Propagation of the Ignition Front against Airflow in Packed Beds of Wood Particles

Combustion of wood is increasing because of the needs of decreasing the emissions of carbon dioxide and the amount of waste going to landfills. Wood based fuels are often scattered on a large area. The transport distances should be short enough to prevent too high costs, and so the size of heating and power plants using wood fuels is often rather small. Combustion technologies of small-size units have to be developed to reach efficient and environmentally friendly energy production. Furnaces that use different packed bed combustion or gasification techniques areoften most economic in small-scale energy production. Ignition front propagation rate affects the stability, heat release rate and emissions of packed bed combustion. Ignition front propagation against airflow in packed beds of wood fuels has been studied. The research has been carried out mainly experimentally. Theoretical aspects have been considered to draw conclusions about the experimental results. The effects of airflow rate, moisture content of the fuel, size, shape and density of particles, and porosity of the bed on the propagation rate of the ignition front have been studied. The experiments were carried out in a pot furnace. The fuels used in the experiments were mainly real wood fuels that are often burned in the production of energy. The fuel types were thin wood chips, saw dust, shavings, wood chips, and pellets with different sizes. Also a few mixturesof the above were tested. Increase in the moisture content of the fuel decreases the propagation rates of the ignition front and makes the range of possible airflow rates narrower because of the energy needed for the evaporation of water and the dilution of volatile gases due to evaporated steam. Increase in the airflow rate increases the ignition rate until a maximum rate of propagation is reached after which it decreases. The maximum flame propagation rate is not always reached in stoichiometric combustion conditions. Increase in particle size and density transfers the optimum airflow rate towards fuel lean conditions. Mixing of small and large particles is often advantageous, because small particles make itpossible to reach the maximum ignition rate in fuel rich conditions, and large particles widen the range of possible airflow rates. A correlation was found forthe maximum rate of ignition front propagation in different wood fuels. According to the correlation, the maximum ignition mass flux is increased when the sphericity of the particles and the porosity of the bed are increased and the moisture content of the fuel is decreased. Another fit was found between sphericity and porosity. Increase in sphericity decreases the porosity of the bed. The reasons of the observed results are discussed.

Wood Volume Measurement Using Color Images

Tämä työ käsittelee puutukkien tilavuuden mittaamista värikonenäön avulla. Värikuvat on saatu Simpeleellä olevan metsäteollisuusyrityksen hiomosta. Työssä esitetään perusteellisesti matemaattinen teoria, joka liittyy käytettyihin kuvankäsittelymenetelmiin, kuten luokitteluun, kohinan poistoon ja tukkien segmentointiin. Esitetyt menetelmät implementointiin käytännössä ja eri menetelmillä saatuja tuloksia vertailtiin keskenään. Kuvankäsittelyalgoritmit on implementoitu Matlab 6.0:n avulla. Pääasiassa käytettiin uusinta Image Processing Toolboxia, joka on versio 3.0. Tämä työn näkökulma on pääasiassa käytäntöön soveltava, koska metsäteollsuus on korkealla tasolla Suomessa ja siellä on paljon alan yrityksiä, joissa tässä työssä kehitettyä menetelmää voidaan hyödyntää.

Energiantuotanto kuivalla puupolttoaineella

Diplomityössä esitetään taustatietona puupolttoaineen ominaisuuksien vaikutusta energiantuotantolaitoksen mitoitukseen ja käyttöön. Työssä esitellään ensimmäisessä vaiheessa tehty laskentamalli, jolla on tehty 20 MW laitoksen mitoitus kolmelle eri polttoaineen kosteudelle. Mitoitustulosten perusteella määritellään jokaiselle laitokselle energiantuotantohinta, joita vertaillaan. Vertailun avulla saadaan tieto siitä, onko uusi laitos syytä mitoittaa kuivatulle puupolttoaineelle investointisäästöjen vuoksi. Työssä tarkastellaan myös risutukkien ominaisuuksia, hyödyntämismahdollisuuksia sekä niiden varastokuivatuksen taloudellisuutta.

