Sustainable Waste-to-Energy Production: Performance Evaluation of Distributed Generation fuelled by Landfill Gas

The environmental impact of landfill is a growing concern in waste management practices. Thus, assessing the effectiveness of the solutions implemented to alter the issue is of importance. The objectives of the study were to provide an insight of landfill advantages, and to consolidate landfill gas importance among others alternative fuels. Finally, a case study examining the performances of energy production from a land disposal at Ylivieska was carried out to ascertain the viability of waste to energy project. Both qualitative and quantitative methods were applied. The study was conducted in two parts; the first was the review of literatures focused on landfill gas developments. Specific considerations were the conception of mechanism governing the variability of gas production and the investigation of mathematical models often used in landfill gas modeling. Furthermore, the analysis of two main distributed generation technologies used to generate energy from landfill was carried out. The review of literature revealed a high influence of waste segregation and high level of moisture content for waste stabilization process. It was found that the enhancement in accuracy for forecasting gas rate generation can be done with both mathematical modeling and field test measurements. The result of the case study mainly indicated the close dependence of the power output with the landfill gas quality and the fuel inlet pressure.

Kierrätyspolttoaineiden käyttö leijukerrospoltossa vetykaasun kanssa

Tämä diplomityö on tehty Leppäkosken Energia Oy:n ja Kemira Chemicals Oy:n yhteisyritys FC Energia Oy:lle. FC Energia Oy suunnittelee rakentaa uutta bio-vetyvoimalaitosta Sastamalaan. Voimalaitoksella tuotettaisiin Kemira Chemicals Oy:n ylijäämävedystä ja biopolttoaineista sähköä, kaukolämpöä ja prosessihöyryä. Ympäristölupaa on haettu hakkeen, turpeen ja kierrätyspuun poltolle vetykaasun kanssa. Voimalaitoksen kattilan toiminta perustuu kuplivaan leijukerrostekniikkaan. Diplomityössä selvitettiin, mitä muutoksia kierrätyspolttoaineiden käyttö vaatii leijukerrospoltossa verrattuna hakkeen ja turpeen polttoon. Kierrätyspolttoaineena käytetään hyvälaatuista kierrätyspuuta. Kierrätyspuun käytössä sovelletaan jätteenpoltto-asetusta. Jätteenpolttoasetus määrää tiukemmat päästöjen raja-arvot rinnakkaispoltolle kuin hakkeen ja turpeen poltolle sekä jatkuvatoimiset savukaasujen mittauslaitteet. Rinnakkaispolton hiukkasmaisten päästöjen tiukempi raja-arvo vaatii tehokkaamman sähkösuodattimen. Lisäksi kierrätyspuuta käytettäessä tulistimen materiaaliin tulee olla kestävämpää, mikä aiheuttaa huomattavan lisäinvestoinnin. Työn päätavoitteena oli selvittää, onko kierrätyspuun käyttö taloudellisesti kannattavaa. Oletetulla kierrätyspuun hinnalla 10 €/MWh kierrätyspuuta polttavan voimalaitoksen takaisinmaksuaika on sama kuin haketta polttavan laitoksen ja vuoden lyhyempi kuin turvetta polttavan laitoksen. Tulokseksi saatiin, että rinnakkaispoltto käyttö on taloudellisesti kannattavaa hakkeenpolttoon nähden jos kierrätyspuun hinta on alle 11,2 €/MWh. Kierrätyspuun polttoon liittyy toiminnallinen riski, koska vastaavanlaisia rinnakkaispolttolaitoksia ei ole aiemmin rakennettu.

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.

