Development of remote monitoring process tools for biomass fired bubbling fluidized bed boilers

Remote monitoring of a power boiler allows the supplying company to make sure that equipment is used as supposed to and gives a good chance for process optimization. This improves co-operation between the supplier and the customer and creates an aura of trust that helps securing future contracts. Remote monitoring is already in use with recovery boilers but the goal is to expand especially to biomass-fired BFB-boilers. To make remote monitoring possible, data has to be measured reliably on site and the link between the power plant and supplying company’s server has to work reliably. Data can be gathered either with the supplier’s sensors or with measurements originally installed in the power plant if the plant in question is not originally built by the supplying company. Main goal in remote monitoring is process optimization and avoiding unnecessary accidents. This can be achieved for instance by following the efficiency curves and fouling in different parts of the process and comparing them to past values. The final amount of calculations depends on the amount of data gathered. Sudden changes in efficiency or fouling require further notice and in such a case it’s important that dialogue toward the power plant in question also works.

Enhancement of ultrafiltration process by pretreatment in recovery of hemicelluloses from wood extracts

Hemicelluloses are potential raw material for several items produced in future wood-based biorefineries. One possible method for recovering hemicelluloses from wood extracts is ultrafiltration (UF). However, low filtration capacities and severe fouling restrict the use of tight UF membranes in the treatment of wood extracts. The lack of suitable commercial membranes creates a need for pretreatment which would decrease fouling and increase the filtration capacity. This thesis focuses on the evaluation of the possibility to improve the filtration capacity and decrease fouling with the pretreatment of wood extracts. Methods which remove harmful compounds and methods which degrade them are studied, as well as combinations of the methods. The tested pretreatments have an influence on both the concentration of different compounds and the molecular mass distribution of the compounds in the extract. This study revealed that in addition to which kind of compounds were removed, also the change in molecular size distribution affected the filtration capacity significantly. It was shown that the most harmful compounds for the filtration capacity of the hydrophobic 5 kDa membrane were the ones capable of permeating the membrane and fouling also the inner membrane structure. Naturally, the size of the most harmful compounds depends on the used UF membrane and is thus case-specific. However, in the choice of the pretreatment method, the focus should be on the removal of harmful compound sizes rather than merely on the total amount of removed foulants. The results proved that filtration capacity can be increased with both adsorptive and oxidative pretreatments even by hundreds of per cents. For instance, the use of XAD7 and XAD16 adsorbents increased the average flux in the UF of a birch extract from nearly zero to 107 kg/(m2h) and 175 kg/(m2h), respectively. In the treatment of a spruce extract, oxidation by pulsed corona discharge (PCD) increased the flux in UF from 46 kg/(m2h) to 158 kg/(m2h). Moreover, when a birch extract batch was treated with laccase enzyme, the flux in UF increased from 15 kg/(m2h) to 36 kg/(m2h). However, fouling was decreased only by adsorptive pretreatment while oxidative methods had a negligible or even negative impact on it. This demonstrates that filtration capacity and fouling are affected by different compounds and mechanisms. The results of this thesis show that filtration capacity can be improved and fouling decreased through appropriate pretreatment. However, the choice of the best possible pretreatment is case-specific and depends on the wood extract and the membrane used. Finding the best option requires information on the extract content and membrane characteristics as well as on the filtration performance of the membrane in the prevailing conditions and a multivariate approach. On the basis of this study, it can be roughly concluded that adsorptive pretreatment improves the filtration capacity and decreases fouling rather reliably, but it may lead to significant hemicellulose losses. Oxidation reduces the loss of valuable hemicelluloses and could improve the filtration capacity, but fouling challenges may remain. Combining oxidation with adsorptive pretreatment was not a solution for avoiding hemicellulose losses in the tested cases.

