Fast pyrolysis in circulating fluidized bed: feasibility study

Today the limitedness of fossil fuel resources is clearly realized. For this reason there is a strong focus throughout the world on shifting from fossil fuel based energy system to biofuel based energy system. In this respect Finland with its proven excellent forestry capabilities has a great potential to accomplish this goal. It is regarded that one of the most efficient ways of wood biomass utilization is to use it as a feedstock for fast pyrolysis process. By means of this process solid biomass is converted into liquid fuel called bio-oil which can be burnt at power plants, used for hydrogen generation through a catalytic steam reforming process and as a source of valuable chemical compounds. Nowadays different configurations of this process have found their applications in several pilot plants worldwide. However the circulating fluidized bed configuration is regarded as the one with the highest potential to be commercialized. In the current Master’s Thesis a feasibility study of circulating fluidized bed fast pyrolysis process utilizing Scots pine logs as a raw material was conducted. The production capacity of the process is 100 000 tonne/year of bio-oil. The feasibility study is divided into two phases: a process design phase and economic feasibility analysis phase. The process design phase consists of mass and heat balance calculations, equipment sizing, estimation of pressure drops in the pipelines and development of plant layout. This phase resulted in creation of process flow diagrams, equipment list and Microsoft Excel spreadsheet that calculates the process mass and heat balances depending on the bio-oil production capacity which can be set by a user. These documents are presented in the current report as appendices. In the economic feasibility analysis phase there were at first calculated investment and operating costs of the process. Then using these costs there was calculated the price of bio-oil which is required to reach the values of internal rate of return of 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%.

Maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikan mallinnus.

Työn tavoitteena oli mallintaa maastotyökoneen ajomoottorin hybridisointiin soveltuvan napavaihteiston dynamiikka. Työ tehtiin osana Saimaan ammattikorkeakoulun tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli ajomoottorin ja integroidun napavaihteiston kaupallistaminen maastotyökoneisiin. Maastotyökoneena simulointimallissa käytettiin tyypillistä maataloustraktoria, johon kytkettiin vielä peräkärry. Traktorin renkaiden napaan oli kytketty ajomoottorina toimiva sähkömoottori, jonka sisään simuloitu napavaihteisto oli integroitu. Napavaihteiston dynamiikan mallintamiseen käytettiin monikappaledynamiikan simulointiohjelmistoa (Adams). Ohjelmalle määritettiin napavaihteiston komponenttien parametrit, joista voitiin simuloida vaihteiston dynaaminen käyttäytyminen. Simuloidusta mallista saatiin kytkimiin kohdistuvat voimat kytkentätilanteessa sekä sähkömoottorin väännön suunnanvaihtotilanteessa eri akselin pituuksilla, eri kytkinten nopeuseroilla, eri traktorin painoilla ja eri kuormilla ajettaessa. Mallissa simuloitiin myös sähkömoottorin käyttäytyminen vaihteenvaihtotilanteessa eri pyörimisnopeuden säätimen kertoimilla. Työssä huomattiin, että akselin mitoituksella voitiin vaikuttaa vaihteistossa ilmeneviin voimiin kytkimen kytkentähetkellä. Myös kytkimen hammastuksessa olevalla hammasvälyksellä voitiin vaikuttaa kytkimiin kohdistuviin voimiin suunnanvaihtotilanteissa. Vaihteistoon kohdistuvista voimista voidaan jatkossa suunnitella kytkimen ja akselin profiili, jotta vaihteisto kestää siihen kohdistuvat voimat.

FE-analyysin soveltaminen S960 QC teräksisen I-profiilin äärikestävyyden määrittämisessä

Tässä työssä tutkittiin FE-analyysin soveltamista S960 QC teräksisen I-profiilin kestävyyden määrittämisessä. Työn tavoitteena oli tarkastella nykyisten suunnitteluohjeiden soveltuvuutta ultralujille teräksille ja koota ohjemateriaali I-profiilin optimoimisesta sekä FE-analyysin hyö-dyntämisestä I-profiilin staattisen ja dynaamisen kestävyyden määrittämisessä. I-profiili mitoitettiin ja optimoitiin Eurokoodi 3:ssa esitettyjen PL3 mukaisten mitoitusohjeiden avulla. Rakenteelle suoritettiin Eurokoodi 3:n ja IIW:n mukaiset lommahdus-, kiepahdus- ja vä-symiskestävyystarkastelut. Väsymistarkastelussa sovellettiin nimellisen jännityksen, rakenteelli-sen jännityksen ja tehollisen lovijännityksen menetelmiä sekä murtumismekaniikkaa. Rakenteel-lisen jännityksen menetelmässä sovellettiin lisäksi lineaarista ja parabolista pintaa pitkin ekstra-polointia, paksuuden yli linearisointia sekä Dong:in menetelmää. Lommahdus-, kiepahdus- ja väsymistarkasteluissa hyödynnettiin analyyttistä laskentaa, FE-analyysiä sekä Frank2d sovellusta. Tarkastelujen perusteella voidaan todeta, että analyyttisillä menetelmillä saadaan numeerisia me-netelmiä varmemmalla puolella olevia tuloksia. Lommahdustarkastelussa ero tulosten välillä on suurimmillaan 8 % ja kiepahdustarkastelussa suurimmillaan 20 % mutta väsymistarkastelussa saadut tulokset eroavat keskenään huomattavasti. Väsymistarkastelussa tehollisen lovijännityksen menetelmällä sekä rakenteellisen jännityksen menetelmän Dong:in menetelmällä saadaan huo-mattavasti muita menetelmiä pidempiä kestoikiä, kun taas yksinkertaisemmilla menetelmillä saa-dut kestoiät ovat lyhyempiä. Rakenteen kestävyyden määrittäminen analyyttisillä menetelmillä on melko helppoa, mutta tu-lokset ovat monesti liian konservatiivisia. FE-analyysillä saadaan puolestaan hyvin tarkkoja tu-loksia mallin ollessa yksityiskohtainen. Mallintaminen on kuitenkin aikaa ja resursseja vievää ja vaatii käyttökokemusta. FE-analyysin mahdolliset hyödyt on aina arvioitava tapauskohtaisesti tarkasteltavan geometrian, kuormitusten ja reunaehtojen perusteella.

