Epäpuhtauksien poistaminen sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen selektiivisiä ioninvaihtimia

Diplomityössä on tutkittu kuparin, koboltin, nikkelin ja kadmiumin poistamista sinkkisulfaattiliuoksista käyttäen uusia silikarunkoisia kelatoivia erotusmateriaaleja. Vertailukohteena on käytetty perinteisiä kaupallisia polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja. Laboratoriokokeissa selvitettiin erotusmateriaalien adsorptio- ja ioninvaihto-ominaisuuksia tasapaino- ja kolonnikokeilla. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittiin olosuhteissa, jotka vastaavat prosessisyklin eri vaiheita. Metallien adsorptiomekanismien selvittämiseksi erotusmateriaaleille tehtiin happo-emäs ja sulfaattititraukset. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla saatiin kupari erotettua väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista polymeerirunkoisia kelatoivia ioninvaihtohartseja paremmin. Tutkituilla erotusmateriaaleilla ja ioninvaihtohartseilla ei havaittu merkittävää selektiivisyyttä koboltille, nikkelille tai kadmiumille sinkin ja kuparin läsnä ollessa. Kolonnikokeilla yritettiin löytää paras esikäsittely-lataus-eluointisykli kuparin talteenottoon väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista silikarunkoisilla erotusmateriaaleilla. Kolonnikokeissa esikäsittely tehtiin laimealla NaOH:lla, jonka jälkeen petiin syötettiin hapanta sinkkisulfaattiliuosta. Eluointi onnistui hyvin laimealla rikkihapolla. Kolonnikokeiden tulokset osoittivat, että kupari on mahdollista erottaa väkevistä sinkkisulfaattiliuoksista. Silikarunkoisten erotusmateriaalien kemiallista kestävyyttä tutkittaessa havaittiin materiaalien kestävän hyvin happoja ja 60 oC:en lämpötilaa. Sitä vastoin alkaalisissa olosuhteissa tapahtui silikan liukenemista. Tutkituilla erotusmateriaaleilla havaittiin kuparin sitoutumista sekä ioninvaihtomekanismin avulla että sitoutuneena neutraalina suolana.

DSA-elektrodien testaaminen kulumisen arvioimiseksi

Työn tavoitteena oli tutkia eri mittausmenetelmillä metallipinnoitettujen elektrodien kulumista kulumiskokeiden aikana. Mittausmenetelminä olivat käytössä syklinen voltammetria, polarisaatiokäyrän määritys ja sähkökemiallinen impedanssispektrometria, jotka olivat offline-mittausmenetelmiä. Näiden menetelmien avulla pystyttiin seuraamaan yksittäisten elektrodien kulumista ajon aikana. Elektrodin pinnoitteen alkuaineiden pitoisuuksia tutkittiin myös elektronimikroskoopin röntgenspektrometrin avulla. Työn aikana tehdyissä kulumiskokeista havaittiin elektrodin kuluvan sitä nopeammin mitä suurempi on virrantiheys. Työssä tehtyjen elektronimikroskooppikokeiden avulla havaittiin, että harvinaisten metallien seostaminen pinnoitteeseen pidentää metallipinnoitetun elektrodin käyttöikää. Syklisen voltammetrian avulla pystyttiin seuraamaan elektrodin pinta-alan muuttumista ajon aikana. Työssä käytettyjen kulumiskokeiden avulla ei suoranaisesti pystytty määrittämään elektrodin jäljellä olevaa elinikää.

