Maalämpöpumpun mitoitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää maalämpöpumppujärjestelmään kuuluvien komponenttien mitoitusta. Työ tehtiin Alufer Oy nimiselle yritykselle, joka on työskennellyt jo kolme vuotta maalämpöpumppujärjestelmän tuotekehityksen parissa. Maalämpöpumppujärjestelmä tullaan suunnittelemaan mahdollisimman suorituskykyiseksi ja joustavaksi. Suunnittelun lähtökohtana on, että lämmitysjärjestelmä on ns. matalalämpö-järjestelmä, joka käytännössä usein toteutetaan lattialämmityksenä. Ensimmäiseksi työssä on selvitetty mitä maalämpö on ja mitkä ovat yleisimmät maalämpöpumppujärjestelmän lämmönkeruuputkistojen asennustavat. Tällä hetkellä käytössä on joko vaakaan (maa, vesi) tai pystyyn asennettava lämmönkeruuputkisto (porakaivo). Seuraavaksi työssä on lähdetty selvittämään maalämpöpumppumarkkinoita Suomessa sekä selvitetty kolmen suurimman valmistajan Geopro Systemsin, Suomen Lämpöpumpputekniikan ja Ekowellin tuotteita sekä tekniikkaa. Työssä selvitetään myös muutamien Eurooppalaisten maiden markkinat. Mitoitusjärjestelmässä tarkastelu on aloitettu uudisrakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta tehosta. Tarvittavan lämmitysenergian perusteella määriteltiin lämpöpumppujärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu seuraavista pääkomponenteista: höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili. Höyrystimen tehon mitoituksessa on huomioitu lämmönkeruuputkistossa kulkevan nesteen aineominaisuudet, massavirta ja lämpötilaero höyrystimen nesteen ulostulon sekä sisään menon välillä. Kompressorin teho on määritetty valitun kylmäaineen (R407C) lg p-h piirroksesta tai määritetty teoreettisesti kompressorivalmistajien omista valintaohjelmista. Lauhduttimen teho on määritelty höyrystimen sekä kompressorin tehon summasta. Samalla määräytyy myös uudisrakennuksen lämmitystehontarve. Lopuksi työssä on käsitelty maalämpöpumppujärjestelmän kehitysmahdollisuuksia. Vaihtoehtoina on huomioitu tulistin, alijäähdytin ja varaaja, joilla voidaan huomattavasti parantaa maalämpöpumpun lämpökerrointa.

Sahojen energiajärjestelmien kehittäminen

Tyypillisesti sahoilla tarvittava lämpö tuotetaan omalla lämpölaitoksella, jossa hyödynnetään sahalla syntyviä sivutuotteita kuten kuorta ja purua. Lämmöntuotantoon ei yleensä käytetä lainkaan öljyä. Jos lämpölaitoksen teho ei riitä tai lämmöntuotannossa syntyy katkoksia, tyydytään rajoittamaan tuotantoa tai annetaan sahatavaran laadun kärsiä. Diplomityössä etsitään taloudellisesti kannattavia konsepteja, joilla voidaan parantaa lämmöntuotannon varmuutta sahoilla. Työssä tarkastellaan sahoja kolmessa eri kokoluokassa, kattaen yleisimmät sahalaitokset. Koska diplomityöhön ei otettu malliksi mitään tiettyä sahaa, määritettiin em. kolmelle kokoluokalle materiaali- ja energiavirrat yleisten tunnuslukujen perusteella. Lisäksi sahoille määritettiin kuivaustiedot, kun kaikilla sahoilla oletettiin olevan ainoastaan kamarikuivaamoita. Sahojen käyttämä kuori on kosteaa, ja se asettaa käytettävälle polttotekniikalle korkeat vaatimukset. Kuoren lämpöarvoa voidaan parantaa kuivattamalla sitä ennen polttoa erillisessä kuivurissa. Diplomityössä tarkastellaan suoraa ja epäsuoraa kuivatusta, joista molemmat perustuvat kiertoleijutekniikkaan. Suorassa kuivatuksessa hyödynnetään kattilasta saatavia savukaasuja, kun taas epäsuorassa kuivatuksessa lämmönlähteenä käytetään kuuma vettä. Molempien kuivatuskonseptien osalta käydään läpi toimintaperiaate ja kytkentä lämpölaitokseen, sekä lasketaan lämmöntuotannon omakustannushinta. Lisäksi tarkastellaan suoran kuivatuksen asentamista nykyiseen kostean polttoaineen laitokseen. Kuoren kuivatuksen lisäksi arvioidaan kuumavesikattilan käyttöä sahoilla ja sahatavaran kuivauksessa tarvittavan erillisen höyrynkehityksen korvaamista kuumavesiakulla. Lopuksi diplomityössä tarkastellaan pienimuotoista sähköntuotantoa sahojen lämpölaitosten yhteydessä ja sen kannattavuutta. Tarkasteltavia tekniikoita ovat ORC –tekniikka sekä höyrykone.

Biopolttoaineseoksen poltosta aiheutuvien ongelmien arviointityökalu.

Biopolttoaineiden erityispiirteitä ovat alhainen lämpöarvo, korkea kosteuspitoisuus ja suuri haihtuvien aineiden määrä. Lisäksi biopolttoaineiden tuhkat sisältävät runsaasti alkaleja. Näistä ominaisuuksista seuraa ongelmia, jotka on otettava huomioon biopolttoainetta polttavan voimalaitoksen suunnittelussa ja käytössä. Diplomityössä selvitetään biopolttoaineiden poltosta aiheutuvat ongelmat ja niiden syyt sekä kehitetään työkalu, jonka avulla voidaan arvioida biopolttoaineseoksen polton ongelmien syntymistä. Arviointi tapahtuu biopolttoaineseoksen ominaisuuksien perusteella. Kattilassa vallitsevien, polton aikaisten olosuhteiden vaikutusta syntyviin ongelmiin ei tässä työssä tarkastella. Kun lähtötiedoista lasketut, ongelmien synnyn kannalta olennaiset polttoaineseoksen ja sen tuhkan ominaisuudet tunnetaan, verrataan niitä työssä koottuihin raja-arvoihin. Jos laskettu arvo on suurempi kuin rajaksi asetettu arvo, on todennäköistä, että kattilassa esiintyy ongelmia. Suurimmat ongelmat biopolttoaineiden leijupoltossa ovat likakerrostumien muodostuminen lämpöpinnoille, leijukerroksen sintraantuminen ja agglomeroituminen sekä lämpöpintojen korkealämpötilakorroosio. Raja-arvoina käytetään sekä tutkimustuloksina saatuja että käytännön kokemuksiin perustuvia arvoja. Raja-arvoja määritettäessä on huomioitu niiden soveltuvuus tarkastelun kohteena olevalle voimalaitokselle, jonka tyyppi ja kokoluokka vaikuttavat käytettäviin raja-arvoihin. Työkalu tukee keskikokoisen biovoimalaitoksen, jossa palaminen tapahtuu kerrosleijukattilassa, tuotteistusprosessia. Työkalua käytetään voimalaitoksen tuotteistuksessa optimaalisen polttoaineseoksen etsimiseen, riskienhallintaan sekä konseptikehitykseen. Lisäksi työkalua tullaan käyttämään valmiin tuotteen myyntiin ja markkinointiin.

