Kerrosleijukattilan polttoaineensyötön ja ilmasäätöjen tutkiminen

Tässä tutkimuksessa käsitellään kerrosleijukattilan kiinteän polttoaineen syöttöjärjestelmän toimintaa ja ilmanjaon vaikutusta kattilan toimintaan. Polttoainejärjestelmän tutkimisessa arvioidaan eri tekijöiden merkitystä höyrynkehityksen huojunnan aiheuttajana. Työllä pyritään tuomaan selvyyttä polttoainejärjestelmän toiminnallisiin peruskysymyksiin kuten turpeen ja kuoren väliseen lajittumiseen, ruuvipurkaukseen ja määrämittauksiin. Työssä esitetään parannusehdotus polttoaineensyötön toiminnan tasoittamiseksi. Ilmasäätöjen osalta on keskitytty tutkimaan erityisesti ilmakanavarakenteiden vaikutusta ilman jakautumiseen. Kattilan ongelmana olivat vasemman ja oikean puolen väliset erot savukaasujen O2-pitoisuuksissa, tulistuslämpötiloissa ja lieriön pinnan korkeudessa. Ilmanjakoon tehtyjen muutosten vaikutuksesta kyseiset erot tasoittuivat huomattavasti. Työssä on lisäksi tarkasteltu mahdollisuuksia kattilan ilmapäästöarvojen parantamiseen erityisesti NOx- ja CO- päästöjen osalta.

Ekologisen kuorilevyn valmistaminen puunjalostusteollisuuden sivutuotteista

Puunjalostusteollisuudessa syntyy huomattavia määriä sivutuotteita, joiden hyödyntäminen on vielä vajavaista. Sahajauhon ja puukuoren pääasiallinen käyttö rajoittuu energiantuotantoon eli polttamiseen voimalaitoksissa. Selostettavassa tutkimustyössä, joka on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston puunjalostustekniikan levylaboratoriossa, on pyritty selvittämään kotimaisten kuusi-, mänty- ja koivukuorten käyttömahdollisuuksia raaka-aineina lastulevyn tapaan ns. ekologisen kuorilevyn valmistamisessa, mutta ilman liimaa. Tutkimusmateriaalina käytettiin puunjalostusteollisuudesta hankittua tuoretta kuusen ja männyn rumpukuorintajätettä sekä koivun roottorikuorintajätettä, joista kukin raaka-aine pienennettiin kahteen eri partikkelikokoon käyttäen oksasilppuria ja vasaramyllyä. Raaka-ainemäärät mitattiin ja kaadettiin viiran päällä olevaan puusta valmistettuun muottiin ja muotin poisnostamisen jälkeen levyaihio puristettiin 1-välikuumapuristimessa sykleittäin. Valmistetut kuorilevyt olivat 1 -kerroksisia. Koelevyistä tutkittiin kosteuspitoisuus, tilavuuspaino, taivutuslujuus ja Brinell -kovuus.Saadut tulokset osoittavat, että kuusen, männyn ja koivun kuoresta voidaan valmistaa kuorilevyä ilman liima-ainetta, sillä puukuoren sisältämät omat liimaavuutta parantavat uuteaineet antavat riittävän vaikutuksen kuorilevyn rakenteen stabiloimiseksi. Tällaisen kuorilevyn taivutuslujuus on kuitenkin huomattavasti heikompi kuin puulastulevyllä. Kaikki jauhetusta raaka-aineesta sekä pelkästään silputusta koivuraaka-aineesta valmistetut kuorilevyt täyttävät taivutuslujuuden osalta kuitenkin huokoiselle, A-lujuusluokan standardi-kuitulevylle asetetut vaatimukset. Tarkasteltaessa eri raaka-aineista valmistettujen levyjen ominaisuuksia, voidaan todeta, että tilavuuspainoltaan suurinta sekä kovuudeltaan ja taivutuslujuudeltaan parasta levyä saadaan valmistettua jauhetusta koivukuoresta. Jokaisen valmistetun kuorilevyn kovuusarvo ylittää Suomen johtavan lastulevyn valmistajan lastulevyn kovuusarvon lukuun ottamatta pelkästään silputuista kuusi- ja mäntykuorista valmistettuja levyjä.Vaikka tulokset ovat suuntaa-antavia, osoittavat ne selvästi millaisia mahdollisuuksia tarjoaa puun kuoren tai sahajauhon käyttäminen lastulevyn tapaan valmistettavien levyjen raaka-aineena. Koko tutkimuskenttä on tässä käsiteltävänä olevalla alueella varsin laaja, ja tässä tutkimuksessa selvitetyt asiat ovat siitä vain pieni osa antaen kuitenkin suunnan useille tärkeille jatkossa selvitettäville asioille. Näistä mainittakoon mm. ekologisen levyn jatkojalostus ja tuotesuunnittelu, levyn valmistuksen taloudellisuus ja tuotteiden markkinointi, kuorilevyn valmistusprosessin kehittäminen sekä eri raaka-aineyhdistelmien kokeilu kuorilevyn raaka-aineena.

