Lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin vaikuttavien tekijöiden analytiikka: raaka-aineet, sydänlanka, rakenne ja olosuhteet

Työn tavoitteena oli tutkia lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä. Työn taustalla on yhteistyö suomalaisen kynttilävalmistajan kanssa. Kynttilävalmistajan lämpökynttilöissään käyttämän raaka-aineen hinnan noustessa, on valmistaja kiinnostunut käyttämään edullisempia raaka-aineita. Palamisen kriteerit saavuttavan kynttilän valmistaminen markkinoilla olevista uusista raaka-aineista on havaittu olevan haastavaa, ja vaatii edelleen kehitystyötä. Teoriaosassa käytiin läpi kynttilänvalmistusta yleisesti, RAL-laatustandardin asettamat kriteerit lämpökynttilälle, palamiseen vaikuttavia tekijöitä sekä työn kokeellisessa osassa käytettyjen analyysimenetelmien periaatteet. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin erilaisten kynttiläraaka-aineiden koostumusta ja ominaisuuksia sekä sydänlankojen rakennetta. Lisäksi tutkittiin, miten sydänlangan sisältämien säikeiden määrä, eri raaka-aineiden seossuhteiden muutos sekä jäähdytyslämpötilan muutos vaikuttavat lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin. Työssä myös selvitettiin muutaman markkinoilla olevan kynttilän raaka-ainekoostumus. Tutkimuksissa havaittiin, että vaadittavan liekin korkeuden saavuttamiseksi viskositeetti on yksi raaka-aineen tärkeimmistä ominaisuuksista. Raaka-aineen viskositeetin kasvaessa tarvitaan paksumpi sydänlanka. Raaka-aineen viskositeetin kasvaessa liekin korkeus ei aina pienene, koska liekin korkeuteen vaikuttaa myös langalle tehty kemiallinen käsittely. Mitä korkeampi kynttilän liekki on, sitä suurempi on raaka-aineen kulutus eli palovuo ja tällöin liekin korkeus vaikuttaa myös kynttilän paloaikaan. Kokeissa havaittiin, että liekin korkeuden ollessa vakio, palovuo oli korkein steariinilla. Steariinin jälkeen tulivat palmuvaha ja parafiini. Tällöin parafiinia tarvittiin vähemmän vastaavan paloajan saavuttamiseksi. Nopean jäähdytyksen havaittiin vaikuttavan palmuvahan palovuohon alentavasti, vaikka jäähdytystavalla ei ollut vaikutusta liekin korkeuteen.

Reduction of nitrogen oxide emissions in lime kiln

Different nitrogen oxide removal technologies for rotary lime kiln are studied in this thesis, the main focus being in commercial technologies. Post-combustion methods are investigated in more detail as potential possible NOx removal with combustion methods in rotary lime kiln is more limited or primary methods are already in use. However, secondary methods as NOx scrubber, SNCR or SCR technologies are not listed as the Best Available Technologies defined by European Union. BAT technologies for NOx removal in lime kiln are (1) Optimised combustion and combustion control, (2) Good mixing of fuel and air, (3) Low-NOx burner and (4) Fuel selection/low-N fuel. SNCR method is the most suitable technique for NOx removal in lime kiln when NOx removal from 50 % to 70 % is required in case primary methods are already in use or cannot be applied. In higher removal cases ammonia slip is an issue in SNCR. By using SCR better NOx reduction can be achieved but issues with catalyst materials are expected to arise because of the dust and sulphur dioxide which leads to catalyst poison formation in lower flue gas temperatures. NOx scrubbing has potential when simultaneous NOx and SO2 removal is required. The challenge is that NO cannot be scrubbed directly, but once it is oxidized to NO2 or further scrubbing can be performed as the solubility of NO2 is higher. Commercial installations have not been made regarding SNCR, SCR or NOx scrubbing regarding rotary lime kiln. For SNCR and SCR the closest references come from cement industry.