Cost-Efficiency of Birch Sprinkling in Kraft Pulping

Työn tavoitteena oli selvittää koivun kasteluvarastoinnin kannattavuus selluteollisuudessa. Lisäksi tutkittiin, kuinka kastelu vaikuttaa puuaineeseen varastoinnin aikana ja kuinka koivun kasteluvarastointi vaikuttaa puun kuorintaan ja haketukseen, keitettävyyteen, vaalenevuuteen sekä sellun laatuun. Enocellin puukentälle rakennettiin kasteluvarasto, jossa varastoitiin 40,000 m3sob koivua. Kastelu oli päällä huhtikuusta lokakuuhun asti. Kastelun vaikutusta puuaineen muutoksiin arvioitiin lahotutkimusten avulla. Tehdaskoeajoissa verrattiin tuoretta, kasteluvarastoitua ja kuivavarastoitua koivua. Puuaines säilyi lähes muuttumattomana yhden kesän kasteluvarastoinnissa. Kastellulla koivulla terveen puun osuus oli yli 85 % kesän lopussa, kun se oli alle 20 % kuivavarastoidulla koivulla. Kuorinnan puuhäviö laskee selvästi kastelukoivulla ja myös hakkeen laatu oli parempaa kuin kuivavarastoidulla koivulla. Kastelukoivulla hakkeen kuoripitoisuus oli vain 0.13 %. Kuoren kuiva-aine oli 12 prosenttiyksikköä alhaisempi kuin kuivalla koivulla, mutta kuoren lämpöarvossa ero oli vain 1 €/ADt. Varastointimenetelmällä ei ollut vaikutusta hakkeen keitettävyyteen, mutta tuoreella puulla keitettävyys oli parempi kuin varastoidulla puulla. Sellun asetoniuutepitoisuus oli samalla tasolla tuoreella ja kastellulla puulla. Kuivalla syyspuulla uutetaso oli korkeampi, vaikka hartsisaippuan annostusta nostettiin 10 kg/ADt. Betulinolitaso oli kastellulla puulla erittäin alhainen puun hyvän kuoriutuvuuden vuoksi. Kastellun ja tuoreen puun vaalenevuus oli parempi kuin kuivalla puulla. Aktiivikloorin kulutus oli 3 – 4 kg/ADt alhaisempi kuin kuivalla syyspuulla. Puun varastoinnilla ei ollut vaikutusta sellun laatuun. Koivun kasteluvarastoinnin kannattavuus on erittäin hyvä. Tuotantokustannukset määritettiin tuoreelle, kastellulle, kierrätetylle sekä kuivalle koivulle. Kasteluvarastointi laskee tuotantokustannuksia noin 10 €/ADt verrattuna kierrätettyyn koivuun. Kuivavarastoidun puun käyttö nostaa tuotantokustannuksia noin 5 €/ADt verrattuna kastelukoivuun. Kierrätetyn ja kuivavarastoidun puun kustannusero johtuu kierrätyskustannuksista. Kasteluvarastolle, jota käytettiin kesällä 2004, takaisinmaksuaika on vain 0.4 vuotta. Jos tavoiteltu takaisinmaksuaika olisi kaksi vuotta, niin perusinvestointi 80,000 m3sob varastolle voisi maksaa noin 370 k€.

Bioenergiaa ja ravinteita kasvi- ja eläinperäisistä sivuainevirroista Parikkalassa

Euroopan unionissa pyritään lisäämään uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän työn tavoitteena oli selvittää Parikkalan kunnan alueella muodostuvat biomassat sekä tutkia niiden hyötykäyttömahdollisuuksia sähkön, lämmön sekä lannoitteiden tuotannossa. Käsiteltäviä biomassoja ovat eläintilojen lietteet ja lannat, biojätteet ja yhdyskuntalietteet, vesistöjen kunnostuksessa syntyvät biomassat sekä peltobiomassat ja metsäbiomassa. Mädätyksen kannalta olennaisinta on materiaalien kosteus ja haihtuvan orgaanisen aineksen pitoisuus sekä siitä saatava biokaasumäärä. Poltossa polttoaineen kuiva-aineen lämpöarvo ja kosteus määrittelevät saadun hyödyn. Kompostoinnissa on tärkeää huolehtia riittävästä ilman saannista ja riittävästä viipymäajasta. Hyödynnettäessä biokaasua sähkön ja lämmön yhteistuotannossa on tärkeää löytää hyötykäyttö myös muodostuvalle lämmölle. Poltosta saatavan tuhkan hyötykäyttö onnistuu metsälannoitteena, kun poltetaan turvetta tai puuta. Kompostia voidaan hyödyntää maanparannusaineena. Parikkalan alueella tarkasteltiin biomassojen nykyistä ja mahdollista tulevaa hyötykäyttöä. Tarkastelu tehtiin skenaarioiden avulla. Skenaarioihin kuuluvat mädätyksen ja polton maksimipotentiaalit sekä keskitetyn ja hajautetun käsittelyn skenaariot. Alueelta on saatavissa paljon biomassoja, joista massaltaan suurin on eläintilojen lannat. Alueella on hankaluutena löytää sopiva kulutuskohde biokaasusta tuotetulle lämmölle, mutta sopivana kohteena voisi toimia alueella oleva suuri sikala tai lämpökeskukset.

