Höyryturbiinin käytönaikaisen suorituskyvyn seuranta

Tässä diplomityössä jatkettiin Loviisan voimalaitoksen höyryturbiinien suorituskyvyn parannuspotentiaalien tutkimusta. Tavoitteena oli kehittää laitoksen höyryturbiinien suorituskyvyn käytönaikaisia on-line-mittauksia. Selvityksessä perehdyttiin norjalaisen IFE:n kehittämään stationääritilan TEMPOohjelmaan( The Thermal Performance Monitoring And Optimisation system), sen käyttöohjeisiin ja toimintaperiaatteisiin. Työssä esiteltiin laajasti tiedon yhteensovittamisen laskentateoriaa, johon TEMPOn toiminta perustuu. Työssä tarkasteltiin turbiinin todellista paisuntaprosessia, koska sen ymmärtäminen on tärkeässä osassa turbiinin suorituskyvyn valvonnassa. Tutkimuksessa esiteltiin myös turbiineille mahdollisia vikoja sekä niiden syntymisprosesseja. Työssä tarkasteltiin TEMPOn sovittamien tulostiedostojen analysointiohjelman toimivuutta havaitsemalla itse aiheutettuja poikkeamia todellisiin mittaustiedostoihin. Analysointiohjelmalla muodostettuja kuvaajia vertailtiin todellisen prosessin ajotilanteen kuvaajiin ja tarkasteltiin, kuinka poikkeamia on mahdollista havaita kuvaajien avulla. TEMPO-ohjelmalle löydettiin tutkimuksen edetessä kehittämisehdotuksia. Näillä muutoksilla ohjelma saadaan mallintamaan Loviisan voimalaitoksen turbiiniprosessia tarkemmin ja tuloksista saadaan hyödyllisempiä.

Painevesityyppisen ydinvoimalaitoksen sekundääripiirin mallinnus

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää entistä tarkempi ja luotettavampi työkalu Loviisan ydinvoimalaitoksen ensimmäisen reaktoriyksikön sekundääripiirin 50-linjan stationääritilan toiminnan arviointiin. Toisena tavoitteena oli kartoittaa ja raportoida mallintamiseen käytetyn SOLVO-ohjelman kehitysmahdollisuuksia. Tutkimusten perusteella kehitettiin testatusti toimiva prosessimalli, joka dokumentoitiin ja validoitiin yksityiskohtaisesti. Tulevaisuudessa tapahtuvaa kehitystyötä, ja mallin käyttöä varten kehitettiin lisäksi Excel-pohjainen työkalu, jonka avulla SOLVO:n ja Excelin välinen integraatio voidaan myöhemmin julkaistavassa SOLVO:n versiossa viedä nykyistä pidemmälle. Mallintamistyön ohella tutkimuksen aikana selvitettiin olennaisimmat SOLVO:n erityispiirteet ja vahvuudet sekä kartoitettiin sen käyttöön liittyvät kehitystarpeet. Tärkeimpänä kehitysehdotuksena nousi esiin yksittäisissä komponenteissa suoritetun laskennan läpinäkyvyyden parantaminen. Seuraavassa kehitysvaiheessa myös komponenttikohtaiset laskentayhtälöt olisi suositeltavaa asettaa avoimiksi käyttäjäkohtaisille muutoksille. Työn aikana saavutettiin myös muita merkittäviä tuloksia, jotka liittyivät pääosin rinnak-kaisten 10- ja 50-linjojen välisiin yhteyksiin. Linjojen välisiä vaikutuksia analysoitaessa huomattiin niiden olevan olennaisessa asemassa erityisesti sarja-ajon aikana. Mikäli mallilla halutaan kuvata sekä sarja- että rinnanajoa, sen on käsitettävä molemmat linjat ja kaikki niihin liittyvät komponentit. Edellä mainitun lisäksi mallipohjaisen tarkastelun tuloksena tehtiin havaintoja, joiden perusteella nykyistä prosessia voidaan edelleen kehittää. Näistä havainnoista tärkeimpänä merivesipumppujen optimaalisen säätölämpötilan todettiin asettuvan 4,5 – 4,6 °C välille. Toinen huomio liittyi matalapaineturbiinien ulosvirtaushäviöihin, joihin hukataan juoksusta riippuen keskimäärin noin 10 kJ/kg enemmän entalpiaa kuin parhaassa mahdollisessa tapauksessa. Validoinnin yhteydessä havaituista pienistä poikkeamista huolimatta kehitetty malli vastaa hyvin laitokselta saatuja mittaustuloksia sekä muita samassa yhteydessä käytettyjä luotet-tavuuden arviointikriteerejä.

