Kuumailmapolttolaitteiston numeerinen virtausmallinnus

Tämä diplomityö perustuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston Uusiutuvien energiajärjestelmien laboratorion koelaitteistoon, jolla tutkitaan voimakkaan savukaasunkierrätyksen ja kuumailmapolton soveltuvuutta pienen kokoluokan energiantuotantoprosesseihin. Työn teoriaosassa esitellään tavanomaisesta palamisesta eroavaa kuumailmapolttoa ja tarkastellaan sen ominaisuuksia. Myös työssä käytetyn tutkimusmenetelmän, numeerisen virtauslaskennan, periaatteita ja ominaisuuksia tarkastellaan. Työssä tutkitaan numeerisella virtausmallinnuksella kuumailmapolttolaitteiston virtauskentän käyttäytymistä, kun takaisin tulipesään kierrätettävän savukaasun määrä sekä tulipesän lämpöhäviöiden suuruus vaihtelevat. Virtauskentän tarkastelu on tärkeää, sillä palamisilman ja kierrätetyn savukaasun täytyy sekoittua kuumailmapolton aikaansaamiseksi. Työn virtausmallinnus suoritettiin Finflo-virtausratkaisijalla kaksiulotteisena palamisreaktioita mallintamatta. Vaikka työssä käytetyt mallit olivat kaksiulotteisia ja niissä käytettiin yksinkertaistuksia, virtausten käyttäytymisestä tulipesässä saatiin olennaista tietoa, jota voidaan mahdollisesti hyödyntää jatkotutkimuksissa.

Sähköisten hankintamenettelyjen taloudelliset yritysvaikutukset

Pro gradu -tutkielmassa tutkitaan julkisissa hankinnoissa käyttöön otettavien uusien sähköisten menettelyjen, sähköisen huutokaupan ja dynaamisen hankintajärjestelmän, yritysvaikutuksia. Ydintutkimustehtävänä on tutkia, millaisia taloudellisia vaikutuksia sähköisillä menettelyillä tulee olemaan yrityksiin niiden tarjotessa palveluita tai tavaroita julkiselle sektorille ja mitkä ovat sähköisten menettelyjen käytön motiivit. Tutkielman teoriaosa on pohja empiiriselle tutkimukselle, jossa aineistona on käytetty suppeaa kyselytutkimusta, haastatteluja ja lisäksi materiaalia on tuotettu analysoimalla hallinnollisten kustannusten määrää sähköisissä hankintamenettelyissä. Yritysvaikutusten arvioinnissa tarkasteltiin sähköisten hankintamenettelyjen käytön motiiveja. Motiiveiksi tunnistettiin tehokkuuden tavoittelu, kustannussäästöt, ajankäytön ja henkilöresurssien käytön tehostaminen sekä avoimuus. Tutkimuksessa onnistuttiin todentamaan edellä mainittuja tekijöitä taloudellisilla malleilla. Määrälliset ja laadulliset tutkimustulokset osoittavat kokonaisuudessaan tuloksellisella tavalla sähköisten hankintamenettelyjen käytön motiiveita ja vaikutuksia yrityksiin. Sähköisillä hankintamenettelyillä voidaan perustellusti tehostaa hankintaprosessia ja saavuttaa kustannussäästöjä. Monia yleisiä yritysten julkisiin hankintoihin pääsyn esteinä pitämiä seikkoja voitaisiin vähentää tai poistaa käyttämällä sähköisiä hankintoja. Sähköistä huutokauppaa ja dynaamista hankintajärjestelmää koskevan lainsäädännön luodessa puitteet menettelyiden käytölle, tulee menettelyjen käyttöönoton motiivien ja kannustimien riittävyyttä seurata. Hallinnollisten kustannusten väheneminen ja muiden esteiden pieneneminen ei välttämättä synnytä pysyvää kannustinvaikutusta, vaan hankintaprosessia tulee pyrkiä sähköistämään kokonaisvaltaisesti myös muissa hankintalain mukaisissa hankintamenettelyissä ja kilpailuttamisen ulkopuolisissa hankinnan osa-alueissa kuten laskuttaminen, maksatus ja tilaus.

