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.

Soodakattilan kapasiteettitarkastelu

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tarkastella soodakattilan kapasiteettiin vaikuttavia tekijöitä. Tarkoituksena on selvittää eroja vanhojen ja uusien sekä pienien ja suurien soodakattiloiden välillä. Työn teoriaosuus perustuu soodakattiloita ja sellunvalmistuksen kemikaalikiertoa käsittelevään kirjallisuuteen. Työn tutkivassa osuudessa tarkastellaan lähtötietotaulukkoa johon on kerätty tietoja 140 rakennetusta soodakattilasta ympäri maailmaa. Lähtötiedoista valitaan tarkasteltaviksi ominaisuuksiksi soodakattilan rakennusvuosi, tulipesän dimensiot, tuorehöyryn paine ja lämpötila sekä tulipesän viipymäaika. Tulokset saadaan tarkastelemalla valituista tiedoista sekä kapasiteeteista piirrettyjä kuvaajia. Soodakattiloiden kapasiteettien kasvun havaitaan kiihtyneen 2000-luvulla. Soodakattilan kapasiteettia on kasvatettu suurentamalla tulipesän pohjan pinta-alaa kapasiteetin kanssa samassa suhteessa, kun taas tulipesän korkeutta on lisätty suhteessa vähemmän. Tuorehöyryn paineiden ja lämpötilojen aiemman nousun huomataan pysähtyneen. Suurempien soodakattiloiden tulipesän viipymäaikojen havaitaan olevan pidempiä kuin pienien kattiloiden.

Hiilidioksidipäästöjen talteenotto-, varastointi- ja hyötykäyttömenetelmät

Tässä opinnäytetyössä oli tavoitteena selvittää hiilidioksidipäästöjen vähentämiskeinoja, niiden talteenottoa, varastointia sekä erilaisia hyötykäyttömenetelmiä. Hiilidioksidin talteenottomenetelmät voimalaitoksista jaettiin kolmeen pääryhmään: polttoa ennen tapahtuva talteenotto, rikastettu happipolttomenetelmä ja jälkipolttotalteenotto. Talteenottomenetelmät jaettiin vielä prosessien ohella kemialliseen ja fysikaaliseen absorptiomenetelmään, adsorptiomenetelmään, kryogeeniseen menetelmään, membraanimenetelmään sekä muihin menetelmiin. Kuljetusmenetelmistä tärkeimmiksi muodostuivat putkistokuljetus sekä kuljetus meriteitse joustavuutensa ja taloudellisuutensa vuoksi. Tärkeimpiä hiilidioksidin varastointimenetelmiä ovat geologinen ja merenalainen varastointi. Geologinen varastointi sisältää hiilidioksidin varastointia käytöstä poistettuihin hiilikenttiin, akvifereihin, syviin suolakerrostumiin ja louhintaan sopimattomiin hiilikenttiin. Merenalainen varastointimenetelmä on lähinnä vasta kehitys- ja testausvaiheessa. Hiilidioksidin hyötykäyttömenetelmistä tärkeimpiä ovat parannettu öljyn pumppaus ja metaanin talteenotto hiilidioksidin avulla. Muita käyttökohteita on elintarviketeollisuus. Matalampiin hiilidioksidipäästöihin päästään suosimalla energiantuotannossa uusiutuvia energianlähteitä ja ydinvoimaa sekä lisäämällä joukkoliikenteen käyttöä.

Kemikaalitaseen hallinta sellutehtaassa

Kun sellun tuotantomäärä kasvaa, niin klooridioksidin kulutus valkaisussa kasvaa. Ja kun klooridioksidin tuotanto kasvaa, niin sivutuotteena syntyvän hapansuolan määrä kasvaa. Hapansuolaa lisätään kemikaalikiertoon niin paljon kuin mahdollista ilman, että valkolipeän sulfiditeetille määritetty yläraja 38 % ylittyy. Rikin ja natriumin suhde hapansuolassa on huomattavasti suurempi kuin valkolipeässä, joten hapansuolan talteenotto lisää kemikaalikierron rikkipitoisuutta, jolloin myös sulfiditeetti kasvaa. Ylimääräinen hapansuola poistetaan jätevedenpuhdistamolle. Työssä lasketaan eri osastoilla käytettävien kemikaalien koostumuksia ja tuotantomääristä johtuvia muutoksia kemikaalikierrossa, joiden avulla lasketaan mm. kemikaalikierron sallima hapansuolan talteenottomäärä. Lisäksi tutustutaan erilaisiin vaihtoehtoihin, joilla hapansuolan poistamista jätevedenpuhdistamolle voitaisiin pienentää. Simuloidun lokakuun 2002 tuotannosta saatavilla arvoilla saatiin laskennalliseksi hapansuolan poistomääräksi 2115 tonnia, kun muodostuva kokonaismäärä oli 2545 tonnia.

