Kaikki aineistot
Lisää
Black liquor, a by-product of kraft pulping, is combusted in a recovery boiler to reclaim spent pulping chemicals and the evolved heat is used to generate process steam and electricity. Black liquor's heating value is a function of its elemental composition. It influences the dimensioning of the recovery boiler heat transfer surfaces and is an important parameter in material and energy balance calculations. It is determined experimentally using bomb calorimetry (a time consuming process) and experimental results have been used to derive generic empirical formula for ease of estimation. This thesis presents a third, semi-empirical, programmable, structural property based approach to determine the heating value of a given black liquor flow in the Virtual Chemical Pulping (VIC) model developed as a part of the EfFibre programme. The VIC model split black liquor into its constituent compounds and the standard enthalpy of combustion of eleven lignin and two polysaccharide VIC model compounds was determined using two structural property based methods: Benson Group Increment Theory and Cardozo's method. Additionally, bomb calorimetry experiments were carried out in order to understand the variations in the heating value of different lignin compounds and compare the heating value of selected compounds with those obtained using structural property based methods. Both Cardozo's method and BGIT yielded results comparable to the values in the literature and, under certain circumstances, with the experimentally calculated values. The VIC model compound enthalpy values ranged between 24 MJ/kg and 28 MJ/kg. The results of lignin bomb calorimetric experiments showed Alcell (organosolv) lignin as the compound with the largest enthalpy of combustion (28.9 MJ/kg) followed by Milox lignin (21.0 MJ/kg). The results identified the sensitivity of group additivity methods to structural simplifications and intermolecular effects. These include non-nearest neighbour and rain strain interactions which may be compound specific and were not taken into account in the modelling. The agreement between experimental and modelling approaches appeared to diminish when the compound in question had an unverifiable or a complicated molecular structure.
Työn kirjallisuusosassa on kuvattu sellunvalmistukseen käytetty syrjäytyseräkeittoprosessi, jossa on ongelmana lämmönsiirrinten likaantuminen. Likaantuvat lämmönsiirtimet ovat putkilämmönsiirtimiä, joissa putkipuolella jäähdytetään mustalipeää ja vaippapuolella lämmitetään valkolipeää. Mustalipeän lämmöntalteenottoprosessiin kuuluu myös lämmönsiirrin, jossa vesi jäähdyttää mustalipeän tavoitelämpötilaan. Tämä lämmönsiirrin ei tyypillisesti likaannu. Kirjallisuusosassa on tarkasteltu lisäksi kahta lämmönsiirtopintojen likaantumismekanismia: saostumista ja partikkelien aiheuttamaa likaantumista, joiden yhteydessä on esitelty mustalipeän potentiaaliset likaavat komponentit. Työn kokeellinen osa koostui tehdasselvityksistä, joissa selvitettiin lämmönsiirrinten likaantumiseen mahdollisesti vaikuttavia tekijöitä viidellä syrjäytyseräkeittämöllä. Jokaiselta keittämöltä selvitettiin likaantumisongelman vakavuus, lämmönsiirrinten rakenne, lämmönsiirtimissä virtaavien aineiden virtaus- ja lämpötilatiedot, sekä mustalipeän koostumus. Mustalipeästä analysoitiin jäännösalkali, kuiva-aine, kuitupitoisuus sekä liukenemattoman että liuenneen kalsiumin pitoisuus. Yhdellä keittämöllä otettiin lisäksi näytteitä likaantuneista lämmönsiirtimistä. Kirjallisuusosan, sekä tehtyjen tehdasselvitysten perusteella pääteltiin likaantumisen mekanismi. Ratkaisevin tekijä likaantumista ajatellen on lämmönsiirtoputken lämpötila. Likaantuneissa lämmönsiirtimissä lämmönsiirtoputkien pinnalle on saostunut ohut kalsiumkarbonaattikerros, jonka saostumisnopeus on riippuvainen putken lämpötilasta. Kun lämpötila on riittävän alhainen, ei kalsiumkarbonaattia saostu (lämmönsiirtimet, joissa vesi jäähdyttää mustalipeää). Mustalipeää jäähdytettäessä suopaa saostuu kalsiumkarbonaattipartikkeleiden ja kuitujen pinnoille, mitkä tarttuvat herkästi kalsiumkarbonaattikerroksen pinnalle aiheuttaen lämmönsiirtimen putkipuolen painehäviötä sekä kokonaislämmönsiirtokertoimen heikkenemistä. Likaantuminen voidaan välttää nykyisissä prosesseissa täysin vain vähentämällä mustalipeän liuenneen kalsiumin määrää ja mahdollisesti käyttämällä saostumisenestoainetta. Likaantumisen vaikutuksia voidaan kuitenkin sen mekanismista johtuen lieventää pumppaustehoa kasvattamalla. Mustalipeän lämpötilan lasku paisuttamalla ja syntyvän höyryn käyttö valkolipeän lämmitykseen on esimerkki prosessista, jossa ei ole läsnä likaantuvia, kuumia lämmönsiirtopintoja.