Mädätysjäännöksen tuotteistamismahdollisuudet Kymenlaaksossa

Biokaasun tuotantoa ollaan selvästi lisäämässä Suomessa. Biokaasutuksen kokonaishyödyn kannalta on olennaista, että mädätyksen lopputuote eli mädätysjäännös saadaan lannoitekäyttöön. Tämän työn tavoitteena oli selvittää Kymenlaakson Jäte Oy:n mahdollisuuksia tuotteis-taa Kymen Bioenergia Oy:n yhteismädätyslaitoksen mädätysjäännöstä. Työssä keskityttiin hyötykäyttövaihtoehdoista lannoitekäyttöön maanviljelyssä sekä tilanteeseen jossa mädätyslaitos käsittelee sekä puhdistamolietettä että biojätettä ja mädätysjäännös kuivataan mekaanisesti. Mekaanisesti kuivatun mädätysjäännöksen ensisijaiset tuotteistamisvaihtoehdot maanviljelyyn ovat joko jäännös sellaisenaan tai termisesti kuivattuna ja rakeistettuna, eli kuivarakeena. Mäkikylän laitoksen mädätysjäännöksen arvo peltolannoitteena on syyskuun 2010 keinolannoit-teiden hintaan vertaamalla sellaisenaan noin 1–20 €/t ja kuivarakeena noin 2–60 €/t. Arvo riippuu siitä, miten tuotteiden typpeä ja fosforia huomioidaan kasveille käyttökelpoiseksi. Täl-lä hetkellä käyttökelpoisin tapa on ympäristötuen puhdistamolietetuotteita koskevien ehtojen mukaisesti ottaa huomioon vesiliukoinen typpi ja 40 % kokonaisfosforista. Tällöin mädätys-jäännöksen arvo on noin 6 €/t ja kuivarakeen n. 18 €/t. Käytön kannalta kuivarae on helpompi vaihtoehto ja alueen viljelijät ovat heille tehdyn kyselyn mukaan varsin kiinnostuneita kuivarakeesta lannoitteena. Muista tuotteistusvaihtoehdoista termisesti kuivaamalla mädätysjäännöksen tehollinen lämpö-arvo saapumistilassa on noin 10 MJ/kg. Vastaava arvo jyrsinturpeen kesäkuun 2010 hinnan mukaan on noin 30 €/t. Tuotteen soveltuvuus polttoon tulee silti varmistaa. Termisesti kuiva-tulla mädätysjäännöksellä on tuotteistamismahdollisuuksia hieman laajemmin kuin kompostoidulla. Kompostoidun mädätysjäännöksen tuotteistamisen lähtökohta on lähinnä viherrakentaminen. Maanviljelykäyttöä ajatellen mädätysjäännöstä ei välttämättä tarvitse kompostoida.

Hartsin likaantuminen ja kestävyys mustalipeän fraktioinnissa kokoekskluusiokromatografialla

Sellunkeiton sivutuotteena syntyvä mustalipeä sisältää arvokkaita orgaanisia yhdisteitä, kuten hydroksihappoja. Toistaiseksi hydroksihapot on käytetty muun mustalipeän tavoin sellutehtaan lämmöntuotantoon. Hydroksihappojen merkitys lämmöntuotannon kannalta on kuitenkin pieni verrattuna mustalipeän sisältämään ligniiniin. Viime vuosina kiinnostus hydroksihappoja kohtaan on kasvanut sillä ne voisivat toimia lähtöaineena monille kemikaaleille, joiden valmistukseen käytetään perinteisesti fossiilisia polttoaineita. Hydroksihappoja voidaan erottaa mustalipeästä useilla eri menetelmillä. Erotukseen soveltuvia menetelmiä ovat esimerkiksi ioniekskluusiokromatografia, kalvosuodatus ja kiteytys sekä kokoekskluusiokromatografia. Kromatografisissa menetelmissä käytetyt hartsit ja kalvosuodatuksessa käytettävät kalvot ovat kuitenkin alttiita eri yhdisteiden aiheuttamalle likaantumiselle. Tämän työn kirjallisuusosassa käsitellään mustalipeän koostumusta sekä mustalipeän sisältämiä hydroksihappoja ja niiden käyttökohteita. Lisäksi kirjallisessa osassa on kuvattu aikaisemmin tutkittuja menetelmiä hydroksihappojen erottamiseksi mustalipeästä. Viimeisin menetelmä mustalipeän fraktioimiseksi on kokoekskluusiokromatografia. Työssä on kuvattu kokoeksluusiokromatografian periaate ja selvitetty menetelmän soveltuvuutta mustalipeän fraktiointiin. Lisäksi on käsitelty kromatografisissa menetelmissä käytettyjen hartsien likaantumista, likaantumisen vaikutusta erotustehokkuuteen ja likaantumisen ehkäisyä. Kokeellisessa osassa käsitellään hydroksihappojen erotusta mustalipeästä kokoekskluusiokromatografialla sekä kokoekskluusiokromatografiassa käytettävän hartsin likaantumista ja kestävyyttä. Työssä selvitettiin toistokokein likaantumisen vaikutusta hartsin erotuskykyyn käsitellyn mustalipeän määrän kasvaessa. Malliaineena käytettiin ultrasuodatettua soodakeitettyä mustalipeää. Tulosten perusteella hartsin likaantuminen ei vaikuttanut hydroksihappojen erotukseen mustalipeästä. Kestävyyskokeissa hartsin vesiretentiossa ei havaittu mittausten perusteella johdonmukaista muutosta. HPLC-analyysien perusteella huomattiin liuoksista kuitenkin mahdollisia hartsin hajoamistuotteita, joita ei kuitenkaan pystytty tunnistamaan.

