Evaluation of an electrostatic precipitator for control of emissions from a copper smelter reverberatory furnace /

Mode of access: Internet.

Application of space-charge electrostatic precipitator for collection of oil mist from pyrolysis gases

A novel electrostatic precipitator CAROLA® is developed for collection of fine oil mists. It operates on the principle of unipolar particle charging in the corona discharge and particle precipitation under the field of space charge. The pilot precipitator was tested at different gas temperatures. It is shown that the increase of gas temperature changes the characteristics of the corona discharge and particle size distribution, especially for droplets sub-micron droplets. The CAROLA® precipitator was used for collection of oil mist from pyrolysis gases at the HALOCLEAN® plant. The flow rate of biomass in the HALOCLEAN® plant was 15-30 kg/h. The particle mass concentration in the raw gas was over 100 g/Nm. The operation voltage of the precipitator was 10-12 kV and corona current up to 0,1 mA. Single stage electrostatic precipitator ensured mass collection efficiency 97-99,5% for pyrolysis oil mist.

Lentotuhkan fraktiointi sähkösuodattimella ja Ion Blast -menetelmällä

Diplomityö on osa YTI-tutkimuskeskuksessa vuosina 2002 - 2004 toteutettavaa Jätekompostit rakeiksi tuhkaseostuksella -käyttöarvon parantaminen -projektia. Työssä tutkittiin Etelä-Savon Energia Oy:n Pursialan voimalaitoksen lentotuhkan fraktioimista voimalaitoksen nykyisellä 3-kenttäisellä sähkösuodattimella ja pilot-mittakaavaisella Ion Blast -koelaitteistolla. Sähkösuodattimen koeajojen aikana muuteltiin sen ajotapaa mm. CBO -suhteen ja maksimijänniteasetuksen avulla. Ion Blast -koelaitteistolla tutkittiin mahdollisuuksia voimalaitoksen lentotuhkan puhdistamiseksi raskasmetalleista. Lentotuhkan hyötykäyttöä vaikeuttaa sen raskasmetallipitoisuuksien suuri vaihtelu. Ongelmallisin raskasmetalli puuperäisessä lentotuhkassa on kadmium, jonka lannoitelainsäädännön raja-arvo on tällä hetkellä 3 mg/kg. Sähkösuodattimella tehtyjen fraktiointikokeiden perusteella voidaan todeta raskasmetallipitoisuuksien olevan pienimmillään sähkösuodattimen 1-kentässä ja suurimmillaan 3-kentässä. Tämä johtuu siitä, että 1-kenttään kerääntyy hiukkaskooltaan suurimmat lentotuhkahiukkaset ja 3-kentässä on mukana enemmän pienhiukkasia sisältävää tuhkaa. Lannoitteeksi menevän tuhkan Cd-pitoisuutta voidaan vähentää parhaimmillaan jopa 70 % sähkösuodattimella fraktioimalla. Muiden raskasmetallien pitoisuudet eivät vähene aivan yhtä paljon. Sähkösuodattimella voidaan tulosten perusteella fraktioida lentotuhkaa. Sähkösuodattimella ei kuitenkaan voida varmasti saavuttaa alle 3 mg/kg Cd-pitoisuuksia polttoaineen laadunvaihtelun vuoksi. Ion Blast -koelaitteiston tulokset tukevat sähkösuodattimella tehtyjä kokeita. Erottimen jännitteen kasvaessa raskasmetalleja sisältävien hiukkasten erotusaste kasvaa. Ion Blast -laitteistolla tehdyissä kokeissa myös Cd-pitoisuus oli korkeimmillaan pienimmän raeluokan hiukkasissa ja laski sitten raeluokan suurentuessa. Ion Blast -laitteisto ei kuitenkaan sellaisenaan ole hyvä fraktiointiin. Se on liian tehokas, jolloin se puhdistaa tehokkaasti myös raskasmetalleja sisältävät pienhiukkaset. Jos laitetta aiotaan käyttää fraktiointiin, tulisi sen rakennetta muuttaa.

Sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron vierasainetasot ja kalkkikierron aukaisu.

