Puunpolton mahdollisuudet Suomenojan voimalaitoksella

Puuenergian käyttö on viime vuosina lisääntynyt kaukolämmön tuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Puun kilpailukykyä polttoaineena ovat lisänneet polttotekniikan ja korjuutekniikoiden kehittyminen. Puun energiakäyttöä on edistänyt myös valtiovalta tukien ja veroratkaisuiden avulla, koska fossiilisten polttoaineiden korvaaminen puupolttoaineilla tukee Suomen ilmastopoliittisia tavoitteita. Tämän työn tavoitteena oli selvittää puupolttoaineiden käytön mahdollisuudet Espoon Sähkön Suomenojan voimalaitoksella. Nykyiset Suomenojan pääpolttoaineet ovat kivihiili ja maakaasu. Suomenojalle toimitetut puupolttoaineet koostuisivat sahoilta saatavista sivutuotteista, metsätähdehakkeesta ja kierrätyspuusta. Puupolttoaineiden taloudellinen saatavuus vaihtelee alueittain huomattavasti. Espoo ei tässä suhteessa ole sijainniltaan edullinen. Saatujen polttoainetarjousten perusteella puunpolton kustannukset nousevat kivihiilen kustannuksia korkeammiksi kuljetusetäisyyksistä johtuen, kun puunpoltto on yli 300 GWh/a. Tämä vastaisi 10 prosenttia Espoon Sähkön vuoden 2000 kokonaispolttoainekäytöstä ja 8 prosenttia arvioidusta polttoaineiden käytöstä vuodelle 2010. Puuta voidaan polttaa leijukerrostekniikkaan perustuvissa kattiloissa, arinakattiloissa, pölypolttona tai kaasuttamalla ja johtamalla tuotekaasu poltettavaksi. Puun ravinneaineista kloori voi aiheuttaa kuumakorroosiota höyrykattiloiden tulistimissa. Tätä pyritään estämään seospoltolla rikkipitoisten polttoaineiden, kuten turpeen tai kivihiilen kanssa. Seospoltto muiden polttoaineiden kanssa parantaa myös puun palamistulosta. Puupolttoaineiden kosteus voi olla jopa 60 prosenttia. Tässä työssä tutkittiin puun energiakäytölle pääasiassa kuutta eri ratkaisua. Ne olivat: kaasuttimen rakentaminen ja tuotekaasun poltto nykyisessä hiilipölykattilassa, hiilipölykattilan muuttaminen leijukerrospolttoon, uuden vastapainevoimalaitoksen rakentaminen, Suomenojalla olevan hiilivesikattilan muuttaminen puupolttoaineille, kivihiilen ja puun yhteispoltto hiilipölykattilassa puu/hiilipölypolttimilla sekä leijukerroskattilan rakentaminen ja sen yhdistäminen olemassa olevaan höyryturbiiniin. Taloudellisesti kannattaviksi ratkaisuiksi osoittautui kaksi viimeksi mainittua. Jos voimalaitostonttia halutaan säästää myöhempää maakaasuvoimalaitoshanketta varten, nousee puun ja kivihiilen yhteispoltto puu/hiilipölypolttimilla oleellisesti paremmaksi vaih-toehdoksi. Tämän vaihtoehdon korollinen takaisinmaksuaika on 7-11 vuotta, riippuen puunpolton laajuudesta. Kannattavuudelle on hyvin tärkeää puulla tuotetun sähkön tuki. Yhteispolton ansiosta hiilipölykattilan rikkidioksidi- ja hiilidioksidipäästöt sekä mahdollisesti myös typenoksidipäästöt vähenisivät. Puunpoltto lisää savukaasuvirtaa, nostaa savukaasun loppulämpötilaa ja mahdollisesti laskee hyötysuhdetta. Laitoksen rekkaliikenne lisääntyy. Kaikki esitetyt ratkaisuvaihtoehdot vähentäisivät hiilidioksidipäästöjä. Puunpolttoratkaisuilla ei kuitenkaan pystytä vähentämään Espoon Sähkön energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä alle vuoden 1990 tason, mutta hiilidioksidin ominaispäästöissä edellä mainitun tason alle päästäisiin.