Sulasuolareaktorit

Sulasuolareaktori on ydinreaktorityyppi, jota kehitettiin ensimmäisen kerran Yhdysvalloissa 1940-luvulta 1970-luvulle. Tänä aikana sulasuolatekniikkaa tutkittiin muun muassa kahden koereaktorin avulla. Vuosikymmenten hiljaiselon jälkeen kiinnostus konseptia kohtaan heräsi uudelleen 2000-luvun alussa, kun Generation IV International Forum asetti sulasuolareaktorin yhdeksi mahdolliseksi neljännen sukupolven ydinreaktorityypiksi. Sulasuolareaktori poikkeaa merkittävästi nykyisin käytössä olevista tehoreaktoreista, joiden käyttämä polttoaine on sijoitettu kiinteinä nippuina reaktorin sydämeen. Sulasuolareaktorissa polttoaine on liuotettu sulaan suolaseokseen, joka kiertää koko primääripiirissä. Suolaseos toimii siis sekä fissiilinä polttoaineena että lämmönsiirron väliaineena. Reaktorin sydämessä on hidastimena grafiittia, ja polttoainesuola saavuttaa kriittisyyden vain grafiittimoderaattorin läpi kulkiessaan. Sulasuolareaktoreihin sisältyy monia mielenkiintoisia ominaisuuksia, kuten polttoaineen käynninaikainen jälleenkäsittely sekä kevytvesireaktorien käytetyn polttoaineen kierrättäminen. Konseptin kehittäminen vaatii kuitenkin huomattavan määrän teoreettista ja kokeellista tutkimustyötä, joten sulasuolareaktoreita ei näillä näkymin odoteta olevan kaupallisessa tuotannossa vielä lähitulevaisuudessa.

Hapatettuihin maitotuotteisiin lisätyn sokerin vaikutus tuotteiden kariogeenisyyteen

Terveellisyys ja runsasproteiinisuus ovat tämän hetken ruokavaliotrendejä. Hapatetut maitotuotteet, kuten rahkat ja jogurtit, ovat proteiinipitoisia ja ne mielletään usein terveellisiksi elintarvikkeiksi. Viime vuosina maitotuotteiden kulutus on kasvanut ja markkinoille on tullut useita hapatettuja maitotuotteita, joista osassa proteiinipitoisuus on tavallista korkeampi. Tuotteissa on kuitenkin sokeria vaihtelevia määriä. Tuotteiden sokeripitoisuus on hammas- ja yleisterveyden kannalta merkittävä seikka, joka kuitenkin voi jäädä huomioimatta kuluttajalta. Sokeri eri muodoissa aiheuttaa hampaiden reikiintymistä, mutta maitotuotteiden kohdalla on myös huomioitava niiden sisältämät reikiintymiseltä suojaavat tekijät. Tässä syventävien opintojen työssä on tehty kirjallisuuskatsaus ja tuotevertailu. Kirjallisuuskatsauksessa on perehdytty sokereiden ja karieksen yhteyteen sekä hiilihydraattien ja erityisesti sokerien saantiin ruokavaliossa. Kirjallisuuslähteinä on käytetty pääasiassa katsausartikkeleita, ravitsemussuosituksia sekä karieksen hallinnan käypä hoito -suositusta. Tuotevertailussa on vertailtu keväällä 2014 ruokakaupoissa myynnissä olleiden hapatettujen maitotuotteiden sokeripitoisuuksia. Tuotteet on jaoteltu seitsemään eri kategoriaan, joista yksi on lapsille suunnatut tuotteet. Sokerinsaannin ja karieksen yhteys nyky-yhteiskunnassa ei ole kovin selvä. Lisäksi tärkkelyksen kariogeenisyys vaihtelee sen mukaan, missä muodossa sitä saadaan ravinnosta. Sekä sokereiden että tärkkelyksen kohdalla saantimäärä ja saantitiheys ovat merkityksellisiä karieksen synnyn suhteen. Maitotuotteissa on kariekselta suojaavia mineraaleja, mutta jos tuote sisältää lisättyjä sokereita, niiden ei voida katsoa olevan hyväksi hammasterveydelle. Lastentuotteissa ja viileissä on tuotevertailun perusteella eniten lisättyä sokeria. Maustamattomat tuotteet, joissa on vain maidon sisältämää laktoosia, sen sijaan lienevät karieksen suhteen turvallisia. Myös intensiivimakeuttajilla makeutetut tuotteet, jotka eivät sisällä esimerkiksi hedelmistä peräisin olevia sokereita, ovat parempi vaihtoehto kuin sokerilla makeutetut tuotteet.

