Application of cerium oxide thin films grown by atomic layer deposition for soot removal

The objective of the thesis is to study cerium oxide thin films grown by the atomic layer deposition (ALD) for soot removal. Cerium oxide is one of the most important heterogeneous catalysts and can be used in particulate filters and sensors in a diesel exhaust pipe. Its redox/oxidation properties are a key factor in soot oxidation. Thus, the cerium oxide coating can help to keep particulate filters and sensors clean permanently. The literature part of the thesis focuses on the soot removal, introducing the origin and structure of soot, reviewing emissions standards for diesel particulate matter, and presenting methods and catalysts for soot removal. In the experimental part the optimal ALD conditions for cerium oxide were found, the structural properties of cerium oxide thin films were analyzed, and the catalytic activity of the cerium oxide for soot oxidation was investigated. Studying ALD growth conditions of cerium oxide films and determining their critical thickness range are important to maximize the catalytic performance operating at comparatively low temperature. It was found that the cerium oxide film deposited at 300 °C with 2000 ALD cycles had the highest catalytic activity. Although the activity was still moderate and did not decrease the soot oxidation temperature enough for a real-life application. The cerium oxide thin film deposited at 300 °C has a different crystal structure, surface morphology and elemental composition with a higher Ce3+ concentration compared to the films deposited at lower temperatures. The different properties of the cerium oxide thin film deposited at 300 °C increase the catalytic activity most likely due to higher surface area and addition of the oxygen vacancies.

Wastewater Treatment of Diesel Power Plant

Diplomityön tavoitteena on selvittää Wärtsilän dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn vallitseva tila. Tutkimuksessa keskitytään raskaspolttoöljykäyttöisiin voimalaitoksiin. Työssä selvitetään yleisimmät dieselvoimalaitosten jätevesille asetetut vaatimukset. Selvitys tehdään keräämälläja tutkimalla dieselvoimalaitosten jätevesille sovellettuja standardeja. Työssä selvitetään myös dieselvoimalaitokselta ulostulevan jäteveden laatu sekä nykyisen jätevedenkäsittelyjärjestelmän toiminta. Selvitys tehdään keräämällä ja tutkimalla yrityksen sisäisiä tietoja, sekä ottamalla ja analysoimalla jätevesinäytteitä. Näytteiden otto ja analysointi toteutetaan vierailemallakahdessa voimalaitoksessa sekä yhdessä muussa kohteessa. Jäteveden laatu ennen ja jälkeen käsittelyn määritetään. Myös öljynjalostusteollisuuden jätevedenkäsittelyä tarkastellaan kirjallisuuteen pohjautuen. Tarkastelun tavoitteena on hankkia tietoa jätevedenkäsittelystä kohteissa, joissa jäteveden laatu vastaa dieselvoimalaitoksella syntyvää jätevettä. Vertailun vuoksi myös öljynjalostusteollisuudelle asetetuttuja jätevesistandardeja tutkitaan. Lisäksi työssä tutkitaan myös joitakin muita jätevedenkäsittelymenetelmiä. Diplomityön tuloksena määritetään dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn tulevaisuuden haasteet ja mahdollisuudet.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

Propagation of the Ignition Front against Airflow in Packed Beds of Wood Particles

Combustion of wood is increasing because of the needs of decreasing the emissions of carbon dioxide and the amount of waste going to landfills. Wood based fuels are often scattered on a large area. The transport distances should be short enough to prevent too high costs, and so the size of heating and power plants using wood fuels is often rather small. Combustion technologies of small-size units have to be developed to reach efficient and environmentally friendly energy production. Furnaces that use different packed bed combustion or gasification techniques areoften most economic in small-scale energy production. Ignition front propagation rate affects the stability, heat release rate and emissions of packed bed combustion. Ignition front propagation against airflow in packed beds of wood fuels has been studied. The research has been carried out mainly experimentally. Theoretical aspects have been considered to draw conclusions about the experimental results. The effects of airflow rate, moisture content of the fuel, size, shape and density of particles, and porosity of the bed on the propagation rate of the ignition front have been studied. The experiments were carried out in a pot furnace. The fuels used in the experiments were mainly real wood fuels that are often burned in the production of energy. The fuel types were thin wood chips, saw dust, shavings, wood chips, and pellets with different sizes. Also a few mixturesof the above were tested. Increase in the moisture content of the fuel decreases the propagation rates of the ignition front and makes the range of possible airflow rates narrower because of the energy needed for the evaporation of water and the dilution of volatile gases due to evaporated steam. Increase in the airflow rate increases the ignition rate until a maximum rate of propagation is reached after which it decreases. The maximum flame propagation rate is not always reached in stoichiometric combustion conditions. Increase in particle size and density transfers the optimum airflow rate towards fuel lean conditions. Mixing of small and large particles is often advantageous, because small particles make itpossible to reach the maximum ignition rate in fuel rich conditions, and large particles widen the range of possible airflow rates. A correlation was found forthe maximum rate of ignition front propagation in different wood fuels. According to the correlation, the maximum ignition mass flux is increased when the sphericity of the particles and the porosity of the bed are increased and the moisture content of the fuel is decreased. Another fit was found between sphericity and porosity. Increase in sphericity decreases the porosity of the bed. The reasons of the observed results are discussed.

