Boliden is a metals company in the northern Europe, which has all three metal extracting operations: mining, mineral processing and smelting. Boliden’s biggest mine, the Aitik mine in Gällivare is a copper mine. The Boliden Aitik cleaning flotation was studied. The grade was higher in the old plant between 27 Cu-% and 29 Cu-% and the goal of this study was to investigate why the grade is lower in the new plant, between 23 Cu-% and 24 Cu-%. The process is also different in the new plant, consisting of four consecutive cleaner banks. In the literature study, it was found that a flotation cell has many sub processes which are connected from the mixing zone in the bottom to the top of the froth. These sub processes have an effect on each other and it makes the flotation a complex process. The first cleaner bank was sampled from down to up inside the cell to investigate if the mixing was not good in the cells. Second, third and fourth cleaner banks were sampled more carefully inside the froth phase to see how the grade increases with the froth depth. Particle distribution and grades of each fraction were used to analyse the process. No significant problems in the mixing were found in the first cleaner bank. In the last two cleaners’ first cells it was found that the copper grade stops increasing quickly after the pulp-froth interface. Also the cells after the first cells are floating lower grade concentrate. There are also lots of fine particles recirculating in the cleaners. / Boliden on metallialan yritys pohjois Euroopassa. Sillä on kaikkia kolmea metallien jalostus toimintaa: kaivos, rikastus ja sulatus. Bolidenin isoin kaivos on Aitikin kaivos, joka on kuparikaivos Jällivaarassa. Tässä työssä tutkittiin Boliden Aitikin riperikastusprosessia. Kuparin pitoisuus vanhalla rikastamolla oli 27 % ja 29 % välillä ja tämän työn tarkoituksena oli tutkia, miksi pitoisuus uudella rikastamolla on pienempi, 23 % ja 24 % välillä. Prosessi on myös erilainen uudella rikastamolla ja se koostuu neljästä perättäisestä riperikastus vaiheesta. Kirjallisuusselvityksestä selvisi, että vaahdotuskennossa on useita alaprosesseja, jotka ovat kaikki yhteydessä toisiinsa aina sekoitus alueelta vaahdon yläosaan asti. Nämä alaprosessit vaikuttavat toisiinsa ja näin ollen tekevät vaahdotuksesta monimutkaisen prosessin. Ensimmäistä riperikastusvaihetta tutkittiin ottamalla näytteitä aina kennon alaosasta yläosaan asti ja tällä yritettiin saada selville kuinka hyvin sekoitus kennon sisällä toimii. Toista, kolmatta ja neljättä riperikastusvaihetta tutkittiin ottamalla näytteitä tarkemmin vaahdon sisältä, jotta saataisiin parempi käsitys, kuinka pitoisuus nousee vaahdon paksuuden kasvaessa. Prosessin analysoimiseksi selvitettiin paljon partikkelijakaumia näytteille ja jokainen partikkelikoko analysoitiin erikseen. Ensimmäisestä riperikastusvaiheesta ei löytynyt isompia ongelmia sekoituksessa. Kahden viimeisen riperikastusvaiheen ensimmäisissä kennoissa huomattiin, että kuparin pitoisuus lopettaa kasvamisen nopeasti liete-vaahto rajapinnan jälkeen. Ensimmäisten kennojen jälkeiset kennot vaahdottavat alemman pitoisuuden rikastetta. Riperikastus vaiheet myös kierrättävät paljon hienoa partikkelikokoa.

Seawater usage in mineral processing has become a fairly topical issue in the 2010’s. The deficit of fresh water grows meanwhile the demand rises globally. Fresh water is a critical component, especially in many industrialized arid countries, where only available water source can be seawater or highly saline underground water. Currently many mining operations in water-scarce countries are utilizing desalinated seawater as process water, while few of them are using direct seawater. The aim of this Master’s thesis was to gain more understanding of the faced challenges in the Cu-Mo ores froth flotation in seawater. In the experimental work, synthetic seawater was utilized as process water in the laboratory rougher flotation tests. Tests were conducted in Outotec Research Center at mineral processing laboratory in Pori. The ore sample was porphyry Cu-Mo ore, which was delivered from north Chilean deposit Sierra Gorda. Two rougher flotation test series were conducted in synthetic seawater and tap water. In the first phase, the effect of using seawater as process water was investigated by using different type of collectors. The object of the second phase was to conduct flotation tests in synthetic seawater and tap water with varying dosages of lime, and observe the effects on pH, and on the recoveries of copper, molybdenum and sulfur. Recovery of copper maintained almost the same level in both mediums. However, lime consumption was observed to be increased significantly under flotation conditions in synthetic seawater. In addition, the floatability of molybdenum was affected negatively above the pH 9.5. The major cause for the buffering effect of seawater was studied to be due to the carbonate system, the boric acid-borate equilibrium and the concentration of Mg2+. Recovery reduction of molybdenum was suggested to occur due to the magnesium hydroxide complexes and magnesium hydroxide precipitates, which began to form in seawater in higher pH levels. These species have been claimed to affect negatively on the natural hydrophobicity of molybdenite. The experimental work showed that the conventional flotation of Cu-Mo ore conducted in seawater has serious conflicts, when pyrite is depressed with lime. Results indicate that rougher flotation of the Cu-Mo ore carried out in seawater gives sufficient recoveries for copper and molybdenum, at the expense of accepting large pyrite content in the froth. Hence, the difficulty of depressing pyrite will be problematic in the cleaning flotation, where higher pH levels are applied. Seems that the Cu-Mo ores flotation in seawater is in the need for a new kind of method that would depress pyrite without lime. A few solutions have already been developed, which can probably suppress the problem. A promising new method, named AMBS treatment, is not requiring lime to depress pyrite, and it has shown good metallurgical results for molybdenite, when flotation is conducted in seawater. / Meriveden valjastaminen käyttöön rikastamojen prosessivetenä on noussut ajankohtaiseksi aiheeksi 2010-luvulla. Makeiden vesivarojen arvo nousee sitä mukaa, kun veden tarve kasvaa globaalisti. Makeasta vedestä on muodostunut kriittinen elementti erityisesti niille kuiville alueille sijoittuville teollistuneille maille, joille ainoa saatavilla oleva veden lähde on merivesi tai suolainen pohjavesi. Yhä useammat kuivissa maissa toimivat kaivosprojektit käyttävät toiminnoissaan suolapuhdistettua merivettä, kun osa näistä projekteista käyttää prosessivetenään raakaa merivettä. Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää kupari-molybdeenimalmin vaahdottamisen haasteet, kun väliaineena käytetään merivettä. Työn kokeellisessa osuudessa keskeisessä osassa olivat laboratoriomittakaavan esivaahdotuskokeet, joissa prosessivetenä hyödynnettiin synteettistä merivettä. Kokeet toteutettiin Outotecin tutkimuskeskuksen rikastuslaboratoriossa Porissa. Malminäytteenä käytettiin porfyyri kupari-molybdeenimalmia, joka toimitettiin Sierra Gordan esiintymästä Chilestä. Kaksi esivaahdotus-koesarjaa suoritettiin synteettisessä merivedessä ja hanavedessä. Ensimmäisessä vaiheessa meriveden vaikutusta vaahdotukseen tutkittiin vertaamalla erityyppisten kokoojien tehokkuuksia samankaltaisissa vaahdotusolosuhteissa. Toisen vaiheen tarkoituksena oli suorittaa vaahdotuskokeita synteettisessä merivedessä ja hanavedessä lisäten vaihtelevia määriä kalkkia, jolloin tarkastelun kohteena olivat lietteen pH-luku, sekä vaikutukset kuparin, molybdeenin ja rikin saanteihin. Kuparin saanti pysyi likimäärin samalla tasolla kummassakin väliaineessa. Merivedessä kalkin tarpeen havaittiin lisääntyneen huomattavasti verrattuna hanaveteen, jonka lisäksi molybdeenin saanti laski merivedessä voimakkaasti, kun pH nostettiin yli 9.5. Kalkin kulutuksen lisääntyminen johtui meriveden puskurointikyvystä, jonka katsottiin aiheutuvan pääasiassa meriveden karbonaattisysteemistä, boorihappo-boraatti tasapainosta sekä Mg2+ ionin konsentraatiosta. Molybdeenin saannin laskun todettiin mahdollisesti johtuvan magnesiumista, joka muodostaa merivedessä kohonneessa pH:ssa kompleksisia magnesiumhydroksidi-ioneja sekä kiinteää magnesiumhydroksidia, joiden on todettu muokkaavan molybdeniitin luonnollista hydrofobisuutta. Kokeellisen osuuden tulokset viittaavat siihen, että pyriitin painaminen kalkilla on ristiriitaista, jos vaahdotus toteutetaan merivedellä. Kuparin ja molybdeenin saannit saadaan hyvälle tasolle esivaahdotuksessa sillä ehdolla, että suurempi pitoisuus pyriittiä hyväksytään rikasteeseen. Sen vuoksi pyriitin erottaminen kertausvaahdotuksessa voi olla ongelmallista, sillä kertauksessa sovelletaan esivaahdotusta korkeampaa pH:ta. Kupari-molybdeenimalmin vaahdotus merivedessä vaatii uudenlaisen menetelmän, jolla pyriittiä voidaan painaa tehokkaasti perinteistä menetelmää alhaisemmassa pH:ssa. Sopivia ratkaisuja on jo kehitetty, jotka voivat mahdollisesti poistaa ongelman. Niin kutsuttu AMBS käsittely vaikuttaa lupaavalta, sillä sen on todettu parantavan molybdeenin saantia merivedellä vaahdotettaessa ilman, että kalkkia tarvitaan lisätä pyriitin painamiseksi.

The continuous minipilot beneficiation plant is situated in the Department of Process and Environment Engineering of the University of Oulu. The planning basic for the minipilot plant was the ore beneficiation process of the Pyhäsalmi mine in scale of 1:5000. Outotec Oyj and Schneider Electric together with the experts from the Geological Survey of Finland and Pyhäsalmi mine have been the main planners and equipment suppliers. The main target of this work was to produce a document giving guidelines for the use of the minipilot beneficiation plant and collect data from the process during various trial runs. The collected data was later used to investigate the dynamics and time delays of the process. All the occurred problems and observations done during the trial runs were note, and are introduced in this thesis. Performed investigations give important knowledge about how to improve the repeatability and continuity of the process. Also the measuring devices and improvements needed for the process are discussed based on the data and knowledge received from the trial runs. During the trial runs it was occurred that to achieve good concentrate grades and recoveries, all the unit processes including grinding, conditioning and flotation must be working flawlessly. As expected, the results obtained throughout the three trial runs of the minipilot experiments performed in this thesis work highlighted the fact that even in pilot scale ore beneficiation process the individual runs are extremely hard to be replicated. Also the chosen process area, from the grinding to the third cleaning flotation, was too wide. For the future runs, the rougher flotation should be first studied individually in the open loop system by closing the circulating flows from the flotation cells to the conditioner. From there the effects of the changes of different variables could be measured and controlled better. When the rougher unit is analysed, flotation units can be added to the analysis one at a time, until the whole flotation train is investigated and the problematic sections are found. The results and data collected during the trial runs introduced in this work can be used as a basic data for developing the simulator. Further reliable trial runs are needed to achieve and identify a reliable simulator of the minipilot. / Jatkuvatoiminen minipilot kokoluokan rikastamo otettiin käyttöön keväällä 2013. Minipilot-rikastamo sijaitsee Oulun Yliopiston prosessi- ja ympäristötekniikan osaston tiloissa. Kokoluokaltaan prosessi on skaalattu alaspäin niin, että se on 1:5000 alkuperäisestä Pyhäsalmen kaivoksen rikastusprosessista. Minipilot-rikastamon Oulun Yliopistolle on toimittanut Outotec Oyj ja automaatiojärjestelmän Schneider Electric. Suunnittelussa ovat lisäksi olleet mukana Geologian tutkimuskeskus sekä Pyhäsalmen kaivos. Työn tavoitteena oli esitellä ja tuottaa ohjeistus minipilot-rikastamon käyttöön. Työn kokeellinen osio sisältää koeajojen sarjan, jonka aikana pyrittiin keräämään mahdollisimman paljon tietoa prosessista. Kerätyn datan avulla pohdittiin prosessin toimintaa sekä määritettiin tärkeitä prosessiparametreja, kuten aikavakiot eri yksikköprosessien välillä. Koeajojen aikana ilmeni prosessissa useita ongelmia. Ongelmat johtuivat lähinnä suunnittelu ja mitoitus virheistä. Lisäksi mekaanisia laiterikkoja tapahtui ajojen aikana. Työ sisältää luettelon ongelmista, joita ilmeni ajojen aikana sekä parannusehdotuksia tulevia ajoja varten. Koeajojen