Comparison of Biomass Gasification Technologies for Natural Gas Substitution in Iron Ore Pelletizing Plants

The iron ore pelletizing process consumes high amounts of energy, including nonrenewable sources, such as natural gas. Due to fossil fuels scarcity and increasing concerns regarding sustainability and global warming, at least partial substitution by renewable energy seems inevitable. Gasification projects are being successfully developed in Northern Europe, and large-scale circulating fluidized bed biomass gasifiers have been commissioned in e.g. Finland. As Brazil has abundant biomass resources, biomass gasification is a promising technology in the near future. Biomasses can be converted into product gas through gasification. This work compares different technologies, e.g. air, oxygen and steam gasification, focusing on the use of the product gas in the indurating machine. The use of biosynthetic natural gas is also evaluated. Main parameters utilized to assess the suitability of product gas were adiabatic flame temperature and volumetric flow rate. It was found that low energy content product gas could be utilized in the traveling grate, but it would require burner’s to be changed. On the other hand, bio-SGN could be utilized without any adaptions. Economical assessment showed that all gasification plants are feasible for sizes greater than 60 MW. Bio-SNG production is still more expensive than natural gas in any case.

Hydraulisen puomin avoimen piirin koordinaattiohjaus paine-ero-tilavuusvirta-approksimaation avulla

Diplomityön tavoitteena oli kehittää mahdollisimman hyvä koordinaattiohjaus. Sen tuli olla jälkiasennettavissa perinteisen ohjauksen rinnalle työkoneisiin, joissa on käytetty sähköohjattuja proportionaaliventtiileitä. Työssä keskityttiin tutkimaan suuntaventtiilin yli vallitsevasta paine-erosta saatavan tilavuusvirtatiedon hyödyntämistä ohjauksessa. Työn ensimmäisessä vaiheessa koordinaattiohjaus toteutettiin käyttäen 0-peittoisilla karoilla ja karan asematakaisinkytkennällä varustettuja suuntaventtiileitä. Hydrauliseen kuristukseen perustuen saatiin paine-erosta käyttökelpoista tilavuusvirtasignaalia ja koordinaattiohjauksen liikeradan seurannassa oli parhaimmillaan vain 3 cm:n virhe koenosturin työliikkeen pituudella. Toisessa vaiheessa käytettiin työkoneissa yleisesti esiintyvää positiivisin karapeitoin varustettua mobiiliventtiilistöä, jossa oli karakohtaiset painekompensaattorit. Painekompensaattoreiden takia ei paine-eron mittaaminen puhtaasti suuntaventtiilin karan yli ollut mahdollista, jonka takia tyydyttiin koordinaattiohjaus toteuttamaan ilman paineen mittausta luottaen painekompensaattoreiden toimintaan. Käytetyn venttiilistön kavitoinninestotoiminnon huomiointi ohjauksessa jäi ratkaisematta ja se ohitettiin vastusvastaventtiileiden avulla. Koordinaattiohjauksen tarkkuus mobiiliventtiileillä oli vaatimaton ja tulosten toistettavuus heikko. Tulosten perusteella todettiin avoimellakin koordinaattiohjauksella olevan mahdollista saavuttaa lupaava tarkkuus ammattikuljettajiin verrattuna. Mobiiliventtiilistöön liittyvät, työn aikana esiinnousseet epäkohdat olisi ratkaistava ennen käytettyjen menetelmien soveltamista käytännön kohteisiin.