Enhancement of water removal in the press section

The effectiveness of water removal on press section is very important for a paper and board machine’s functioning, efficiency and economy. Today, the most effective method for wet pressing is shoe press technology. Metso has carried out a number of studies concerning anew type of water removal method for a press section, which has also been patented. These studies include rough sketches and some test runs. These issues form the basis of this thesis. The objective of this work was to gather together information for a new and enhanced waterremoval method for a press section by studying the functioning of the device andcarrying out test runs. This method is referred to here as Hydronip. The main goal was tobuild a functional test site which fulfills all the necessary requirements and has all thenecessary information gathering devices. The design process was carried out by emphasizing the safety aspects. The goal was also to gather together information about the nip structure in running conditions, the seal function, and to carry out the nip tests with paper or board wads. This thesis consists of a theory part, the design and construction of the test site, and carrying out test runs through information gathering. The theory part consists of the principals of water removal from a press section, Hydronip construction, and the requirements for the test place. The safety aspects were taken into account especially in test runs, but also in the assembly stages. The design and construction of the test site includes the selection of equipment and surroundings that are needed for managing the test runs in the best possible way at certain premises. The test site included the equipment that was already on the premises. Some equipment could be used as it was but some equipment had to be manufactured or modified from existing equipment. A functional test site with information gathering devices was accomplished as a result of thethesis. Test runs demonstrated that the Hydronip concept is, at least on a small scale,functional. Short-term tests for seal functioning showed that the seal can be lubricatedsufficiently under different kinds of nip load situations. Wad tests demonstrated that the metal belt is durable against different sizes of external particles. The seal also endured wad tests even though the pressure impacts impaired the lubrication. MTS tests showing dry content increases, combined with a rough cost calculation and the basic function of the machine in test runs, show that with some further study Hydronip could be a promising new product for water removal from a paper or board machine’s press section.

Energiantuotantovaihtoehtojen vertailu, Jousenpuiston uusi asuinalue

Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla paikallisia energiantuotantovaihtoehtoja eri-tyisesti lämmöntuotantoon painottuen. Tarkastelu sovitettiin uuden matalaenergiarakentamista vastaavan kerrostaloasuinalueen tarpeisiin. Näkökulmana olivat sekä taloudellisuus että hiilidioksidipäästöt. Yksityiskohtaisemman tarkastelun kohteena olivat maalämpö, alueellinen biolämpölaitos sekö alueellinen pien-CHP-laitos. Perusvaihtoehtona tutkittiin kaukolämpöä. Kaikkiin vaihtoehtoihin kuului myös kapasiteetiltaan rajoitettu jäähdytys. Tulosten mukaan kokonaistaloudellisin vaihtoehto oli maalämpö yhdistettynä kaukolämpöön. Tässä vaihtoehdossa peruslämpö tuotetaan maalämmöllä, mutta huippu-lämpöön sekä käyttöveden lämmitykseen käytetään kaukolämpöä. Ratkaisulla saadaan aikaan myös päästövähennyksiä kaukolämpöön verrattuna. Tulosten mukaan pienimmät päästöt olivat pien-CHP-biovoimalaitoksella. Toisaalta nykyisillä sähkön myyntihinnoilla pienimuotoinen yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto ei pysty kilpailemaan kustannusrakenteensa puolesta muiden tutkittujen vaihtoehtojen kanssa.