Rankapuun ja -hakkeen laadun vaihtelu terminaalivarastoinnissa

Työssä tutkittiin polttoaineterminaalissa varastoitavan puupolttoaineen laadunmuutoksia. Tutkimuksessa tarkasteltiin hakettamattomien rankapuiden ja rankapuuhakkeen kosteuden ja lämpöarvon muutosta. Myös kuiva-ainetappiota tutkittiin aikaisempien tutkimusten perusteella. Tutkimusaineisto kerättiin Etelä-Savon Energian polttoaineterminaaleista. Kosteus-pitoisuuksia mitattiin Hydromette M2050 -pikakosteusmittarilla ja uunikuivaus-menetelmällä standardin SFS-EN 14774 mukaisesti. Tutkimuksessa huomattiin pikakosteusmittarin toimivan riittävän luotettavalla tasolla rankapuiden mittauksissa, mutta hakkeen mittauksissa mittari osoittautui toimimattomaksi. Varastointiaika ei vaikuttanut polttoaineiden lämpöarvoihin, mutta kosteuspitoisuus vaihteli suuresti. Tutkimustuloksista pääteltiin rangan kuivuvan terminaalivarastossa ja hakkeen kosteuden pysyvän vakiona. Energiasisällön puolesta rankapuuta voidaan varastoida yli 2 vuotta, mutta hakkeen varastointiaika tulisi pitää mahdollisimman lyhyenä.

Rankahakkeen laadunhallinta aumavarastoinnissa

Diplomityössä selvitettiin rankahakeaumojen peittämisen vaikutuksia laatuun voimalaitoksen polttoaineena. Selvityksen kohteena olivat aumojen sisälämpötilat eri kohdissa aumoja sekä hakkeen kosteuden muutos ja kuiva-ainetappiot varastoinnin aikana. Tutkimuksen kohteena olivat Etelä-Savon Energian polttoaineterminaaliin kootut hakeaumat. Aumojen sisäistä lämpötilaa asennettiin mittaamaan yhdeksän lämpötilasensoria kuhunkin aumaan. Hakkeiden kokonaismassat tutkimuksen alussa laskettiin aumoihin purettujen kuormien massoista. Kuormista määritettiin kosteudet ja lämpöarvot standardien mukaisesti. Näytteiden käsittely tapahtui terminaalilla ja niiden kosteus selvitettiin uunikuivausmenetelmällä. Käyttöpaikalle kuljetuksen yhteydessä kuormat punnittiin ja kosteudet mitattiin uudestaan. Tutkimuksen aikana havaittiin langattomien lämpötilasensorien lukemisen hakeaumojen sisältä olevan vaikeaa. Sensorit olivat kuitenkin pääsääntöisesti säilyneet toimintakuntoisina varastoinnin aikana ja niiden sisältämät lämpötilatiedot päästiin lukemaan aumojen purkamisen jälkeen. Tutkimuksen perusteella hakeaumojen peittäminen on kannattavaa. Hake säilyi tutkimuksen ajankohtana peitetyssä aumassa kuivempana kuin peittämättömässä. Hake ei myöskään jäädy peitteen alla yhtä paljon kuin peittämättömänä, mikä parantaa hakkeen käsiteltävyyttä kuormaa tehdessä ja voimalaitoksella. Kuiva-ainetappioista ei voitu esittää luotettavia tuloksia kokeen keskeydyttyä sään takia.

A preliminary physicochemical, exergetic and economic study of hydrogen production utilizing glycerol

