SMB-laitteiston suunnittelu hydrometallurgisiin sovelluksiin

Työn tarkoituksena oli suunnitella, ohjelmoida ja koekäyttää SMB-laitteisto (Simulated Moving Bed) hydrometallurgisiin erotuksiin. Simuloitu liikkuvapeti saadaan aikaan vaihtamalla sisään- ja ulostuloporttien paikkaa nestevirran suuntaan. Tällöin aikaansaadaan kiintoaineen vastavirtaus minkä johdosta erotustehokkuus kasvaa. Komponenttien retentiotaipumuseroista johtuen komponentit liikkuvat eri nopeuksilla kolonnijärjestelmässä. Enemmän pidättäytyvät komponentit liikkuvat nestevirtaa vastaan ja vähemmän pidättäytyvät komponentit nestevirran mukana. Hydrometallurgiassa vastavirtauksen käyttöä ei ole tieteellisissä julkaisuissa käsitelty laajalti ja saatavilla oleva informaatio onkin kaupallisten yritysten tuottamaa. Hydrometallurgiassa vastavirtausta käyttävissä ioninvaihtolaitteistoissa hyödynnetään irrallisia regenerointivyöhykkeitä. Venttiilijärjestelmän osalta päädyttiin ratkaisuun jossa käytetään yhtä kiertoventtiiliä kullekin virralle, minkä lisäksi kolonnien väleillä käytetään solenoidiventtiiliä. Tämä järjestelmä mahdollistaa yleisimpien SMB-menetelmien käytön mukaan lukien irralliset vyöhykkeet. Laitteiston ohjauksesta vastaa LabVIEW 2010:llä ohjelmoitu ohjelmisto, joka sisältää kaikkien tarvittavien laitteiden ohjausrutiinit. Se mahdollistaa venttiilien synkroniset ja epäsynkroniset vaihdot. Laitteiston puhdistusta varten on ohjelmistoon rakennettu oma rutiini venttiilejä varten. Pumppujen osalta ohjelmisto mahdollistaa vakiovirtauksen sekä lineaaristen ja porrasmuotoisten gradienttien käytön. Ongelmatilanteita varten ohjelmisto valvoo pumppujen ja venttiilien toimintaa ja pysäyttää laitteiston tarvittaessa. Koekäytön avulla pystyttiin todentamaan laitteiston toimivuus.

Kalsinaattorin siirtymien ja teräskuoren murtumien tutkiminen

Sementti on yksi eniten maailmassa käytetty rakennusmateriaali ja Suomessa sementin valmistuksesta vastaa Finnsementti Oy kahden tehtaan voimin. Lappeenrannan tehtaalle investoitiin uusi uunilinja vuonna 2007, joka on aikansa kehittyneintä tekniikkaa. Järjes-telmän esilämmitysvaiheen laitteissa, erityisesti kalsinaattorissa, on esiintynyt luvattoman paljon plastisoitumista ja murtumia. Tässä työssä tutkittiin lämpötilan ja sen vaihtelun vaikutusta järjestelmässä syntyneisiin siirtymiin ja murtumiin. Työn alussa luotiin katsaus erilaisiin murtumisilmiöihin ja niiden syntyyn. Vuorauksessa käytettyihin tiilien käyttäytymistä tutkittiin myös, koska ne ovat olennainen osa esilämmi-tysjärjestelmää. Työn kokeellisessa osuudessa aluksi määriteltiin järjestelmässä käytetylle teräkselle lujuusominaisuudet tutkimalla mikrorakennetta sekä suorittamalla veto- että kovuuskokeet materiaalille. Toisessa osiossa mitattiin järjestelmän alasajon aikana tapah-tuneet siirtymät. Laskennallisessa osuudessa tutkittiin väsymismurtuman mahdollisuutta sekä määritettiin kuoressa esiintyvän särön vaikutusta puhkeamis- ja murtumiskuormituk-seen. FEM- analyysissä tarkasteltiin lämpötilan vaikutusta siirtymien suuruuksiin ja pyrittiin löytämään perusteluita, miksi rakenne on todellisuudessa siirtynyt eri suuntiin kuin alun perin oli tarkoitettu. Lisäksi analysoitiin FEM- mallit tiilihyllystä ja kalsinaattorin kuoren tukikehästä, joista tutkittiin lämpökuorman aiheuttamia jännityksiä. Materiaalin osalta selvisi, että kyseessä oli hyvin yleinen rakenneteräs S235 tai sitä vas-taava teräslaatu. Teräs ei ominaisuuksiltaan sovellu kuumiin olosuhteisiin, jonka vuoksi järjestelmässä käytettävän eristevuorauksen kunto on erityisen tärkeä rakenteen käyttöiän kannalta. Vuorauksen kunnosta riippuu, kuinka suuren lämpökuorman teräskuori saa. Väsymismurtuman mahdollisuus jäi minimaalisen pieneksi lämpötilan muutoksen vaiku-tuksesta. Analysoinnin tulosten perusteella voitiin todeta, että lämpötilan hitaasti mutta kohtalaisen suurella vaihteluvälillä sekä tiilien turpoamisen vaikutuksella on erittäin suuri merkitys järjestelmässä esiintyviin murtumiin.

