Optimization of hydrogen plant efficiency

The purpose of this master’s thesis was to study ways to increase the operating cost-efficiency of the hydrogen production process by optimizing the process parameters while, at the same time, maintaining plant reliability and safety. The literature part reviewed other hydrogen production and purification processes as well as raw material alternatives for hydrogen production. The experimental part of the master’s thesis was conducted at Solvay Chemicals Finland Oy’s hydrogen plant in spring 2012. It was performed by changing the process parameters, first, one by one, aiming for a more efficient process with clean product gas and lower natural gas consumption. The values of the process parameters were tested based on the information from the literature, process simulation and experiences of previous similar processes. The studied parameters were reformer outlet temperature, shift converter inlet temperature and steam/carbon ratio. The results show that the optimal process conditions are a lower steam/carbon ratio and reformer outlet temperature than the current values of 3.0 and 798 °C. An increase/decrease in the shift conversion inlet temperature does not affect natural gas consumption, but it has an effect on minimizing the process steam overload.

Productizing of advanced service for power plants

Työn tavoitteena on kehittää ABB:lle palvelutuote, jota voidaan tarjota voimalaitosasiakkaille. Uuden palvelutuotteen tulee vastata ABB:n uuden strategian linjauksiin. Palvelulla tarjotaan asiakkaille 1.1.2015 voimaan tulleen energiatehokkuuslain määrittelemien pakollisten toimenpiteiden suoritusta. Työssä kerätään, käsitellään ja analysoidaan tietoa voimalaitosasiakkaille suunnatun palvelun tuotteistamisprosessin päätöksenteon tueksi. Palvelutuotteen kehittämistä varten tutkitaan ABB:n nykyisiä palvelutuotteita, osaamista ja referenssi projekteja, energiatehokkuuslakia, voimalaitosten energiatehokkuus-potentiaalia ja erilaisia energiakatselmusmalleja. Päätöksenteon tueksi tehdään referenssiprojektina energia-analyysi voimalaitokselle, jossa voimalaitoksesta tehdään ipsePRO simulointiohjelmalla mallinnus. Mallinnuksen ja koeajojen avulla tutkitaan voimalaitoksen minimikuorman optimointia. Markkinatutkimuksessa selvitetään lainsäädännön vaikutusta, nykyistä markkinatilannetta, potentiaalisia asiakkaita, kilpailijoita ja ABB:n mahdollisuuksia toimia alalla SWOT–analyysin avulla. Tutkimuksen tulosten perusteella tehdään päätös tuotteistaa voimalaitoksille palvelutuote, joka sisältää kaikki toimet energiatehokkuuslain asettamien vaatimusten täyttämiseen yrityksen energiakatselmuksen vastuuhenkilön, energiakatselmuksen ja kohdekatselmuksien teon osalta. Lisäksi työn aikana Energiavirasto myönsi ABB:lle pätevyyden toimia yrityksen energiakatselmuksen vastuuhenkilönä, mikä on edellytyksenä palvelun tarjoamiselle.

