Lannoitetehtaan typenoksidipäästöjen hallintamahdollisuudet

Työssä tarkasteltiin lannoitetehtaan typenoksidipäästöjen hallintamahdollisuuksia Kemira GrowHow Oy:n Uudenkaupungin tehtailla. Työn tavoitteena oli lannoitetehtaalta muodostuvien typen oksidien syntymekanismien etsiminen. Lisäksi työssä etsittiin sellaisia keinoja, joilla typenoksidipäästöjä voitaisiin hallita. Tutkimusosassa tehtiin mittauksia kannettavalla FT-IR kaasuanalysaattorilla teoreettisen tarkastelun tueksi sekä prosessikohtaisten päästöjen selvittämiseksi. Prosessista tehtyjen mittausten lisäksi työssä on hyödynnetty lannoitetehtaan piippuun asennettua kiinteää FT-IR analysaattoria. Prosessikohtaiset mittaukset rajattiin lannoite 2-tehtaaseen. Mittauksia suoritettiin kuudesta prosessin pisteestä. Hallintamahdollisuuksien selvittämiseksi tehtiin tutkimuksia tietyillä raaka-aineiden syötöillä. Päästöjen prosessikohtaista arvioimista varten suoritettiin myös pitot-mittauksia kaasumäärien selvittämiseksi. Mittauksissa havaittiin, että typenoksidipäästöt riippuvat valmistettavasta lajikkeesta. Suurimmaksi typenoksidipäästöjen lähteeksi osoittautuivat reaktorit, joiden osuus oli jopa 95 % typenoksidipäästöistä. Tärkein oli biotiittireaktori, jonka osuus typenoksidipäästöistä oli noin 60-90 %. Lajikkeilla, joilla ei käytetä biotiittireaktoria, osoittautui suurimmaksi typenoksidipäästöjen lähteeksi ammonointireaktorit. Hallintamahdollisuuksia pyrittiin etsimään reaktoreilta. Suurimmaksi typen oksidien hallintamahdollisuudeksi osoittautui ureafosfaatin syöttö liuotus- ja biotiittireaktoreille. Tutkimuksissa havaittiin myös laimean rikkihapon käyttämisen, väkevän sijasta, auttavan hallitsemaan typenoksidipäästöjä.

Haja-asutusalueiden jätevesien käsittelyn tulevaisuus

Tässä työssä tarkastellaan haja-asutusalueilla käytössä olevia kiinteistökohtaisia jäteveden käsittelymenetelmiä. Koelaitteistona oli biologinen pienpuhdistamo, jonka toimintaa tutkittiin tavanomaisessa kotitalouskäytössä. Tarkoituksena oli selvittää jäteveden biologisen suodatuksen soveltuvuutta haja-asutuksen jätevesien käsittelyyn. Kirjallisuusosiossa käsitellään haja-asutuksen jätevesien aiheuttamia ympäristövaikutuksia, ympäristölainsäädäntöä ja yleisesti käytössä olevia erilaisia jäteveden käsittelymenetelmiä, sekä vaihtoehtoisia käymäläratkaisuja. Ennen kokeellisen osuuden alkua asennettiin pienpuhdistamo oheislaitteineen omakotitalon viemärijärjestelmään. Tämän jälkeen päästiin tutkimaan puhdistamon puhdistustehokkuutta ja ympäristökuormitusta lähtevästä jätevedestä keräilynäyttein. Puhdistamolta lähtevän jäteveden kuormitusarvoja verrattiin Ympäristöministeriössä suunnitteilla oleviin enimmäisrajoihin: BOD7 5 g/(d,as), kokonaisfosfori 0,33 g/(d,as) ja kokonaistyppi 8,4 g/(d,as). Mitatut BOD7- ja kokonaistyppikuormitukset alittivat raja-arvot kerran. Muilla mittauskerroilla kuormitus oli enimmäisrajoja suurempi. Kokonaisfosforikuormitus oli kaikilla mittauskerroilla moninkertainen enimmäisrajaan verrattuna. Puhdistamon todellinen BOD7-reduktio oli noin 60 %. Kokonaisfosforin ja kokonaistypen reduktiot vaihtelivat paljon ollen kokonaisfosforilla korkeimmillaan 12 % ja kokonaistypellä 29 %.