Alternative liquid biofuels for lime kilns

Causticizing plant is an important part of kraft pulp mill. It uses green liquor from recovery boiler as a raw material and consumes lime to produce white liquor, which is an important chemical used in pulping. Lime kiln is a part of the causticizing process. It is used to convert lime mud, a by-product obtained from the causticizing back to lime in high temperatures. This conversion requires a lot of energy. The most common fuels used as energy source for lime kiln are heavy fuel oil and natural gas. In a modern pulp mill lime kiln is the only user of significant amount of fossil fuels. Replacing fossil fuels with biofuels can have prominent economical and environmental benefits. Interest in using biofuels as energy source of lime kiln has become a worldwide issue in the recent years. However fuels used for lime kiln have a lot of certain requirements. The purpose of this work is to study the required characteristics from liquid fuels used in pulp mill lime kiln and to map suitable liquid biofuels already available in the markets. Also taxation of liquid biofuels compared to heavy fuel oil in Finland, Sweden and Germany is shortly introduced.

CO2 sparging for improving the filtration properties of iron ore slurries

Iron ore treatment processes are usually continuous and high tonnage and filtration equipment has to meet these requirements. In magnetite (Fe3O4) treatment process continuous rotary disc filters are often used for filtration. Carbon dioxide (CO2) treatment is a fairly novel and un-known filtration enhancing process. The interest to use CO2 is quite high because CO2 is a greenhouse gas that is abundant, readily available and capture and use of CO2 would be environmentally beneficial. The focus of this thesis was to investigate if CO2 could be used to enhance the filtration of magnetite with ceramic disc filter. Previous studies have suggested that CO2 could be used to enhance the filtration properties of different iron ores thus increasing the filtration capacity. In the literature part, the basic theory of filtration and the particle properties affecting filtration were discussed. The basic steps of a typical ore treatment process were presented. The reasons why CO2 might enhance the filtration properties of different ores were investigated. A literature survey of earlier studies of CO2 addition as a filter aid was presented and the basic chemical properties and reactions of CO2 were also discussed. The experimental part was done at the LUT Laboratory of Separation Technology using different magnetite samples from the industry. The filtration experiments indicated that CO2 had a positive influence on the filtration properties of magnetite slurry. Zeta potential of untreated and CO2 treated magnetite was measured and CO2 treated magnetite had lower zeta potential values than the untreated magnetite. The filtration capacity was increased while the cake moisture levels were only slightly increased.

