Tulostettava versio

TEKin ja TFiFin väitöskirjapalkinnon voittaja Ari Saario alentaa paperitehtaan lämpökattilan typpipäästöjä roimasti raa’an laskentatehon avulla. Virtauslaskennan ja älykkäiden optimointimenetelmien yhdistelmällä saadaan kaikki irti uusista biopolttoaineista. 

Leijupetikattilat ovat kuulu suomalainen vientituote, mutta uudet biopolttoaineet tuottavat harmaita hiuksia suunnittelijoille. Uusien ratkaisujen testaaminen on kallista, ja kokeellisen tiedon hankkiminen yli 1000-asteisesta liekkimerestä on haastava tehtävä. Avuksi on otettu tietotekniikka. 

- Virtauslaskennan avulla voidaan ymmärtää, mitä kattilassa tapahtuu, Ari Saario kertoo.

Nykyisin kattilasuunnittelijat käyttävät virtauslaskentaa ja supertietokoneita muutaman erilaisen kattilavaihtoehdon vertailuun. Ari Saario halusi saada työlään matemaattisen mallin tehokkaampaan käyttöön.

Hän esitteli väitöskirjatyössään suunnittelumenetelmän, joka ei vain tyydy vertailemaan muutaman, suunnittelijan intuitiivisesti tuottaman vaihtoehdon paremmuutta. Geneettinen optimointialgoritmi käy systemaattisesti läpi kattilan suunnitteluparametreja edeten kohti vähäpäästöisempiä kattilasukupolvia. Väitöstyön edetessä tietokoneiden laskentatehokin on noussut sille tasolle, että menetelmä voi ensi vuosikymmenellä olla suunnittelijoiden arkipäivää.

- Tulemme ilman muuta hyödyntämään menetelmää suurten polttimien suunnittelussa, kertoo Saario, joka tätä nykyä vastaa Oilonin tuotekehityksestä. 

2008 väitellyt tekniikan tohtori on sopiva keulakuva Oilon-yhtiöiden 20-henkiselle tuotekehittäjien joukolle. Yritys sijoittaa tuotekehitykseen yli 5 prosenttia liikevaihdosta, ja toimittaa polttimia muun muassa Metson, Foster Wheelerin ja Andritzin rakentamiin kattiloihin.

Päästöt minimiin

Saarion seitsemän vuotta kestäneen väitöstyön testialustana oli Metso Powerin hollantilaiselle paperitehtaalle toimittama lämpökattila. Sanomalehtien uusiokäytössä syntyvää lietettä ja yhdyskuntajätettä polttava kattila tuottaa energiaa tehtaalle – ja on suunnittelijan painajainen. Leijukerrospetitekniikka on paras ratkaisu huonolaatuisten polttoaineiden polttoon, mutta uudet polttoaineet vaativat enemmän suunnittelutyötä kuin tasalaatuisilla fossiilisilla polttoaineilla käyvät kattilat. Saarion väitöstyössä minimoitiin kattilan päästöjä. 

– Typen oksideja poistetaan ammoniakkiruiskutuksella. Monitavoiteoptimointimenetelmälläni haettiin kattilasta ne kohdat, joihin ammoniakkisuuttimet kannattaa sijoittaa, Saario kertoo.

Kyseessä on pieni osaongelma koko kattilan suunnittelussa. Optimointitehtävässä on vain yhdeksän suunnittelumuuttujaa (ammoniakin määrä eri ruiskuista) ja kaksi keskenään ristiriitaista tavoitetta (minimoi sekä typen oksidit että ammoniakkipäästöt). Siitä huolimatta TTY:n tietokoneet hakivat optimointitehtävään pareto-optimaalisia ratkaisuja yhteensä useiden kuukausien ajan.  Mutta se kannatti.

- Typpioksidipäästöt putoavat puoleen ammoniakkiruiskutuksella. Ilman käyttämiäni mallinnusmenetelmiä päästövähennys olisi ehkä 20 prosenttia pienempi, Saario arvioi.

- Menetelmää voi periaatteessa käyttää kaikkeen kattilasuunnitteluun. 

Kattilan ostajan toivelista on pitkä: hyötysuhde ylös ja kattilan päästöt, likaantuminen, korroosio, koko sekä kustannukset alas.  Tavoitteisiin voi päästä lukuisin eri keinoin. 

- Kattilan geometria, polttoaineen syöttö, ilmanjako kattilaan, polttoaineen partikkelikoko ja laatu…, Saario listaa suunnittelumuuttujia.

Saarion puheissa kattilasuunnittelijan tulevaisuus kuulostaa ruusuiselta. Kattilan virtauslaskentamallin avulla kattila voidaan suunnitella virtuaalisesti, eikä suunnittelijan huono päivä pilaa lopputulosta. 

- Kun virtauslaskenta- ja optimointimallit ovat valmiina, ei tarvitse kuin painaa nappia, ja järjestelmä tuottaa parhaan kattilaratkaisun kyseiseen tilanteeseen, Saario kertoo.

Tähän on kuitenkin vielä matkaa. Laskentateho ei enää ole suuri pullonkaula, mutta tietotekniikka ei pane suunnittelijaa tulevaisuudessakaan viralta.

- Virtauslaskentamallin tekeminen ja sen validointi on erittäin työlästä, Saario kertoo.

Tietotekniikka on kuitenkin tulossa suunnitteluun. Tiukentuvat ympäristömääräykset ja energian hinnan nousu pakottavat insinöörit höyläämään viimeiset prosentit päästöistä ja lisäämään ne hyötysuhteeseen. 

Ari Saarion tie tohtoriksi

1973 Ari Saario syntyi

1992 Opiskelemaan TTY:lle. ”Isä on insinööri. Alan opinnot tuntuivat helpoilta ja mielenkiintoisilta.”

1998-1999 Genovassa Italiassa, aluksi yliopistovaihdossa, sitten suunnittelijana polttokennoyrityksessä.

2000 Opiskeli vuoden filosofiaa yliopistolla ”Mietin onko tekniikka minun alani. Kyllä se lopulta näytti olevan.”

2001 Diplomityö Metso Powerille kattiloiden virtauslaskentamallinnuksesta valmistui. 

2003 Lissabonissa IST-yliopistossa jatko-opiskelijana 

2008 Väitöskirja valmistui. ”Aikaa meni, mutta halusin tehdä sen kunnolla.” 

2008 Oilonin tuotekehityksen vetäjäksi. ”Oli oikea aika lähteä tutkijan hommista. Vuoden aikana on oppinut aivan hirvittävästi uutta, kun on päässyt soveltamaan tutkijana oppimaansa käytäntöön.”