Assessing the Environmental Value of Water Treatment Solutions in the Mining Industry

Environmental accountability has become a major source of competitive advantage for industrial companies, because customers consider it as relevant buying criterion. However, in order to leverage their environmental responsibility, industrial suppliers have to be able to demonstrate the environmental value of their products and services, which is also the aim of Kemira, a global water chemistry company considered in this study. The aim of this thesis is to develop a tool which Kemira can use to assess the environmental value of their solutions for the customer companies in mining industry. This study answers to questions on what kinds of methods to assess environmental impacts exist, and what kind of tool could be used to assess the environmental value of Kemira’s water treatment solutions. The environmental impacts of mining activities vary greatly between different mines. Generally the major impacts include the water related issues and wastes. Energy consumption is also a significant environmental aspect. Water related issues include water consumption and impacts in water quality. There are several methods to assess environmental impacts, for example life cycle assessment, eco-efficiency tools, footprint calculations and process simulation. In addition the corresponding financial value may be estimated utilizing monetary assessment methods. Some of the industrial companies considered in the analysis of industry best practices use environmental and sustainability assessments. Based on the theoretical research and conducted interviews, an Excel based tool utilizing reference data on previous customer cases and customer specific test results was considered to be most suitable to assess the environmental value of Kemira’s solutions. The tool can be used to demonstrate the functionality of Kemira’s solutions in customers’ processes, their impacts in other process parameters and their environmental and financial aspects. In the future, the tool may be applied to fit also Kemira’s other segments, not only mining industry.

Päällystävän paperikoneen vesikiertojen mallinnus

Työssä mallinnettiin kevyesti päällystettyjä aikakauslehtipapereita valmistavan paperikoneen vesikierrot Balas-ohjelman avulla. Mallin avulla selvitettiin paperikoneelle suunniteltujen muutosten vaikutuksia haitallisten aineiden tasoihin, muihin mallinnettuihin parametreihin ja vedenkulutukseen. Mallin luotettavuutta testattiin käytännössä tehdyillä muutoksilla. Vesinäytteistä haitallisina aineina tarkasteltiin lipofiilisten uuteaineiden, kalsiumin, alumiinin, raudan, piin ja sulfaatin pitoisuuksia. Pohjapaperinäytteistä määritettiin lipofiilisten uuteaineiden sekä kalsiumin ja alumiinin pitoisuudet. Paperikoneelle suunniteltuja muutoksia olivat kiekkosuodattimien kirkkaan suodoksen käyttö viiraosan suihkuvetenä ja päällystyksen yhteydessä syntyvän pastajätteen käyttö pohjapaperin täyteaineena. Kirkkaan suodoksen käytön lisäämisellä pyrittiin vähentämään raakaveden käyttöä. Pastajäte sisältää arvokkaita raaka-aineita, jotka kannattaisi hyödyntää paperitehtaalla. Nykyisin pastajäte kuljetetaan läjitysalueelle. Balas-mallin todettiin mallintavan melko luotettavasti liuenneiden haitallisten aineiden pitoisuuksien sekä muista parametreista muun muassa sakeuden ja tuhkapitoisuuden muutoksia. Pastajätteen palautuksen mallinnuksessa haitallisten aineiden pitoisuudet laskivat prosessissa. Tämä toteutui koeajossa, koska jätepastasta suurin osa oli vettä, joka huuhtoi prosessia. Kirkkaan suodoksen käyttö suihkuvetenä ei nostanut epäorgaanisten haitallisten aineiden pitoisuuksia niin paljon kuin malli ennusti. Todennäköisesti haitalliset aineet saostuivat tai poistuivat tuotteen mukana prosessista. Kirkassuodos-koeajon aikana otetussa pohjapaperinäytteessä kiinteän kalsiumin pitoisuus oli 40 % ja kiinteän alumiinin pitoisuus 11 % korkeampi mutta uuteaineiden pitoisuus 20 % alhaisempi kuin referenssipohjapaperissa.

