Transformation of carbon dioxide to diethyl carbonate over ceria and ceria-supported catalysts

Carbon dioxide is regarded, nowadays, as a primary anthropogenic greenhouse gas leading to global warming. Hence, chemical fixation of CO2 has attracted much attention as a possible way to manufacture useful chemicals. One of the most interesting approaches of CO2 transformations is the synthesis of organic carbonates. Since conventional production technologies of these compounds involve poisonous phosgene and carbon monoxide, there is a need to develop novel synthetic methods that would better match the principles of "Green Chemistry" towards protection of the environment and human health. Over the years, synthesis of dimethyl carbonate was under intensive investigation in the academia and industry. Therefore, this study was entirely directed towards equally important homologue of carbonic esters family namely diethyl carbonate (DEC). Novel synthesis method of DEC starting from ethanol and CO2 over heterogeneous catalysts based on ceria (CeO2) was studied in the batch reactor. However, the plausible drawback of the reaction is thermodynamic limitations. The calculated values revealed that the reaction is exothermic (ΔrHØ298K = ─ 16.6 J/ ) and does not occur spontaneously at rooms temperature (ΔrGØ 298K = 35.85 kJ/mol). Moreover, co-produced water easily shifts the reaction equilibrium towards reactants excluding achievement of high yields of the carbonate. Therefore, in-situ dehydration has been applied using butylene oxide as a chemical water trap. A 9-fold enhancement in the amount of DEC was observed upon introduction of butylene oxide to the reaction media in comparison to the synthetic method without any water removal. This result confirms that reaction equilibrium was shifted in favour of the desired product and thermodynamic boundaries of the reaction were suppressed by using butylene oxide as a water scavenger. In order to obtain insight into the reaction network, the kinetic experiments were performed over commercial cerium oxide. On the basis of the selectivity/conversion profile it could be concluded that the one-pot synthesis of diethyl carbonate from ethanol, CO2 and butylene oxide occurs via a consecutive route involving cyclic carbonate as an intermediate. Since commercial cerium oxide suffers from the deactivation problems already after first reaction cycle, in-house CeO2 was prepared applying room temperature precipitation technique. Variation of the synthesis parameters such as synthesis time, calcination temperature and pH of the reaction solution turned to have considerable influence on the physico-chemical and catalytic properties of CeO2. The increase of the synthesis time resulted in high specific surface area of cerium oxide and catalyst prepared within 50 h exhibited the highest amount of basic sites on its surface. Furthermore, synthesis under pH 11 yielded cerium oxide with the highest specific surface area, 139 m2/g, among all prepared catalysts. Moreover, CeO2─pH11 catalyst demonstrated the best catalytic activity and 2 mmol of DEC was produced at 180 oC and 9 MPa of the final reaction pressure. In addition, ceria-supported onto high specific surface area silicas MCM-41, SBA-15 and silica gel were synthesized and tested for the first time as catalysts in the synthesis of DEC. Deposition of cerium oxide on MCM-41 and SiO2 supports resulted in a substantial increase of the alkalinity of the carrier materials. Hexagonal SBA-15 modified with 20 wt % of ceria exhibited the second highest basicity in the series of supported catalysts. Evaluation of the catalytic activity of ceria-supported catalysts showed that reaction carried out over 20 wt % CeO2-SBA-15 generated the highest amount of DEC.

Pysäköintihallien pakokaasupäästöjen mittaaminen ja ilmanvaihdon ohj

Henkilöautojen pakokaasut sisältävät satoja eri yhdisteitä, joista monet ovat ihmisen terveydelle haitallisia. Pysäköintihallien ilmanlaatua on tähän asti mitattu pääasiassa hiilimonoksidiantureilla, jolloin ilmanvaihtokoneita on voitu käyttää tarvepohjaisesti. Parantunut pakokaasujen puhdistustekniikka on vähentänyt perinteisesti haitallisimmaksi koettujen hiilimonoksidin ja typenoksidien määräpakokaasuissa. Tästä johtuen hiilidioksidin määrä pysäköintihallissa voi kohota haitalliselle tasolle ennen kuin hiilimonoksidianturit reagoivat tilanteeseen. Tässä diplomityössä tarkasteltiin pysäköintihallien ilmanlaatua ja hiilidioksidiantureiden edellytyksiä toimia ilmanvaihdon ohjauksessa. Hiilimonoksidi- ja hiilidioksidipitoisuuksia mitattiin Kampin ja Koskikeskuksen pysäköintihalleissa. Tuloksissa esitetään hiilimonoksidin ja hiilidioksidin riippuvuus ilmanvaihdon tehosta ja pysäköintihallin liikenteen määrästä. Johtopäätöksissä on kuvattu ehdotus hiilidioksidiantureiden käytöstä pysäköintihallien ilmanvaihdon ohjauksessa.