Germaniumin talteenotto ioninvaihtohartseilla

Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa germaniumin talteenottoa happamista hydrometallurgisista sulfaattiliuoksista käyttäen kaupallisia ioninvaihtohartseja. Germaniumin talteenottoa tutkittiin sekä tasapaino- että kolonnikokein syöttöliuoksista joiden pH oli alueella 0,8–3,0. Tutkituista hartseista parhaiten germanium voitiin erottaa käyttäen emäsmuotoista N-metyyli-D-glukamiini-tyyppistä ioninvaihtohartsia (esim. Rohm & Haasin IRA-743). Germaniumille määritettiin adsorptioisotermit tasapainokokein sekä emäs- että happomuotoisilla hartseilla. Adsorptioisotermien perusteella parhaiten germa-niumia adsorboi emäsmuotoinen IRA-743-hartsi kun liuoksen alku-pH oli tutkitun alueen korkein. Lämpötilassa 25 °C kapasiteetti oli 114 mg Ge/g. Tasapainokokein määritettiin emäsmuotoisilla hartseilla germaniumin lisäksi myös kuparia ja kobolttia sisältävillä liuoksilla Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co. Havaittiin, että IRA-743:lla alku-pH:ssa 3,0 Ge:n jakaantumisvakiot sekä erotustekijät Ge/Cu ja Ge/Co olivat selvästi suuremmat kuin muilla tutkituilla hartseilla. Arseenin, nikkelin, sinkin ja rauta(III):n adsorboitumista emäsmuotoiseen IRA-743:een tutkittiin monimetallisella liuoksella syöttöliuoksen pH:n ollessa alueella 1,4–3,6. Kokeissa havaittiin, että hartsi adsorboi hieman Ni:a ja Zn:a tasapaino-pH:n ollessa yli 5,5. Arseenia ei tutkitulla pH-alueella havaittu adsorboituvan. Lisäksi huomattiin, että rauta alkaa saostua pH:n ollessa hieman alle kolme. Kolonnikokeissa havaittiin, että emäsmuotoinen IRA-743-hartsi toimii hyvin germaniumin talteenotossa myös kolonnissa. Pelkästään germaniumia ja kobolttia sisältäneellä liuoksella hartsin dynaamiseksi kapasiteetiksi saatiin 54 mg Ge/g. Germaniumin eluointi IRA-743:sta onnistui parhaiten 0,5 M H2SO4:lla. Kolonnikokeita IRA-743:lla ajettiin myös monimetallisilla liuoksilla, mutta silloin havaittiin hartsin kapasiteetin pienenevän hartsin myrkyttymisen takia.

Metallien talteenotto kloridiliuoksesta

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmä arvometallien kuten kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin talteenottoon metallikloridiliuoksesta. Tavoitteena oli valita taloudellisin ja ympäristöystävällisin menetelmä, jolla saadaan nämä arvometallit myyntituotteiksi. Lisäksi puhdistetun prosessiveden tuli täyttää asetetut tavoitteet. Kirjallisuustyön perusteella laskettiin viidelle eri prosessivaihtoehdolle ainetaseet HSC Sim 6.0 ohjelmalla, joka on HSC Chemistry-pohjainen prosessien simulointi- ja mallinnusohjelma. Kaikissa vaihtoehdoissa oli ensimmäisenä prosessiosana kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin sulfidisaostus ja sakan pesu. Sulfidisaostusta seurasi vaihtoehtoisesti joko 1) hapetus hapella ja hydroksidisaostus, 2) hapetus vetyperoksidilla ja hydroksidisaostus, 3) pelkkä hydroksidisaostus, 4) hapetus SO2/O2-kaasuseoksella ja hydroksidisaostus tai 5) karbonaattisaostus. Taselaskennan perusteella valittiin kokeelliseen osaan tutkittavat prosessivaihtoehdot, jotka olivat sulfidisaostus, hydroksidisaostus, SO2/O2- hapetus ja hydroksidisaostus sekä karbonaattisaostus. Kokeissa arvometallit saatiin talteenotettua sulfidisaostuksella selektiivisimmin lämpötilassa 55 °C ja pH:ssa 4. Näissä olosuhteissa reagenssin kulutus verrattaessa muihin tehtyihin sulfidisaostuksiin oli pienin. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Loppusakan sisältämien metallien (kupari, sinkki ja koboltti) pitoisuudet olivat korkeimmat. Myös nikkelin määrä oli suuri. Mangaani ja rauta saatiin talteenotettua selektiivisimmin karbonaattisaostuksella lämpötilassa 65 °C. Sakka sisälsi eniten mangaania. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Tällä menetelmällä puhdistetun prosessiveden laatu täytti asetetut tavoitteet.