Design of flywheel generator for a diesel hybrid working machine

The aim of this work is to design a flywheel generator for a diesel hybrid working machine. In this work we perform detailed design of a generator. Mobile machines are commonly used in industry: road building machines, three harvesting machines, boring machines, trucks and other equipment. These machines work with a hydraulic drive system. This system provides good service property and high technical level. Manufacturers of mobile machines tend to satisfy all requirements of customers and modernized drive system. In this work also a description of the frequency inverter is present. Power electronics system is one of the basic parts for structures perform in the project.

Drug loading of mesoporous silicon particles

Porous silicon (PSi) is a promising material to be utilized in drug delivery formulations. The release rate of the drug compound can be controlled by changing the pore properties and surface chemistry of PSi. The loading of a poorly soluble drug into mesoporous silicon particles enhances its dissolution in the body. The drug loading is based on adsorption. The attainable maximum loaded amount depends on the properties of the drug compound and the PSi material, and on the process conditions. The loading solvent also essentially affects the adsorption process. The loading of indomethacin into PSi particles with varying surface modification was studied. Solvent mixtures were applied in the loading, and the loaded samples were analyzed with thermal analysis methods. The best degree of loading was obtained using a mixture of dichloromethane and methanol. The drug loads varied from 7.7 w-% to 26.8 w-%. A disturbing factor in the loading experiments was the tendency of indomethacin to form solvates with the solvents applied. In addition, the physical form and stability of indomethacin loaded in PSi and silica particles were studied using Raman spectroscopy. In the case of silica, the presence of crystalline drug as well as the polymorph form can be detected, but the method proved to be not applicable for PSi particles.

Characterisation of pigment particles by scanning electron microscope and image analysis programs

Coating and filler pigments have strong influence to the properties of the paper. Filler content can be even over 30 % and pigment content in coating is about 85-95 weight percent. The physical and chemical properties of the pigments are different and the knowledge of these properties is important for optimising of optical and printing properties of the paper. The size and shape of pigment particles can be measured by different analysers which can be based on sedimentation, laser diffraction, changes in electric field etc. In this master's thesis was researched particle properties especially by scanning electron microscope (SEM) and image analysis programs. Research included nine pigments with different particle size and shape. Pigments were analysed by two image analysis programs (INCA Feature and Poikki), Coulter LS230 (laser diffraction) and SediGraph 5100 (sedimentation). The results were compared to perceive the effect of particle shape to the performance of the analysers. Only image analysis programs gave parameters of the particle shape. One part of research was also the sample preparation for SEM. Individual particles should be separated and distinct in ideal sample. Analysing methods gave different results but results from image analysis programs corresponded even to sedimentation or to laser diffraction depending on the particle shape. Detailed analysis of the particle shape required high magnification in SEM, but measured parameters described very well the shape of the particles. Large particles (ecd~1 µm) could be used also in 3D-modelling which enabled the measurement of the thickness of the particles. Scanning electron microscope and image analysis programs were effective and multifunctional tools for particle analyses. Development and experience will devise the usability of analysing method in routine use.

Imaging and Characterisation of Dirt Particles in Pulp and Paper

Dirt counting and dirt particle characterisation of pulp samples is an important part of quality control in pulp and paper production. The need for an automatic image analysis system to consider dirt particle characterisation in various pulp samples is also very critical. However, existent image analysis systems utilise a single threshold to segment the dirt particles in different pulp samples. This limits their precision. Based on evidence, designing an automatic image analysis system that could overcome this deficiency is very useful. In this study, the developed Niblack thresholding method is proposed. The method defines the threshold based on the number of segmented particles. In addition, the Kittler thresholding is utilised. Both of these thresholding methods can determine the dirt count of the different pulp samples accurately as compared to visual inspection and the Digital Optical Measuring and Analysis System (DOMAS). In addition, the minimum resolution needed for acquiring a scanner image is defined. By considering the variation in dirt particle features, the curl shows acceptable difference to discriminate the bark and the fibre bundles in different pulp samples. Three classifiers, called k-Nearest Neighbour, Linear Discriminant Analysis and Multi-layer Perceptron are utilised to categorize the dirt particles. Linear Discriminant Analysis and Multi-layer Perceptron are the most accurate in classifying the segmented dirt particles by the Kittler thresholding with morphological processing. The result shows that the dirt particles are successfully categorized for bark and for fibre bundles.

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.

Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems

This study compares different electric propulsion systems. Results of the analysis of all the advantages and disadvantages of the different propulsion systems are given. This thesis estimates possibilities to apply different diesel-electric propulsion concepts for different vessel types. Small and medium size vessel’s power ranges are studied. The optimal delivery system is chosen. This choice is made on the base of detailed study of the concepts, electrical equipment market and comparison of mass, volume and efficiency parameters. In this thesis three marine generators are designed. They are: salient pole synchronous generator and two permanent magnet synchronous generators. Their electrical, dimensional, cost and efficiency parameters are compared. To understand all the benefits diagrams with these parameters are prepared. Possible benefits and money savings are estimated. As the result the advantages, disadvantages and boundary conditions for the permanent magnet synchronous generator application in marine electric-power systems are found out.