Kaksivaiheisen lämmöntalteenottoprosessin soveltuvuus poistoilmanvaihtoiseen kerrostaloon

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella perinteistä poistoilmanvaihtoa käyttävän kerrostalon lämmöntalteenottoa menetelmällä, joka yhdistää poistoilmalämpöpumpun ja maalämpöpumpun toiminnat. Nostamalla maalämpöpumpulle tulevan veden lämpötilaa saadaan nostettua järjestelmän COP-arvoa, jolla on suuri merkitys laitteen energiateknisen toiminnan kannalta. Laskelmat tehtiin Suomen rakennusmääräyskokoelman ohjeiden mukaisesti käyttämällä MX6- energiaohjelmaa sekä simuloimalla kylmäprosessia. Tulokset yhdistettiin taulukkolaskentaohjelmassa, ja näin saatiin teoreettinen säästölaskelma, joka perustuu arvioituun kuukausittaiseen energian keskikulutukseen, ts. taseeseen. Työssä todettiin, että poistoilmalämpöpumppu saattaisi kuluttaa poistoilman lämmöntalteenotossa liikaa sähköä, työssä tarkoitetulla tavalla. Kulutus olisi enemmän kuin maalämpöpumpun COP-arvon parantamisella saatava rahallinen hyöty. Koneellisen poistoilman välittämän energian tehokas käyttö on kuitenkin yksi mahdollisuus säästää maalämpöreikien poraamisessa, jos kerrostalossa harkittaisiin kokonaan maalämpöön siirtymistä.

Potential for synthetic gas in Finnish industry

Finland, other Nordic countries and European Union aim to decarbonize their energy production by 2050. Decarbonization requires large scale implementation of non-emission energy sources, i.e. renewable energy and nuclear power. Stochastic renewable energy sources present a challenge to balance the supply and demand for energy. Energy storages, non-emissions fuels in mobility and industrial processes are required whenever electrification is not possible. Neo-Carbon project studies the decarbonizing the energy production and the role of synthetic gas in it. This thesis studies the industrial processes in steel production, oil refining, cement manufacturing and glass manufacturing, where natural gas is already used or fuel switch to SNG is possible. The technical potential for fuel switching is assessed, and economic potential is necessary after this. All studied processes have potential for fuel switching, but total decarbonization of steel production, oil refining requires implementation of other zero-emission technologies.

The role of nuclear power in the future energy system

Currently widely accepted consensus is that greenhouse gas emissions produced by the mankind have to be reduced in order to avoid further global warming. The European Union has set a variety of CO2 reduction and renewable generation targets for its member states. The current energy system in the Nordic countries is one of the most carbon free in the world, but the aim is to achieve a fully carbon neutral energy system. The objective of this thesis is to consider the role of nuclear power in the future energy system. Nuclear power is a low carbon energy technology because it produces virtually no air pollutants during operation. In this respect, nuclear power is suitable for a carbon free energy system. In this master's thesis, the basic characteristics of nuclear power are presented and compared to fossil fuelled and renewable generation. Nordic energy systems and different scenarios in 2050 are modelled. Using models and information about the basic characteristics of nuclear power, an opinion is formed about its role in the future energy system in Nordic countries. The model shows that it is possible to form a carbon free Nordic energy system. Nordic countries benefit from large hydropower capacity which helps to offset fluctuating nature of wind power. Biomass fuelled generation and nuclear power provide stable and predictable electricity throughout the year. Nuclear power offers better energy security and security of supply than fossil fuelled generation and it is competitive with other low carbon technologies.

Advanced biofuel production: Engineering metabolic pathways for butanol and propane biosynthesis.