This work has as objective to demonstrate technical and economic viability of hydrogen production utilizing glycerol. The volume of this substance, which was initially produced by synthetic ways (from oil-derived products), has increased dramatically due mainly to biodiesel production through transesterification process which has glycerol as main residue. The surplus amount of glycerol has been generally utilized to feed poultry or as fuel in boilers, beyond other applications such as production of soaps, chemical products for food industry, explosives, and others. The difficulty to allocate this additional amount of glycerol has become it in an enormous environment problem, in contrary to the objective of biodiesel chain, which is to diminish environmental impact substituting oil and its derivatives, which release more emissions than biofuels, do not contribute to CO2-cycle and are not renewable sources. Beyond to utilize glycerol in combustion processes, this material could be utilized for hydrogen production. However, a small quantity of works (theoretical and experimental) and reports concerning this theme could be encountered. Firstly, the produced glycerol must be purified since non-reacted amounts of materials, inclusively catalysts, contribute to deactivate catalysts utilized in hydrogen production processes. The volume of non-reacted reactants and non-utilized catalysts during transesterification process could be reutilized. Various technologies of thermochemical generation of hydrogen that utilizes glycerol (and other fuels) were evaluated and the greatest performances and their conditions are encountered as soon as the most efficient technology of hydrogen production. Firstly, a physicochemical analysis must be performed. This step has as objective to evaluate the necessary amount of reactants to produce a determined volume of hydrogen and determine thermodynamic conditions (such as temperature and pressure) where the major performances of hydrogen production could be encountered. The calculations are based on the process where advance degrees are found and hence, fractions of products (especially hydrogen, however, CO2, CO, CH4 and solid carbon could be also encountered) are calculated. To produce 1 Nm3/h of gaseous hydrogen (necessary for a PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell - containing an electric efficiency of about 40%, to generate 1 kWh), 0,558 kg/h of glycerol is necessary in global steam reforming, 0,978 kg/h of glycerol in partial oxidation and cracking processes, and 0,782 kg/h of glycerol in autothermal reforming process. The dry reforming process could not be performed to produce hydrogen utilizing glycerol, in contrary to the utilization of methane, ethanol, and other hydrocarbons. In this study, steam reforming process was preferred due mainly to higher efficiencies of production and the need of minor amount of glycerol as cited above. In the global steam reforming of glycerine, for one mole of glycerol, three moles of water are necessary to produce three moles of CO2 and seven moles of H2. The response reactions process was utilized to predict steam reforming process more accurately. In this mean, the production of solid carbon, CO, and CH4, beyond CO2 and hydrogen was predicted. However, traces of acetaldehyde (C2H2), ethylene (C2H4), ethylene glycol, acetone, and others were encountered in some experimental studies. The rates of determined products obviously depend on the adopted catalysts (and its physical and chemical properties) and thermodynamic conditions of hydrogen production. Eight reactions of steam reforming and cracking were predicted considering only the determined products. In the case of steam reforming at 600°C, the advance degree of this reactor could attain its maximum value, i.e., overall volume of reactants could be obtained whether this reaction is maintained at 1 atm. As soon as temperature of this reaction increases the advance degree also increase, in contrary to the pressure, where advance degree decrease as soon as pressure increase. The fact of temperature of reforming is relatively small, lower costs of installation could be attained, especially cheaper thermocouples and smaller amount of thermo insulators and materials for its assembling. Utilizing the response reactions process in steam reforming, the predicted volumes of products, for the production of 1 Nm3/h of H2 and thermodynamic conditions as cited previously, were 0,264 kg/h of CO (13% of molar fraction of reaction products), 0,038 kg/h of CH4 (3% of molar fraction), 0,028 kg/h of C (3% of molar fraction), and 0,623 kg/h of CO2 (20% of molar fraction). Through process of water-gas shift reactions (WGSR) an additional amount of hydrogen could be produced utilizing mainly the volumes of produced CO and CH4. The overall results (steam reforming plus WGSR) could be similar to global steam reforming. An attention must to be taking into account due to the possibility to produce an additional amount of CH4 (through methanation process) and solid carbon (through Boudouard process). The production of solid carbon must to be avoided because this reactant diminishes (filling the pores) and even deactivate active area of catalysts. To avoid solid carbon production, an additional amount of water is suggested. This method could be also utilized to diminish the volume of CO (through WGSR process) since this product is prejudicial for the activity of low temperature fuel cells (such as PEMFC). In some works, more three or even six moles of water are suggested. A net energy balance of studied hydrogen production processes (at 1 atm only) was developed. In this balance, low heat value of reactant and products and utilized energy for the process (heat supply) were cited. In the case of steam reforming utilizing response reactions, global steam reforming, and cracking processes, the maximum net energy was detected at 700°C. Partial oxidation and autothermal reforming obtained negative net energy in all cited temperatures despite to be exothermic reactions. For global steam reforming, the major value was 114 kJ/h. In the case of steam reforming, the highest value of net energy was detected in this temperature (-170 kJ/h). The major values were detected in the cracking process (up to 2586 kJ/h). The exergetic analysis has as objective, associated with physicochemical analysis, to determine conditions where reactions could be performed at higher efficiencies with lower losses. This study was performed through calculations of exergetic and rational efficiencies, and irreversibilities. In this analysis, as in the previously performed physicochemical analysis, conditions such as temperature of 600°C and pressure of 1 atm for global steam reforming process were suggested due to lower irreversibility and higher efficiencies. Subsequently, higher irreversibilities and lower efficiencies were detected in autothermal reforming, partial oxidation and cracking process. Comparing global reaction of steam reforming with more-accurate steam reforming, it was verified that efficiencies were diminished and irreversibilities were increased. These results could be altered with introduction of WGSR process. An economic analysis could be performed to evaluate the cost of generated hydrogen and determine means to diminish the costs. This analysis suggests an annual period of operation between 5000-7000 hours, interest rates of up to 20% per annum (considering Brazilian conditions), and pay-back of up to 20 years. Another considerations must to be take into account such as tariffs of utilized glycerol and electricity (to be utilized as heat source and (or) for own process as pumps, lamps, valves, and other devices), installation (estimated as US$ 15.000 for a plant of 1 Nm3/h) and maintenance cost. The adoption of emission trading schemes such as carbon credits could be performed since this is a process with potential of mitigates environment impact. Not considering credit carbons, the minor cost of calculated H2 was 0,16288 US$/kWh if glycerol is also utilized as heat sources and 0,17677 US$/kWh if electricity is utilized as heat sources. The range of considered tariff of glycerol was 0-0,1 US$/kWh (taking as basis LHV of H2) and the tariff of electricity is US$ 0,0867 US$/kWh, with demand cost of 12,49 US$/kW. The costs of electricity were obtained by Companhia Bandeirante, localized in São Paulo State. The differences among costs of hydrogen production utilizing glycerol and electricity as heat source was in a range between 0,3-5,8%. This technology in this moment is not mature. However, it allows the employment generation with the additional utilization of glycerol, especially with plants associated with biodiesel plants. The produced hydrogen and electricity could be utilized in own process, increasing its final performance.

Estudo de gaseificação de lama de alto forno arcelormital tubarão

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Industrial ecology applied to ELV management. Material and energy recovery from ASR

This PhD thesis reports on car fluff management, recycling and recovery. Car fluff is the residual waste produced by car recycling operations, particularly from hulk shredding. Car fluff is known also as Automotive Shredder Residue (ASR) and it is made of plastics, rubbers, textiles, metals and other materials, and it is very heterogeneous both in its composition and in its particle size. In fact, fines may amount to about 50%, making difficult to sort out recyclable materials or exploit ASR heat value by energy recovery. This 3 years long study started with the definition of the Italian End-of-Life Vehicles (ELVs) recycling state of the art. A national recycling trial revealed Italian recycling rate to be around 81% in 2008, while European Community recycling target are set to 85% by 2015. Consequently, according to Industrial Ecology framework, a life cycle assessment (LCA) has been conducted revealing that sorting and recycling polymers and metals contained in car fluff, followed by recovering residual energy, is the route which has the best environmental perspective. This results led the second year investigation that involved pyrolysis trials on pretreated ASR fractions aimed at investigating which processes could be suitable for an industrial scale ASR treatment plant. Sieving followed by floatation reported good result in thermochemical conversion of polymers with polyolefins giving excellent conversion rate. This factor triggered ecodesign considerations. Ecodesign, together with LCA, is one of the Industrial Ecology pillars and it consists of design for recycling and design for disassembly, both aimed at the improvement of car components dismantling speed and the substitution of non recyclable material. Finally, during the last year, innovative plants and technologies for metals recovery from car fluff have been visited and tested worldwide in order to design a new car fluff treatment plant aimed at ASR energy and material recovery.