Kartongin käyristymiseen vaikuttavat tekijät ja niiden hallinta valmistusprosessissa

Työssä selvitettiin uuden kostutuslaitteen toimivuutta kartongin käyristymisen hallinnassa. Työn tavoitteena oli löytää kostutuslaitteelle energiatehokas ja käyttäjäystävällinen ajotapa. Lisäksi pyrittiin etsimään tärkeimmät kartongin käyristymiseen vaikuttavat prosessimuuttujat ja selvittämään voidaanko niitä hyödyntää käyryyden hallinnassa. Työssä tutkittiin myös kostutuslaitteen käytön vaikutuksia kartongin muihin tärkeisiin ominaisuuksiin, jotta saataisiin selville miten uusi tuote eroaisi referenssituotteesta. Kirjallisuusosassa selvitetään, mitkä tekijät vaikuttavat kartongin käyristymiseen ja miten käyristymistä pystytään hallitsemaan. Kirjallisuusosassa käsitellään myös, miten kartongin käyristymiseen tarvittavat epäsymmetriset mittamuutokset kartongin rakenteessa syntyvät lähtien kosteuden vaikutuksista aina yksittäisten kuitujen tasolta koko kartongin rakenteeseen asti. Kokeellisessa osassa selvitetään Inkeroisten Kartonkitehtaan kartonkikoneella ajettujen koeajojen avulla toimivaa ajotapaa kostutuslaitteelle ja eri prosessimuuttujien vaikutusta käyristymiseen. Koeajoissa tutkittiin epäsymmetrisen kostutuksen, kuivatuksen, sitoutuneisuuden, sekä kuituorientaation vaikutuksia kartongin käyristymiseen. Koeajojen perusteella merkittävimmiksi tekijöiksi kartongin käyristymiseen osoittautuivat epäsymmetrinen kostutus sekä kuivatus. Muiden tekijöiden vaikutus kartongin käyristymiseen jäi vähäiseksi tai liian epäselväksi, jotta olisi voitu osoittaa, että muutos kartongin käyryydessä johtuisi nimenomaan kyseisen tekijän muutoksesta. Verrattaessa uutta tuotetta referenssituotteeseen kartongin pinta- tai lujuusominaisuuksissa ei havaittu tapahtuvan merkittävää muutosta, kun selkäkerroksen pintaliimaus korvattiin sumukostutuksella.

Slurry flows in progressive cavity and in hose pumps

The aim of this thesis was to research how slurry’s viscosity and rheology affect to pumping in peristaltic hose pump and in eccentric progressive cavity pump. In addition, it was researched the formed pressure pulsation in hose pump. Pressure pulsation was studied by pumping different slurries and by using different pipe materials. Pressure and power curves were determined for both used pumps. It was also determined NPSHR curve for the progressive cavity pump. Literature part of the thesis considered to distribute fluids to different rheology types, as well as theories and models to identify different rheology types. Special attention was paid to non-Newtonian fluids, which were also used in experimental part of this thesis. In addition, the literature part discusses about pumps, parameters for pump sizing, and pressure pulsation in hose pump. Starch, bentonite, and carboxymethyl cellulose slurries were used in the experimental part of this thesis. The slurries were pumped with Flowrox peristaltic hose pump (LPP-T32) and eccentric progressive cavity pump (C10/10). From the each slurry was taken a sample, and the samples were analyzed for concentration, viscosity and rheology type. The used pipe materials in pressure pulsation experiments were steel and elastic, and it was also used a prototype of pulsation dampener. The pulsation experiments indicated that the elastic pipe and the prototype of pulsation dampener attenuated pressure pulsation better than the steel pipe at low pressure levels. The differences between different materials disappeared when pressure level and pump rotation speed increased. In slurry experiments, pulsation was different depending on rheology and viscosity of the slurry. According to experiments, the rheology did not significantly affect to pump power consumption or efficiency.

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.

Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.