Towards sustainable Iron- and steelmaking with economic optimization

The iron and steelmaking industry is among the major contributors to the anthropogenic emissions of carbon dioxide in the world. The rising levels of CO2 in the atmosphere and the global concern about the greenhouse effect and climate change have brought about considerable investigations on how to reduce the energy intensity and CO2 emissions of this industrial sector. In this thesis the problem is tackled by mathematical modeling and optimization using three different approaches. The possibility to use biomass in the integrated steel plant, particularly as an auxiliary reductant in the blast furnace, is investigated. By pre-processing the biomass its heating value and carbon content can be increased at the same time as the oxygen content is decreased. As the compression strength of the preprocessed biomass is lower than that of coke, it is not suitable for replacing a major part of the coke in the blast furnace burden. Therefore the biomass is assumed to be injected at the tuyere level of the blast furnace. Carbon capture and storage is, nowadays, mostly associated with power plants but it can also be used to reduce the CO2 emissions of an integrated steel plant. In the case of a blast furnace, the effect of CCS can be further increased by recycling the carbon dioxide stripped top gas back into the process. However, this affects the economy of the integrated steel plant, as the amount of top gases available, e.g., for power and heat production is decreased. High quality raw materials are a prerequisite for smooth blast furnace operation. High quality coal is especially needed to produce coke with sufficient properties to ensure proper gas permeability and smooth burden descent. Lower quality coals as well as natural gas, which some countries have in great volumes, can be utilized with various direct and smelting reduction processes. The DRI produced with a direct reduction process can be utilized as a feed material for blast furnace, basic oxygen furnace or electric arc furnace. The liquid hot metal from a smelting reduction process can in turn be used in basic oxygen furnace or electric arc furnace. The unit sizes and investment costs of an alternative ironmaking process are also lower than those of a blast furnace. In this study, the economy of an integrated steel plant is investigated by simulation and optimization. The studied system consists of linearly described unit processes from coke plant to steel making units, with a more detailed thermodynamical model of the blast furnace. The results from the blast furnace operation with biomass injection revealed the importance of proper pre-processing of the raw biomass as the composition of the biomass as well as the heating value and the yield are all affected by the pyrolysis temperature. As for recycling of CO2 stripped blast furnace top gas, substantial reductions in the emission rates are achieved if the stripped CO2 can be stored. However, the optimal recycling degree together with other operation conditions is heavily dependent on the cost structure of CO2 emissions and stripping/storage. The economical feasibility related to the use of DRI in the blast furnace depends on the price ratio between the DRI pellets and the BF pellets. The high amount of energy needed in the rotary hearth furnace to reduce the iron ore leads to increased CO2 emissions.

Meesauunin kannatuksien suunnittelutyökalun kehitys

Meesauunia käytetään sellun tuotantoprosessissa kemiallisessa reaktiossa, jossa kalsiumkarbonaatti muutetaan kalsiumoksidiksi. Reaktio on osa sellutehtaan kemikaalikiertoa, missä sellun valmistamisessa käytettävät kemikaalit kierrätetään uusiokäyttöön. Tässä diplomityössä on kehitetty meesauunin kannatusten automatisoitu suunnittelutyökalu vanhan AutoLispillä kehitetyn ohjelman perusteella. Kehitetyn suunnittelutyökalun tärkeimmät osat ovat Excelissä tehdyt kuormituslaskenta ja mitoituslaskenta. Näillä ohjataan Autodeskin Inventoriin kehitettyä cad-mallia ja valmistuspiirustusta. Laskentaohjelmat ja cad-malli on kehitetty mahdollistamaan uusien uunikokojen helpon lisäämisen ohjelmaan. Diplomityössä on perehdytty kuormituslaskentaan standardien mukaisesti. Käytettyjä standardeja ovat esimerkiksi Eurokoodi ja Uniform Building Code. Epätavallisten tilanteiden kuormituslaskennassa käytettiin apuna FE-analyysilla kehitettyjä laskentamalleja. Näitä käytettiin uunin taipumisesta aiheutuvien voimien laskennassa ja lovetun kannatinpyörän aiheuttamien impulssivoimien suuruuden määrittämisessä. Lisäksi diplomityössä perehdyttiin suunnitteluautomaatin kehittämiseen Exceliä apuna käyttäen. Suunnittelutyökalun toimivuutta on verifioitu suunnittelemalla kehitetyllä suunnittelutyökalulla standardiuuneja ja verrattu tuloksia ja valmistuspiirustuksia vanhalla ohjelmalla tulostettuihin tuloksiin. Tulosten perusteella uutta suunnittelutyökalua voidaan käyttää meesauunin kannatuksien suunnitteluun.

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.

Biohiilen teknillistaloudelliset käyttömahdollisuudet meesauuneissa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia biohiilen teknillisiä ja taloudellisia käyttömahdollisuuksia meesauunien polttoaineena. Suomessa meesauunit käyttävät polttoaineinaan yleensä maakaasua ja polttoöljyä. Näiden polttoaineiden käytön korvaamisessa ja vähentämisessä halvemmilla biopolttoaineilla on saatavilla suuret säästöt ja päästöjen vähennykset. Työssä keskityttiin erityisesti tutkimaan biohiilen mahdollisia polttotapoja, biohiilen polton tuottamien vierasaineiden määrää ja biohiilen käytön taloudellista kannattavuutta meesauunien polttoaineena. Työn pohjalta voidaan sanoa, että biohiilen käyttö meesauunien polttoaineena on mahdollista ja kannattavaa. Biohiiltä voidaan käyttää polttoaineena meesauuneissa samoilla polttotavoilla, mitä on käytetty sellu- ja sementtiteollisuudessa polttamaan biohiilen kaltaisia polttoaineita. Biohiilen polton tuottamien vierasaineiden määrä on samaa suuruusluokkaa kuin puun pölypolton tuottamien vierasaineiden määrä. Vierasaineiden pitoisuuksia voidaan hallita avaamalla kemikaalikiertoa. Biohiilen kanssa kilpaileviin puun pölypolttoon ja kaasutukseen nähden biohiilelle löydettiin etuja.

