Pinnoiteteollisuudessa syntyvien maalijätteiden hyötykäyttö ja uudet liiketoimintamahdollisuudet

Tämän diplomityön tavoite on kartoittaa maalien ja lakkojen valmistuksessa syntyvien sivuvirtojen hyötykäyttöä ja hyötykäyttöpotentiaalia nykyisellään. Työn tarkoitus on toimia esiselvityksenä pinnoiteteollisuuden sivuvirtojen hyötykäyttöön liittyvien liiketoimintamahdollisuuksien syvemmälle analyysille. Teollisuuden sivuvirtoihin liittyvää tietoa kerätään tilastoista ja olemassa olevista raporteista sekä haastattelemalla teollisuus- ja palveluyritysten edustajia sekä alan asiantuntijoita. Sivuvirtojen teknisten hyötykäyttömahdollisuuksien ja liiketoiminnallisten mahdollisuuksien tarkastelua varten järjestetään työpajoja asiantuntijoille Apila Group Oy Ab:n asiantuntijaverkostossa. Neljässä haastatellussa tuotantolaitoksissa syntyi vuonna 2008 yhteensä 6 662 tonnia kiinteää jätettä ja lietteitä. 68 % näistä sivuvirroista hyötykäytettiin energiana tai polttoaineen valmistuksessa. Materiaalina sivuvirtoja hyötykäytettiin 16 % sivuvirroista, pääasiassa pahvia, paperia, metalleja sekä tynnyreitä ja kontteja. Myös merkittävä osa liuottimista otettiin talteen uudelleenhyödyntämistä varten. Tässä diplomityössä hyötykäyttömahdollisuuksien tarkempaa tarkastelua varten valittiin tavanomaisiksi jätteiksi luokiteltuja maalisivuvirtoja, joita haastatelluissa tuotantolaitoksissa syntyi noin 1 500 tonnia. Maalisivuvirtojen tärkeimmät materiaaliominaisuudet liittyvät niiden sisältämiin täyte- ja sideaineisiin, jotka muodostavat merkittävän osan maalien koostumuksesta. Selvityksen mukaan nämä ominaisuudet voidaan ottaa hyötykäyttöön erilaisissa yhdistelmämateriaaleissa, esimerkiksi ekstruusiopuristetuissa tai ahtopuristetuissa muovikuitukomposiiteissa. Komposiittien raaka-aineena käytetään jo erilaisia sivuvirtoja ja lisäksi erilaisten komposiittien markkinoiden ennustetaan kasvavan. Tämä voi tarjota mahdollisuuksia uusille palvelu-, t&k- tai tuotteistusliiketoiminnoille. Kuivilla maalijätteillä on myös hyvä lämpöarvo, jolloin energiahyötykäytön ja palamisjäännöksen materiaalihyötykäytön yhdistäminen mm. keramiikka- tai sementtiteollisuudessa voi tarjota mahdollisuuksia uusille liiketoiminnoille.

Economy of converting wood to biocoal

The pre-treatment step has a significant influence on the performance of bioenergy chains, especially on logistics. In nowadays conditions it is important to have technologies allowing to convert biomass at modest scales into dense energy carriers that ease transportation and handling. There are such technologies as charring and torrefaction. It is a thermal treatment of organic waste (only woody biomass is considered as a raw material in this work), which aims to produce a fuel with increased energy density. Wood processing is attractive under meaning of green house gas emissions. Charring and torrefaction are promising technologies due to its high process efficiency. It may be also attractive in the future as a renewable fuel with improved storage properties, increased energy density (compared to raw wood) for co-combustion and/or gasification.

Assessment of Coals from Russia and Countries of Former Soviet Union for Utility Fluidized Bed Boilers

With the occurrence of fossil fuels such as oil, gas and coal we found new sources of energy that have played a critical role in the progress of our modern society. Coal is very ample compared to the other two fossil fuels. Global coal reserves at the end of 2005 were estimated at 847,5 billion tones. Along with the major energy sources, coal is the most fast growing fuel on a global basis, it provides 26% of primary energy needs and remains essential to the economies of many developed and developing countries. Coal-fired power generation accounts for 41% of the world‘s total electricity production and in some countries, such as South Africa, Poland, China, Australia, Kazakhstan and India is on very high level. Still, coal utilization represents challenges related to high emissions of air pollutants such as sulphur and nitrogen dioxides, particulate matter, mercury and carbon dioxide. In relation to these a number of technologies have been developed and are in marketable use, with further potential developments towards ―Near Zero Emission‖ coal plants. In present work, coals mined in Russia and countries of Former Soviet Union were reviewed. Distribution of coal reserves on the territory of Russia and the potential for power generation from coal-fired plants across Russia was shown. Physical and chemical properties of coals produced were listed and examined, as main factor influencing on design of the combustion facility and incineration process performance. The ash-related problems in coal-fired boilers were described. The analysis of coal ash of Russia and countries of Former Soviet Union were prepared. Feasible combustion technologies also were reviewed.

