Model-based study of a chemical-looping combustion process

Chemical-looping combustion (CLC) is a novel combustion technology with inherent separation of the greenhouse gas CO2. The technique typically employs a dual fluidized bed system where a metal oxide is used as a solid oxygen carrier that transfers the oxygen from combustion air to the fuel. The oxygen carrier is looping between the air reactor, where it is oxidized by the air, and the fuel reactor, where it is reduced by the fuel. Hence, air is not mixed with the fuel, and outgoing CO2 does not become diluted by the nitrogen, which gives a possibility to collect the CO2 from the flue gases after the water vapor is condensed. CLC is being proposed as a promising and energy efficient carbon capture technology, since it can achieve both an increase in power station efficiency simultaneously with low energy penalty from the carbon capture. The outcome of a comprehensive literature study concerning the current status of CLC development is presented in this thesis. Also, a steady state model of the CLC process, based on the conservation equations of mass and energy, was developed. The model was used to determine the process conditions and to calculate the reactor dimensions of a 100 MWth CLC system with bunsenite (NiO) as oxygen carrier and methane (CH4) as fuel. This study has been made in Oxygen Carriers and Their Industrial Applications research project (2008 – 2011), funded by the Tekes – Functional Material program. I would like to acknowledge Tekes and participating companies for funding and all project partners for good and comfortable cooperation.

Pinnoiteteollisuudessa syntyvien maalijätteiden hyötykäyttö ja uudet liiketoimintamahdollisuudet

Tämän diplomityön tavoite on kartoittaa maalien ja lakkojen valmistuksessa syntyvien sivuvirtojen hyötykäyttöä ja hyötykäyttöpotentiaalia nykyisellään. Työn tarkoitus on toimia esiselvityksenä pinnoiteteollisuuden sivuvirtojen hyötykäyttöön liittyvien liiketoimintamahdollisuuksien syvemmälle analyysille. Teollisuuden sivuvirtoihin liittyvää tietoa kerätään tilastoista ja olemassa olevista raporteista sekä haastattelemalla teollisuus- ja palveluyritysten edustajia sekä alan asiantuntijoita. Sivuvirtojen teknisten hyötykäyttömahdollisuuksien ja liiketoiminnallisten mahdollisuuksien tarkastelua varten järjestetään työpajoja asiantuntijoille Apila Group Oy Ab:n asiantuntijaverkostossa. Neljässä haastatellussa tuotantolaitoksissa syntyi vuonna 2008 yhteensä 6 662 tonnia kiinteää jätettä ja lietteitä. 68 % näistä sivuvirroista hyötykäytettiin energiana tai polttoaineen valmistuksessa. Materiaalina sivuvirtoja hyötykäytettiin 16 % sivuvirroista, pääasiassa pahvia, paperia, metalleja sekä tynnyreitä ja kontteja. Myös merkittävä osa liuottimista otettiin talteen uudelleenhyödyntämistä varten. Tässä diplomityössä hyötykäyttömahdollisuuksien tarkempaa tarkastelua varten valittiin tavanomaisiksi jätteiksi luokiteltuja maalisivuvirtoja, joita haastatelluissa tuotantolaitoksissa syntyi noin 1 500 tonnia. Maalisivuvirtojen tärkeimmät materiaaliominaisuudet liittyvät niiden sisältämiin täyte- ja sideaineisiin, jotka muodostavat merkittävän osan maalien koostumuksesta. Selvityksen mukaan nämä ominaisuudet voidaan ottaa hyötykäyttöön erilaisissa yhdistelmämateriaaleissa, esimerkiksi ekstruusiopuristetuissa tai ahtopuristetuissa muovikuitukomposiiteissa. Komposiittien raaka-aineena käytetään jo erilaisia sivuvirtoja ja lisäksi erilaisten komposiittien markkinoiden ennustetaan kasvavan. Tämä voi tarjota mahdollisuuksia uusille palvelu-, t&k- tai tuotteistusliiketoiminnoille. Kuivilla maalijätteillä on myös hyvä lämpöarvo, jolloin energiahyötykäytön ja palamisjäännöksen materiaalihyötykäytön yhdistäminen mm. keramiikka- tai sementtiteollisuudessa voi tarjota mahdollisuuksia uusille liiketoiminnoille.

Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen Lappeenrannassa

Lappeenrannassa kerätään ja hyödynnetään tällä hetkellä kaatopaikkakaasua 0,3 milj.m3 vuodessa. Biokaasua voitaisiin tuottaa Lappeenrannassa mädättämällä bioperäisiä jätteitä ja biokaasuntuotantoa varten kasvatettuja energiakasveja. Biokaasuntuotantoon soveltuvia jätteitä ovat erilliskerätty biojäte, jätevedenpuhdistamon jätevesiliete, puutarhajäte, lietelannat ja oljet. Kesannolla olevilla peltoaloilla voitaisiin kasvattaa ruokohelpeä. Biokaasun tuotantoon soveltuvia materiaaleja voitaisiin kerätä 143 000 t/a ja kasvattaa 68 000 t/a. Työssä tarkastellaan vaihtoehtoa, jossa mädätetään vain puhdistamoliete, sekä useita materiaaleja mädättävää yhteismädättämöä, johon liittyen tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa: kunnallisen jätteen mädätystä, kaiken jätteen mädätystä ja jätteen sekä energiakasvien mädätystä. Paras sijoituspaikka mädättämölle olisi jätevedenpuhdistamon läheisyydessä. Jätemateriaalista saataisiin kaasua enintään 12 milj. m3 ja energiakasveista enintään 16 milj. m3. Kaasusta voitaisiin tuottaa energiaa CHP-laitoksessa enintään 184 GWh. Mikäli biokaasun tuotannolla halutaan ensisijaisesti vähentää kasvi-huonekaasupäästöjä, kannattaa kaasu jalostaa ajoneuvopolttoaineeksi. Jalostettu kaasu on mahdollista myös syöttää maakaasuverkostoon. Suurimmat tulot on mahdollista saavuttaa yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, mikäli biokaasulle suunniteltu syöttötariffi toteutuu. Muussa tapauksessa suurimmat tulot saadaan jalostamalla biokaasua ajoneuvojen polttoaineeksi.

Investigation of Oxygen Cutting Process in Solid-State Welding

The oxygen cutting is a thermal cutting process, in which metal is heated locally up to its ignition temperature and burnt off by oxygen blast. Oxygen cutting can be used to remove upset metal of a hollow bar occurred due to solid-state welding process. The main goal of this research was to establish a connection between oxygen blasts and mass of metal removed and relate findings to production to suggest improvements to the current process. This master´s thesis describes the designing and building of a test rig for oxygen blowing measurements. It also contains all executed tests and test results, which were carried out. There are different cutting parameters which were studied as well as their effect on cutting process. The oxygen cutting process, used in solid-state welding process, can be improved by the test results.

