Waste-to-Energy Scenarios in the China Context

Waste incineration plants are increasingly established in China. A low heating value and high moisture content, due to a large proportion of biowaste in the municipal solid waste (MSW), can be regarded as typical characteristics of Chinese MSW. Two incineration technologies have been mainly established in China: stoker grate and circular fluidized bed (CFB). Both of them are designed to incinerate mixed MSW. However, there have been difficulties to reach the sufficient temperature in the combustion process due to the low heating value of the MSW. That is contributed to the usage of an auxiliary fossil fuel, which is often used during the whole incineration process. The objective of this study was to design alternative Waste-to-energy (WTE) scenarios for existing WTE plants with the aim to improve the material and energy efficiency as well as the feasibility of the plants. Moreover, the aim of this thesis was to find the key factors that affect to the feasibility of the scenarios. Five different WTE plants were selected as study targets. The necessary data for calculation was gained from literature as well as received from the operators of the target WTE plants. The created scenarios were based on mechanical-biological treatment (MBT) technologies, in which the produced solid recovered fuel (SRF) was fed as an auxiliary fuel into a WTE plant replacing the fossil fuel. The mechanically separated biowaste was treated either in an anaerobic digestion (AD) plant, a biodrying plant, a thermal drying plant, or a combined AD plant + thermal drying plant. An interactive excel spreadsheet based computation tool was designed to estimate the viability of the scenarios in different WTE cases. The key figures of the improved material and energy efficiency, such as additional electricity generated and avoided waste for landfill, were got as results. Furthermore, economic indicators such as annual profits (or costs), payback period, and internal rate of return (IRR) were gained as results. The results show that the AD scenario was the most profitable in most of the cases. The current heating value of MSW and the tipping fee for the received MSW appeared as the most important factor in terms of feasibility.

Viilunkuivaajan tuotantotehokkuuden kehittäminen

Mekaanisen metsäteollisuuden tuotteiden kiristyvä globaali kilpailu ja jatkuva kustannusten kasvaminen kiristyvillä markkinoilla aiheuttavat jatkuvaa tuotannon tehostamisen tarvetta. Käyntiaikojen maksimoinnilla ja tuotantokoneiden käyttöasteen nostamisella haetaan hintaetua sekä toimituskapasiteetin maksimointia kilpailussa asiakkaista myös tulevaisuutta silmälläpitäen. Vanerin tuotantoprosessiin osaprosessina kuuluva viilun kuivaus on tehtaan tuotannon pullonkaula. Kuivauskoneen tuotannollisten häiriöiden syiden selvittämisillä ja käyntiajan lisäämisellä on suora tuotannollinen vaikutus. Tutkimuksessa löydettiin mahdollisia parannuskohteita tuotantolaitteisiin. Käsiteltävän aiheen ollessa aiemmin kirjallisuudessa käsittelemätön, jouduttiin kehitys- ja parannustoimenpiteissä tekemään suoraviivaisia syy- ja seuraussuhteisiin perustuvia ratkaisuja. Vaihtoehdoista etsittiin toiminnaltaan mahdollisimman yksinkertaisia sekä hankinta- ja käyttökustannuksiltaan kustannustehokkaita ratkaisuja.

Kartongin käyristymiseen vaikuttavat tekijät ja niiden hallinta valmistusprosessissa

