Metaanin muodostumisen mallintaminen kaatopaikalla

Methane-rich landfill gas is generated when biodegradable organic wastes disposed of in landfills decompose under anaerobic conditions. Methane is a significant greenhouse gas, and landfills are its major source in Finland. Methane production in landfill depends on many factors such as the composition of waste and landfill conditions, and it can vary a lot temporally and spatially. Methane generation from waste can be estimated with various models. In this thesis three spreadsheet applications, a reaction equation and a triangular model for estimating the gas generation were introduced. The spreadsheet models introduced are IPCC Waste Model (2006), Metaanilaskentamalli by Jouko Petäjä of Finnish Environment Institute and LandGEM (3.02) of U.S. Environmental Protection Agency. All these are based on the first order decay (FOD) method. Gas recovery methods and gas emission measurements were also examined. Vertical wells and horizontal trenches are the most commonly used gas collection systems. Emission measurements chamber method, tracer method, soil core and isotope measurements, micrometeorological mass-balance and eddy covariance methods and gas measuring FID-technology were discussed. Methane production at Ämmässuo landfill of HSY Helsinki Region Environmental Services Authority was estimated with methane generation models and the results were compared with the volumes of collected gas. All spreadsheet models underestimated the methane generation at some point. LandGEM with default parameters and Metaanilaskentamalli with modified parameters corresponded best with the gas recovery numbers. Reason for the differences between evaluated and collected volumes could be e.g. that the parameter values of the degradable organic carbon (DOC) and the fraction of decomposable degradable organic carbon (DOCf) do not represent the real values well enough. Notable uncertainty is associated with the modelling results and model parameters. However, no simple explanation for the discovered differences can be given within this thesis.

Paineilmakompressoreiden lämmön talteenoton optimointi

Tämän työn on teettänyt Vanhan Ruukin Kiinteistöpalvelu Oy ja työ on toteutettu kandidaatintyönä Lappeenrannan Teknilliselle Yliopistolle. Työn tarkoituksena oli selvittää työn teettäjän puolesta paineilmakompressoreiden lämmön talteenoton toimintaa sekä etsiä mahdollisia parannuskohteita järjestelmän hyötysuhteen nostamiseksi. Työ rajattiin koskemaan lämmön talteenoton yhtä lämmönvaihtopatteria ja siihen liittyvää nestekiertolaitteistoa. Syynä työn tekemiselle oli epäilys lämmön talteenoton huonosta hyötyprosentista. Tässä työssä oli tavoitteena ottaa kantaa myös mahdollisiin rahallisiin säästöihin joita järjestelmän kunnollisella toimintaan saattamisella olisi.

Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.

Dieselmoottorisen kaupunkilinja-auton muuttaminen sarjahybridiajoneuvoksi

Tutkimus on pohjustusta Lappeenrannan teknillisen yliopiston Green Campus–hankkeessa tulevaisuudessa mahdollisesti rakennettavalle Cambus–hybridibussille ja siihen liittyvälle muutostyölle. Tässä tutkimuksessa käsitellään asioita, joita kohdataan kun tavallinen dieselkäyttöinen linja–auto muutetaan hybridiajoneuvoksi. Työ sisältää teoriaosuuden, jossa esitellään peruskomponentteja esimerkiksi moottoreiden ja energianvarastointitekniikoiden osalta sekä uusimpia kehityskohteita polttomoottoreiden osalta. Tutkimuksessa on myös vertailtu erilaisia hybridivaihtoehtoja sekä käsitelty mm. tasauspyörästön välityssuhteen ja vaihteiston vaikutusta bussin teoreettiseen suorituskykyyn. Tehdyn tutkimustyön perusteella on hahmoteltu eräs mahdollinen sarjahybridibussin voimansiirtolinja esimerkkikomponentteineen. Tutkimuksessa esitetään myös laskelmia järjestelmän teoreettisesta polttoaineenkulutuksesta jarrutusenergian talteenotto huomioiden perinteiseen kaupunkilinja-autoon verrattuna.

Packaging inks for folding cartons used in food packaging

This thesis examined packaging inks suitable for folding cartons used in food packaging. The recent cases of compounds migrating from packaging inks into packed food, have forced the packaging ink manufacturers to develop inks that do not include substances at a level, that may pose a risk to the health of a consumer or to the quality of packed food. Food packaging is a sensitive area and subject to extensive legislation. This research presents the current situation on regulatory documents that can be used to demonstrate the safety of packaging inks used in food packaging. In the research, data was also collected on the available packaging inks for food packaging in packaging ink market. Test printing was performed with five printing inks and three varnishes on Ensocoat board, produced by Stora Enso. Tests results regarding print quality, runnability, sensory properties and migration were analysed. The packaging inks with the finest performance in the tests were ultra violet curing printing ink and varnish. The results showed that ultra violet curing printing technology in food contact applications is an important research area, with further research possibly being able to redeem the UV technologies' bad reputation within the packaging supply chain.