Greenhouse gases emitted from energy production and transportation are dramatically changing the climate of Planet Earth. As a consequence, global warming is affecting the living conditions of numerous plant and animal species, including ours. Thus the development of sustainable and renewable liquid fuels is an essential global challenge in order to combat the climate change. In the past decades many technologies have been developed as alternatives to currently used petroleum fuels, such as bioethanol and biodiesel. However, even with gradually increasing production, the market penetration of these first generation biofuels is still relatively small compared to fossil fuels. Researchers have long ago realized that there is a need for advanced biofuels with improved physical and chemical properties compared to bioethanol and with biomass raw materials not competing with food production. Several target molecules have been identified as potential fuel candidates, such as alkanes, fatty acids, long carbon‐chain alcohols and isoprenoids. The current study focuses on the biosynthesis of butanol and propane as possible biofuels. The scope of this research was to investigate novel heterologous metabolic pathways and to identify bottlenecks for alcohol and alkane generation using Escherichia coli as a model host microorganism. The first theme of the work studied the pathways generating butyraldehyde, the common denominator for butanol and propane biosynthesis. Two ways of generating butyraldehyde were described, one via the bacterial fatty acid elongation machinery and the other via partial overexpression of the acetone‐butanol‐ethanol fermentation pathway found in Clostridium acetobutylicum. The second theme of the experimental work studied the reduction of butyraldehyde to butanol catalysed by various bacterial aldehyde‐reductase enzymes, whereas the final part of the work investigated the in vivo kinetics of the cyanobacterial aldehyde deformylating oxygenase (ADO) for the generation of hydrocarbons. The results showed that the novel butanol pathway, based on fatty acid biosynthesis consisting of an acyl‐ACP thioesterase and a carboxylic acid reductase, is tolerant to oxygen, thus being an efficient alternative to the previous Clostridial pathways. It was also shown that butanol can be produced from acetyl‐CoA using acetoacetyl CoA synthase (NphT7) or acetyl‐CoA acetyltransferase (AtoB) enzymes. The study also demonstrated, for the first time, that bacterial biosynthesis of propane is possible. The efficiency of the system is clearly limited by the poor kinetic properties of the ADO enzyme, and for proper function in vivo, the catalytic machinery requires a coupled electron relay system.

Litiumin talteenotto väkevistä kloridiliuoksista solvatoivilla uuttoreagensseilla

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää voidaanko litiumia erottaa suolaliuoksesta solvatoivien uuttoreagenssien avulla suoraan ilman tavanomaisia monivaiheisia prosesseja. Kirjallisessa osassa esitellään neste-nesteuuton periaatteet ja tarkastellaan litiumin talteenotossa käytettyjä uuttomenetelmiä sekä litiumin merkitystä yhteiskunnallisti. Kokeellisessa osassa tutkittiin litiumin uuttoa litiumtetrakloroferraattina vesiliuoksesta, jonka koostumus oli lähellä Argentiinan Rinconin alueen suolajärvien vettä sisältäen litium-, kalsium-, magnesium-, sekä natriumkloridia. Kokeet suoritettiin erotussuppiloissa huoneenlämmössä käyttäen orgaanisena faasina tributyylifosfaatin (TBP) ja kerosiini, tributyylifosfaatin ja di-isobutyyliketonin sekä tributyylifosfaatin ja metyyli-isobutyyliketonin seoksia. Kullakin orgaanisella faasilla tehtiin kaksi koesarjaa. Ensimmäisessä vaihdettiin liuoksen [Fe3+]/[Li+]-suhdetta orgaanisen faasin TBP-pitoisuuden ollessa vakio. Toisessa muutettiin orgaanisen faasin TBP-pitoisuutta [Fe3+]/[Li+]-suhteen pysyessä vakiona. Litium saatiin talteenotettua hyvin selektiivisesti magnesiumin ja kalsiumin suhteen. Rautakonsentraation lisäyksen huomattiin lisäävän litiumin saantoa, mutta suurilla rautakonsentraatioilla selektiivisyys oli huonompi. Litiumia ei saatu erotettua kovin tehokkaasti, johtuen todennäköisesti suuresta natriumkonsentraatiosta. Suurin osa natriumista tulisi poistaa ennen uuttoa. Jos natriumin saisi poistettua tehokkaasti ennen uuttoa, voisi tutkittu menetelmä olla huomattavasti nopeampi verrattuna perinteiseen monivaiheiseen litiumin talteenottoprosessiin. Menetelmän huonona puolena on kuitenkin sen suuri raudan kulutus