Effects of heat treatment on the nutritional value of raw soybean selected for low trypsin inhibitor activity

1. Two broiler experiments and a layer experiments were conducted on Kunitz trypsin inhibitor (Kti) soybeans (SB) of low trypsin inhibitor (TI) activity to determine their nutritive value when included as mash in least-cost poultry diets. 2. Experiment 1 compared chick performance on the Kti or raw SB using a commercial full-fat SB meal (FFSBM) and a solvent extracted SB meal (SBM) as controls during a 20 d experimental period. Broiler experiment 2 compared Kti and raw SB, non-steamed, or steam-pelleted with and without DL-methionine supplementation added to every treatment containing 170 g SB/kg. For each broiler experiment the levels of each SB were 70, 120 and 170 g/kg with the control birds fed only 170 g SB/kg. 3. The layer experiment, compared steam-pelleted Kti and raw SB against a non-steamed Kti and raw SB each fed at two levels (70 and 110 g/kg) x 30 replicates from 29 weeks of age for 19 weeks in a completely randomised design. Production parameters were measured when diets were formulated to contain minimum required specifications and calculated apparent metabolisable energy (AME). At the completion of each trial, 2 broiler birds from each cage and 5 layer birds per treatment were killed, weighed, and their liver and pancreas weighed. 4. Both broiler experiments indicated that production parameters on the Kti SB treatments were significantly lower (P < 0.05) than on the two commercial control SB treatments. However, the Kti treatments were superior to the raw SB treatments. 5. Pancreas weight increased with increasing inclusion of both raw and Kti SB, suggesting that a TI was causing the depression in performance. The AME of the Kti SB was similar to that of commercial FFSB meal. After steam conditioning, the raw SB meal AME value of 9.5 MJ/kg dry matter (DM) was improved to 14.1 MJ/kg DM by reduced TI activity, but this AME improvement with TI activity reduction, plus the supplementation with DL-methionine on birds fed the raw SB had no effect (P > 0.05) on any parameter evaluated in experiment 2. 6. The layer experiment showed that hens on the Kti SB treatments had significantly greater live weight gain (LWG), egg weight and daily egg mass than birds given raw SB. A reduced food intake (FI) was observed in the Kti treatments but egg mass was generally similar to that on the FFSB control diet, indicating that Kti SB supported excellent egg production at an inclusion of 110 g/kg. The depressed performance observed for broiler chicks suggest that younger birds are more susceptible to the effects of SB TI.

Mejora del valor proteico para rumiantes de la harina de girasol mediante tratamientos combinados con ácidos (málico y fosfórico) y calor = Improvement of the protein value for ruminants of sunflower meal by combined treatments with acids (malic and orthophosphoric) and heat

