global renewable intensive energy scenarios. The woody residues of mechanical and chemical wood industry as well as other high-grade woody biofuels can be co-combusted with coal in existing fluidised-bed boilers or even in pulverised combustors (1, 2) without major problems. On the other hand, extensive full-scale test programmes carried out with straw in Denmark (3) and with various agrobiofuels in the United States (4) have clearly shown the limitations of this type of co-combustion methods. Many potential biomass feed-stocks, such as straw, have a problematic ash melting behaviour, which causes sintering and fouling problems in combustors. Straw and many fast-growing energy crops as well as industrial and municipal waste fuels often contain high amounts of chlorine and alkali metals, which have a tendency to cause severe corrosion prob-lems in coal-fired boilers. This problem can be assumed to be more severe in the modern plants where supercritical steam values are utilised. Perhaps the most critical factor controlling possibilities for direct co-firing of these problematic biofuels in large PC boilers is the usability of coal ash for cement in-dustry and construction purposes. Demolition wood waste is another example of a locally important renewable feedstock, which is difficult to be introduced into ordi-nary coal-based combustion plants due to the relatively high content of heavy met-als (Zn, Pb, Cd) and chlorine. In principle, there are three main technical solutions to avoid sintering, corrosion and ash problems in co-utilisation of problematic biofuels in large coal-fired power plants: · Construction of a smaller separate boiler with low steam values for the biofu-els and superheating the steam of the biomass boiler in the coal-fired boiler. · Production of pyrolysis oils from the biomass, and · Gasification of biomass and combustion of cleaned product gas in the boiler. The concept based on gasification has several advantages over the other alterna-tives. First of all the gasification reactor, bubbling or circulating fluidised-bed, is simpler and much cheaper than the complete fluidised-bed boilers with steam cy-cles or complete pyrolysis oil production plants. Secondly, the product gas can be cleaned from trace metals, chlorine and other harmful contaminants prior to leading into the coal-fired boiler. Depending on the feedstock quality and on the require-ments for contaminant control different gas cleaning methods from simple hot cy-clones to effective low-temperature filtration can be used. Thirdly, the separation of gasification and gas combustion makes it possible to maintain stable high-temperature combustion in order to minimise risks for the formation of dioxins and other chlorinated organic compounds. Finally, the biomass-derived gas may even have positive effects also on the NOx emissions if it is introduced to the coal-fired boiler as a reburning feedstock (5). At present, there are a lot of on-going activities in Europe aiming at the demon-stration and commercialisation of this promising co-utilisation concept (6). Al-most all activities are based on Circulating Fluidised-Bed gasifiers. Series of studies on the critical technical questions of this co-utilisation concept are car-ried out by VTT Energy in the PROGAS R&D programme. The results obtained with wheat straw, demolition wood and fresh wood are outlined in this paper.

Reliable sampling and analysis of products from biomass gasification are essential for the successful process development and economical operation of commercial gasifiers. One of the most important and most difficult analytical tasks is to characterise the emissions from the gasifiers. This report presents a review of the sampling and analytical systems employed and developed when doing research on coal and biomass gasification. In addition to the sampling systems published in the literature, experiences obtained in various biomass gasification R&D projects of VTT in 1985-1995 are described. The present sampling methods used for different gas contaminants at VTT are also briefly presented. This report focuses mainly on the measurement of tars, nitrogen compounds and sulphur gases. Isokinetic and non-isokinetic sampling train systems are described and, in addition, special sampling apparatus based on liquid-quenched probe and gas dilution is briefly outlined. Sampling of tars with impinger systems and sampling of heavy tars with filter techniques are described in detail. Separate sampling of particulates is briefly discussed. From inorganic compounds the sampling systems used for H2S and other sulphur gases, NH3 and HCN and HCl are presented. Proper storage of the samples is also included in the report.