Kaukolämpölaitoksen kunnossapitosuunnitelma

Työssä on esitetty pääpiirteissään Joutsenon Energia Oy:n kaukolämpöjärjestelmä lämpökeskuksineen ja kaukolämpöverkkoineen sekä toimintaa ohjaava lainsäädäntö. Kunnossapitoa on käsitelty ensin teoreettisesti yleisellä tasolla, keskittyen kunnossapitostrategioihin ja niiden valintaan, kunnossapitotiedon hallintaan sekä kunnossapidon organisointiin. Työn puitteissa otettiin käyttöön myös Komartekin kaukolämmön kunnossapito-ohjelma Lämpökunto sekä graafinen informaatiojärjestelmä MAP, johon mallinnettiin mm. Joutsenon kaukolämpöverkkojen johdot ja kaivot. Tutkimustuloksina on esitelty mahdollisuuksia tehostaa kaukolämpöverkkojen ja –keskusten kunnossapitoa ja käyttää Lämpökuntoa tässä apuvälineenä. Kaukolämpöverkoille tehtiin perusparannustarpeen kartoitus sekä keskustaajaman kaukolämpöverkon uusimiselle aikatauluehdotus. Lämpökeskuksia tarkasteltiin niiden energiataloudellisuuden ja käyttöluotettavuuden kannalta ja pyrittiin löytämään keinoja näiden tekijöiden parantamiseksi.

Biokaasun syöttö maakasuverkostoon

Biokaasua syntyy mm. kaatopaikoilla, jätevedenpuhdistamoilla ja biokaasureaktoreissa, kun bakteerit hajottavat orgaanista ainesta hapettomissa olosuhteissa. Biokaasun tärkein ainesosa on metaani, jota biokaasussa on tyypillisesti hieman yli puolet. Muu osa biokaasusta on pääosin hiilidioksidia, mutta se sisältää myös paljon erilaisia epäpuhtauksia, jotka vaikeuttavat biokaasun hyötykäyttöä. Suomeen tuotava maakaasu puolestaan on lähes puhdasta metaania. Tämä diplomityö suoritettiin Gasum Oy:lle ja sen tarkoituksena oli tutkia millaisia toimenpiteitä vaaditaan, jotta biokaasua voidaan syöttää Suomen maakaasuverkostoon. Työssä suoritettiin katsaus biokaasun puhdistus- ja jalostusmenetelmiin, joilla biokaasun sisältämät epäpuhtaudet poistetaan ja metaanipitoisuus nostetaan lähes maakaasun tasolle hiilidioksidia poistamalla. Lisäksi työssä simuloitiin biokaasun syöttöä maakaasuverkostoon eri koostumuksin ja maakaasuverkoston eri osista näin syntyvän seoskaasun ominaisuuksien määrittämiseksi simulointiohjelma Simonen avulla. Työssä myös etsittiin parasta keinoa jäljittää maakaasuverkoston kaasun laatua ja hallita energiatasetta, kun kaasun laatu ei enää ole kaikkialla sama. Lisäksi suoritettiin lyhyt katsaus biokaasusyötön vaikutuksista päästökauppaan ja maakaasuverkoston järjestelmävastaavan tehtävään. Työssä tultiin siihen tulokseen, että biokaasun syöttö maakaasuverkostoon on mahdollista vain, kun biokaasu puhdistetaan ja jalostetaan. Tällöin biokaasun ja maakaasun seos täyttää maakaasuverkoston kaasulle asetetut laatukriteerit, vaikka yksin biokaasu ei sitä tee. Parhaaksi keinoksi hallita maakaasun ja biokaasun laatua todettiin kaasukromatografien käyttö.

Biopolttoaineilla toimiva Stirling-voimalaitos

Stirling-moottori on ns. kuumailma moottori, joka toimii kaasun lämpötilaeron avulla. Kuumailma moottorin erityispiirteitä on laitteen ulkopuolella tapahtuva palaminen, josta lämpö johdetaan moottorille. Yleensä polttoaineena on käytetty vähän likaavaa polttoainetta esim. maakaasua mutta fossiilisten polttoaineiden kallistumisen ja niistä aiheutuvien päästöjen vuoksi niiden korvaaminen biopolttoaineella on tullut ajankohtaiseksi aiheeksi. Biopolttoaineiden likaavuuden takia niillä ei kuitenkaan voida lämmittää Stirling-moottoria suoraan vaan tarvitaan ylimääräinen lämmönsiirrin. Tämä diplomityö suoritettiin Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle ja sen tarkoituksena oli tutkia juuri tähän laitteistoon suunnitellun, Stirling-moottorin ja polttokammion välisen lämmönsiirtimen suoritusarvoja ja likaantumista. Lisäksi työssä tutkittiin lämmönsiirtimeltä Stirling-moottorille menevien ilmaputkien lämpöhäviöitä. Työssä tultiin siihen tulokseen, että tämän tyyppinen lämmönsiirrin on suoritusarvoiltaan keskiverto kaasu-kaasu lämmönsiirrintä parempi ja ei likaannu erityisen nopeasti. Lämpöhäviöt olivat toisaalta merkittävämmässä asemassa kuin likaantuminen. Suurista lämpötiloista johtuva eristeiden lämmöneristyskyvyn heikkeneminen tai lämmönsiirtimen vuoto aiheutti merkittäviä lämpöhäviöitä.