tuloksia tarkasteltaessa kävi selväksi, että jopa minipilot kokoluokan rikastusprosessia tarkasteltaessa, on koeajojen toistaminen erittäin haastavaa. Koeajon toistettavuus ja yhtäläisten prosessiolosuhteiden saavuttaminen vaatii jokaisen osaprosessin täydellisen toiminnan. Tulevaisuudessa palautusvirrat vaahdotuskennoista valmentimeen tulisi katkaista, jotta päästää tarkastelemaan avointa piiriä. Avoimessa piirissä muutokset tapahtuvat nopeammin ja häiriöiden määrä vähenee. Prosessin tutkinta kannattaa aloittaa tarkastelemalla vain esivaahdotuskennon toimintaa. Tämän jälkeen voidaan prosessin tarkastelua laajentaa vaahdotusyksikkö kerrallaan, kunnes lopulta saavutetaan koko prosessin laajuinen tarkastelualue. Näin löydämme prosessin pullonkaulat ja ongelmakohdat, sekä saamme huomattavasti paremman käsityksen yksikköprosessien toiminnasta. Koeajojen aikana prosessista kerätty data tullaan käyttämään prosessisimulaattorin perusdatana. Tulevaisuudessa täytyy suorittaa useita luotettavia koeajoja prosessisimulaattorin kehittämiseksi.

Yrityksillä on tarve kehittää liiketoimintaprosesseja saavuttaakseen ja pitääkseen yllä kilpailukykyään. Tilaus-toimitusketjun merkitys ja toimivuus on noussut yritysmaailmassa tärkeäksi tekijäksi. Tähän liittyen tehokkuus ja innovaatiot ovat tärkeitä tekijöitä kilpailukyvyn säilytyksessä. Tässä diplomityössä tutkitaan miten talotuotantoalalla toimivan kohdeyrityksen tilaus- ja toimitusketjusta voidaan tehdä tehokkaampi. Rakennusalan yrityksiä kritisoidaan tuotteiden huonosta laadusta ja ylenmääräisestä standardisoinnista, mikä ei vastaa olemassa olevan kysynnän monipuolisuutta. Rakennusalan teollisuus on monesti jäljessä tuote- ja valmistusprosessien sekä tilaus-toimitusketjun kehityksessä. Rakennusalan kehittämisessä käytetään liiketoimintaprosessien uudelleensuunnittelu -menetelmää, jolla tavoitellaan parempaa tehokkuutta, laatua ja kapasiteettia laajempaan tuotetarjontaan markkinoilla. Myös teollistetun tuotannon keinoja on yritetty implementoida alalla paremman läpimenoaikojen, laadun ja kustannustehokkuuden saavuttamiseksi. Tämän tutkimuksen mukaan suurin ongelma tilaus- ja toimitusketjun läpimenoajassa oli pitkät joutoajat eri toimintojen välissä. Tavoitteena oli löytää kriittiset pisteet ja tekijät joutoajan synnylle sekä poistaa ne. Tutkimus on tehty kohdeorganisaatiossa, joka valmistaa kotimaisista raaka-aineista taloja Suomessa. Työssä pyrittiin luomaan toimintamalli, joka lyhentää tilausten läpimenoaikaa. Tilaus- ja toimitusketjun uudelleensuunnittelua lähdettiin kehittämään prosessijohtamisen kautta. Tämä diplomityö on laadullinen eli kvalitatiivinen tutkimus liiketoimintaprosessin uudelleensuunnittelusta ja mallintamisesta. Kvalitatiivisessa tutkimuksessa käytettiin aineistonkeruussa hyväksi haastatteluita, työpajaa, prosessin mallintamista sekä kohdeyrityksen tietojärjestelmiä tilauskannan tutkimisessa. Kvalitatiivisen tutkimusmenetelmän yksi tärkeitä työtapoja ovat osallistuvuus ja kenttätyö. Näitä sovellettiin myös tässä tutkimuksessa. Jonotusaikoja syntyi lähes jokaisen toiminnon välisessä tilaus-toimitusprosessissa. Suurimmaksi ongelmaksi koettiin huono dokumentaatio tilauksien käsittelyssä, mikä aiheutti hankaluutta koko tilauksen käsittelyn ajan. Tästä syystä tilaus-toimitusketjun uudelleensuunnittelussa keskityttiin tilauksien vastaanoton kehittämiseen. Toisena kehitystarpeena koettiin suunnittelun kehittäminen tuotteiden vakioinnin avulla. Ratkaisevana tekijänä tässä oli dokumentaation ja järjestelmien systemaattisuuden lisääminen tilauksien käsittelyssä. Kohdeyrityksessä tehtiin organisatorisia sekä toimintamallin muutoksia prosessiin. Tilauksen läpimenoaika tuotteissa on pidempi kuin monella muulla teollisuuden alalla. Kokeellisia tutkimuksia tehtiin kevään 2014 tilauskantaan, jonka perusteella läpimenoaikaa pystyttiin parantamaan uuden toimintamallin mukaan toimivissa tilauksissa. Läpimenoaika ei vielä noussut toivotulle tasolle, mutta tuotteiden teollistetun tuotannon keinoja hyödyntämällä, kuten tuotteiden vakioinnin avulla, pystytään jatkossa saavuttamaan läpimenoajan merkittävä lyhentäminen. Tulokset antavat vahvan viitteen siitä, että tilaus- ja toimitusketjun uudelleensuunnittelun rakennusalalla tuottaa yritykselle tehokkuutta ja lyhyemmän läpimenoajan, mikä johtaa myös parempaan kustannustehokkuuteen. / Companies need to improve their business processes so as improve to and maintain their competitiveness. The importance of supply has become a significance issue in modern business world. Nowadays efficiency and innovations are meaningful factors to maintain the competitiveness. The aim of this Master’s Thesis is to clarify how to improve the efficiency of the case company’s supply chain. Construction business is often criticized about poor quality and excessiveness of standardization, which do not respond a versatility of customer demand. The construction industry is usually behind many other sectors in its development of production and supply chain. Construction industry utilizes the business process re-engineering method in its development, which aims at better efficiency, quality and capacity to offer bigger product supply for markets. Also industrialized production is tried to implement in field to achieve better delivery cycle, quality and cost efficiency. According to this research the biggest problem in the delivery cycle of supply chain is long waiting times between different functions. The aim is to find critical time points and factors, which are generating waste of time in the process. Attention is paid also to elimination of these problem factors. This research is done in case company, which products domestic houses in Finland. The aim was to create new operation model, which shortens the delivery cycle of orders. The re-engineering of supply chain bases on process management. This Master’s Thesis is a qualitative study about re-engineering and modelling of the business processes. In qualitative research was exploited interviews, workshop, process modelling and case company’s information systems in studying the order book. Fieldwork and observing participation are important work methods in qualitative research. These were also applied in this research. Waste time was generated between almost every function in the process. The main problem was poor documentation in handling of orders, which causes difficulties in the whole supply