Liikennebiokaasun tuotannon ja käytön ulkoiset kustannukset Pohjois-Karjalassa

Työn tavoitteena oli selvittää liikennebiokaasuntuotannon ja käytön vaikutus liikenteen ulkoi-siin kustannuksiin Pohjois-Karjalassa. Biokaasua tuotetaan Joensuussa Kuhasalon jäteveden-puhdistamolla sekä Kontiosuon jäteasemalla, Kiteellä biokaasua tuotetaan BioKympin yh-teismädätyslaitoksessa. Lisäksi laskennassa huomioitiin yhden maatilakokoluokan biokaasun-tuotanto. Työssä selvitettiin kaksi skenaariota liikennebiokaasun tuotantomääräksi vuodelle 2015. Liikennebiokaasua voitaisiin tuottaa optimiskenaarion mukaan 3 426 MWh ja maksimi-tuotantoskenaarion mukaan 21 532 MWh. Liikennebiokaasun käytön vaikutukset liikenteen päästöihin laskettiin vuodelle 2015 ja vuo-delle 2020, jolloin liikennebiokaasua käytettäisiin 10 % liikenteen energiantarpeesta Pohjois-Karjalassa. Hiilidioksidipäästöt vähenevät vuoden 2020 tilanteessa samassa suhteessa kuin liikennebiokaasu korvaa fossiilisia polttoaineita. Muista päästöistä merkittävimmät päästövä-hennykset saatiin kun vuoden 2010 dieselautot muutettaisiin biokaasuautoiksi, tällöin hiuk-kaspäästöt alenisivat jopa 18 % vuoden 2010 päästöistä. Lisäksi selvitettiin liikenteen päästöjen pienenemisen vaikutus liikenteen aiheuttamiin ulkoisiin kustannuksiin. Laskettavat ulkoiset kustannukset olivat ilmastonmuutos, pakokaasupäästöt sekä energiariippuvuus. Pakokaasupäästöjen aiheuttamat ulkoiset kustannukset olivat vuonna 2010 noin 7 miljoonaa euroa. Liikennebiokaasua käyttävästä ajoneuvotyypistä riippuen ulkoiset kustannukset laskevat vuoden 2020 tilanteessa 10–16 % vuoden 2010 kustannuksista. Ilmastonmuutoksen ulkoiset kustannukset vuodelle 2010 olivat 9,5 miljoonaa euroa. Biokaasun käytön avulla kustannuksissa voitaisiin säästää 910 000 euroa vuonna 2020. Ener-giariippuvuuden hinta öljynkäytöstä oli vuonna 2010 noin 4,2 miljoonaa euroa ja vuonna 2020 kustannukset voisivat laskea 450 000 euroa.

Specific surface charging of latex, clay and mineral oxide particles in aqueous, non-aqueous and mixed solvent systems

En djupare förståelse för växelverkan mellan partiklar i suspensioner är av betydelse för utvecklingen av en mängd olika industriella produkter och processer. Till exempel kan nämnas pigmentbaserade färger och bestrykning av papper. Genom att öka kontrollbarheten kan dessa lättare optimeras för att uppnå förbättrade produktegenskaper och/eller sänkta produktionskostnader. Av stor betydelse är även en förbättrad möjlighet att minska produktens miljöpåverkan. I avhandlingen studerades jonstyrkan och jonspecificiteten inverkan i olika akvatiska suspensioner innehållande olika elektrolyter. De partiklar som avhandlingen omfattade var metalloxider, leror samt latex. Jonstyrkan studerades från låga (c <10-3M) till och med höga (c> 10-1M) elektrolytkoncentrationer. Vid koncentrationer under 0.1 M var partikelladdningen styrd av pH och jonstyrkan. Vid högre elektrolytkoncentrationer påverkade även jonspecificiteten partikelladdningen. Jonspecificiteten arrangerades i fenomenologiska serier funna i litteraturen samt med Born modellen definierad i termodynamiken. Överraskande höga absoluta zeta-potential värden erhölls vid höga elektrolytkoncentrationer vilket visar att den elektrostatiska repulsionen har betydelse även vid dessa förhållanden. Vidare studerades titanoxidsuspensioners egenskaper i akvatiska, icke-akvatiska och blandade lösningssystem under varierande koncentration av oxal- och fosfatsyra. Vid lågt vatteninnehåll studerades även suspensioner med svavelsyra. Konduktiviteten i suspensioner med lågt vatteninnehåll ökade med tillsatt oxal- eller fosforsyra vilket är en omvänd effekt jämfört med svavelsyra eller akvatiska suspensioner. Den omvända effekten skiftade gradvis tillbaka med ökad vatteninnehåll. En analys av suspensionernas adsorption i höga etanolkoncentrationer gjordes med konduktiviteten, pH och zeta-potentialen. Viskositet studerades och applicerades framgångsrikt i viskositet/ytladdningsmodeller utvecklade för akvatiska suspensioner.