Optimization of the ink removal in deinking plant

Diplomityön tarkoituksena oli parantaa Stora Enso Sachsenin siistausprosessissa tuotetun uusiomassan vaaleuden kehitystä ja tutkia siihen vaikuttavia tekijöitä. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin uusiomassan kuidutusta ja vaahdotussiistausprosessia, sekä keräyspaperin ominaisuuksia ja käyttöä paperiteollisuuden raaka-aineena. Kokeellisessa osassa keskityttiin modifioidun natriumsilikaatin annostuksenoptimointiin ja vaikutuksiin laboratorio- ja prosessioloissa, sekä kesäefektin vaikutuksen tutkimiseen kuidutuksessa ja flotaation eri vaiheissa. Natriumsilikaatin laboratoriotutkimuksessa havaittiin, että korkein vaaleus suhteellisesti pienimmällä laboratorioflotaation häviöllä saavutettiin korkeimmalla tutkitulla natriumsilikaatin annostuksella, joka oli 1,1 %. Korkea natriumsilikaattiannostus yhdistettyinä korkeisiin vetyperoksidiannostukseen, 0,5 %, sekä korkeaan kokonaisalkaliteettiin, 0.33 %, johti korkeimpaan massan vaaleuteen ja pienimpiin häviöihin. Laboratoriotutkimuksen pohjalta modifioidulla natriumsilikaatilla suoritettiin koeajoja prosessissa. Noin 1 % natriumsilikaatin annostuksella havaittiin parempi pH:n bufferointikyky, pienempi kalsiumkarbonaatin määrä flotaation primäärivaiheissa, sekä lievästi parempi massan vaaleus verrattuna prosessissa aiemmin käytettyyn standardinatriumsilikaattiin. Kesäefektitutkimuksessa havaittiin, että kesäefektillä on suurin vaikutus esiflotaation primäärivaiheeseen, sillä primäärivaiheessa kuitujen osuus on huomattavasti suurempi kuin sekundäärivaiheissa. Esiflotaation primäärivaiheen uusiomassojen laboratorioflotaatioiden avulla saavutettujen maksimivaaleuksien ero kesän ja talven välillä oli noin 1,5 %ISO. Kesäefektin ei havaittu suuresti vaikuttavan flotaation sekundäärivaiheisiin.

The Optimization of Flotation Process Parameters in the Deinking Plant

Tämän diplomityön tavoitteena oli sekundäärisen esiflotaation optimointi Stora Enso Sachsen GmbH:n tehtaalla. Optimoinnin muuttujana käytettiin vaahdon määrää ja optimointiparametreinä ISO-vaaleutta, saantoja sekä tuhkapitoisuutta. Lisäksi tutkittiin flotaatiosakeuden vaikutusta myös muihin tehtaan flotaatioprosesseihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin flotaatiotapahtumaa, poistettavien partikkeleiden ja ilmakuplien kontaktia, vaahdon muodostumista sekä tärkeimpiä käytössä olevia siistausflotaattoreiden laiteratkaisuja. Kokeellisessa osassa tutkittiin flotaatiosakeuden pienetämisen vaikutuksia tehtaan flotaatioprosesseihin tuhkapitoisuuden, ISO-vaaleuden, valon sironta- ja valon absorpiokerrointen kannalta. Sekundäärisen esiflotaation optimonti suoritettiin muuttamalla vaahdon määrää kolmella erilaisella injektorin koolla, (8 mm, 10 mm ja 13 mm), joista keskimmäinen kasvattaa 30 % massan tilavuusvirtaa ilmapitoisuuden muodossa. Optimonnin tarkoituksena oli kasvattaa hyväksytyn massajakeen ISO-vaaleutta, sekä kasvattaa kuitu- ja kokonaissaantoa sekundäärisessä esiflotaatiossa. Flotaatiosakeuden pienentämisellä oli edullisia vaikutuksia ISO-vaaleuteen ja valon sirontakertoimeen kussakin flotaatiossa. Tuhkapitoisuus pieneni sekundäärisissä flotaatioissa enemmän sakeuden ollessa pienempi, kun taas primäärisissä flotaatiossa vaikutus oli päinvastainen. Valon absorptiokerroin parani jälkiflotaatioissa alhaisemmalla sakeudella, kun taas esiflotaatioissa vaikutus oli päinvastainen. Sekundäärisen esiflotaation optimoinnin tuloksena oli lähes 5 % parempi ISO-vaaleus hyväksytyssä massajakeessa. Kokonaissaanto parani optimoinnin myötä 5 % ja kuitusaanto 2 %. Saantojen nousu tuottaa vuosittaisia säästöjä siistauslaitoksen tuotantokapasiteetin noustessa 0,5 %. Tämän lisäksi sekundäärisessä esiflotaatiossa rejektoituvan massavirran pienentyminen tuottaa lisäsäästöjä tehtaan voimalaitoksella.