Lämmön- ja aineensiirto hiilipartikkelin palamisessa

Tässä tutkimusraportissa käsitellään yksittäisen hiilipartikkelin palamisen teoriaa. Tutkimusraportissa tullaan esittelemään palamisen kannalta olennaiset ilmiöt kuten lämmön- ja aineensiirto sekä palamiseen liittyvät reaktiot ja palamisen vaiheet. Lisäksi tarkastellaan eri aineominaisuuksien riippuvuutta eri parametreista. Käsitellyn teorian pohjalta luodaan palamista kuvaava malli, jonka avulla kuvataan aineensiirtoa ja lämpötilajakaumaa yksittäisessä partikkelissa. Tavoitteena on mallin avulla tarkastella partikkelikoon vaikutusta yllä esitettyihin ilmiöihin.

Biopolttoaineen rinnakkaispolton kannattavuustarkastelu hiilipölypolttokattilassa Martinlaakso 2:ssa

Euroopan unionin asettamat tavoitteet kasvihuonepäästöjen vähennykselle johtavat vih-reämpään teknologiaan. Tämä diplomityö on teoreettinen tutkimus, joka käsittelee biopolt-toaineen rinnakkaispolton kannattavuutta Vantaan Energian Martinlaakso 2:sen hiilipöly-polttokattilassa. Työssä perehdytään viiteen eri biopolttoainevaihtoehtoon, joita tarkastellaan viidessä eri skenaariossa, jotka vastaavat: 10, 20, 30, 40 ja 50 % biopolttoaineen osuutta kattilassa tuo-tetusta energiasta. Skenaarioissa on pohdittu tarvittavia investointikustannuksia ja muutos-töitä hiilipölypolttokattilassa. Tutkimuksessa on huomioitu myös uusi isojen laitosten pääs-töjä koskeva direktiivi, kattilan oletettava käyttöikä sekä biopolttoaineiden tuet. Saaduista arvioista on lopuksi laskettu vuosittainen polttoainekohtainen kustannusarvio ja investoin-nin kannattavuusarvio. Tuloksista voidaan päätellä, että sahanpurun mahdollisimman suuri hyötykäyttö on kannat-tavaa. Mikäli halutaan käyttää suuria määriä biopolttoainetta, (yli 20 % tuotetusta energias-ta) ei sahanpuru ole varteenotettava vaihtoehto huonon saatavuutensa johdosta. Tällöin hakkeen kaasutuslaitos olisi paras ratkaisu, mutta laitoksen kannattavuus riippuu tulevista energiatuista. Ilman energiatukia sahanpurun hyötykäyttö on ainoa kannattava investointi.

Puun ja turpeen seospolton vaikutus tuhkan hyötykäyttökohteisiin

Työn tavoitteena oli selvittää puun ja turpeen seospolton vaikutukset tuhkien hyötykäyttökohteiden valintaan laitoksella tehtävien koeajojen ja kustannus- sekä SWOT-analyysien avulla. Lisäksi tavoitteena oli selvittää lainsäädännön vaikutukset tuhkien hyötykäyttöön. Kustannusanalyysissä tarkasteltiin tuhkien hyödyntämisen nykytilan lisäksi rakeistuslaitosinvestointia ja selvitettiin eri hyötykäyttövaihtoehtojen etuja ja haittoja. Lainsäädäntö vaikuttaa oleellisesti tuhkien hyötykäyttöön. Hyötykäyttöä säädellään sekä kansallisella että EU-tasolta tulevalla lainsäädännöllä. Ympäristölainsäädännön ja etenkin jätelainsäädännön kokonaisuudistuksen myötä myös hyötykäyttöä koskevat lainsäädäntö uudistui. Energiantuotannon tuhkat tulivat jäteverolain piiriin ja lannoiteasetuksenuudistuksella pyrittiin helpottamaan tuhkien lannoitekäyttöä. Myös jäteluokittelu ja sen päättyminen tuhkien osalta vaikuttaa olennaisesti tuhkien käsittelymenetelmien ja hyödyntämisen kannattavuuteen. Jäteluokituksen päättyminen voi viedä tuhkat kemikaalilainsäädännön piiriin. Kustannus- ja SWOT-analyysissä selvitettiin tuhkien hyödyntämisen kannalta keskeiset kustannustekijät. Rakeistuslaitosinvestoinnissa huomioitiin erilaiset tuhkien käsittelymäärät ja niiden vaikutukset kustannuksiin ja investoinnin kannattavuuteen. SWOT-analyysin avulla selvitettiin hyödyntämisen vahvuudet, heikkoudet, mahdollisuudet ja uhkatekijät. Polttoainesuhteella ei ollut poissulkevaa vaikutusta tuhkien hyötykäyttövalintaan. Lentotuhkat soveltuivat parhaiten lannoitehyötykäyttöön ja pohjatuhkat maarakennushyötykäyttöön. Rakeistuslaitosinvestointi olisi kannattava etenkin suuremmilla tuhkamäärillä.

