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.

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.

Soodakattilan lentotuhkan uudentyyppisen analysaattorin arviointi

RBDA (Recovery Boiler Dust Analyzer) on soodakattilan savukaasujen hiukkasten määrää mittaava laite. Yksi laitteen mahdollisista sovelluskohteista on soodakattilan nuohouksen optimointi. Tämän työn tarkoituksena oli parantaa RBD-analysaattorin toimintaa ja erityisesti tutkia laitteen toimivuutta soodakattilan nuohouksen optimoinnis-sa. Soodakattilan nuohouksen optimoinnilla voidaan vähentää nuohoukseen kuluneen höyryn määrää ja näin saavuttaa taloudellisia säästöjä. RBD-analysaattorin toimivuutta testattiin toimivan soodakattilan avulla. Tutkimuksen tueksi testeissä käytetyn soodakattilan savukaasujen lämpötilat ja tuhkan tarttumisomi-naisuudet selvitettiin. Laitteen toimivuutta testattiin vertaamalla RBDA:n mittaustulosta standardin mukaiseen savukaasujen hiukkasmittausmenetelmään. Mittajärjestelmän soveltuvuutta soodakattilan nuohouksen optimointiin tutkittiin ajamalla nuohoimia käsin eri seisonta-aikojen jälkeen sekä mittaamalla soodakattilan normaalia nuohousjärjes-tystä. Mittausten perusteella todettiin, että RBDA havaitsee savukaasujen pölypitoisuuden ja sen muutokset luotettavasti. Nuohouksen optimointiin RBDA:n todettiin soveltuvan ny-kyisessä mallissaan vain vedenesilämmittimien osalta. Keittopinnan ja tulistimien nuo-hointen optimointiin ei saatu riittävän luotettavia mittaustuloksia. RBDA:n kehittäminen jatkotutkimuksilla todettiin mahdolliseksi.

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

The aim of this thesis is to study different methods to increase the energy production of recovery boilers. This improvement is encouraged by the current energy policy and the rapid rise in energy prices, especially in electricity. In addition, the energy efficiency of the power plants is intended to be improved. There are several methods to increase the energy production. The methods taken into more accurate study are lower pressure steam for soot blowing and flue gas coolers. Energy balances are made for these two cases to check a plausible addition of power generation of turbo-generator of the steam turbine. Also, the viability issues are studied. Solvo Power Plant Simulation program is used for the energy balance research. Two case power plants are simulated to solve the balances. To solve the addition of power generation with the flue gas coolers, basic balance calculation is performed. The viabilities are also taken into account, especially the payback times of these alternatives. On the basis of the results, installing the system to the process is viable in both cases. By installing the lowest possible pressure steam system for the soot blowing, the advantages are the most significant. The investment costs are the highest but the payback time is less than 1,5 years and the profit in the next 20 years is the greatest. In the case of flue gas coolers, the results did not entirely agree with past studies. Nevertheless, installing the flue gas coolers into the process also seems to be significant and profitable.

Korkeasti kuormitetun soodakattilan likaantumisen ja päästöjen vähentäminen

Tässä työssä perehdytään korkeasti kuormitettujen soodakattiloiden tyypillisiin ongelmiin. Ongelmia ovat likaantuminen ja tukkeutuminen sekä liialliset päästöt. Työn teoriaosassa esitetään taustat likaantumiselle ja päästöjen muodostumiselle. Molemmat johtuvat suurelta osin tulipesän huonosta toiminnasta. Soodakattilan ilmajärjestelmä ja mustalipeän ruiskutus vaikuttavat tulipesän toimintaan. Usein tulipesän toimintaa voidaan parantaa ilmajärjestelmän ja lipeänruiskutuksen säätöjä muuttamalla. Suurempi muutos tulipesän toimintaan saadaan uusimalla perinteinen sekundääri-ilmajärjestelmä vertikaali-ilmajärjestelmäksi. Nykyaikainen vertikaali-ilmajärjestelmä sekoittaa savukaasut tehokkaasti ja saa aikaan tasaisemman virtauksen tulipesään. Myös mustalipeän korkea kloori- ja kaliumpitoisuus voivat aiheuttaa lämpöpintojen likaantumista. Oikea nuohointen sijainti on tärkeä tekijä kattilan puhtaana pysymisen kannalta. Työn kokeellisessa osassa selvitetään, kuinka erään eukalyptussellutehtaan korkeasti kuormitetun soodakattilan käytettävyyttä voidaan parantaa ja kapasiteettia nostaa soodakattilan toimintaa virittämällä. Kattilan nykyinen ajomalli ja ongelmat selvitettiin. Tulipesän toimintaa testattiin muuttamalla ilmajakoa primääri-, sekundääri- ja tertiääri-ilman välillä ja muuttamalla sekundääri-ilman syöttöä tulipesään. Testien ja kerätyn tiedon perusteella voitiin päätellä, miten soodakattilaa kannattaa modernisoida kapasiteetin nostamiseksi ja käytettävyyden parantamiseksi. Usein tulipesän toimintaa ja käytettävyyttä voidaan parantaa paljon jo pienilläkin muutostöillä. Kapasiteetin nostaminen vaatii tavallisesti suuremman investoinnin ja pidennetyn vuosihuoltoseisokin.