Synteesikaasun liukoisuus ja aineensiirto fermentointiliuokseen

Työssä tutkittiin synteesikaasun komponenttien: hiilimonoksidin, vedyn ja hiilidioksidin liukoisuutta ja aineensiirtonopeutta fermentointiliuokseen. Kirjallisuusosassa käsitellään kaasujen liukoisuuksiin ja kaasu-nesteaineensiirtoon vaikuttavia tekijöitä ja esitellään korrelaatioita, jotka on kehitetty volumetrisen aineensiirtokertoimen ennustamiseen sekoitetussa fermentorissa. Kirjallisuus-osassa esitetään myös synteesikaasun komponenttien liukoisuudet veteen, etanoliin ja etikkahappoon 37 ºC lämpötilassa ja esitellään Flowbat-simulointiohjelman MHV2-mallin käyttöä kaasu-neste tasapainojen mallin-nuksessa. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin synteesikaasun komponenttien liukoisuuksia veteen ja kasvatusalustaan sekä kehitettiin mittausmenetelmä kaasu-neste tasapainojen mittaukseen. Tasapainomittauksissa tutkittiin etanolin ja etikkahapon konsentraatioiden vaikutusta synteesikaasun liukoisuuteen. Lisäksi mallinnettiin kaasu-neste tasapainoja monikomponenttisysteemeissä MHV2-mallin avulla. Kokeellisen osan aineensiirtomittauksissa tutkittiin sekoitusnopeuden ja kaasun volumetrisen syöttönopeuden vaikutusta hiilimonoksidin ja vedyn volumetriseen aineensiirtokertoimeen kLa kahden litran tilavuuksisessa laboratoriofermentorissa. Mittaustulosten perusteella kasvatusalustan komponentit vaikuttavat merkittävästi hiilidioksidin liukoisuuteen. Lisäys etanolin ja etikkahapon konsentraatioissa parantaa hiilimonoksidin liukoisuutta kasvatusalustaan. Kaasun volumetrinen syöttönopeus ja sekoitusnopeus vaikuttavat voimakkaasti volumetrisen aineensiirtokertoimen arvoon. Tutkitussa systeemissä korkein teoreettinen solutiheys, joka voitiin saavuttaa suurimmalla hiilimonoksidin aineensiirto-nopeudella, oli 3 g/L. Tämä on kaksinkertainen verrattuna aiemmissa VTT:n kokeissa saavutettuihin solutiheyksiin.

The tightness performance of pre-formed trays as package

Suojakaasupakkaaminen (MAP) on yleistynyt viime aikoina, koska sen avulla voidaan säilöä tuoreita tai vähän käsiteltyjä elintarvikkeita pidempään. Suurin syy hyllyiän pidentymiseen on hiilidioksidin aiheuttama mikrobien kasvun hidastuminen. Toisaalta huolena on patogeenisten mikrobien lisääntyminen anaerobisissa olosuhteissa. Pidempi säilyvyys voidaan saavuttaa myös käyttämällä vähemmän lisä- ja säilöntäaineita. Samalla suojakaasupakkaaminen kuitenkin vähentää myös pilaantuneiden tuotteiden määrää. Eniten suojakaasua käytetään lihan pakkaamisessa. Suojakaasupakkaamisessa elintarvikepakkaukseen syötetään normaalista huoneilmasta poikkeava kaasuseos. Pääasiassa kaasuseos koostuu hiilidioksidista, hapesta ja typestä. Lisäksi voidaan käyttää pieniä määriä hiilimonoksidia, argonia ja rikkidioksidia. Kaasuseoksen koostumus määräytyy elintarvikkeiden ominaisuuksien ja vaatimusten perusteella. Halutun kaasukoostumuksen tulee säilyä pakkauksessa muutamasta päivästä muutamaan kuukauteen riippuen elintarvikkeesta. Siksi tärkein pakkaukselta vaadittava ominaisuus on riittävä kaasutiiveys ja erityisesti hapenläpäisevyys. Koska suurin osa suojakaasupakkauksista on tällä hetkellä muovisia, tutkittiin kokeellisessa osiossa kartonkipakkausten tiiveysominaisuuksia. Kokeet tehtiin vertailemalla erilaisten vuoka- ja kansimateriaalien vaikutusta pakkausten tiiveyteen. Vuokien onnistuminen oli suurin yksittäinen tuloksiin vaikuttanut tekijä. Epäonnistuneen vuoan vaikutukset näkyivät myös saumauksessa, koska saumaustyökalun ja vuoan piti sopia yhteen. Lisäksi näkymättömät mikroreiät hankaloittivat todellisten vuotokohtien paikallistamista. Vuototestausten perusteella materiaaleille löydettiin kuitenkin viitteelliset optimiparametrit. Tärkein saumauksessa vaikuttanut tekijä oli sopivan saumauslämpötilan valinta. Prässättyjen vuokien laatu oli epätasainen. Siksi erityisesti rinnakkaisten kansitus- ja hapenläpäisymittausten väliset erot olivat merkitseviä. Lisäksi prässäys laski materiaalien hapenläpäisyominaisuuksia. Yksittäisten vuokien tiiveysominaisuudet täyttivät kuitenkin kaupallisille kaasupakkauksille asetetut vaatimukset. Vesihöyrynläpäisevyydessä materiaalin vesihöyrynläpäisy oli merkittävämpää kuin vesihöyryn kulkeutuminen vuotokohtien tai epäonnistuneiden saumojen kautta.