This report reviews the development of the biomass gasification technology in Finland over the last two decades. Information on Finnish biomass resources and use, energy economy and national research policy is provided as background. Global biomass resources and potential energy from biomass markets are also assessed based on available literature, to put the development of the gasification technology into a wider perpective of global biomass utilisation for energy production. The increasing use of biomass and other indigenous forms of energy has been part and parcel of the Finnish energy policy for some twenty years. Biomass and peat account for almost 20% of the production of primary energy in Finland. As the consumption of biofuels is significantly lower than the annual growth or renewal, the use of bioenergy is considered to be an important measure of reducing carbon dioxide emissions. Research and development on thermal gasification of solid fuels was initiated in the late 1970s in Finland. The principal aim was to decrease the dependence of Finnish energy economy on imported oil by increasing the utilisation potential of indigenous fuels. De-velopment in the early 1980s focused on simple atmospheric-pressure fuel gas applications including a gasification heating plant. Eight Bioneer updraft gasifiers (abt 5 MWth) were constructed in 1982 - 1986, and a new Bioneer gasifier was commissioned in eastern Finland in 1996. A Pyroflow circulating fluidised-bed gasifier was also commercialised in the mid-1980s; four gasifiers (15 - 35 MWth) were commissioned. In the late 1980s the interest in integrated gasification combined-cycle (IGCC) power plants, based on pressurised air gasification of biomass and hot gas cleanup, increased in Finland and in many other countries. The utilisation potential for indigenous fuels is mainly in medium-scale combined heat and electricity production (20 - 150 MWe). Foster Wheeler Energia Oy, Carbona Inc. and Imatran Voima Oy are the main gasification tech-nology developers in Finland. In 1993, a biomass IGCC demonstration plant based on Foster Wheeler gasification technology and owned by the Swedish utility company Sydkraft was commissioned in Sweden. The plant is the first combined-cycle plant for generating electricity from fuel gas produced entirely from biomass. Atmospheric-pressure gasification of biomass fuels is a simpler and cheaper technology than pressurised gasification. Co-combustion is a promising new alternative, in which the biomass gasification is integrated to a pulverised coal-fired boiler. The concept will be demonstrated by Foster Wheeler Energia Oy and a municipal power company.

The objectives of this thesis were to examine the effects of the feedstock and the operating conditions of a fluidized-bed gasifier on the formation of tars and nitrogen-containing compounds and to study the effectiveness of the hot gas cleaning methods developed for the removal of particulates, alkali metals, tars and nitrogen-containing compounds. The most essential part of the work was carried out in the pressurized fluidized-bed gasification test facilities composed of an air-blown bubbling fluidized-bed gasifier and subsequent hot gas filter unit. The operation pressure of the test rig could be varied in the range 0.3 - 1.0 MPa and the maximum allowable gasification temperature was 1 050 oC. The maximum capacity with biomass fuels was 80 kg/h. A wide range of feedstocks from hard coals, lignite and peat to different wood-derived fuels and straw were used in the gasification tests. Very little tars were formed in the gasification of hard coals and lignites. In peat gasification 1 - 3 % of the dry ash free matter of the feedstock was converted into tars. In wood gasification the tar yields were roughly five times higher than in peat gasification. With all feedstocks studied, the total tar content could be clearly reduced by increasing the gasification temperature. At low temperatures (below 800 oC) the tar consisted of a wide range of different organic compounds, while at above 850 oC all unstable pyrolysates were decomposed leaving only benzene and higher-molecular-mass aromatic compounds. The formation of problematic high-molecular-mass compounds (>200 g/mol) was typical of gasification of biomass fuels with fine particle size distribution (such as saw dust). In the gasification of wood chips and other biomass fuels with a larger particle size, the formation of high-molecular-mass tars was avoided by using dolomite as the bed material. The fate of fuel nitrogen in fluidized-bed gasification tests was dependent, on one hand, on the gasification temperature and air ratio and, on the other hand, on the feedstock properties. With all feedstocks studied ammonia was the main fixed nitrogen species present in the product gas. With high-volatile fuels, generally gasified at low temperatures, more than 60 % of feedstock nitrogen was converted into ammonia. Clearly lower conversions were measured for high-temperature gasification of bituminous coals. Two different types of ceramic filters were tested in the filter unit connected to the pressurized fluidized-bed gasifier. The filter unit was operated in a temperature range of 400 - 740 oC. The particulate removal requirements set by the gas turbines were met by both types of filters and with product gases derived from all the feedstocks tested. However, the early experiments with the homogenous filters (uniform pore size throughout the filter element) resulted in slowly but continuously increasing pressure drop. Constant pressure drop behaviour was later achieved with product gases obtained from coal and peat gasification using two-layer filter elements, which consisted of a thin fiber-containing layer of small pores outside the coarser support structure. The first saw dust gasification tests led to almost complete blocking of the filters in less than five hours. Satisfactory filtration behaviour was later achieved also in saw dust gasification by optimizing both the gasification and filtration conditions and by using dolomite addition into the gasifier. In the fluidized-bed gasification tests the bulk of alkali metals was retained in the solid output streams (bottom ash, particulates removed by the cyclone and the filter unit). Only less than 1 % of the feedstock alkalis was found in the hot product gas leaving the secondary cyclone. However, the vapour-phase concentrations determined after the hot cyclones were generally of the order of 1 ppm-wt, while the estimated allowable maximum alkali concentration in the product gas was of the order of 0.1 ppm-wt. This very stringent limit set by the gas turbine manufactures could, however, be met with most gasification feedstocks by cooling the product gas to below 400 - 550 oC before the ceramic filter unit. In addition to the gasification and gas filtration tests, catalytic tar and ammonia decomposition was studied using both laboratory and bench-scale test facilities. Inexpensive calcium-based bulk materials, dolomites and limestones, were efficient tar decomposition catalysts in atmospheric-pressure tests. However, these materials lost their activity at high operating pressures, where the calcination of CaCO3 was prevented by the high partial pressure of CO2. Calcium-based materials did neither have catalytic effects on ammonia decomposition. Nickel-based materials were effective both at atmospheric-pressure and high-pressure tests. Total tar decomposition and 80 - 90 % reduction in ammonia concentration were obtained by the novel nickel-based monolith catalyst tested (at 0.5 MPa, 900 oC) in a slip stream of the pressurized gasifier. The activity of the catalyst also remained constant throughout the 500-hour extended time test, during which the operating conditions were kept constant.

