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.

Jätteenpolton typenoksidipäästöjen vähentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää jätteenpolton typenoksidipäästöjen puhdistusmahdollisuuksia. Työssä käydään läpi typen oksidien muodostuminen poltossa ja typen oksidien poistomenetelmät. Poistomenetelmiä käsiteltäessä painotus on arinapoltossa ja erityisesti selektiivisessä ei-katalyyttimenetelmässä (SNCR). Työn kokeellinen osa tehtiin Ekokem Oy Ab:n jätevoimalassa Riihimäellä. Kokeellisessa osassa selvitettiin ensin ammoniakkiveden massavirran, SNCR-laitteiston veden massavirran ja räjähdysnuohouksen vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Samalla selvitettiin muita typenoksidipitoisuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä SNCR-laitteiston puhdistustehokkuus. Sen jälkeen selvitettiin parhaita toiminta-arvoja öljyisen veden massavirralle, SNCR-laitteiston massavirralle ja primääri- ja sekundääri-ilman suhteelle typenoksidipitoisuuden, ammoniakki-slip:n, ilokaasupitoisuuden, ammoniakkiveden kulutuksen ja höyryn tuotannon kannalta. Tulokseksi saatiin, että ammoniakkiveden massavirran lisääminen pienentää typenoksidipitoisuutta, mutta voi aiheuttaa ammoniakkipäästön. Paras SNCR-laitteiston veden massavirta on suurin tutkittu, 800 kg/h, jolloin typenoksidipitoisuus sekä typenoksidipitoisuuden hetkittäinen vaihtelu, ammoniakkiveden kulutus ja ammoniakkipäästö ovat pienimmät. Samalla tosin höyryn virtaama pienenee. SNCR-laitteiston puhdistustehokkuudeksi saatiin 60 %. Räjähdysnuohouksella ei ole havaittavaa, eikä öljyisen veden massavirralla merkittävää vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Ammoniakkiveden kulutuksen kannalta paras öljyisen veden määrä on 600 kg/h, kun taas ammoniakki-slip:n kannalta paras öljyisen veden määrä on 950 kg/h. Primääri-ilman osuuden pienentäminen pienentää ammoniakki-slip:iä ja ammoniakkiveden kulutusta.

Liiketoimintamahdollisuudet sähköisessä liikkumisessa

Tässä työssä tarkastellaan pk-yrityksen kohtaamaa monimutkaista ja alati muuttuvaa toimintaympäristöä. Ympäristöään tarkkailemalla yritys pystyy varautumaan ja vastaamaan muutoksiin nopeasti ja toimintakykyään heikentämättä. Työssä käydään läpi tapoja, joilla toimintaympäristöä ja tulevaisuudessa mahdollisti tapahtuvia muutoksia tarkkaillaan sekä miten yritys voi strategiallaan vaikuttaa omaan ketteryyteensä. Työssä tutustutaan myös sähköisen liikkumisen toimialaan ja siinä odotettavissa oleviin muutoksiin. Liikkumisen sähköistymiseen on useita syitä. Sähköenergiaa voidaan tuottaa kulloinkin parhaasta käytettävissä olevasta vaihtoehdosta, eikä liikenteen energian käyttö ole enää vain öljystä riippuvainen. Sähköajoneuvoja käytettäessä energian kulutus myös pienenee, sillä energiaketjun kokonaishyötysuhde paranee sähkömoottoreiden paremman hyötysuhteen ansiosta. Lisäksi sähköajoneuvot eivät tuota käytössä lainkaan paikallisia ilmapäästöjä ja niissä on polttomoottoreita huomattavasti alhaisempi melutaso. Palvelusektorilla on entistä merkittävämpi rooli yhteiskunnassa, sillä jopa kaksi kolmasosaa Euroopan työpaikoista ja bruttokansantuotteesta tulee erilaisista palveluista. Palvelut ovat enenevästi muodostumassa tuottavuuden ja kasvun tekijäksi, lisäksi se on ainoa osa-alue Euroopan taloudessa, jolla on onnistuttu luomaan uusia työpaikkoja kahden viime vuosikymmenen aikana. Elmotion Oy onkin tarttumassa vapaa-ajalla tapahtuvaan palveluliiketoimintaan. Työssä tutustutaan muutamiin vaihtoehtoihin, joissa yritys voi tuottaa mielenkiintoista ja hauskaa tekemistä ympäristömyönteisellä teknologialla.

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.

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.