Levyteollisuuden energia-, kustannus- ja ympäristövaikutukset

Kuluvien vuosien aikana ei ole tehty kattavia tutkimuksia levyteollisuuden sähkönkulutuksista, joten on aika selvittää suurimpien sähkökäyttöjen kulutukset sekä muodostaa tutkittaville tehtaille energiataseet. Tutkittavia tehtaita ovat OSB- ja lastulevytehtaat. Yksittäisten sähkömoottoreiden kulutukset saadaan selville käyttämällä hyväksi teoreettisia lähteitä, kenttä-ja laboratoriotutkimusta. Ympäristölainsäädäntö ja siihen kiinteästi liittyvä lupakäytäntö muodostavat levyteollisuudelle yhden viimeaikojen suurimmista haasteista. Tulevaisuudessa lainsäädäntö tulee vielä entisestäänkin kiristymään. Euroopan ympäristölainsäädäntö perustuu pitkälti yhtenäislupadirektiiviin eli IPPC-direktiiviin. Direktiivin keskeinen osa on ympäristöluvan hankkiminen, koska teollista toimintaa ei voi harjoittaa ilman hyväksyttyä viranomaisen lupaa. Lupa myös velvoittaa toiminnanharjoittajan käyttämään parasta käyttökelpoista tekniikkaa päästöjen kontrolloinnissa. Yhdysvalloissa parhaan käyttökelpoisen tekniikan (BAT) vaatimus on sisälletty ympäristövirasto EPA:n MACT-standardeihin. Levyteollisuuden tehtaista syntyvät päästöt ovat hyvin samankaltaisia. Tehtaista on helposti erotettavissa kaksi suurta päästölähdettä, joita ovat kuivaus ja kuumapuristus. Merkittävimpiä päästöjä ovat haihtuvat orgaaniset yhdisteet, hiukkaset, typen oksidit, hiilimonoksidi ja rikkidioksidit. Työn loppuosa on varattu tuotantojen kustannusvaikutusten ja tunnuslukujen tarkasteluille. Saatavilla tiedoilla on keskeinen rooli tehtaiden jokapäiväisessä toiminnassa. Analysoinnin tarpeeseen vaikuttaa osaltaan nykyisen toimintaympäristön muutosherkkyys ja levymarkkinoiden kireä kilpailutilanne.