Keskitetyn lämmöntuotannon kehittämismahdollisuudet Lahden seudulla ilmastonmuutoksen näkökulmasta

Tämä diplomityö on tehty Aalto yliopiston Teknillisen korkeakoulun Lahden keskuksen IMMU-hankkeeseen. Teoriaosassa tarkastellaan kaukolämmityksen nykytilannetta ja sen tulevai-suuteen vaikuttavia tekijöitä. Työssä on tarkasteltu Lahti Energia Oy:n Kymijärven voimalaitosalueen kehittämismahdollisuuksia vuosina 2012 ja 2016. Vertailukohtana käytetään nykytilannetta vuoden 2009 tiedoilla. Työssä on selvitetty voimalaitosalueen elinkaaren aikaisia kasvihuonekaasupäästöjä ja niiden muutoksia mahdollisten uusien voimalaitosinvestointien myötä. Vuonna 2012 alueelle rakennetaan kiinteää polttoainetta käyttävä kaasutusvoimalaitos jolloin nykyisen laitoksen käyttö ja samalla kivihiilen käyttö vähenee huomattavasti. Tässä työssä vuoden 2016 skenaariossa alueelle ajatellaan rakennettavan kolmas voimalaitos, maakaasukäyttöinen kaasukombiturbiini. Tarkasteluissa energiantuotantomäärien oletetaan pysyvän nykytilanteen suuruisina. Työssä tarkasteltujen skenaarioiden perusteella alueen yhdistetyn kaukolämmön- ja sähköntuotannon (CHP) päästöjä voitaisiin vähentää vuonna 2012 noin 20 % ja vuonna 2016 noin 30 % nykytilanteesta. Esitettyjen investointien riskinä on sopivan polttoaineen saatavuus ja riittävyys. Lisäksi työssä tarkasteltiin kaasutusvoimalaitoksen ja kaasukombiturbiinin takaisinmaksuaikoja. Kierrätyspolttoaineen hinnan kallistuminen hinnasta 5 €/MWh hintaan 15 €/MWh vaikutti kaasutusvoimalaitoksen takaisinmaksuaikaan yhdeksällä vuodella. Kaasukombiturbiinin takaisinmaksuaika piteni tämän hetkiseen maakaasun hintaan 27 €/MWh verrattuna päästöoikeuden lisäkustannus 6 €/MWh huomioiden kahdeksan vuotta. Takaisinmaksuaikaan vaikuttaa muun muassa polttoaineen hinta ja laitoksen huipunkäyttöaika.

Biopolttoaineiden lisäämismahdollisuudet kaukolämmön tuotannossa pienen kokoluokan tuotantolaitoksissa Lahden seudulla

Tämä diplomityö on tehty IMMU-hankkeeseen, jossa selvitetään konkreettisia keinoja ilmastonmuutoksen hillintään Lahden seudulla. Diplomityössä tarkastellaan mahdollisuuksia lisätä biopolttoaineita pienen kokoluokan kaukolämmön tuotantolaitoksissa. Teoria osuuden pohjalta luodaan skenaariot Nastolaan ja Vääksyyn (Asikkala). Skenaarioissa tarkastellaan biopolttoaineiden lisäämisen vaikutuksia kasvihuonekaasu- ja hiukkaspäästöihin käyttämällä elinkaariarviointimenetelmää. Taloudellisia seikkoja tarkastellaan laskemalla takaisinmaksuaikoja eri biolaitosratkaisuille nettonykyarvomenetelmällä. Tutkimuksen tuloksena saatiin, että kasvihuonekaasupäästöt tuotannon elinkaaren ajalta vähenevät eniten tuottamalla kaukolämmön perustuotanto Nastolassa ja Vääksyssä bio-CHP-laitoksella haketta polttamalla. Kiinteitä biopolttoaineita poltettaessa tulevat kuitenkin suurimmat hiukkaspäästöt, mikä vaikuttaa asuinympäristön viihtyvyyteen tuotantolaitoksen läheisyydessä. Bio-CHP-laitoksen investointikustannukset ovat suurimmat ja takaisinmaksuaika pisin. Nastolan kulutusperusteisiä päästöjä pystytään vähentämään eniten investoimalla biolämpölaitokseen tai bio-CHP-laitokseen. Päästöjä Nastolassa pystyttäisiin kyseisillä investoinneilla vähentämään enimmillään 6,4 %. Lahti energian kokonaispäästöjä pystyttäisiin enimmillään vähentämään noin 1,6 %. Johtopäätöksenä tutkimuksesta voidaan sanoa, että kasvihuonekaasupäästöjä pystytään vähentämään investointien avulla. Toiset ratkaisut ovat vain kalliimpia kuin toiset. Lisäksi kiinteitä biopolttoaineita käytettäessä jotkut poltto-ominaisuudet voivat heiketä esim. verrattuna maakaasun polttoon. Biopolttoaineiden lisäämisellä kuitenkin päästään irti riippuvuudesta fossiilisiin polttoaineisiin kuten öljyyn ja maakaasuun. Investointeja tehdessä on vaikea sanoa suoraan, mikä vaihtoehto on paras tapa tuottaa kaukolämpöä. Investointipäätöksiä tehdessä päätökseen vaikuttaa se, mitä tuotannon ominaispiirteitä painotetaan eniten.