Työssä selvitettiin uuden kostutuslaitteen toimivuutta kartongin käyristymisen hallinnassa. Työn tavoitteena oli löytää kostutuslaitteelle energiatehokas ja käyttäjäystävällinen ajotapa. Lisäksi pyrittiin etsimään tärkeimmät kartongin käyristymiseen vaikuttavat prosessimuuttujat ja selvittämään voidaanko niitä hyödyntää käyryyden hallinnassa. Työssä tutkittiin myös kostutuslaitteen käytön vaikutuksia kartongin muihin tärkeisiin ominaisuuksiin, jotta saataisiin selville miten uusi tuote eroaisi referenssituotteesta. Kirjallisuusosassa selvitetään, mitkä tekijät vaikuttavat kartongin käyristymiseen ja miten käyristymistä pystytään hallitsemaan. Kirjallisuusosassa käsitellään myös, miten kartongin käyristymiseen tarvittavat epäsymmetriset mittamuutokset kartongin rakenteessa syntyvät lähtien kosteuden vaikutuksista aina yksittäisten kuitujen tasolta koko kartongin rakenteeseen asti. Kokeellisessa osassa selvitetään Inkeroisten Kartonkitehtaan kartonkikoneella ajettujen koeajojen avulla toimivaa ajotapaa kostutuslaitteelle ja eri prosessimuuttujien vaikutusta käyristymiseen. Koeajoissa tutkittiin epäsymmetrisen kostutuksen, kuivatuksen, sitoutuneisuuden, sekä kuituorientaation vaikutuksia kartongin käyristymiseen. Koeajojen perusteella merkittävimmiksi tekijöiksi kartongin käyristymiseen osoittautuivat epäsymmetrinen kostutus sekä kuivatus. Muiden tekijöiden vaikutus kartongin käyristymiseen jäi vähäiseksi tai liian epäselväksi, jotta olisi voitu osoittaa, että muutos kartongin käyryydessä johtuisi nimenomaan kyseisen tekijän muutoksesta. Verrattaessa uutta tuotetta referenssituotteeseen kartongin pinta- tai lujuusominaisuuksissa ei havaittu tapahtuvan merkittävää muutosta, kun selkäkerroksen pintaliimaus korvattiin sumukostutuksella.

Puuhakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksien parantaminen

Nykyaikana yhteiskunta tavoittelee uusiutuvaa ja ympäristöä säästävää energiantuotantoa. Biopolttoaineiden käyttö vähentää fossiilisten polttoaineiden osuutta energiantuotannossa. Jotta biopolttoaineilla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita, biopolttoaineita täytyy jalostaa. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää puuhakkeen jalostuksen merkitystä hakkeen käytölle ja kannattavuudelle. Hakkeen kuivaamisella ja seulonnalla voidaan parantaa hakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksia. Kosteuden ja tasalaatuisuuden merkitys suurenee, kun haketta käytetään pienissä kattiloissa. Pienissä kattiloissa lämmöntuotannon hyötysuhde pienenee merkittävästi kosteuden suurentuessa. Tällöin polttoaineen kulutus ja energiantuotantokustannukset suurenevat. Suuremmissa kattiloissa hyvälaatuisella hakkeella on mahdollista korvata kalliimpia vara- ja huippukuormapolttoaineita, kuten öljyä. Tällöin fossiilisten polttoaineiden osuus pienenee. Lisäksi kuivaaminen ja seulominen ovat edullisia jalostusprosesseja esimerkiksi pelletin tuotantoon verrattuna.