Biomassaperäisen liuoksen fraktiointi membraanisuodatuksella

Työn tavoitteena oli hiilihydraattien ja aminohappojen talteenotto biomassaperäisistä liuoksista erilaisina fraktioina ultra- ja nanosuodattamalla niitä erilaisilla membraaneilla. Työ tehtiin selvitystyönä Senson Oy:lle syystalven 2015 ja kevään 2016 välisenä aikana. Teoriaosassa perehdyttiin nanosuodatukseen ja sen erilaisiin sovelluksiin teollisuudessa, sekä lyhyesti muihin paineavusteisiin membraanisuodatusprosesseihin. Teoriaosassa myös keskityttiin erityisesti nanosuodatuksessa käytettyihin membraaneihin sekä niiden likaantumismekanismeihin. Kokeellisessa osassa keskityttiin hiilihydraattien ja aminohappojen talteenottoon kolmesta biomassaperäisestä liuoksesta. Tutkimuksen osa-alueita olivat ultrasuodatus, ultrasuodatuksen konsentraatin kirkastaminen sekä ultrasuodatuksen permeaatin fraktiointi nanosuodatuksella. Tutkimuksessa kiinnitettiin myös erityistä huomiota suodatuskalvojen likaantumiseen ja peseytyvyyteen sekä kalvojen käytettävyyteen pesujen jälkeen. Ultrasuodatuksessa kaikkien kolmen liuoksen kohdalla tutkittavien hiilihydraattien saanto permeaattiin oli hyvä, noin 90 %. Ultrasuodatuksissa käytettyjen membraanien osalta ei myöskään ollut havaittavissa merkittävää likaantumista. Ultrasuodatuksen konsentraattien kirkastamiskokeissa sameutta aiheuttavat komponentit saatiin poistettua kaikista liuoksista yli 94 %:in tehokkuudella. Nanosuodatuksissa monosakkaridit saatiin erotettua suuremmista hiilihydraattikomponenteista joko täysin tai lähes täysin (97 - 100 %). Nanosuodatuksissa käytettyjen membraanien osalta huomattavaa likaantumista oli havaittavissa vain membraanilla 2. Tulosten perusteella nanosuodatuksen voidaan sanoa olevan tehokas tapa erottaa pienet monosakkaridit suuremmista hiilihydraattiyhdisteistä.

Lääkeaineiden poisto yhdyskuntajätevesistä katalyyttisillä membraaneilla

Lääkeaineiden poistaminen jätevedestä on tärkeää lääkeainejäämien ympäristöön pääsyn ehkäisemiseksi. Tämän työn tavoitteena on selvittää, soveltuvatko katalyyttiset membraanit lääkeaineiden poistoon jätevedestä ja saadaanko membraanisuodatusta tehostettua katalyyttisellä prosessilla. Työ käsittelee katalyyttisistä prosesseista fotokatalyysiä, joka perustuu valoa absorboivan katalyytin käyttöön. Kirjallisuustyössä tarkastellaan kahden erilaisen fotokatalyyttisen prosessin toimivuutta membraanisuodatuksen kanssa lääkeaineiden poistossa jätevedestä. Lisäksi tutkitaan fotokatalyysissä käytettävän katalyytin ja ultraviolettisäteilyn vaikutusta membraaniin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että katalyyttisillä membraaneilla voidaan poistaa lääkeaineita jätevedestä tehokkaasti. Parhaan lääkeaineiden poistotehokkuuden saamiseksi katalyytin määrä on optimoitava hajotusprosessin kannalta. Myös katalyytin sijainti membraanissa vaikuttaa tehokkuuteen. Katalyytti voi sijaita membraanista myös erillään. Tällöin saadaan käsiteltyä myös jatkuvatoimisessa membraanisuodatuksessa syntyvä lääkeaineita sisältävä konsentraattivirta. Kun katalyyttisellä membraanilla hajotetaan lääkeaineita, täytyy prosessin turvallisuuden kannalta olla hyvin selvillä mahdollisista syntyvistä myrkyllisistä välituotteista. Tutkimuksissa on myös todettu, että katalyyttisen membraanin käyttö vähentää membraanin likaantumista.