chain. Therefore, development of the receipt process of orders was taken as focus in re-engineering the supply chain. The second development need was the development of the design department for standardization of the products. Also in this case the decisive issue was to increase the systematic documentation and information systems in handling the orders. The case company made organizational and operational changes in its processes. The delivery cycle time in construction business is longer than in many other industries. An experimental research was made on the basis of the order book in spring 2014. This study indicated that delivery cycle can be improved with orders handled by new operational model. The delivery cycle has not yet achieved the desired level, but utilizing the production methods of the industrialized production, for example standardization of the products, it is possible to achieve significant improvements in the delivery cycle time. The results give strong evidence that by re-engineering of the supply chain in the case company efficiency and shorter delivery cycle can be achieved. This also leads to better cost efficiency.

The aim of this Master’s thesis was to acquire information related to lean and concentrated odorous gases along with examining modern treatment options. The main problem with the current LOG-system at Arizona Chemical Oulu is the accumulation of a rosin-based material, which fouls the pipeline. The experimental part of this master’s thesis therefore concentrates on investigating the origin of this problem and on minimizing the amount of the accumulating material. The measures and suggestions related to minimizing the amount of the accumulating material include the optimization of scrubber operation and the development of other aspects regarding the operation and the construction of the current LOG-line. Solubility tests were conducted to investigate the dissolution of the rosin-based material in fatty acids. The amount of the solid material passing through the scrubbers was measured with a specifically designed filtering collection system. In addition, pH measurements were conducted to find out the minimum liquid changing intervals for the scrubbers using caustic scrubbing solution. The solid rosin-based material that accumulated in the main LOG-line did not dissolve into a 50% caustic solution even at 70 oC. However, the material did dissolve into fatty acids already at room temperature. According to the results of the conducted solubility tests, the dissolution velocity of the rosin-based material in fatty acids increased with increasing temperature. Accordingly, one of the main reasons for the accumulation of the rosin-based material, that passes through the scrubbers, is therefore unsuitable washing liquid. Because of this, a design of piping changes, that would enable to change the scrubbing liquid of the caustic scrubbers to fatty acids, was initiated. According to the conducted filtering system measurements, another reason for the accumulation of the rosin-based material seems to be nitrogen- and steam cleaning of pipes. Additionally, reaction products and the temperature of the scrubbing liquid circulation seem to have an effect on the amount of the accumulating material. According to the conducted pH- and concentration measurements, the washing efficiency of the scrubber on the distillery side of Arizona Chemical Oulu remained at its maximum for 8 hours with the contemporary operation capacity. This can therefore be considered as the minimum scrubbing liquid changing interval for an 8% caustic solution. This test was not repeated, as the design for the piping changes, which would enable to change the scrubbing liquid of this scrubber to fatty acids, begun after the test. After verifying that caustic consumption in the scrubber on the refinery side of the facility was low, design of the piping changes required to change the scrubbing liquid to fatty acids was initiated for this scrubber as well. / Tämän diplomityön tavoitteena oli laimeiden ja väkevien hajukaasujen tutkiminen sekä nykyisten hajukaasujen käsittelymenetelmien kartoittaminen. Työn kokeellisen osion tarkoituksena oli minimoida nykyiseen hajukaasulinjaan kertyvän kiinteän hartsimaisen materiaalin määrää tutkimalla ongelman alkuperää ja optimoimalla hajukaasupesureiden toimintaa sekä kehittämällä hajukaasulinjan operointimalleja. Kokeellisessa osiossa tutkittiin hajukaasulinjaan kertyvän hartsimaisen materiaalin liukoisuutta, määrää, alkuperää sekä syitä siihen, miksi materiaali läpäisi pesurit. Pesureiden läpi pääsevän hartsimaisen materiaalin määrän mittaamiseen kehiteltiin suodatusperiaatteella toimiva keräilylaitteisto. Keräilylaitteiston avulla analysoitiin tukkeutumisongelman aiheuttavia ilmiöitä. Tämän lisäksi määritettiin pH- ja konsentraatiomittausten avulla lipeäpesureiden nesteen minimivaihtoväli. Liukoisuuskokeiden tulosten perusteella hartsimainen, hajukaasulinjaan kertyvä kiintoaine, joka ei liuennut 50%:een lipeään 70 oC lämpötilassa, liukeni rasvahappoon jo huoneenlämmössä. Liukoisuus kasvoi lämpötilaa kasvatettaessa. Suurin yksittäinen syy pesureilta läpi pääsevän hartsin määrään vaikuttaisikin olevan juuri epäsopiva pesuneste. Tämän vuoksi linjamuutosten suunnittelu lipeäpesureiden muuttamiseksi rasvahapolle aloitettiin. Keräilylaitteiston avulla toteutettujen keräilykokeiden tulosten perusteella toinen suuri syy pesureilta läpi pääsevän hartsin määrään olivat typpi- ja höyrypuhallukset. Lisäksi pesureilta läpi pääsevän materiaalin määrään vaikuttivat reaktiotuotteet sekä pesureiden kierron lämpötila, joka vaikuttaa pesureilta poistuvan kaasun lämpötilaan. Pesureiden läpi pääsevän hartsimaisen materiaalin ja pesureiden jälkeen kerätyn lauhteen määrä kasvoi pesurin nesteen lämpötilan noustessa. pH- ja konsentraatiomittausten perusteella mäntyöljytislaamon puoleisen lipeäpesurin tehokkaaksi pesuajaksi 8 %:lla lipeäliuoksella määritettiin noin 8 tuntia mittausten aikaisella tuotantokapasiteetilla. Kokeesta ei järjestetty useampia toistoja, sillä linjamuutoksia, jotka mahdollistaisivat pesurin nesteen vaihtamisen rasvahapoksi, alettiin suunnitella pian kokeen jälkeen. Hartsijalosteen puoleiselle lipeäpesurille syötettävien kaasujen koostumuksen sekä pesurin pienen lipeän kulutuksen perusteella alettiin myös tätä pesuria varten suunnitella linjamuutoksia pesunesteen vaihtamiseksi.