A problem of maximization of the radiative heat transfer (at a given wavelength) between a body and its environment is considered theoretically. It is shown that the spectral density of the radiative heat flux is maximized under the formulated conjugate impedance matching condition, in which case the spectral density of radiated power can exceed the black body limit, resulting in a super-Planckian heat exchange at characteristic distances significantly greater than the wavelength. It is demonstrated that the material parameters of the optimal emitters can be deduced from the known material parameters of the environment and represented by closed-form relations, thus, enabling a way for physical realization of such far-field super-Planckian emitters.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia sellutehtaan haihduttamolla ilmennyttä lämpöpintojen likaantumista kahdella tapaa: haihdutusprosessin simulaatiolla sekä pilot-haihduttimella toteutetuilla koeajoilla. Haihduttamon likaantuminen johtuu lämpöpinnoille saostuneista suoloista, joiden liukoisuusraja ylittyy mustalipeän konsentroituessa. Tämä kerrostuma lisää lämmönsiirtovastusta lipeän ja lämpölähteen, kuten höyryn, välillä. Näin haihdutuskapasiteetti laskee ja lämmönkulutus kasvaa. Haihduttamo voi näin rajoittaa koko tehtaan tuotantokapasiteettia, laskea tehtaan energian tuotantoa ja aiheuttaa mittavia tappioita tehtaalla tuotannonrajoituksen vuoksi. Työssä mallinnettiin tehtaan haihduttamo, soodakattila ja turbiinilaitos Valmetin WinGEMS selluprosesseille tarkoitetulla ohjelmistolla. Mallinukseen käytettiin tehtaan virtauskaavioita ja tehdas- järjestelmästä saatavaa dataa. Mallin paikkansapitävyys varmistettiin massa- ja energiataseilla. Mallilla testattiin neljää skenaariota: haihduttamon laihan syöttölipeän lämpötilan nostaminen, konsentraattoreille siirrettävän vahvan syöttölipeän lämpötilan nostaminen, likaantumisen aiheuttamat kulut ja mahdolliset ratkaisut kompensoida likaantumista sekä vahvistuslipeän määrän suhteellisen määrän vähentäminen. Simulointeja seurasivat koeajot sellutehtaalle rakennetulla pilot-laitteistolla. Tarkoituksena oli määrittää operointiparametrit, joilla likaantumista ilmenisi vähiten ja mikä kemiallinen yhdiste aiheuttaa likaantumista kyseisellä tehtaalla. Lisäksi testattiin mäntyöljykeittämön emäveden lisäämistä mustalipeään ja sen vaikutusta likaantumisen esiintymiseen. Diplomityön tulosten pohjalta mäntyöljykeittämön emäveden lisäämisellä voitaisiin alustavasti vähentää natriumsuoloista johtuvaa likaantumista haihduttamolla. Lisäksi simulaation tuloksissa havaituilla prosessimuutoksilla ja investoinnilla voitaisiin haihduttamon kapasiteettia, höyrytaloutta ja polttolipeän kuiva-ainepitoisuutta nostaa. Tämä vaatisi kuitenkin tarkemman analyysin investoinnin kannattavuudesta, muutosten teknisestä kannattavuudesta ja soodakattilalla lipeäsysteemin päivityksen arvioinnin. Pilotlaitteistolla suositellaan tehtävän useampia toistoja tulosten paikkansapitävyyden varmistamiseksi. Lisäksi suunnitellut pilotajot mäntyöljyn lisäyksellä ja sulfaatti/karbonaatti -suhteen muutoksilla suositellaan toteutettavan.
Scientific breakthroughs in silicon surface passivation have enabled commercial high-efficiency photovoltaic devices making use of the black silicon nanostructure. In this study, the authors report on factors that influence the passivation stability of black silicon realized with industrially viable spatial atomic layer deposited (SALD) aluminum oxide (AlOx) under damp heat exposure and light soaking. Damp heat exposure conditions are 85 °C and 85% relative humidity, and light soaking is performed with 0.6 sun illumination at 75 °C. It is demonstrated that reasonably thick (20 nm) passivation films are required for both black and planar surfaces in order to provide stable surface passivation over a period of 1000 h under both testing conditions. Both surface textures degrade at similar rates with 5 and 2 nm thick films. The degradation mechanism under damp heat exposure is found to be different from that in light soaking. During damp heat exposure, the fixed charge density of AlOx is reduced, which decreases the amount of field-effect passivation. Degradation under light soaking, on the other hand, is likely to be related to interface defects between silicon and the passivating film. Finally, a thin chemically grown SiOx layer at the interface between the AlOx film and the silicon surface is shown to significantly increase the passivation stability under both light soaking and damp heat exposure. The results of this study provide valuable insights into surface passivation degradation mechanisms on nanostructured silicon surfaces and pave the way for the industrial production of highly stable black silicon devices.
The aim of this thesis is to familiarize with the water-steam circulation simulations. The main target is to develop an Excel based calculation tool to handle and transfer heat flux data to the Apros 6 simulation program. It is also important to make this as automated as possible to make water circulation calculations more simple, comparable and precise. This is possible with Excel macros and new feature in Apros 6, SCL command files. SCL commands enable smooth data transfer between Apros and Excel. Data management within the water circulations calculations has earlier been onerous and the accuracy has depended on the modeler. In this thesis, modern and more realistic CFD models are used to create heat flux values for heat transfer surfaces of a recovery boiler. This is a major improvement to the reliability of the water circulation studies. In the experimental part, new Excel calculation tool and the modified heat flux values are tested in practice. Old Apros water circulation model is updated with new heat fluxes and its structure is modified to be more accurate. The new model is also tested with 115 % capacity to study how the recovery boiler’s water circulation works with a higher thermal power and what changes it causes. These three different cases are compared to each other, and the changes caused in water-steam flows are studied.