Väitös

Väitös: Lasereilla selvyyttä korkealämpötilakemian salaisuuksiin – avuksi uusiutuvassa energiantuotannossa

Jan Viljanen
Uusiutuvien biomassapolttoaineiden, kuten erilaisten jätteiden tehokas hyödyntäminen energian tuotannossa vaatii uudenlaista tietoa ja edistyneitä tekniikoita. Jan Viljasen kehittämät, laseriin perustuvat menetelmät mahdollistavat korkeissa lämpötiloissa tapahtuvien reaktioiden mittaamisen reaaliajassa haastavissakin olosuhteissa.

Huoli ympäristön ja ilmaston tulevaisuudesta aiheuttaa merkittäviä muutoksia energiantuotannon menetelmiin ja rakenteisiin, sillä energiateollisuus on nykyisellään merkittävä kasvihuonekaasujen lähde. Jotta päästöjä saadaan vähennettyä, on termisen energiatuotannon eli polttolaitosten siirryttävä fossiilisista polttoaineista uusiutuviin biomassapolttoaineisiin, kuten teollisuuden, maatalouden ja kotitalouksien jätteisiin. Haastavat polttoaineet vaativat uudenlaista tuntemusta polttoprosessin aikana tapahtuvista kemiallisista reaktioista. Tarvitaan myös uusia tekniikoita prosessin jatkuvaan havainnointiin.

Jan Viljanen kehitti väitöstyössään lasermenetelmiä, jotka avaavat uusia mahdollisuuksia kemiallisen reaktiokinetiikan ja alkuainepitoisuuksien tutkimiseen erityisesti biomassan polton aikana vapautuvissa palokaasuissa. Laserit tekevät nopeiden kemiallisten reaktioiden ja reaktio-olosuhteiden havainnoinnin mahdolliseksi vaativissakin olosuhteissa.

– Fotonit ovat ihan mahtavia! Ne mittaavat asioita valon nopeudella, eivätkä paljon hätkähdä vaikka ne lähettäisi tuhatasteiseen polttoreaktoriin, Yhdysvalloista mittausmatkalta parahiksi väitökseen palaava Jan Viljanen kertoo.

Reaktio-olosuhteiden jatkuva havainnointi ja kemiallisten reaktioiden tuntemus auttaa polttolaitosten toimittajia ja operaattoreita tehostamaan biomassareaktoreiden toimintaa ja siten edistämään kestävää energiantuotantoa. Viljanen määritti tutkimuksessaan biomassasta polton aikana vapautuvan kaliumin reaktiokinetiikkaa palokaasussa. Kalium on merkittävä ongelma polttokattiloissa, sillä se aiheuttaa muun muassa nopeaa korroosiota teräspinnoilla.

– Toisaalta tuntemalla hyvin alkuaineen reaktiokinetiikan voi päätellä sen käyttäytymisestä reaktioympäristön ominaisuuksia, kuten lämpötilan ja kaliumin kanssa reagoivien aineiden pitoisuudet, Viljanen sanoo.

Herkkyyttä alkuaineiden reaaliaikaiseen mittaukseen

Reaaliaikainen tieto yksittäisistä polttoainehiukkasista vapautuvista alkuaineista on tärkeä parametri polttoprosessin simuloinnin ja optimoinnin kannalta. Alun perin Jan Viljanen kehitti yhteistyössä australialaisen University of Adelaiden kanssa uuden mikroaaltoavusteisen laser-indusoidun hajotusspektroskopia (MW-LIBS) -menetelmän mineraalien tutkimiseen, mutta huomasi pian sen soveltuvuuden myös polttosovelluksiin.

– Mikroaaltoavustus paransi hajotusspektroskopiatekniikan herkkyyttä jopa satakertaiseksi. Se myös paransi tekniikan sopivuutta korkeiden alkuainepitoisuuksien mittaamiseen. Tällaiset pitoisuusvaihtelut ovat tyypillisiä polttoainehiukkasen polton aikana, joten päätimme kokeilla tekniikkaa palotapahtuman reaaliaikaiseen havainnointiin, Viljanen kertoo.

Laser-indusoidun plasman emissioon perustuvaa mikroaaltoavusteista hajotusspektroskopiaa on kehittämisen jälkeen jo sovellettu erilaisten kiinteiden, nestemäisten ja kaasunäytteiden alkuainepitoisuuksien mittaamiseen ja tekniikalla onkin valtavasti erilaisia sovellusmahdollisuuksia.

Diplomi-insinööri Jan Viljasen fotoniikan alaan kuuluva väitöskirja Online Laser Diagnostics for High-Temperature Chemistry in Biomass Combustion tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 29.3.2019 kello 12 alkaen Sähkötalon salissa S3 (Korkeakoulunkatu 3, Tampere). Vastaväittäjänä toimii TkT Zhongshan Li (Lund University, Ruotsi) ja tilaisuutta valvoo professori Juha Toivonen Tampereen yliopiston fysiikan yksiköstä.

Jan Viljanen on kotoisin Lahdesta ja työskentelee Tampereen yliopistossa fysiikan yksikön Sovelletun optiikan ryhmässä.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1022-6