TMP- laitoksen mallinnus ja simulointi

Diplomityössä tehtiin Balas- simulointimalli Stora Enso Publication Papers Oy Ltd Varkauden tehtaiden kuumahierrelaitoksesta, johon sovitettiin tehtaan lämpö-, kuitu- ja kiertovesivirtaukset sekä kiertovesissä olevien liuenneiden ja kolloidisten aineiden virtaukset. Kirjallisuusosassa perehdyttiin simulaattorimallin luontiin ja käyttötarkoituksiin. Siinä käsitellään Balas- simulaattorin ominaisuuksia ja laiteparametrointia. Tarkastellaan kuumahierreprosessin eri vaiheita, olosuhteita ja laitteiden toimintaa. Perehdytään prosessin energian kulutukseen ja talteenottoon sekä kiertovesien liuenneiden ja kolloidisten aineiden mittaussuureisiin ja vaikutuksiin prosessissa. Simulaattorimallin tekemiseen kuului tehtaan virtauskaavion ja simulaattorimallin tekeminen, mittauskoesuunnittelu, tehdasmittaukset, simulaattorin parametrointi, mittaus- ja simulaattoritulosten yhteensovittaminen sekä mallin kelpoistaminen. Tehtaan virtauskaavion piirtämisessä käytettiin apuna tehtaan prosessi- ja instrumentointikaavioita, joiden pohjalta mittauskoesuunnitelma ja simulaattorimalli tehtiin. Koesuunnitelman mittaussuureiksi valittiin virtaukset, sakeudet, lämpötilat sekä kiertovesien kiintoaineen-, kokonaisorgaanisen hiilen- ja liuenneen orgaanisen aineen pitoisuuksien määritykset. Mittauksilla saatiin tietoja prosessivirtausten taseista, joita käytettiin simulaattorimallin keskeisempien laiteparametriarvojen määrityksessä. Exceliä hyödynnettiin mittaus- ja simulaattoritulosten taulukoinnissa, laiteparametrien laskemisessa sekä arvojen syötössä ja vastaanotossa Excelin ja simulaattorin välillä. Sitä käytettiin myös graafisessa mittaus- ja simulaattoritulosten yhteensovittamisessa, jolla pystyttiin havainnollisesti näkemään eri syöttöparametrien muutoksien vaikutukset simulaattorin laskemissa virtaustuloksissa. Mallin antamien arvojen ja todellisten prosessimittausarvojen yhteensovittamisen ja mallista varmistumisen tuloksista voidaan todeta mallin korreloivan todellista prosessia melko hyvin.

Hypermarket-ketjun energiatehokkuuden tunnusluvut

Päivittäistavarakaupassa energiankulutus on kohtuullisen suurta. Etenkin kylmälaitteet, ilmanvaihto ja valaistus kuluttavat paljon sähköä. Kaupan alalla on viime vuosina tehty paljon energiansäästötoimenpiteitä, joiden ansiosta myymälöiden energiatehokkuutta on saatu merkittävästi parannettua. Yksi tärkeimmistä toimenpiteistä on lämmön talteenotto, jolla lämmönkulutusta on saatu pienennettyä. Tässä opinnäytetyössä on selvitetty kahdenkymmenen ympäri Suomea sijaitsevan Prisma-hypermarketin energiatehokkuus. Sähkön- ja lämmön sekä veden kulutusta on arvioitu suhteessa rakennusvuoteen, pinta-alaan, rakennuksen tilavuuteen, lämmitystarvelukuun, kylmätehoon sekä myyntiin. Työssä on hyödynnetty internet-pohjaista Promise-luokitustyökalua.

Power Consumption in Carbon Capture and Storage Systems (CCS) and Possibilities to Reduce Power Consumption with Variable Speed Drives

The aim of this master´s thesis is to study which processes increase the auxiliary power consumption in carbon capture and storage processes and if it is possible to reduce the auxiliary power consumption with variable speed drives. Also the cost of carbon capture and storage is studied. Data about auxiliary power consumption in carbon capture is gathered from various studies and estimates made by various research centres. Based on these studies a view is presented how the power auxiliary power consumption is divided between different processes in carbon capture processes. In a literary study, the operation of three basic carbon capture systems is described. Also different methods to transport carbon dioxide and carbon dioxide storage options are described in this section. At the end of the thesis processes that consume most of the auxiliary power are defined and possibilities to reduce the auxiliary power consumption are evaluated. Cost of carbon capture, transport and storage are also evaluated at this point and in the case that the carbon capture and storage systems are fully deployed. According to the results, it can be estimated what are the processes are where variable speed drives can be used and what kind of cost and power consumption reduction could be achieved. Results also show how large a project carbon capture and storage is if it is fully deployed.

Hybridikäytön mitoitus liikkuvan työkoneen energian talteenottojärjestelmäksi

Työssä tarkastellaan sähköisiä energian talteenottomahdollisuuksia liikkuvissa työkoneissa. Työssä esitetään kolme erityyppistä liikkuvaan työkoneeseen soveltuvaa sähköisen energian talteenottojärjestelmää sekä mitoitetaan hybridikäyttö kahdelle erityyppiselle työkonesovellukselle kuormituskäyrien perusteella. Lisäksi työssä lasketaan hybridijärjestelmää käyttämällä saavutettava energiansäästö nykyiseen käyttöön verrattuna.