Absorbex®-linjan tehokkuuden parantaminen

Laminating Papers Oy:n PK1 Absorbex®-linjan lajivalikoima on erittäin suuri. Johtuen laajasta lajivalikoimasta ja pienestä keskimääräisestä tilauskoosta, tehdään PK1:llä useita lajinvaihtoja päivässä. Diplomityön tavoitteena oli parantaa tehokkuutta rationalisoimalla lajivalikoimaa ja kehittämällä lajinvaihtoprosessia. Työn kirjallisuusosassa esitettiin Absorbex®-paperin valmistus, sekä paperilta vaaditut laatuominaisuudet. Lisäksi esitettiin paperin impregnointi ja loppukäyttö laminaatin runkopaperina. Kirjallisuusosassa käsiteltiin myös paperikonelinjan tuottavuutta ja tehokkuutta, sekä niiden yhteyttä kannattavuuteen, laatuun ja Laminating Papers Oy:n strategian toteuttamiseen. Lisäksi käsiteltiin paperikoneen tehokkuutta ja sen mittaamista hyötysuhteilla.Kokeellisessa osassa tehtiin alustava selvitys PK1:n kokonaishyötysuhteeseen vaikuttavista tekijöistä. Selvityksen mukaan PK1:n kokonaishyötysuhde on heikko johtuen suuresta hylyn määrästä. Hylky muodostuu pääasiassa lajinvaihtohylystä ja pituusleikkauksen leveyshäviöstä. Kokonaishyötysuhteen parantamiseksi pitää lajivalikoimaa saada pienemmäksi. Lajivalikoiman rationalisoimiseksi poistettiin valikoimasta lajit, joita asiakas ei enää tilaa, sekä pyrittiin yhdistämään laatuominaisuuksiltaan lähellä toisiaan olevia lajeja. Lisäksi tuotannollisesti hankalat lajit pyrittiin poistamaan tai muuttamaan laatuspesifikaatiota edulliseksi. Lajivalikoiman hallitsemiseksi tulevaisuudessa kehitettiin työohje lajien rationalisoinnista ja määriteltiin PK1:n ihanne lajivalikoiman laatualueet. Lajinvaihto prosessia tutkittiin automaattisen lajinvaihdon ja operaattorien toiminnan osalta. Automaattisen lajinvaihdon toimintakyky selvitettiin erityisessä kartoitustutkimuksessa ja operaattorien suoritukselle pyrittiin löytämään paras mahdollinen toimitapa. Lajivalikoiman rationalisoinnissa on suuri potentiaali tehokkuuden parantamiseksi. Ihanne lajivalikoimaan päästäessä saadaan pelkästään lajinvaihtohylyn vähenemisen kautta kokonaishyötysuhdetta nostettua noin kaksi prosenttiyksikköä. Potentiaalin hyödyntäminen vaatii pitkäjänteistä yhteistyötä ja säännöllistä seurantaa tuotannon, teknisen asiakaspalvelun, myynnin ja markkinoinnin kesken. Automaattisen lajinvaihdon häiriötön toiminta edellyttää huolellista käyttöä ja säännöllistä ylläpitoa. Lajinvaihto voidaan suorittaa tehokkaasti käyttämällä aina parhaiksi havaittuja toimitapoja.