Methyl and ethyl chloride synthesis in microreactors

Methyl chloride is an important chemical intermediate with a variety of applications. It is produced today in large units and shipped to the endusers. Most of the derived products are harmless, as silicones, butyl rubber and methyl cellulose. However, methyl chloride is highly toxic and flammable. On-site production in the required quantities is desirable to reduce the risks involved in transportation and storage. Ethyl chloride is a smaller-scale chemical intermediate that is mainly used in the production of cellulose derivatives. Thus, the combination of onsite production of methyl and ethyl chloride is attractive for the cellulose processing industry, e.g. current and future biorefineries. Both alkyl chlorides can be produced by hydrochlorination of the corresponding alcohol, ethanol or methanol. Microreactors are attractive for the on-site production as the reactions are very fast and involve toxic chemicals. In microreactors, the diffusion limitations can be suppressed and the process safety can be improved. The modular setup of microreactors is flexible to adjust the production capacity as needed. Although methyl and ethyl chloride are important chemical intermediates, the literature available on potential catalysts and reaction kinetics is limited. Thus the thesis includes an extensive catalyst screening and characterization, along with kinetic studies and engineering the hydrochlorination process in microreactors. A range of zeolite and alumina based catalysts, neat and impregnated with ZnCl2, were screened for the methanol hydrochlorination. The influence of zinc loading, support, zinc precursor and pH was investigated. The catalysts were characterized with FTIR, TEM, XPS, nitrogen physisorption, XRD and EDX to identify the relationship between the catalyst characteristics and the activity and selectivity in the methyl chloride synthesis. The acidic properties of the catalyst were strongly influenced upon the ZnCl2 modification. In both cases, alumina and zeolite supports, zinc reacted to a certain amount with specific surface sites, which resulted in a decrease of strong and medium Brønsted and Lewis acid sites and the formation of zinc-based weak Lewis acid sites. The latter are highly active and selective in methanol hydrochlorination. Along with the molecular zinc sites, bulk zinc species are present on the support material. Zinc modified zeolite catalysts exhibited the highest activity also at low temperatures (ca 200 °C), however, showing deactivation with time-onstream. Zn/H-ZSM-5 zeolite catalysts had a higher stability than ZnCl2 modified H-Beta and they could be regenerated by burning the coke in air at 400 °C. Neat alumina and zinc modified alumina catalysts were active and selective at 300 °C and higher temperatures. However, zeolite catalysts can be suitable for methyl chloride synthesis at lower temperatures, i.e. 200 °C. Neat γ-alumina was found to be the most stable catalyst when coated in a microreactor channel and it was thus used as the catalyst for systematic kinetic studies in the microreactor. A binder-free and reproducible catalyst coating technique was developed. The uniformity, thickness and stability of the coatings were extensively characterized by SEM, confocal microscopy and EDX analysis. A stable coating could be obtained by thermally pretreating the microreactor platelets and ball milling the alumina to obtain a small particle size. Slurry aging and slow drying improved the coating uniformity. Methyl chloride synthesis from methanol and hydrochloric acid was performed in an alumina-coated microreactor. Conversions from 4% to 83% were achieved in the investigated temperature range of 280-340 °C. This demonstrated that the reaction is fast enough to be successfully performed in a microreactor system. The performance of the microreactor was compared with a tubular fixed bed reactor. The results obtained with both reactors were comparable, but the microreactor allows a rapid catalytic screening with low consumption of chemicals. As a complete conversion of methanol could not be reached in a single microreactor, a second microreactor was coupled in series. A maximum conversion of 97.6 % and a selectivity of 98.8 % were reached at 340°C, which is close to the calculated values at a thermodynamic equilibrium. A kinetic model based on kinetic experiments and thermodynamic calculations was developed. The model was based on a Langmuir Hinshelwood-type mechanism and a plug flow model for the microreactor. The influence of the reactant adsorption on the catalyst surface was investigated by performing transient experiments and comparing different kinetic models. The obtained activation energy for methyl chloride was ca. two fold higher than the previously published, indicating diffusion limitations in the previous studies. A detailed modeling of the diffusion in the porous catalyst layer revealed that severe diffusion limitations occur starting from catalyst coating thicknesses of 50 μm. At a catalyst coating thickness of ca 15 μm as in the microreactor, the conditions of intrinsic kinetics prevail. Ethanol hydrochlorination was performed successfully in the microreactor system. The reaction temperature was 240-340°C. An almost complete conversion of ethanol was achieved at 340°C. The product distribution was broader than for methanol hydrochlorination. Ethylene, diethyl ether and acetaldehyde were detected as by-products, ethylene being the most dominant by-product. A kinetic model including a thorough thermodynamic analysis was developed and the influence of adsorbed HCl on the reaction rate of ethanol dehydration reactions was demonstrated. The separation of methyl chloride using condensers was investigated. The proposed microreactor-condenser concept enables the production of methyl chloride with a high purity of 99%.

Utilization of steelmaking waste materials for production of calcium carbonate (CaCO3)