Removal of Lipophilic Wood Extractives from TMP Process Waters by Wet Oxidation

Työssä tutkittiin kokeellisesti rasvaliukoisten uuteaineiden poistamista TMP -prosessin vesikierroista märkähapetuksen avulla. Työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuudet hyödyntää TMP -prosessissa vallitsevaa korkeaa lämpötilaa rasvaliukoisten uuteaineiden poistamiseen hapettamalla niitä puhtaalla hapella. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin märkähapetuksen teknologiaa, reaktiomekanismia, käytettyjä katalyyttejä, käyttökohteita sekä kustannuksia. Kokeita suoritettiin autoklaavireaktorissa lämpötiloissa 140 °C, 160 °C ja 180 °C. Vetyperoksidia käytettiin katalyyttinä lisätyn vetyperoksidin määrän ollessa 100 - 1800 mg/l ja hapen osapaineen ollessa 0 ( typpiatmosfääri) - 15 baria. Kokeissa tarkasteltiin kemiallisen hapenkulutuksen (COD), rasvaliukoisten uuteaineiden konsentraation, orgaanisen kokonaishiilen (TOC) ja värin muutoksia kokeiden aikana eri lämpötiloilla, hapen osapaineilla ja lisätyn vetyperoksidin määrillä. Kokeissa saavutettiin 30 %:n COD:n vähenemä sekä 90 %:n vähenemä rasvaliukoisissa uuteaineissa lämpötiloissa 160 °C ja 180 °C. Lisäämällä vetyperoksidia katalyyttinä saavutettiin lähes sama tulos lämpötilassa 140 °C. Suurin tässä työssä havaittu ongelma oli lisääntynyt värinmuodostus vedessä olevassa hienojakoisessa kiintoaineessa hapetuksen aikana. Tämän vuoksi lisätutkimukset ovat tarpeellisia sen seikan selvittämiseksi, voidaanko muodostunut väri mahdollisesti poistaa massan valkaisussa.

Laminaatin toiminnallisten ominaisuuksien hallinta

Lattialaminaatti on kerrosrakenteinen levymateriaali. Tässä työssä tutkittiin laminaatin epäsymmetrisen kerrosrakenteen aiheuttamaa taipumusta käyristymiseen. Työn tavoitteena oli kehittää lattialaminaatin käyristymän hallintaan käytettävää taustapaperia niin, että käyristymää ei tapahtuisi tai käyristymä olisi lievästi alapintaa kohden heti puristuksen jälkeen ja säilyisi samanlaisena varastoinnissa. Kehityksessä huomioitiin taustan ulkonäkö. Taustapapereita valmistettiin sekä pilot- että tuotantomittakaavassa. Lisäksi työssä tutkittiin laminointiolosuhteiden vaikutusta lattialaminaatin käyristymään. Työn kirjallisuusosassa käsitellään lattialaminaatin valmistusta huomioiden ulkonäköön vaikuttavat tekijät sekä lattialaminaatin käyristymiseen vaikuttavia tekijöitä.Lattialaminaatin käyristymään vaikuttavat laminointiolosuhteet. Puulevyä vasten puristettavat kalvot kutistuvat laminoinnissa, erityisesti puristuslämpötilan kasvaessa. Laminaatin puristuksen jälkeinen käyristymä määräytyy lähinnä ylä- ja alapinnan kalvojen kutistuman erolla.Lattialaminaatin käyristymään varastoinnissa vaikuttaa ylä- ja alapinnan kalvojen dimensiostabiliteettikerroin. Yläpinnan kalvon dimensiostabiliteetti on huonompi kuin alapinnan, jolloin yläpinnan kalvo kutistuu enemmän kuivissa olosuhteissa käyristäen samalla laminaattia positiiviseen suuntaan.Taustapaperin ominaisuuksista merkittävimmin laminaatin käyristymään vaikuttaa kuituraaka-aine. Lattialaminaatin ulkonäköön vaikuttavat pinnassa olevat kuopat. Laminaatin taustan ulkonäköä voidaan parantaa lisäämällä taustapaperiin pehmitintä. Vääräntyyppisellä pehmittimellä menetetään taustan vastavetovoimaa.