Sulfaattisellun valkaisuun käytettävien kemikaalien tuotanto ja valmistuksen energiankulutus

Eri valkaisukemikaalien valmistusmenetelmien välillä on joitakin selkeitä eroja. Erot vaikuttavat erityisesti kemikaalin hintaan ja valmistuksen sekä käytön mielekkyyteen. Kloorikemikaalit sekä otsoni ovat myrkyllisiä ja ympäristölle vaarallisia, mikä tulee ottaa huomioon valmistustapahtumassa ja aineen käytössä. Otsoni ja klooridioksidi on myös välttämätöntä valmistaa sellutehtaalla, koska tuotteet ovat pysymättömiä yhdisteitä. Ainoastaan happikaasua löytyy vapaana luonnosta. Sen valmistukseen riittää yksinkertainen tislaus- tai adsorptiolaitteisto, joilla happi saadaan erotetuksi ilmasta. Klooriyhdisteiden sekä otsonin valmistus vaatii elektrolyysin. Vetyperoksidin luokittelu sijoittuu kahden edellisen ryhmän väliin. Peroksidi voidaan myös valmistaa ilman elektrolyysiä, mutta vedyn valmistus voi tapahtua myös elektrolyyttisesti. Useimmiten vety saadaan kuitenkin maakaasusta tai öljyn reformoinnista. Kloorin valmistuksen yhteydessä syntyy myös natriumhydroksidia. Se on myös tärkeä kemikaali sellun valmistuksessa ja valkaisussa. Kun lasketaan kloorin valmistukseen kuluvaa sähkömäärää, on otettava huomion myös lipeän kaupallinen arvo. Siksi tietty osa kloorin valmistuskustannuksista ja energiasta on laskettava kuuluvaksi lipeälle. Elektrolyysikemikaalien valmistuksessa tarvittava sähköenergia on usein erittäin suuri. Varsinkin, jos tuotantomäärät ovat suuria. Hyötysuhdetta laskee korkea virrantiheys sekä ylijännite. Nämä ilmiöt kasvavat, kun tuotantomäärät ovat suuria ja elektrodimateriaalien määrä on niiden kalleuden takia rajallinen.

Ennen polttoa tapahtuva hiilidioksidin talteenotto

Työssä käsitellään ennen polttoa tapahtuvaa hiilidioksidin talteenottoa. Aluksi kerrotaan perinteisten NGCC- ja IGCC-laitosten toiminnasta, ja tämän jälkeen valotetaan mitä muutoksia talteenoton lisääminen näihin laitostyyppeihin tuo. Tämän jälkeen perehdytään tarkemmin talteenottotekniikan eri osa-alueisiin. Tämän jälkeen kerrotaan mikä on talteenottotekniikan vaikutus hyötysuhteeseen ja kustannuksiin. Lopuksi esitellään hieman tämän hetkistä tutkimusta, erityisesti ENCAP-projektia, ja valotetaan talteenottotekniikan tulevaisuuden näkymiä.

Epäpuhtausmetallien talteenotto sinkkiprosessissa

There are small amounts of valuable metals, such as indium, gallium and germanium, in zinc process solutions. Their solvent extraction was studied in this work in sulphate solutions containing zinc and other metals present in industrial solutions. It was discovered, that a commercial bis(2-ethylhexyl)phosphate (D2EHPA) extractant can be used to extract indium and gallium. Indium was extracted separately at a higher acid concentration than gallium. Zinc was co-extracted faster than gallium and almost as much as gallium at the same pH. However, the scrubbing of zinc was possible using a dilute sulphuric acid and a short contact time while gallium losses were small. Both indium and gallium were stripped with sulphuric acid. Germanium was extracted with 5,8-diethyl-7-hydroxydodecane-6-oxime with the commercial name of LIX 63. Unlike other metals in the solution the extraction of germanium increased with different extractants as the acidity increased. Germanium extraction isotherm was measured for a 125 g/L sulfuric acid solution. The loaded organic phase was washed with pure water. It removed the co-extracted acid and part of the germanium and extracted impurities such as iron and copper. Germanium was stripped using a NaOH solution. A process model utilizing own experimentally determined extraction, scrubbing and stripping isotherms was made with HSC Sim software developed by Outotec Oyj. The model based on McCabe–Thiele diagrams was used in sizing the necessary amount of stages and phase ratios in a recovery process. It was concluded, that indium, gallium and germanium can be recovered in the process from a feed where their concentrations are low (<300 ppm). In an example case the feed contained also more than 20 g/L zinc and 2–8 g/L iron, aluminium and copper. The recoveries of indium, gallium and germanium were more than 90 % when 1–3 stages were used in each extraction, scrubbing and stripping section. Since the number of stages is small mixer-settlers would be well suited for this purpose.