The steel industry produces, besides steel, also solid mineral by-products or slags, while it emits large quantities of carbon dioxide (CO2). Slags consist of various silicates and oxides which are formed in chemical reactions between the iron ore and the fluxing agents during the high temperature processing at the steel plant. Currently, these materials are recycled in the ironmaking processes, used as aggregates in construction, or landfilled as waste. The utilization rate of the steel slags can be increased by selectively extracting components from the mineral matrix. As an example, aqueous solutions of ammonium salts such as ammonium acetate, chloride and nitrate extract calcium quite selectively already at ambient temperature and pressure conditions. After the residual solids have been separated from the solution, calcium carbonate can be precipitated by feeding a CO2 flow through the solution. Precipitated calcium carbonate (PCC) is used in different applications as a filler material. Its largest consumer is the papermaking industry, which utilizes PCC because it enhances the optical properties of paper at a relatively low cost. Traditionally, PCC is manufactured from limestone, which is first calcined to calcium oxide, then slaked with water to calcium hydroxide and finally carbonated to PCC. This process emits large amounts of CO2, mainly because of the energy-intensive calcination step. This thesis presents research work on the scale-up of the above-mentioned ammonium salt based calcium extraction and carbonation method, named Slag2PCC. Extending the scope of the earlier studies, it is now shown that the parameters which mainly affect the calcium utilization efficiency are the solid-to-liquid ratio of steel slag and the ammonium salt solvent solution during extraction, the mean diameter of the slag particles, and the slag composition, especially the fractions of total calcium, silicon, vanadium and iron as well as the fraction of free calcium oxide. Regarding extraction kinetics, slag particle size, solid-to-liquid ratio and molar concentration of the solvent solution have the largest effect on the reaction rate. Solvent solution concentrations above 1 mol/L NH4Cl cause leaching of other elements besides calcium. Some of these such as iron and manganese result in solution coloring, which can be disadvantageous for the quality of the PCC product. Based on chemical composition analysis of the produced PCC samples, however, the product quality is mainly similar as in commercial products. Increasing the novelty of the work, other important parameters related to assessment of the PCC quality, such as particle size distribution and crystal morphology are studied as well. As in traditional PCC precipitation process, the ratio of calcium and carbonate ions controls the particle shape; a higher value for [Ca2+]/[CO32-] prefers precipitation of calcite polymorph, while vaterite forms when carbon species are present in excess. The third main polymorph, aragonite, is only formed at elevated temperatures, above 40-50 °C. In general, longer precipitation times cause transformation of vaterite to calcite or aragonite, but also result in particle agglomeration. The chemical equilibrium of ammonium and calcium ions and dissolved ammonia controlling the solution pH affects the particle sizes, too. Initial pH of 12-13 during the carbonation favors nonagglomerated particles with a diameter of 1 μm and smaller, while pH values of 9-10 generate more agglomerates of 10-20 μm. As a part of the research work, these findings are implemented in demonstrationscale experimental process setups. For the first time, the Slag2PCC technology is tested in scale of ~70 liters instead of laboratory scale only. Additionally, design of a setup of several hundreds of liters is discussed. For these purposes various process units such as inclined settlers and filters for solids separation, pumps and stirrers for material transfer and mixing as well as gas feeding equipment are dimensioned and developed. Overall emissions reduction of the current industrial processes and good product quality as the main targets, based on the performed partial life cycle assessment (LCA), it is most beneficial to utilize low concentration ammonium salt solutions for the Slag2PCC process. In this manner the post-treatment of the products does not require extensive use of washing and drying equipment, otherwise increasing the CO2 emissions of the process. The low solvent concentration Slag2PCC process causes negative CO2 emissions; thus, it can be seen as a carbon capture and utilization (CCU) method, which actually reduces the anthropogenic CO2 emissions compared to the alternative of not using the technology. Even if the amount of steel slag is too small for any substantial mitigation of global warming, the process can have both financial and environmental significance for individual steel manufacturers as a means to reduce the amounts of emitted CO2 and landfilled steel slag. Alternatively, it is possible to introduce the carbon dioxide directly into the mixture of steel slag and ammonium salt solution. The process would generate a 60-75% pure calcium carbonate mixture, the remaining 25-40% consisting of the residual steel slag. This calcium-rich material could be re-used in ironmaking as a fluxing agent instead of natural limestone. Even though this process option would require less process equipment compared to the Slag2PCC process, it still needs further studies regarding the practical usefulness of the products. Nevertheless, compared to several other CO2 emission reduction methods studied around the world, the within this thesis developed and studied processes have the advantage of existing markets for the produced materials, thus giving also a financial incentive for applying the technology in practice.

Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa

Kandidaatintyön tavoitteena on kartoittaa merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon, keittämöön sekä kuivauskoneeseen. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen odotetaan pysyvän tavanomaista sulfaattiprosessia vastaavalla tasolla. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Enhancing the Usability of Drug Materials by Electrostatic Atomisation