Energy Supply of Detached Houses in Russia and Finland

The problem of choosing the heating system is always relevant when building new houses. Type of energy source (solid fuel, liquid fuel, gas, electricity, alternative sources) is the main issue in choosing the heating system. The work gives a comprehensive overview of heating methods, determines their advantages and disadvantages taking into account economical and ecological situations in Finland and Russia. Quantitative contribution of single Finnish and Russian detached houses in the overall level of carbon dioxide emissions is estimated when using each method. Comparison of Russian and Finnish energy markets and their impact on electricity pricing is made in the work. The influence of air pollution on environmental offsets according to Russian and Finnish legislative and normative acts is determined.

Heating control of an electrical motor

Electrical motors on a ship attackable to different factors which decrease these lifetimes. One of the main external factors on a ship which usually is a reason of the motor failure is a moisture condensation which decreases the motor winding insulation and increase a probability of the short circuit. Therefore, the protection against moisture is necessary for ship electrical motors. The motor should be protected against moisture all time when it does not operate. The necessity of such protection requires a lot of energy consumption. This master’s thesis is focused on the creation of the electrical motor thermal model and on the different methods of the motor protection against moisture analysis with energy consumption point of view.

Network Structures and Modularity among Biofuel Heating System Manufacturers

The aim of this thesis was to study network structures and modularity among biofuel heating system manufacturers in the Finnish bioenergy sector by utilizing the perspectives of numerous Finnish bioenergy specialists. The study is qualitative due to the fact that the research material was gathered with semi-structured theme interviews during May and June 2010. The research methodology used in the thesis combines conceptual and action-oriented approach. Networks, value nets, and modularity were studied from different perspectives. Three network and platform strategies were discovered and a general network structure was formed. Moreover, benefits and disadvantages of networks and modularity among biofuel heating system manufacturers were illustrated. The analysis provides a comprehensive perception of the industry. The results of the research were constructed by implementing existing theories into practice. Also future recommendations for the biofuel heating system manufacturers were given. The results can be considered to be beneficial because the number of previous studies about the subject is relatively small. The reliability of the study is eminent because the number of the interviews was inclusive.

Cuticular and Suberin Polymers of Edible Plants. Analysis by Gas Chromatographic-Mass Spectrometric and Solid State Spectroscopic Methods