Potential Acquisition Candidates for a Supplier of Wood Processing Machinery

Diplomityön tavoitteena oli sopivimman yritysostokohteen valitseminen useiden kilpailijoiden joukosta puunkäsittelykoneiden toimittajalle. Ensin esiteltiin Suomen metsäteollisuus sekä sen osaamistarpeista noussut metsäklusteri pääosin kohdeyrityksen näkökulmasta. Seuraavaksi annettiin kuva yrityksen tuotteista, kilpailijoista ja asiakkaista. Yritysostoprosessi kuvattiin sekä esille tuotiin yleiset motiivit ja kriittiset menestystekijät. Lisäksi kuvattiin kilpailijoiden ja liiketoimintaympäristön analysointi yrityksen menestyksen edellytyksenä. Puuntyöstökoneiden markkinat segmentoitiin ja analysoitiin vuodesta 1990 aina tähän päivään asti, jotta löydettäisiin kehityskelpoiset osa-alueet eli alueet, joissa yrityksen markkinaosuutta voitaisiin kasvattaa. Kandidaattien ominaisuuksia verrattiin yritysoston motiiveihin. Yritysten tuotteet sekä maantieteellinen sijainti pisteytettiin, jotta sopivimmat yritykset nousisivat esille. Kolme yritystä valittiin syvällisempään tarkasteluun. Yritysten tuotteita, taloudellista asemaa ja globaalia verkostoa vertailtiin keskenään muiden tekijöiden, kuten maailmantalouden ohessa. Taloudellisesti vakaa ja teknisesti monipuolinen yritys kohtasi yritysoston motiivit parhaiten. Kohteen positiivisia puolia olivat sijainti, tuotteet ja palvelut. Lisäksi, yritys sopii ostajan strategiaan sekä auttaa kohtaamaan asiakkaiden nykyiset ja tulevat tarpeet.

Kuitupuun tehdaslogistiikka ja sen kustannukset eräässä metsäteollisuusyrityksessä

Jotta pystytään vastaamaan kehittyneen prosessiteollisuuden tuotannon asettamiin haasteisiin, on myös tärkeää kehittää koko puuraaka-aineen hankintaa. Ohjailemalla raaka-ainevirtoja oikein on mahdollista säästää kustannuksissa ja näin saavuttaa kilpailuetua. Tämän työn tarkoituksena on toimenpide-ehdotuksia löytämällä pyrkiä huolehtimaan vaadittavasta raaka-ainetarpeesta alhaisimmilla logistisilla kustannuksilla. Päätavoitteena on tutkia puunkäsittelystä aiheutuvia kustannuksia, keskittyen tehdasalueen operaatioihin. Ensimmäisessä osassa tutkimus sisältää yleistä asiaa puunhankinnasta ja puukuljetuksista. Tutkimuksessa esitellään myös kuljetusmuotojen erikoisuuksia kohdeyrityksen osalta. Ensimmäisessä osassa käsitellään lisäksi raaka-aineen alkuperää ja sen varastointikeinoja.Tutkimuksen empiirinen osuus muodostuu kolmesta eri osasta: 1) Minkälaisista osista logistiset kustannukset rakentuvat. 2) Mitkä ovat häiriötekijät ja minkälaisia kustannuksia ne aiheuttavat. 3) Mitkä ovat puunhankinnan kausivaihtelun vaikutukset raaka-ainevirtoihin ja tehdasvarastoihin. Tutkimusmenetelminä on käytetty sekä haastatteluja että seurantajaksoja. Lopussa on kustannusvertailutaulukko ja parannusehdotuksia, joita voidaan hyödyntää esim. kun pohditaan puuhuoltoon liittyviä tulevaisuuden skenaarioita.