Gasification of coal, peat and wood waste has been studied in the PDU-scale pressurised fluidised-bed gasification test facilities of VTT since 1988. The main aim of the research has been to support the development of simplified integrated gasification combined-cycle processes by providing new information on the gasification behaviour of these feedstocks and on the formation and removal of different gas impurities. This report is the second part of the final report on the biomass, peat and coal gasification test programme carried out in 1991 - 1994. It includes gasification data on three different hard coals and a summary of the hot gas filtration experiments carried out in peat and coal gasification trials. The test facility, the sampling and analytical methods applied, and the summary of sawdust gasification results were presented in the first part of the report (VTT Publication 161).

The objectives of the study were preparation of the process design and flowsheets and mass and energy balances for two peat-fuelled gasifica?tion combined cycles: one using the present technology and the other the potential technology; and a continued development of a consistent set of techno-economic evaluations of new biomass fuelled combined-cycle power plants under development. A process analysis computer program, ASPEN PLUSTM, was used as the basic framework for performing the energy and material balances. Although the programme was not developed especially for power plant design, it is quite suitable for this application due the features of inte?grated gasification-combined cycles. Both cogeneration power plant concepts were designed around an existing gas turbine. The major differences between the two concepts were the gas turbine combustion temperature (1 120/1 300 ?C), and the method of gas cleaning (cold/hot). The power production efficiency of the present case was 41 % and that of the potential case 45 %. The power-to-heat ratio increased from 0.91 to 1.03, when potential technology was applied. The potential case is quite promising for cogeneration, since, in addition to the high efficiency, its capital costs should be lower than those of the present case. Gasification-combined cycles should be of extreme interest for utilities, since their high power-to-heat ratio of about 1.0 is favour?able compared with 0.5, typical of conventional solids-fuelled cogene?ration power plants.