Laite- ja työturvallisuus H2S-tiloissa

Tässä työssä selvitettiin, millä tavoin räjähdysvaarallisten työtilojen työturvallisuuteen voidaan vaikuttaa ja miten turvallisuutta pidetään yllä. Työssä selvitettiin, mitä vaatimuksia räjähdysvaaralliset tilat asettavat laite- ja työturvallisuudelle. Työn lähtökohdaksi otettiin ilmanvaihdon vaikutus sisäilman olosuhteisiin ja samalla selvitettiin, mitä muutoksia räjähdysvaarallisten aineiden käyttö teollisuuden tuotantoprosesseissa aiheuttaa ilmanvaihdossa. Räjähdysvaarallisten tilojen suunnittelua ohjailevat säädökset, lait ja direktiivit. Johdonmukaisen suunnittelulla ja säädöksiä noudattamalla pystytään toteuttamaan turvallinen työympäristö. Räjähdysvaarallista tilaa päästiin tarkastelemaan Talvivaaran Kaivososakeyhtiö Oyj:n metallien talteenottolaitoksella. Työssä haluttiin tutkia rakennuksen työturvallisuutta ja työskentelyolosuhteita. Tutkimuskohteena olleessa reaktorihallissa tehtiin ilmanvaihdon suorituskyvyn mittauksia. Tarkoituksena oli myös tehdä rikkivedyn pitoisuus mittauksia, mutta Talvivaaran tuotannon viivästyessä, pitoisuus mittaukset jätettiin tämän diplomityön ulkopuolelle. Talvivaaraan reaktorirakennuksen olosuhteita ja turvallisuutta tarkasteltiin lähemmin teoreettisten laskelmien avulla. Laskelmien ja mittaustulosten perusteella reaktorirakennuksen ilmanvaihdon suorituskyky todettiin riittäväksi ja toiminta työturvalliseksi. Riskin arvioinnin perusteella reaktorirakennuksen riskitason katsotaan olevan siedettävä.

Commodity Price Driven Risk Management from Viewpoint of High Grade Steel Alloys

The study of price risk management concerning high grade steel alloys and their components was conducted. This study was focused in metal commodities, of which nickel, chrome and molybdenum were in a central role. Also possible hedging instruments and strategies for referred metals were studied. In the literature part main themes are price formation of Ni, Cr and Mo, the functioning of metal exchanges and main hedging instruments for metal commodities. This section also covers how micro and macro variables may affect metal prices from the viewpoint of short as well as longer time period. The experimental part consists of three sections. In the first part, multiple regression model with seven explanatory variables was constructed to describe price behavior of nickel. Results were compared after this with information created with comparable simple regression model. Additionally, long time mean price reversion of nickel was studied. In the second part, theoretical price of CF8M alloy was studied by using nickel, ferro-chrome and ferro-molybdenum as explanatory variables. In the last section, cross hedging possibilities for illiquid FeCr -metal was studied with five LME futures. Also this section covers new information concerning possible forthcoming molybdenum future contracts as well. The results of this study confirm, that linear regression models which are based on the assumption of market rationality, are not able to reliably describe price development of metals at issue. Models fulfilling assumptions for linear regression may though include useful information of statistical significant variables which have effect on metal prices. According to the experimental part, short futures were found to incorporate the most accurate information concerning the price movements in the future. However, not even 3M futures were able to predict turning point in the market before the faced slump. Cross hedging seemed to be very doubtful risk management strategy for illiquid metals, because correlations coefficients were found to be very sensitive for the chosen time span.

