Suomen kasvihuonekaasupäästöt Kioton pöytäkirjan ensimmäisen sopimuskauden lopussa – kokonaistilanne ja vähentämistoimenpiteet

Tämä diplomityö on läpileikkaus kasvihuonekaasupäästöistä sekä niitä koskevista vähennystoimenpiteistä Suomessa Kioton pöytäkirjan ensimmäisen sopimuskauden lopussa. Työ on toteutettu kirjallisuustutkimuksena ja siihen on käytetty painettuja sekä sähköisiä lähteitä. Huoli ilmastonmuutoksesta on saanut aikaan sen, että kasvihuonekaasupäästöjä rajoitetaan tänä päivänä kansainvälisillä sopimuksilla. Vaikka kaikki suuretkaan päästäjämaat eivät ole sopimuksia ratifioineet, ovat EU-maat Suomi mukaan lukien sitoutuneet YK:n ilmastonmuutosta koskevaan puitesopimukseen ja sen noudattamiseen. Puitesopimusta tarkentavassa Kioton pöytäkirjassa EU sitoutui vähentämään kuuden eri kasvihuonekaasun kokonaispäästöjä yhteensä 8 prosenttia ajanjaksolla 2008–2012 vuoteen 1990 verrattuna. Kasvihuonekaasut, joita rajoitukset koskivat, olivat hiilidioksidi, metaani, dityppioksidi, fluorihiilivedyt, perfluorihiilivedyt ja rikkiheksafluoridi. EU:n sisäisessä taakanjaossa Suomen tavoite oli pitää päästöt vertailuvuoden 1990 tasossa ja Suomi alitti tämän noin viidellä prosentilla. Vuoden 2012 jälkeen Suomen kasvihuonekaasupäästöjen vähennystavoite on kiristynyt. Vuosille 2013–2020 Suomen tavoite on vähentää kasvihuonekaasupäästöjä 20 prosenttia alle perusvuoden 1990 tason. Työssä tutustutaan myös keinoihin, joilla aiempien ja tulevien päästöjenvähennystavoitteiden saavuttaminen on mahdollista. Näitä keinoja on mm. erilaisten biopolttoaineiden sekoittaminen fossiilisten polttoaineiden sekaan, energiatehokkuuden parantaminen ja biokaasun käytön lisääminen. Lisäksi työssä käsitellään eräitä merkityksellisiä käsitteitä, kuten EU:n päästökauppajärjestelmä ja hiilidioksidin talteenotto ja varastointi.

Separation of lignin in Pulp Mill process and its effect on sodium sulphur balance

The aim of this thesis is to define effects of lignin separation process on Pulp mill chemical balance especially on sodium/sulphur-balance. The objective is to develop a simulation model with WinGEMS Process Simulator and use that model to simulate the chemical balances and process changes. The literature part explains what lignin is and how kraft pulp is produced. It also introduces to the methods that can be used to extract lignin from black liquor stream and how those methods affect the pulping process. In experimental part seven different cases are simulated with the created simulation model. The simulations are based on selected reference mill that produces 500 000 tons of bleached air-dried (90 %) pulp per year. The simulations include the chemical balance calculation and the estimated production increase. Based on the simulations the heat load of the recovery boiler can be reduced and the pulp production increased when lignin is extracted. The simulations showed that decreasing the waste acid stream intake from the chlorine dioxide plant is an effective method to control the sulphidity level when about 10 % of lignin is extracted. With higher lignin removal rates the in-mill sulphuric acid production has been discovered to be a better alternative to the sulphidity control.