Kiinteäoksidipolttokennoissa kaasumaisen polttoaineen energiasisältö voidaan muuntaa suoraan sähköksi korkealla hyötysuhteella. Erityyppisiä kiinteäoksidikennoja testataan lähinnä laboratoriomitassa. Westinghouse-yhtiön kehittämää putkikennoa on jo testattu asiakkaiden luona, ja saadut kokemukset ovat olleet rohkaisevia. Laitteiston teho testeissä oli 3 kW. Suunnitelmissa on rakentaa vuoteen 1996 mennessä 100 200 kW:n laitokset, jotka voisivat olla pohjana tuleville voimalaitoskonsepteille. Levykennoissa ja monoliittisessa kennorakenteessa voivat häviöt muodostua huomattavasti pienemmiksi ja tehotiheys suuremmaksi kuin putkikennokonstruktiossa. Näiden kennojen tehot ovat laboratoriossa olleet vain 100 200 W. Kiinteäoksidikennojen rakentaminen voimalaitoskokoon edellyttää nykyisiä kennomateriaaleja parempien materiaalien ja kennon komponenttien valmistustekniikan kehittämistä. Kolmelle kiinteäoksidipolttokennoon perustuvalle voimalaitosprosessille tehtiin hyötysuhdetarkastelut ASPEN PLUS -ohjelmistolla. Prosesseista kaksi perustuu puun leijukerrosilmakaasutukseen ja yksi maakaasun käyttöön. Vertailuprosesseina olivat puun paineistettuun leijukerrosilmakaasutukseen perustuva kombiprosessi ja maakaasukombiprosessi. Työssä tarkasteltiin kahden polttokennoparametrin, polttoaineen käyttöasteen ja kennojännitteen, vaikutusta prosessien toimintaan. Voimalaitosprosessien sähköhyötysuhdetta ja rakennusastetta voitiin huomattavasti nostaa liittämällä polttokenno osaksi kombivoimalaitosprosessia. Puun paineistettuun kaasutukseen perustuvalla polttokennoprosessilla saavutettiin noin 10 prosenttiyksikköä korkeampi hyötysuhde kuin ilman polttokennoa. Maakaasuprosessissa parannus oli yli 20 prosenttiyksikköä. Maakaasuprosessin sähköhyötysuhde oli noin 70 %.

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen mukaan rautayhdisteillä voidaan alentaa kuivan tuotekaasun läkkipitoisuus alle 100 ppm:iin, jos toimitaan alle 450 °C:ssa. Rauta-oksideilla rikkivedyn tasapainopitoisuus kaasutuskaasussa nousee lämpötilan ja kaasun vesihöyrypitoisuuden noustessa. Paine ei vaikuta merkittävästi rikkivedyn tasapainopitoisuuteen. Tyypillisessä turpeen leijukerroskaasutuksen kaasuatmosfäärissä rautaoksidi ei pelkisty alkuaineraudaksi. Rautaoksidi ei ilman seosaineita ole riittävän kestävä useissa peräkkäisissä absorptio- ja regenerointivaiheissa korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Seostamalla rautayhdiste esimerkiksi alumiinioksidilla tai piidioksidilla tai lisäämällä siihen pieniä määriä tiettyjä lisäaineita voidaan sorbentin kestävyyttä parantaa merkittävästi. Myös rautaoksidia tehokkaampia sorbentteja tutkitaan. Yksi lupaavimmista 1980-luvulla kehitetyistä seosmetallisorbenteista on sinkkiferriitti, jolla on päästy alle 10 ppm:n tuotekaasun rikkivetypitoisuuksiin. Sinkkiferriitin käyttökelpoisuutta rajoittavat kuitenkin sorbentin heikko kestävyys korkeassa lämpötilassa sekä sinkkihöyryjen muodostuminen. Seosmetallisorbenttien kehitystyön tavoitteena on parantaa sorbenttia niin, että se säilyttää riittävästi lujuuttaan ja rikinsitomiskykyään toistuvissa absorptio- ja regenerointivaiheissa. Metallioksidiseoksia joiden rikinpidätysteho on parempi ja jotka voivat toimia korkeammassa lämpötilassa kuin sinkkiferriitti, tutkitaan. Tavoitteena on samalla poistaa myös muita kaasussa olevia haitallisia yhdisteitä kuten ammoniakkia ja klorideja. Rikin talteenottamiseksi tutkitaan erilaisia prosessointivaihtoehtoja. Yksinkertaisempia ja halvempia prosesseja tavanomaisen Elaus-prosessin korvaamiseksi alkuainerikin tuotannossa kehitetään. Kobolttititanaattia sisältävä metallioksidiseos on todettu käyttökelpoisimmaksi sorbentiksi, jolla voidaan tuottaa regeneroinnissa suoraan alknainerikkiä. Sekoittamalla kaasutuskaasua ja sorbentin regeneroinnista syntyvää rikkidioksidipitoista kaasua ja antamalla seoksen reagoida sopivassa lämpötilassa ja paineessa katalyytin läsnäollessa on yli 95 % kokonaistikistä saatu talteen alkuainerikkinä.

Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen polttoainejalostus- ja voitelutekniikan laboratoriossa on rakennettu pienlämpöarvoisen kaasun polttolaitteisto. Kaasunpolttokattilana käytetään 25 kW:n vaihtopolttoainekattilaa. Kaasupoltin on alun perin maakaasun polttoon suunniteltu jälkisekoituspoltin. Polttimen putkisto ja palopää modifioitiin pienlämpöarvoiselle kaasulle sopiviksi. Kaasu valmistettiin ja puhdistettiin laboratorion myötävirtatyyppisessä kaasuttimessa ja siihen liittyvässä puhdistuslaitteistossa. Polttokokeessa käytetyn kaasun keskimääräinen analyysi oli: CO = 19,2 %, H2 = 13,6 %, CH4 = 3,7 %, CO2 = 13,8 % ja N2 = 49,7 % sekä lämpöarvo 5,17 MJ/mn3. Kaasun lämpötila polttimella oli 19 °C ja paine 34 mbar. Polton ilmakerroin oli keskimäärin 1,14, savukaasun lämpötila 191 C ja kattilan teho 26 kW. Kattilahyötysuhteeksi saatiin 88,1 %. Oikealla kattilamitoituksella on saavutettavissa 93 %:n kattilahyötysuhde pienlämpöarvoisen kaasun polttolaitoksissa. Tulokset osoittavat, että kotimaisen kiinteän polttoaineen poltossa on saavutettavissa vastaava tekninen taso kuin polttoöljyn ja maakaasun poltossa. Jalostamalla kiinteä polttoaine kaasumaiseen muotoon sekä jäähdyttämällä ja puhdistamalla kaasu voidaan kaasua jakaa putkistossa kuluttajille. Tätä tekniikkaa soveltaen voidaan kotimaisten polttoaineiden käyttöä laajentaa kohteisiin, joissa kiinteän polttoaineen käyttö on mahdotonta. Tällaisia ovat mm. eräät öljyä käyttävät teollisuusuunit. Kaasuttamalla valmistettu, puhdistettu pienlämpöarvoinen kaasu on poltettavissa maakaasun polttotekniikalla. Kaasun käyttöä rajoittavia tekijöitä saattavat olla liekin matalampi lämpötila ja poltossa syntyvä suurempi savukaasumäärä maakaasun tai polttoöljyn polttoon verrattuna.

Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa (VTT) rakennettiin koelaitteisto pienlämpöarvoisen kaasun moottorikäyttöä varten. Tavoitteena oli pienimuotoisen sähköntuotannon edellytysten selvittäminen. Kaasu valmistettiin puuhakkeesta myötävirtatyyppisessä kaasuttimessa ja puhdistettiin kaksivaiheisella vesipesulla moottorikäyttöön sopivaksi. Moottorina oli Valmet 611 -tyypin moottori. Se muunnettiin kokeita varten kipinäsytytteiseksi, sen puristussuhdetta alennettiin mäntiä sorvaamalla arvosta 17:1 arvoon 11:1 ja se varustettiin mekaanisella käyntinopeussäätimellä sekä asennettiin hydrauliseen moottoridynamometriin. Kaasun laatu- ja painevaihtelujen vaikutusten eliminoimiseksi moottoriin rakennettiin automaattinen kaasu-ilmaseoksen säätöjärjestelmä.Koeajoissa määritettiin saavutettavissa oleva maksimiteho eri kierrosnopeuksilla sekä moottorin säätöparametrien vaikutus moottorin toimintaan ja hyötysuhteeseen. Suurin saavutettu teho oli 65 kW:n pyörintänopeudella 2 300 r/min. Jatkuvassa käytössä oli suurin saavutettu teho noin 50 kW:n pyörintänopeudella 2 100 r/min. Moottorin hyötysuhde oli parhaimmillaan noin 30 %. Parhaat hyötysuhdearvot saavutettiin 33 - 35°:n sytytysennakoilla. Puhdistettu pienlämpöarvoinen kaasu sopii melko hyvin paikallismoottorien polttoaineeksi, ja Otto-periaatteella pystytään toimimaan pelkällä kaasulla. Sen sijaan kaasun puhtaustaso ei käytetystä vesipesumenetelmästä huolimatta ollut riittävä pitkäaikaiseen käyttöön. Moottorin imujärjestelmä olisi todennäköisesti vaatinut puhdistusta jo muutaman vuorokauden yhtäjaksoisen käytön jälkeen. Niinpä jatkotutkimus onkin suunnattava kaasun puhdistukseen tervamaisista epäpuhtauksista.

Kiiinteiden polttoaineiden paineistettuun leijukerrospolttoon tai kaasutustekniikkaan perustuvien kaasuturbiinivoimalaitosten teollisessa toteutuksessa on suurin ongelma korkeassa lämpötilassa ja paineessa tapahtuva kaasunpuhdistus. Kirjallisuustutkimuksessa keskitytään hiukkasten ja alkalimetallien aiheuttamiin ongelmiin sekä niiden poistoon kuumista savukaasuista ja kaasutuksen tuotekaasuista. Eroosion takia on kaasuturbiiniin johdettavan kaasun hiukkaspitoisuutta alennettava. Arviot vaadittavasta puhtaustasosta vaihtelevat huomattavasti. Eräiden lähteiden mukaan maksimihiukkaspitoisuus on 100 - 200 ppm. Yli 10 mm:n hiukkasia saa olla korkeintaan 1 ppm ja yli 5 mm:n korkeintaan 10 ppm. Myös alkalimetalleista ja korroosio-ongelmista on monenlaisia käsityksiä. Kaasutuksen ja leijukerrospolton kaasunpuhdistustavat poikkeavat toisistaan monessa suhteessa. Kaasutukseen perustuvissa kaasuturbiiniprosesseissa voidaan kaasu puhdistaa myös konventionaalisella matalalämpötilapuhdistuksella. Puhdistettavan kaasun tilavuusvirta on vain noin 15 - 35 % leijukerrospolton kaasuvirrasta. Kaasutuksen hiukkasten hiilipitoisuus on yleensä 30 - 70 paino-%, kun leiju- kerrospoltossa on hiukkasissa palamatonta hiiltä alle 5 paino-%. Kaasutuskaasun kuumapuhdistuksen erityisongelmia ovat tervamaiset epäpuhtaudet sekä tietyissä lämpötiloissa hiiltä synnyttävät reaktiot. Kuumassa tilassa toimivista puhdistuslaitteista on vain sykloneista teollisen mitan kokemuksia kaasuturbiinikäyttöä vastaavissa oloissa. Perinteisten syklonien pienten partikkelien erotuskyky on kuitenkin liian huono. Kehitettyjen tehomultisyklonien käyttöön paineistetussa tilassa taas liittyy vielä selvittä- mättömiä kysymyksiä. Muista puhdistusmenetelmistä pidetään lupaavimpina keraamisia suodattimia. Myös sähkösuodatinten käytöstä alle 800 °C:n lämpötiloissa on saatu rohkaisevia tuloksia. Metallisuodatinten käyttö rajoittunee alle 500 - 700 °C:n lämpötiloihin. Kulumisongelmien takia kehitteillä olevissa raesuodattimissa on materiaaliongelmia ja raekerroksen puhdistusvaikeuksia.