Sellupesurin rakenteellinen kehittäminen

Tämä diplomityö on tehty Andritz Oy:lle Washers & Filters tuoteryhmään. Työ on osa pienten sellupesureiden tuotekehitysprojektia. Tavoitteena on vertailla olemassa olevaa tuotekehitysaineistoa ja tuoda esiin suunnitteluprosessi, jolla DD – sellupesurin osien rakenteita voidaan järjestelmällisesti kehittää. Diplomityössä tutkittuja osia ovat tiiviste–elementti, päätypalkki ja rumpu. Tiiviste–elementtejä vertailtiin olemassa olevan tuotekehitysaineiston osalta, sekä tutkittiin geneettisiin algoritmeihin pohjautuvan topologian optimoinnin soveltuvuutta tiiviste-elementin suunnitteluun. Päätypalkin ja rummun optimaaliset geometriat selvitettiin geneettisiä algoritmejä hyödyntävällä topologisella optimoinnilla. Optimaalisten topologioiden perusteella suunniteltiin valmistettavissa olevat rakenteet joiden ainevahvuudet määrättiin alustavasti vakion variointiin perustuvalla optimoinnilla. Tällä menettelyllä saatiin päätypalkista ja rummusta aikaiseksi aikaisempaa kevyemmät rakenteet. Topologian optimointi huomattiin soveltuvan rakenteisiin, joiden kuormitus- ja kiinnitystiedot ovat yksiselitteisesti määrätyt.

Omat rummut tutuiksi: tutkimus rumpukalvojen ja virittämisen vaikutuksesta rumpusoundiin

Tämän työn tavoite oli selvittää miten rumpukalvoilla ja virittämisellä voidaan vaikuttaa rumpujen soundiin. Voiko samasta rumpusetistä saada hyvän soundin niin rockin kuin jazzinkin soittoon? Miten kannattaa menetellä jos konsertissa soitetaan tyyliltään hyvin erilaisia kappaleita? Lähtökohtana oli yksi rumpusetti jolla testattiin neljäkymmentäyksi uutta rumpukalvoa erilaisin virein. Kaikki kokeilut tehtiin studiossa ja niistä äänitettiin näytteet. Miri Miettinen toimi yhteistyökumppanina käytännön studiotyössä toimien äänittäjänä sekä toi pidemmän kokemuksen tuomaa osaamista virittämiseen. Kirjoitin aiheesta tiivistetyn artikkelin Riffi-lehteen. Artikkeli on julkaistu numerossa 4/2006. Lehti on liitteenä työssä. Tämä soveltava tutkimus voi olla myös esimerkki muille kuinka perehtyä omiin rumpuihinsa. Empiirinen kokemus tällaisesta työsta helpottaa toimintaa rumpalina. Rummut saa nopeammin ja helpommin kuulostamaan siltä kuin pitäisi. Tulos-osiossa käsitellään rumpujen virittämistä. Tutkimuksen myötä tulin tulokseen että käytettävä rumpukalvo antaa soundille ominaisen sävynsä, virityksellä se saadaan kuulostamaan musiikkityyliin sopivalta. Jotkut kalvot soveltuvat ominaisuuksiensa puolesta tiettyyn tyylin paremmin kuin toiset. Rumpujen virittämisen lisäksi tulos-osion kolme tärkeintä pääryhmää ovat pop/rock -soundi, jazz-soundi ja all-around -soundi. Niissä pohditaan soundia historian merkittävien rumpalien kautta. Jokaiseen pääryhmään kuuluu näyte-osio jossa esitellään tutkimuksessa saatuja tuloksia. Kahta saman kuuloista kalvoa ei tullut vastaan, toisin sanoen kalvot vaikuttaa merkittävästi rumpujen soundiin. Työn mukana on näyte-cd jolta voi kuunnella kaikki ääninäytteet. Raitalistan avulla jokainen voi vertailla kalvoja mieleisessään järjestyksessä. Kuuntelemalla samalla viretasolla tehtyjä eri kalvojen näytteitä peräkkäin, kuulee selkeästi niiden soundien eron.