Cutin and suberin are structural and protective polymers of plant surfaces. The epidermal cells of the aerial parts of plants are covered with an extracellular cuticular layer, which consists of polyester cutin, highly resistant cutan, cuticular waxes and polysaccharides which link the layer to the epidermal cells. A similar protective layer is formed by a polyaromatic-polyaliphatic biopolymer suberin, which is present particularly in the cell walls of the phellem layer of periderm of the underground parts of plants (e.g. roots and tubers) and the bark of trees. In addition, suberization is also a major factor in wound healing and wound periderm formation regardless of the plants’ tissue. Knowledge of the composition and functions of cuticular and suberin polymers is important for understanding the physiological properties for the plants and for nutritional quality when these plants are consumed as foods. The aims of the practical work were to assess the chemical composition of cuticular polymers of several northern berries and seeds and suberin of two varieties of potatoes. Cutin and suberin were studied as isolated polymers and further after depolymerization as soluble monomers and solid residues. Chemical and enzymatic depolymerization techniques were compared and a new chemical depolymerization method was developed. Gas chromatographic analysis with mass spectrometric detection (GC-MS) was used to assess the monomer compositions. Polymer investigations were conducted with solid state carbon-13 cross polarization magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C CP-MAS NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and microscopic analysis. Furthermore, the development of suberin over one year of post-harvest storage was investigated and the cuticular layers from berries grown in the North and South of Finland were compared. The results show that the amounts of isolated cuticular layers and cutin monomers, as well as monomeric compositions vary greatly between the berries. The monomer composition of seeds was found to differ from the corresponding berry peel monomers. The berry cutin monomers were composed mostly of long-chain aliphatic ω-hydroxy acids, with various mid-chain functionalities (double-bonds, epoxy, hydroxy and keto groups). Substituted α,ω-diacids predominated over ω-hydroxy acids in potato suberin monomers and slight differences were found between the varieties. The newly-developed closed tube chemical method was found to be suitable for cutin and suberin analysis and preferred over the solvent-consuming and laborious reflux method. Enzymatic hydrolysis with cutinase was less effective than chemical methanolysis and showed specificity towards α,ω-diacid bonds. According to ₁₃C CP-MAS NMR and FTIR, the depolymerization residues contained significant amounts of aromatic structures, polysaccharides and possible cutan-type aliphatic moieties. Cultivation location seems to have effect on cuticular composition. The materials studied contained significant amounts of different types of biopolymers that could be utilized for several purposes with or without further processing. The importance of the so-called waste material from industrial processes of berries and potatoes as a source of either dietary fiber or specialty chemicals should be further investigated in detail. The evident impact of cuticular and suberin polymers, among other fiber components, on human health should be investigated in clinical trials. These by-product materials may be used as value-added fiber fractions in the food industry and as raw materials for specialty chemicals such as lubricants and emulsifiers, or as building blocks for novel polymers.

Kinetic modeling of mechanisms of industrially important organic reactions in gas and liquid phase