Työssä selvitettiin sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron eräiden virtojen vierasainepitoisuudet. Tavoitteena oli myös laatia kaustisoinnin ja meesauunin vierasainetaseet sekä arvioida kalkkikierron aukaisun vaikutusta kierron vierasainetasoihin. Kirjallisuusosassa on tarkasteltu sulfaattisellutehtaan kemikaalikiertoa ja sen osaprosesseja. Kirjallisuusosassa on keskitytty tarkastelemaan eri vierasaineiden käyttäytymistä kemikaalikierrossa. Lisäksi kalkkikierron prosesseja sekä kalkkikierron taselaskentaa on tarkasteltu. Kokeellisessa osassa määritettiin Metsä-Botnia Oy:n Joutseno Pulpin sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron vierasainetasot ja verrattiin niitä muiden tehtaiden vierasainetasoihin. Kokeellisessa osassa selvitettiin myös ne prosessin kohdat, joihin vierasaineet rikastuvat. Lisäksi laadittiin kaustisoinnin ja meesauunin vierasainetaseet sekä tehtiin arvio kalkkikierron vierasainetasojen ja kalkkikierron aukaisun välisestä korrelaatiosta. Tehtyjen määritysten perusteella Joutseno Pulpin sulfaattisellutehtaan eräiden prosessivirtojen vierasainetasot ovat selvästi muiden Metsä-Botnian tehtaiden tasoja korkeammalla. Etenkin valkolipeän kaliumpitoisuus ja meesan fosforipitoisuus ovat korkeita. Kloridi rikastuu voimakkaasti soodakattilan lentotuhkaan ja fosfori rikastuu meesauunin sähkösuodinpölyyn. Laadittujen taseiden perusteella vierasaineista fosfori ja magnesium rikastuvat selvästi kalkkikiertoon. Niiden määrät kalkkikierrossa ovat huomattavasti suuremmat kuin muiden vierasaineiden määrät. Kalkkikierron fosforitasoa voidaan alentaa poistamalla kierrosta meesauunin sähkösuodinpölyä ja korvaamalla poisto make-up kalkilla. Tällöin muiden vierasaineiden määrä kalkkikierrossa kuitenkin kasvaa.

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.

Puun ja turpeen sekapolton vaikutus leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin

Työn tavoitteena oli tutkia vaikuttaako puupolttoaineen lisääminen turpeen joukkoon leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin tai sähkösuodattimen erotusasteeseen. Työn teoriaosassa selvitettiin hiukkaspäästöjen muodostumista leijukerrospoltossa ja vertailtiin eri polttotekniikoiden hiukkaspäästöjä. Lisäksi esiteltiin erilaisia hiukkasten erottamiseen soveltuvia erotuslaitteita. Tarkastelussa keskityttiin sähkösuodattimeen, joka on yleisin hiukkasten erottamiseen käytettävä erotuslaite. Työn kokeellinen osa suoritettiin turvetta ja puuta polttavalla kuplivalla leijukerroskattilalla. Kokeellisessa osassa tutkittiin vaikuttaako puun lisäys syntyvien hiukkasten kokojakaumiin, sähkösuodattimen jälkeiseen kokonaishiukkaspäästöön tai sähkösuodattimen erotusasteeseen. Kokeet suoritettiin sekä pelkkänä turpeenpolttona (2 koetta), että kahdella eri puu/turve-polttoainesuhteella. Kokojakaumamittaukset suoritettiin lisäksi kahdella eri menetelmällä. Kokojakaumamittausten perusteella todettiin puun lisäyksen kasvattavan pienhiukkasten muodostumista. Pienhiukkasten osuus kasvoi sekapolton myötä myös sähkösuodattimen jälkeen. Sekapoltolla ei sen sijaan ollut selvää vaikutusta kokonaishiukkaspäästöön tai sähkösuodattimen erotusasteeseen.

Uusien ympäristölupien ja ympäristölainsäädännön muutosten vaikutukset savukaasunpuhdistuslaitekantaan

Työn tarkoituksena oli selvittää Alstom Finland Oy:n pääasiakkaiden ympäristö-lupatilanne sekä tarkastella, miten Alstomin toimittamat hiukkastenpuhdistuslait-teet täyttävät muuttavat lainsäädännön vaatimukset. Lisäksi työssä arvioitiin lai-tosten hiukkaspäästöjen vähentämisestä syntyvää savukaasunpuhdistuslaitteiden investointitarvetta. Työn teoriaosuus sisältää katsauksen ympäristölupakäytäntöön sekä Valtioneu-voston asetuksiin, jotka koskevat laitosten hiukkaspäästöjä. Lisäksi työssä on kä-sitelty parhaan käytettävissä olevan tekniikan mukaisia hiukkaspäästörajoja ja tekniikoita sekä hiukkasten muodostumista että raskasmetallien sitoutumista hiukkasiin. Kaikkiaan työssä mukana olevia laitoksia oli 49, joista tarkemmin tarkasteltiin 12 laitosta. Suurin osa laitoksista ei ollut saanut tai hakenut ympäristönsuojelulain mukaista ympäristölupaa, joten niillä on velvollisuus hakea lupaa siirtymäsään-nöksen mukaisesti vuoden 2004 loppuun mennessä. Tarkemmassa tarkastelussa olevien laitosten hiukkaspäästömittaustuloksia vertailtiin nykyisiin sekä uu-siin/oletettuihin ympäristölupien hiukkaspäästörajoihin. Tarkastelussa mukana olevasta seitsemästä soodakattilalaitoksesta, joilla ei vielä ollut uutta ympäristölu-paa, 43 % ylitti arvioidun uuden luparajan 50 mg/m3(n):ssa ja kolmesta meesauu-nia käyttävästä laitoksesta yksi sekä viidestä muusta kattilasta kaksi.