Hiiliteräspalkin kuitulaserhitsaus

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen ja mahdollinen parantaminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Laserhitsauksen nopeus, tarkkuus, tasainen laatu ja aikaansaatava syvä tunkeuma ovatkin vakiinnuttaneet menetelmän vankan aseman tehokkaana valmistusmenetelmänä. Sähkön ja heliumin hinnan nousu ovat pakottaneet teollisuuden miettimään entistä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien laserlähteiden hankkimista. Kuitulaserin korkea hyötysuhde, hyvä säteenlaatu, suuri teho ja matalat käyttökustannukset ovat herättäneet kiinnostusta laserhitsaavassa teollisuudessa. Diplomityössä keskityttiin kuitulaserhitsauksen soveltamiseen. Työn tavoitteena oli parantaa kuitulaserhitsausmenetelmän ymmärrystä ja saada käsitys siitä, miten valitaan hitsausparametrien arvot, ja soveltuuko kuitulaser teolliseen tuotantoon. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään peruskokeilla optimaaliset hitsausparametrit, joilla syntyy hyvin tunkeutunut, vähän huokosia sisältävä, ja ulkoisesti laadukas hitsi, sekä optimaalinen hitsin tunkeumaprofiili. Lopuksi hitsausparametreja testattiin tuotteen hitsauksessa. Kuitulaser soveltuu erinomaisesti hiiliteräksen hitsaukseen ja hyvin erikoislujien terästen hitsaukseen, kun teräksen hiili- ja rikkipitoisuudet ovat matalia. Sillä on laaja parametrialue. Yleisimmät hitsausvirheet ovat vajaa hitsautumissyvyys ja huokoset. Tässä diplomityössä keskityttiin etsimään yhdelle valmistettavalle tuotteelle optimaaliset kuitulaserhitsausparametrit. Kuitulaserin laser- ja prosessiparametrien vaikutusta hitsiin ei ole juurikaan tutkittu. Diplomityön kokeiden perusteella olisi hyvä tehdä eri materiaalien jatkotutkimusta railonvalmistuksen, kuten liitoksen oksidikerroksen ja ilmaraon sekä suojakaasun, vaikutuksesta hitsiin. Kuitulaserin hyvä säteenlaatu ja muut laser-parametrit ovat tuoneet mukanaan prosessiin uusia ilmiöitä, joita on syytä tutkia lisää.

Sulfaattiselluloosatehtaan rikki- ja natriumtase sekä kemikaalikierron malli

Tämän diplomityön kirjallisessa osassa on tarkasteltu sulfaattiselluloosatehtaan ympäristöpäästöjen vähentämiseen liittyvää ongelmallisuutta sekä luomaan pääpiirteittäinen kuvaus sulfaattiselluloosatehtaan kemikaalikierrosta lähinnä rikki- ja natriumyhdisteiden kiertoja huomioiden. Pääasiassa kemikaalisäästöjen ja ympäristösyiden vuoksi tehtävää kemikaalikierron sulkemista seuraa rikki- ja natriumtaseisiin sekä kemikaalikierron vierasaineisiin liittyviä ongelmia, kuten prosessilaitteistojen likaantumista, korroosiota ja hajukaasuyhdisteiden muodostumista. Diplomityön mallinnusosassa on luotu Metsä-Botnian Rauman sellutehtaan kemikaalikierron malli pohjautuen tehtaan virtauskaavioihin sekä muuhun tehtaalta saatuun prosessi-informaatioon. BALAS-simulointiohjelmiston avulla luotuja mallikaavioita on käytetty hyväksi tehtaan kokonais- rikki- ja natriumtaseiden laskennassa. Varsinainen simulointi on jätetty projektin aikataulullisten syiden vuoksi jatkoprojektin piiriin.