El objetivo principal de esta tesis fue incrementar el valor proteico para rumiantes de la harina de girasol mediante tratamientos combinados con ácidos y calor para proteger sus proteínas frente a la degradación ruminal. Estos estudios comprenden dos experimentos realizados sobre ovinos mediante tecnologías in vitro (experimento 1) o in situ e in vivo (experimento 2), empleando siempre dos ácidos: málico u ortofosfórico. Aprovechando este último experimento, también se consideraron otros objetivos de carácter metodológico con el fin de mejorar la precisión de las estimas de i) la degradabilidad ruminal y la digestibilidad intestinal de la proteína y los aminoácidos (AAs) de los alimentos y ii) la síntesis microbiana ruminal y su contribución al flujo post-ruminal de nutrientes al animal. En el experimento 1 (capítulo 2) se efectuaron cuatro ensayos in vitro para estudiar la influencia de distintos factores que puedan afectar la eficacia de estos tratamientos. En cada ensayo se utilizó una réplica por tratamiento (dos para el tratamiento control) y dos bolsas vacías (empleadas para corregir la contaminación microbiana) en cada una de las cuatro botellas del incubador (ANKOM Daisy II). Cada botella contenía 2 l de medio de incubación, saturado con CO2 para asegurar la anaerobiosis. Este medio consistió en una mezcla de solución McDougall y liquido ruminal filtrado en relación 4:1. El liquido ruminal fue obtenido de 2 corderos canulados en rumen, utilizándose bien solo o mezclado con el del otro cordero en una relación 3:1. Así, cada botella de incubación contenía un inoculo ruminal diferente. Las incubaciones se realizaron a 39 ºC durante 20 h, siendo las bolsas lavadas con agua corriente y almacenadas a -20 ºC. Tras ser descongeladas, se lavaron 3 veces durante 5 min en una mini-lavadora de turbina, se desecaron a 80 ºC durante 48 h y se destinaron íntegras al análisis de N-Kjeldahl. En el ensayo 1 se estudió el efecto del volumen de disolución de dos dosis de ácido ortofosfórico (0,4 y 1,2 equivalentes gramo (eq)/kg de harina de girasol), testando cinco volúmenes de disolución (80, 160, 240, 320 and 400 ml/kg de harina) para cada dosis, desecándose las harinas a 60 ºC hasta sequedad al tacto. La proteína bruta (PB) indegradada se incremento con la dosis de ácido empleada y también (como tendencia, P < 0,1) con el volumen de dilución. En base a ello en los siguientes ensayos se utilizo el volumen de dilución mayor (400 ml/kg). En el ensayo 2 se estudió el efecto de la dosis y del tipo de ácido a cuatro dosis (1,2; 2,4; 3,6 y 4,8 eq/kg), secándose igualmente las muestras tratadas a 60 ºC. La PB indegradada aumentó con la dosis de ácido, siendo también mayor para el ácido málico, tanto en este ensayo como en los posteriores. En el ensayo 3 se estudiaron los efectos de los dos ácidos, cuatro concentraciones (0,6; 1,2; 1,8 y 2,4 eq/kg) y tres tratamientos térmicos para el secado de las muestras (100, 150 and 200 ºC durante 60, 30 y 20 minutos, respectivamente). Con los tratamientos térmicos a 100 y 150 ºC no hubo un incremento de protección para concentraciones superiores a 0,8 eq/kg para ambos ácidos. Para incrementar la protección fue necesario aumentar la temperatura a 200 ºC y la dosis a 1,2 eq/kg, no observándose un aumento de protección a dosis mayores. En el ensayo 4 se estudiaron los efectos sobre la lisina disponible, la solubilidad de la PB en saliva artificial de McDougall y la PB indegradada in vitro de tratar la harina solo con agua o con disoluciones de ambos ácidos a dosis de 0,8 eq/kg y temperaturas de secado de 100 ó 150 ºC en las mismas condiciones que en el ensayo 3. No se apreciaron efectos sobre la lisina disponible para ninguno de los tratamientos. El efecto específico de los ácidos quedo demostrado tanto por la fuerte reducción de la solubilidad de la PB como por el aumento de la PB indegradada frente al tratamiento con agua. En conjunto, los resultados de este experimento mostraron que la eficacia de estos tratamientos depende del tipo y dosis de ácido y de su dilución, así como de las condiciones de secado. Como tratamiento de mayor interés a aplicar posteriormente en el experimento 2 se consideró una dosis de 0,8 eq/kg de harina, aplicada en un volumen de 400 ml/kg (correspondiente a soluciones 1 M y 0,67 M para los ácidos málico y ortofosfórico, respectivamente) y desecación a 150 ºC. El experimento 2 (capítulos 3 a 7) se realizó con un diseño en cuadrado latino 3x3, empleando tres corderos canulados en rumen y duodeno y tres dietas isoproteicas: U, M y P, que incluían harinas de girasol sin tratar (control) y tratadas con acido málico u ortofosfórico, respectivamente. La harina de girasol se trató en las condiciones ya indicadas siendo necesarias 6 horas para su secado en estufa. Las dietas incluían 40% de heno de raigrás italiano y 60% de concentrado a base de harina de girasol (tratada y/o sin tratar), trigo y corrector vitamínico-mineral, siendo suministradas a 75 g/kg P0.75 (equivalente a 2,3 × mantenimiento). La relación harina de girasol sin tratar y tratada fue de 100:0 en la dieta U y entorno a 40:60 en las dietas M y P. Tras 10 días de adaptación a la dieta, se estudiaron sucesivamente: i) el tránsito hasta el duodeno de las partículas del heno (solo en la dieta control) y de la harina de girasol marcadas previamente con europio e iterbio, respectivamente; ii) la fermentación ruminal durante el periodo postprandial, iii) la degradación ruminal in situ de la harina de girasol específica de cada dieta (y del trigo y el heno en la dieta control) y iv) la magnitud y composición del contenido ruminal mediante el vaciado manual del rumen-retículo. Durante todo el periodo experimental se infundio de forma continua una solución de sulfato amónico enriquecido en 15N (98 átomos %) para corregir la contaminación microbiana ruminal en los estudios in situ y para establecer las diferencias de composición química entre las bacterias libres (BAL) y adherentes (BAS) del rumen. Esta solución incluyó en los dos últimos días Li-Cr- EDTA para determinar la tasa de dilución ruminal. Posteriormente, y tras un periodo de al menos 10 días para eliminar el enriquecimiento en 15N de la digesta, se estudió la digestibilidad intestinal de los distintos alimentos mediante la técnica de bolsas móviles. La determinación del bypass (BP) o de la degradabilidad efectiva (DE) de la materia seca (MS) y de la PB se realizó por el método tradicional de integración matemática; estos valores se obtuvieron también para la PB y los AAs generando una muestra representativa del flujo post-ruminal del alimento en estudio en cada animal. Ello se realizó mediante la mezcla de los distintos residuos de incubación en base a la función que describe el flujo de alimento indegradado que abandona el rumen. Todos estos trabajos se realizaron considerando la tasa de salida de partículas del rumen (kp) y, según casos, considerando también la tasa de conminución y mezcla de las partículas en este compartimento (kc). Para este último caso se ha desarrollado también el modelo matemático que describe este flujo y permite este cálculo. Los valores no corregidos por la contaminación microbiana del BP (o de DE) de la PB resultantes de ambos métodos se han comparado tanto en las harinas de girasol como en los restantes alimentos de la dieta, obteniéndose valores similares, sin apreciarse desviaciones sistemáticas. Sobre las muestras compuestas representativas de la composición química del BP se determino la digestibilidad intestinal efectiva (DIE) de la MS, PB y AAs. Todos los valores resultantes de esta técnica fueron corregidos para la contaminación microbiana de las partículas que tiene lugar en el rumen. Los estudios de transito digestivo se realizaron tras suministrar en el comedero a los corderos una dosis simple de los alimentos marcados, seguida de la toma de muestras de la digesta duodenal durante 82 h. En la dieta testigo se suministraron simultáneamente el heno de raigrás y la harina de girasol, mientras que en las otras dietas solo se suministró esta última. La harina de girasol mostro un mayor valor para kc frente al heno (0,5766 v. 0,0892, /h), mientras que no hubo diferencias entre los dos alimentos para kp (0,0623 v. 0,0609, /h). Para la harina de girasol no se apreciaron diferencias entre dietas para kc, pero si se redujo de manera moderada la tasa kp con los