Carbonation of Mg(OH)2 in a pressurised fluidised bed for CO2 sequestration

I takt med den ekonomiska tillväxten har CO2-utsläppen till atmosfären ständigt ökat, och utan kraftiga åtgärder kommer de att fortsätta att öka i allt snabbare takt. Konsekvenserna av en påtagligt förhöjd atmosfärisk CO2-halt är fortfarande osäkra (men eventuellt katastrofala) och fenomenet går under namnet global uppvärmning eller klimatförändring. CCS från engelskans ”carbon dioxide capture and storage” framstår som ett alternativ för att bekämpa de ständigt ökande CO2-utsläppen. Ett av de mer intressanta, och för Finlands del ända CCS-alternativet, baserar sig på naturens egna sätt att begränsa atmosfärisk CO2, nämligen vittring. Naturlig vittring, som förenklat innefattar nedbrytningen av sten/berg (även känd som erosion) och de därpå följande reaktionerna med CO2-mättat regnvatten. Slutresultatet är en utfällning av fasta mineraler som nu bundit CO2 i form av kalcium- och magnesiumkarbonat. Kalciumkarbonat är även bättre känt som kalksten, d.v.s. CO2 blir bundet i sten. Det gäller dock att snabba upp denna process, som i naturen är ytterst långsam, på ett ekonomiskt och miljömässigt hållbart sätt. Hittills har ett antal metoder för att påskynda naturlig vittring, eller med andra ord öka CO2-upptagningsförmågan av olika mineraler föreslagits. De mera etablerade uttrycken (lånade från engelskan) talar om mineralkarbonatisering och CO2-mineralisering. Till skillnad från många andra CO2-mineraliseringsalternativ är det alternativ som behandlas i denna avhandling i hög grad baserat på möjligheten att utnyttja den värme som frigörs vid karbonatisering. I teorin är det möjligt att föreställa sig en mineraliseringsprocess som inte kräver extern energi, men tillsvidare har man dock inte lyckats uppnå detta mål. Den process som presenteras i denna avhandling går ut på att man utvinner magnesium ur i naturen vanligt förekommande magnesiumrika mineraler, konverterar det till magnesiumhydroxid och därefter karbonatiserar det till magnesiumkarbonat. I rätta förhållanden kan magnesiumhydroxid reagera med CO2 mycket snabbt och i nuläget har processen potential att minska CO2-utsläppen från industri där spillvärme finns till förfogande (t.ex. cement- och stålindustrin). Fortsatt forskning är dock ett måste för att kunna påverka CO2-utsläppen i en globalt signifikant skala.

Modelling of calciner in post-combustion carbon capture process

Climate change has given an impetus to research and developed new technologies to reduce significantly carbon dioxide emissions in energy production in the developed countries. The major pollution source, fossil fuels, will be used as an energy source for many decades, which provides the demand for carbon capture and storage technologies. Over recent years many new technologies has been developed and one of the most promising is calcium-looping in post-combustion carbon capture process, which use carbonation-calcination cycle to capture carbon dioxide from the flue gas of a combustion process. First pilot plant for calcium-looping process has been built in Oviedo, Spain. In this study, a three-dimensional model has been created for the calciner, which is one of the two fluidized bed reactors needed for the process. The calciner is a regenerator where the captured carbon dioxide is removed from the calcium material and then collected after the reactor. Thesis concentrates in creating the calciner 3D-model frame with CFB3D-program and testing the model with two different example cases. Used input parameters and calciner geometry are Oviedo pilot plant design parameters. The calculation results give information about the process and show that pilot plant calciner should perform as planned. This Master’s Thesis is done in participation to EU FP7 project CaOling.