Plasmapolttoprosessin kehittäminen ja optimointi

Ydinvoimaloidenprimaarivesikierron puhdistukseen käytetään ioninvaihtohartsia. Käytönjälkeen ioninvaihtohartsi luokitellaan matalaja keskiaktiivisiin jätteisiin. Plasmakäsittelyllä käytetyn ioninvaihtohartsin tilavuutta voidaan pienentää sekä sen orgaaninen luonne poistaa. Plasmakäsittelyn tarkoituksena on hapettaa orgaaninen aines oksideiksi, jotka poistuvat prosessista savukaasuina. Epäorgaaninen aines, joka sisältää radioaktiivisen aineksen, on tarkoitus hapettaa oksideiksi ja sulfideiksi, jotka voidaan kerätä talteen tuhkana. Tässä diplomityössä käsitellään käytetyn ioninvaihtohartsin käsittelyyn suunnitellun plasmapolttoprosessin kehittämistä ja optimointia. Ioninvaihtohartsin plasmakäsittelyssä syntyvien reaktiotuotteiden selvittäminen suoritettiin tarkastelemalla ainetaseita sekä aihetta käsitteleviä tutkimuksia. Näiden perusteella parannettiin jäähdytystä, suunniteltiin jatkuvatoiminen syöttömenetelmä sekä laadittiin toimintaalueen reunaehdot laitteistolle. Koelaitteistossa 6,5 kW:n rfteho syötetään sovitinpiirin ja kuparisen induktiokelan kautta plasmaan. Plasmakaasuna on käytetty hapenja argonin seoskaasua. Plasmapolttoa on seurattu massaspektrometrilla, optisella emissiospektrometrilla, lämpösekä painemittareilla. Laskennan ja kokeiden pohjalta selvitettiin optimaalinen seossuhde plasmakaasulle, paineen ja tehon noston vaikutus hartsin polttonopeuteen sekä jatkuvatoimisen syöttömenetelmän edut panostoimiseen syöttöön. Rfgeneraattorin teho rajoitti jatkuvatoimisen polttonopeuden 130 g/h ja hetkellisen polttonopeuden 175 g/h. Radioaktiivisten aineiden pidätys oli 93,5 % cesiumin osalta. Tulosten perusteella 4 kg/h ioninvaihtohartsia polttavan laitteiston tehon lähteeksi tarvitaan 65 kW rfgeneraattori. Palamattoman hartsin ja tuhkan kulkeutuminen partikkelisuodattimille sekä reaktiotuotteena syntyvien rikinoksidien käsittely vaatii vielä jatkotutkimusta.

Termodesorptiolaitoksen päästöt

Tässä diplomityössä tutkittiin pilaantuneen maan puhdistamiseen käytettävän termodesorptiolaitoksen päästöjä ilmaan. Tarkasteluun otettiin raskasmetallit ja happamista päästöistä rikkidioksidi (SO2) ja vetykloridi (HCl).Näiden haitta-aineiden puhdistusta tutkittiin mittaamalla niiden pitoisuuksia ennen ja jälkeen kaasunpuhdistuksen. Tutkimuksessa havaittiin raskasmetallien sekä happamien yhdisteiden puhdistuvan käytössä olevalla tekniikalla erittäin hyvin. Viranomaisten asettamat päästöraja-arvot alitettiinselvästi.

Kromatografisen erotusfaasin huokoskoon karakterisointi

Työssä tutkittiin sulfonoitujen polystyreenidivinyylibentseenirunkoisten geeli-, meso- ja makrohuokoistenioninvaihtohartsien rakennetta käyttäen useita eri karakterisointimenetelmiä. Lisäksi työssä tutkittiin hartsien huokoskoon vaikutusta aminohappojen kromatografisessa erotuksessa. Työn pääpaino oli hartsien huokoskoon ja huokoisuuden määrittämisessä. Sen selvittämiseksi käytettiin hyväksi elektronimikroskopiaa, typpiadsorptiomittauksia, sekä käänteistä kokoekskluusiokromatografiaa. Parhaat tulokset saatiin käänteisellä kokoekskluusiokromatografialla, joka perustuu erikokoisten dekstraanipolymeerien käyttöön mallimolekyyleinä. Menetelmä sopii meso- ja makrohuokoisuuden tutkimiseen, mutta sen heikkoutena on erittäin pitkä mittausaika. Menetelmä antaa myös huokoskokojakauman, mutta yhden hartsin mittaaminen voi kestää viikon. Menetelmää muutettiin siten, että käytettiin määritettävää huokoskokoaluetta kuvaavien kahden dekstraanipolymeerin seosta. Kromatografiset ajo-olosuhteet optimoitiin sellaisiksi, että injektoidussa seoksessa olevien dekstraanien vastehuiput erottuivat toisistaan. Tällöin voitiin luotettavasti määrittää tutkittavan stationaarifaasin suhteellinen huokoisuus. Tätä työssä kehitettyä nopeaa käänteiseen kokoekskluusiokromatografiaan perustuvaa menetelmää kutsutaan kaksipistemenetelmäksi. Hartsien sulfonihapporyhmien määrää ja jakautumista tutkittiin määrittämällä hartsien kationinvaihtokapasiteetti sekä tutkimalla hartsin pintaa konfokaali-Raman-spektroskopian avulla. Sulfonihapporyhmien ioninvaihtokyvyn selvittämiseksi mitattiin K+-muotoon muutetusta hartsista S/K-suhde poikkileikkauspinnasta. Tulosten perusteella hartsit olivat tasaisesti sulfonoituneet ja 95 % rikkiatomeista oli toimivassa ioninvaihtoryhmässä. Aminohappojen erotuksessa malliaineina oli lysiini, seriini ja tryptofaani. Hartsi oli NH4+-muodossa ja petitilavuus oli 91 mL. Eluenttina käytettiin vettä, jonka pH oli 10. Paras tulos saatiin virtausnopeudella 0,1 mL/min, jolla kaikki kolme aminohappoa erottuivat toisistaan Finex Oy:n mesohuokoisella KEF78-hartsilla. Muilla tutkituilla hartseilla kaikki kolme aminohappoa eivät missään ajo-olosuhteissa erottuneet täysin.