Komposiittirakenteiden soveltamismahdollisuudet pesureissa

Teräksen raaka-ainekustannusten jyrkkä nousu pakottaa prosessiteollisuuden etsimään vaihtoehtoisia rakennemateriaaleja, joiden ominaisuudet ovat vähintään terästä vastaavia. Prosessiteollisuudessa joudutaan käyttämään runsaasti kemikaaleja kestäviä laitteita, jolloin rakennemateriaaliksi sopiva on haponkestävä teräs. Laitteiden kokojen kasvusta seuraa niiden kokonaispainojen kasvu aiheuttaen haasteita niitä kantaville perustuksille. Komposiitti on yksi varteenotettava vaihtoehto haponkestävän teräksen korvaajaksi, sillä komposiitin ominaisuus/painosuhde on terästä parempi. Diplomityön tavoitteena on ollut selvittää Washers & Filters – tuoteperheeseen kuuluvien laitteiden, DD-pesurin (Drum Displacer) ja GF- suotimen (GasFree Filter), rakenteista löytyvien osien mahdollisuutta korvata komposiitilla. Työn pohjaksi on käsitelty komposiittien ominaisuuksia, tyyppejä ja valmistusmenetelmiä sekä perehdytty sellupesureiden toimintaprosessiin. Tältä pohjalta löytyi valintakriteerien avulla rakenteita, joita olisi mahdollista korvata komposiitilla.

Avoimen lähdekoodin musiikkiteknologia

Musiikkiteknologia on laaja soveltava tieteenala, jota voidaan hyödyntää kasvatustieteissä, psykologiassa ja kognitiivisissa tieteissä. Musiikkilaitteet ja ohjelmistot hyödyntävät tietotekniikkaa. Musiikkiteknologian ohjelmat ovat joko kaupallisia tai pohjautuvat avoimen lähdekoodin ajatteluun. Tässä työssä kartoitin Linuxin avoimen lähdekoodin virtuaaliinstrumentit sekä toteutin rumpukoneen, kosketinsoittimen ja yksinkertaisen karaokeohjelman mobiilille laitteelle. Tehty työ osoittaa, että tietoteknisin keinoin voidaan toteuttaa tutkimushankkeissa hyödynnettäviä musiikkiteknologian ohjelmia.

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation:

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation: S drive = H steam (ρ down + ρ mix) g where: ρ down - density of water in downcomer tubes; ρ mix - density of water in riser tubes; H steam - height of steam content section; g - acceleration of gravity. In steam boilers with natural circulation the circulation rate is usually between 10 and 30. Thus, consumption of water in the circulation circuit “circulation rate times” more than steam output of the boiler. There are two aspects of the design of natural water circulation loops. One is to ensure a sufficient mass flux of circulating water to avoid burnout of evaporator tubes. The other is to avoid tube wall temperature fluctuation and tube vibration due to oscillation of circulation velocity. The design criteria are therefore reduced, in principle, to those of critical heat flux, critical flow rate for burnout, and flow instability. In practical design, however, the circulation velocity and the void fraction at the evaporator tube outlet are used as the design criteria (Seikan I., et. al., 1999). This study has been made with assumption that the heat flux in the furnace of the boiler even all the time. The target of the study was to define the circulation rate of the boiler, thus average heat flux do not change it. I would like to acknowledge professionals from “Foster Wheeler” company for good and comfortable cooperation.

Paineellisten rumpusuodinten kunnossapitostrategian kehittäminen ja implementointi

