Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

The objective of this paper is to draw a map of the measurement problems and new problem-solving measurement techniques in kraft pulping. The emphasis is on online measurement techniques. This paper consists of three parts. The first part – the literature review – introduces the basic measurements and control requirements in a kraft pulp mill of the moment. The whole chemical pulping process is covered including the fiberline from wood handling to bleaching and chemical recovery process: evaporation, recovery boiler, causticizing and lime kiln. The second part is a roadmap about the measurement problems and potential measurement techniques. To review the measurement problems, three Finnish pulp mills are visited and pulping equipment and measurement technique specialists are interviewed. In general, there is demand for better understanding of the process chemistry and thus concentration measurement problems are chosen to be further studied. In the last part, potential measurement techniques for the concentration measurement problems are introduced. The selected techniques are near infrared spectroscopy (NIR), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), online capillary electrophoresis (CE), and laser-induced plasma emission spectroscopy (LIPS). All the techniques can be used as online-coupled process development tools. The development work is estimated for online equipment coupled to control. The development work needed varies from zero man-years for FTIR to five man-years for CE; the contribution varies according to the phase of development of the technique and the technique readiness for a selected measurement problem. The last part also includes the analysis of the technical and economic profitability of a single measurement problem – wash loss measurement. The lignin concentration may be measured instead of sodium wash loss or COD wash loss to better characterize the real wash loss. UV absorbance method is suggested as a possible measurement method. The CE equipment may also be used in the measurement at least for process development purposes. The economic analysis is based on many simplifications and thus the results cannot be directly used for investment decision making. A better measurement and control system may stabilize the operation of the washing system. Investment in a measurement and control method is profitable if the true operating point differs from the costs optimum or if the operation fluctuates about a certain point. Payback time of under 0.5 years is achieved for fluctuating operation with an investment of 50,000 €, if the COD wash loss range is 5.2 – 11.6 kg/odt 8.4 kg/odt being the setpoint. This corresponds to 1.7 – 3.6 m3/odt as dilution factor 2.5 m3/odt being the setpoint.