Uuden sukupolven sähköturvamittalaitteen prosessorikortin suunnittelu

Suomessa tuotetaan sähköä eri energialähteistä sekä menetelmistä. Pääosa sähköstä tuotetaan ydinenergian-, vesivoiman-, ja maakaasun avulla. Sähköä hyödynnetään niin kuluttaja- ja ammattilaiskäytössä erilaisten sähkölaitteiden muodossa. Useat sähkölaitteista toimivat joko AC- tai DC-virralla, tietyllä jännitealueella. Mikäli sähkölaitteiden valmistajat haluavat markkinoida tuotteitansa CE-hyväksytysti, tulee niiden täyttää tietyt vaatimukset. Eräs toteutettava direktiivi on pienjännitedirektiivi, minkä toteuttamalla sähkölaitetta voidaan markkinoida Euroopan Talousalueella, tällöin sähkölaite täyttää CE-merkinnän vaatimukset. Valmistettavista sähkölaitteista on kyettävä suorittamaan sähköturvamittauksia, sähköturvamittalaitteilla, jotka myös kehittyvät ja hyödyntävät nykyaikaista teknologiaa. Nykyaikaisen teknologian ansiosta sähköturvamittalaitteita voidaan soveltaa myös muunlaiseen sähköisiin mittauksiin,kuten jännite- ja virtamittauksin.Diplomityössä esitellään, kuinka modernin optisen tiedonsiirron omaavan sähköturvamittalaitteen prosessorikortti oheiskomponentteineen on suunniteltu ja toteutettu valmiiksi prototyypiksi.

Etelä-Karjalan energiaselvitys ja maakunnan energiatalouden tulevaisuus

Diplomityössä on selvitetty Etelä-Karjalan maakunnan energian käyttöä nyt ja tulevaisuudessa. Tavoitteena on selvittää eri energialähteiden hankintavaihtoehtoja, sekä eri energialähteiden käytön kehittymissuunnat seuraavan 10 - 20 vuoden kuluessa. Diplomityö on tehty Etelä-Karjalan liiton toimeksiannosta ja sitä tullaan käyttämään taustaselvityksenä maakuntakaavan laadinnassa sekä maakunnan aluevarauksia määriteltäessä. Tarkoituksena on arvioida miten energiahuollon rakenne tulee muuttumaan tulevaisuudessa ja mikä merkitys tulevaisuuden energiaratkaisuilla on alueiden käyttöön ja aluerakenteeseen liittyen. Etelä-Karjala on osa Euroopan suurinta metsäteollisuuskeskittymää ja maakunta on Suomen suurimpia teollisuuden energian- ja sähkönkäyttäjiä. Etelä-Karjalan vahva metsäteollisuus ja sen käyttämät puupolttoaineet sekä sijainti Venäjän maakaasuvarojen läheisyydessä ja kattava maakaasuverkko vaikuttavat merkittävästi maakunnan energiataseeseen. Vuonna 2007 Etelä-Karjalan primäärienergiankäyttö oli 24,3 TWh, tästä uusiutuvien energialähteiden osuus oli 68 % ja fossiilisten energialähteiden osuus 22 %. Etelä-Karjalan energiatalouden tulevaisuuteen vaikuttaa merkittävästi maakunnan metsäteollisuuden tulevaisuus. Tiukentuvan energia- ja ilmastopolitiikan ja ympäristömääräysten myötä maakunnan energiatehokkuutta on parannettava kaikilla sektoreilla. Maakunnan energiankulutusta voidaan vähentää tehostamalla energiantuotantoa, tiivistämällä yhdyskuntarakennetta ja lisäämällä bioenergian käyttöä energiantuotannossa. Etelä-Karjalassa on myös potentiaalia lisätä vaihtoehtoisten energialähteiden osuutta maakunnan energiatalouden tulevaisuudessa.