Fotokatalyyttinen kalvonpesu

Fotokatalyysillä tarkoitetaan spontaania kemiallista reaktiota, joka tapahtuu fotokatalyytin absorboidessa valoa. Reaktio voi tapahtua joko katalyytin pinnalla tai sen läheisyydessä, mutta fotokatalyytti pysyy reaktiossa muuttumattomana. Ominaisuuksiltaan paras ja eniten tutkittu fotokatalyyttinen materiaali on titaanidioksidi, jolla on säteilytettynä kyky hajottaa orgaanisia molekyylejä hiilidioksidiksi ja vedeksi. Fotokatalyysin käyttömahdollisuuksia tutkitaan membraanikalvojen puhdistamisessa kalvojen käyttöiän ja erotustehokkuuden parantamiseksi. Nykyisin kalvojen puhdistamiseen käytetään useimmiten kemiallista pesua, jonka tuloksena on usein haitallisia yhdisteitä sisältävä liuos. Fotokatalyyttinen puhdistus voisi olla ratkaisu ongelmaan, sillä sen avulla voitaisiin puhdistamisessa käytettävien kemikaalien ja siinä muodostuvien jätteiden määrää vähentää. Tämän työn kokeellisessa osassa tutkittiin polyvinyylideenifluoridikalvon (PVDF) kestävyyttä ja puhdistumista fotokatalyyttisissä reaktioissa. PVDF:n on todettu olevan erinomainen kalvomateriaali, koska se on termisesti stabiili ja se kestää hyvin kemikaaleja, kuten orgaanisia liuottimia, happoja ja emäksiä. Työssä todettiin PVDF-kalvon puhdistuvan UV/TiO2-käsittelyn avulla. Kalvo puhdistui parhaiten, kun käytettiin 0,425 m- % TiO2-liuosta. Puhdistumista havainnoitiin sekä puhtaan veden vuon mittauksilla että värjäämällä käsiteltyjä kalvoja ja mittaamalla niiden värinintensiteetti.

Survey of transportation of liquid bulk chemicals in the Baltic Sea

This study is made as a part of the Chembaltic (Risks of Maritime Transportation of Chemicals in Baltic Sea) project which gathers information on the chemicals transported in the Baltic Sea. The purpose of this study is to provide an overview of handling volumes of liquid bulk chemicals (including liquefied gases) in the Baltic Sea ports and to find out what the most transported liquid bulk chemicals in the Baltic Sea are. Oil and oil products are also viewed in this study but only in a general level. Oils and oil products may also include chemical-related substances (e.g. certain bio-fuels which belong to MARPOL annex II category) in some cargo statistics. Chemicals in packaged form are excluded from the study. Most of the facts about the transport volumes of chemicals presented in this study are based on secondary written sources of Scandinavian, Russian, Baltic and international origin. Furthermore, statistical sources, academic journals, periodicals, newspapers and in later years also different homepages on the Internet have been used as sources of information. Chemical handling volumes in Finnish ports were examined in more detail by using a nationwide vessel traffic system called PortNet. Many previous studies have shown that the Baltic Sea ports are annually handling more than 11 million tonnes of liquid chemicals transported in bulk. Based on this study, it appears that the number may be even higher. The liquid bulk chemicals account for approximately 4 % of the total amount of liquid bulk cargoes handled in the Baltic Sea ports. Most of the liquid bulk chemicals are handled in Finnish and Swedish ports and their proportion of all liquid chemicals handled in the Baltic Sea is altogether over 50 %. The most handled chemicals in the Baltic Sea ports are methanol, sodium hydroxide solution, ammonia, sulphuric and phosphoric acid, pentanes, aromatic free solvents, xylenes, methyl tert-butyl ether (MTBE) and ethanol and ethanol solutions. All of these chemicals are handled at least hundred thousand tonnes or some of them even over 1 million tonnes per year, but since chemical-specific data from all the Baltic Sea countries is not available, the exact tonnages could not be calculated in this study. In addition to these above-mentioned chemicals, there are also other high volume chemicals handled in the Baltic Sea ports (e.g. ethylene, propane and butane) but exact tonnes are missing. Furthermore, high amounts of liquid fertilisers, such as solution of urea and ammonium nitrate in water, are transported in the Baltic Sea. The results of the study can be considered indicative. Updated information about transported chemicals in the Baltic Sea is the first step in the risk assessment of the chemicals. The chemical-specific transportation data help to target hazard or e.g. grounding/collision risk evaluations to chemicals that are handled most or have significant environmental hazard potential. Data gathered in this study will be used as background information in later stages of the Chembaltic project when the risks of the chemicals transported in the Baltic Sea are assessed to highlight the chemicals that require special attention from an environmental point of view in potential marine accident situations in the Baltic Sea area.