Optimization of a dynamic district heating power plant

The purpose of this Thesis is to find the most optimal heat recovery solution for Wärtsilä’s dynamic district heating power plant considering Germany energy markets as in Germany government pays subsidies for CHP plants in order to increase its share of domestic power production to 25 % by 2020. Different heat recovery connections have been simulated dozens to be able to determine the most efficient heat recovery connections. The purpose is also to study feasibility of different heat recovery connections in the dynamic district heating power plant in the Germany markets thus taking into consideration the day ahead electricity prices, district heating network temperatures and CHP subsidies accordingly. The auxiliary cooling, dynamical operation and cost efficiency of the power plant is also investigated.

Optimization of a steel plant utilizing converted biomass

Inom nära framtid kan det vara ekonomiskt lönsamt att investera i träbaserad biomassa-användning inom stålproduktion. En förutsättning är att biomassans bränsle-egenskaper förbättras genom en sorts förkolning, närmare sagt långsam pyrolysering. Som biomassakälla duger skogsrester och dylikt. Nyttan med att använda biomassa är att man reducerar fossila CO2-utsläpp och på så vis minskar på den globala uppvärmningen; detta kräver dock att återplantering görs för att fånga de frigjorda CO2-utsläppen som härstammar från biomassans skörd, transport, processering och förbränning. En investering i en pyrolyseringsanläggning integrerad i ett stålverk kan vara lönsam ifall utsläppskatten är över 20 € per ton CO2 då biomassakostnaden är 40 € per ton torr substans. Detta är dock inte fallet i dagens läge och i Finland är dessa avgifter beroende av politiska beslut på Europeisk nivå. Det kunde dock vara av politiskt intresse att stödja biomassa-användningen inom stålindustrin eftersom detta skulle skapa nya arbetsplatser såväl inom själva stålindustrin som inom skogsindustrin och möjligen även inom kemi-industrin, beroende på hur de resulterande pyrolysprodukterna (träkol, gas och bio-oljor) utnyttjas. Med tanke på att närmare en femtedel av alla CO2-utsläpp härstammande från industrin kommer från stålindustrin så är det uppenbart att mera miljövänligare alternativ kommer att krävas i framtiden. Lähitulevaisuudessa voi olla taloudellisesti kannattavaa käyttää puuperäistä biomassaa teräksen valmistuksessa. Tämä vaatii kuitenkin sen, että biomassa läpikäy eräänlaisen hiillostuksen, eli pyrolyysin, ja tässä tapauksessa, hitaan pyrolyysin. Biomassalähteeksi kelpaavat esimerkiksi hakkuujätteet ja muu puujäte. Hyöty biomassankäytöstä syntyy siitä, kun se osittain korvaa perinteisesti käytettyjä fossiilisia polttoaineita, jolloin fossiiliset hiilidioksidipäästöt vähenevät ja tällöin myös vaikutus ilmaston lämpenemiseen vähenee. Edellytyksenä on tietysti se, että uusia puita ja kasveja istutetaan, jotta biomassan keräyksestä, kuljetuksesta, käsittelystä sekä poltosta vapautunut hiilidioksidi saadaan jälleen talteen. Arvion mukaan pyrolyysiyksikön integroiminen terästehtaaseen tulee taloudellisesti kannattavaksi, kun hiilidioksidivero nousee yli 20 € per tonni, kun biomassan hinnaksi on arvioitu 40 € per tonni kuiva-ainesta. Kyseinen hintataso ei ole tällä hetkellä voimassa ja Suomen tilanne tässä asiassa on vahvasti kytköksissä Euroopan tasolla tehtäviin päätöksiin. Aihe voisi kuitenkin olla poliittisella tasolla kiinnostava ja taloudellisen tuen arvoista, koska biomassan käyttö loisi lisää työpaikkoja niin terästeollisuudessa kuin puuteollisuudessakin ja mahdollisesti myös kemianteollisuudessa, riippuen siitä miten erinäisiä pyrolyysituotteita (puuhiili, kaasu ja bio-öljy) hyödynnettäisiin. Ottaen huomioon, että terästeollisuus maailmanlaajuisesti vastaa noin viidesosasta kaikista teollisuudesta peräisin olevista hiilidioksidipäästöistä on päivänselvää, että ympäristöystävällisemmille vaihtoehdoille on tarvetta tulevaisuudessa.