Electrospraying or electrostatic atomisation is a process of liquid disruption by electrostatic forces. When liquid is brought into an electric field, charge is induced to its surface. Once the repulsive electrostatic force exceeds the liquid surface tension, the liquid disrupts into small highly charged droplets. The size of the electrosprayed droplets can range from hundreds of micrometers down to a few tens of nanometers. Electrospraying can be used not only to produce droplets, but also solid particles. The research presented in this thesis concentrates on producing drug particles by this method. In the experiments, a drug powder was dissolved in a convenient solvent and the solution was atomised. The solvent was then evaporated from the formed droplets in a drying medium and inside each droplet, a dense cluster of the dissolved drug remained. From the pharmaceutical point of view, the most important characteristics of the produced particles are size distribution, porosity, crystal form and degree of crystallinity. These properties affect the dissolution behaviour and ultimately the drug bioavailability in the body. The effects of electrostatic atomization on the aforementioned characteristics are generally not well understood. The research focused on studying these particle properties and finding possible correlations with the spraying parameters. The produced droplets were dried either under atmospheric or reduced pressure, the latter in order to improve the drying process. Special emphasis was put on implementing the spraying under reduced pressure, and the effects of the drying pressure on particle properties. Based on the results, the possibilities to enhance the dissolution of poorly soluble drugs by this method were estimated. In the course of experiments, it was also discovered that electrospraying may have a profound effect on the polymorphic form of the produced drug particles. In the light of the obtained results, it was concluded that electrospraying may offer a valuable tool to overcome some of the challenges met in modern drug development and formulation.

Functional cellulose microspheres for pharmaceutical applications

Dissolving cellulose is the first main step in preparing novel cellulosicmaterials. Since cellulosic fibres cannot be easily dissolved in water-based solvents, fibres were pretreated with ethanol-acid solution prior to the dissolution. Solubility and changes on the surface of the fibres were studied with microscopy and capillary viscometry. After the treatment, the cellulose fibres were soluble in alkaline urea-water solvent. The nature of this viscous solution was studied rheologically. Cellulose microspheres were prepared by extruding the alkaline cellulose solution through the needle into an acidic medium. By altering the temperature and acidity of the mediumit was possible to adjust the specific surface area and pore sizes of themicrospheres. A typical skin-core structure was found in all samples. Microspheres were oxidised in order to introduce anionic carboxylic acid groups (AGs). Anionic microspheres are more hydrophilic; their water-uptake increased 25 times after oxidation and they could swell almost to their original state (88%) after drying and shrinking. Swelling was studied in simulated physiological environments, corresponding to stomach acid and intestines (pH 1.2-7.4). Oxidised microspheres were used as a drug carriers. They demonstrated a highmass uniformity, which would enable their use for personalised dosing among different patients, including children. The drug was solidified in microspheres in amorphous form. This enhanced solubility and could be used for more challenging drugs with poor solubility. The pores of themicrospheres also remained open after the drug was loaded and they were dried. Regardless of the swelling, the drug was released at a constant rate in all environments.

Superkondensaattoreiden valmistus selluloosageeleistä ja hiilimustasta

Tässä työssä tavoitteena oli selvittää selluloosageelien soveltuvuutta superkondensaattorien elektrodimateriaaliksi. Superkondensaattoreiden elektrodit valmistetaan yleensä hyvin huokoisesta hiilimateriaalista. Näin ollen selluloosageeliin joukkoon sekoitettiin sähkönjohtavuutta parantamaan hiilimustaa. Kirjallisessa osassa keskityttiin superkondensaattorin toimintaperiaatteeseen, rakenteeseen ja yleisimmin käytössä oleviin elektrodimateriaaleihin. Yksityiskohtaisemmin paneuduttiin selluloosan käyttöön superkondensaattorien rakennemateriaalina. Kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia selluloosageelejä ja tämän jälkeen elektrodeja hiilimusta-selluloosageeli-seoksesta. Eri sekoitustapojen vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin tarkasteltiin sekoittamalla hiilimustaa selluloosageeliin kahdella eri tavalla; korkeapainehajottajalla ja sekoittimella. Tämän lisäksi selvitettiin myös eri kuivaustapojen ja kuivauslämpötilojen vaikutusta elektrodiarkkien ominaisuuksiin. Arkkien sähköiset ominaisuudet määritettiin syklistä voltammetriaa (SV) käyttäen. Saavutetut tulokset osoittivat, että selluloosageelin valmistus on yksi kriittisimmistä kohdista elektrodimateriaalin valmistuksessa. Riittävä entsyymikäsittely vaaditaan, jotta saadaan muodostettua sopiva geeli, johon hiilimusta-partikkelit saadaan takertumaan. Hiilimustan sekoitustavalla sekä elektrodiarkin kuivauslämpötilalla ja – tavalla on myös suuresti vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin.