Leijukerroslämmönsiirtimien tukkeutuminen biovoimalaitoksessa

Leijukerroslämmönsiirtimien, eli hiekanpalautuspolvessa sijaitsevien tulistimien tukkeutuminen on ollut Kaukaan Voima Oy:n biovoimalaitoksen suunnittelemattomien seisokkien suurin syy vuodesta 2012 lähtien. Tulistimet tukkeutuvat kahdella tavalla. Nopeassa tukkeutumisessa tulistinkammion seinien kuonakerrostumat romahtavat yhtäkkiä tulistimen päälle tukkien sen. Tämä johtaa aina koko laitoksen alasajoon. Hitaassa tukkeutumisessa tulistinputkien pinnalle muodostuu vähitellen kerrostuma sekä tulistinputkien väliin jää suurempia kappaleita, jotka tukkivat tulistinta. Nopea tukkeutuminen johtuu tuhkassa olevien alkali-, eli kalium- ja natriumyhdisteiden synnyttämistä kerrostumista lämmönsiirrinkammion seinille. Hidas tukkeutuminen johtuu osittain myös alkaliyhdisteistä, mutta merkittävämpi aine tulistinputkien pinnalla olevassa kerrostumissa näyttää olevan kalsiumsulfaatti, joka tukkii tulistinta. Palavan aineen pääsy tulistinkammioon ilmanjakoasetuksista ja tulistinkammion rakenteesta johtuen aiheuttaa kerrostumien syntymisen. Kerrostumien syntymiseen johtavat syyt johtuvat monesta tekijästä ja yksiselitteistä aiheuttajaa on vaikea määritellä. Selvin yhteys on lietteen epätasaisessa poltossa ja turpeen käytössä. Nykyisillä lietteenkäsittelylaitteilla lietteen tasainen syöttö on vaikeaa ja se aiheuttaa ongelmia. Turpeen poltto biopolttoaineiden rinnalla pitää tulistimet puhtaampina. Muita todennäköisiä kerrostumia lisääviä syitä ovat puhtaan hiekan vähäinen syöttömäärä ja usean huonomman polttoaineen yhtäaikainen poltto.

Maakaasupolttimen säätöjärjestelmän kehittäminen

Jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset pakottavat teollisuuden kehittämään uusia ratkaisuja päästöjen vähentämiseksi. Hiilimonoksidin ja typen oksidien päästörajoitukset ovat erityi-sen tiukat esimerkiksi Kiinassa ja Yhdysvalloissa. Maakaasun ja ilman epätäydellisessä pa-lamisessa muodostuu hiilimonoksidia ja typen oksideja. Käytännön sovelluksissa palaminen on lähes aina epätäydellistä polttoaineen ja ilman epätäydellisen sekoittumisen takia, joten palamisreaktiossa muodostuva savukaasu sisältää edellä mainittuja haitallisia komponentteja lähes poikkeuksetta. Savukaasua voidaan puhdistaa erilaisilla menetelmillä ennen sen pää-tymistä ympäristöön. Tässä diplomityössä esitellään maakaasupoltinjärjestelmän keskeiset komponentit ja aihee-seen liittyvät tarpeelliset käsitteet sekä suunnitellaan polttoaine-ilma-seossuhdesäätö eräälle maakaasupoltinjärjestelmälle. Säädön ensisijaisena tavoitteena on pitää seossuhde mahdolli-simman tarkasti halutussa arvossa savukaasun puhdistuksen kannalta. Lisäksi säädön on tarkoitus taata mahdollisimman hyvä suorituskyky transienttitilanteissa. Järjestelmän eri osien toiminta mallinnetaan ja analysoidaan. Mallinnuksen perusteella suunnitellaan ja simu-loidaan säätöjärjestelmä. Suunniteltu säätöjärjestelmä toteutetaan osaksi polttolaitoksen automaatiojärjestelmää. Mittaustulokset osoittavat, että päästöjen kannalta säätö pitää seossuhteen riittävän tarkasti halutussa arvossa: hiilimonoksidin ja typen oksidien päästöt ovat asetettujen rajojen sisällä. Testiajojen perusteella prosessi on kuitenkin erittäin häiriöinen ja transienttitilanteissa ei saavuteta simulointien mukaista suorituskykyä.