Harvinaisten metallien talteenotto epäorgaanisista jätevirroista

Taloudellisesti tärkeiden metallien varannot ja tuotanto eivät ole jakautuneet tasaisesti. Maantieteelliset alueet, joilla ei ole omia varantoja ovat riippuvaisia muualta tuoduista raaka-aineista. Euroopan komissio ja USA:n energiaministeriö ovat luokitelleet tietyt metallit kriittisiksi niiden taloudellisen merkittävyyden ja saatavuuteen liittyvien epävarmuustekijöiden johdosta. Tällaisten metallien saatavuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa lisäämällä niiden talteenottoa jätteistä. Tutkimuksessa kartoitettiin Euroopan komission kriittiseksi luokittelemien metallien pitoisuuksia eräissä jätevirroissa. Kartoitetut jätteet olivat teollisissa poltto-prosesseissa syntyneitä polttojätteitä, prosessiteollisuuden jätesakkoja ja sähkö- ja elektroniikkajätteitä. Kartoituksen perusteella valittiin lupaavimmat jätteet ja suoritettiin niille talteenottokokeita. Talteenottokokeita suoritettiin kolmelle jätteelle. Yhdestä jätesakasta liuotettiin indiumia rikki- ja suolahapoilla. Kahden eri polttojätteen seoksesta liuotettiin galliumia rikkihapolla. Käytettyjen loisteputkien käsittelyprosessista peräisin olleesta sakasta liuotettiin maametalleja rikki- ja suolahapoilla sekä rikki- ja typpihapon seoksella. Indium liukeni heikosti (korkeintaan 25 %) huoneenlämmössä rikkihapolla. Suolahapolla se liukeni paremmin (68 %). Polttojätteen liuotuskokeissa galliumin talteenottoasteen todettiin riippuvan käytetyn liuottimen määrästä. Loisteputkijätesakasta liukeni yttriumia ja europiumia kaikilla käytetyillä happoliuoksilla noin 70–100 %. Käytetyillä happokonsentraatioilla ei havaittu suuria eroja yttriumin ja europiumin liukoisuuksissa. Näitä metalleja voitaisiin mahdollisesti ottaa talteen tämän tyyppisestä sakasta liuottamalla ne happoliuoksella ja saostamalla oksalaattina. Tarvittaessa liuokset voitaisiin puhdistaa tai metallit erottaa toisistaan neste–nesteuutolla, joka on tärkein maametallien tuotantoon käytetty hydrometallurginen menetelmä.

Simulation of Solid Processes by Aspen Plus

Solid processes are used for obtaining the valuable minerals. Due to their worth, it is obligatory to perform different experiments to determine the different values of these minerals. With the passage of time, it is becoming more difficult to carry out these experiments for each mineral for different characteristics due to high labor costs and consumption of time. Therefore, scientists and engineers have tried to overcome this issue. They made different software to handle this problem. Aspen is one of those software for the calculation of different parameters. Therefore, the aim of this report was to do simulation for solid processes to observe different effect for minerals. Different solid processes like crushing, screening; filtration and crystallization were simulated by Aspen Plus. The simulation results are obtained by using this simulation software and they are described in this thesis. It was noticed that the results were acceptable for all solid processes. Therefore, this software can be used for the designing of crushers by calculating the power consumption of crushers, can design the filter and for the calculation of material balance for all processes.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.

High-speed solid-rotor induction machine – calculation program

The aim of this thesis is to utilize the technology developed at LUT and to provide an easy tool for high-speed solid-rotor induction machine preliminary design. Computer aided design tool MathCAD has been chosen as the environment for realizing the calculation program. Four versions of the design program have been made depending on the motor rotor type. The first rotor type is an axially slitted solid-rotor with steel end rings. The next one is an axially slitted solid-rotor with copper end rings. The third machine type is a solid rotor with deep, rectangular copper bars and end rings (squirrel cage). And the last one is a solid-rotor with round copper bars and end rings (squirrel cage). Each type of rotor has its own specialties but a general thread of design is common. This paper follows the structure of the calculating program and explains some features and formulas. The attention is concentrated on the difference between laminated and solid-rotor machine design principles. There is no deep analysis of the calculation ways are presented. References for all solution methods appearing during the design procedure are given for more detailed studying. This thesis pays respect to the latest innovations in solid-rotor machines theory. Rotor ends’ analytical calculation follows the latest knowledge in this field. Correction factor for adjusting the rotor impedance is implemented. The purpose of the created design program is to calculate the preliminary dimensions of the machine according to initial data. Obtained results are not recommended for exact machine development. Further more detailed design should be done in a finite element method application. Hence, this thesis is a practical tool for the prior evaluating of the high-speed machine with different solid-rotor types parameters.