Ravinnepitoisen teollisen jäteveden tuotteistaminen

Tässä työssä selvitettiin ravinnepitoisen jäteveden väkevöintiä erityisesti ammoniumtypen ja orgaanisten happojen osalta. Konsentrointiin käytettiin pääasiassa käänteisosmoosia sekä haihdutusta, mutta myös nanosuodatusta tutkittiin. Jätevesi oli Honkajoki Oy:n lauhdevettä. Kirjallisuusosassa esiteltiin Honkajoki Oy:n toimintaa, membraanierotus-prosesseja, lihantuotannossa syntyvän jätteen ominaisuuksia sekä sen puhdistamista. Keskeisimmät suodatukset tehtiin DOW FILMTEC SW30HR -membraanilla, ja käytetty laitteisto oli DSS LabStak M20. Suodatuksia tehtiin eri pH-olosuhteissa typen ja orgaanisten happojen erottumisen kannalta optimaalisten olosuhteiden löytämiseksi. Lisäksi tutkittiin, kuinka puhtaaksi permeaatti voidaan saada uudelleensuodatuksen avulla. Työssä käytettiin myös haihdutusta lauhteen väkevöintiin. Ammoniumtypen konsentroituminen suodatuksissa oli tehokkainta pH:n ollessa 7 tai sen alle. Kaksivaiheisella suodatuksella permeaatin laatu alitti selvästi Karvianjokeen laskettaville jätevesille asetetut laatu- ja kuormitusrajat. Yhdistämällä suodatus- ja haihdutusprosessit, pystyttiin valmistamaan liuosta, jonka ammoniumtyppipitoisuus oli noin 7,6 %. Tuolloin suodatus tehtiin pH 7:ssä ja haihdutus pH 3:ssa rotavaporilla 26 mbar paineessa ja 50 °C lämpötilassa. Syöttöliuoksen tilavuuden alenema oli noin 65-kertainen. Haihdutuksessa muodostuneessa lauhteessa oli paljon orgaanisia happoja ja käytännössä ei lainkaan ammoniumtyppeä. Tuotejakeita saatiin siten kaksi kappaletta: ammoniumtyppijae ja orgaanisia happoja sisältävä jae.

The Possibility of Greenhouse Gas Mitigation in Ethiopian Cement Industry

Cement industry significantly associated with high greenhouse gas (GHG) emissions. Considering the environmental impact, particularly global warming potential, it is important to reduce these emissions to air. The aim of the study is to investigate the mitigation possibility of GHG emissions in Ethiopian cement industry. Life cycle assessment (LCA) method used to identify and quantify GHG emissions during one ton of ordinary portland cement (OPC) production. Three mitigation scenarios: alternative fuel use, clinker substitution and thermal energy efficiency were applied on a representative gate-to-gate flow model developed with GaBi 6 software. The results of the study indicate that clinker substitution and alternative fuel use play a great role for GHG emissions mitigation with affordable cost. Applying most energy efficient kiln technology, which in turn reduces the amount of thermal energy use, has the least GHG emissions reduction intensity and high implementation cost comparing to the other scenarios. It was found that the cumulative GHG emissions mitigation potential along with other selected mitigation scenarios can be at least 48.9% per ton of cement production.