Sellutehtaan hajukaasujen hallinnan kehittäminen

Diplomityössä on tarkasteltu sellutehtaan laimeiden ja väkevien hajukaasujen käsittely-järjestelmän toimivuutta ja riittävyyttä muuttuvassa tuotantotilanteessa. Käyttöhenkilökunnan nimeämiin järjestelmän ongelmiin on esitetty parannusehdotuksia. Työssä arvioidaan kyseiselle sellutehtaalle paras käyttökelpoinen tekniikka hajukaasujen polttotavaksi. Työssä on tutustuttu nykyaikaisiin erilaisiin hajukaasujen käsittelytapoihin ja esitetty niiden heikkouksia ja vahvuuksia. Työssä on tuotu esille hajukaasujen keräilyyn liittyviä turvallisuusnäkökohtia. Diplomityössä arvioitiin koivu- ja havusellua valmistavan sellutehtaan hajukaasujen käsittelyjärjestelmän toimivuutta haastattelemalla käyttöhenkilökuntaa ja seuraamalla järjestelmän poikkeusilmoituksia. Työssä on annettu muutosehdotuksia, jotta keräily saadaan aikaisempaa turvallisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Riittävyyttä on arvioitu vertaamalla hajukaasujen käsittelyjärjestelmän mitoitusarvoja toteutuneisiin arvoihin ja tuotannon nousun vaikutusta syntyvien hajukaasujen määriin on arvioitu karkeasti laitetoimittajan ohjeiden mukaan. Pääosin hajukaasujen keräily onnistuu hyvin ja on riittävä keräämään syntyvät hajukaasut. Tilanne on harkittava uudelleen, mikäli prosesseissa tehdään merkittäviä muutoksia, jotka vaikuttavat syntyvien hajukaasujen määriin tai niiden rikkipitoisuuteen.