Analysis and validation of space averaged drag model for numerical simulations of gas-solid flows in fluidized beds

This thesis presents an approach for formulating and validating a space averaged drag model for coarse mesh simulations of gas-solid flows in fluidized beds using the two-fluid model. Proper modeling for fluid dynamics is central in understanding any industrial multiphase flow. The gas-solid flows in fluidized beds are heterogeneous and usually simulated with the Eulerian description of phases. Such a description requires the usage of fine meshes and small time steps for the proper prediction of its hydrodynamics. Such constraint on the mesh and time step size results in a large number of control volumes and long computational times which are unaffordable for simulations of large scale fluidized beds. If proper closure models are not included, coarse mesh simulations for fluidized beds do not give reasonable results. The coarse mesh simulation fails to resolve the mesoscale structures and results in uniform solids concentration profiles. For a circulating fluidized bed riser, such predicted profiles result in a higher drag force between the gas and solid phase and also overestimated solids mass flux at the outlet. Thus, there is a need to formulate the closure correlations which can accurately predict the hydrodynamics using coarse meshes. This thesis uses the space averaging modeling approach in the formulation of closure models for coarse mesh simulations of the gas-solid flow in fluidized beds using Geldart group B particles. In the analysis of formulating the closure correlation for space averaged drag model, the main parameters for the modeling were found to be the averaging size, solid volume fraction, and distance from the wall. The closure model for the gas-solid drag force was formulated and validated for coarse mesh simulations of the riser, which showed the verification of this modeling approach. Coarse mesh simulations using the corrected drag model resulted in lowered values of solids mass flux. Such an approach is a promising tool in the formulation of appropriate closure models which can be used in coarse mesh simulations of large scale fluidized beds.

Modeling and Control of the Power Conversion Unit in a Solid Oxide Fuel Cell Environment

In this doctoral thesis, a power conversion unit for a 10 kWsolid oxide fuel cell is modeled, and a suitable control system is designed. The need for research was identified based on an observation that there was no information available about the characteristics of the solid oxide fuel cell from the perspective of power electronics and the control system, and suitable control methods had not previously been studied in the literature. In addition, because of the digital implementation of the control system, the inherent characteristics of the digital system had to be taken into account in the characteristics of the solid oxide fuel cell (SOFC). The characteristics of the solid oxide fuel cell as well the methods for the modeling and control of the DC/DC converter and the grid converter are studied by a literature survey. Based on the survey, the characteristics of the SOFC as an electrical power source are identified, and a solution to the interfacing of the SOFC in distributed generation is proposed. A mathematical model of the power conversion unit is provided, and the control design for the DC/DC converter and the grid converter is made based on the proposed interfacing solution. The limit cycling phenomenon is identified as a source of low-frequency current ripple, which is found to be insignificant when connected to a grid-tied converter. A method to mitigate a second harmonic originating from the grid interface is proposed, and practical considerations of the operation with the solid oxide fuel cell plant are presented. At the theoretical level, the thesis discusses and summarizes the methods to successfully derive a model for a DC/DC converter, a grid converter, and a power conversion unit. The results of this doctoral thesis can also be used in other applications, and the models and methods can be adopted to similar applications such as photovoltaic systems. When comparing the results with the objectives of the doctoral thesis, we may conclude that the objectives set for the work are met. In this doctoral thesis, theoretical and practical guidelines are presented for the successful control design to connect a SOFC-based distributed generation plant to the utility grid.