Täyteainepitoisuuden ja retentioainesysteemin optimointi

Työssä tutkittiin tarrapaperikoneen pohjapaperin täyteainepitoisuuden nostamisen vaikutusta koneen ajettavuuteen ja paperin ominaisuuksiin. Työn tavoitteena oli löytää ne prosessitekniset keinot, joilla voitaisiin saavuttaa raskaiden pintapapereiden tavoitetuhkatasot. Lisäksi pyrittiin optimoimaan retentioaineiden annokset ja ajotavat korkeilla tuhkatasoilla. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin pinta- ja kolloidikemian perusteita sekä täyteainepitoisuuden vaikutusta paperin ominaisuuksiin ja prosessoitavuuteen. Lisäk-si syvennyttiin märänpään kemiaan selvittämällä mm. kalsiumkarbonaatin vesiliuoskemiaa ja erilaisten retentioaineiden ominaisuuksia ja niiden reaktiomekanismeja. Työn kokeellinen osa koostui kahdesta koeajosta. Ensimmäisessä koeajossa selvitettiin täyteainesaostumien muodostumismekanismeja ja paperikoneen ajettavuutta täyteainepitoisuutta nostettaessa yli raskaiden pintapapereiden tavoitetasojen. Saadut tulokset osoittivat, että märänpään kemiantila pysyi koeajon aikana muuttumattomana eikä mitään saostumien muodostumista havaittu. Täyteainepitoisuudessa päästiin 3 % yli lajikohtaisen tuhkatavoitteen ilman ajettavuusongelmia. Toisessa koeajossa keskityttiin erityisesti märänpään retentioaineiden määrien optimointiin ja paperin laatuominaisuuksiin. Koeajossa täyteainepitoisuutta nostettiin yli tavoitetasojen. Saadut tulokset osoittivat, että täyteainepitoisuuden nostolla ei ollut vaikutusta paperin laatuun tai paperikoneen ajettavuuteen. Massatärkkelyksen avulla pystyttiin korvaamaan kationisen polymeerin retentiovaste ja kompensoimaan täyteainepitoisuuden noston myötä tullut paperin lujuuksien lasku. Koeajoissa ja prosessin seurannassa tuli ilmi myös useita eri tekijöitä, joilla oli vaikutusta retentioon, retentioaineiden tehoon ja prosessin stabiilisuuteen. Tehdyistä yksittäisistä havainnoista on hyötyä pyrittäessä ymmärtämään märänpään prosessin tilaa ja sen vaikutusta paperikoneen ajettavuuteen. Työ saavutti sille asetetut tavoitteet ja sen ansiosta paperikoneen märänpään raaka-aineiden ja kemikaalien syöttösuhteita pystyttiin muuttamaan tavalla, joka vähensi paperinvalmistuksen kustannuksia ilman että paperin laatuominaisuudet huononivat.

CO2 sparging for improving the filtration properties of iron ore slurries

Iron ore treatment processes are usually continuous and high tonnage and filtration equipment has to meet these requirements. In magnetite (Fe3O4) treatment process continuous rotary disc filters are often used for filtration. Carbon dioxide (CO2) treatment is a fairly novel and un-known filtration enhancing process. The interest to use CO2 is quite high because CO2 is a greenhouse gas that is abundant, readily available and capture and use of CO2 would be environmentally beneficial. The focus of this thesis was to investigate if CO2 could be used to enhance the filtration of magnetite with ceramic disc filter. Previous studies have suggested that CO2 could be used to enhance the filtration properties of different iron ores thus increasing the filtration capacity. In the literature part, the basic theory of filtration and the particle properties affecting filtration were discussed. The basic steps of a typical ore treatment process were presented. The reasons why CO2 might enhance the filtration properties of different ores were investigated. A literature survey of earlier studies of CO2 addition as a filter aid was presented and the basic chemical properties and reactions of CO2 were also discussed. The experimental part was done at the LUT Laboratory of Separation Technology using different magnetite samples from the industry. The filtration experiments indicated that CO2 had a positive influence on the filtration properties of magnetite slurry. Zeta potential of untreated and CO2 treated magnetite was measured and CO2 treated magnetite had lower zeta potential values than the untreated magnetite. The filtration capacity was increased while the cake moisture levels were only slightly increased.

Risk management measures for REACH registered intermediate substances in pulp mill