Bioenergia – verkoston operatiivinen ja strateginen kehittäminen

Nykypäivän entisestään kovenevassa globaalissa liiketoimintaympäristössä jatkuvan ja pitkäaikaisen kilpailukyvyn ylläpitämiseen ja kehittämiseen vaaditaan laajalti kyvykkyyksiä, kompetensseja ja erilaisia resursseja. Etenkään pienet yritykset eivät pysty vastaamaan nykypäivän liiketoiminnan vaatimuksiin ja tavoitteisiin, jolloin ne tarvitsevat osaamista ja resursseja ulkopuolisilta toimijoilta, jopa mahdollisilta kilpailijoiltaan. Painotus on kilpailutilanteessa siirtynyt yksittäisistä yrityksistä verkostojen välisiksi turnauksiksi liiketoiminnan armottomilla pelikentillä. Diplomityö pohjautuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimuskeskuksessa (TBRC) toteutettuun moniosaiseen tutkimukseen lämpöliiketoiminnan verkostorakenteista ja niiden ominaisuuksista. Tavoitteena on yleisen tietouden kasvattaminen pienten lämpölaitosalan toimijoiden verkostorakenteista, niiden eroista ja tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista. Pääpaino diplomityössä on juuri verkostojen kuvaamisella ja tietouden kasvattamisella, mutta myös rakenteiden ja toimintojen kehittämisessä vertikaalisen ja horisontaalisen verkostokehityksen viitekehyksen avulla, huomioiden operatiiviset ja strategiset tarpeet kilpailukyvyn ylläpitämisessä. Tutkimuksessa tunnistettiin huomattavia eroavaisuuksia lämpölaitosten toiminta-tavoissa sekä verkostorakenteissa ja niissä tapahtuvissa transaktioissa. Kirjallisuudessa esitettyjä onnistuneiden ja tehokkaasti toimivien verkostojen ominaisuuksien korrelaatioita lämpöliiketoiminnan operatiivisiin ja strategisiin toimintoihin vertaillaan tarkoitukseen muokatulla laadun talo -matriisilla. Tärkeimmiksi tulevaisuuden kehityskohteiksi analyysien perusteella havaittiin resurssien ja tietotaidon tehokkaamman jakamisen, yhteistyösuhteiden laajuuksien ja lukumäärien kasvattamisen sekä yhteistyösuhteiden strategisuuden lisäämisen.

Rural Food System Change in Tanzania during the Post-Ujamaa Era. A Case Study from Western Bagamoyo District

Food systems in Sub-Saharan Africa have been rapidly transforming during the recent decades with diverse outcomes on human development and environment. This study explores the food system change in rural villages in eastern Tanzania where subsistence agriculture has traditionally been the main source of livelihood. The focus is on the salient changes in the spatial dimensions and structural composition of the food system in the context of economic liberalization that has taken place after the end of the socialist ujamaa era in the mid-1980s. In addition, the linkages of the changes are examined in relation to food security, socio-economic situation, livelihoods, and local environment. The approach of the study is geographical, but also involves various multi-disciplinary elements, particularly from development studies. The research methods included thematic and questionnaire interviews, participatory tools, and the analysis of land use/ cover data and official documents. Several earlier studies that were made in the area during the late 1970s and 1980s provided an important reference base. The study shows that subsistence farming has lost its dominant role in food provisioning due to the declining productivity of land, livestock losses, and the increasing shift of labour to non-farm sectors. Also rapid population growth has added to the pressure on land and other natural resources. Despite the increasing need for money for buying marketed foods and other necessities, the nutritional situation shows improvement and severe malnutrition has diminished. However, the long-term sustainability of this transformation raises concerns. Firstly, the food security situation continues to be fragile and prone to shocks such as adverse climatic conditions, crop failures and price hikes. Secondly, the commodification of the food system and livelihoods in general is linked to rapid environmental degradation in the area, particularly the loss of soil fertility and deforestation. The situation calls for efforts that take more determined and holistic approaches towards sustainable development of the rural food system with particular focus on the role and viability of small-scale farming.

