The role of potassium in the corrosion of superheater materials in boilers firing biomass

Inhibition of global warming has become one of the major goals for the coming decades. A key strategy is to replace fossil fuels with more sustainable fuels, which has generated growing interest in the use of waste-derived fuels and of biomass fuels. However, from the chemical point of view, biomass is an inhomogeneous fuel, usually with a high concentration of water and considerable amounts of potassium and chlorine, all of which are known to affect the durability of superheater tubes. To slow down or reduce corrosion, power plants using biomass as fuel have been forced to operate at lower steam temperatures as compared to fossil fuel power plants. This reduces power production efficiency: every 10°C rise in the steam temperature results in an approximate increase of 2% in power production efficiency. More efficient ways to prevent corrosion are needed so that power plants using biomass and waste-derived fuels can operate at higher steam temperatures. The aim of this work was to shed more light on the alkali-induced corrosion of superheater steels at elevated temperatures, focusing on potassium chloride, the alkali salt most frequently encountered in biomass combustion, and on potassium carbonate, another potassium salt occasionally found in fly ash. The mechanisms of the reactions between various corrosive compounds and steels were investigated. Based on the results, the potassium-induced accelerated oxidation of chromia protected steels appears to occur in two consecutive stages. In the first, the protective chromium oxide layer is destroyed through a reaction with potassium leading to the formation of intermediates such as potassium chromate (K2CrO4) and depleting the chromium in the protective oxide layer. As the chromium is depleted, chromium from the bulk steel diffuses into the oxide layer to replenish it. In this stage, the ability of the material to withstand corrosion depends on the chromium content (which affects how long it takes the chromium in the oxide layer to be depleted) and on external factors such as temperature (which affects how fast the chromium diffuses into the protective oxide from the bulk steel). For accelerated oxidation to continue, the presence of chloride appears to be essential.

Chromium mass balance in sodium chlorate process

Kuudenarvoista kromia käytetään natriumkloraatin valmistuksessa prosessin tuotantotehokkuuden ja turvallisuuden parantamiseksi. Kromia kuitenkin poistuu prosessista muutamaa reittiä pitkin. Koska kuuudenarvoisella kromilla on syöpää aiheuttavia, mutageenisiä sekä lisääntymiselle myrkyllisiä ominaisuuksia, olisi tärkeää ymmärtää, miten kromi kulkeutuu prosessin eri osiin, ja kuinka paljon sitä poistuu prosessista. Tämä on tärkeää, jotta osataan hallita kromin käytöstä aiheutuvat riskit, sekä toisaalta myös tehostaa kromin käyttöä prosessissa. Työn tarkoituksena oli tuottaa tietoa kromin käytöstä natriumkloraattiprosessissa. Työssä tutkittiin kromitasetta prosessin keskeisimmissä yksikköoperaatioissa. Myös kromin saostumista katodien pinnalle arvioitiin määrällisesti. Eri prosessinäytteistä tutkittiin lisäksi kromin hapetusasteita. Edellä mainittuja tutkimuskohteita varten määritettiin prosessinäytteiden kromipitoisuus. Eri prosessioperaatioille suoritettiin lisäksi taselaskelmat. Työn tuloksena esitettiin kromitase sekä yksikköoperaatioille että koko prosessille. Erinäisten epätarkkuustekijöiden vuoksi tasetta ei kuitenkaan pystytty määrittämään halutulla tarkkuudella, ja siksi työssä esitettyä tasetta voidaan pitää vain suuntaa antavana laskelmana. Katodien pinnalle saostunutta kromin määrää pidettiin kuitenkin oikean suuruusluokan tuloksena. Prosessinäytteiden hapetusasteita ei voitu arvioida, sillä saadut kokonaiskromitulokset eivät olleet täysin luotettavia. Huolimatta tulosten epätarkkuudesta, työ tuotti tärkeää tietoa prosessin toiminnasta kromin suhteen. Työtä voidaan hyödyntää jatkossa monin tavoin prosessin kromitaseen seurannassa.

Silicon-containing species in used lube oil re-refining

Nowadays, the re-refining of the used lube oils has gained worldwide a lot of attention due to the necessity for added environmental protection and increasingly stringent environmental legislation. One of the parameters determining the quality of the produced base oils is the composition of feedstock. Estimation of the chemical composition of the used oil collected from several European locations showed that the hydrocarbon structure of the motor oil is changed insignificantly during its operation and the major part of the changes is accounted for with depleted oil additives. In the lube oil re-refining industry silicon, coming mainly from antifoaming agents, is recognized to be a contaminant generating undesired solid deposits in various locations in the re-refining units. In this thesis, a particular attention was paid to the mechanism of solid product formation during the alkali treatment process of silicon-containing used lube oils. The transformations of a model siloxane, tetramethyldisiloxane (TMDS), were studied in a batch reactor at industrially relevant alkali treatment conditions (low temperature, short reaction time) using different alkali agents. The reaction mechanism involving solid alkali metal silanolates was proposed. The experimental data obtained demonstrated that the solids were dominant products at low temperature and short reaction time. The liquid products in the low temperature reactions were represented mainly by linear siloxanes. The prolongation of reaction time resulted in reduction of solids, whereas both temperature and time increase led to dominance of cyclic products in the reaction mixture. Experiments with the varied reaction time demonstrated that the concentration of cyclic trimer being the dominant in the beginning of the reaction diminished with time, whereas the cyclic tetramer tended to increase. Experiments with lower sodium hydroxide concentration showed the same effect. In addition, a decrease of alkali agent concentration in the initial reaction mixture accelerated TMDS transformation reactions resulting in solely liquid cyclic siloxanes yields. Comparison of sodium and potassium hydroxides applied as an alkali agent demonstrated that potassium hydroxide was more efficient, since the activation energy in KOH presence was almost 2-fold lower than that for sodium hydroxide containing reaction mixture. Application of potassium hydroxide for TMDS transformation at 100° C with 3 hours reaction time resulted in 20 % decrease of solid yields compared to NaOH-containing mixture. Moreover, TMDS transformations in the presence of sodium silanolate applied as an alkali agent led to formation of only liquid products without formation of the undesired solids. On the basis of experimental data and the proposed reaction mechanism, a kinetic model was developed, which provided a satisfactory description of the experimental results. Suitability of the selected siloxane as a relevant model of industrial silicon-containing compounds was verified by investigation of the commercially available antifoam agent in base-catalyzed conditions.