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia muurahaishapon toimivuutta vedynluovuttajana ligniinin depolymerisoinnissa ilman erillisen katalyytin käyttöä. Korkeissa lämpötiloissa ligniinin tiedetään kondensoituvan korkeasti polymerisoituneeksi hiileksi, mutta vedyn avulla tätä reaktiota voidaan ehkäistä. Muurahaishappo tunnetusti vapauttaa vetyä hajoamistuotteenaan. Työn toisena tavoitteena oli tuottaa teollisuuden sovelluksille käyttökelpoisia tuloksia. Tästä johtuen reaktiolämpötilat (250 °C ja 300 °C) ja liuoksen happamuus (8,82 m-% ja 17,64 m-%) pidettiin suhteellisen matalina. Tutkimus suoritettiin kahdessa osassa, joista ensimmäisessä keskityttiin löytämään reaktio-olosuhteet, joissa ligniiniä saataisiin depolymerisoitua mahdollisimman tehokkaasti. Reaktioissa syntyneet kaasumaiset ja nestemäiset reaktiotuotteet analysoitiin kaasukromatografilla. Reaktiossa käytettyä lämpötilaa sekä liuoksen happamuutta muunneltiin eri kokeiden välillä, jotta voitiin arvioida näiden tekijöiden vaikutusta reaktiotuotteiden koostumukseen. Tavoitteena oli tuottaa mahdollisimman paljon kaasua annettujen määreiden rajoissa, sillä teoreettisesti suurempi kaasuntuotto muurahaishapon hajotessa viittaa suurempaan vedyn määrään tuotteissa. Vety puolestaan on tärkeässä roolissa ligniinin polymerisaatiota ajatellen. Tutkimuksen toisessa vaiheessa ligniiniä lisättiin liuokseen olosuhteissa, jotka olivat ensimmäisen vaiheen tulosten mukaisesti parhaat ligniinin depolymerisoitumiseen. Kaikkien kokeiden aikana syntyneiden kaasu- ja nesteseoksien koostumukset analysoitiin kaasukromatografilla. Työn tuloksena saatiin jatkotutkimukseen hyödyllistä dataa matalan lämpötilan ja laimean hapon reaktiotoiminnoista ligniinille. Toistaiseksi juuri kyseisiä laimeita olosuhteita on tutkittu suhteellisen vähän. Vastoin aiempaa tietämystä, myös laimealla happoliuoksella kyettiin tuottamaan suhteellisen suuria määriä kaasua, mikä viittaa myös merkittävään vedyn määrään. Myös lämpötilan havaittiin vaikuttavan reaktioihin enemmän kuin alkuun oletettiin: korkeassa lämpötilassa suoritetut kokeet nostattivat reaktorin paineen huomattavasti korkeammaksi kuin matalan lämpötilan kokeet, jolloin myös kaasua syntyi enemmän. Kaasun CO/CO₂-suhde käyttäytyi painetta epäjohdonmukaisemmin, sillä sen arvo vaihteli riippumatta reaktio-olosuhteista. Yleisesti ottaen tulokset viittasivat vedyn määrän kasvamiseen lämpötilan noustessa. Molemmissa ligniinikokeissa syntyi sama määrä tuhkaa (noin 2 g). Tuhkan korkean koheesion vuoksi kunnollisen näytteen kerääminen osoittautui hyvin vaikeaksi, eikä sen tarkkaa massaa voitu siten mitata. Muurahaishappo osoittautui testien perusteella lupaavaksi vedynluovuttajaksi ligniinin depolymerisointiin. Ligniinitestien aikana onnistuttiin tuottamaan selkeästi suurempi hiilidioksidimäärä kuin pelkillä ensimmäisten testien muurahaishapon hajoamisreaktioilla. Tämä viittaisi ligniinin osittaiseen dekarboksylaatioon reaktioiden aikana. Jatkotutkimuksen kohteina voisi olla ligniinin depolymerisoinnin tarkastelu pidemmillä reaktioajoilla, eri vedynluovuttajien käyttö tai lisätutkimus laimean happoliuoksen riittävyydestä ligniinin rakenteen pilkkomiseen. / The basis for this thesis was to explore how formic acid performs as a hydrogen donor in lignin depolymerization, when no additional catalyst is used. It is known that at high temperatures, lignin tends to recondense into highly polymerized fractions (char), and active hydrogen can cap these reactions to hinder char formation. Formic acid is known to release active hydrogen during its decomposition. Another goal was to make the results usable for the industrial applications. To succeed in this, only relatively low temperatures (250 °C and 300 °C) and acid content (8.82 wt % and 17.64 wt %) were used. The research was conducted in two stages, the first of which concentrated on finding the optimal reaction conditions for depolymerizing lignin into smaller fractions. The gas and liquid produced by the reactions were analysed by gas chromatography. The reaction temperature and acid content were changed to see how it affected the composition of the gas and liquid products. The goal was to achieve the greatest possible amount of gas within the defined parameters, because in principle more gas produced in the decomposition of formic acid suggests more potential hydrogen present in the product. The hydrogen in turn is essential for lignin depolymerization. In the second stage lignin was added to the reaction mixture at the conditions determined during the first stage. The products were analysed by gas chromatography. The research resulted in some useful data about the reactions occurring at low temperatures and acid contents. These conditions have remained relatively scarcely researched. Contrary to earlier knowledge, significant amounts of carbon dioxide could be produced even by using low acid content, which suggests that also notable amount of hydrogen was present. The temperature was also observed to affect the results more than was initially thought: the runs done at higher temperature saw an exponential increase in pressure and a greater gas yield than the ones done at low temperature. However, the CO/CO₂-ratio did not seem to be consistent, as it changed regardless of the conditions. These indicators suggested that more hydrogen was released by the reactions at higher temperature. Both depolymerisation experiments yielded about the same amount of char (ca. 2 g). However, due to the difficulty of char recovery given its high cohesion, the weight could not be accurately measured. Formic acid proved to be a promising hydrogen donor. During the lignin solvolysis experiments, a significantly larger amount of carbon dioxide was released than during the formic acid decomposition experiments. This suggests that lignin was partially decarboxylated during the reactions. Additional research should be conducted by using longer reaction times, having a different hydrogen donor or looking into the sufficiency of mild acid solution to depolymerize lignin.