Sähkösuodattimen mahdollisuudet sisäilman parantajana

Diplomityön tavoitteena oli selvittää, kuinka sähkösuodattimella voidaan vaikuttaa sisäilman laatuun ja kuinka kilpailukykyinen vaihtoehto pienkiinteistöissä sähkösuodatin on perinteisiin kuitusuodattimiin verrattuna. Teoriaosassa tarkasteltiin, kuinka ilman hengitettävät hiukkaset muodostuvat ja miten ne vaikuttavat sisäilman laatuun sekä ihmisten terveyteen. Tarkasteltiin hiukkasten koon, lukumäärän, massan ja pinta-alan yhteyksiä niiden terveysvaikutuksiin. Ultrapienet hiukkaset ovat terveydelle haitallisimpia, koska hiukkasten lukumäärä ja pinta-ala lisäävät terveyshaittoja enemmän kuin hiukkasten massa. Tutkittiin pienkiinteistöjen ilmanvaihtoratkaisuja ja erilaisia tuloilmanpuhdistus-menetelmiä. Soveltavassa osassa tarkasteltiin sähkösuodattimen toimintaa ja sen mahdollisuuksia sisäilman parantajana verrattuna perinteisiin kuitusuodattimiin. Tehtiin sähkösuodattimen ja kuitusuodattimen välinen elinkaarikustannusvertailu keskisuurelle omakotitalolle. Kirjallisuuden ja tutkimushavaintojen perusteella sähkösuodattimen suurin etu muihin suodattimiin verrattuna on sen kyky poistaa kaiken kokoisia, myös ultrapieniä, hengitettäviä hiukkasia ja siten tehokkaasti vähentää hengitettävien hiukkasten lukumäärää ja pinta-alaa. Tällä voi olla vaikutusta yleisten terveyshaittojen ja ympäristöherkkyyden ennaltaehkäisemisessä. Ympäristöherkkyyteen sairastuneiden oireiluun sähkösuodatin voi tuottaa helpotusta kotioloissa ja siirrettävän ilmanpuhdistimen avulla myös työpaikoilla. Elinkaarikustannusvertailun perusteella selvisi, että sähkösuodatin on kalliimmasta hinnastaan huolimatta kokonaiskustannuksiltaan selvästi edullisempi vaihtoehto kuin kuitusuodattimet. Sähkösuodattimen haasteena on uuden teknologian lanseeraaminen pientalorakentamiseen. Pienrakennusten tuloilman puhdistusmenetelmien kehittämisellä olisi mahdollista parantaa suomalaisten elämänlaatua ja saavuttaa merkittäviä säästöjä terveydenhoitokuluissa.

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF SHORT-TERM MUTAGENICITY AND CYTOTOXICITY BIOASSAYS FOR INTEGRATED HEALTH ASSESSMENT STUDIES OF COAL FLY ASH EMISSIONS