Synthesis of percarboxylic acids in microreactor

Percarboxylic acids are commonly used as disinfection and bleaching agents in textile, paper, and fine chemical industries. All of these applications are based on the oxidative potential of these compounds. In spite of high interest in these chemicals, they are unstable and explosive chemicals, which increase the risk of synthesis processes and transportation. Therefore, the safety criteria in the production process should be considered. Microreactors represent a technology that efficiently utilizes safety advantages resulting from small scale. Therefore, microreactor technology was used in the synthesis of peracetic acid and performic acid. These percarboxylic acids were produced at different temperatures, residence times and catalyst i.e. sulfuric acid concentrations. Both synthesis reactions seemed to be rather fast because with performic acid equilibrium was reached in 4 min at 313 K and with peracetic acid in 10 min at 343 K. In addition, the experimental results were used to study the kinetics of the formation of performic acid and peracetic acid. The advantages of the microreactors in this study were the efficient temperature control even in very exothermic reaction and good mixing due to the short diffusion distances. Therefore, reaction rates were determined with high accuracy. Three different models were considered in order to estimate the kinetic parameters such as reaction rate constants and activation energies. From these three models, the laminar flow model with radial velocity distribution gave most precise parameters. However, sulfuric acid creates many drawbacks in this synthesis process. Therefore, a ´´greener´´ way to use heterogeneous catalyst in the synthesis of performic acid in microreactor was studied. The cation exchange resin, Dowex 50 Wx8, presented very high activity and a long life time in this reaction. In the presence of this catalyst, the equilibrium was reached in 120 second at 313 K which indicates a rather fast reaction. In addition, the safety advantages of microreactors were investigated in this study. Four different conventional methods were used. Production of peracetic acid was used as a test case, and the safety of one conventional batch process was compared with an on-site continuous microprocess. It was found that the conventional methods for the analysis of process safety might not be reliable and adequate for radically novel technology, such as microreactors. This is understandable because the conventional methods are partly based on experience, which is very limited in connection with totally novel technology. Therefore, one checklist-based method was developed to study the safety of intensified and novel processes at the early stage of process development. The checklist was formulated using the concept of layers of protection for a chemical process. The traditional and three intensified processes of hydrogen peroxide synthesis were selected as test cases. With these real cases, it was shown that several positive and negative effects on safety can be detected in process intensification. The general claim that safety is always improved by process intensification was questioned.

Sähköntuotannon pienjänniteverkkoon liittäminen - määräykset ja sähköturvallisuus

Älykkäiden sähköverkkojen (Smart Grid) avulla pyritään vastaamaan sähkönkäytön tehostamisvaatimuksiin. Pientuotanto on yksi tärkeimmistä älykkäiden sähköverkkojen osatekijöistä. Suomessa yksityishenkilöiden innostus omaan sähköntuotantoon ei ole vielä virinnyt, monista eri tekijöistä johtuen. Tulevaisuuden sähköverkoissa pientuotannon rooli on kuitenkin merkittävä. Diplomityössä tarkastellaan pientuotannon yleistymisen edellytyksiä ja tuotannon pienjänniteverkkoon liittämistä. Pientuotannon potentiaalia tarkastellaan eri tuotantomuotojen ja niiden kannattavuuden näkökulmasta. Työn tärkein osuus keskittyy verkkoonliittämismääräyksiin ja sähköturvallisuuteen. Pienjänniteverkkoon liitetty tuotantolaitos on uusi syöttöpiste verkossa ja aiheuttaa esimerkiksi suojaushaasteita. Lisäksi aihepiiri on vielä uusi ja toimintamenetelmät ovat osin vaillinaisia. Työssä esitetään tärkeimmät haasteet, pohditaan niiden merkittävyyttä ja käydään läpi ratkaisuvaihtoehtoja. Selviä teknisiä esteitä pientuotannon yleistymiselle ei Suomessa ole.

Yleinen kirjallisuuskatsaus peliteollisuuteen ohjelmistotekniikan tutkimuksessa

Tässä työssä tutkitaan peliteollisuudesta tehtyä ohjelmistotekniikan tutkimusta. Työssä selvitetään kirjallisuuskatsauksen keinoin mitä on tutkittu aiemmin, ketkä ovat tutkineet ja missä on tutkittu. Löydetystä aineistosta poimitaan oleellisimmat julkaisut tarkempaan tarkasteluun. Johtopäätöksenä todetaan, että peliteollisuudesta tehty ohjelmistotekniikan tutkimus on tehdyn kirjallisuuskatsauksen perusteella pääosin mittaluokaltaan pientä ja määrältään vähäistä. Huomattavaa julkisuutta tutkijapiireissä saaneita peliteollisuutta ohjelmistotekniikan näkökulmasta tutkineita henkilöitä tai tutkimuslaitoksia ei noussut esille tutkimusta tehdessä.