Influence of reactant absorption and dissolution in heterogeneous precipitation processes

In this research work, the aim was to investigate the volumetric mass transfer coefficient [kLa] of oxygen in stirred tank in the presence of solid particle experimentally. The kLa correlations as a function of propeller rotation speed and flow rate of gas feed were studied. The O2 and CO2 absorption in water and in solid-liquid suspensions and heterogeneous precipitation of MgCO3 were thoroughly examined. The absorption experiments of oxygen were conducted in various systems like pure water and in aqueous suspensions of quartz and calcium carbonate particles. Secondly, the precipitation kinetics of magnesium carbonate was also investigated. The experiments were performed to study the reactive crystallization with magnesium hydroxide slurry and carbon dioxide gas by varying the feed rates of carbon dioxide and rotation speeds of mixer. The results of absorption and precipitation are evaluated by titration, total carbon (TC analysis), and ionic chromatrography (IC). For calcium carbonate, the particle concentration was varied from 17.4 g to 2382 g with two size fractions: 5 µm and 45-63 µm sieves. The kLa and P/V values of 17.4 g CaCO3 with particle size of 5µm and 45-63 µm were 0.016 s-1 and 2400 W/m3. At 69.9 g concentration of CaCO3, the achieved kLa is 0.014 s-1 with particle size of 5 µm and 0.017 s-1 with particle size of 45 to 63 µm. Further increase in concentration of calcium carbonate, i.e. 870g and 2382g , does not affect volumetric mass transfer coeffienct of oxygen. It could be concluded from absorption results that maximum value of kLa is 0.016 s-1. Also particle size and concentration does affect the transfer rate to some extend. For precipitation experiments, the constant concentration of Mg(OH)2 was 100 g and the rotation speed varied from 560 to 750 rpm, whereas the used feed rates of CO2 were 1 and 9 L/min. At 560 rpm and feed rate of CO2 is 1 L/min, the maximum value of Mg ion and TC were 0.25 mol/litre and 0.12 mol/litre with the residence time of 40 min. When flow rate of CO2 increased to 9 L/min with same 560 rpm, the achieved value of Mg and TC were 0.3 mol/litre and 0.12 mol/L with shorter residence time of 30 min. It is concluded that feed rate of CO2 is dominant in precipitation experiments and it has a key role in dissociation and reaction of magnesium hydroxide in precipitation of magnesium carbonate.

Kullan talteenotto takaisinuuttoliuoksista

Työssä tutkittiin kirjallisuuden ja laboratoriomittausten avulla vaihtoehtoja kullan pelkistämiseen ja talteenottoon kultauuton takaisinuuttoliuoksista. Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla saadaan puhdasta kiinteää lopputuotetta ilman kullan häviöitä. Käytettyjä pelkistimiä olivat D-(+)-glukoosi, natriumboorihydridi, L-askorbiinihappo, D-(-)-isoaskorbiinihappo ja aktiivihiili. Laboratoriokokeiden perusteella D-(-)-isoaskorbiinihappo sekä aktiivihiili olivat sopivimmat pelkistimet kokeissa käytetylle kultaliuokselle. Isoaskorbiinihapolla suoritettiin panoskokeita lasireaktorissa eri alku-pH:ssa sekä erilaisilla pelkistimen ja kullan moolisuhteilla. Tulosten perusteella havaittiin pH:n ja pelkistimen ylimäärän vaikuttavan merkittävästi lopputuotteen puhtauteen. Myös redox-potentiaalia säätämällä ja happopesulla pelkistyksen jälkeen voidaan vaikuttaa lopputuotteen puhtauteen. Aktiivihiilellä suoritettiin panoskokeita adsorptiotasapainojen (latausisotermi) ja kinetiikan tutkimiseksi. Hiileen on mahdollista saada kultaa 383 mg/g kuivaa hiiltä. Suurempi lataus voitaisiin saavuttaa käyttämällä hiiltä, jolla on pienempi partikkelikoko. Kolonnikokeita tehtiin eri virtausnopeuksilla. Kolonnikokeissa kullan dynaaminen adsorptiokapasiteetti hiileen odotetusti kasvoi virtausnopeuden laskiessa. Pienin käytetty virtausnopeus oli 2,40 BV/h, jolloin kapasiteetti oli 75,4 mg/g kuivaa hiiltä (c (Au feed) = 129 mg/L). Kullasta voidaan poistaa myös kolonnipelkistyksen jälkeen epäpuhtauksia happopesulla. Isoaskorbiinihapolla pelkistyksen kinetiikka on nopea ja sillä saatiin pelkistettyä puhdasta lopputuotetta. Sekä isoaskorbiinihappo, että aktiivihiili ovat potentiaalisia menetelmiä kullan talteenottoon.

Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.

Karboksyylihappojen kromatografinen fraktiointi

Suurin osa alifaattisista karboksyylihapoista tuotetaan nykyään synteettisesti, mutta öljyn hinnan nousu ja ekologisempi ajattelutapa on aiheuttanut kiinnostusta tuottaa näitä karboksyyli- ja hydroksihappoja jatkossa fermentoimalla tai sellun valmistuksen sivuvirtana syntyvästä mustalipeästä. Nykyään mustalipeä poltetaan sellaisenaan soodakattiloissa keittokemikaalien regeneroimiseksi, energiaksi ja sähköksi. Jatkossa mustalipeästä voisi erottaa arvokkaat orgaaniset hapot ennen polttamista. Saadusta happoseoksesta tulisi erottaa yksittäiset alifaattiset karboksyylihapot toisistaan jatkojalostusta varten. Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää, millä kromatografisella erotusmenetelmällä fermentointituotteina ja teollisuuden sivuvirtoina syntyvistä karboksyylihapposeoksista saadaan yksittäiset alifaattiset karboksyylihapot erotettua toisistaan. Mittaukset suoritettiin kolonnilla, jossa hartsipedin halkaisija oli 1,5 cm ja korkeus 15 cm. Kolonnin erototusmateriaaleina kokeiltiin vahvoja ja heikkoja kationinvaihtohartseja, vahvaa anioninvaihtohartsia ja polymeerisiä adsorbentteja. Erotettavaksi happoseokseksi valittiin sitruuna-, viini-, glykoli-, maito- ja etikkahapon seos. Tehokkain erotus saatiin Puroliten valmistamalla Macronet 270:lla, joka on mikrohuokoinen polymeerinen adsorbentti. Macronet 270:lla saatiin erotettua erityisesti viini- ja glykolihappo sitruuna-, maito- ja etikkahaposta. Yksittäisiä happoja ei saatu kuitenkaan kunnolla erotettua. Parhaat koeolosuhteet erotustehokkuuden ja retentioaikojen kannalta saatiin vesieluentin virtausnopeudella 2 mL/min, syöttöpulssin tilavuudella 5 mL ja kolonnin lämpötilassa 75 °C.

Development of laboratory exercises for basic nuclear thermal hydraulics measurements

The thesis focuses on light water reactors (pressurized water reactors, boiling water reactors) and measurement techniques for basic thermal hydraulics parameters that are used in a nuclear power plant. The goal of this work is a development of laboratory exercises for basic nuclear thermal hydraulics measurements.