Arinakattilalaitoksen polttoainekäytön tarkastelu

Tässä diplomityössä on tutustuttu Lahti Energia Oy:n Heinolan voimalaitoksen energiantuotantoon. Heinolan voimalaitos on vanha, mutta sen pääkattilana toimiva arinakattila on uusittu 2004. Voimalaitoksen toimintaa halutaan kehittää nykyaikaisemmaksi ja energiatehokkaammaksi. Voimalaitoksella on nykyään kolme asiakasta, joista uusin on liittynyt höyryverkkoon vuonna 2011. Työssä on tutkittu miten voimalaitoksen polttoaineiden käyttö muuttuu uuden asiakkaan myötä. Diplomityön teoriaosassa on keskitytty antamaan tietoa erilaisista polttoaineista sekä arinapolttamisesta polttotekniikkana. Työssä on laskettu voimalaitoksen asiakkaiden käyttämä energiavuositasolla, voimalaitoksen kattilahyötysuhde, prosessihyötysuhde ja niiden avulla laitoksen tarvitsema polttoaine-energia vuodessa. Laskelmat antavat hyvän yleisen kuvan voimalaitoksen käytöstä tällä hetkellä. Käyttöennusteen avulla voidaan arvioida myös laitoksen taloudellista tilaa polttoaineseoksen näkökulmasta.

Understanding the in vitro dissolution rate of glasses with respect to future clinical applications

Glass is a unique material with a long history. Several glass products are used daily in our everyday life, often unnoticed. Glass can be found not only in obvious applications such as tableware, windows, and light bulbs, but also in tennis rackets, windmill turbine blades, optical devices, and medical implants. The glasses used at present as implants are inorganic silica-based melt-derived compositions mainly for hard-tissue repair as bone graft substitute in dentistry and orthopedics. The degree of glass reactivity desired varies according to implantation situation and it is vital that the ion release from any glasses used in medical applications is controlled. Understanding the in vitro dissolution rate of glasses provides a first approximation of their behavior in vivo. Specific studies concerning dissolution properties of bioactive glasses have been relatively scarce and mostly concentrated to static condition studies. The motivation behind this work was to develop a simple and accurate method for quantifying the in vitro dissolution rate of highly different types of glass compositions with interest for future clinical applications. By combining information from various experimental conditions, a better knowledge of glass dissolution and the suitability of different glasses for different medical applications can be obtained. Thus, two traditional and one novel approach were utilized in this thesis to study glass dissolution. The chemical durability of silicate glasses was tested in water and TRIS-buffered solution at static and dynamic conditions. The traditional in vitro testing with a TRISbuffered solution under static conditions works well with bioactive or with readily dissolving glasses, and it is easy to follow the ion dissolution reactions. However, in the buffered solution no marked differences between the more durable glasses were observed. The hydrolytic resistance of the glasses was studied using the standard procedure ISO 719. The relative scale given by the standard failed to provide any relevant information when bioactive glasses were studied. However, the clear differences in the hydrolytic resistance values imply that the method could be used as a rapid test to get an overall idea of the biodegradability of glasses. The standard method combined with the ion concentration and pH measurements gives a better estimate of the hydrolytic resistance because of the high silicon amount released from a glass. A sensitive on-line analysis method utilizing inductively coupled plasma optical emission spectrometer and a flow-through micro-volume pH electrode was developed to study the initial dissolution of biocompatible glasses. This approach was found suitable for compositions within a large range of chemical durability. With this approach, the initial dissolution of all ions could be measured simultaneously and quantitatively, which gave a good overall idea of the initial dissolution rates for the individual ions and the dissolution mechanism. These types of results with glass dissolution were presented for the first time during the course of writing this thesis. Based on the initial dissolution patterns obtained with the novel approach using TRIS, the experimental glasses could be divided into four distinct categories. The initial dissolution patterns of glasses correlated well with the anticipated bioactivity. Moreover, the normalized surface-specific mass loss rates and the different in vivo models and the actual in vivo data correlated well. The results suggest that this type of approach can be used for prescreening the suitability of novel glass compositions for future clinical applications. Furthermore, the results shed light on the possible bioactivity of glasses. An additional goal in this thesis was to gain insight into the phase changes occurring during various heat treatments of glasses with three selected compositions. Engineering-type T-T-T curves for glasses 1-98 and 13-93 were stablished. The information gained is essential in manufacturing amorphous porous implants or for drawing of continuous fibers of the glasses. Although both glasses can be hot worked to amorphous products at carefully controlled conditions, 1-98 showed one magnitude greater nucleation and crystal growth rate than 13-93. Thus, 13-93 is better suited than 1-98 for working processes which require long residence times at high temperatures. It was also shown that amorphous and partially crystalline porous implants can be sintered from bioactive glass S53P4. Surface crystallization of S53P4, forming Na2O∙CaO∙2SiO2, was observed to start at 650°C. The secondary crystals of Na2Ca4(PO4)2SiO4, reported for the first time in this thesis, were detected at higher temperatures, from 850°C to 1000°C. The crystal phases formed affected the dissolution behavior of the implants in simulated body fluid. This study opens up new possibilities for using S53P4 to manufacture various structures, while tailoring their bioactivity by controlling the proportions of the different phases. The results obtained in this thesis give valuable additional information and tools to the state of the art for designing glasses with respect to future clinical applications. With the knowledge gained we can identify different dissolution patters and use this information to improve the tuning of glass compositions. In addition, the novel online analysis approach provides an excellent opportunity to further enhance our knowledge of glass behavior in simulated body conditions.