Viilun kuivauksen energiatehokkuuden parantaminen

Tämän työn tavoitteena on parantaa viilun kuivauksen energiatehokkuutta. Työssä käsitellään puun rakennetta kuivauksen kannalta, kuivumiseen liittyviä lämmönja massansiirron ilmiöitä ja nykyisiä viilun kuivaus koneita. Viilun kuivaamisen energiansäästö mahdollisuuksissa keskitytään pääasiassa kuivaajan lämmön talteenottoon ja kiertopuhaltimien sähkötehon pienentämiseen. Työn tulosten perusteella viilun kuivauksen energiatehokkuutta voidaan parantaa huomattavasti.

Hygro-elasto-plastic behavior of planar orthotropic material

The mechanical and hygroscopic properties of paper and board are factors affecting the whole lifecycle of a product, including paper/board quality, production, converting, and material and energy savings. The progress of shrinkage profiles, loose edges of web, baggy web causing wrinkling and misregistration in printing are examples of factors affecting runnability and end product quality in the drying section and converting processes, where paper or board is treated as a moving web. The structural properties and internal stresses or plastic strain differences built up during production also cause the end-product defects related to distortion of the shape of the product such as sheet or box. The objective of this work was to construct a model capable of capturing the characteristic behavior of hygroscopic orthotropic material under moisture change, during different external in-plane stretch or stress conditions. Two independent experimental models were constructed: the elasto-plastic material model and the hygroexpansivity-shrinkage model. Both describe the structural properties of the sheet with a fiber orientation probability distribution, and both are functions of the dry solids content and fiber orientation anisotropy index. The anisotropy index, introduced in this work, simplifies the procedure of determining the constitutive parameters of the material model and the hygroexpansion coefficients in different in-plane directions of the orthotropic sheet. The mathematically consistent elasto-plastic material model and the dry solids content dependent hygroexpansivity have been constructed over the entire range from wet to dry. The presented elastoplastic and hygroexpansivity-shrinkage models can be used in an analytical approach to estimate the plastic strain and shrinkage in simple one-dimensional cases. For studies of the combined and more complicated effects of hygro-elasto-plastic behavior, both models were implemented in a finite element program for a numerical solution. The finite element approach also offered possibilities for studying different structural variations of orthotropic planar material, as well as local buckling behavior and internal stress situations of the sheet or web generated by local strain differences. A comparison of the simulation examples presented in this work to results published earlier confirms that the hygro-elasto-plastic model provides at least qualitatively reasonable estimates. The application potential of the hygro-elasto-plastic model is versatile, including several phenomena and defects appearing in the drying, converting and end-use conditions of the paper or board webs and products, or in other corresponding complex planar materials.

Rankapuun ja -hakkeen laadun vaihtelu terminaalivarastoinnissa

Työssä tutkittiin polttoaineterminaalissa varastoitavan puupolttoaineen laadunmuutoksia. Tutkimuksessa tarkasteltiin hakettamattomien rankapuiden ja rankapuuhakkeen kosteuden ja lämpöarvon muutosta. Myös kuiva-ainetappiota tutkittiin aikaisempien tutkimusten perusteella. Tutkimusaineisto kerättiin Etelä-Savon Energian polttoaineterminaaleista. Kosteus-pitoisuuksia mitattiin Hydromette M2050 -pikakosteusmittarilla ja uunikuivaus-menetelmällä standardin SFS-EN 14774 mukaisesti. Tutkimuksessa huomattiin pikakosteusmittarin toimivan riittävän luotettavalla tasolla rankapuiden mittauksissa, mutta hakkeen mittauksissa mittari osoittautui toimimattomaksi. Varastointiaika ei vaikuttanut polttoaineiden lämpöarvoihin, mutta kosteuspitoisuus vaihteli suuresti. Tutkimustuloksista pääteltiin rangan kuivuvan terminaalivarastossa ja hakkeen kosteuden pysyvän vakiona. Energiasisällön puolesta rankapuuta voidaan varastoida yli 2 vuotta, mutta hakkeen varastointiaika tulisi pitää mahdollisimman lyhyenä.