Two respirable coal fly ash samples ((LESSTHEQ) 3(mu)m), one from a pressurized fluidized-bed combustion miniplant and one from a conventional combustion power plant, were investigated for physical properties, chemical composition and biological activity. Electron microscopy illustrated irregularity in fluidized-bed combustion fly ash and sphericity in conventional combustion fly ash. Elemental analysis of these samples showed differences in trace elements. Both fly ash samples were toxic in rabbit alveolar macrophage and Chinese hamster ovary cell systems in vitro. The macrophages were more sensitive to toxicity of fly ash than the ovary cells. For measuring the cytotoxicity of fly ash, the most sensitive parameters were adenosine triphosphate in the alveolar macrophage system and viability index in the hamster ovary system. Intact fluidized-bed combustion fly-ash particles showed mutagenicity only in strains TA98 and TA1538 without metabolic activation in the Ames Salmonella assay. No mutagenicity was detected in bioassay of conventional combustion fly ash particles. Solvent extraction yielded more mass from fluidized-bed combustion fly ash than from conventional combustion fly ash. The extracts of fluidized-bed combustion fly ash showed higher mutagenic activity than conventional combustion fly ash. These samples contained direct-acting, frameshift mutagens.^ Fly ash samples collected from the same fluidized-bed source by cyclones, a fabric filter, and a electrostatic precipitator at various temperatures were compared for particle size, toxicity, and mutagenicity. Results demonstrated that the biological activity of coal fly ash were affected by the collection site, device, and temperature.^ Coal fly ash vapor-coated with 1-nitropyrene was developed as a model system to study the bioavailability and recovery of nitroaromatic compounds in fly ash. The effects of vapor deposition on toxicity and mutagenicity of fly ash were examined. The nitropyrene coating did not significantly alter the ash's cytotoxicity. Nitropyrene was bioavailable in the biological media, and a significant percentage was not recovered after the coated fly ash was cultured with alveolar macrophages. 1-Nitropyrene loss increased as the number of macrophages was increased, suggesting that the macrophages are capable of metabolizing or binding 1-nitropyrene present in coal fly ash. ^

Design, modeling and construction of a novel ablative fast pyrolysis reactor and product collection system

The objective of this work was to design, construct and commission a new ablative pyrolysis reactor and a high efficiency product collection system. The reactor was to have a nominal throughput of 10 kg/11r of dry biomass and be inherently scalable up to an industrial scale application of 10 tones/hr. The whole process consists of a bladed ablative pyrolysis reactor, two high efficiency cyclones for char removal and a disk and doughnut quench column combined with a wet walled electrostatic precipitator, which is directly mounted on top, for liquids collection. In order to aid design and scale-up calculations, detailed mathematical modelling was undertaken of the reaction system enabling sizes, efficiencies and operating conditions to be determined. Specifically, a modular approach was taken due to the iterative nature of some of the design methodologies, with the output from one module being the input to the next. Separate modules were developed for the determination of the biomass ablation rate, specification of the reactor capacity, cyclone design, quench column design and electrostatic precipitator design. These models enabled a rigorous design protocol to be developed capable of specifying the required reactor and product collection system size for specified biomass throughputs, operating conditions and collection efficiencies. The reactor proved capable of generating an ablation rate of 0.63 mm/s for pine wood at a temperature of 525 'DC with a relative velocity between the heated surface and reacting biomass particle of 12.1 m/s. The reactor achieved a maximum throughput of 2.3 kg/hr, which was the maximum the biomass feeder could supply. The reactor is capable of being operated at a far higher throughput but this would require a new feeder and drive motor to be purchased. Modelling showed that the reactor is capable of achieving a reactor throughput of approximately 30 kg/hr. This is an area that should be considered for the future as the reactor is currently operating well below its theoretical maximum. Calculations show that the current product collection system could operate efficiently up to a maximum feed rate of 10 kg/Fir, provided the inert gas supply was adjusted accordingly to keep the vapour residence time in the electrostatic precipitator above one second. Operation above 10 kg/hr would require some modifications to the product collection system. Eight experimental runs were documented and considered successful, more were attempted but due to equipment failure had to be abandoned. This does not detract from the fact that the reactor and product collection system design was extremely efficient. The maximum total liquid yield was 64.9 % liquid yields on a dry wood fed basis. It is considered that the liquid yield would have been higher had there been sufficient development time to overcome certain operational difficulties and if longer operating runs had been attempted to offset product losses occurring due to the difficulties in collecting all available product from a large scale collection unit. The liquids collection system was highly efficient and modeling determined a liquid collection efficiency of above 99% on a mass basis. This was validated due to the fact that a dry ice/acetone condenser and a cotton wool filter downstream of the collection unit enabled mass measurements of the amount of condensable product exiting the product collection unit. This showed that the collection efficiency was in excess of 99% on a mass basis.

Multifractality in plasma edge electrostatic turbulence

Plasma edge turbulence in Tokamak Chauffage Alfven Bresilien (TCABR) [R. M. O. Galvao et al., Plasma Phys. Contr. Fusion 43, 1181 (2001)] is investigated for multifractal properties of the fluctuating floating electrostatic potential measured by Langmuir probes. The multifractality in this signal is characterized by the full multifractal spectra determined by applying the wavelet transform modulus maxima. In this work, the dependence of the multifractal spectrum with the radial position is presented. The multifractality degree inside the plasma increases with the radial position reaching a maximum near the plasma edge and becoming almost constant in the scrape-off layer. Comparisons between these results with those obtained for random test time series with the same Hurst exponents and data length statistically confirm the reported multifractal behavior. Moreover, the persistence of these signals, characterized by their Hurst exponent, present radial profile similar to the deterministic component estimated from analysis based on dynamical recurrences. (C) 2008 American Institute of Physics.