Tämän työn tavoitteena on antaa kuvaus riskinhallintamenetelmistä viidelle välituotekemikaalille, joita käytetään Stora Enson Imatran tehtailla. Välituotekemikaalit ovat mustalipeä, viherlipeä, valkolipeä, natriumbisulfiitti ja natriumsulfiitti. Nämä kemikaalit ovat jo rekisteröityjä ECHA:an ja rekisteröintiin liittyen ECHA:an on toimitettava myös kuvaus riskinhallintamenetelmistä. Työn alussa kuvaillaan työn kannalta olennaiset säädökset ja viranomaiset, jotka valvovat kemikaalien käyttöä ja valmistusta Euroopan Unionin alueella. Tämän jälkeen kerrotaan yleisesti välituotekemikaalien rekisteröintikriteereistä. Työn loppuosa käsittää kuvauksen riskinhallintamenetelmistä jokaiselle kemikaalille. Riskinhallintamenetelmät sisältävät eristyksen teknisin keinoin, menettelytapa- ja valvontatekniikat, johtamistavat ja henkilökunnan koulutuksen ja välituotekemikaalien kuljetuksen. Myös jokaisen kemikaalin ominaisuudet on kuvattu ja lyhyt prosessikuvaus kemikaalien valmistuksesta ja käytöstä on esitetty helpottamaan ymmärtämistä.

Ammonia regeneration in nickel matte chloride leaching

Ammonia can be used as a pH controller in chloride-based metal recovery processes. In chloride conditions, ammonia reacts to ammonium chloride which can be regenerated back to ammonia with lime. Although the regeneration process itself has been known for a long time, the concentrations, non-reacting species, conditions, and even goals are different when comparing the ammonia regeneration process in different industries. The main objective of this thesis was to study the phenomena, equipment, and challenges in ammonia regeneration in the nickel process and to make a preliminary process design. The study concentrated on the regeneration and recovery units. The thesis was made by process simulation and laboratory tests using the current processes as initial information. The results were combined from all of the information obtained during the studies to provide a total process solution, which can be used as a basis when designing an ammonia regeneration process to be used in industry. In particular, it was possible to determine ammonia recovery with a stripping column and the achievement of the desired ammonia water product within the scope of this thesis. The required mass flows and process conditions were also determined. The possible challenges and solutions or further studies to overcome them were provided as well to ease the prediction and design of the ammonia regeneration process in the future. On the basis of the results of this thesis, the ammonia regeneration process can be developed further and implemented in the nickel chloride leaching process.

Koesuunnitelma kullan talteenottolle vesiliuoksista ioninvaihto materiaaleilla

Tässä kandidaatin työssä käsitellään kullan talteenottoa ioninvaihtomateriaaleilla, sekä kirjallisuuden perusteella on rakennettu koesuunnitelma kullan talteenottoa varten vesipohjaisista liuoksista ioninvaihtomateriaaleilla.

Täyteaineen ja tärkkelyksen annostelun optimointi paperikoneen lyhyeen kiertoon

Diplomityön tavoitteena oli selvittää tärkkelyksen ja täyteaineen annostelupaikkojen sekä – tapojen vaikutukset SC- heatset web offset -paperin ominaisuuksiin ja pintalujuuteen. Lisäksi selvitettiin, muuttuuko paperin pölyäminen annostelupaikkojen tai – tapojen vaikutuksesta. Diplomityön kirjallisuusosiossa käsiteltiin heatset web offset -painokoneen rakennetta ja sen toimintaa. Lisäksi käsiteltiin heatset web offset -painokoneella ilmenevät pölyongelmien tyypit ja, mitkä eri paperin tekijät vaikuttavat heatset web offset -painokoneen pölyämisongelmiin. Lisäksi kirjallisuusosiossa käsiteltiin yleisimmät pintalujuutta parantavat kemikaalit sekä näiden kemikaalien annostelupaikat paperikoneen lyhyeen kiertoon. Alkutason määrityksessä ja ensimmäisessä koeajossa havaittiin, että paperin huokoisuus ja huokosrakenne olivat tärkeimmät SC heatset web offset -paperin pintalujuuteen vaikuttavat tekijät. KCL:n HSWO–koepainokoneella painetuista rullista annostelutapa 4, jossa tärkkelystä ja täyteainetta annosteltiin perälaatikon syöttöpumpun imupuolelle perinteisesti, oli pintalujuudeltaan kestävin. Ahmatti-kokeissa havaittiin, että tärkkelyksen ja täyteaineen annostelu TrumpJet- laitteistolla lähempänä paperikoneen perälaatikkoa, annostelutapa 6, pienentää rullan sisäistä vetolujuushajontaa. Ahmatti -pilotkokeissa havaittiin myös, että paperin lujuusominaisuudet ja vetolujuushajonnat voitiin säilyttää entisellään, kun tärkkelystä ja täyteainetta annosteltiin perinteisesti perälaatikon syöttöpumpun imupuolelta. Toisesta koeajon koepainorullasta havaittiin KCL:n koepainatuksissa, että paperin pintalujuus heikentyy annosteltaessa tärkkelystä 8 kg/t verrattuna 10 kg/t tärkkelysannosteluun. Näiden tapojen ero ei ole merkittävä.