Tämän työn tavoitteena oli tutkia UV-absorboivien selluloosananokiteiden valmistusta ja käyttöä kalvojen lisäaineena estämään UV-säteiden läpäisyä sekä toimimaan lujitteena kalvomateriaalissa. Työn kirjallisuuskatsauksessa etsittiin tietoa selluloosasta, selluloosananokiteistä, selluloosananokidekomposiittien ominaisuuksista sekä metallinanopartikkeleiden käytöstä kalvorakenteissa. Työ koostui pääasiassa kokeellisesta osiosta, jossa valmistettiin perjodaattihapetuksen avulla UV-absorboivia selluloosananokiteitä, joita käytettiin polyvinyylialkoholifilmien lisäaineena. Työssä valmistettiin viisi kalvoa, joihin lisättiin erisuuruiset määrät selluloosananokiteitä. Kuudes valmistettu kalvo toimi vertailukohteena, ja tähän ei lisätty selluloosananokiteitä. Valmistetuista kalvoista mitattiin kalvojen vetolujuudet ja läpinäkyvyydet eli transmittanssit. Valmistetuista kalvoista mitattiin vetolujuudet käyttäen kuitu- ja partikkelitekniikan laboratorion vetolujuuslaitteistoa. Läpinäkyvyys- eli transmittanssimittaukset mitattiin UV-Vis-spektrometrillä. Kalvomittausten lisäksi suoritettiin transmittanssi- ja absorptiomittauksia nanoselluloosaliuosnäytteistä, joiden avulla pystyttiin vahvistamaan kalvomittauksien tuloksia. Mittaustuloksista havaittiin, että selluloosananokiteiden lisääminen kalvojen lisäaineeksi parantaa kalvojen mekaanisia ja optisia ominaisuuksia. Vetolujuusmittauksia tehdessä näytepalojen venymä kuitenkin vaihteli melko paljon jokaisen kalvon kohdalla, vaikka vetolujuuksien suuruuksissa ei tapahtunut merkittävää hajontaa. Tämä voi johtua mm. kalvojen valmistuksessa johtuneista virheistä. Näytepalojen rakenteeseen saattoi vaikuttaa heikentävästi se, että vakuumin avulla ei saatu aivan pienimpiä ilmakuplia poistettua tai koska alustalle valetut kalvot säilytettiin laboratoriokaapeissa, missä on mahdollista että kalvoihin pääsi pieniä määriä pölyä tms. Tulokset olivat kuitenkin pääasiassa onnistuneet, kun niitä vertaillaan aikaisempiin tutkimuksiin. Selluloosananokiteiden käyttö esimerkiksi pakkausmateriaalien lisäaineena on tällä hetkellä suuren kiinnostuksen kohteena tutkijoiden keskuudessa, sillä niiden ympäristöystävällisemmät ja luonnolliset ominaisuudet ovat vahva haastaja raskaampien ja haitallisempien metallinanopartikkeleiden käytön korvaajaksi kalvomateriaalien lisäaineena. Tässä työssä käytettiin kuitenkin vain yhtä kalvomateriaalia, johon selluloosananokiteitä lisättiin, joten tuloksia ei voida yleistää niin, että selluloosananokiteiden lisääminen parantaisi kaikkien kalvomateriaalien ominaisuuksia.

