Jätteen kaasutus ja energiakäyttö

Kiinteiden polttoaineiden muuntaminen kaasumaiseen muotoon eli kaasuttaminen herätti jo vuosia sitten tutkijoiden kiinnostusta. Suomessa yleinen mielenkiinto on viimeaikoina keskittynyt edullisempien polttoaineiden kaasuttamiseen ja saatavan tuotekaasun polttamiseen. Lahti Energian uudessa Kymijärvi 2 voimalaitoksessa kaasutetaan puuta ja kierrätyspolttoainetta (REF). Saatava tuotekaasu jäähdytetään ja suodatetaan, jotta epäpuhtaudet saadaan pois tuotekaasusta. Puhdistettu tuotekaasu poltetaan kaasukattilassa korkeilla höyrynarvoilla. Tuotekaasun jäähdyttämistä ei ole paljoa tehty eikä siitä ole juurikaan tieteellistä tutkimusta eikä kokemusta. Tuotekaasun jäähtyessä partikkelit tarttuvat lämpöpinnoille aiheuttaen kerrostumia. Kerrostumat heikentävät lämmönsiirtoa olennaisesti. Tämän työn tarkoitus on tutkia kaasutusprosessia, tuotekaasun jäähdyttimen likaantumista sekä antaa lisätietoja likaantumiseen vaikuttavista tekijöistä.

Metsäenergian liiketoimintojen kehittäminen ja käytön kasvun vaikutukset Kaakkois-Suomessa

Kaakkois-Suomen alueella uusiutuvan energian käyttö ja erityisesti metsäenergian käyttö on kasvanut merkittävästi 2000-luvulla. Tulevaisuudessa metsäenergia nähdään edelleen potenti-aalisimpana vaihtoehtona korvattaessa fossiilisia polttoaineita lämpö- ja voimalaitoskokoluo-kassa. Muita uusiutuvan energian vaihtoehtoja ovat mm. tuuli- ja aurinkovoima, biokaasu sekä erilaiset kiinteät ja nestemäiset polttoainejalosteet. Tulevaisuudessa alueella voi olla mahdollis-ta tuottaa niin kansalliseen kuin kansainväliseen vientiin esim. biopolttonesteitä, biokaasua ja biohiiltä. Tutkimushankkeen tavoitteena oli selvittää metsäenergia-alan alueelliset toimijat sekä metsä-energian soveltuvuus ja liiketoimintamahdollisuudet Kaakkois-Suomen alueen energian tuo-tannossa. Tutkimus koostui seuraavista osatehtävistä: metsäsektorin toimijakentän kartoitus, metsäenergian alueelliset liiketoimintamahdollisuudet, puuperäisten polttoainejalosteiden käyttö- ja liiketoimintamahdollisuudet, muiden uusiutuvien energialähteiden käyttömahdolli-suudet ja vaikutukset Kaakkois-Suomessa. Tutkimuksessa arvioitiin myös Kaakkois-Suomen metsäenergian hankinnan työllisyysvaikutuksia. Tutkimuksen ohjausryhmänä toimi Kaakkois-Suomen metsäenergianeuvottelukunta. Tutkimuksessa kyselytutkimuksella selvitettiin metsäenergian tuottajien ja käyttäjien mielipi-teitä ja kehittämiskohteita toimialalta. Kaakkois-Suomessa hyödynnettävistä uusiutuvista energialähteistä selvitettiin nykyinen käyttö sekä arvioitiin tulevaisuuden hyödyntämismah-dollisuuksia vuonna 2020. Nämä tulokset esitettiin Kaakkois-Suomen energiataseen avulla. Kaakkois-Suomessa uusiutuvista energialähteistä puupolttoaineilla on merkittävin rooli metsä-teollisuuden johdosta ja alueen metsäenergian käyttö voi kasvaa jopa 1,7 TWh:in, mikäli fos-siilisia energialähteitä korvataan edelleen voimalaitoksissa ja lämpökeskuksissa. Metsäenergian käytön kasvussa alueen kunnilla on merkittävä rooli. Viime vuosina erityisesti tuulivoiman tuotanto on kasvanut ja tulee kasvamaan edelleen. Samoin aurinkoenergian hyödyntäminen kiinteistökokoluokassa on lisääntynyt voimakkaasti. Lisäksi maakuntaan on suunnitteilla kiin-teiden, nestemäisten ja kaasumaisten polttoainejalosteiden tuotantolaitoksia. Toteutuessaan laitokset voivat lisätä metsäenergian käyttöä merkittävästi.

Heterogeneous mass transfer in fluidized beds by computational fluid dynamics

The main objective of this research is to estimate and characterize heterogeneous mass transfer coefficients in bench- and pilot-scale fluidized bed processes by the means of computational fluid dynamics (CFD). A further objective is to benchmark the heterogeneous mass transfer coefficients predicted by fine-grid Eulerian CFD simulations against empirical data presented in the scientific literature. First, a fine-grid two-dimensional Eulerian CFD model with a solid and gas phase has been designed. The model is applied for transient two-dimensional simulations of char combustion in small-scale bubbling and turbulent fluidized beds. The same approach is used to simulate a novel fluidized bed energy conversion process developed for the carbon capture, chemical looping combustion operated with a gaseous fuel. In order to analyze the results of the CFD simulations, two one-dimensional fluidized bed models have been formulated. The single-phase and bubble-emulsion models were applied to derive the average gas-bed and interphase mass transfer coefficients, respectively. In the analysis, the effects of various fluidized bed operation parameters, such as fluidization, velocity, particle and bubble diameter, reactor size, and chemical kinetics, on the heterogeneous mass transfer coefficients in the lower fluidized bed are evaluated extensively. The analysis shows that the fine-grid Eulerian CFD model can predict the heterogeneous mass transfer coefficients quantitatively with acceptable accuracy. Qualitatively, the CFD-based research of fluidized bed process revealed several new scientific results, such as parametrical relationships. The huge variance of seven orders of magnitude within the bed Sherwood numbers presented in the literature could be explained by the change of controlling mechanisms in the overall heterogeneous mass transfer process with the varied process conditions. The research opens new process-specific insights into the reactive fluidized bed processes, such as a strong mass transfer control over heterogeneous reaction rate, a dominance of interphase mass transfer in the fine-particle fluidized beds and a strong chemical kinetic dependence of the average gas-bed mass transfer. The obtained mass transfer coefficients can be applied in fluidized bed models used for various engineering design, reactor scale-up and process research tasks, and they consequently provide an enhanced prediction accuracy of the performance of fluidized bed processes.