Kemikaalien ja aineiden käyttöön liittyvä lainsäädäntö tuotteiden elinkaaren eri vaiheissa ja sen vaikutukset suomalaisten teknologiateollisuusyritysten liiketoiminnan kehittämiseen

Työn tavoitteena oli tuottaa tietoa ja esimerkkejä siitä, miten suomalaisten teknologiateollisuusyritysten tulisi suhtautua kemikaalilainsäädännön vaatimuksiin. Aihetta tarkasteltiin elinkaari- ja toimitusketjunäkökulmasta ja mallinnettiin erilaisia toimitusketjuja. Lisäksi tarkasteltiin yritysten lainsäädäntöosaamiseen vaikuttavia tekijöitä uuden nk. tietoisuuskolmiomallin avulla. Käytännössä aihetta havainnollistettiin kolmen esimerkkisäädöksen, REACH- ja CLP-asetuksen ja RoHS-direktiivin, sekä neljän esimerkkiyrityksen ja -tuotteen avulla. Yritysten tehtäviä esimerkkituotteen toimitusketjussa ja yritysten tietoisuutta esimerkkisäädösten vaatimuksista tarkasteltiin kyselyn avulla. Tulokseksi saatiin, että yritysten lainsäädäntöosaamisen ja -tietoisuuden tasoon vaikuttavat erityisesti lainsäädännön seurantaan käytetyt resurssit ja verkostoituminen. Kemikaalilainsäädäntö edellyttää yrityksiltä tuotteen elinkaaren hallintaa sekä siihen liittyvien ainevirtojen ja toimitusketjun hallintaa. Tuotteet on kyettävä pilkkomaan raaka-aineisiinsa ja yritysten on tunnistettava toimitusketjurooleihinsa liittyvät velvoitteet. On tiedostettava paitsi esimerkkisäädösten, myös muun, alati lisääntyvän kemikaali- ja ympäristösääntelyn vaatimukset, joihin on yrityksissä syytä varautua riittävin resurssein.

Hiilidioksidin talteenotto savukaasuista kalsiumkiertoprosessin avulla – aine- ja energiatase tarkastelu

Kalsiumkiertoprosessi on yksi mahdollinen keino sitoa ja ottaa talteen eri polttolaitoksien tuottamaa hiilidioksidia ja näin hillitä kasvihuoneilmiötä. Prosessissa käytetään hyväksi kalsiummateriaalia, esimerkiksi kalkkikiveä, johon hiilidioksidi karbonointireaktorissa sidotaan. Kalsinointireaktorissa tapahtuu käänteisreaktio, jossa hiilidioksidi vapautuu ja saadaan kerättyä talteen. Kalsiumkiertoprosessiin perustuva hiilidioksidin talteenottotekniikka on mahdollista jälkiasentaa myös olemassa oleviin polttolaitoksiin.

Kemikaalien hallintajärjestelmä Loviisan voimalaitoksella

Tämän työn tarkoituksena on kuvata Loviisan ydinvoimalaitoksen kemikaalien hallintaprosessi kemikaalitarpeen tunnistamisesta kemikaalijätteiden käsittelyyn. Nykyiseen kemikaalien hallintajärjestelmään perehdyttiin tutustumalla laitoksen ohjeistoon sekä haastattelemalla työntekijöitä. Laitoksen kemikaalien hallintaprosessia verrattiin voimassa oleviin asetuksiin ja viranomaisohjeisiin. Hallintaprosessin selvittämisen yhteydessä esiin tulleet ongelmat kirjattiin. Lisäksi vertailtiin kemikaalien hallintakäytäntöjä Finnair Tekniikan ja Ringhalsin ydinvoimalan kanssa.