Purchasing Process Performance Definition and Improvement in the Mechanical Wood Industry

Tämän tutkimuksen ensisijaisena tavoitteena oli määrittää Schauman Wood Oy:n ostoprosessin suorituskyvyn nykytila yrityksen Suomen yksiköissä. Nykytila-arviointi suoritettiin uusien ja käytössä olevien mittaustulosten avulla. Tutkimuksessa verrattiin kymmenen tuotantolaitoksen ostoprosesseja keskenään. Keskeinen tutkimusongelma oli ostoprosessin suorituseroja aikaansaavien tekijöiden selvittäminen eri yksiköissä. Tutkimuksen tavoitteena oli saavuttaa yhtenäisemmät toimintatavat yrityksessä sekä laajentaa konsernin osto-organisaation hyödyntämistä hankintatoimessa. Tavoitteena oli ostoprosessin virtaviivaistaminen ja tehokkaamman seurantajärjestelmän kehittäminen. Ostotoimintojen suorituskyvyn jatkuva parantaminen perustuu osittain uusien mittareiden avulla saatavaan informaatioon ja täsmällisempään seurantaan. Sisäistä benchmarkingia käytettiin työkaluna suorituskyky-eroavaisuuksien määrittelyssä. Tietoa erilaisista toimintatavoista kerättiin haastattelemalla yrityksen ostajia ja tehdaspalvelupäälliköitä eri tehdaspaikkakunnilla. Sisäisen benchmarkingin avulla määriteltiin toimintatapa eroavaisuudet sekä kehitettiin seurantakortti, jossa jokaista yksikköä verrataan parhaaseen ja eniten kehittyneeseen yksikköön. Työn tuloksina muodostui ehdotuksia ostotoiminnon uusiksi mittareiksi. Uudet mittarit ovat tehokkuusmittareita, jotka kuvaavat resurssien käytön tehokkuutta sekä auttavat seuraamaan ostoprosessin tilaa entistä paremmin. Uusien mittareiden tavoitteena on myös vähentää mittareiden manipulaatiomahdollisuutta. Työn ulkopuolelle rajattiin informaatioteknologiajärjestelmien tietotekninen osuus. Eräs yrityksen tuotantolaitoksista rajattiin myös työn ulkopuolelle, koska sen ostoprosessit ovat huomattavasti kehittymättömämpiä kuin Schauman Woodin muiden tehtaiden ostoprosessit. Kyseisen yksikön kehittämisen tulee lähteä aivan ruohonjuuritasolta. Tutkimuksen teoriaosuus on kerätty alan ammattikirjallisuudesta ja tutkimuksen aihetta käsittelevistä uudehkoista tieteellisistä alan artikkeleista. Teorian tarkoituksena on tukea empiiristä osuutta sekä antaa lukijalle uusia näkemyksiä ostotoiminnan monista mahdollisuuksista. Tutkimuksen tuloksia ovat nykytila-analyysi, ehdotukset uusista ostotoiminnan mittareista sekä ehdotus MRO-tuotteiden ulkoistamiskokeilusta. Yrityksen ostotoiminnan tulisi kehittyä operatiivisesta tasosta kohti strategisempaa oston tasoa. Johdon sitoutuminen hankintatoimen kehityshankkeisiin on erityisen tärkeää, lisäksi hankintatoimi tulisi nähdä strategisempana osa-alueena yrityksessä. Hankintatoimen kehittämisen avulla yrityksen kustannustehokkuutta voidaan lisätä merkittävästi.