Improvements in Air Intake on Frame 6 Gas Turbines

Työssä tarkastellaan kahta kaasuturbiinin imuilman sisäänottojärjestelmän kehitysmenetelmää, imuilman jäähdytystä ja sähköstaattista suodatusta. Imuilman jäähdytysmenetelmien tarkastelussa käytettiin kahta kaasuturbiinin tehonlisäystekniikoiden laskentatyökalua. Arviointi kohdistettiin Glanford Brigg Generating Station -voimalaitoksen kaasuturbiinityyppiin ja paikallisiin englantilaisiin ilmasto-olosuhteisiin. Tarkastelussa olivat kostutusjäähdytys ja overspray. Tuloksia vertailtiin keskenään ja näiden perusteella arvioitiin menetelmien vaikutuksia tehoon, hyötysuhteeseen sekä veden kulutukseen. Sähköstaattisen suodattimen prototyyppi oli rakennettu Briggin voimalaitokselle. Järjestelmää kehitetään kaupalliseksi tuotteeksi ja tätä varten kerättiin tekninen dokumentaatio kokonaisuudeksi, jota voitiin hyödyntää tuotteistusprosessissa. Imuilman jäähdyttämisellä voidaan saavuttaa merkittävä tehonlisäys ilmasto-olosuhteista riippuen. Menetelmällä voidaan myös tasata lämpötilan vuorokausi-vaihtelusta aiheutuvia tehoeroja. Sähköstaattisen suodattimen prototyyppi saavutti kehitysvaiheelle asetetut tavoitteet. Sähköstaattinen suodatus tarjoaa useita etuja perinteiseen mekaaniseen suodatukseen verrattuna.

BOD-päästön vähentäminen hienopaperitehtaalla

Diplomityön tavoitteena oli selvittää hienopaperitehtaan BOD-päästön vähentämismahdollisuudet. Tehtaalla tapahtuvien uudistusten vaikutus BOD-päästön määrään selvitettiin. Lisäksi selvitettiin uudistetun paperivalmistusprosessin BOD-päästön alkuperä ja syntyvien jätevesien tilavuusvirta. BOD:n kuormitusmäärän kehittymistä arvioitiin mallintamalla. Kirjallisuusosassa on käsitelty hienopaperin valmistusprosessin vaiheita sekä tarkasteltu paperitehtaan vedenkäyttöä ja vesikiertoja. Myös jätevesien COD- ja BOD-kuormituslähteet on selvitetty. Kokeellinen osa alkaa hienopaperitehtaan prosessikuvauksella. Paperitehtaan malli rakennettiin VTT:n Tekesin CACTUS-teknologiaohjelmassa kehittämällä Balas-simulointiohjelmalla. Kokeellisessa osassa on käyty läpi mallin rakennusvaiheet. Paperinvalmistusprosessissa toteutettavien uudistusvaiheiden vaikutus päästöihin mallinnettiin. Tuloksena voitiin todeta, että tehtaan tuotantosuunnan ja -määrien muutoksesta huolimatta BOD-päästö ei merkittävästi muutu. Sen sijaan ominaiskuormitus laskee. Ennen uudistuksia BOD-kuorma oli pääasiassa peräisin pintaliimatusta hylystä, kun taas uudistusten jälkeen suurin osa BOD-kuormasta tulee tuoremassojen mukana prosessiin.

Hylky- ja vesijärjestelmän vaikutus kartongin tuotepuhtauteen

Kirjallisuusosassa käsitellään paperi- ja kartonkikoneiden eri vesijärjestelmiä, vedenkäytön vähentämistä ja sen vaikutusta prosessiin. Mikrobiologiaa, mikrobien aiheuttamia prosessiongelmia, mikrobien torjuntaa ja simulointia on myös käsitelty kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa laadittiin Kartonkikone 1:n massa- ja vesijärjestelmän mikrobiologisen puhtauden simulointimalli Balas-prosessisimulointiohjelmalla. Kartongin mikrobiologinen puhtaus määritettiin kokonaispesäkelukuna. Kokeellinen osa sisälsi pilot-mittakaavan suodatinkoeajoja, joissa määritettiin tarvittavat erotusparametrit simulointimallille, selvitettiin Dynasand-hiekkasuodattimen soveltuvuus suihkuvesien puhdistukseen, Dynadisc-kiekkosuodattimen käyttökelpoisuus kiertoveden puhdistukseen kiertovesisuodattimena ja hiekkasuodattimien esisuodattimena sekä UV-reaktorin soveltuvuus suodatettujen vesien desifiointiin. Simulointimallilla tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtojen vaikutus kartongin mikrobiologiseen puhtauteen. Suihkuvesien puhdistaminen hiekkasuodattimilla alentaa kokonaispesäkelukua vain vähän. Koneen ajettavuus paranee suihkuputkien roskaryöppyjen ja viiraosan limoittumisen vähenemisen takia. Kiertovesijärjestelmän pelkkä jakaminen hylkyprosessi- ja sakeudensäätövedeksi aiheuttaa kokonaispesäkeluvun kasvun prosessista poistettavien vesien puhdistumisen takia. Kokonaispesäkeluku minimoidaan poistamalla ylimääräinen vesi hylkysaostajan suodoksena. Suodatettua hylkysaostajan suodoksen ja viiraveden seosta käytetään sekä sakeudensäätö- että hylkyprosessivedeksi. Hylkymassalla on dominoiva vaikutus kokonaispesäkelukuun. Suurin vähennys kokonaispesäkeluvussa saadaan estämällä mikrobikasvu hylkymassassa. Tämä voidaan tehdä kuumentamalla hylkymassa 80 °C:n höyryllä. Suodatuskoeajojen perusteella Dynasand-hiekkasuodattimella voidaan puhdistaa pisaralämmönvaihtimelta saatavaa lämmintä suihkuvettä. Esisuodatettua kiertovettä voidaan puhdistaa Dynasand-hiekkasuodattimella viiran johtotelojen suihkuvedeksi. Dynadisc-kiekkosuodatinta voidaan käyttää hiekkasuodattimen esisuodattimena ja kiertovesisuodattimena. UV-säteily poistaa tehokkaasti mikrobeja suodatetuista vesistä.