Tutkimuksen tavoitteena oli luoda UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan sellutehtaalle tuotannolliset näkökulmat huomioiva ja kunnossapitokustannukset optimoiva paineellisten rumpusuodinten kunnossapitostrategia. Paineelliset rumpusuotimet on sellutehtaan kuitulinjan keskeinen laiteryhmä, jonka vuosittaiset kunnossapitokustannukset ovat merkittävät. Tarkastelu työssä keskittyi paineellisen rumpusuotimen päätytiivistyksen kunnossapitostrategian kehittämiseen, koska päätytiivistys muodostaa laitteen vuosittaisista kustannuksista suurimman osan. Kunnossapitokustannusten optimointi suoritettiin strategisen johtamisen periaatteiden mukaisesti eri teknistaloudelliset näkökulmat huomioiden. Kunnossapidon toteutukselle määriteltiin tuotannon tavoitteet, jonka perusteella luotiin uusi kunnossapitostrategia. Työssä tehdyn tutkimuksen perusteella siirtymällä korjaavasta kunnossapidosta ehkäisevään kunnossapitoon, voidaan saavuttaa säästöjä kunnossapitokustannuksissa. Uuden strategian toteutumisen mahdollistamiseksi määriteltiin strategiset projektit, jotka käsittelivät muun muassa uusien tiivistemateriaalien käyttöönottoa, alajärjestelmien muutostöitä sekä toimintatapojen muutoksia. Strategian ja strategisten projektien toteutusta varten laadittiin kirjalliset dokumentit, joiden perusteella implementointi suoritetaan. Toimenpiteille määriteltiin vastuuhenkilöt ja toteutusajat, joiden mukaisesti eri organisaatiotasot toimivat. Strategia laadittiin seuraavalle kymmenelle vuodelle, mutta strategian toteutusta ja tuloksia on seurattava vuosittain. Muuttuvassa liiketoimintaympäristössä kunnossapidon optimitila ei ole staattinen, joten strategiaa on oltava valmis päivittämään. Aktiivisella ja suunnitelmallisella toiminnalla on mahdollista saavuttaa merkittäviä säästöjä tuotannon ja kunnossapidon näkökulmasta.

Reduction of specific energy consumption of a thermomechanical pulping plant

Kuumahiertoprosessi on erittäin energiaintensiivinen prosessi, jonka energianominaiskulutus (EOK) on yleisesti 2–3.5 MWh/bdt. Noin 93 % energiasta kuluu jauhatuksessa jakautuen niin, että kaksi kolmasosaa kuluu päälinjan ja yksi kolmasosa rejektijauhatuksessa. Siksi myös tämän työn tavoite asetettiin vähentämään energian kulutusta juuri pää- ja rejektijauhatuksessa. Päälinjan jauhatuksessa tutkimuskohteiksi valittiin terityksen, tehojaon ja tuotantotason vaikutus EOK:een. Rejektijauhatuksen tehostamiseen pyrittiin yrittämällä vähentää rejektivirtaamaa painelajittelun keinoin. Koska TMP3 laitoksen jauhatuskapasiteettia on nostettu 25 %, tavoite oli nostaa päälinjan lajittelun kapasiteettia saman verran. Toisena tavoitteena oli pienentää rejektisuhdetta pää- ja rejektilajittelussa ja siten vähentää energiankulutusta rejektijauhatuksessa. Näitä tavoitteita lähestyttiin vaihtamalla päälinjan lajittimiin TamScreen-roottorit ja rejektilajittimiin Metso ProFoil-roottorit ja optimoimalla kuitufraktiot sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Syöttävällä terätyypillä pystyttiin vähentämään EOK:ta 100 kWh/bdt, mutta korkeampi jauhatusintensiteetti johti myös alempiin lujuusominaisuuksiin, korkeampaan ilmanläpäisyyn ja korkeampaan opasiteettiin. Myös tehojaolla voitiin vaikuttaa EOK:een. Kun ensimmäisen vaiheen jauhinta kuormitettiin enemmän, saavutettiin korkeimmillaan 70 kWh/bdt EOK-vähennys. Tuotantotason mittaamisongelmat heikensivät tuotantotasokoeajojen tuloksia siinä määrin, että näiden tulosten perusteella ei voida päätellä, onko EOK tuotantotasoriippuvainen vai ei. Päälinjan lajittelun kapasiteettia pystyttiin nostamaan TS-roottorilla vain 18 % jääden hieman tavoitetasosta. Rejektilajittelussa pystyttiin vähentämään rejektimäärää huomattavasti Metso ProFoil-roottorilla sekä sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Lajittamokehityksellä saavutettu EOK-vähennys arvioitiin massarejektisuhteen pienentymisen ja rejektijauhatuksessa käytetyn EOK:n avulla olevan noin 130 kWh/bdt. Yhteenvetona voidaan todeta, että tavoite 300 kWh/bdt EOK-vähennyksestä voidaan saavuttaa työssä käytetyillä tavoilla, mikäli niiden täysi potentiaali hyödynnetään tuotannossa.