Haulikkoratamelun minimoinnin suunnittelu

Työn tavoitteena oli tutkia kilpa- ja harjoitusammuntaan käytettävällä haulikkoradalla käytettäväksi soveltuvia passiivisia meluntorjuntamenetelmiä ja suunnitella niistä toimiva kokonaisuus kohderadoille siten, että rata-alueen läheisillä asuinalueilla alitetaan 50 dB LAIMax-taso sekä muilla alueilla ampumaratamelun ohjearvot. Aluksi tarkasteltiin kohderatojen vanhoja menetelmiä ja radan meluntorjunnan kannalta olennaiset suunnat selvitettiin mittauksilla. Myös laukausmelun spektriä tutkittiin mittauksilla. Olemassa oleville menetelmille etsittiin korvaavia ja täydentäviä menetelmiä. Radan sijoittaminen maastoon on tärkeä osa meluntorjuntaa uutta rataa suunniteltaessa, mutta kohteena olleiden ratojen sijoittamista ei voitu enää muuttaa. Koska haulikkoammunnan säännöt eivät mahdollista aliääniammusten tai äänenvaimentimien käyttöä, ei varsinaista melupäästöä pystytä pienentämään. Melulle altistuvan kohteen sisätilojen suojaaminenkin on käytännössä hyödytöntä, koska ampumamelun ohjearvot ovat ulkoalueille. Ainoastaan melun absorptio, etenemisen estäminen ja ohjaaminen ovat kelvollisia menetelmiä kohderadoilla. Rata-alueelle suunniteltiin uudet ratojen väliset meluseinät, joiden ääneneristävyys ja -absorptio on vanhoja seiniä parempi. Taustavallille suunniteltiin jatkamista maavallina ja korottamista meluaitana, joka toimii myös haulienkierrätysjärjestelmän runkona. Alueen maaperä suunniteltiin muutettavaksi akustisesti pehmeämmäksi. Käytettävien menetelmien suunnittelussa tehtiin eri vaihtoehdoille laskennallisia arvioita, tietokonemallinnuksia ja laboratoriokokeita. Myös uusia menetelmiä haulikkoradan meluntorjunnassa tutkittiin. Tutkimusten perusteella näitä menetelmiä tutkitaan jatkossa käytännössä.

Lentoaseman terminaalirakennuksen energiankäyttö ja sisäilmasto

Diplomityössä tarkasteltiin lentoaseman terminaalirakennuksen energia- ja ainevirtoja sekä sisäilman ominaisuuksia. Esimerkkikohteena oli Helsinki-Vantaan lentoaseman keskiterminaalirakennus, jonka 1. ja 2. rakennusvaiheen ulkovaippa muodosti taserajan. Taseen ulkopuolisista tekijöistä tarkasteltiin jäähdytysenergian tuotantoa ja ulkoilman laatua. Työn yhtenä tavoitteena oli muodostaa rakennukselle energiatase. Taseen avulla saatiin tietoa energian jakautumisesta eri toimintoihin ja löydettiin tekijät, joita suunnittelussa tulee painottaa. Terminaalin lähiympäristössä tutkittiin ulkoilman laatua mittausten avulla. Mittaustietoja käytetään apuna tulevaisuuden ilmanottosuunnittelussa. Työssä tarkasteltiin energia- ja ainevirtoina lämpö-, jäähdytys- ja sähköenergian sekä veden ostoa, tuotantoa ja kulutusta sekä prosessointia. Terminaalin lämpötarpeesta hieman yli puolet katettiin kaukolämmöllä. Loput noin 45 % lämpöenergiasta saatiin ns. ilmaisenergioista. Näistä merkittävimmäksi havaittiin sähkölaitteiden luovuttama lämpömäärä. Lämpöhäviöiden kannalta merkittäviä energiavirtoja olivat ilmanvaihdon ja vuotoilmojen kautta siirtyvät energiavirrat, joiden osuuden todettiin olevan noin 80 % terminaalin kokonaislämpöhäviöistä. Vaipan lämmöneristyskyky ja kyky absorboida auringon säteilyä todettiin hyviksi. Tulevaisuudessa tärkeitä suunnittelunäkökohtia tulevat olemaan ilmanvaihdon ja vuotoilman kautta siirtyvien energiavirtojen hallinta sekä sähköenergian ominaiskulutuksen pienentäminen. Ulkoilma todettiin mittauksin hyvätasoiseksi. Lento- ja maaliikenteen päästöarvot olivat lähellä toisiaan ja selvästi ohjearvoja alemmalla tasolla. Päästöjen sijaintiin vaikuttivat liikennemääriä enemmän tuuliolosuhteet. Tulevaisuudessa tuloilma voidaan johtaa terminaaliin yhtä hyvin joko lento- tai maaliikenteen puolelta.