Harvinaisten metallien talteenotto epäorgaanisista jätevirroista

Taloudellisesti tärkeiden metallien varannot ja tuotanto eivät ole jakautuneet tasaisesti. Maantieteelliset alueet, joilla ei ole omia varantoja ovat riippuvaisia muualta tuoduista raaka-aineista. Euroopan komissio ja USA:n energiaministeriö ovat luokitelleet tietyt metallit kriittisiksi niiden taloudellisen merkittävyyden ja saatavuuteen liittyvien epävarmuustekijöiden johdosta. Tällaisten metallien saatavuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa lisäämällä niiden talteenottoa jätteistä. Tutkimuksessa kartoitettiin Euroopan komission kriittiseksi luokittelemien metallien pitoisuuksia eräissä jätevirroissa. Kartoitetut jätteet olivat teollisissa poltto-prosesseissa syntyneitä polttojätteitä, prosessiteollisuuden jätesakkoja ja sähkö- ja elektroniikkajätteitä. Kartoituksen perusteella valittiin lupaavimmat jätteet ja suoritettiin niille talteenottokokeita. Talteenottokokeita suoritettiin kolmelle jätteelle. Yhdestä jätesakasta liuotettiin indiumia rikki- ja suolahapoilla. Kahden eri polttojätteen seoksesta liuotettiin galliumia rikkihapolla. Käytettyjen loisteputkien käsittelyprosessista peräisin olleesta sakasta liuotettiin maametalleja rikki- ja suolahapoilla sekä rikki- ja typpihapon seoksella. Indium liukeni heikosti (korkeintaan 25 %) huoneenlämmössä rikkihapolla. Suolahapolla se liukeni paremmin (68 %). Polttojätteen liuotuskokeissa galliumin talteenottoasteen todettiin riippuvan käytetyn liuottimen määrästä. Loisteputkijätesakasta liukeni yttriumia ja europiumia kaikilla käytetyillä happoliuoksilla noin 70–100 %. Käytetyillä happokonsentraatioilla ei havaittu suuria eroja yttriumin ja europiumin liukoisuuksissa. Näitä metalleja voitaisiin mahdollisesti ottaa talteen tämän tyyppisestä sakasta liuottamalla ne happoliuoksella ja saostamalla oksalaattina. Tarvittaessa liuokset voitaisiin puhdistaa tai metallit erottaa toisistaan neste–nesteuutolla, joka on tärkein maametallien tuotantoon käytetty hydrometallurginen menetelmä.

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa

Tämä työ on osa Integrated Serial and Parallel Hybrid Drives in Working Machines projektia. Työssä simuloidaan ja lasketaan energian palautuspotentiaalia raskaassa liikkuvassa työkoneessa. Työn alussa aihetta käsitellään yleisesti kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tukkikurottaja valittiin simulointien ja laskennan kohteeksi. Työssä suoritettiin alustavat simuloinnit, joiden tarkoituksena oli varmistua, että palautettavaa energiaa on olemassa. Tulokset osoittavat, että energian palauttaminen on mahdollista. Mittaukset ovat osa työtä. Mitatut muuttujat ovat paineet ja pituudet hydraulisylintereistä, rungon kiihtyvyys, sekä kaikki CAN-väylään kytkettyjen antureiden mittaustiedot. Lopulliset simuloinnit perustuvat mitattuihin työkiertoihin. Työsylintereiden ja ajovoimansiirron tehotarpeet valittiin simulointien tarkasteltaviksi mittaussuureiksi. Mahdollinen palautettavan energian määrä eri työkierroissa on työn lopputulos. Tulokset osoittavat, että palautettavan energian määrä on talteenoton kannalta riittävä.

Sähköavusteisen polkupyörän energian talteenotto lineaarigeneraattorilla

Sähköavusteisten polkupyörien määrä on kasvussa. Kasvua hidastavana tekijänä voidaan pitää niiden keskimäärin yli 1000 euron hintaa, josta suurin osa johtuu akustosta. Tämän työn tarkoituksena on selvittää lineaarigeneraattorin hyödynnettävyyttä sähköavusteisissa polkupyörissä. Lisäksi työssä kuvataan vaiheittain prototyypin suunnittelu ja rakentaminen. Mikäli lineaarigeneraattori-avusteisella sähköpolkupyörällä saavutetaan huomattava pidennys toimintamatkaan, voidaan pyörät varustaa halvemmilla ja kapasiteetiltään pienemmillä akuilla. Lineaarigeneraattorin hankintaa kannustaisi se, että se maksaisi vähemmän kuin vaihto suurempikapasiteettiseen akustoon.