Tässä työssä tarkastellaan usean vesivoimalaitoksen ketjun optimoitua säätöä. Tavoitteena on saada kuvaus usean vesivoimalaitoksen systeemin optimoinnista annettujen reunaehtojen vallitessa. Työn lopputulos on erittäin riippuvainen siitä, että minkälaisia reunaehtoja mallinnuksessa on otettu huomioon ja valitsin käyttämäni lähdekirjallisuuden sen mukaan, että tilanne olisi yleistettävissä suomalaisiin vesivoimalaitossysteemeihin. Ongelmana on seurata että mitkä tekijät vaikuttavat oleellisimmin vesivoimalaitossysteemin tuottamaan kokonaistuotantoon. Lisäksi esitän perinteisen vesivoiman toimintaperiaatteet ja veratilen sen käytettävyyttä eri taloudellisin ja ympäristöllisin mittarein ja tutkin vesivoiman tulevaisuudennäkymiä Suomessa. Lähdekirjallisuutena olen käyttänyt Pentti Lautalan ja Jussi Oravan tekemää tutkimusta 1970-luvulta Oulujoen vesivoimalaitosten säädöstä ja optimoinnista. Lisäksi olen käyttänyt alan yritysten internet-sivuilta saatua informaatiota. Kuten jo edellä mainitsin mallinus on erittäin riippuvainen siitä mitä reunaehtoja mallissa haluaa korostaa. Lautalan ja Oravan tukimuksessa etenkin vedenpinnan korkeudella ja veden putoamiskorkeudella on suuri merkitys optimoinnissa. Sen sijaan esimerkiksi virtausnopeuksia ei niinkään olla otettu huomioon. Vesivoimalaitossysteemin tärkein optimointiin vaikuttava tekijä on optimointiin käytettävän marginaalihinnan laskeminen tarpeeksi lähelle oikeaa marginaalihintaa. Tämä toteuttaa koko systeemin optimin ja sen avulla lasketaan tuotantoaikataulu koko ketjulle. Taloudellisesti mitattuna vesivoima on edullisin ja tehokkain säätövoiman muoto, joka perustuu sen nopeaan käyttövalmiuteen. Vesivoiman tulevaisuudennäkymät Suomessa ovat hyvät, vaikkakin sille on asetettu lainsäädännöllisiä haasteita. Sen käyttö tuskin vähenee tulevaisuudessa, mutta uuden ydinvoiman rakentaminen Suomeen vaikuttaa varmasti myös vesivoiman käyttöön.

Kasvihuonepäästöjen rajoittaminen on yksi tämän hetken suurista haasteista. Suomi on EU:n jäsenmaana sitoutunut vähentämään kasvihuonepäästöjä 20 % vuoteen 2020 mennessä. Tästä osuudesta on tavoitteena saada talteen 10 % hiilen talteenotto- ja varastointimenetelmien (CCS) avulla. Diplomityön tarkoituksena oli tutkia, mitä teknisiä ratkaisuja on olemassa hiilidioksidin talteenotolle monipolttoaine-CHP-voimalaitoksen savukaasuista. Teoriaosiossa käytiin ensin läpi yleisellä tasolla CO₂:n talteenottoa ennen ja jälkeen polttoprosessin sekä happipolton avulla. Tämän jälkeen tarkasteltiin tarkemmin, mitä erilaisia teknisiä ratkaisuja on CO₂:n talteenotolle erityisesti polttoprosessin jälkeen. Työssä selvitettiin myös, mitä muuttujia CO₂:n talteenottoprosessissa täytyy huomioida. Työn teoriaosan perusteella savukaasujen CO₂:n talteenottomenetelmäksi valittiin kemiallinen absorptio, joka on lähimpänä voimalaitosmittakaavan kaupallista ratkaisua. Liuottimeksi valittiin monoetanoliamiini (MEA), josta on paljon laboratorio- ja simulointitietoa. Kemiallista absorptioprosessia simuloitiin Aspen Plus®-ohjelmalla, jotta voitiin selvittää CO₂:n talteenottoprosessin energiankulutus alle 90 %:isella CO₂:n erotusasteella. CO₂:n talteenottoprosessin toimivuutta tutkittiin case-simuloinneissa Oulun Energian Toppilan voimalaitoksen monipolttoaine-CHP-polttokattilassa. Aspen Plus-simulointien tuloksia käytettiin FORTUM Solvo®-ohjelman lähtötietoina simuloitaessa CO₂:n talteenottoprosessin vaikutuksia voimalaitokseen. Simuloinnin päätavoitteena oli selvittää talteenotetun CO₂-tonnin nettosähkö- ja nettolämmönkulutus vertaamalla voimalaitoksen sähkön- ja lämmöntuotantoa CCS:n kanssa ja ilman. Aspen Plus®-simuloinneissa mallinnettiin haihduttimesta tulevan liuottimen (CO₂-köyhän) moolisuhteen vaikutuksia välillä 0,1–0,34 mol CO₂/mol MEA. Tällä välillä optimimoolisuhteeksi CO₂-köyhälle MEA-liuottimelle saatiin 0,34 mol CO₂/mol MEA. Tätä suurempien CO₂-moolisuhdearvojen vaikutuksia on syytä vielä tutkia ja pyrkiä löytämään prosessille tarkka optimipiste. FORTUM Solvo®-simulointien tuloksena talteenotetun CO₂-tonnin nettosähkön- ja nettolämmönkulutuksille ei saatu yhteistä yksiselitteistä optimipistettä voimalaitoksen polttoainetehon ja savukaasujen CO₂:n erotusasteen välille tutkituilla moolisuhteilla. Nettosähkönkulutus oli pienintä vastapainesähköntuotannossa (0,13–0,23 MWh/talteenotettu CO₂ tonni), mutta samalla nettolämmönkulutus oli suurinta (0,55–0,65 MWh/talteenotettu CO₂-tonni). Nettosähkönkulutus kasvoi suurimaksi siirryttäessä lauhdesähköntuotantoon (0,20–0,34 MWh/talteenotettu CO₂-tonni) ja samalla nettolämmönkulutus muuttui nettolämmön tuotoksi (−0,25 MWh/talteenotettu CO₂-tonni). Saatu lämpöenergia on kuitenkin matalalämpöarvoista, ja lähtevän kaukolämpöveden laatua joudutaan nostamaan voimalaitoksen höyryn avulla. Yleisenä johtopäätöksenä talteenotetun CO₂-tonnin nettosähkönkulutus saatiin minimiotua, kun erotusaste nostettiin mahdollisimman korkeaksi. Vastaavasti nettolämmönkulutus saatiin minimoitua, kun erotusaste laskettiin mahdollisimman matalaksi. Tulos oli riippumaton voimalaitoksen polttoainetehosta. / Reducing greenhouse gases is one of the most important and difficult problems when preventing climate change. Finland is as one of the EU countries committed to reduce greenhouse gas emissions by 20% by the year 2020. Ten percent of this reduction is meant to be achieved by Carbon Capture and Sequestration (CCS) methods. In this Master thesis the objective was to study what technical possibilities there are to capture CO₂ from a multifuel CHP power plant. In the theory part post combustion capture, pre-combustion capture and oxy-fuel combustion are studied in a general level. The main priority in this thesis is in post combustion CO₂ capture and studying different process types for CO₂ capture after combustion. Parameters that need to be known in post combustion capture are also investigated. Based on the theory section the chemical absorption method was selected to be