Höyryturbiinin vaikutus ulosvirtauskanavan suorituskykyyn

Diplomityössä käsitellään ydinvoimalaitoksen matalapaineturbiinin ulosvirtauskanavaa. Tavoitteena oli tarkastella ulosvirtauskanavassa syntyviä häviöitä sekä niiden pienentämistä. Tarkastelussa käsiteltiin jossain määrin myös turbiinin viimeisessä siipivaiheessa syntyviä häviöitä. Työssä selvitettiin Loviisan voimalaitoksella tehtyihin mittauksiin perustuen painehäviö ulosvirtauskanavassa lauhduttimen paineen funktiona ja näiden syntyvien häviöiden vaikutusta turbiinin tuottamaan teoreettiseen tehoon. Ulosvirtauskanavan diffuusoria käsiteltiin omana laajana kokonaisuutenaan. Aluksi tarkasteltiin diffuusorin suorituskykyä yksinkertaisiin laskelmiin perustuen, jonka jälkeen diffuusorin toimintaa mallinnettiin FLUENT – laskentaohjelmalla, jolloin voitiin paremmin havainnollistaa virtauksen käyttäytymistä diffuusorissa. Kokeellisia mittaustuloksia ei ollut käytössä, joten laskennan oikeellisuus jäi tältä osin toteamatta.

Suurnopeus-turbokoneroottoreiden termodynaaminen ja mekaaninen mallinnus sekä rakenneanalyysi