Maalitehtaan energiakatselmus

Diplomityö on osa kokonaisuutta, jossa on tarkoitus toteuttaa Motivan mallin mukainen energiakatselmus maalitehtaalle. Työn osuutena katselmuksessa oli työhön tarvittavien alkutietojen kerääminen, tarjouspyynnön tekeminen katselmuksia tekeville yrityksille ja katselmuksen kenttätöissä ja mittauksissa avustaminen. Tarvittavien alkutietojen keräämiseen liittyi myös työhön tehty alustava energiakulutuksen jakauma sähkön- ja lämmönkulutukselle kohteittain. Työssä esitellään energiakatselmusmalli ja käydään läpi sen eri vaiheet työssä toteutetussa järjestyksessä. Energiakatselmuksesta saadut ehdotukset energiatehokkuuden parantamiseksi käydään läpi ja niiden soveltuvuutta tehtaalle arvioidaan. Energiakatselmuksen tulokset olivat erittäin positiivisia ja katselmus tehtaalle onnistui hyvin. Kaikki katselmuksen säästöehdotukset olivat järkevästi ja yksinkertaisesti toteutettavissa. Suurin potentiaali säästöille oli tehtaan vedenkulutuksessa ja ilmanvaihdon lämmönkulutuksessa.

Imatran tehtaiden jätevesipäästöjen hallinta- ja analysointityökalun kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää Stora Enso Oyj:n Imatran tehtaille Wedge-pohjainen analysointityökalu, jolla voidaan hallita prosessi- ja päästötietojen yhteys nykyistä paremmin. Wedgeen määriteltiin päästömittauksia, olennaisia prosessimittauksia ja tarpeelliset laskennat kuormituksen ennustamiseksi lähtien tuotantoprosessien tilasta. Työssä tehtiin kemialliselle ja biologiselle jätevedenpuhdistamolle meneville jätevesille laskennallisia malleja, joita verrattiin mitattuihin arvoihin. Kemialliselle jätevedenpuhdistamolle meneville jätevesille tehtiin malli jäteveden virtaamalle. Biologiselle jätevedenpuhdistamolle meneville jätevesille tehtiin mallit jäteveden virtaamalle sekä COD-, AOX- ja alkuainekuormituksille. Alkuaineista työhön otettiin mukaan natrium, rikki ja kloori. Teoriaosassa on käsitelty sellu- ja paperitehtaiden vedenkäyttöä, tehtaan eri osastojen jätevesikuormitusta, jäteveden puhdistusmenetelmiä sekä prosessidatan käsittelymenetelmiä. Kokeellisessa osassa on esitelty mitattujen ja laskennallisten mallien yhteyttä. Suurin osa laskennallisista malleista näyttää seuraavan kohtuullisen hyvin mitattuja arvoja. Kokeellisessa osassa on myös havainnollistettu esimerkkien avulla mallien hyödyntämistä. Työn hyötynä on normaalien kuormitusvaihteluiden ja häiriöpäästöjen entistä tarkempi ja nopeampi erottelu. Pitkällä tähtäimellä Wedge-ohjelman avulla pystytään keskittämään jätevesikuormituksen vähentämistoimenpiteet olennaisimpiin kohteisiin.