Quantitative elemental analysis of dry-ashed bark and wood samples of birch, spruce and pine from south-western Finland using PIXE

A total of over 200 different samples of bark and wood of Silver birch, Norway spruce and Scots pine were analysed. Samples were taken from several areas in western Finland, some with known sources of atmospheric heavy metal emission (Harjavalta, Ykspihlaja). Also analytical data for pine needles from some sites are reported. The chemical analyses were performed by thick-target particle-induced X-ray emission (PIXE) spectrometry after preconcentration by dry ashing of samples at 550oC. The following elements were quantified in most of the samples: P, S, K, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Cd, Ba and Pb. The ash percentage and the chemical composition of ashes of different wood materials were also obtained, as dry ashing was used in the analytical procedure. The variations in elemental concentrations in wood and bark of an individual tree, expressed as RSDs, were mostly in the range 10 – 20 %. For several trees of the same species sampled from small areas (< 1 ha), the variations in elemental concentrations were surprisingly high (RSDs 20 – 50 %). In the vicinity of metal plants, effects of strong atmospheric heavy metal pollution (pollution factor above 100) were observed in pine bark. The increase of heavy metal content in wood samples from the same sites was quite small. Elemental concentrations in ashes of bark and wood, from areas with no local source of atmospheric pollution, were relatively uniform. Based on this observation an alternative way of demonstrating atmospheric pollution of tree bark is discussed.

Non-wood massojen vedenpoiston arvioiminen märkäpuristuksessa

Yksivuotisten kasvien (non-wood) kuitua verrataan usein lehtipuukuituihin. Käytetyimpiä non-wood kasveja ovat vehnän olki, bambu, järviruoko ja bagassi. Non-wood massan erottaa puumassasta kuitenkin korkea silikaattipitoisuus sekä parenkyymisolupitoisuus, joka antaa massalle korkean hienoainepitoisuuden. Tämä yhdessä korkean hemiselluloosapitoisuuden ja lyhyen kuidun pituuden kanssa heikentävät voimakkaasti non-wood massan vedenpoisto-ominaisuuksia. Non-wood kuidulla voidaan korvata lehtipuumassaa hienopapereissa. Non-wood kuitu antaa paperille hyvän opasiteetin, korkean valonsirontakertoimen sekä sileän painopinnan. Massaan lisättävä pitkäkuituinen havupuumassa parantaa ajetta¬vuutta paperikoneella ja helpottaa massan vedenpoistoa. Non-wood massan vedenpoistoa voidaan tehostaa esimerkiksi poistamalla osa hienoaineesta, käyttämällä non-wood massalle sopivaa keittotapaa sekä käyttämällä märkä¬puristuksessa pitkänippityyppistä puristinratkaisua. Myös non-wood kuidun kuivaaminen parantaa vedenpoistoa. Tässä tutkimuksessa kirjallisuusosassa keskityttiin yleisimpiin paperin valmistuksessa käytettäviin non-wood kuidun lähteisiin, märkäpuristuksen teoriaan ja tapoihin tehostaa vedenpoistoa. Kokeellisessa osassa tutkittiin vehnänolkimassan käyttäytymistä märkäpuristuksessa erilaisten ominaisuuksien pohjalta. Tutkimuksen kohteena oli non-wood massan keittotapa (hapan/alkali), hienoainepitoisuus, silikaattipitoisuus sekä kuivattu/kuivaamaton kuitu. Vertailun vuoksi tutkimuksessa oli mukana myös yksi järviruokomassa. Tuloksista huomataan, että non-wood massan vedenpoistoon vaikuttaa hienoainepitoisuus, kuidun kuivaus sekä massan valmistustapa. Järviruokomassan veden¬poisto on tehokkaampaa kuin vehnänolkimassan paremman kuitu¬koostumuksensa takia. Jos hienopaperimassassa korvataan lehtipuumassaa non-wood kuidulla maksimissaan 40 %, massan vedenpoistoa voidaan hyvin arvioida erilaisten suotautuvuusmittojen, kuten freeneksen, vedenpidätyskyvyn ja suotautumisajan, avulla.