simulated for carbon dioxide capture. This method is at the moment the most studied and closest to a commercial process to be used in a full scale power plant. MEA-solvent was chosen as the absorption liquid because of most extensive public laboratory and simulation data. The chemical absorption process was simulated using the Aspen Plus® program to find out what is the heat consumption when carbon capture percentage is below 90%. The CO₂ capture process was simulated in a multifuel CHP power plant located in Oulu, Finland. The obtained results were used in the FORTUM SOLVO power plant simulation program. The main task was to calculate the net electricity and heat consumption in a power plant with and without a carbon capture process. In Aspen Plus® simulations the effects of CO₂-lean solvent’s molar ratio between 0.1–0.34 mol CO₂/mol MEA was studied. CO₂ concentration was set in this region because of the used literature references. In the simulations the best molar ratio was found out to be 0.34 mol CO₂/ mol MEA. With this the MEA emission from the chemical absorption process was minimized. However, higher CO₂-concentrations in lean solvent need to be studied further so that the optimal concentration can be found. According to FORTUM Solvo® simulations there was no single optimal point were both net electricity and heat consumption for captured CO₂ ton were minimized when CHP power plant’s fuel power and flue gas CO₂ capture percent were used as the parameters. The net electricity consumption was the lowest in the back pressure electricity production (0.13–0.23 MWh/captured CO₂ ton). The net heat consumption was the biggest in back pressure production (0.55–0.65 MWh/captured CO₂ ton). The biggest net electricity consumption was 0.20–0.34 MWh/captured CO₂ ton in the condensing electricity production. At the same time the net heat consumption became net heat production (−0.25 MWh/captured CO₂ ton). Problem with heat transferred from the CO₂ capture process is that it is low quality heat. Extra power is needed to improve the quality of the district heat water. As a general result the net electricity consumption of captured CO₂ ton was minimized when CO₂ capture percent was raised as high as possible. At the same time the net heat consumption of captured CO₂ ton was minimized when CO₂ capture percent was the lowest in the simulations. The result was the same regardless of the power plant’s fuel power.

Tässä diplomityössä tutkittiin Outokumpu Tornio Worksin valokaariuuni 2:lla tapahtuvaa spontaania CO/CO₂-kaasunmuodostusta, joka aiheuttaa ongelmia uunin kaadossa. Työn päätavoitteena oli löytää kaadon yhteydessä ajoittain tapahtuvan voimakkaan kaasunmuodostuksen juurisyy. Kaasunmuodostuksen suurin ongelma on kuonan hallitsematon kuohuminen senkan reunojen yli. Ylikuohuminen johtaa usein tuotannon katkokseen, koska senkkaa kuljettavan vaunun liikennöinti estyy kiskoille valuneen metallisulan ja kuonan vuoksi. Lisäksi kaadon aikana tapahtuva kuohunta pidentää uunin kaatoaikoja jatkuvasti useilla minuuteilla. Kaasunmuodostuksen oli havaittu riippuvan käytetystä kierrätysteräksestä, joten työssä selvitettiin kierrätysteräksen laadun yhteyttä sulatuksen ja uunin kaadon aikana tapahtuvaan voimakkaaseen kaasunmuodostukseen. Työssä tehtyjen tarkastelujen ja kokeiden perusteella kaadonaikaiseen kuohumiseen vaikuttaa eniten kierrätysteräksen seassa olevan hienoaineksen määrä, metallisulaan liuennut hiili, metallisulan ja kuonan lämpötilat sekä kuonan kyky pidättää kaasukuplia. Huonolaatuisissa kierrätysteräksissä on tyypillisesti runsaasti rautaoksidia sisältäviä hienoaineksia, jotka kykenevät muodostamaan hiilimonoksidia reagoidessaan metallisulaan liuenneen hiilen kanssa. Hienoainekset voivat säilyä uunin pohjalla reagoimatta sulatuksen loppuun asti. Metallisulaan liuenneen hiilen määrä vaikuttaa hiilen aktiivisuuteen metallisulassa ja siten kaasunmuodostusreaktioiden tasapainoon ja kaasunmuodostusnopeuteen. Sulatuksen päättäminen keskimääräistä korkeampiin lämpötiloihin tarkoittaa usein, että kaasunmuodostusreaktiot ovat ehtineet tapahtua jo uunissa ja kuohumisen ajava voima on poistunut ennen kaatoa. Lämpötilan kasvattaminen myös fluksaa kuonaa, jolloin se ei kykene pidättämään muodostuvia kaasukuplia yhtä hyvin. / This Master’s thesis is an insight into spontaneous formation of CO/CO₂ gas during electric arc furnace (EAF2) tapping in Outokumpu Tornio Works. Aim of this thesis was to find the principal cause for gas formation which is happening sporadically during tapping. Major hindrance caused by sudden gas formation is uncontrollable slag foaming in ladle. Overflowed slag and melt steel causes periodically breaks to steel production due to hindered movement of ladle transporting car. Additionally gas formation constantly prolongs tapping of furnace by several minutes. It has been determined that gas formation depends on the quality of used scrap. Based on examinations and research done in this study the major aspects affecting the spontaneous gas formation are fine material amount in used scrap, carbon content and temperature of steel melt, temperature and ability of slag to detain small gas bubbles. Low quality scraps typically contain great amount of iron oxide in form of fine powder. Iron oxide in batch will react with carbon dissolved in melt steel and form carbon monoxide and/or carbon dioxide as a result. It is believed that fine powdery material in bottom of the furnace can remain inert during melting. Activity of carbon in steel melt and therefore equilibrium and rate of gas forming reactions are influenced by carbon content of steel melt. Ending melting in higher melt temperatures usually tend to trigger spontaneous gas formation reactions while melt is still in furnace and the driving force of gas generating reactions are diminished before tapping. Temperature raise also fluxes slag so that its ability to sustain gas bubbles is lowered.