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan suurnopeustekniikan eri sovelluksissa ilmeneviä roottoreihin liittyviä rakenteellisia vaatimuksia ja haasteita. Tässä yhteydessä suurnopeustekniikalla tarkoitetaan järjestelyä, jossa sähkökone (moottori, generaattori) ja toimilaite (turbiini, kompressori, puhallin) on kytketty ilman vaihdetta suoraan mekaanisesti yhteen ja jossa yhteisen roottorin pyörimisnopeus on selvästi suurempi kuin 50/60 hertsin verkosta syötetyn kaksinapaisen vaihtovirtasähkökoneen tahtinopeus. Tyypillistä suurnopeuskoneen roottorille on suuri tehotiheys ja suuri mekaaninen kuormitus. Siksi esimerkiksi sähkökoneen jäähdytys on entistä haasteellisempaa kasvavien rautahäviöiden ja pienempien lämmönsiirtopinta-alojen vuoksi. Tämän työn tavoitteet voidaan jakaa kolmeen osaan:  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu, jonka tavoitteena on pienentää lämmönkehitystä ja tehostaa kriittisten kohtien jäähdytystä. Tähän liittyy sähkömagneettisten häviöiden keskittäminen jäähdytyksen kannalta edullisiin kohtiin  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu kriittisten ominaistaajuuksien kannalta  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen analysointi lujuustekniseltä kannalta. Tähän liittyvät mm. erilaiset ahdistussovitteet ja niiden säilyminen korkeilla pyörimisnopeuksilla sekä niiden roottoria jäykistävä vaikutus ja lämmön johtuminen kyseisissä liitospinnoissa. Tämän työn tieteellinen uutuusarvo on nimenomaan yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin rakenteen analysointi ottamalla samanaikaisesti huomioon kaikki edellä mainitut näkökohdat: jäähtyminen erityisen kuumissa kohdissa, sähköisten häviöiden alentaminen ja niiden jakautuman huomioon ottaminen, roottorin jäykkyyden maksimointi, lujuusrasitusten hallinta ja rakenteen mekaaninen stabiliteetti sekä lämpöteknisten ylimenovastusten tarkastelu.

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Raportti on jatkoa aikaisemmille tutkimuksille, joista viimeisin julkaistiin 2008. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos, tuulivoimala ja uutena aurinkovoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja maaliskuun 2012 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus, kun laitos rakennetaan olemassaolevalle tontille olisi 43,7 €/MWh, täysin uuden ydinvoimalaitoksen 57,9 €/MWh, kaasusähkön 75,4 €/MWh, turvelauhteen 75,4 €/MWh ja hiilisähkön hiilidioksidin talteenotolla 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Vastaavasti uusiutuvista puupolttoainelauhdesähkön tuotantokustannus olisi 70,2 €/MWh kun taas 2200 tunnin huipunkäyttöajalla maalla sijaitsevan tuulivoimalaitoksen sähkön tuotantokustannus 52,7 €/MWh ja merellä sijaitsevan tuulivoimalaitoksen 76,8 €/MWh. Erillistarkastelussa arvioitiin suurien keskittävää teknologiaa käyttävän aurinko-voimalaitoksen tuotantokustannuksen ylittävän 100 €/MWh ollen todennäköisesti lähempänä 150 €/MWh. Arvio piensähkön tuotantokustannuksista aurinkosähköisillä paneeleilla vaihtelee 90 – 130 €/MWh. Merkittävin kustannussäästö syntyy, jos aurinkosähköpaketteja voidaan tarjota kuluttajalle kokonaistoimituksena avaimet käteen. Aurinkosähkön tuottaminen kotikeräimillä näyttääkin olevan vaiheessa, jossa se on selkeästi pienkäyttäjälle edullista mikäli sijoitettava pääoma 6000 – 18000 € ei vaadi ulkopuolista rahoitusta.

Power cycling lifetime estimation of IGBT power modules based on chip temperature modeling

In this doctoral thesis, methods to estimate the expected power cycling life of power semiconductor modules based on chip temperature modeling are developed. Frequency converters operate under dynamic loads in most electric drives. The varying loads cause thermal expansion and contraction, which stresses the internal boundaries between the material layers in the power module. Eventually, the stress wears out the semiconductor modules. The wear-out cannot be detected by traditional temperature or current measurements inside the frequency converter. Therefore, it is important to develop a method to predict the end of the converter lifetime. The thesis concentrates on power-cycling-related failures of insulated gate bipolar transistors. Two types of power modules are discussed: a direct bonded copper (DBC) sandwich structure with and without a baseplate. Most common failure mechanisms are reviewed, and methods to improve the power cycling lifetime of the power modules are presented. Power cycling curves are determined for a module with a lead-free solder by accelerated power cycling tests. A lifetime model is selected and the parameters are updated based on the power cycling test results. According to the measurements, the factor of improvement in the power cycling lifetime of modern IGBT power modules is greater than 10 during the last decade. Also, it is noticed that a 10 C increase in the chip temperature cycle amplitude decreases the lifetime by 40%. A thermal model for the chip temperature estimation is developed. The model is based on power loss estimation of the chip from the output current of the frequency converter. The model is verified with a purpose-built test equipment, which allows simultaneous measurement and simulation of the chip temperature with an arbitrary load waveform. The measurement system is shown to be convenient for studying the thermal behavior of the chip. It is found that the thermal model has a 5 C accuracy in the temperature estimation. The temperature cycles that the power semiconductor chip has experienced are counted by the rainflow algorithm. The counted cycles are compared with the experimentally verified power cycling curves to estimate the life consumption based on the mission profile of the drive. The methods are validated by the lifetime estimation of a power module in a direct-driven wind turbine. The estimated lifetime of the IGBT power module in a direct-driven wind turbine is 15 000 years, if the turbine is located in south-eastern Finland.