Antitromboottisten lääkeaineiden enantiomeerien kromatografinen fraktiointi

Suuri osa käytössä olevista lääkeaineista on kiraalisia yhdisteitä. Lääkevalmisteet sisältävät yhdisteen enantiomeerien ominaisuuksista riippuen joko yksittäistä enantiomeeria tai näiden seosta. Antitromboottisiin eli veren hyytymistä estäviin lääkeaineisiin kuuluvat varfariini ja rivaroksabaani ovat kiraalisia yhdisteitä, joiden enantiomeerien ominaisuudet poikkeavat antitromboottisen vaikutuksen voimakkuuden suhteen. Varfariinia käytetään kliinisesti enantiomeeriensa raseemisena seoksena, kun taas rivaroksabaani on käytössä lääkevalmisteena puhtaana S-enantiomeerinaan. Lääkeaineen enantiomeerien erottaminen toisistaan on tärkeää esimerkiksi enantiomeerien puhdistamiseksi, lääkevalmisteen oikean koostumuksen varmistamiseksi tai yksittäisten enantiomeerien käyttäytymisen arvioimiseksi elimistössä. Tässä kirjallisuustyössä käsiteltiin nestekromatografian käyttöä antitromboottisiin lääkeaineisiin kuuluvien antikoagulanttien enantiomeerien fraktioinnissa. Kirjallisuudesta saadun tiedon perusteella arvioitiin, millä erotusmateriaaleilla ja millaisissa koeolosuhteissa varfariinin sekä rivaroksabaanin enantiomeerit tulisi erottaa toisistaan. Varfariinin enantiomeerien erotukseen parhaiten sopivaksi erotusmateriaaliksi todettiin kirjallisuuden perusteella kiraalinen vankomysiinipohjainen stationaarifaasi (Chirobiotic V) metanolin, etikkahapon ja veden seoksen toimiessa eluenttina. Eluentin virtausnopeudella 0,3 mL/min ja pienellä injektiotilavuudella varfariinin enantiomeerit saatiin erottumaan täydellisesti ja nopeasti toisistaan. Kirjallisuuden perusteella rivaroksabaanin enantiomeerien erotuksessa erotusmateriaalina toimii parhaiten kiraalinen selluloosapohjainen stationaarifaasi (Chiralcel OD-RH), kun eluenttina käytetään n-heksaanin ja isopropanolin seosta virtausnopeudella 1 mL/min. Varfariinin ja rivaroksabaanin enantiomeerien fraktiointiin parhaiten sopivia menetelmiä voidaan käyttää eri tilanteissa, kuten lääkevalmisteiden laadunvarmistuksessa tai enantiomeerien erotuksessa niiden synteesin jälkeen.

Variable-speed-drive-based detection methods for problems in fluid handling systems

Fluid handling systems account for a significant share of the global consumption of electrical energy. They also suffer from problems, which reduce their energy efficiency and increase life-cycle costs. Detecting or predicting these problems in time can make fluid handling systems more environmentally and economically sustainable to operate. In this Master’s Thesis, significant problems in fluid systems were studied and possibilities to develop variable-speed-drive-based detection methods for them was discussed. A literature review was conducted to find significant problems occurring in fluid handling systems containing pumps, fans and compressors. To find case examples for evaluating the feasibility of variable-speed-drive-based methods, queries were sent to industrial companies. As a result of this, the possibility to detect heat exchanger fouling with a variable-speed drive was analysed with data from three industrial cases. It was found that a mass flow rate estimate, which can be generated with a variable speed drive, can be used together with temperature measurements to monitor a heat exchanger’s thermal performance. Secondly, it was found that the fouling-related increase in the pressure drop of a heat exchanger can be monitored with a variable speed drive. Lastly, for systems where the flow device is speed controlled with by a pressure measurement, it was concluded that increasing rotational speed can be interpreted as progressing fouling in the heat exchanger.

Failure modes of passive decay heat removing safety systems of modern nuclear power plants

The purpose of this master’s thesis is to gain an understanding of passive safety systems’ role in modern nuclear reactors projects and to research the failure modes of passive decay heat removal safety systems which use phenomenon of natural circulation. Another purpose is to identify the main physical principles and phenomena which are used to establish passive safety tools in nuclear power plants. The work describes passive decay heat removal systems used in AES-2006 project and focuses on the behavior of SPOT PG system. The descriptions of the main large-scale research facilities of the passive safety systems of the AES-2006 power plant are also included. The work contains the calculations of the SPOT PG system, which was modeled with thermal-hydraulic system code TRACE. The dimensions of the calculation model are set according to the dimensions of the real SPOT PG system. In these calculations three parameters are investigated as a function of decay heat power: the pressure of the system, the natural circulation mass flow rate around the closed loop, and the level of liquid in the downcomer. The purpose of the calculations is to test the ability of the SPOT PG system to remove the decay heat from the primary side of the nuclear reactor in case of failure of one, two, or three loops out of four. The calculations show that three loops of the SPOT PG system have adequate capacity to provide the necessary level of safety. In conclusion, the work supports the view that passive systems could be widely spread in modern nuclear projects.