Kapillaarielektroforeesin soveltaminen uuttofaasin koostumuksen analysointiin

Työn tarkoituksena oli löytää kapillaarielektroforeesimenetelmä (CE), joka soveltuisi metallien neste-nesteuutossa käytettävien orgaanisten uuttofaasien koostumuksen analysointiin. Kapillaarielektroforeesissa käytetyn elektrolyyttiliuoksen analyytti-kohtaista optimointia ei tässä työssä tehty, vaan liikkeelle lähdettiin fenoleille tarkoitetulla menetelmällä. Tarkasteltavia uuttoreagenssiryhmiä olivat hydroksi-oksiimit sekä fosfiinihappo- ja fosforihappopohjaiset reagenssit. Tutkittavia kaupallisia laimentimia olivat Orfom SX 11 ja Shellsol D70. Lisäksi tutkittiin kahta modifiointiainetta, TOPOa (tri-n-oktyylifosfiinioksidi) ja TXIB:tä (2,2,4-trimetyyli-1,3-pentaanidiolidi-isobutyraatti). Työssä tavoiteltiin kapillaarielektroforeesin hyötyjä erityisesti hydrometallurgisessa teollisuudessa. Suurimpana hyötynä ennakoitiin mahdollisuus analysoida suuria molekyylejä, kuten uuttoreagenssi-metallikomplekseja, joita ei pystytä analysoimaan kaasukromatografilla (GC). Näytteet voidaan myös analysoida ilman hidasta ja usein ei-kvantitatiivista derivatisointia. Kirjallisuudesta ei löytynyt aiempia artikkeleita CE:n soveltamisesta kyseisille aiheille. Kapillaarielektroforeesianalyyseissa pystyttiin esimerkiksi havaitsemaan hydroksi-oksiimin kuparikompleksi orgaanisessa faasissa. Seulonta-ajoissa yleisenä ongelmana oli kuitenkin tulosten heikko toistettavuus. Kapillaari-elektro-foreesi-menetelmä tarjoaa selvästi mahdollisuuksia tulevaisuudessa, mutta vielä sillä ei päästy luotettavaan toistoon sähkökentän häiriöiden ja elektrolyyttiliuoksen riittämättömän optimoinnin vuoksi. Lisäksi teollisissa olosuhteissa käytetyille autenttisille hydroksioksiimi- ja fosfiinihapponäytteille tehtiin perinteisiä kaasukromatografia-analyysejä, joiden perusteella voitiin nähdä uuttofaasin koostumuksen muuttuneen prosessissa. Hapettuminen sekä eri hydrolyysireaktiot ovat tärkeimmät syyt reagenssien ja laimentimien muuttumiselle. Näitä hajoamistuotteita ei tässä työssä onnistuttu analysoimaan kapillaarielektroforeesilla.

Alumiinipainevalujen purseen- ja jäysteenpoiston kehitysmahdollisuudet

Valupurseiden ja jäysteiden poistaminen on osa alumiinipainevalujen tuotantoprosessia. Työssä on tutkittu käytössä olevien ja uusien menetelmien mahdollisuuksia taloudellisempaan tuotantoon. Purseiden ja jäysteiden poistamiseen käytettävien menetelmien lisäksi tutkimuskohteita ja ideoita on haettu muista metallien työstömenetelmistä. Valupurseiden ja jäysteiden määritelmiä, muodostumista ja luokittelua on esitelty laajasti. Menetelmien tutkimus on painottunut valupurseiden poistamiseen ja valun jälkeistä leikkaamista on tutkittu erityisesti sisäpuolisten muotojen työstämiseen käytettyjen pistintyökalujen kautta. Muotin ulostyöntötapin purseen poistaminen on ollut tärkeä asia menetelmien tutkimuksissa. Valupurseiden, leikkaus- ja koneistusjäysteiden poistamiseksi lastuavista työstömenetelmistä tutkittuja ovat koneistaminen koneistuskeskuksella, aventaminen, hiertopuhallus, suihkuhiertäminen, vesisuihkuleikkaus, ultraäänityöstö, harjaus, painehiertäminen, hiominen kohdistetuilla ja kohdistamattomilla menetelmillä. Myös terminen jäysteenpoistomenetelmä (TEM), kemiallinen työstö (ECM) ja laserleikkaus on otettu esiin tutkimuksessa. Työn tuloksena on näkemys tutkittujen menetelmien jatkokehitystarpeesta ja mahdollisuudesta soveltaa niitä sarjatuotantoon.

Siirrettävän kompressorin käyttö maakaasuputkiston huoltotöissä

Maakaasuputkiston huolto- ja muutostöiden yhteydessä joudutaan tyhjentämään putkisto kaasusta, jotta voidaan taata turvalliset työskentelyolosuhteet. Nykyisin putkisto tyhjennetään johtamalla kaasu ilmakehään, avaamalla putkiston ulospuhallusventtiilit. Koska maakaasu (metaani) on merkittävä kasvihuonekaasu, on ympäristövaatimusten tiukentuessa etsittävä vaihtoehtoisia keinoja vähentää päästöjä. Lisäksi, talteen otettu kaasu voidaan myydä edelleen, ja näin ollen saavuttaa säästöjä. Tässä työssä on tutkittu mahdollisuuksia komprimoida kaasu siirrettävän kompressorin avulla putkisto-osuudesta toiseen ilman, että kaasua jouduttaisiin puhaltamaan ilmakehään. Työssä päädyttiin johtopäätökseen, että siirrettävän kompressorin hankinta ei ole tällä hetkellä kannattavaa, sen korkeiden investointikustannusten vuoksi. Kuitenkin mahdollinen päästömaksu metaanille, kaasun arvon nousu, sekä tekniikan parantuminen voivat nostaa menetelmän varteenotettavaksi vaihtoehdoksi hyvinkin nopeasti. Tämän vuoksi jatkotutkimuksen tekeminen aiheesta on perusteltua.