Rinnakkaispolttolaitoksen ympäristöntarkkailusuunnitelma

Diplomityössä päivitetään voimalaitoksen ympäristöntarkkailusuunnitelma vastaamaan uudistuneen ympäristöluvan ja lainsäädännön edellytyksiä. Työssä tutkitaan leijupetikatti-loiden tulipesän lämpötiloja, savukaasun viipymäaikoja tulipesässä, leijukerroskattiloiden päästöjä, päästöjen jatkuvatoimista mittaamista sekä päästöjen seurantaa ja raportointia. Tulipesän lämpötiloja mitattiin kupla- ja kiertoleijukattiloilla. Tuloksien perusteella havait-tiin kiertoleijukattilan tulipesän alaosan lämpötilojen olevan lähes riippumaton pedin lämpötilasta ja höyrykuormasta. Tulipesän yläosassa lämpötilat nousevat höyrykuorman kasvaessa, mutta pedin lämpötilalla ei havaittu vaikutusta tulipesän yläosassakaan. Molemmilla kattiloilla havaittiin voimakas vaakatasoinen lämpötilaprofiili. Kuplaleijukattilalla sekä höyrykuorma että pedin lämpötila vaikuttivat tulipesän lämpötilaan. Savukaasun teoreettiset viipymäajat laskettiin kiertoleijukattilalle. Laskelmien ja mittauksien perusteella havaittiin kattilalla mahdollisuus saavuttaa savukaasun kahden sekunnin viipymäaika 850 ºC lämpötilassa. Kattilan käyttäytymisen aukottomaksi selvittämiseksi kaikilla polttoaineseoksilla ja höyrykuormilla tarvitaan lisää toimenpiteitä kattilalla ja lisää tulipesän lämpötilamittauksia. Leijukerroskattiloiden päästöjen syntymistä ja hallintaa tutkittiin teoreettisesti kirjallisuustutkimuksena. Tutkittuihin päästöihin kuuluivat typen oksidit, rikkidioksidi, hiukkaset, hiilimonoksidi, orgaaninen kokonaishiili, suolahappo, fluorivety, raskasmetallit sekä dioksiinit ja furaanit. Jatkuvatoimisten päästömittausmittauslaitteiden toimintaperiaatteita selvitettiin kirjalli-suustutkimuksena. Samoin selvitettiin jatkuvatoimisten päästömittauslaitteiden virhelähtei-tä. Päästömittauslaitteille laadittiin pitkän ja lyhyen ajan laadunvarmistussuunnitelma. Ha-vaittiin, että nykyiset jatkuvatoimiset päästömittauslaitteet eivät täytä kaikkia uusia laatu-kriteereitä. Päästöjen jatkuvatoimiseen seuraamiseen työssä suunniteltiin uusi valvomonäyttö. Uuden näytön avulla tehostetaan päästöjen valvontaa. Päästöjen raportointiin työssä suunniteltiin vuorokausiraportti. Raporttiin kerätään jatkuva-toimisten päästömittauslaitteiden puolen tunnin keskiarvot. Raportin tarkastaa, allekirjoittaa ja arkistoi vuorossa oleva operaattori.

Influence of Equipment Operation and Performance Deterioration on Power Plant Economy.

Pysyäkseen kilpailukykyisenä vapautuneilla sähkömarkkinoilla on voimalaitoksen energiantuotantokustannusten oltava mahdollisimman matalia, tinkimättä kuitenkaan korkeasta käytettävyydestä. Polttoaineen energiasisällön mahdollisimman hyvä hyödyntäminen on ratkaisevan tärkeää voimalaitoksen kannattavuudelle. Polttoainekustannusten osuus on konvektiivisilla laitoksilla yleensä yli puolet koko elinjakson kustannuksista. Kun vielä päästörajat tiukkenevat koko ajan, korostuu polttoaineen korkea hyötykäyttö entisestään. Korkea energiantuotannon luotettavuus ja käytettävyys ovat myös elintärkeitä pyrittäessä kustannusten minimointiin. Tässä työssä on käyty läpi voimalaitoksen kustannuksiin vaikuttavia käsitteitä, kuten hyötysuhdetta, käytettävyyttä, polttoaineen hintoja, ylös- ja alasajoja ja tärkeimpiä häviöitä. Ajostrategiassa ja poikkeamien hallinnassa pyritään hyvään hyötysuhteeseen ja alhaisiin päästöihin joka käyttötilanteessa. Lisäksi on tarkasteltu tiettyjen suureiden, eli höyryn lämpötilan ja paineen, savukaasun hapen pitoisuuden, savukaasun loppulämpötilan, sekä lauhduttimen paineen poikkeamien vaikutusta ohjearvostaan energiantuotantokustannuksiin. Happi / hiilimonoksidi optimoinnissa on otettu huomioon myös pohjatuhkan palamattomat.