Mädätys- ja kompostointilaitoshankkeen teknis-taloudellinen vertailu Lakeuden Ympäristöhuollossa

Työssä selvitettiin teknis-taloudellisen vaihtoehto Lakeuden Ympäristöhuollon keräämän biojätteen ja Seinäjoen lähialueella syntyvän hevosenlannan käsittelyyn. Nykyisin Lakeuden Ympäristöhuolto Oy:n keräämä biojäte kuljetetaan paikallisen jätehuoltoyhti-ön biokaasulaitokseen ja hevosenlantaa ei alueelta vielä kerätä olleenkaan. Työn lähtö-kohtana oli vertailla mahdollisesti rakennettavan oman biokaasulaitoksen ja rumpu-kompostointilaitoksen kannattavuutta toisiinsa. Kannattavuuden laskennassa käytettiin annuiteettimenetelmää. Työn kirjallisuusosiossa kerrotaan eloperäisten jätteiden ominaisuuksista mädätyksen ja kompostoinnin kannalta, mädätys- ja kompostointiprosessista, mädätys- ja kompostoin-titekniikoista sekä menetelmien eduista sekä haitoista. Työssä perehdyttiin myös mädä-tyksen ja kompostoinnin lopputuotteiden hyödyntämiseen. Vaihtoehtojen vaertailussa kumpikaan hankkeista ei ollut taloudellisesti kannattava. Vaikka prosesseihin saataisiin nykyään kerättävän biojätteen määrän lisäksi 2000 tonnia hevosenlantaa, se ei tee hankkeista kannattavia. Edes herkkyystarkastelussa laskettu korkeampi hevosenlannan porttimaksun määrä ei vaikuttanut kannattavuuteen. Lakeuden Ympäristöhuollon näin ollen on viisainta olla investoimatta kumpaakaan hankkeeseen.

Suodattimen simulointi Aspen Plus simulointiohjelmistolla

Tässä työssä tutkittiin Aspen Plus-ohjelmiston soveltuvuutta suodattimen simulointiin. Tämän työn kirjallisuusosassa on esitelty eri suodatusmekanismit sekä joitain prosessisimulointiin soveltuvia ohjelmistoja lähdekirjallisuuden perusteella. Kokeellisessa osassa on tutkittu Aspen Plus-ohjelmiston soveltuvuutta suodattimen simuloimiseen. Simulointi suoritettiin käyttäen Aspenin suodatinmoduulin suunnittelumallia. Lähtökohtana käytettiin buchnersuppilolla ZnS-suspensiolle tehtyä koesuodatusta, jonka perusteella saatiin lähtöparametrien, kuten kakun- ja kankaan vastusten arvot. Simuloinnissa mitoitettiin samalle kapasiteetille rumpusuodatin, jonka suodatuspinta-alaa ja kiintoainekakun tilavuutta verrattiin koesuodatuksen vastaaviin arvoihin. Lisäksi vastaava simulointi suoritettiin filtration-and-separation.com sivuston omaa vakiopaineisen vakuumisuodattimen simulointiin tarkoitettua laskentapohjaa käyttäen, jonka tuloksia verrattiin myös Aspenilla saatuihin simulointituloksiin.

Mixing in rotating drums

Tämän diplomityön tarkoitus on parantaa meesauunin toiminnallista tehokkuutta tehostamalla lämmönsiirtoa. Lämmönsiirron parantamiseksi kehitetään erilaisia nostinratkaisuja. Kokeita suoritetaan käyttäen eri sekoitinratkaisuja ja erilaisia prosessiparametreja. Työn kirjallisuusosassa esitetään meesauuni sekä rumpumaisten uunien toiminta. Työssä selvitetään myös sekoituksen analysointiin käytettäviä tapoja ja laskukaavoja. Kirjallisuusosassa keskitytään myös rummussa tapahtuviin fysikaalisiin ilmiöihin sekä erilaisten fluidien reologiaan. Työn kokeellisessa osassa käytettiin LUT Kemiantekniikalla suunniteltua pilot -kokoluokan rumpu-uunia, jolla kokeitaan suoritettiin, käyttäen erilaisia sekoitinratkaisuja ja sekoitusprosessiparametreja. Kokeissa käytettiin myös eri viskositeetin omaavia materiaaleja. Valitut materiaalit olivat vesi, CMC (karboksimetyyliselluloosa) ja kiinteä meesa. Kokeiden tuloksena löydettiin nostinratkaisuja, joilla sekoittumista ja lämmönsiirtoa pystytään parantamaan sekä pidentämään viipymäaikaa.