Current status of the waste-to-energy chain in the County of North Savo, Finland

The aim of this report is to describe the current status of the waste-to-energy chain in the province of Northern Savonia in Finland. This work is part of the Baltic Sea Region Programme project Remowe-Regional Mobilizing of Sustainable Waste-to-Energy Production (2009-2012). Partnering regions across Baltic Sea countries have parallelly investigated the current status, bottle-necks and needs for development in their regions. Information about the current status is crucial for the further work within the Remowe project, e.g. in investigating the possible future status in target regions. Ultimate result from the Northern Savonia point of view will be a regional model which utilizes all available information and facilitates decision-making concerning energy utilization of waste. The report contains information on among others: - waste management system (sources, amounts, infrastructure) - energy system (use, supply, infrastructure) - administrative structure and legislation - actors and stakeholders in the waste-to-energy field, including interest and development ideas The current status of the regions will be compared in a separate Remowe report, with the focus on finding best practices that could be transferred among the regions. In this report, the current status has been defined as 2006-2009. In 2009, the municipal waste amount per capita was 479 kg/inhabitant in Finland. Industrial waste amounted 3550 kg/inhabitant, respectively. The potential bioenergy from biodegradable waste amounts 1 MWh/inhabitant in Northern Savonia. This figure includes animal manure, crops that would be suitable for energy use, sludge from municipal sewage treatment plants and separately collected biowaste. A key strategy influencing also to Remowe work is the waste plan for Eastern Finland. Currently there operate two digestion plants in Northern Savonia: Lehtoniemi municipal sewage treatment sludge digestion plant of Kuopion Vesi and the farm-scale research biogas plant of Agrifood Research Finland in Maaninka. Moreover, landfill gas is collected to energy use from Heinälamminrinne waste management centre and Silmäsuo closed landfill site, both belonging to Jätekukko Oy. Currently there is no thermal utilization of waste in Northern Savonia region. However, Jätekukko Oy is pretreating mixed waste and delivering refuse derived fuel (RDF) to Southern Finland to combustion. There is a strong willingness among seven regional waste management companies in Eastern Finland to build a waste incineration plant to Riikinneva waste management centre near city of Varkaus. The plant would use circulating fluidized bed (CFB) boiler. This would been a clear boost in waste-to-energy utilization in Northern Savonia and in many surrounding regions.

Limestone Reactions in a Fluidized Bed Heat Exchanger of an Oxy-fuel Circulating Fluidized Bed Boiler

Oxy-fuel combustion in a circulating fluidized bed (CFB) boiler appears to be a promising option for capturing CO2 in power plants. Oxy-fuel combustion is based on burning of fuel in the mixture of oxygen and re-circulated flue gas instead of air. Limestone (CaCO3) is typically used for capturing of SO2 in CFB boilers where limestone calcines to calcium oxide (CaO). Because of high CO2 concentration in oxy-fuel combustion, calcination reaction may be hindered or carbonation, the reverse reaction of calcination, may occur. Carbonation of CaO particles can cause problems especially in the circulation loop of a CFB boiler where temperature level is lower than in the furnace. The aim of the thesis was to examine carbonation of CaO in a fluidized bed heat exchanger of a CFB boiler featuring oxy-fuel combustion. The calculations and analyzing were based on measurement data from an oxy-fuel pilot plant and on 0-dimensional (0D) gas balance of a fluidized bed heat exchanger. Additionally, the objective was to develop a 1-dimensional (1D) model of a fluidized bed heat exchanger by searching a suitable pre-exponential factor for a carbonation rate constant. On the basis of gas measurement data and the 0D gas balance, it was found that the amount of fluidization gas decreased as it flew through the fluidized bed heat exchanger. Most likely the reason for this was carbonation of CaO. It was discovered that temperature has a promoting effect on the reaction rate of carbonation. With the 1D model, a suitable pre-exponential factor for the equation of carbonation rate constant was found. However, during measurements there were several uncertainties, and in the calculations plenty of assumptions were made. Besides, the temperature level in the fluidized bed heat exchanger was relatively low during the measurements. Carbonation should be considered when fluidized bed heat exchangers and the capacity of related fans are designed for a CFB boiler with oxy-fuel combustion.