Paperitehtaan lämpöenergianhallinta

Diplomityön tavoitteena oli kehittää oikeudenmukainen keino lämmönkulutuksen osastokohtaisen jaolle, sekä löytää lämmönkäytön tehostamismahdollisuuksia Stora Enson Summan tehtailta. Työ liittyi osana Summan tehtaille tehtyyn energiakatselmukseen. Todenmukainen lämmöntuotannon ja -kulutuksen tunteminen luo perustan oikeansuuntaisille lämpötaloutta parantaville teoille ja mahdollistaa lämpöenergian kustannusten oikean jaon osastoille. Osastokohtaisen lämmönkulutuksen selvittämiseksi tarvitaan uusia virtaus- ja lämpötilamittauksia. Tärkeintä on kuitenkin saada ensin tehtaan kokonaistase selville. Tehtaan lämmöntuotanto ja –kulutus eivät nykyisten mittausten mukaan täsmää täysin. Suurimpien höyryn massavirtojen mittaukset on saatava luotettaviksi kalibroinnein tai uusinnoin, ja vasta tehtaan kokonaislämpötaseen täsmätessä on järkevää pyrkiä täydellisiin osastokohtaisiin lämpötaseisiin. Lämmönkulutuksen pienentäminen vähentää polttoainekustannuksia, jolloin paperintuotannon kokonaiskustannukset pienenevät parantaen tehtaan kilpailukykyä. Vuonna 2005 alkava hiilidioksidipäästökauppa tulee luultavasti vaikuttamaan teollisuuden lämmönkäyttöön. Päästökaupan rasituksia voidaan vähentää pienentämällä lämmönkulutusta. Tehtaan lämmönsäästömahdollisuuksia tutkittiin systemaattisesti mm. lauhteenpalautusten järjestämisen tuomia säästöjä laskemalla, sekä osastokohtaisesti eri lämmönkulutuskohteita tarkastelemalla. Tehtaan lämmöntarvetta on mahdollista pienentää merkittävästi muutamilla toimenpiteillä.

Gas-phase photocatalytic oxidation of volatile organic compounds

Substances emitted into the atmosphere by human activities in urban and industrial areas cause environmental problems such as air quality degradation, respiratory diseases, climate change, global warming, and stratospheric ozone depletion. Volatile organic compounds (VOCs) are major air pollutants, emitted largely by industry, transportation and households. Many VOCs are toxic, and some are considered to be carcinogenic, mutagenic, or teratogenic. A wide spectrum of VOCs is readily oxidized photocatalytically. Photocatalytic oxidation (PCO) over titanium dioxide may present a potential alternative to air treatment strategies currently in use, such as adsorption and thermal treatment, due to its advantageous activity under ambient conditions, although higher but still mild temperatures may also be applied. The objective of the present research was to disclose routes of chemical reactions, estimate the kinetics and the sensitivity of gas-phase PCO to reaction conditions in respect of air pollutants containing heteroatoms in their molecules. Deactivation of the photocatalyst and restoration of its activity was also taken under consideration to assess the practical possibility of the application of PCO to the treatment of air polluted with VOCs. UV-irradiated titanium dioxide was selected as a photocatalyst for its chemical inertness, non-toxic character and low cost. In the present work Degussa P25 TiO2 photocatalyst was mostly used. In transient studies platinized TiO2 was also studied. The experimental research into PCO of following VOCs was undertaken: - methyl tert-butyl ether (MTBE) as the basic oxygenated motor fuel additive and, thus, a major non-biodegradable pollutant of groundwater; - tert-butyl alcohol (TBA) as the primary product of MTBE hydrolysis and PCO; - ethyl mercaptan (ethanethiol) as one of the reduced sulphur pungent air pollutants in the pulp-and-paper industry; - methylamine (MA) and dimethylamine (DMA) as the amino compounds often emitted by various industries. The PCO of VOCs was studied using a continuous-flow mode. The PCO of MTBE and TBA was also studied by transient mode, in which carbon dioxide, water, and acetone were identified as the main gas-phase products. The volatile products of thermal catalytic oxidation (TCO) of MTBE included 2-methyl-1-propene (2-MP), carbon monoxide, carbon dioxide and water; TBA decomposed to 2-MP and water. Continuous PCO of 4 TBA proceeded faster in humid air than dry air. MTBE oxidation, however, was less sensitive to humidity. The TiO2 catalyst was stable during continuous PCO of MTBE and TBA above 373 K, but gradually lost activity below 373 K; the catalyst could be regenerated by UV irradiation in the absence of gas-phase VOCs. Sulphur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide and water were identified as ultimate products of PCO of ethanethiol. Acetic acid was identified as a photocatalytic oxidation by-product. The limits of ethanethiol concentration and temperature, at which the reactor performance was stable for indefinite time, were established. The apparent reaction kinetics appeared to be independent of the reaction temperature within the studied limits, 373 to 453 K. The catalyst was completely and irreversibly deactivated with ethanethiol TCO. Volatile PCO products of MA included ammonia, nitrogen dioxide, nitrous oxide, carbon dioxide and water. Formamide was observed among DMA PCO products together with others similar to the ones of MA. TCO for both substances resulted in the formation of ammonia, hydrogen cyanide, carbon monoxide, carbon dioxide and water. No deactivation of the photocatalyst during the multiple long-run experiments was observed at the concentrations and temperatures used in the study. PCO of MA was also studied in the aqueous phase. Maximum efficiency was achieved in an alkaline media, where MA exhibited high fugitivity. Two mechanisms of aqueous PCO – decomposition to formate and ammonia, and oxidation of organic nitrogen directly to nitrite - lead ultimately to carbon dioxide, water, ammonia and nitrate: formate and nitrite were observed as intermediates. A part of the ammonia formed in the reaction was oxidized to nitrite and nitrate. This finding helped in better understanding of the gasphase PCO pathways. The PCO kinetic data for VOCs fitted well to the monomolecular Langmuir- Hinshelwood (L-H) model, whereas TCO kinetic behaviour matched the first order process for volatile amines and the L-H model for others. It should be noted that both LH and the first order equations were only the data fit, not the real description of the reaction kinetics. The dependence of the kinetic constants on temperature was established in the form of an Arrhenius equation.