Imprecise measurements in quantum mechanics

In this thesis the structure and properties of imprecise quantum measurements are investigated. The starting point for this investigation is the representation of a quantum observable as a normalized positive operator measure. A general framework to describe measurement inaccuracy is presented. Requirements for accurate measurements are discussed, and the relation of inaccuracy to some optimality criteria is studied. A characterization of covariant observables is given in the case when they are imprecise versions of a sharp observable. Also the properties of such observables are studied. The case of position and momentum observables is studied. All position and momentum observables are characterized, and the joint positionmomentum measurements are discussed.

Photoelectric Measurements and Modeling of Bacteriorhodopsin

Recent technology has provided us with new information about the internal structures and properties of biomolecules. This has lead to the design of applications based on underlying biological processes. Applications proposed for biomolecules are, for example, the future computers and different types of sensors. One potential biomolecule to be incorporated in the applications is bacteriorhodopsin. Bacteriorhodopsin is a light-sensitive biomolecule, which works in a similar way as the light sensitive cells of the human eye. Bacteriorhodopsin reacts to light by undergoing a complicated series of chemical and thermal transitions. During these transitions, a proton translocation occurs inside the molecule. It is possible to measure the photovoltage caused by the proton translocations when a vast number of molecules is immobilized in a thin film. Also the changes in the light absorption of the film can be measured. This work aimed to develop the electronics needed for the voltage measurements of the bacteriorhodopsin-based optoelectronic sensors. The development of the electronics aimed to get more accurate information about the structure and functionality of these sensors. The sensors used in this work contain a thick film of bacteriorhodopsin immobilized in polyvinylalcohol. This film is placed between two transparent electrodes. The result of this work is an instrumentation amplifier which can be placed in a small space very close to the sensor. By using this amplifier, the original photovoltage can be measured in more detail. The response measured using this amplifier revealed two different components, which could not be distinguished earlier. Another result of this work is the model for the photoelectric response in dry polymer films.

Adaptive optimization schemes for mobile VoIP applications Battery life and call quality aspects

In this thesis programmatic, application-layer means for better energy-efficiency in the VoIP application domain are studied. The work presented concentrates on optimizations which are suitable for VoIP-implementations utilizing SIP and IEEE 802.11 technologies. Energy-saving optimizations can have an impact on perceived call quality, and thus energy-saving means are studied together with those factors affecting perceived call quality. In this thesis a general view on a topic is given. Based on theory, adaptive optimization schemes for dynamic controlling of application's operation are proposed. A runtime quality model, capable of being integrated into optimization schemes, is developed for VoIP call quality estimation. Based on proposed optimization schemes, some power consumption measurements are done to find out achievable advantages. Measurement results show that a reduction in power consumption is possible to achieve with the help of adaptive optimization schemes.

Reduction and Analysis Methods of Indigo

Throughout history indigo was derived from various plants for example Dyer’s Woad (Isatis tinctoria L.) in Europe. In the 19th century were the synthetic dyes developed and nowadays indigo is mainly synthesized from by-products of fossil fuels. Indigo is a so-called vat dye, which means that it needs to be reduced to its water soluble leucoform before dyeing. Nowadays, most of the industrial reduction is performed chemically by sodium dithionite. However, this is considered environmentally unfavourable because of waste waters contaminating degradation products. Therefore there has been interest to find new possibilities to reduce indigo. Possible alternatives for the application of dithionite as the reducing agent are biologically induced reduction and electrochemical reduction. Glucose and other reducing sugars have recently been suggested as possible environmentally friendly alternatives as reducing agents for sulphur dyes and there have also been interest in using glucose to reduce indigo. In spite of the development of several types of processes, very little is known about the mechanism and kinetics associated with the reduction of indigo. This study aims at investigating the reduction and electrochemical analysis methods of indigo and give insight on the reduction mechanism of indigo. Anthraquinone as well as it’s derivative 1,8-dihydroxyanthraquinone were discovered to act as catalysts for the glucose induced reduction of indigo. Anthraquinone introduces a strong catalytic effect which is explained by invoking a molecular “wedge effect” during co-intercalation of Na+ and anthraquinone into the layered indigo crystal. The study includes also research on the extraction of plant-derived indigo from woad and the examination of the effect of this method to the yield and purity of indigo. The purity has been conventionally studied spectrophotometrically and a new hydrodynamic electrode system is introduced in this study. A vibrating probe is used in following electrochemically the leuco-indigo formation with glucose as a reducing agent.