Bicoherence in electrostatic turbulence driven by high magnetohydrodynamic activity in Tokamak Chauffage Alfven Bresilien

During some discharges in Tokamak Chauffage Alfven Bresilien [R. M. O. Galvao et al., Plasma Phys. Controlled Fusion 43, 1181 (2001)] high magnetohydrodynamic activity may appear with a peaked frequency spectrum. Whenever this peak occurs, the ambient broadband electrostatic turbulence is remarkably modified, synchronizing into the dominant magnetic fluctuation frequency and presenting high bicoherence in the whole plasma edge with a maximum bicoherence inside the plasma. A phenomenological model is introduced to investigate this driven turbulence bicoherence, consisting of nonlinearly coupled phase-randomized drift modes with time-periodic external driving at the dominant magnetic fluctuation frequency. The bicoherence spectrum of this model can mimic features of the experimental results. (C) 2009 American Institute of Physics. [DOI: 10.1063/1.3099701]

Electrostatic turbulence driven by high magnetohydrodynamic activity in Tokamak Chauffage Alfven Bresilien

In Tokamak Chauffage Alfven Bresilien [R. M. O. Galvao , Plasma Phys. Controlled Fusion 43, 1181 (2001)], high magnetohydrodynamic (MHD) activity may appear spontaneously or during discharges with a voltage biased electrode inserted at the plasma edge. The turbulent electrostatic fluctuations, measured by Langmuir probes, are modulated by Mirnov oscillations presenting a dominant peak with a common frequency around 10 kHz. We report the occurrence of phase locking of the turbulent potential fluctuations driven by MHD activity at this frequency. Using wavelet cross-spectral analysis, we characterized the phase and frequency synchronization in the plasma edge region. We introduced an order parameter to characterize the radial dependence of the phase-locking intensity. (c) 2008 American Institute of Physics.

The effect of the generation and handling in the acquired electrostatic charge in airborne particles

The measurement of the charge distribution in laboratory generated aerosols particles was carried out. Four cases of electrostatic charge acquisition by aerosol particles were evaluated. In two of these cases. the charges acquired by the particles were naturally derived from the aerosol generation procedure itself, without using any additional charging method. Ill the other two cases, a corona charger and an impact charger were utilized as Supplementary methods for charge generation. Two types of aerosol generators were used in the dispersion of particles in the gas Stream: the vibrating orifice generator TSI model 3450 and the rotating plate generator TSI model 3433. In the vibrating orifice generator. a Solution of methylene blue Was used and the generated particles were mono-dispersed. Different mono-aerosols were generated with particle diameters varying from 6.0 x 10(-6) m to 1.4 x 10(-5) m. In the rotating plate generator, a poly-dispersed phosphate rock concentrate with Stokes mean diameter of 1.30 x 10(-6) m and size range between 1.5 x 10(-7) m and 8.0 x 10(-6) m Was utilized as powder material in all tests. In the tests performed with the mono-dispersed particles. the median charges of the particles varied between -3.0 x 10-(16) C and -5.0 x 10(-18) degrees C and a weak dependence between particle size and charge was observed. The particles were predominantly negatively charged. In the tests with the poly-dispersed particles the median charges varied fairly linearly with the particle diameter and were negative. The order of magnitude of the results obtained is in accordance with data reported in the literature. The charge distribution, in this case, was wider, so that an appreciable amount of particles were positively charged. The relative spread of the distribution varied with the charging method. It was also noticed that the corona charger acted very effectively in charging the particles. (C) 2008 Elsevier BY. All rights reserved.

A geometrical approach of 3-D FEA for educational purposes applied to electrostatic fields

A geometrical approach of the finite-element analysis applied to electrostatic fields is presented. This approach is particularly well adapted to teaching Finite Elements in Electrical Engineering courses at undergraduate level. The procedure leads to the same system of algebraic equations as that derived by classical approaches, such as variational principle or weighted residuals for nodal elements with plane symmetry. It is shown that the extension of the original procedure to three dimensions is straightforward, provided the domain be meshed in first-order tetrahedral elements. The element matrices are derived by applying Maxwell`s equations in integral form to suitably chosen surfaces in the finite-element mesh.