Haja-asutusalueiden pienjätevedenpuhdistamoiden online-monitoroinnin kehitysmahdollisuudet

The aim of this Bachelor's thesis was to investigate potentialities of online-monitoring the efficiency of small scale wastewater treatment systems. Evolving legislation currently sets minimum boundaries of relative decrease in levels of phosphorus, nitrogen and BOD in abovementioned applications, yet no monitoring requirements for such systems are determined. Inherently, no applicable monitoring system for these parameters exist. However, some measuring methods offer potentialities for estimating the reduction of these certain parameters in a wastewater stream treated in a small scale system. Such methods could be found for example among electronic noses, measuring of electronic conductivity or turbidity.

Pienen kokoluokan CHP-tuotannon kannattavuus kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä

Fossiiliset polttoainevarannot ovat ehtymässä. Nykyisen talouskasvumme perustuessa fossiilisten polttoaineiden kestämättömään käyttöön, on energiantuotantorakenteen muututtava. Euroopan Unioni on asettanut tavoitteet uusiutuvan energian osuuden lisäämiseksi. Näistä syistä johtuen kiinnostus uusiutuvaa energiaa ja hajautettua energiantuotantoa kohtaan on kasvanut viime aikoina. Tämän globaalin ilmiön rinnalla yhteiskuntarakenteen muutos Suomessa on johtanut tilanteeseen, jossa taloudellinen aktiviteetti kasvukeskusten ulkopuolella on hiipumassa. Loogisena ratkaisumallina on syntynyt hankkeita kuten Keski-Karjalan Kehitysyhtiö Oy:n Puhos 2013 - ympäristöalasta uutta liiketoimintaa - hanke. Tämä työ on Puhos 2013 - hankkeeseen tilattu tutkimus, jonka tavoitteena on puuta ja biokaasua polttoaineenaan käyttävän mikroturbiinitekniikkaan pohjautuvan pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuden selvittäminen kunnallisen lämpölaitoksen yhteydessä. Tutkimuksessa selvitettiin aluksi pienen kokoluokan CHP tuotannon kannattavuuteen vaikuttavat tekijät, jonka jälkeen opittua tietoa sovellettiin Kiteen Lämmön Arppentien lämpölaitoksen tapaukseen. Kiteen Lämmön taloudellisen kannattavuuden ohella tutkimuksessa huomioitiin uusien liiketoiminta mahdollisuuksien syntyminen alueelle. Käytetyt tutkimusmenetelmät olivat kvalitatiivinen analyysi ja perinteinen investoinnin kannattavuuslaskenta. Tutkimuksen tuloksena muodostettiin strategia, joka maksimoi molemmat edellä mainitut kannattavuuden näkökulmat. Kehitetyn strategian Kiteen Lämmön tulosta maksimoiva osuus muodostuu oman käyttösähkön tuottamisen aloittamisesta Arppentien lämpölaitoksella 30 kWe mikroturbiinilla käyttäen polttoaineena Bio10 Oy:n toimittamaa biokaasua. Uusien liiketoiminta mahdollisuuksien synty alueelle mahdollistetaan puolestaan kehittämällä puun kaasutukseen perustuva modulaarinen CHP laitos yhteistyössä Mekrijärven tutkimusaseman ja suomalaisten laitevalmistajien kanssa.