Management of Nitrogen Oxides Reduction Project in a Cement Plant

The main aim of this study was to develop the project management framework model which would serve as the new model to follow for upcoming projects at the Lappeenranta cement plant. The other goal was to execute the SNCR (selective non catalytic reduction) project successfully so that the nitrogen oxides emissions are below the stated emission limit when the new emission limit comes into effect beginning in July, 2008. Nitrogen oxides, project management aspects, SNCR and the invested system are explained in the theory part. In the practical part of the study, the SNCR project in the Lappeenranta cement plant was executed and the findings were documented. In order to reach the aim of this study, a framework of project management was made. The framework is based on the executed SNCR project, previous projects in the cement plant and on the available literature relating to the subject matter. The developed project turned out to be successful.

Three Wavelength Optical Probe for Surface Roughness Measurements of Paper Samples

In the present diploma work optical inspection methods were used to investigate surface roughness of paper samples. A special measurement setup, which includes three laser light sources of three different wavelengths, photodetector and goniometer, was used to measure the reflected laser light properties. The intensity of the light reflected in specular direction was measured versus the laser incidence angle for reference metal sample. The value of roughness was estimated and compared to initially known value of metal sample roughness. Thus, the measurement equipment and method were validated. Then the reflected intensity was measured versus reflection angle at constant incidence angle for the same metal sample and paper samples under investigation. The final values of the surface roughness were obtained from the analysis of the reflected intensity dependence. The results are in good correlation with other research groups.

Drag force and frictional resistances in vertically vibrated dense granular media

The objective of this thesis is to shed light on the vertical vibration of granular materials for potential interest in the power generation industry. The main focus is investigating the drag force and frictional resistance that influence the movement of a granular material (in the form of glass beads) contained in a vessel, which is subjected to sinusoidal oscillation. The thesis is divided into three parts: theoretical analysis, experiments and computer simulations. The theoretical part of this study presents the underlying physical phenomena of the vibration of granular materials. Experiments are designed to determine fundamental parameters that contribute to the behavior of vibrating granular media. Numerical simulations include the use of three different software applications: FLUENT, LS-DYNA and ANSYS Workbench. The goal of these simulations is to test theoretical and semiempirical models for granular materials in order to validate their compatibility with the experimental findings, to assist in predicting their behavior, and to estimate quantities that are hard to measure in laboratory.

Separation of Gas Bubbles from Circulation Waters and Pulp Suspensions in Open Channel Flow

The objective of this thesis was to study the removal of gases from paper mill circulation waters experimentally and to provide data for CFD modeling. Flow and bubble size measurements were carried out in a laboratory scale open gas separation channel. Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used to measure the gas and liquid flow fields, while bubble size measurements were conducted using digital imaging technique with back light illumination. Samples of paper machine waters as well as a model solution were used for the experiments. The PIV results show that the gas bubbles near the feed position have the tendency to escape from the circulation channel at a faster rate than those bubbles which are further away from the feed position. This was due to an increased rate of bubble coalescence as a result of the relatively larger bubbles near the feed position. Moreover, a close similarity between the measured slip velocities of the paper mill waters and that of literature values was obtained. It was found that due to dilution of paper mill waters, the observed average bubble size was considerably large as compared to the average bubble sizes in real industrial pulp suspension and circulation waters. Among the studied solutions, the model solution has the highest average drag coefficient value due to its relatively high viscosity. The results were compared to a 2D steady sate CFD simulation model. A standard Euler-Euler k-ε turbulence model was used in the simulations. The channel free surface was modeled as a degassing boundary. From the drag models used in the simulations, the Grace drag model gave velocity fields closest to the experimental values. In general, the results obtained from experiments and CFD simulations are in good qualitative agreement.