Elementtikoon vaikutus väsymismenetelmien tarkkuuteen

Kandidaatintyössä tutkittiin kolmen hitsatun palstalevyliitoksen väsymiskestävyyttä äärellisten elementtien menetelmällä. Tutkimuksen pääpaino oli 2D-mallin antamien tulosten suppenevuudessa kolmella eri elementtikoolla ja kolmessa eri mittasuhdetapauksessa. Tutkimustuloksissa havaittiin noin 5 % muutos harvimman ja tiheimmän elementtiverkon tulosten välillä. Tutkimuksessa havaittiin myös että muutos harvimman ja tiheimmän elementtiverkon tuloksissa pieneni hiukan mitä suurempia kappaleet ja niiden hitsausliitokset olivat.

Capital investments planning and life cycle simulations for the new valves manufacturing facility in Russia

The focus of the research is on the derivation of the valid and reliable performance results regarding establishment and launching of the new full-scale industrial facility, considering the overall current conditions for the project realization in and out of Russia. The study demonstrates the process of the new facility concept development, with following perfor-mance calculation, comparative analyzes conduction, life-cycle simulations, performance indicators derivation and project`s sustainability evaluation. To unite and process the entire input parameters complexity, regards the interlacing between the project`s internal technical and commercial sides on the one hand, and consider all the specifics of the Russian conditions for doing business on the other hand, was developed the unique model for the project`s performance calculation, simulations and results representation. The complete research incorporates all corresponding data to substantiate the assigned facility`s design, sizing and output capacity for high quality and cost efficient ferrous pipe-line accessories manufacturing, as well as, demonstrates that this project could be suc-cessfully realized in current conditions in Russia and highlights the room for significant performance and sustainability improvements based on the indexes of the derived KPIs.

Energy Management System for LVDC Island Networks

Recent developments in power electronics technology have made it possible to develop competitive and reliable low-voltage DC (LVDC) distribution networks. Further, islanded microgrids—isolated small-scale localized distribution networks— have been proposed to reliably supply power using distributed generations. However, islanded operations face many issues such as power quality, voltage regulation, network stability, and protection. In this thesis, an energy management system (EMS) that ensures efficient energy and power balancing and voltage regulation has been proposed for an LVDC island network utilizing solar panels for electricity production and lead-acid batteries for energy storage. The EMS uses the master/slave method with robust communication infrastructure to control the production, storage, and loads. The logical basis for the EMS operations has been established by proposing functionalities of the network components as well as by defining appropriate operation modes that encompass all situations. During loss-of-powersupply periods, load prioritizations and disconnections are employed to maintain the power supply to at least some loads. The proposed EMS ensures optimal energy balance in the network. A sizing method based on discrete-event simulations has also been proposed to obtain reliable capacities of the photovoltaic array and battery. In addition, an algorithm to determine the number of hours of electric power supply that can be guaranteed to the customers at any given location has been developed. The successful performances of all the proposed algorithms have been demonstrated by simulations.

The effect of cationic-anionic polyelectrolyte multilayer surface treatment on inkjet ink spreading and print quality

The focus of the work reported in this thesis was to study and to clarify the effect of polyelectrolyte multilayer surface treatment on inkjet ink spreading, absorption and print quality. Surface sizing with a size press, film press with a pilot scale coater, and spray coating, have been used to surface treat uncoated wood-free, experimental wood-free and pigmentcoated substrates. The role of the deposited cationic (polydiallydimethylammonium chloride, PDADMAC) and anionic (sodium carboxymethyl cellulose, NaCMC) polyelectrolyte layers with and without nanosilica, on liquid absorption and spreading was studied in terms of their interaction with water-based pigmented and dye-based inkjet inks. Contact angle measurements were made in attempt to explain the ink spreading and wetting behavior on the substrate. First, it was noticed that multilayer surface treatment decreased the contact angle of water, giving a hydrophilic character to the surface. The results showed that the number of cationic-anionic polyelectrolyte layers or the order of deposition of the polyelectrolytes had a significant effect on the print quality. This was seen for example as a higher print density on layers with a cationic polyelectrolyte in the outermost layer. The number of layers had an influence on the print quality; the print density increased with increasing number of layers, although the increase was strongly dependent on ink formulation and chemistry. The use of nanosilica clearly affected the rate of absorption of polar liquids, which also was seen as a higher density of the black dye-based print. Slightly unexpected, the use of nanosilica increased the tendency for lateral spreading of both the pigmented and dye-based inks. It was shown that the wetting behavior and wicking of the inks on the polyelectrolyte coatings was strongly affected by the hydrophobicity of the substrate, as well as by the composition or structure of the polyelectrolyte layers. Coating only with a cationic polyelectrolyte was not sufficient to improve dye fixation, but it was demonstrated that a cationic-anionic-complex structure led to good water fastness. A threelayered structure gave the same water fastness values as a five-layered structure. Interestingly, the water fastness values were strongly dependent not only on the formed cation-anion polyelectrolyte complexes but also on the tendency of the coating to dissolve during immersion in water. Results showed that by optimizing the chemistry of the layers, the ink-substrate interaction can be optimized.