Ottomoottorin suorituskyvyn parantaminen sähköisillä järjestelmillä autourheilun jokamiesluokassa

Tässä työssä tutkitaan sähköisten moottorin viritysmenetelmien soveltuvuutta jokamiesluokan kilpa-autoiluun. Tehty tutkimus perustuu kirjallisuuslähteisiin ja siinä selvitetään sähköjärjestelmillä saavutettavaa moottorin suorituskykyhyötyä sekä niistä aiheutuvia kustannuksia. Kustannustaso on tärkeässä osassa, koska jokamiesluokan kilpa-autojen myyntihinta kilpailuissa on 1400 €. Tutkimuksen teoriaosassa käydään läpi erilaisia moottorin sähköjärjestelmiä ja tutkimusosassa keskitytään moottorin sähköisesti ohjattuun polttoaineen suihkutukseen, erilaisiin sytytysjärjestelmiin ja moottorin ohjausyksiköihin. Moottorin sähköjärjestelmistä saatavaa hyötyä arvioidaan sellaisenaan, uudelleensäädettynä, jälkiasennettuna ja mekaanisen moottorin virityksen yhteydessä. Vertailukohtana käytetään mm. kaasuttimia ja vanhempia sytytysjärjestelmiä. Moottorin ohjelmoitavien polttoaineensuihkutus- ja sytytysjärjestelmien todetaan tutkimuksen perusteella olevan harkitsemisen arvoisia jokamiesluokan kilpa-autoihin, vaikka moottorin huipputehoa niiden käyttö ei kasvata muutamaa hevosvoimaa enempää. Useimmille harrastajille hinnaltaan liian kalliiksi jokamiesluokan kilpa-autoihin todetaan uutena ostetut jälkiasennettavat kilpakäyttöön suunnitellut moottorin ohjausyksiköt.

Pyörivän palopään suunnittelu

Työssä suunniteltiin pienten kiinteistöjen keskuslämmityksen käyttöön kiinteää polttoainetta käyttävä palopää, jossa palopään pyörimisliike sekoittaa polttoainetta palamisen aikana. Polttoaineen sekoittamisella pyritään parantamaan palamisen hyötysuhdetta ja vähentämään haitallisia päästöjä. Laitteen suunnittelu toteutettiin systemaattista koneensuunnittelun metodia mukaillen. Työn aihe rajattiin koskemaan ainoastaan palopään mekaniikan suunnittelua ja mitoitusta. Suunnittelussa pyrittiin huomioimaan valmistusystävällisyys ja minimoimaan kustannukset. Laitteen suunnittelussa käytettiin SolidWorks 2014 – ohjelmaa.

Odotettu ja yllättävä suomalaisen maun ja elämäntyylien eriytyminen

Kirjallisuusarvostelu

Suomen energiajärjestelmä

Suomen energialähteiden käyttö on pysynyt likimain samana viime vuosikymmenen aikana. Uusiutuvien energialähteiden käyttö (tuulivoima, aurinkovoima, biopolttoaineet) on lisääntynyt ja fossiilisten energialähteiden käyttö vähentynyt. Energian kokonaiskulutus ja lämmönkulutus on vuosikymmenen aikana laskenut hieman ja sähkönkulutus on lisääntynyt lisääntyvän infrastruktuurin myötä. Suomen kantaverkko ei ole vuosikymmenen aikana kokenut suuria muutoksia. Suomi kuuluu osana pohjoismaiden yhteisiä sähkömarkkinoita, joissa vallitsee vapaa kilpailu. Suomen energiajärjestelmän sähköntuotto on tällä hetkellä varsin tuontipainotteinen ja Suomi ei ole pystynyt vuosikymmenen aikana vastaamaan sähkön kysyntään, mikä tarkoittaa sähkön tuonnin lisääntymistä. Lämmöntuotanto ja -kulutus ovat pysyneet vuosikymmenen aikana likimain ennallaan. Lähitulevaisuudessa Suomen energiaomavaraisuus nousee ja Suomi voi jopa vuonna 2050 olla jo sähkön nettoviejä ja myös energiajärjestelmän aiheuttamat kokonaispäästöjä alenevat radikaalisti. Liikenne sähköistyy ja älykkäät sähköverkot tekevät tuloaan. Tässä työssä tutustutaan Suomen nykyiseen energiajärjestelmään, tehdään katsaus tulevaisuuteen ja vertaillaan Suomen energiajärjestelmää kansainvälisesti.