Characterisation of Laser Beam and Paper Material Interaction

It is known already from 1970´s that laser beam is suitable for processing paper materials. In this thesis, term paper materials mean all wood-fibre based materials, like dried pulp, copy paper, newspaper, cardboard, corrugated board, tissue paper etc. Accordingly, laser processing in this thesis means all laser treatments resulting material removal, like cutting, partial cutting, marking, creasing, perforation etc. that can be used to process paper materials. Laser technology provides many advantages for processing of paper materials: non-contact method, freedom of processing geometry, reliable technology for non-stop production etc. Especially packaging industry is very promising area for laser processing applications. However, there are only few industrial laser processing applications worldwide even in beginning of 2010´s. One reason for small-scale use of lasers in paper material manufacturing is that there is a shortage of published research and scientific articles. Another problem, restraining the use of laser for processing of paper materials, is colouration of paper material i.e. the yellowish and/or greyish colour of cut edge appearing during cutting or after cutting. These are the main reasons for selecting the topic of this thesis to concern characterization of interaction of laser beam and paper materials. This study was carried out in Laboratory of Laser Processing at Lappeenranta University of Technology (Finland). Laser equipment used in this study was TRUMPF TLF 2700 carbon dioxide laser that produces a beam with wavelength of 10.6 μm with power range of 190-2500 W (laser power on work piece). Study of laser beam and paper material interaction was carried out by treating dried kraft pulp (grammage of 67 g m-2) with different laser power levels, focal plane postion settings and interaction times. Interaction between laser beam and dried kraft pulp was detected with different monitoring devices, i.e. spectrometer, pyrometer and active illumination imaging system. This way it was possible to create an input and output parameter diagram and to study the effects of input and output parameters in this thesis. When interaction phenomena are understood also process development can be carried out and even new innovations developed. Fulfilling the lack of information on interaction phenomena can assist in the way of lasers for wider use of technology in paper making and converting industry. It was concluded in this thesis that interaction of laser beam and paper material has two mechanisms that are dependent on focal plane position range. Assumed interaction mechanism B appears in range of average focal plane position of 3.4 mm and 2.4 mm and assumed interaction mechanism A in range of average focal plane position of 0.4 mm and -0.6 mm both in used experimental set up. Focal plane position 1.4 mm represents midzone of these two mechanisms. Holes during laser beam and paper material interaction are formed gradually: first small hole is formed to interaction area in the centre of laser beam cross-section and after that, as function of interaction time, hole expands, until interaction between laser beam and dried kraft pulp is ended. By the image analysis it can be seen that in beginning of laser beam and dried kraft pulp material interaction small holes off very good quality are formed. It is obvious that black colour and heat affected zone appear as function of interaction time. This reveals that there still are different interaction phases within interaction mechanisms A and B. These interaction phases appear as function of time and also as function of peak intensity of laser beam. Limit peak intensity is the value that divides interaction mechanism A and B from one-phase interaction into dual-phase interaction. So all peak intensity values under limit peak intensity belong to MAOM (interaction mechanism A one-phase mode) or to MBOM (interaction mechanism B onephase mode) and values over that belong to MADM (interaction mechanism A dual-phase mode) or to MBDM (interaction mechanism B dual-phase mode). Decomposition process of cellulose is evolution of hydrocarbons when temperature is between 380- 500°C. This means that long cellulose molecule is split into smaller volatile hydrocarbons in this temperature range. As temperature increases, decomposition process of cellulose molecule changes. In range of 700-900°C, cellulose molecule is mainly decomposed into H2 gas; this is why this range is called evolution of hydrogen. Interaction in this range starts (as in range of MAOM and MBOM), when a small good quality hole is formed. This is due to “direct evaporation” of pulp via decomposition process of evolution of hydrogen. And this can be seen can be seen in spectrometer as high intensity peak of yellow light (in range of 588-589 nm) which refers to temperature of ~1750ºC. Pyrometer does not detect this high intensity peak since it is not able to detect physical phase change from solid kraft pulp to gaseous compounds. As interaction time between laser beam and dried kraft pulp continues, hypothesis is that three auto ignition processes occurs. Auto ignition of substance is the lowest temperature in which it will spontaneously ignite in a normal atmosphere without an external source of ignition, such as a flame or spark. Three auto ignition processes appears in range of MADM and MBDM, namely: 1. temperature of auto ignition of hydrogen atom (H2) is 500ºC, 2. temperature of auto ignition of carbon monoxide molecule (CO) is 609ºC and 3. temperature of auto ignition of carbon atom (C) is 700ºC. These three auto ignition processes leads to formation of plasma plume which has strong emission of radiation in range of visible light. Formation of this plasma plume can be seen as increase of intensity in wavelength range of ~475-652 nm. Pyrometer shows maximum temperature just after this ignition. This plasma plume is assumed to scatter laser beam so that it interacts with larger area of dried kraft pulp than what is actual area of beam cross-section. This assumed scattering reduces also peak intensity. So result shows that assumably scattered light with low peak intensity is interacting with large area of hole edges and due to low peak intensity this interaction happens in low temperature. So interaction between laser beam and dried kraft pulp turns from evolution of hydrogen to evolution of hydrocarbons. This leads to black colour of hole edges.