Determination of chlorophenols from water by solid phase microextraction - ion mobility spectrometry (SPME-IMS)

Chlorophenols have been classified as possible carcinogens for humans. Chlorophenols have been used as pesticides and wood preservatives. In Finland, during 1930 – 1980s, saw mills used KY-5 wood preservative that contained 2,4,6-TCP, 2,3,4,6-TeCP and PCP. Especially in Finland chlorophenols have entered the environment by leaking from contaminated grounds of old saw mills. Although chlorophenol concentrations found in environment do not cause acute concern, long term exposure can increase the risk of cancer. SPME is relatively cheap and simple sampling method, in which the sample extraction and concentration are performed in a single step. Solvents are not required in SPME. IMS is based on the detection of sample ion drift times. Based on the drift times, reduced mobilities are calculated, which are comparable despite the measurement conditions. SPME-IMS coupling has not been used earlier in the determination of chlorophenols from water samples. The scope of this work was to study, if SPME-IMS system is suitable for detecting chloro-phenols from water samples. The aim was to determine the most optimal extraction condi-tions, which were then applied to real water samples. Following detection limits were deter-mined: 2,4,6-TCP: 0.33 mg/l; 2,3,4,6-TeCP: 0.63 mg/l and PCP: 1.63 mg/l. Detection limits were high compared to the highest possible chlorophenol concentration that is allowed in Finnish drinking water, 10 μg/l. Detected concentrations from water sample differed from verified concentrations in the case of 2,3,4,6-TeCP by 4.6 % and in the case of 2,4,6-TCP by 48.4 %. Based on the results it can be said that SPME-IMS setup is suitable for preliminary analysis of mg/l chlorophenol concentrations from water samples.

Hydrometallurgical recovery of valuable metals from secondary raw materials

Wastes and side streams in the mining industry and different anthropogenic wastes often contain valuable metals in such concentrations their recovery may be economically viable. These raw materials are collectively called secondary raw materials. The recovery of metals from these materials is also environmentally favorable, since many of the metals, for example heavy metals, are hazardous to the environment. This has been noticed in legislative bodies, and strict regulations for handling both mining and anthropogenic wastes have been developed, mainly in the last decade. In the mining and metallurgy industry, important secondary raw materials include, for example, steelmaking dusts (recoverable metals e.g. Zn and Mo), zinc plant residues (Ag, Au, Ga, Ge, In) and waste slurry from Bayer process alumina production (Ga, REE, Ti, V). From anthropogenic wastes, waste electrical and electronic equipment (WEEE), among them LCD screens and fluorescent lamps, are clearly the most important from a metals recovery point of view. Metals that are commonly recovered from WEEE include, for example, Ag, Au, Cu, Pd and Pt. In LCD screens indium, and in fluorescent lamps, REEs, are possible target metals. Hydrometallurgical processing routes are highly suitable for the treatment of complex and/or low grade raw materials, as secondary raw materials often are. These solid or liquid raw materials often contain large amounts of base metals, for example. Thus, in order to recover valuable metals, with small concentrations, highly selective separation methods, such as hydrometallurgical routes, are needed. In addition, hydrometallurgical processes are also seen as more environmental friendly, and they have lower energy consumption, when compared to pyrometallurgical processes. In this thesis, solvent extraction and ion exchange are the most important hydrometallurgical separation methods studied. Solvent extraction is a mainstream unit operation in the metallurgical industry for all kinds of metals, but for ion exchange, practical applications are not as widespread. However, ion exchange is known to be particularly suitable for dilute feed solutions and complex separation tasks, which makes it a viable option, especially for processing secondary raw materials. Recovering valuable metals was studied with five different raw materials, which included liquid and solid side streams from metallurgical industries and WEEE. Recovery of high purity (99.7%) In, from LCD screens, was achieved by leaching with H2SO4, extracting In and Sn to D2EHPA, and selectively stripping In to HCl. In was also concentrated in the solvent extraction stage from 44 mg/L to 6.5 g/L. Ge was recovered as a side product from two different base metal process liquors with Nmethylglucamine functional chelating ion exchange resin (IRA-743). Based on equilibrium and dynamic modeling, a mechanism for this moderately complex adsorption process was suggested. Eu and Y were leached with high yields (91 and 83%) by 2 M H2SO4 from a fluorescent lamp precipitate of waste treatment plant. The waste also contained significant amounts of other REEs such as Gd and Tb, but these were not leached with common mineral acids in ambient conditions. Zn was selectively leached over Fe from steelmaking dusts with a controlled acidic leaching method, in which the pH did not go below, but was held close as possible to, 3. Mo was also present in the other studied dust, and was leached with pure water more effectively than with the acidic methods. Good yield and selectivity in the solvent extraction of Zn was achieved by D2EHPA. However, Fe needs to be eliminated in advance, either by the controlled leaching method or, for example, by precipitation. 100% Pure Mo/Cr product was achieved with quaternary ammonium salt (Aliquat 336) directly from the water leachate, without pH adjustment (pH 13.7). A Mo/Cr mixture was also obtained from H2SO4 leachates with hydroxyoxime LIX 84-I and trioctylamine (TOA), but the purities were 70% at most. However with Aliquat 336, again an over 99% pure mixture was obtained. High selectivity for Mo over Cr was not achieved with any of the studied reagents. Ag-NaCl solution was purified from divalent impurity metals by aminomethylphosphonium functional Lewatit TP-260 ion exchange resin. A novel preconditioning method, named controlled partial neutralization, with conjugate bases of weak organic acids, was used to control the pH in the column to avoid capacity losses or precipitations. Counter-current SMB was shown to be a better process configuration than either batch column operation or the cross-current operation conventionally used in the metallurgical industry. The raw materials used in this thesis were also evaluated from an economic point of view, and the precipitate from a waste fluorescent lamp treatment process was clearly shown to be the most promising.