Rumpusuotimen tuottavuuden kehittäminen

Tämä työ käsittelee imurumpusuotimen mekaanisen rakenteen kehittämistä. Työn tavoitteena on ollut tutkia ja kehittää imurumpusuotimen rakennetta siten, että sen valmistuksen kokonaiskustannukset pienentyisivät alkuperäiseen rakenteeseen verraten. Rakenteen kehittäminen aloitettiin tutkimalla käytössä olevien kolmen konstruktion eri osakokoonpanoja ja kokonaisuutta sekä vertailemalla niiden poikkeavuuksia keskenään ja etsimään modulaarisia yhteneväisyyksiä osakokoonpanojen kesken. Rakenteesta valittiin yksi osakokoonpano, jota kehitettiin järjestelmällisen suunnitteluprosessin menetelmin. Suunnitteluprosessissa rakenteelle on kehitetty useita vaihtoehtoisia ratkaisuja, joista yksi valittiin jatkokehittelyn kohteeksi. Valintaa varten alkuperäisen rumpusuotimen suorituskyky arviointiin ja sen perusteella arvioitiin uusien vaihtoehtojen suorituskykyä. Työn lopputuloksena on esitetty yksi vaihtoehtoinen konstruktio rummulle, jolla nykyisen rumpusuotimen tuottavuutta voidaan parantaa. Lisäksi työn aikana selvitettiin ulkopuolisen meesan irrottamismenetelmän käytettävyyttä testaten suomalaisella sellutehtaalla CPR imurumpusuotimella.

Rajavartiolaitoksen sosiaalisen median virkakäytön mahdollisuudet ja riskit

Valtionhallintoa kannustetaan avoimeen viestintään ja aktiiviseen vuorovaikutukseen kansalaisten kanssa. Sosiaalisen median käytöllä on tässä kasvava merkitys. Viranomaiset ovatkin tulleet yksityishenkilöiden ja yritysten rinnalle sosiaalisen median hyödyntäjinä. Suomessa esimerkiksi Poliisi ja Puolustusvoimat ovat olleet sosiaalisessa mediassa aktiivisia. Tämän tutkimuksen lähtökohtana oli Rajavartiolaitoksen sosiaalisen median virkakäytön tarkastelu. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, millaisia mahdollisuuksia sosiaalisen median käyttö tarjoaa Rajavartiolaitokselle ja mitä riskejä sen käyttö synnyttää. Mahdollisuuksien tarkastelun taustalla oli ajatus asiakkaille suunnatusta viestinnästä, mikä ohjasi ulkoisen viestinnän näkökulman valintaan. Riskien tarkastelun näkökulmana oli se, mitä riskejä sosiaalisen median käyttö synnyttää Rajavartiolaitokselle. Tutkimus oli asiakirjatutkimus, jonka aineisto koostettiin viranomaisviestintää ja sosiaalista mediaa sekä Rajavartiolaitosta ja sen viestintää käsittelevistä tutkimuksista, selvityksistä, asiakirjoista, ohjeista sekä lehti- ja verkkojulkaisuista. Aineiston analyysimenetelmänä käytettiin teoriaohjaavaa sisällönanalyysia. Tutkimustulosten perusteella sosiaalinen media tarjoaa Rajavartiolaitokselle lukuisia hyödyntämismahdollisuuksia. Jotkin havaituista mahdollisuuksista ovat yhteisiä organisaatioille yleisesti. Tällaisia ovat esimerkiksi avoimuuden lisääminen, kansalaismielipiteen luotaaminen, verkostoituminen ja kustannustehokkuus. Jotkin mahdollisuudet ovat käyttökelpoisia erityisesti turvallisuusviranomaisille, ja näistä jotkut yksilöityvät vain Rajavartiolaitokseen. Tällaisia ovat esimerkiksi älypuhelinsovellusten hyödyntäminen hätä- ja häiriötilanteissa, rajanylitysliikenteen sujuvuuden parantamiseen tähtäävä viestintä ja joukkoistaminen. Sosiaalisen median virkakäytössä syntyvät riskit aiheutuvat joko käyttäjän toiminnasta tai sosiaalisen median ominaisuuksista. Riskit voivat kohdentua joko Rajavartiolaitoksen sosiaalisen median käyttöön tai muuhun Rajavartiolaitoksen toimintaan. Tutkimuksessa havaitut riskit ovat lähes poikkeuksetta yleistettävissä myös muita turvallisuusviranomaisia koskeviksi. Riskejä ovat esimerkiksi työajan suunnittelun ongelmat, virkamiehenä ja yksityishen-kilönä esiintymisen rajan hämärtyminen sekä haitallisen tiedon hallitsematon leviäminen. Tulosten perusteella Rajavartiolaitoksen olisi syytä nykyistä tarkemmin ohjeistaa ja koordinoida sosiaalisen median käyttöään. Sosiaalinen median mahdollisuudet on otettava huomioon viestintää suunniteltaessa, jotta viestinnästä saadaan mahdollisimman tehokasta. Myös sosiaalisen median käytön synnyttämien riskien hallinta edellyttää nykyistä laajempaa sosiaalisen median käytön ohjeistusta.