Kaasutuskaasun puhdistus

Tässä diplomityössä on selvitetty hiilestä, jätteestä tai biopolttoaineesta kaasutetun kaasun märkä- ja kuivapuhdistusta. Kaasutuskaasun puhdistuksella voidaan likainen ja jopa ongelmallinen aines muuttaa tai puhdistaa sellaiseksi ympäristökelpoiseksi polttoaineeksi, että sitä voidaan käyttää nykyisissä kulutuskohteissa ongelmitta. Lisäkannustusta kaasutuskaasun puhdistus saa uusista EU-direktiiveistä, jotka tulevat rajoittamaan jätteiden läjittämistä kaatopaikoille. Loppusijoitukseen meneviä jätevirtoja voidaan energiakäytöllä pienentää huomattavasti.Työ on tehty PVO-Engineering Oy:n voimalaitostekniikan osastolle kevään 2001 aikana. Työn tavoitteena oli kasvattaa yrityksen tietomäärää kaasutuskaasun puhdistuksen osalta. Lisäksi pyrittiin selvittämään uuden keraamisen pussisuodatinmateriaalin käyttöä kaasutuskaasun kuumakuivasuodatuksessa. Työn ensimmäisessä osassa esitetään kaasutuskaasun koostumuksen ja syntymisen lisäksi tämän työn lähtökohdat ja tavoitteet. Toisessa osassa selvitetään kaasulle asetettavia vaatimuksia eri käyttötapojen mukaan. Kolmannessa ja neljännessä osassa selvitetään puhdistettavien komponenttien käyttäytymistä ja sopivia puhdistusmenetelmiä.Kaasutuskaasun puhdistustekniikka vaihtelee paljonkin riippuen kaasun käyttökohteesta. Eroja syntyy käyttökohteen asetettamista vaatimuksista polttoaineelle, kaasutettavan polttoaineen koostumuksesta ja laadun vaihtelusta. Puhdistuksessa keskitytään kloori -, rikki -, typpi - ja metalliyhdisteiden poistamiseen kaasuvirrasta. Erotuskyvyllä arvioituna eri puhdistusmenetelmistä tehokkaimpia ovat pesurisähkösuodatinyhdistelmät. Niiden suuret jätemäärät ovat kuitenkin iso ongelma. Kuumakuivapuhdistuksessa pyritään kehittämään menetelmä, jossa syntyvät jätemäärät ovat pieniä ja puhdistustulos on riittävä. Puhdistuksen apukeinona käytetään usein erilaisia katalyyttejä. Tunnetuimpia ovat erilaiset kalsiumpohjaiset materiaalit ja mineraalit. Katalyyteillä voidaan tehostaa tarpeellisia kemiallisia reaktioita puhdistusprosessissa. Kaikki puhdistukseen liittyvät ongelmat ovat kooltaan niin suuria, että niiden ratkaisemiseksi on tulevaisuudessa tehtävä lujasti töitä. Markkinanäkymät toimivalle puhdistustekniikalle ovat nykymaailmassa hyvät. Niinpä tuotekehitykseen laitetut panokset voivat tulevaisuudessa olla yritykselle kullan arvoisia.

Jäännöshiilen ja kalkkikiven reaktiokinetiikan mallinnus kiertoleijukattilan tulipesässä

Työn tavoitteena oli kehittää mallit jäännöshiilen ja kalkkikiven reaktiokinetiikan sekä jäännöshiilen jauhautumisen ennustamiseksi kiertoleijukattilan tulipesässä. Kehitetyt mallit toimivat tulipesämallin osamalleina. Perustuen mallinnettuihin reaktionopeuksiin ja jauhautumiskäyttäytymiseen tulipesämalli ennustaa kalkkikivihiukkasten rikinsidonnan ja jäännöshiilen jakautumisen erikokoisiksi hiukkasiksi tulipesässä ja tuhkissa. Työssä kehitetyt mallit perustuvat olemassa oleviin kalkkikiven ja polttoaineen reaktiivisuustesteihin laboratorio-kokoluokan leijukerrosreaktorissa. Mallit huomioivat myös tulipesän olosuhteet. Menetelmät kelpoistettiin onnistuneesti kaupallisen kokoluokan kiertoleijukattiloista mitattujen ja tulipesämallilla laskettujen taseiden avulla. Mallien kehittämistä tullaan jatkamaan.