Kullan uutto kloridiliuoksista

Työssä tutkittiin kullan neste-nesteuuttoa kloridiliuoksista kirjallisuustutkimuksen ja laboratoriokokeiden avulla. Uuttoreagenssina käytettiin Outotecin kehittämää kullanuuttoreagenssia. Teoreettisessa osassa tarkastellaan kullan käyttäytymistä happamissa vesiliuoksissa, jotka sisältävät kloridia ja bromidia. Lisäksi työssä käsitellään kultakloridiyhdisteiden käyttöturvallisuutta. Teollisuudessa vuonna 2012 käytettäviä neste-nesteuuttoon perustuvia kullan talteenottomenetelmiä esitellään lyhyesti. Kirjallisuusosassa käsitellään myös joidenkin teollisesti käytettävien polymeeristen rakennemateriaalien ominaisuuksia. Kokeellisessa osassa määritettiin kullanuuttoreagenssin fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sen tiheys, viskositeetti, liukoisuus veteen sekä faasien selkeytyminen uuttoprosessissa. Tuloksista havaittiin, että eri modifiointiaineet vaikuttavat huomattavasti kullanuuttoliuoksen fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kullan uuttoa tutkittiin pienen mittakaavan laboratoriokokein käyttämällä synteettisiä kultaa sisältäviä lähtöliuoksia. Kokeissa tutkittiin lähtöliuoksen happopitoisuuden ja bromidipitoisuuden, sekä uuttoreagenssin modifiointiaineiden vaikutuksia kullan uuttotasapainoon. Lisäksi tutkittiin joidenkin epäpuhtausmetallien myötäuuttautumista. Materiaalitutkimuksissa tarkasteltiin kullanuuttoreagenssin ja autenttisen kullan halidiliuoksen vaikutuksia polymeerimateriaaleihin pitkäaikaisessa kontaktissa. Uuttoliuosten havaittiin aiheuttavan turpoamaa sekä pinnan pehmenemistä joissakin teollisissa muoveissa.

Dispersal and metacommunity dynamics in a soft-sediment benthic system : how well is the seafloor connected?

Connectivity depends on rates of dispersal between communities. For marine soft-sediment communities continued small-scale dispersal as post-larvae and as adults can be equally important in maintaining community composition, as initial recruitment of substrate by pelagic larvae. In this thesis post-larval dispersal strategies of benthic invertebrates, as well as mechanisms by which communities are connected were investigated. Such knowledge on dispersal is scarce, due to the difficulties in actually measuring dispersal directly in nature, and dispersal has not previously been quantified in the Baltic Sea. Different trap-types were used underwater to capture dispersing invertebrates at different sites, while in parallel measuring waves and currents. Local community composition was found to change predictably under varying rates of dispersal and physical connectivity (waves and currents). This response was, however, dependent on dispersal-related traits of taxa. Actively dispersing taxa will be relatively better at maintaining their position, as they are not as dependent on hydrodynamic conditions for dispersal and will be less prone to be passively transported by currents. Taxa also dispersed in relative proportions that were distinctly different from resident community composition and a significant proportion (40 %) of taxa were found to lack a planktonic larval life-stage. Community assembly was re-started in a large-scale manipulative field experiment over one year across several sites, which revealed how patterns of community composition (α-, β- and λ-diversity) change depending on rates of dispersal. Results also demonstrated that in response to small-scale disturbance, initial recruitment was by nearby-dominant species after which other species arrived from successively further away. At later assembly time, the number of coexisting species increased beyond what was expected purely by local niche requirements (species sorting), transferring regional differences in community composition (β-diversity) to the local scale (α-diversity, mass effect). Findings of this thesis complement more theoretical studies in metacommunity ecology by demonstrating that understanding how and when individuals disperse relative to underlying environmental heterogeneity is key to interpreting how patterns of diversity change across different spatial scales. Such information from nature is critical when predicting responses to, for example, different types of disturbances or management actions in conservation.

Experimental and discrete element simulation studies of bell-less charging of blast furnace

This thesis presents an experimental study and numerical study, based on the discrete element method (DEM), of bell-less charging in the blast furnace. The numerical models are based on the microscopic interaction between the particles in the blast furnace charging process. The emphasis is put on model validation, investigating several phenomena in the charging process, and on finding factors that influence the results. The study considers and simulates size segregation in the hopper discharging process, particle flow and behavior on the chute, which is the key equipment in the charging system, using mono-size spherical particles, multi-size spheres and nonspherical particles. The behavior of the particles at the burden surface and pellet percolation into a coke layer is also studied. Small-scale experiments are used to validate the DEM models.