Susteinable steelmaking by process integration

Environmental issues, including global warming, have been serious challenges realized worldwide, and they have become particularly important for the iron and steel manufacturers during the last decades. Many sites has been shut down in developed countries due to environmental regulation and pollution prevention while a large number of production plants have been established in developing countries which has changed the economy of this business. Sustainable development is a concept, which today affects economic growth, environmental protection, and social progress in setting up the basis for future ecosystem. A sustainable headway may attempt to preserve natural resources, recycle and reuse materials, prevent pollution, enhance yield and increase profitability. To achieve these objectives numerous alternatives should be examined in the sustainable process design. Conventional engineering work cannot address all of these substitutes effectively and efficiently to find an optimal route of processing. A systematic framework is needed as a tool to guide designers to make decisions based on overall concepts of the system, identifying the key bottlenecks and opportunities, which lead to an optimal design and operation of the systems. Since the 1980s, researchers have made big efforts to develop tools for what today is referred to as Process Integration. Advanced mathematics has been used in simulation models to evaluate various available alternatives considering physical, economic and environmental constraints. Improvements on feed material and operation, competitive energy market, environmental restrictions and the role of Nordic steelworks as energy supplier (electricity and district heat) make a great motivation behind integration among industries toward more sustainable operation, which could increase the overall energy efficiency and decrease environmental impacts. In this study, through different steps a model is developed for primary steelmaking, with the Finnish steel sector as a reference, to evaluate future operation concepts of a steelmaking site regarding sustainability. The research started by potential study on increasing energy efficiency and carbon dioxide reduction due to integration of steelworks with chemical plants for possible utilization of available off-gases in the system as chemical products. These off-gases from blast furnace, basic oxygen furnace and coke oven furnace are mainly contained of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen and partially methane (in coke oven gas) and have proportionally low heating value but are currently used as fuel within these industries. Nonlinear optimization technique is used to assess integration with methanol plant under novel blast furnace technologies and (partially) substitution of coal with other reducing agents and fuels such as heavy oil, natural gas and biomass in the system. Technical aspect of integration and its effect on blast furnace operation regardless of capital expenditure of new operational units are studied to evaluate feasibility of the idea behind the research. Later on the concept of polygeneration system added and a superstructure generated with alternative routes for off-gases pretreatment and further utilization on a polygeneration system producing electricity, district heat and methanol. (Vacuum) pressure swing adsorption, membrane technology and chemical absorption for gas separation; partial oxidation, carbon dioxide and steam methane reforming for methane gasification; gas and liquid phase methanol synthesis are the main alternative process units considered in the superstructure. Due to high degree of integration in process synthesis, and optimization techniques, equation oriented modeling is chosen as an alternative and effective strategy to previous sequential modelling for process analysis to investigate suggested superstructure. A mixed integer nonlinear programming is developed to study behavior of the integrated system under different economic and environmental scenarios. Net present value and specific carbon dioxide emission is taken to compare economic and environmental aspects of integrated system respectively for different fuel systems, alternative blast furnace reductants, implementation of new blast furnace technologies, and carbon dioxide emission penalties. Sensitivity analysis, carbon distribution and the effect of external seasonal energy demand is investigated with different optimization techniques. This tool can provide useful information concerning techno-environmental and economic aspects for decision-making and estimate optimal operational condition of current and future primary steelmaking under alternative scenarios. The results of the work have demonstrated that it is possible in the future to develop steelmaking towards more sustainable operation.