Julkaisussa tarkastellaan turvetta käyttävän kaasutus-kaasuturbiinitekniikan kehitysastetta ja kilpailukykyä. Tämä ns. kombivoimatekniikka on nousemassa kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi kivihiileen perustuvassa sähkön tuotannossa. Sen ympäristöpäästöt ovat huomattavasti konventionaalisen tekniikan päästöjä pienemmät. Tutkimuksessa selvitetään ensin kaasutus-kombivoimalaitos-kivihiilitekniikan (KKV) nykytila ja kehityssuunnat. Sen jälkeen tarkastellaan turpeen kuivaukseen ja kaasutukseen, kaasun puhdistukseen sekä kaasuturbiiniin liittyvien tärkeimpien prosessiparametrien muutosten vaikutuksia laitoksen hyötysuhteeseen. Kolmen prosessikonseptin aine- ja energiataseet esitetään. KKV-tekniikalla tuotetun sähkön tuotantokustannuksia verrataan konventionaalisella tavalla tuotetun kustannuksiin. Nykyisin toteutettavissa olevan KKV-tekniikan (turpeen happikaasutus, kaasun vesipesu ja kylmäpuhdistus) tuotantokustannukset ovat lähes samat kuin konventionaalisessa voimalassa tuotetun sähkön (alle l80 mk/MWh). KKV-laitoksen hyötysuhde on 43 % ja konventionaalisen 37 %. l50 MW sähköä tuottavien laitosten vuotuiset rikkioksidipäästöt ovat vastaavasti 67 ja 2600 tuntia. Kehitteillä olevan KKV-tekniikan hyötysuhteeksi on arvioitu lähes 50 %. Sähkön tuotantokustannuksiksi on arvioitu noin 150 mk/MWh. Tällainen tekniikka voi olla teknisesti toteutettavissa l990-luvulla. Uuden tekniikan taloudellinen kilpailukyky näyttää erinomaiselta. Arvioitu pääomantarve saa kasvaa lähes 50 %, ennen kuin tuotetun sähkön hinta kohoaa nykytekniikalla tuotetun sähkön hinnan tasolle.

Vastavirtakaasutukseen ja kaasun polttoon modifioidussa öljykattilassa perustavan lämpökeskuksen tekniikkaa ja taloutta tutkittaessa havaittiin järjestelmän 1 MW:n pilot-laitteistolla tehdyssä koesarjassa toimivan odotusten mukaisesti. Laitoksen kokonaishyötysuhteeksi mitattiin 80 - 84 % ja säätöalue oli 20 - 100 % nimellistehosta. Kaasupoltin osoittautui onnistuneeksi. Savukaasun happipitoisuus voitiin aina pitää alle 4 %:n (kuivista savukaasuista) ilman, että savukaasuissa olisi esiintynyt palamattomia aineksia. Myös laitoksen säädettävyys osoittautui hyväksi. Koelaitteisto osoitti järjestelmän sopivan lähes kaikille palamaisille hiilipitoisille polttoaineille. Rajoittavina seikkoina ovat polttoaineen maksimikosteus (noin 55 %), riittävän korkea tuhkan pehmenemislämpötila (yli 900 °C) ja materiaalikerroksen riittävä kaasun läpäisykyky. Kehitetyn menetelmän ensimmäisenä teollisena sovellutuksena otettiin Kankaanpäässä alkuvuodesta 1982 käyttöön 5,2 MW:n kaukolämpökeskus, jossa tehtyjen mittausten tulokset esitetään. Laitoksen hetkelliseksi hyötysuhteeksi mitattiin 85,7 % käytettäessä kosteudeltaan noin 40-prosenttista palaturvetta. Lukuun ei sisälly käytetty sähköenergia, joka oli 11 kWh/MWh. Kaasutuslämpökeskuksen taloudellisuutta arvioidaan vertaamalla lämmöntuotantokustannaksia kauppa- ja teollisuasministeriön energiaosaston julkaisussa "Kotimaisten polttoaineiden kilpailukyky 1982" esitettyihin keskimääräisiin lämmöntuotantokustannaksiin. Kaasutuslämpökeskus on kaikissa tarkastelluissa kokoluokissa kilpailukykyinen maihin kiinteän polttoaineen laitoksiin verrattuna. Kilpailukyky öljyyn nähden edellyttää kokoluokasta riippuen 3000 - 5000 tunnin vuotuista huipunkäyttöaikaa.