Ohuiden päällystyskerrosten applikointi puukuitupohjaisille materiaaleille

Työn aiheena oli tutkia vaahdon soveltuvuutta ohuiden päällystyskerrosten applikointiin paperin tai kartongin pinnalle. Paperia ja kartonkia päällystetään teollisessa mittakaavassa eri menetelmillä, mutta niille kaikille yhteistä on päällystyspastan laimentaminen vedellä ennen applikointia ja laimennusveden haihduttaminen applikoinnin jälkeen päällysteen asettamiseksi. Laimennus on tärkeää pastan komponenttien tasaisen levittämisen vuoksi, mutta veden haihduttaminen kuluttaa valtavasti energiaa. Tekstiiliteollisuudessa on saavutettu merkittäviä säästöjä kuivausenergiassa korvaamalla laajalti vedellä laimentaminen vaahdottamisella. Diplomityön kirjallisessa osassa käytiin läpi vaahdon kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä selvitettiin mitä kemikaaleja ja laitteita vaahdotukseen käytetään. Lisäksi luotiin katsaus vaahtoprosessien käyttöön tekstiiliteollisuudessa ja muilla aloilla. Kokeellinen osa koostui esikokeista, joissa selvitettiin pastan koostumuksen vaikutuksia vaahtoamiseen, ja pilot-mittakaavan koeajoista, joissa esikokeiden tuloksia hyödynnettiin. Esikokeissa huomiota kiinnitettiin varsinkin eri polyvinyylialkoholien (PVA) seosten erinomaiseen vaahtoavuuteen. Pilot-koeajoissa vaahtopäällystys vaikutti lupaavalta menetelmältä, joskaan täysin tyydyttävää päällystystulosta ei saavutettu. Suurimpana ongelmana esiintyi ilman pääseminen pohjapaperin ja päällysteen väliin ja siitä seuraava huono päällystejälki. Toisen ongelmakokonaisuuden muodostivat päällysteeseen jäävät reiät. Vaahtopäällystys vaikuttaa lupaavalta tekniikalta ohuiden päällystekerrosten applikointiin, mutta pastareseptejä tulee optimoida ja ratkaista päällysteen alle pääsevän ilman ongelma.

Paperikoneen kuivatusosan olosuhteiden vaikutus viiranjohtotelojen vaipan materiaalin ja pinnoitteen valintaan korroosiovaurion ehkäisemiseksi

Diplomityön tavoitteena on löytää UPM Kymin paperikone 8:n ensimmäisen kuivatusryhmän johtoteloihin kulumis- ja korroosiokestävämpi materiaali ja pinnoite vallitsevaan olosuhteeseen. Teloihin muodostuu pistemäistä korroosiota ja korroosioalue on paikallinen. Korroosiota syntyy kuivatusviiran alueella, jossa ei ole paperirainaa. Työssä suoritetaan kuivatusosan olosuhdemittauksia ja tutkitaan niiden vaikutuksia korroosion muodostumiseen. Suoritettavat olosuhdemittaukset ovat huuvan ilmatase, paineen 0-taso sekä lämpötilat ja kosteudet eri huuvan osissa. Savukaasumittauksen avulla tutkitaan huuvan ilmankiertoa ensimmäisen kuivatusryhmän viiranjohtotelojen läheisyydessä. Kuivatusviiran ilmanläpäisymittauksen avulla saadaan tietoa viiran ilmanläpäisykyvystä. Hypoteesina viiran tukkeutuminen johtuu pölyävästä kuivaus-prosessista ja kosteudesta. SEM/EDS-alkuainemittauksen avulla pystytään analysoimaan korrosiivisia alkuaineita niin korroosioalueella kuin ympäristössä. Työn tutkimuksen perusteella korroosion muodostuminen aiheutuu tukkeutuneen viiran muodostamasta happipitoisuuseroalueesta. Viiran saostumat sisältävät korrosiivisia kemikaaleja, kuten kloridia, rikkiä ja mangaania. Nämä kiihdyttävät korroosiota happipuutosalueella. Huuvan olosuhdemittauksien perusteella huuvan paineen 0-taso on vino. Savukaasu- ja kosteusmittauksien avulla huomattiin kostean ilman jäävän telojen läheisyyteen. Työssä kehitettiin paineilmapuhdistin viiran reuna-alueen puhdistamiseen. Kaavattaviin telapositioihin valittiin kobolttikromiseostettu volframikarbidipinnoite PTFE -fluoripolymeeritiivistyksellä. Muihin telapositioihin valittiin ETFE –fluori-polymeeripinnoite korroosion ehkäisemiseksi. Pinnoitteiden ja paineilmapuhdistimen avulla telojen käyttöaika nousee nykyisestä kahdesta vuodesta tavoiteltuun 10 vuoteen.