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.

Biokaasun tuottaminen ja hyödyntäminen Lappeenrannassa

Lappeenrannassa kerätään ja hyödynnetään tällä hetkellä kaatopaikkakaasua 0,3 milj.m3 vuodessa. Biokaasua voitaisiin tuottaa Lappeenrannassa mädättämällä bioperäisiä jätteitä ja biokaasuntuotantoa varten kasvatettuja energiakasveja. Biokaasuntuotantoon soveltuvia jätteitä ovat erilliskerätty biojäte, jätevedenpuhdistamon jätevesiliete, puutarhajäte, lietelannat ja oljet. Kesannolla olevilla peltoaloilla voitaisiin kasvattaa ruokohelpeä. Biokaasun tuotantoon soveltuvia materiaaleja voitaisiin kerätä 143 000 t/a ja kasvattaa 68 000 t/a. Työssä tarkastellaan vaihtoehtoa, jossa mädätetään vain puhdistamoliete, sekä useita materiaaleja mädättävää yhteismädättämöä, johon liittyen tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa: kunnallisen jätteen mädätystä, kaiken jätteen mädätystä ja jätteen sekä energiakasvien mädätystä. Paras sijoituspaikka mädättämölle olisi jätevedenpuhdistamon läheisyydessä. Jätemateriaalista saataisiin kaasua enintään 12 milj. m3 ja energiakasveista enintään 16 milj. m3. Kaasusta voitaisiin tuottaa energiaa CHP-laitoksessa enintään 184 GWh. Mikäli biokaasun tuotannolla halutaan ensisijaisesti vähentää kasvi-huonekaasupäästöjä, kannattaa kaasu jalostaa ajoneuvopolttoaineeksi. Jalostettu kaasu on mahdollista myös syöttää maakaasuverkostoon. Suurimmat tulot on mahdollista saavuttaa yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa, mikäli biokaasulle suunniteltu syöttötariffi toteutuu. Muussa tapauksessa suurimmat tulot saadaan jalostamalla biokaasua ajoneuvojen polttoaineeksi.

Siirrettävän kompressorin käyttö maakaasuputkiston huoltotöissä

Maakaasuputkiston huolto- ja muutostöiden yhteydessä joudutaan tyhjentämään putkisto kaasusta, jotta voidaan taata turvalliset työskentelyolosuhteet. Nykyisin putkisto tyhjennetään johtamalla kaasu ilmakehään, avaamalla putkiston ulospuhallusventtiilit. Koska maakaasu (metaani) on merkittävä kasvihuonekaasu, on ympäristövaatimusten tiukentuessa etsittävä vaihtoehtoisia keinoja vähentää päästöjä. Lisäksi, talteen otettu kaasu voidaan myydä edelleen, ja näin ollen saavuttaa säästöjä. Tässä työssä on tutkittu mahdollisuuksia komprimoida kaasu siirrettävän kompressorin avulla putkisto-osuudesta toiseen ilman, että kaasua jouduttaisiin puhaltamaan ilmakehään. Työssä päädyttiin johtopäätökseen, että siirrettävän kompressorin hankinta ei ole tällä hetkellä kannattavaa, sen korkeiden investointikustannusten vuoksi. Kuitenkin mahdollinen päästömaksu metaanille, kaasun arvon nousu, sekä tekniikan parantuminen voivat nostaa menetelmän varteenotettavaksi vaihtoehdoksi hyvinkin nopeasti. Tämän vuoksi jatkotutkimuksen tekeminen aiheesta on perusteltua.

Polttomoottorivoimalan energiatehokkuuden parantaminen hukkalämpövirtojen sähköksi muunnolla

Tämä diplomityö on osa FCEP hankeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on kartoittaa polttomoottorin hukkalämpövirtojen sähköksi muunnon potentiaalia valituilla menetelmillä ja tekniikoilla. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin DF- monipolttoainemoottori. DF-moottorin polttoaineena voidaan käyttää joko kaasua tai polttoöljyä. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen ja moottorin lämpötaseen avulla. Laskennan perusperiaatteena oli vesihöyryprosessin ja ORC-prosessien vertailu pakokaasulämmön hyödyntämisessä sekä matalalämpöisten hukkalämpövirtojen hyödyntäminen ORC-prosesseilla. Lisäksi työssä tutkittiin korkealla painesuhteella ja korkealla hyötysuhteella toimivan turboahtimen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin lämpötaseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta moottorin akselitehoon tai moottorin lämpötaseeseen ei kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa tarkasteltu. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi eri menetelmillä sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