The effect of pulp washing on bleaching efficiency

The main aim of this study was to inspect the influence of the ultrafiltration implementation on the washing and on bleaching efficiency. Four cases corresponding to four washing stages were observed: two with hardwood pulp and two with softwood pulp; each case had a reference and a trial experiment. The experiments with hardwood pulp were arranged in a manner to explore predominantly the possibility of bleaching performance improvement by applying for washing instead of untreated filtrate (reference case) the same treated one (trial case). Despite that the ultrafiltration reduced the COD of the wash filtrates allowing the decreasing of COD carry-over to the bleaching stage it didn’t affect the bleaching performance. Another set was used in the experiments with softwood pulp. It implied the ultrafiltration and recirculation of the filtrate to the same washing stage with the purpose to reduce the volumes and pollution of the bleaching effluents. In one case the negative result was obtained which was expressed by worse parameters of the pulp after bleaching. Another case showed the opportunity to replace hot water with the filtrate and reduce the fresh water consumption.

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.

Veden desinfiointi UV-LED-valolla

Veden riittämätön puhdistus aiheuttaa riskin veden käyttäjille. Miljoonia kuolemia vuosittain aiheuttavien vesiteitse leviävien sairauksien ehkäisemiseksi vaaditaan tehokkaita juomaveden desinfiointimenetelmiä. Kuivuuden ja väestönkasvun myötä veden tarve on lisääntynyt ja vedenkulutus tulee yhä kasvamaan. Tästä syystä mahdollisuus kierrättää vettä hyödyntäen sitä esimerkiksi kasteluun on saanut yhä enemmän huomiota. Kierrätettävä vesi on kuitenkin käsiteltävä huolellisesti sen sisältämän mikrobiologisen kontaminaatioriskin vuoksi. Ultraviolettisäteily luokitellaan fysikaaliseksi desinfiointimenetelmäksi. Sen tehokkuus perustuu mikro-organismien absorboimaan UV-säteilyyn, jonka aiheuttamien DNA:ssa tai RNA:ssa tapahtuvien muutoksien seurauksena mikro-organismi inaktivoituu ja estyy lisääntymästä. UV-desinfioinnissa on tyypillisesti käytetty elohopeahöyrylamppuja. Vaihtoehtoinen UV-säteilyn lähde ovat LEDit eli valoa emittoivat diodit. Matalapaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on aallonpituudella 254 nm ja keskipaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on laajakaistaista säteilyä. Energiatehokkuuden lisäksi LEDien etuna on, että niillä voidaan tuottaa kapeakaista säteilyä aallonpituudella, joka parhaiten absorboituu DNA:han. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia, onko UVC-alueen aallonpituuksien yhdistelmillä synergistisiä etuja LEDien desinfiointitehokkuuteen, kun desinfioidaan virtaavaa vettä useilla säteilyannoksilla ja indikaattorimikrobina käytetään kolibakteeria. Tavoitteena oli myös tutkia tällä hetkellä saatavissa olevien LEDien desinfiointitehokkuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Yksittäisistä aallonpituuksista desinfiointitehokkuudeltaan parhaimmaksi osoittautui 260 nm, aallonpituuksien yhdistelmistä tehokkain oli 265 nm:n ja 260 nm:n yhdistelmä. Muilla aallonpituuksien yhdistelmillä ei saavutettu odotettua parempaa desinfiointitehokkuutta. Optiselta teholtaan parhaimmat LEDit, 265 nm, 270 nm ja 275 nm olivat kokeiden perusteella myös energiatehokkuuden kannalta tarkasteltuina parhaimmat sekä yksittäin että yhdistelminä. UVC-aallonpituuksia emittoivien LEDien optisen tehokkuuden paraneminen on edellytys LEDien hyödyntämiselle desinfioinnissa.