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.

Model based study of a calcium oxide looping process for post-combustion carbon dioxide capture

Calcium oxide looping is a carbon dioxide sequestration technique that utilizes the partially reversible reaction between limestone and carbon dioxide in two interconnected fluidised beds, carbonator and calciner. Flue gases from a combustor are fed into the carbonator where calcium oxide reacts with carbon dioxide within the gases at a temperature of 650 ºC. Calcium oxide is transformed into calcium carbonate which is circulated into the regenerative calciner, where calcium carbonate is returned into calcium oxide and a stream of pure carbon dioxide at a higher temperature of 950 ºC. Calcium oxide looping has proved to have a low impact on the overall process efficiency and would be easily retrofitted into existing power plants. This master’s thesis is done in participation to an EU funded project CaOling as a part of the Lappeenranta University of Technology deliverable, reactor modelling and scale-up tools. Thesis concentrates in creating the first model frame and finding the physically relevant phenomena governing the process.

Metaanin muodostumisen mallintaminen kaatopaikalla

Methane-rich landfill gas is generated when biodegradable organic wastes disposed of in landfills decompose under anaerobic conditions. Methane is a significant greenhouse gas, and landfills are its major source in Finland. Methane production in landfill depends on many factors such as the composition of waste and landfill conditions, and it can vary a lot temporally and spatially. Methane generation from waste can be estimated with various models. In this thesis three spreadsheet applications, a reaction equation and a triangular model for estimating the gas generation were introduced. The spreadsheet models introduced are IPCC Waste Model (2006), Metaanilaskentamalli by Jouko Petäjä of Finnish Environment Institute and LandGEM (3.02) of U.S. Environmental Protection Agency. All these are based on the first order decay (FOD) method. Gas recovery methods and gas emission measurements were also examined. Vertical wells and horizontal trenches are the most commonly used gas collection systems. Emission measurements chamber method, tracer method, soil core and isotope measurements, micrometeorological mass-balance and eddy covariance methods and gas measuring FID-technology were discussed. Methane production at Ämmässuo landfill of HSY Helsinki Region Environmental Services Authority was estimated with methane generation models and the results were compared with the volumes of collected gas. All spreadsheet models underestimated the methane generation at some point. LandGEM with default parameters and Metaanilaskentamalli with modified parameters corresponded best with the gas recovery numbers. Reason for the differences between evaluated and collected volumes could be e.g. that the parameter values of the degradable organic carbon (DOC) and the fraction of decomposable degradable organic carbon (DOCf) do not represent the real values well enough. Notable uncertainty is associated with the modelling results and model parameters. However, no simple explanation for the discovered differences can be given within this thesis.

Epäpuhtauksien poistaminen prosessivesistä

Kemira Chemicals Oy in Äetsä produces sodium chlorate as its main product. It is produced with electrolysis in electrolyte cells. During the manufacturing process impurities, out of which the largest one is iron, accumulate in the cells. These impurities are removed in cell wash with hydrochloric acid liquid, after which the wash water is precipitated with sodium hydroxide and sodium carbonate, and filtered with filter press. After the treatment the wash water is recycled back to the manufacturing process. The aim of this thesis was primarily to improve the treatment of wash water in order to remove the impurities with low costs. This would result in more impurity-free water and in sufficient capacity of impurity removal. The second aim was to maintain the chromium in the treated wash water because it forms a diaphragm of chromium hydroxide to cathode which prevents the flow of anions to cathode. The literature part investigates properties, use and manufacturing of sodium chlorate, electrolyte cell and its wash technique, and impurities of wash water. The beginning of the applied part investigates alternatives of separation methods which could be used to improve the treatment of wash water. In the experiments an optimum pH for the precipitation of wash water was determined, and a research of the use of sodium hydroxide, sodium carbonate, calcium hydroxide and calcium chloride as a precipitant was carried out. Also a suitable flocculant and a filter cloth for the treatment of wash water were determined. Finally, process changes were introduced, partly by applying the current equipment, and the costs and savings were calculated.