Stability and properties of cellulose-sodium hydroxide solution systems

Since cellulose is a linear macromolecule it can be used as a material for regenerated cellulose fiber products e.g. in textile fibers or film manufacturing. Cellulose is not thermoformable, thus the manufacturing of these regenerated fibers is mainly possible through dissolution processes preceding the regeneration process. However, the dissolution of cellulose in common solvents is hindered due to inter- and intra-molecular hydrogen bonds in the cellulose chains, and relatively high crystallinity. Interestingly at subzero temperatures relatively dilute sodium hydroxide solutions can be used to dissolve cellulose to a certain extent. The objective of this work was to investigate the possible factors that govern the solubility of cellulose in aqueous NaOH and the solution stability. Cellulose-NaOH solutions have the tendency to form a gel over time and at elevated temperature, which creates challenges for further processing. The main target of this work was to achieve high solubility of cellulose in aqueous NaOH without excessively compromising the solution stability. In the literature survey an overview of the cellulose dissolution is given and possible factors contributing to the solubility and solution properties of cellulose in aqueous NaOH are reviewed. Furthermore, the concept of solution rheology is discussed. In the experimental part the focus was on the characterization of the used materials and properties of the prepared solutions mainly concentrating on cellulose solubility and solution stability.

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.

Jätevesien puhdistus jätevesialtaissa jäädyttämällä - Kartoitus potentiaalisista sovellutuksista Suomessa

Uusia jäteveden puhdistusprosesseja kartoitetaan Suomessakin esimerkiksi kiristyvien päästömääräyksien vuoksi sekä parempia kustannus- ja energiatehokkuuksia tavoiteltaessa. Jätevesien puhdistus on Suomessa jo nykyään hyvällä tasolla, mutta muun muassa raskasmetallien, torjunta-aineiden, hormonien ja lääkeaineiden pitoisuuksien kasvut jätevesissä asettavat haasteita nykyisin käytössä oleville jäteveden puhdistusmenetelmille, sillä niitä ei ole suunniteltu näiden aineiden talteenottoon ja suurin osa aineista jää veteen. Lisäksi jätevedet halutaan nähdä enemmänkin resurssina kuin jätteenä, josta voidaan ottaa talteen hyödyllisiä komponentteja, kuten suoloja. Alueilla, joissa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee edes osan vuodesta pakkasella, veden luonnollista jäätymisprosessia voidaan käyttää hyväksi jäteveden puhdistuksessa. Tässä työssä selvitettiin kiteytymisen teorian ja aikaisempien tutkimusten avulla, millaisten jätevesien puhdistukseen jäädytyskiteytys sopii sekä pohdittiin menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita Suomessa. Jäädytyskiteytyksen todettiin olevan turvallinen ja energiatehokas ratkaisu monien koostumukseltaan erilaisien jätevesien puhdistukseen. Menetelmällä voitaneen puhdistaa öljyisiä, orgaanisia ja/tai epäorgaanisia epäpuhtauksia tai raskasmetalleja sisältäviä sekä myrkyllisiä jätevesiä. Olosuhteet prosessille ovat parhaat Pohjois-Suomessa, jossa vuorokauden keskilämpötila pysyttelee nollan alapuolella noin seitsemän kuukautta vuodesta. Etelä-Suomessa vastaava luku on kolme. Menetelmän potentiaalisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi kaivosteollisuuden ja kaatopaikkojen jätevedet, joiden puhdistukseen jäädytyskiteytys saattaisi soveltua erinomaisesti. Jäädyttämällä voitaisiin myös puhdistaa tekstiili- ja nahkateollisuuden jätevesiä, sillä niiden sisältämien väriaineiden erottaminen vedestä on perinteisillä jäteveden puhdistusmenetelmillä usein vaikeaa tai jopa mahdotonta. Suolojen kiteyttämiseen vaadittavia korkeampia suolapitoisuuksia todettiin löytyvän lähinnä membraaniprosessien, kuten käänteisosmoosin, rejektivesistä. Sopivimmat eutektiset olosuhteet kiteyttämiseen ovat natriumsulfaatilla, kaliumsulfaatilla ja natriumkarbonaatilla. Veden luonnollisen jäätymisprosessin hyödyntäminen jätevedenpuhdistuksessa on huomionarvoinen idea. Prosessin käyttöönottoa haittaavat esimerkiksi korkeat investointikustannukset, mutta ne tulevat todennäköisesti ajan myötä teknologian kehittyessä laskemaan. Lisäksi monet prosessiin liittyvät käytännön asiat ovat vielä tutkimuksen alla. On myös huomattava, että Suomessakaan lämpötila ei pysyttele koko vuotta pakkasella, joten jäädytyksen rinnalla on oltava jokin toinen prosessi, jolla jätevedet puhdistetaan lämpötilan ollessa nollan yläpuolella.