Toimintaohjeistus HSY:n jätteenpolton materiaalivirtojen hallintaan

Vantaan Energia rakentaa ympäristövaatimukset täyttävän jätevoimalan Itä-Vantaan Långmossebergeniin. Jätevoimalassa tullaan käyttämään polttoaineena kierrätykseen kelpaamatonta syntypaikkalajiteltua yhdyskuntajätettä sekä maakaasua. Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä HSY tulee toimittamaan noin 80 % vuosittaisesta jätepolttoaineesta. Tässä työssä on esitetty toimintamalli HSY:n jätteenpolton materiaalivirtojen hallitsemiseksi. Toimintamallin tarkoituksena on antaa ohjeistus jätteiden materiaalivirtojen käsittelymenetelmistä ennen jätteenpolttolaitosta. Lisäksi toimintamallin tarkoituksena on saada vähennettyä pohjakuonan määrää. Toimintamalli sisältää ohjeistuksen kotitalouksien sekajätteen, pienjäteasemien sekajätteen, sekalaisen rakennus- ja purkujätteen sekä kaupan- ja teollisuuden jätteiden käsittelytavoista. Jätevirtojen koostumusta on selvitetty kirjallisuudesta löytyvien tietojen perusteella ja tietoja on täydennetty kesällä 2013 suoritetun lajittelututkimuksen tiedoilla. Tutkimuksen tuloksista selvisi, että pienjäteasemien sekajätteiden lajittelua tehostamalla HSY:llä pystytään tekemään merkittäviä taloudellisia säästöjä. Tutkimuksessa selvisi, että kipsilevy olisi kannattavinta kerätä omalle lavalleen pienjäteasemilla. Sekalaisen rakennus- ja purkujätteen osalta todettiin, että sitä ei kannata ohjata suoraan jätevoimalalle poltettavaksi, eikä sitä voida sijoittaa käsittelemättömänä kaatopaikalle vuoden 2020 jälkeen. Tästä syystä työssä on ehdotettu, että sekalainen rakennus- ja purkujäte ohjattaisiin lajittelulaitokselle käsiteltäväksi ennen sen loppusijoittamista. Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan myös todeta, että toimintamallia noudattamalla, pohjakuonan määrää on mahdollista vähentää lähes puolella alkuperäisestä arviosta.