Maakaasupolttimen säätöjärjestelmän kehittäminen

Jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset pakottavat teollisuuden kehittämään uusia ratkaisuja päästöjen vähentämiseksi. Hiilimonoksidin ja typen oksidien päästörajoitukset ovat erityi-sen tiukat esimerkiksi Kiinassa ja Yhdysvalloissa. Maakaasun ja ilman epätäydellisessä pa-lamisessa muodostuu hiilimonoksidia ja typen oksideja. Käytännön sovelluksissa palaminen on lähes aina epätäydellistä polttoaineen ja ilman epätäydellisen sekoittumisen takia, joten palamisreaktiossa muodostuva savukaasu sisältää edellä mainittuja haitallisia komponentteja lähes poikkeuksetta. Savukaasua voidaan puhdistaa erilaisilla menetelmillä ennen sen pää-tymistä ympäristöön. Tässä diplomityössä esitellään maakaasupoltinjärjestelmän keskeiset komponentit ja aihee-seen liittyvät tarpeelliset käsitteet sekä suunnitellaan polttoaine-ilma-seossuhdesäätö eräälle maakaasupoltinjärjestelmälle. Säädön ensisijaisena tavoitteena on pitää seossuhde mahdolli-simman tarkasti halutussa arvossa savukaasun puhdistuksen kannalta. Lisäksi säädön on tarkoitus taata mahdollisimman hyvä suorituskyky transienttitilanteissa. Järjestelmän eri osien toiminta mallinnetaan ja analysoidaan. Mallinnuksen perusteella suunnitellaan ja simu-loidaan säätöjärjestelmä. Suunniteltu säätöjärjestelmä toteutetaan osaksi polttolaitoksen automaatiojärjestelmää. Mittaustulokset osoittavat, että päästöjen kannalta säätö pitää seossuhteen riittävän tarkasti halutussa arvossa: hiilimonoksidin ja typen oksidien päästöt ovat asetettujen rajojen sisällä. Testiajojen perusteella prosessi on kuitenkin erittäin häiriöinen ja transienttitilanteissa ei saavuteta simulointien mukaista suorituskykyä.

Reducing auxiliary power of a fluid bed boiler island

The aim of this thesis is to find and analyze different methods which reduce fluid bed boilers’ auxiliary power consumption. The objective is to examine the effects and feasibility of these methods. The literature part explains how fluid bed boilers work and what are the main sources of auxiliary power consumption. Designs and operation of these equipment are presented. The literature part also discusses the basics of auxiliary power consumption reduction and introduces four low pressure drop constructions. The experimental part inspects six different methods. Effects of these methods on the auxiliary power consumption are calculated and their impacts on the operation of the boiler are modeled. Calculations show that reasonable changes can reduce fluid bed boiler’s auxiliary power consumption by 2,1-10,2 %. Biggest reductions come from lower air coefficients, smaller bed a-level pressures and lower primary/secondary air –ratios. Models showed no problems with the smaller bed a-level pressures. With the lower air coefficients and smaller primary/secondary air –ratios the models showed a significant increase in the carbon monoxide levels.