tratamientos, siendo ésta también menor al utilizar ácido ortofosfórico frente al uso de ácido malico (0,0577 v. 0,0600, /h). El empleo de las harinas tratadas no modifico los parámetros de fermentación ruminal, la composición de los contenidos ruminales o la tasa de dilución del rumen. Los valores efectivos del BP y de DIE de la MS, PB y AAs de las harinas de girasol se obtuvieron considerando kc y kp, conjuntamente. Los tratamientos de protección incrementaron el BP de MS y PB en 48,5 y 268% de media, respectivamente. Estos incrementos se debieron principalmente al descenso de la fracción soluble y de la velocidad de degradación, pero también al aumento de la fracción indegradable, especialmente usando ácido ortofosfórico. Con los tratamientos se incrementó también la DIE de la MS (108% de media) y de la PB con gran diferencia entre los ácidos málico y ortofosfórico (20,7 v. 11,8%). Como consecuencia de estos cambios la protección aumentó la fracción realmente digerida en el intestino en 211% (MS) y 325% (PB), sin efectos entre ambos ácidos. Considerando la reducción del suministro de energía fermentable para los microorganismos ruminales asociada a la protección y los parámetros indicados por el sistema PDI francés para la síntesis de proteína microbiana digestible, la eficacia de conversión de PB en proteína metabolizable aumentó de 0,244 a 0,559 y 0,515 con el tratamiento con acido málico y ortofosfórico, respectivamente. El contenido en aminoácidos (AAs) fue similar en todas las harinas salvo por una disminución de lisina en las harinas tratadas. De forma análoga a la PB, los tratamientos de protección incrementaron el BP y la DIE de la mayoría de AAs. El aporte de AAs metabolizabes de la harina se multiplico en 3,87 para los AAs azufrados y en menor medida (2,5 veces) para la lisina, como consecuencia de las pérdidas sufridas a consecuencia del tratamiento térmico. Estos tratamientos se muestran, por tanto, útiles para incrementar el valor proteico de la harina de girasol, si bien su empleo junto con concentrados proteicos ricos en lisina bypass digestible mejoraría el perfil de la proteína metabolizable. La corrección de la contaminación microbiana de las partículas que tiene lugar en el rumen se asoció en todos los alimentos testados y, de forma general, con reducciones del BP y de su DIE en todas las fracciones estudiadas. Estas reducciones fueron pequeñas en todos los concentrados, de forma acorde con los muy pequeños niveles de contaminación registrados tanto en las harinas de girasol como en el grano de trigo. Por el contrario, esta contaminación, al igual que los efectos de su corrección, fueron muy importantes en el heno de raigrás. Esta contaminación aumentó al tener en cuenta kc. Así, para la proporción de PB de origen microbiano existente en las muestras compuestas representativas del BP, este aumento fue significativo para el heno de raigrás (0,463 v. 0,706) y solo numérico para la harina de girasol (0,0170 v. 0,0208). La reducción de las estimas de DIE al corregir esta contaminación fue consecuencia de la eliminación de forma casi completa de los microorganismos adherentes en todos los residuos testados. Así, esta biomasa se redujo en 96,1% como media de 7x3 observaciones. Como resultado de las diferencias acumulativas a nivel del rumen e intestino, la no corrección de la contaminación microbiana junto con la no consideración de kc condujo a fuertes sobrestimaciones de la PB digerida en el intestino. Ésta fue de 39% en la harina de girasol (0,146 v. 0,105) y de 761% en el heno de raigrás (0,373 v. 0,0433). Estos resultados muestran que es necesario considerar tanto kc como corregir la contaminación microbiana para obtener estimas in situ precisas en forrajes, mientras que en concentrados, siempre que la contaminación microbiana sea pequeña, es más importante considerar kc. La elevada contaminación microbiana observada en el heno de raigrás se asoció también con importantes errores a nivel del N asociado a la fibra neutro (FND) y ácido (FAD) detergente (NDIN y ADIN, respectivamente) e incluso de estas fracciones de fibra, evidenciándose que estos métodos no eliminan completamente la contaminación microbiana que sufren los alimentos en su paso por el retículorumen. Así, en la muestra compuesta representativa de la composición química del flujo postruminal antes descrita, la sobrevaloración por no corregir la contaminación microbiana fue de 99,8; 24,2; 3,34 y 0,48% para NDIN, ADIN, FND y FAD, respectivamente. Las subvaloraciones asociadas para su DE fueron 34,1; 8,79; 4,41 y 0,51%, respectivamente. La DE corregida del NDIN y ADIN (0,743 y 0,728, respectivamente) mostró un aprovechamiento ruminal elevado de estos compuestos, si bien menor al de la PB total (0,85). El estudio de este aprovechamiento sobre los residuos de incubación ruminal a 6 y 72 h demostró, además, una más rápida degradación del ADIN frente al NDIN, así como un mayor potencial de degradación de este último en este alimento. Para comprobar si la digestión en el abomaso eliminaba la contaminación microbiana en la FND y FAD se estudio esta contaminación y sus posibles errores en muestras liofilizadas de contenidos ruminales y duodenales correspondientes a una dieta mixta de similar composición a la utilizada en el experimento 2, comparándose, además, las diferencias entre la extracción secuencial o directa de la FAD. Utilizando como referencia las BAS se apreciaron elevadas contaminaciones en la FND y FAD y su N asociado tanto en las muestras ruminales como en las duodenales. Sin embargo, los resultados de enriquecimiento en 15N de las partículas fueron intermedios entre los correspondientes a BAS y BAL lo que evidencia una elevada contaminación con BAL en estas muestras probablemente durante el proceso de liofilización. Ello conlleva una sobrevaloración de esta estimación. El método de extracción directa de FAD se mostró, por otra parte, marcadamente menos eficaz en la eliminación de la contaminación microbiana. Los resultados muestran la necesidad de corregir la contaminación microbiana para obtener estimaciones precisas de la degradabilidad de las proteínas de las paredes celulares vegetales. Estos errores deberían ser también considerados para FND y FAD en estudios in situ e in vivo. La elevada tasa fraccional de degradación del grano de trigo (60,9 y 42,0%/h para MS y PB, respectivamente) implico que su flujo de material indegradado (calculado solo en base a la kp obtenida para la harina de girasol) se redujera muy rápidamente, de forma que es casi nulo a 8 h tras la ingestión. Los valores corregidos de PB digerida en el intestino (0,15) representan solo el 18,7% de la proteína metabolizable, lo que muestra que el valor proteico del grano de trigo está estrechamente ligado a la síntesis de proteína microbiana derivada de su fermentación. En el experimento 2 se observaron menores concentraciones para materia orgánica, lípidos y PB, así como en la proporción N-AAs/N total en BAL que en BAS, siendo, por el contrario, mayor su enriquecimiento en 15N. Estos últimos resultados se utilizaron (junto con los de otros trabajos previos de este equipo) para validar una predicción preexistente del enriquecimiento en 15N de las BAS a partir de este valor en las BAL. Esta ecuación, de muy alta precisión (R2 = 0.995), permite calcular la subvaloración que se comete en los aportes de nutrientes correspondientes a las BAS al usar las BAL como muestra de referencia. Esta subvaloración representa aproximadamente 21, 32,5 y 60% para PB, proteína verdadera y lípidos.

Exact Solutions of Nonlocal Boundary Value Problems for One- and Two-Dimensional Heat Equation

Иван Хр. Димовски, Юлиан Ц. Цанков - Предложен е метод за намиране на явни решения на клас двумерни уравнения на топлопроводността с нелокални условия по пространствените променливи. Методът е основан на директно тримерно операционно смятане. Класическата дюамелова конволюция е комбинирана с две некласически конволюции за операторите ∂xx и ∂yy в една тримерна конволюция. Съответното операционно смятане използва мултипликаторни частни. Мултипликаторните частни позволяват да се продължи принципът на Дюамел за пространствените променливи и да се намерят явни решения на разглежданите гранични задачи. Общите разглеждания са приложени в случая на гранични условия от типа на Йонкин. Намерени са експлицитни решения в затворен вид.