Oxidation rates of carbon and nitrogen in char residues from solid fuels

Computational fluid dynamics (CFD) modeling is an important tool in designing new combustion systems. By using CFD modeling, entire combustion systems can be modeled and the emissions and the performance can be predicted. CFD modeling can also be used to develop new and better combustion systems from an economical and environmental point of view. In CFD modeling of solid fuel combustion, the combustible fuel is generally treated as single fuel particles. One of the limitations with the CFD modeling concerns the sub-models describing the combustion of single fuel particles. Available models in the scientific literature are in many cases not suitable as submodels for CFD modeling since they depend on a large number of input parameters and are computationally heavy. In this thesis CFD-applicable models are developed for the combustion of single fuel particles. The single particle models can be used to improve the combustion performance in various combustion devices or develop completely new technologies. The investigated fields are oxidation of carbon (C) and nitrogen (N) in char residues from solid fuels. Modeled char-C oxidation rates are compared to experimental oxidation rates for a large number of pulverized solid fuel chars under relevant combustion conditions. The experiments have been performed in an isothermal plug flow reactor operating at 1123-1673 K and 3-15 vol.% O2. In the single particle model, the char oxidation is based on apparent kinetics and depends on three fuel specific parameters: apparent pre-exponential factor, apparent activation energy, and apparent reaction order. The single particle model can be incorporated as a sub-model into a CFD code. The results show that the modeled char oxidation rates are in good agreement with experimental char oxidation rates up to around 70% of burnout. Moreover, the results show that the activation energy and the reaction order can be assumed to be constant for a large number of bituminous coal chars under conditions limited by the combined effects of chemical kinetics and pore diffusion. Based on this, a new model based on only one fuel specific parameter is developed (Paper III). The results also show that reaction orders of bituminous coal chars and anthracite chars differ under similar conditions (Paper I and Paper II); reaction orders of bituminous coal chars were found to be one, while reaction orders of anthracite chars were determined to be zero. This difference in reaction orders has not previously been observed in the literature and should be considered in future char oxidation models. One of the most frequently used comprehensive char oxidation models could not explain the difference in the reaction orders. In the thesis (Paper II), a modification to the model is suggested in order to explain the difference in reaction orders between anthracite chars and bituminous coal chars. Two single particle models are also developed for the NO formation and reduction during the oxidation of single biomass char particles. In the models the char-N is assumed to be oxidized to NO and the NO is partly reduced inside the particle. The first model (Paper IV) is based on the concentration gradients of NO inside and outside the particle and the second model is simplified to such an extent that it is based on apparent kinetics and can be incorporated as a sub-model into a CFD code (Paper V). Modeled NO release rates from both models were in good agreement with experimental measurements from a single particle reactor of quartz glass operating at 1173-1323 K and 3-19 vol.% O2. In the future, the models can be used to reduce NO emissions in new combustion systems.

Tuulivoima; kehitys, investoinnit ja työllisyys Suomessa

Tuulivoimalla on pitkä historia. Tuulivoima soveltuu nykyajan energiantuotantoon. Suunniteltaessa ja rakennettaessa uusia tuulivoimaloita on tunnettava tuulisuuteen vaikuttavat tekijät samoin kuin tuulivoimalan sijoituspaikalla on tehtävä perusteelliset tuu-liolosuhdemittaukset. Nykyisellä sähkön hinnalla tuulivoimalat eivät ole täysin kilpailukykyisiä, joten niitä on tuettava. Tukimuotoja on monia. Suomessa pääasiallinen tukimuoto on syöttötariffi. Vallitseva politiikka on ratkaisevassa asemassa luotaessa tukijärjestelmiä tuulivoimalle. Suomessa tehtävät tuulivoimainvestoinnit ovat kasvussa. Tuulivoimaan liittyy niin hyviä kuin huonoja puolia. Huonot puolet ovat ratkaistavissa. Päästökaupan kannalta on tuulivoima yksi keino alentaa kasvihuonekaasuja ilmakehässä. Tuulivoiman osuuden kasvattaminen sähköntuotannossa luo työpaikkoja Suomeen ja luo vientimahdollisuuksia ulkomaille. Tuulivoimalla on valoisa tulevaisuus.