Harvinaisten metallien talteenotto epäorgaanisista jätevirroista

Taloudellisesti tärkeiden metallien varannot ja tuotanto eivät ole jakautuneet tasaisesti. Maantieteelliset alueet, joilla ei ole omia varantoja ovat riippuvaisia muualta tuoduista raaka-aineista. Euroopan komissio ja USA:n energiaministeriö ovat luokitelleet tietyt metallit kriittisiksi niiden taloudellisen merkittävyyden ja saatavuuteen liittyvien epävarmuustekijöiden johdosta. Tällaisten metallien saatavuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa lisäämällä niiden talteenottoa jätteistä. Tutkimuksessa kartoitettiin Euroopan komission kriittiseksi luokittelemien metallien pitoisuuksia eräissä jätevirroissa. Kartoitetut jätteet olivat teollisissa poltto-prosesseissa syntyneitä polttojätteitä, prosessiteollisuuden jätesakkoja ja sähkö- ja elektroniikkajätteitä. Kartoituksen perusteella valittiin lupaavimmat jätteet ja suoritettiin niille talteenottokokeita. Talteenottokokeita suoritettiin kolmelle jätteelle. Yhdestä jätesakasta liuotettiin indiumia rikki- ja suolahapoilla. Kahden eri polttojätteen seoksesta liuotettiin galliumia rikkihapolla. Käytettyjen loisteputkien käsittelyprosessista peräisin olleesta sakasta liuotettiin maametalleja rikki- ja suolahapoilla sekä rikki- ja typpihapon seoksella. Indium liukeni heikosti (korkeintaan 25 %) huoneenlämmössä rikkihapolla. Suolahapolla se liukeni paremmin (68 %). Polttojätteen liuotuskokeissa galliumin talteenottoasteen todettiin riippuvan käytetyn liuottimen määrästä. Loisteputkijätesakasta liukeni yttriumia ja europiumia kaikilla käytetyillä happoliuoksilla noin 70–100 %. Käytetyillä happokonsentraatioilla ei havaittu suuria eroja yttriumin ja europiumin liukoisuuksissa. Näitä metalleja voitaisiin mahdollisesti ottaa talteen tämän tyyppisestä sakasta liuottamalla ne happoliuoksella ja saostamalla oksalaattina. Tarvittaessa liuokset voitaisiin puhdistaa tai metallit erottaa toisistaan neste–nesteuutolla, joka on tärkein maametallien tuotantoon käytetty hydrometallurginen menetelmä.

Modeling study of limestone reactions in fluidized bed conditions

Traditionally limestone has been used for the flue gas desulfurization in fluidized bed combustion. Recently, several studies have been carried out to examine the use of limestone in applications which enable the removal of carbon dioxide from the combustion gases, such as calcium looping technology and oxy-fuel combustion. In these processes interlinked limestone reactions occur but the reaction mechanisms and kinetics are not yet fully understood. To examine these phenomena, analytical and numerical models have been created. In this work, the limestone reactions were studied with aid of one-dimensional numerical particle model. The model describes a single limestone particle in the process as a function of time, the progress of the reactions and the mass and energy transfer in the particle. The model-based results were compared with experimental laboratory scale BFB results. It was observed that by increasing the temperature from 850 °C to 950 °C the calcination was enhanced but the sulfate conversion was no more improved. A higher sulfur dioxide concentration accelerated the sulfation reaction and based on the modeling, the sulfation is first order with respect to SO2. The reaction order of O2 seems to become zero at high oxygen concentrations.

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.

Herätys aikaan

Kirjallisuusarvostelu

Lämmön- ja aineensiirto hiilipartikkelin palamisessa

Tässä tutkimusraportissa käsitellään yksittäisen hiilipartikkelin palamisen teoriaa. Tutkimusraportissa tullaan esittelemään palamisen kannalta olennaiset ilmiöt kuten lämmön- ja aineensiirto sekä palamiseen liittyvät reaktiot ja palamisen vaiheet. Lisäksi tarkastellaan eri aineominaisuuksien riippuvuutta eri parametreista. Käsitellyn teorian pohjalta luodaan palamista kuvaava malli, jonka avulla kuvataan aineensiirtoa ja lämpötilajakaumaa yksittäisessä partikkelissa. Tavoitteena on mallin avulla tarkastella partikkelikoon vaikutusta yllä esitettyihin ilmiöihin.

Biopolttoaineen rinnakkaispolton kannattavuustarkastelu hiilipölypolttokattilassa Martinlaakso 2:ssa