Polttomoottorivoimalan energiatehokkuuden parantaminen hukkalämpövirtojen sähköksi muunnolla

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

Model based study of a calcium oxide looping process for post-combustion carbon dioxide capture

Calcium oxide looping is a carbon dioxide sequestration technique that utilizes the partially reversible reaction between limestone and carbon dioxide in two interconnected fluidised beds, carbonator and calciner. Flue gases from a combustor are fed into the carbonator where calcium oxide reacts with carbon dioxide within the gases at a temperature of 650 ºC. Calcium oxide is transformed into calcium carbonate which is circulated into the regenerative calciner, where calcium carbonate is returned into calcium oxide and a stream of pure carbon dioxide at a higher temperature of 950 ºC. Calcium oxide looping has proved to have a low impact on the overall process efficiency and would be easily retrofitted into existing power plants. This master’s thesis is done in participation to an EU funded project CaOling as a part of the Lappeenranta University of Technology deliverable, reactor modelling and scale-up tools. Thesis concentrates in creating the first model frame and finding the physically relevant phenomena governing the process.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto haasteellisilla polttoaineilla

Maailman energian kulutuksen lisääntymisen ja ilmastonmuutoksen myötä energiantuotannossa joudutaan jatkuvasti sopeutumaan muuttuviin tilanteisiin ja haasteisiin. Polttoteknillisiä haasteita aiheuttavat pelto- ja kierrätyspolttoaineet ovat lisäämässä osuuttaan uusiutuvien polttoaineiden joukossa. Jotta kyseisiä haasteellisia polttoaineita pystytään hyödyntämään, täytyy niiden aiheuttamat ongelmat tuntea ja laitevalmistajien kehittää niiden hyödyntämiseen sopivaa tekniikkaa. Tässä diplomityössä käydään läpi tulevaisuudessa käytettävät polttoaineet, nykyiset päästörajat, kiinteiden polttoaineiden poltto- ja kaasutustekniikat sekä likaantumis-, kuonaantumis- ja korroosiomekanismit voimalaitoskattiloissa. Työssä tutkitaan, onko haasteellisten polttoaineiden käyttöön investoiminen järkevää ja mikä nykypäivän tekniikoista on kannattavin. Myös välitulistuksen, lauhdeperän ja apujäähdyttimen kannattavuuksia vertaillaan sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Tuloksiksi saatiin, että edullisten peltobiomassojen ja kierrätyspolttoaineiden käyttäminen, joko perinteisten polttoaineiden seassa tai pääpolttoaineena, on nykyhinnoilla perinteisiin polttoaineisiin verrattuna kannattavaa. Investoiminen kierrätyspolttoaineiden valmistuslaitteisiin maksimoi kierrätyspolttoaineista saatavaa hyötyä. Välitulistuksen todettiin soveltuvan huonosti vastapaineprosessiin, sillä siitä saatava sähköntuotannon lisäys on hyvin pieni. Lauhdeperän ja apujäähdyttimen vertailuissa huomattiin, että lauhdeperä on kannattava investointi, jos sähkön ja lämmön hintaero pysyy tarpeeksi suurena. Haasteellisilla polttoaineilla pystytään pienentämään kasvihuonepäästöjä ja korvaamaan fossiilisten polttoaineiden käyttöä.

Model development for circulating fluidized bed boiler operation

Comprehensive understanding of the heat transfer processes that take place during circulating fluidized bed (CFB) combustion is one of the most important issues in CFB technology development. This leads to possibility of predicting, evaluation and proper design of combustion and heat transfer mechanisms. The aim of this thesis is to develop a model for circulating fluidized bed boiler operation. Empirical correlations are used for determining heat transfer coefficients in each part of the furnace. The proposed model is used both in design and offdesign conditions. During off-design simulations fuel moisture content and boiler load effects on boiler operation have been investigated. In theoretical part of the thesis, fuel properties of most typical classes of biomass are widely reviewed. Various schemes of biomass utilization are presented and, especially, concerning circulating fluidized bed boilers. In addition, possible negative effects of biomass usage in boilers are briefly discussed.

A study on rate correlations of gasification reactions

Gasification offers an environmentally friendly alternative for conventional combustion enabling the use of low grade and troublesome fuel such as municipal waste. While combustion converts fuel directly into thermal energy and noxious gases, gasification thermally converts fuel into gas that can be used in multiple applications. The purpose of this work is to get to know the gasification as a phenomenon and examine the kinetics of gasification. The main interest is in the reaction rates of the most important gasification reactions - water-gas, Boudouard and shift reaction. Reaction rate correlations found in the scientific articles are examined in atmospheric pressure in different temperatures.

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.

Dieselsähköisen laivan pyörimisnopeussäädettyjen voimansiirtokonseptien mallinnus ja vertailu

Tässä työssä tutkitaan eri voimansiirtokonseptien vaikutusta referenssitapauksen polttomoottorivoimalaitoksen energiatehokkuuteen ja polttoaineenkulutukseen staattisessa tilan-teessa. Referenssitapaukseksi on valittu ulkomerellä toimiva huoltoalus. Työssä esitellään dieselsähköisen laivan voimansiirtokonseptien toteutusvaihtoehtoja ja luodaan katsaus valittuihin generaattoreihin sekä taajuusmuuttajiin. Voimansiirtokonseptien hankintahintaa arvioidaan saatujen hintatietojen ja aikaisempien tutkimusten avulla. Lisäksi konseptien energian- ja polttoaineenkulutusta arvioidaan vuositasolla staattisessa tilanteessa. Perinteiselle kiinteän pyörimisnopeuden toteutukselle löydettiin haastajia sekä konseptien kuluttaman energian, että polttoaineen kannalta tarkasteltuna. Lisäksi työssä muodostetaan referenssialusta vastaava yksinkertainen simulointimalli, jolla voidaan arvioida voimalaitoksen tehohäviöitä sekä polttoaineenkulutusta eri ajotavoilla. Simulointimallilla tutkitaan myös energiavaraston tuomia etuja lisäämällä energiavarasto malliin. Mallia simuloitiin paikoitusajossa ilman energiavarastoa, sekä sen kanssa. Energiavaraston avulla saavutettiin merkittävät polttoainesäästöt.

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.