This dissertation is based on 5 articles which deal with reaction mechanisms of the following selected industrially important organic reactions: 1. dehydrocyclization of n-butylbenzene to produce naphthalene 2. dehydrocyclization of 1-(p-tolyl)-2-methylbutane (MB) to produce 2,6-dimethylnaphthalene 3. esterification of neopentyl glycol (NPG) with different carboxylic acids to produce monoesters 4. skeletal isomerization of 1-pentene to produce 2-methyl-1-butene and 2-methyl-2-butene The results of initial- and integral-rate experiments of n-butylbenzene dehydrocyclization over selfmade chromia/alumina catalyst were applied when investigating reaction 2. Reaction 2 was performed using commercial chromia/alumina of different acidity, platina on silica and vanadium/calcium/alumina as catalysts. On all catalysts used for the dehydrocyclization, major reactions were fragmentation of MB and 1-(p-tolyl)-2-methylbutenes (MBes), dehydrogenation of MB, double bond transfer, hydrogenation and 1,6-cyclization of MBes. Minor reactions were 1,5-cyclization of MBes and methyl group fragmentation of 1,6- cyclization products. Esterification reactions of NPG were performed using three different carboxylic acids: propionic, isobutyric and 2-ethylhexanoic acid. Commercial heterogeneous gellular (Dowex 50WX2), macroreticular (Amberlyst 15) type resins and homogeneous para-toluene sulfonic acid were used as catalysts. At first NPG reacted with carboxylic acids to form corresponding monoester and water. Then monoester esterified with carboxylic acid to form corresponding diester. In disproportionation reaction two monoester molecules formed NPG and corresponding diester. All these three reactions can attain equilibrium. Concerning esterification, water was removed from the reactor in order to prevent backward reaction. Skeletal isomerization experiments of 1-pentene were performed over HZSM-22 catalyst. Isomerization reactions of three different kind were detected: double bond, cis-trans and skeletal isomerization. Minor side reaction were dimerization and fragmentation. Monomolecular and bimolecular reaction mechanisms for skeletal isomerization explained experimental results almost equally well. Pseudohomogeneous kinetic parameters of reactions 1 and 2 were estimated by usual least squares fitting. Concerning reactions 3 and 4 kinetic parameters were estimated by the leastsquares method, but also the possible cross-correlation and identifiability of parameters were determined using Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. Finally using MCMC method, the estimation of model parameters and predictions were performed according to the Bayesian paradigm. According to the fitting results suggested reaction mechanisms explained experimental results rather well. When the possible cross-correlation and identifiability of parameters (Reactions 3 and 4) were determined using MCMC method, the parameters identified well, and no pathological cross-correlation could be seen between any parameter pair.

Reactive dissolution of sedimentary rocks in flue gas desulfurization : modeling and experimental investigation

Svavel förekommer i kol och olja och oxideras vid förbränning till svaveldioxid (SO2). Årligen utsläpps stora mängder svaveldioxid som åstadkommer sura regn, minskning av stratosfäriskt ozon och sjukdomar. Av dessa orsaker är det nödvändigt att minska utsläppen av svaveldioxid. Den teknologi som rör planering av reaktorer och processer för rökgasavsvavling (FGD) har utvecklats kraftigt och idag använder man olika typer av lösningar. De vanligaste alternativen för FGD är våtskrubber- och semitorra skrubbersystem (Spray Dry Scrubbers, SDS) och injektionsprocesser för absorbenter. SDS-processer har studerats bland annat av Ahlbeck [4] och Klingspor [5] och injektionsprocesser av Alvfors [6]. Kalksten, som i huvusak består av kalciumkarbonat, används i rökgasavsvavling på grund av sin förmåga att binda svavel i form av sulfatsalter. Den vanligaste rökgasavsvavlingsmetoden är våtskrubbning, där det sedimentära stenmaterialets upplösningshastighet är en av de faktorer som påverkar resultatet mest. Utvärdering av kalkstensreaktivitet är därför speciellt viktig vid planering och drift av anläggningar för rökgasavsvavling. Målsättningen med detta arbete var att modellera upplösningen av olika typers kalksten för att få en kvantitativ utvärdering av kvaliteten på de analyserade proverna. Därtill testades även karbonatbiprodukter från stålindustrin för att utvärdera möjligheter att använda andra råmaterial. Det transienta förloppet har analyserats, varvid upplösningshastigheten modellerades bl.a. i avseende på tid och pH. Under arbetets gång har antalet empiriska korrelationer minskats till fördel för fysikaliska modeller av diffusiva och konvektiva masstransportfenomen. En målsättning var att skapa en effektiv och snabb metod för att testa olika absorbenter för rökgasavsvavling under transienta förlopp. I arbetet användes PSD-analys, gjordes pH-mätningar och andra utvärderingar av de fysikaliska parametrar som ingår i beräkningarna. On-line mätningar för de icke-stationära variablerna tid och pH ger möjlighet att eliminera osäkerheter. Vissa modeller kan vara komplicerade. En modell för upplösningshastigheten med mer detaljerad utvärdering av parametrar och färre approximationer är därför nödvändig då man vill utvärdera reaktionshastigheten för fasta partiklar i sur miljö. Arbetet utfördes under fyra år och fem peer review-artiklar ingår i avhandlingen.