Fractionation of wood hydrolysate by ultrafiltration membranes at high temperature

Ultrafiltration (UF) is already used in pulp and paper industry and its demand is growing because of the required reduction of raw water intake and the separation of useful compounds from process waters. In the pulp and paper industry membranes might be exposed to extreme conditions and, therefore, it is important that the membrane can withstand them. In this study, extractives, hemicelluloses and lignin type compounds were separated from wood hydrolysate in order to be able to utilise the hemicelluloses in the production of biofuel. The performance of different polymeric membranes at different temperatures was studied. Samples were analysed for total organic compounds (TOC), lignin compounds (UV absorption at 280 nm) and sugar. Turbidity, conductivity and pH were also measured. The degree of fouling of the membranes was monitored by measuring the pure water flux before and comparing it with the pure water flux after the filtration of hydrolysate. According to the results, the retention of turbidity was observed to be higher at lower temperature compared to when the filtrations were operated at high temperature (70 °C). Permeate flux increased with elevated process temperature. There was no detrimental effect of temperature on most of the membranes used. Microdyn-Nadir regenerated cellulose membranes (RC) and GE-Osmonics thin film membranes seemed to be applicable in the chosen process conditions. The Polyethersulphone (NF-PES-10 and UH004P) and polysulphone (MPS-36) membranes used were highly fouled, but they showed high retentions for different compounds.

Power Consumption in Carbon Capture and Storage Systems (CCS) and Possibilities to Reduce Power Consumption with Variable Speed Drives

The aim of this master´s thesis is to study which processes increase the auxiliary power consumption in carbon capture and storage processes and if it is possible to reduce the auxiliary power consumption with variable speed drives. Also the cost of carbon capture and storage is studied. Data about auxiliary power consumption in carbon capture is gathered from various studies and estimates made by various research centres. Based on these studies a view is presented how the power auxiliary power consumption is divided between different processes in carbon capture processes. In a literary study, the operation of three basic carbon capture systems is described. Also different methods to transport carbon dioxide and carbon dioxide storage options are described in this section. At the end of the thesis processes that consume most of the auxiliary power are defined and possibilities to reduce the auxiliary power consumption are evaluated. Cost of carbon capture, transport and storage are also evaluated at this point and in the case that the carbon capture and storage systems are fully deployed. According to the results, it can be estimated what are the processes are where variable speed drives can be used and what kind of cost and power consumption reduction could be achieved. Results also show how large a project carbon capture and storage is if it is fully deployed.

Recovery of Hemicelluloses from Wood Hydrolysates by Membrane Filtration

Hemicelluloses are among the most important natural resources that contain polysaccharides. In this study the separation and purification of hemicelluloses from water extraction liquors containing wood hemicelluloses, lignin compounds and monosaccharide by using membrane filtration was investigated. The isolation of the hemicelluloses from the wood hydrolysates was performed in two steps: concentration of high molar mass hemicelluloses by ultrafiltration and separation of low molar mass hemicelluloses from monomeric sugars using tight ultrafiltration membranes. The purification of the retained hemicelluloses was performed by diafiltration. During the filtration experiments, the permeate flux through ultrafiltration and tight ultrafiltration membranes was relatively high. The fouling ability of the used membranes was relatively low. In our experiments, the retention of hemicelluloses using two filtration steps was almost complete. The separation of monosaccharides from hemicelluloses was relatively high and the purification of hemicelluloses by diafiltration was highly efficient. The separation of lignin from hemicelluloses was partially achieved. Diafiltration showed potential to purify retained hemicelluloses from lignin and other organics. The best separation of lignin from hemicelluloses in the first filtration step was obtained using the UC005 membrane. The GE-5 and ETNA01PP membranes showed potential to purify and separate lignin from hemicelluloses. However, the feed solution of the second filtration stages (from different ultrafiltration membranes) affected the permeate flux and the separation of various extracted compounds from hemicelluloses. The GE-5 and ETNA01PP membranes gave the efficient purification of the hemicelluloses when using diafiltration. Separation of degraded xylan from glucomannan (primary spruce hemicelluloses) was also possible using membrane filtration. The best separation was achieved using the GE-5 membrane. The retention of glucomannan was three times higher than xylan retention.