Rinnakkaispolttolaitoksen ympäristöntarkkailusuunnitelma

Diplomityössä päivitetään voimalaitoksen ympäristöntarkkailusuunnitelma vastaamaan uudistuneen ympäristöluvan ja lainsäädännön edellytyksiä. Työssä tutkitaan leijupetikatti-loiden tulipesän lämpötiloja, savukaasun viipymäaikoja tulipesässä, leijukerroskattiloiden päästöjä, päästöjen jatkuvatoimista mittaamista sekä päästöjen seurantaa ja raportointia. Tulipesän lämpötiloja mitattiin kupla- ja kiertoleijukattiloilla. Tuloksien perusteella havait-tiin kiertoleijukattilan tulipesän alaosan lämpötilojen olevan lähes riippumaton pedin lämpötilasta ja höyrykuormasta. Tulipesän yläosassa lämpötilat nousevat höyrykuorman kasvaessa, mutta pedin lämpötilalla ei havaittu vaikutusta tulipesän yläosassakaan. Molemmilla kattiloilla havaittiin voimakas vaakatasoinen lämpötilaprofiili. Kuplaleijukattilalla sekä höyrykuorma että pedin lämpötila vaikuttivat tulipesän lämpötilaan. Savukaasun teoreettiset viipymäajat laskettiin kiertoleijukattilalle. Laskelmien ja mittauksien perusteella havaittiin kattilalla mahdollisuus saavuttaa savukaasun kahden sekunnin viipymäaika 850 ºC lämpötilassa. Kattilan käyttäytymisen aukottomaksi selvittämiseksi kaikilla polttoaineseoksilla ja höyrykuormilla tarvitaan lisää toimenpiteitä kattilalla ja lisää tulipesän lämpötilamittauksia. Leijukerroskattiloiden päästöjen syntymistä ja hallintaa tutkittiin teoreettisesti kirjallisuustutkimuksena. Tutkittuihin päästöihin kuuluivat typen oksidit, rikkidioksidi, hiukkaset, hiilimonoksidi, orgaaninen kokonaishiili, suolahappo, fluorivety, raskasmetallit sekä dioksiinit ja furaanit. Jatkuvatoimisten päästömittausmittauslaitteiden toimintaperiaatteita selvitettiin kirjalli-suustutkimuksena. Samoin selvitettiin jatkuvatoimisten päästömittauslaitteiden virhelähtei-tä. Päästömittauslaitteille laadittiin pitkän ja lyhyen ajan laadunvarmistussuunnitelma. Ha-vaittiin, että nykyiset jatkuvatoimiset päästömittauslaitteet eivät täytä kaikkia uusia laatu-kriteereitä. Päästöjen jatkuvatoimiseen seuraamiseen työssä suunniteltiin uusi valvomonäyttö. Uuden näytön avulla tehostetaan päästöjen valvontaa. Päästöjen raportointiin työssä suunniteltiin vuorokausiraportti. Raporttiin kerätään jatkuva-toimisten päästömittauslaitteiden puolen tunnin keskiarvot. Raportin tarkastaa, allekirjoittaa ja arkistoi vuorossa oleva operaattori.

Sinkkirikasteen suoraliuotusreaktorin kehittäminen

Hydrometallurgiseen sinkinvalmistusprosessiin kuuluu yleensä pasutus, liuotus, puhdistus ja elektrolyysi. Sinkkirikasteen suoraliuotusmenetelmässä sinkkisulfidi liuotetaan suoraan ilman pasutusta. Suoraliuotusprosessissa prosessiliuokseen lietettyä sinkkisulfidia syötetään liuotusreaktoriin, jossa on liuottimena rikkihappoa. Sinkkisulfidi reagoi ferrisulfaatin kanssa muodostaen sinkkisulfaattia ja ferrosulfaattia, ja samalla rikki hapettuu alkuainerikiksi. Ferro-ionit hapetetaan takaisin ferri-muotoon syöttämällä reaktoriin happea. Tämän työn tarkoituksena oli löytää uudentyyppinen, edullisempi reaktori sinkkirikasteen suoraliuotukseen. Suunnittelussa pyrittiin kehittämään mahdollisimman monipuolinen koereaktori, jota voidaan hyväksikäyttää useiden suoraliuotuksen ilmiöiden, esimerkiksi hapen liukenemisen, tutkimiseen. Reaktori mitoitettiin pilot-laitteiston kokoiseksi. Valmiilla koelaitteistolla tehtiin lyhyt sarja kokeita ja jo niiden perusteella pystyi havaitsemaan reaktorin toimivan hyvin. Kokeiden päätarkoituksena oli testata laitteiston toimivuutta ja soveltuvuutta sinkkirikasteen liuotukseen. Työhön kuului myös kehitetyllä reaktorilla myöhemmin suoritettavan koetoiminnan suunnittelu.