Utilization of Automatic Meter Reading in the Improvement of a District Heating System

A district heating system comprises production facilities, a distribution network, and heat consumers. The utilization of new energy metering and reading system (AMR) is increasing constantly in district heating systems. This heuristic study shows how the AMR system can be exploited in finding optimization opportunities in district heating system. In this study, the district heating system is mainly considered from the viewpoint of operational optimization. The focus is on the core processes, heat production and distribution. Three objectives were set to this study. The first one was to examine general optimization opportunities in district heating systems. Second, to figure out the benefits of AMR for general optimization opportunities. Finally, to define a methodology for process improvement endeavors. This study shows, through a case study, the usefulness of AMR in specifying current deficiencies in a district heating system. Based on a literature review, the methodology for the improvement of business processes is presented. Additionally, some issues related to future competitiveness of district heating are concerned. As a conclusion, some optimization objectives are considered more desirable than others. Study shows that AMR is useful in the specification of optimization targets in the district heating system. Further steps in optimization process were not examined in detail. That would seem to be interesting topic for further studies.

Toikansuon kaatopaikkakaasun hyödyntäminen kaukolämmöntuotantoon

Tämän työn päätavoitteena oli selvittää, onko Toikansuon kaatopaikkakaasun hyödyntäminen kaukolämmöntuotantoon Lappeenrannan Energialle taloudellisesti kannattavaa. Kaatopaikkakaasulla voitaisiin korvata kaukolämmöntuotannossa puuta ja maakaasua, mistä aiheutuisi säästöä. Kaukolämmöntuotantoa varten olisi hankittava lämpökeskus ja rakennettava tarvittava infrastruktuuri, mistä aiheutuisi taas toisaalta kustannuksia. Paroc hyödyntää nykyisin Toikansuon kaatopaikkakaasun. Paroc ei hyödynnä kaasua niin paljon kuin olisi mahdollista, ja tulevaisuudessa Paroc ei välttämättä pysty hyödyntämään kaasua ollenkaan. Työssä arvioitiin Toikansuon kaatopaikkakaasupotentiaali, jonka perusteella pyydettiin toimittajilta tarjous kohteeseen soveltuvasta lämpökeskuksesta. Lämpökeskukselle etsittiin lisäksi sijoituspaikka sekä arvioitiin tarvittavan infrastruktuurin rakentamisesta aiheutuvat kustannukset ja lämpökeskuksen käytönaikaiset kustannukset. Aiheutuvia kustannuksia verrattiin vaihtoehtoisten kaukolämmöntuotantotapojen polttoainekustannuksissa saavutettuun säästöön nykyarvomenetelmän avulla. Investoinnin nykyarvo esitettiin eri kaatopaikkakaasun hinnoilla, sillä kaatopaikkakaasusta maksettava hinta on Lappeenrannan Energian ja Lappeenrannan kaupungin välinen neuvottelukysymys. Työn tulosten perusteella Toikansuon kaatopaikkakaasua pystyttäisiin hyödyntämään kaukolämmöntuotantoon noin 15 vuotta. Investointi on Lappeenrannan Energialle kannattava, kunhan kaatopaikkakaasusta maksettava hinta on riittävän alhainen ja laskelmiin valitut lähtöarvot pitävät riittävän hyvin paikkansa. Investointiin sisältyy kuitenkin riskinsä, sillä laskelmat sisältävät useita tulevaisuudessa muuttuvia tekijöitä, joiden kehitystä on vaikea arvioida tarkasti. Investointia tulisi harkita, jos Paroc ei pysty tulevaisuudessa hyödyntämään kaasua ollenkaan tai tavoitteena on minimoida kasvihuonekaasupäästöt. Pelkkää taloudellisen tuoton tavoittelua ajatellen investointi on liian epävarma.