Mineraalien rikastusprosessin vesijalanjälki

Mineraalien rikastamiseen käytetään useita fysikaalisia ja kemiallisia menetelmiä. Prosessi sisältää malmin hienonnuksen, rikastuksen ja lopuksi vedenpoistamisen rikastelietteestä. Malmin rikastamiseen käytetään muun muassa vaahdotusta, liuotusta, magneettista rikastusta ja tiheyseroihin perustuvia rikastusmenetelmiä. Rikastuslietteestä voidaan poistaa vettä sakeuttamalla ja suodattamalla. Rikastusprosessin ympäristövaikutuksia voidaan arvioida laskemalla tuotteen vesijalanjälki, joka kertoo valmistamiseen kulutetun veden määrän. Tässä kirjallisuustyössä esiteltiin mineraalien käsittelymenetelmiä sekä prosessijätevesien puhdistusmenetelmiä. Kirjallisuuslähteiden pohjalta selvitettiin Pyhäsalmen kaivoksella valmistetun kuparianodin vesijalanjälki sekä esitettiin menetelmiä, joilla prosessiin tarvittavan raakaveden kulutusta voitaisiin vähentää. Pyhäsalmella kuparirikasteesta valmistetun kuparianodin vesijalanjälki on 240 litraa H2O ekvivalenttia tuotettua tonnia kohden. Pyhäsalmen prosessin raakaveden kulutusta voidaan vähentää lisäämällä sisäistä vedenkierrätystä. Kalsiumsulfaatin saostuminen putkiin ja pumppuihin on ilmentynyt ongelmaksi vedenkierrätyksen lisäämisessä. Kalsiumsulfaattia voidaan erottaa vedestä membraaneihin, ioninvaihtoon ja sähkökemiaan perustuvilla tekniikoilla. Vaihtoehdossa, jossa johdetaan kaikista kolmesta vaahdotuksesta saatavat rikastuslietteen ja rikastushiekan sakeutuksien ylitteet sekä suodatuksien suodosvedet samaan vedenkäsittelyyn voidaan kattaa arviolta noin 65 % koko veden tarpeesta. Raakavettä säästetään vuodessa 3,4 Mm^3 ja samalla rikastushiekka-altaiden tarvittava koko pienenee, joka vähentää ympäristöriskejä.

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation: S drive = H steam (ρ down + ρ mix) g where: ρ down - density of water in downcomer tubes; ρ mix - density of water in riser tubes; H steam - height of steam content section; g - acceleration of gravity. In steam boilers with natural circulation the circulation rate is usually between 10 and 30. Thus, consumption of water in the circulation circuit “circulation rate times” more than steam output of the boiler. There are two aspects of the design of natural water circulation loops. One is to ensure a sufficient mass flux of circulating water to avoid burnout of evaporator tubes. The other is to avoid tube wall temperature fluctuation and tube vibration due to oscillation of circulation velocity. The design criteria are therefore reduced, in principle, to those of critical heat flux, critical flow rate for burnout, and flow instability. In practical design, however, the circulation velocity and the void fraction at the evaporator tube outlet are used as the design criteria (Seikan I., et. al., 1999). This study has been made with assumption that the heat flux in the furnace of the boiler even all the time. The target of the study was to define the circulation rate of the boiler, thus average heat flux do not change it. I would like to acknowledge professionals from “Foster Wheeler” company for good and comfortable cooperation.

Comparison of sustainability of technologies for water desalination

The aim of this work is to perform an in-depth overview on the sustainability of several major commercialized technologies for water desalination and to identify the challenges and propose suggestions for the development of water desalination technologies. The overview of those technologies mainly focuses on the sustainability from the viewpoint of total capital investment, total product cost, energy consumption and global warming index. Additionally, a systematic sustainability assessment methodology has been introduced to validate the assessment process. Conclusions are:1) Reverse osmosis desalination (RO) plants are better than multi-stage flash distillation (MSF) desalination plants and multiple-effect distillation (MED) desalination plants from the viewpoint of energy consumption, global warming index and total production cost; 2)Though energy intensive, MSF plants and MED plants secure their advantages over RO plants by lower total capital investment, wider applicability and purer water desalted and they are still likely to flourish in energy-rich area;3) Water production stage and wastewater disposal stage are the two stages during which most pollutant gases are emitted. The water production stage alone contributes approximately 80~90% of the total pollutant gases emission during its life cycle; 4)The total capital cost per m3 desalted water decreases remarkably with the increasing of plant capacity. The differences between the capital cost per m3 desalted water of RO and other desalination plants will decrease as the capacity increases; 5) It is found that utilities costs serve as the major part of the total product cost, and they account for 91.16%, 85.55% and 71.26% of the total product cost for MSF, MED and RO plants, respectively; 6) The absolute superiority of given technology depends on the actual social-economic situation (energy prices, social policies, technology advancements).