Läpinäkyvästä akryylimuovista valmistetulla mallireaktorilla määritettiin puun ja turpeen leijutusominaisuuksia. Kaasutuskokeet tehtiin pienellä laboratoriomitan leijukerrosreaktorilla. Kylmämallilla määritettiin puru- ja turvemateriaalien leijutusnopeudet ja patjasta poistuvan hienoaineksen määrät. Mitattujen leijutusnopeuksien todettiin olevan selvästi suuremmat kain lasketut nopeudet. Puru- ja turvepartikkelit fluidisoituivat hiukkasryhminä eikä yksittäisinä hiukkasina. Kaasutuskokeet tehtiin leijukerrosreaktorilla, jonka sisäläpimitta oli 150 mm. Sahanpuru havaittiin melko hyvin kaasuuntuvaksi materiaaliksi. Kuivaa purua kaasutettaessa oli kaasun lämpöarvo keskimäärin 5 MJ/m3n ja kaasuna saatiin noin 75 % syötetystä energiasta. Poistuvan hiiliaineksen määrä oli virtausnopeusalueella 0,3 - 0,6 m/s 1 - 5 % syötetyn purun kuiva-aineen määrästä. Seulomattoman jyrsinturpeen kaasutuksessa oli vastaava poistuma 18 - 22 %. Tämä vastasi 20 - 30 % syötetyn turpeen energiasta. Tuotekaasun lämpöarvo jäi hieman pienemmäksi kuin purun kaasutuksessa ja kaasun kemiallisena energiana ja entalpiana saatiin parhaimmillaankin vain 65 % käytetyn turpeen energiasta.

The BiGPower project was related to the development of 2nd generation high-efficiency biomass-to-electricity technologies, which have the potential to meet the targets of cost effective electricity production from wide range of biomass and waste fuels in size ranges typical to locally available feedstock sources (below 100 MWe). This project was designed to create the fundamental and technical basis for successful future industrial developments and demonstration projects aiming to commercial breakthrough by 2010-2020. This overall aim was approached by carrying out in pre-competitive manner well-focused R&D activities on the key bottlenecks of advanced biomass gasification power systems. Three promising European gasification technologies in this target size range were selected to form the basis for the development: 1) air-blow novel fixed-bed gasifier for size range of 0.5-5 MWe, 2) steam gasification in a dual-fluidised-bed gasifier for 5-50 MWe and 3) air-blown pressurised fluidised-bed gasification technology for 5-100 MWe. In all biomass gasification processes, the product gas contains several types of gas contaminants, which have to be efficiently removed before utilising the gas in advanced power systems. The key technical solutions developed in the BiGPower project were: a) high-temperature catalytic removal of tars and ammonia by new catalytic methods, and b) development of innovative low cost gas filtration. Three most potential power production cycle alternatives were examined and developed: 1) gas engines, 2) molten carbonate fuel cells (MCFC) and 3) the simplified Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) process. The performance and techno-economic feasibility of these advanced gasification-to-power concepts were examined by carrying out case studies in different European Union.

The Nordic forest industry creates new concepts and provides solutions to mitigate climate challenge. One of the most interesting concepts is the integrated production of pulp and paper products and transportation fuels. The Finnish and Swedish activities are aiming to the same objective increased profitability of pulp and paper industry by using their by-products for producing high-quality renewable fuels. The technical approaches are different. For the technologies the scientific co-operation in the R & D consortium of VTT-ETC-LTU-SINTEF created background know-how through experiments and modelling in NORDSYNGAS project realised between 2010-2014. The objective of the project was to create new scientific knowledge on fluidised-bed and entrained-flow gasification of biomass residues and black liquor in order to support the Nordic industrial development and demonstration projects. In addition, close co-operation between the Finnish, Swedish and Norwegian R&D organisations was organised.