Lämpötilan vaikutus oksaalihapon hapetukseen pulssitetulla koronapurkauksella

Tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa lämpötilan vaikutusta veden orgaanisten haitta-aineiden hapetuksessa PCD-menetelmällä. Kokeita tehtiin näytteiden eri alkulämpötiloilla. Malliyhdisteenä kokeissa käytettiin oksaalihappoa. Teoriaosuudessa käsiteltiin pulssittaista koronapurkausta ilmiönä. Lisäksi tarkasteltiin, kuinka PCD-menetelmällä muodostuu hapettimia neste-kaasufaasissa. Syntyvistä hapettimista keskityttiin otsoniin ja hydroksyyliradikaaliin. Kokeellisessa osuudessa esiteltiin käytetty PCD-laitteisto. Esittelyn jälkeen siirryttiin hapetuskokeiden kuvaamiseen ja analyysin suorittamiseen titrauksella. Lopuksi koottiin tulokset. Tutkimuksissa prosessin hapetustehon havaittiin heikentyvän lämpötilan noustessa tutkitulla lämpötila-alueella, mikä voi selittyä kaasufaasissa muodostuvan otsonin heikentyvällä liukoisuudella. Tuloksia voidaan pitää viitteellisinä, ja selkeän mallin muodostamiseksi tarvitaan jatkotutkimuksia laajemmalla lämpötila-alueella tarkasti toistettavilla koejärjestelyillä.

A reaction engineering approach to homogeneously catalyzed glycerol hydrochlorination

The production of biodiesel through transesterification has created a surplus of glycerol on the international market. In few years, glycerol has become an inexpensive and abundant raw material, subject to numerous plausible valorisation strategies. Glycerol hydrochlorination stands out as an economically attractive alternative to the production of biobased epichlorohydrin, an important raw material for the manufacturing of epoxy resins and plasticizers. Glycerol hydrochlorination using gaseous hydrogen chloride (HCl) was studied from a reaction engineering viewpoint. Firstly, a more general and rigorous kinetic model was derived based on a consistent reaction mechanism proposed in the literature. The model was validated with experimental data reported in the literature as well as with new data of our own. Semi-batch experiments were conducted in which the influence of the stirring speed, HCl partial pressure, catalyst concentration and temperature were thoroughly analysed and discussed. Acetic acid was used as a homogeneous catalyst for the experiments. For the first time, it was demonstrated that the liquid-phase volume undergoes a significant increase due to the accumulation of HCl in the liquid phase. Novel and relevant features concerning hydrochlorination kinetics, HCl solubility and mass transfer were investigated. An extended reaction mechanism was proposed and a new kinetic model was derived. The model was tested with the experimental data by means of regression analysis, in which kinetic and mass transfer parameters were successfully estimated. A dimensionless number, called Catalyst Modulus, was proposed as a tool for corroborating the kinetic model. Reactive flash distillation experiments were conducted to check the commonly accepted hypothesis that removal of water should enhance the glycerol hydrochlorination kinetics. The performance of the reactive flash distillation experiments were compared to the semi-batch data previously obtained. An unforeseen effect was observed once the water was let to be stripped out from the liquid phase, exposing a strong correlation between the HCl liquid uptake and the presence of water in the system. Water has revealed to play an important role also in the HCl dissociation: as water was removed, the dissociation of HCl was diminished, which had a retarding effect on the reaction kinetics. In order to obtain a further insight on the influence of water on the hydrochlorination reaction, extra semi-batch experiments were conducted in which initial amounts of water and the desired product were added. This study revealed the possibility to use the desired product as an ideal “solvent” for the glycerol hydrochlorination process. A co-current bubble column was used to investigate the glycerol hydrochlorination process under continuous operation. The influence of liquid flow rate, gas flow rate, temperature and catalyst concentration on the glycerol conversion and product distribution was studied. The fluid dynamics of the system showed a remarkable behaviour, which was carefully investigated and described. Highspeed camera images and residence time distribution experiments were conducted to collect relevant information about the flow conditions inside the tube. A model based on the axial dispersion concept was proposed and confronted with the experimental data. The kinetic and solubility parameters estimated from the semi-batch experiments were successfully used in the description of mass transfer and fluid dynamics of the bubble column reactor. In light of the results brought by the present work, the glycerol hydrochlorination reaction mechanism has been finally clarified. It has been demonstrated that the reactive distillation technology may cause drawbacks to the glycerol hydrochlorination reaction rate under certain conditions. Furthermore, continuous reactor technology showed a high selectivity towards monochlorohydrins, whilst semibatch technology was demonstrated to be more efficient towards the production of dichlorohydrins. Based on the novel and revealing discoveries brought by the present work, many insightful suggestions are made towards the improvement of the production of αγ-dichlorohydrin on an industrial scale.