Towards sustainable Iron- and steelmaking with economic optimization

The iron and steelmaking industry is among the major contributors to the anthropogenic emissions of carbon dioxide in the world. The rising levels of CO2 in the atmosphere and the global concern about the greenhouse effect and climate change have brought about considerable investigations on how to reduce the energy intensity and CO2 emissions of this industrial sector. In this thesis the problem is tackled by mathematical modeling and optimization using three different approaches. The possibility to use biomass in the integrated steel plant, particularly as an auxiliary reductant in the blast furnace, is investigated. By pre-processing the biomass its heating value and carbon content can be increased at the same time as the oxygen content is decreased. As the compression strength of the preprocessed biomass is lower than that of coke, it is not suitable for replacing a major part of the coke in the blast furnace burden. Therefore the biomass is assumed to be injected at the tuyere level of the blast furnace. Carbon capture and storage is, nowadays, mostly associated with power plants but it can also be used to reduce the CO2 emissions of an integrated steel plant. In the case of a blast furnace, the effect of CCS can be further increased by recycling the carbon dioxide stripped top gas back into the process. However, this affects the economy of the integrated steel plant, as the amount of top gases available, e.g., for power and heat production is decreased. High quality raw materials are a prerequisite for smooth blast furnace operation. High quality coal is especially needed to produce coke with sufficient properties to ensure proper gas permeability and smooth burden descent. Lower quality coals as well as natural gas, which some countries have in great volumes, can be utilized with various direct and smelting reduction processes. The DRI produced with a direct reduction process can be utilized as a feed material for blast furnace, basic oxygen furnace or electric arc furnace. The liquid hot metal from a smelting reduction process can in turn be used in basic oxygen furnace or electric arc furnace. The unit sizes and investment costs of an alternative ironmaking process are also lower than those of a blast furnace. In this study, the economy of an integrated steel plant is investigated by simulation and optimization. The studied system consists of linearly described unit processes from coke plant to steel making units, with a more detailed thermodynamical model of the blast furnace. The results from the blast furnace operation with biomass injection revealed the importance of proper pre-processing of the raw biomass as the composition of the biomass as well as the heating value and the yield are all affected by the pyrolysis temperature. As for recycling of CO2 stripped blast furnace top gas, substantial reductions in the emission rates are achieved if the stripped CO2 can be stored. However, the optimal recycling degree together with other operation conditions is heavily dependent on the cost structure of CO2 emissions and stripping/storage. The economical feasibility related to the use of DRI in the blast furnace depends on the price ratio between the DRI pellets and the BF pellets. The high amount of energy needed in the rotary hearth furnace to reduce the iron ore leads to increased CO2 emissions.

The transfer of 137Cs through the soil-plant-sheep food chain in different pasture ecosystems

Selostus: Radiocesiumin kulkeutuminen eri laidunekosysteemien maa-ruoho-lammas -ravintoketjussa

Optimization of centrifugal separation of Ó-lactalbumin and ¿̐ư-lactoglobulin

Selostus: Ó-lactalbumiinin ja ¿̐ư-lactoglobuliinin sentrifugointierotuksen optimointi

Yields, plant characteristics, total N and fibre composition of timothy cultivars grown at two latitudes

Selostus: Timoteilajikkeiden sadot, kasvuominaisuudet sekä typpi- ja kuitupitoisuus kahdella leveysasteella

Plant adaptation to temperature and photoperiod

Selostus: Kasvien sopeutuminen lämpötilaan ja päivän pituuteen