Insulation System in an Integrated Motor Compressor

A high-speed and high-voltage solid-rotor induction machine provides beneficial features for natural gas compressor technology. The mechanical robustness of the machine enables its use in an integrated motor-compressor. The technology uses a centrifugal compressor, which is mounted on the same shaft with the high-speed electrical machine driving it. No gearbox is needed as the speed is determined by the frequency converter. The cooling is provided by the process gas, which flows through the motor and is capable of transferring the heat away from the motor. The technology has been used in the compressors in the natural gas supply chain in the central Europe. New areas of application include natural gas compressors working at the wellheads of the subsea gas reservoir. A key challenge for the design of such a motor is the resistance of the stator insulation to the raw natural gas from the well. The gas contains water and heavy hydrocarbon compounds and it is far harsher than the sales gas in the natural gas supply network. The objective of this doctoral thesis is to discuss the resistance of the insulation to the raw natural gas and the phenomena degrading the insulation. The presence of partial discharges is analyzed in this doctoral dissertation. The breakdown voltage of the gas is measured as a function of pressure and gap distance. The partial discharge activity is measured on small samples representing the windings of the machine. The electrical field behavior is also modeled by finite element methods. Based on the measurements it has been concluded that the discharges are expected to disappear at gas pressures above 4 – 5 bar. The disappearance of discharges is caused by the breakdown strength of the gas, which increases as the pressure increases. Based on the finite element analysis, the physical length of a discharge seen in the PD measurements at atmospheric pressure was approximated to be 40 – 120 m. The chemical aging of the insulation when exposed to raw natural gas is discussed based on a vast set of experimental tests with the gas mixture representing the real gas mixture at the wellhead. The mixture was created by mixing dry hydrocarbon gas, heavy hydrocarbon compounds, monoethylene glycol, and water. The mixture was chosen to be more aggressive by increasing the amount of liquid substances. Furthermore, the temperature and pressure were increased, which resulted in accelerated test conditions. The time required to detect severe degradation was thus decreased. The test program included a comparison of materials, an analysis of the e ects of di erent compounds in the gas mixture, namely water and heavy hydrocarbons, on the aging, an analysis of the e ects of temperature and exposure duration, and also an analysis on the e ect of sudden pressure changes on the degradation of the insulating materials. It was found in the tests that an insulation consisting of mica, glass, and epoxy resin can tolerate the raw natural gas, but it experiences some degradation. The key material in the composite insulation is the resin, which largely defines the performance of the insulation system. The degradation of the insulation is mostly determined by the amount of gas mixture di used into it. The di usion was seen to follow Fick’s second law, but the coe cients were not accurately defined. The di usion was not sensitive to temperature, but it was dependent upon the thermodynamic state of the gas mixture, in other words, the amounts of liquid components in the gas. The weight increase observed was mostly related to heavy hydrocarbon compounds, which act as plasticizers in the epoxy resin. The di usion of these compounds is determined by the crosslink density of the resin. Water causes slight changes in the chemical structure, but these changes do not significantly contribute to the aging phenomena. Sudden changes in pressure can lead to severe damages in the insulation, because the motion of the di used gas is able to create internal cracks in the insulation. Therefore, the di usion only reduces the mechanical strength of the insulation, but the ultimate breakdown can potentially be caused by a sudden drop in the pressure of the process gas.

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.

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.

Optimization of hydrogen plant efficiency

The purpose of this master’s thesis was to study ways to increase the operating cost-efficiency of the hydrogen production process by optimizing the process parameters while, at the same time, maintaining plant reliability and safety. The literature part reviewed other hydrogen production and purification processes as well as raw material alternatives for hydrogen production. The experimental part of the master’s thesis was conducted at Solvay Chemicals Finland Oy’s hydrogen plant in spring 2012. It was performed by changing the process parameters, first, one by one, aiming for a more efficient process with clean product gas and lower natural gas consumption. The values of the process parameters were tested based on the information from the literature, process simulation and experiences of previous similar processes. The studied parameters were reformer outlet temperature, shift converter inlet temperature and steam/carbon ratio. The results show that the optimal process conditions are a lower steam/carbon ratio and reformer outlet temperature than the current values of 3.0 and 798 °C. An increase/decrease in the shift conversion inlet temperature does not affect natural gas consumption, but it has an effect on minimizing the process steam overload.