Euroopan unionin asettamat tavoitteet kasvihuonepäästöjen vähennykselle johtavat vih-reämpään teknologiaan. Tämä diplomityö on teoreettinen tutkimus, joka käsittelee biopolt-toaineen rinnakkaispolton kannattavuutta Vantaan Energian Martinlaakso 2:sen hiilipöly-polttokattilassa. Työssä perehdytään viiteen eri biopolttoainevaihtoehtoon, joita tarkastellaan viidessä eri skenaariossa, jotka vastaavat: 10, 20, 30, 40 ja 50 % biopolttoaineen osuutta kattilassa tuo-tetusta energiasta. Skenaarioissa on pohdittu tarvittavia investointikustannuksia ja muutos-töitä hiilipölypolttokattilassa. Tutkimuksessa on huomioitu myös uusi isojen laitosten pääs-töjä koskeva direktiivi, kattilan oletettava käyttöikä sekä biopolttoaineiden tuet. Saaduista arvioista on lopuksi laskettu vuosittainen polttoainekohtainen kustannusarvio ja investoin-nin kannattavuusarvio. Tuloksista voidaan päätellä, että sahanpurun mahdollisimman suuri hyötykäyttö on kannat-tavaa. Mikäli halutaan käyttää suuria määriä biopolttoainetta, (yli 20 % tuotetusta energias-ta) ei sahanpuru ole varteenotettava vaihtoehto huonon saatavuutensa johdosta. Tällöin hakkeen kaasutuslaitos olisi paras ratkaisu, mutta laitoksen kannattavuus riippuu tulevista energiatuista. Ilman energiatukia sahanpurun hyötykäyttö on ainoa kannattava investointi.

Puun ja turpeen seospolton vaikutus tuhkan hyötykäyttökohteisiin

Työn tavoitteena oli selvittää puun ja turpeen seospolton vaikutukset tuhkien hyötykäyttökohteiden valintaan laitoksella tehtävien koeajojen ja kustannus- sekä SWOT-analyysien avulla. Lisäksi tavoitteena oli selvittää lainsäädännön vaikutukset tuhkien hyötykäyttöön. Kustannusanalyysissä tarkasteltiin tuhkien hyödyntämisen nykytilan lisäksi rakeistuslaitosinvestointia ja selvitettiin eri hyötykäyttövaihtoehtojen etuja ja haittoja. Lainsäädäntö vaikuttaa oleellisesti tuhkien hyötykäyttöön. Hyötykäyttöä säädellään sekä kansallisella että EU-tasolta tulevalla lainsäädännöllä. Ympäristölainsäädännön ja etenkin jätelainsäädännön kokonaisuudistuksen myötä myös hyötykäyttöä koskevat lainsäädäntö uudistui. Energiantuotannon tuhkat tulivat jäteverolain piiriin ja lannoiteasetuksenuudistuksella pyrittiin helpottamaan tuhkien lannoitekäyttöä. Myös jäteluokittelu ja sen päättyminen tuhkien osalta vaikuttaa olennaisesti tuhkien käsittelymenetelmien ja hyödyntämisen kannattavuuteen. Jäteluokituksen päättyminen voi viedä tuhkat kemikaalilainsäädännön piiriin. Kustannus- ja SWOT-analyysissä selvitettiin tuhkien hyödyntämisen kannalta keskeiset kustannustekijät. Rakeistuslaitosinvestoinnissa huomioitiin erilaiset tuhkien käsittelymäärät ja niiden vaikutukset kustannuksiin ja investoinnin kannattavuuteen. SWOT-analyysin avulla selvitettiin hyödyntämisen vahvuudet, heikkoudet, mahdollisuudet ja uhkatekijät. Polttoainesuhteella ei ollut poissulkevaa vaikutusta tuhkien hyötykäyttövalintaan. Lentotuhkat soveltuivat parhaiten lannoitehyötykäyttöön ja pohjatuhkat maarakennushyötykäyttöön. Rakeistuslaitosinvestointi olisi kannattava etenkin suuremmilla tuhkamäärillä.

Eväitä ja ideoita matkailun visuaaliseen tutkimukseen

Kirjallisuusarvostelu

Arinakattilalaitoksen polttoainekäytön tarkastelu

Tässä diplomityössä on tutustuttu Lahti Energia Oy:n Heinolan voimalaitoksen energiantuotantoon. Heinolan voimalaitos on vanha, mutta sen pääkattilana toimiva arinakattila on uusittu 2004. Voimalaitoksen toimintaa halutaan kehittää nykyaikaisemmaksi ja energiatehokkaammaksi. Voimalaitoksella on nykyään kolme asiakasta, joista uusin on liittynyt höyryverkkoon vuonna 2011. Työssä on tutkittu miten voimalaitoksen polttoaineiden käyttö muuttuu uuden asiakkaan myötä. Diplomityön teoriaosassa on keskitytty antamaan tietoa erilaisista polttoaineista sekä arinapolttamisesta polttotekniikkana. Työssä on laskettu voimalaitoksen asiakkaiden käyttämä energiavuositasolla, voimalaitoksen kattilahyötysuhde, prosessihyötysuhde ja niiden avulla laitoksen tarvitsema polttoaine-energia vuodessa. Laskelmat antavat hyvän yleisen kuvan voimalaitoksen käytöstä tällä hetkellä. Käyttöennusteen avulla voidaan arvioida myös laitoksen taloudellista tilaa polttoaineseoksen näkökulmasta.