Kartonkikoneen tuotannonsuunnittelu jalostuslähtöisesti

Työn tarkoituksena oli selvittää monipope-menetelmän taustaa, menetelmän karkea tekninen toteutus, sovellettavuus kartonkikone KA1:n tuotantoon ja menetelmän mukanaan tuomat edut ja haitat, sekä ratkaisumallit mahdollisten tuotannollisten häiriötilanteiden ratkaisemista varten. Työssä selvitettiin myös tuotannon, tuotannon-suunnittelun, varastoinnin, asiakaspalvelun ja tuottavuuden tehostamista monipope-menetelmän avulla, sekä tuotannonsuunnittelun jalostuslähtöisyyden korostamista. Työn kirjallisuusosassa käsitellään lyhyesti toiminnanohjauksen, tuotannonsuunnittelun ja materiaalinhallinnan perusteiden lisäksi tuotannon-suunnittelussa hyödynnettävän tietojärjestelmän toimintaa ja kartonkitehtaan tuotantoprosessi kartonkikoneiden ja muovipäällystyskoneiden osalta. Kokeellisessa osassa perehdyttiin tuotannon ja tuotannonsuunnittelun tämän hetkiseen tilaan, selvitettiin monipope-menetelmän idea ja sen karkea tekninen toteutus ja tutkittiin monipopemenetelmän sovellettavuutta pohjautuen toteutuneeseen tuotantoon ja nykyisiin tuotannon rajoitteisiin. Välivarastointikapasiteetin rajoittaminen johti päällystyskapasiteetin uudelleen organisoimisen ja nykyisen kapasiteetin riittävyyden selvittämiseen koetrimmitysten avulla. Lisäksi selvitettiin uuden menetelmän avulla saavutettavaa tuotannon nousua erityisesti jatkojalostuksen osalta. Monipope-menetelmän sovellettavuustutkimuksissa havaittiin uuden menetelmän tuovan mukanaan lukuisia etuja ja säästöjä muun muassa materiaalikulujen alentumisen ja vähentyneiden työvaiheiden kautta. Kartonkikone KA1:n tuotteiden jatkojalostuksen tuotannon nousuksi määritettiin noin 2 %:ia ja tämän lisäksi uusi menetelmä yksinkertaistaisi ja helpottaisi koko kartonkitehtaan rullaliikennettä ja varastojen hallintaa. Menetelmä toisi uusia toimintamalleja KA1:n tuotannon häiriötilanteiden varalle, lisäisi tuotannonsuunnittelun joustavuutta ja helpottaisi myös asiakaspalvelun ja laaduntarkkailun kehittämistä. Tutkimuksen tuloksena voidaan todeta, että monipope-menetelmän tuomat edut ovat kiistattomat. Menetelmän soveltamisen mahdollisuuksia tulisikin miettiä jatkossa investointeja suunnitellessa, jotta menetelmän toteuttaminen kohtuullisin investointikustannuksin nykyisten tuotantoedellytysten lisäksi olisi mahdollista.

Jauhatuspiirin ilmakierron optimointi

Luokittuminen erilaisine mekanismeineen aiheuttaa yleisesti ongelmia, kun on kysymyksessä kiintoaineen väliaikainenkin varastointi siilossa. Sitä voidaan vähentää kiintoaineiden, prosessin ja laitesuunnittelun muutoksilla. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuuksia vähentää ilmeniitin luokittumista sen jauhatuspiirin ilmakiertoa optimoimalla. Suljetun kuivajauhatuspiirin keskeisimmäksi laitteeksi voitaisiin ajatella siinä oleva luokitin, joka voi olla esim. sykloni. Tässä piirissä tapahtuva kiintoaineen liikkuminen voidaan saada aikaiseksi esim. pneumaattisella kuljetuksella. Ilmeniitin jauhatus tapahtuu suljetussa kuivajauhatuspiirissä, jonka ajavana voimana on siinä oleva ilmakierto. Piirin oleellisia laitteita ovat kuulamylly, luokitin, erotussykloni ja pölykaappi sekä kiertoilma- ja poistoilmapuhaltimet. Ilmakierron optimointia varten suoritettiin kahden vastaavan jauhatuspiirin ainetasemääritykset. Lisäksi määritettiin yhden isomman piirin perustila. Jauhatuspiirien ainetasemäärityksissä määritettiin niiden massa- ja ilmavirrat sekä kiertokuorma ja luokittimen erotusterävyys, kuten myös ilmeniitin hiukkaskokojakaumat. Perustilamittauksissa määritettiin ainoastaan piirin ilmavirrat ja ilmeniitin hiukkaskokojakaumat. Optimointimittauksissa pienennettiin pikkumyllypiirin ilmamäärät vastaamaan kutakuinkin vastaavan toisen piirin määriä. Tällä yritettiin selvittää näiden toisiaan vastaavien piirien ilmamäärien ja varsinkin kiertokuormien eroavuutta. Tämä ilmamäärien pienentäminen ei tuottanut mainittavampaa muutosta piirin ainetaseisiin, joten voitaneen todeta, että piirin ilmamääriä pienentämällä saadaan aikaiseksi säästöjä, lähinnä kiertoilmapuhaltimen tehon alennuksen kautta.

Operatiivisten järjestelmien integrointi toimintojen ohjaukseen vaneritehtaassa

Työn tavoite oli löytää malli, joka mahdollistaisi kaikkien tilaus- toimitusprosessin operatiivisten järjestelmien integroimisen keskenään siten, että niitä voidaan hyödyntää valmistuksen ohjaukseen. Vaneritehtaissa ei ole keskitettyä tietojärjestelmää, joten tavoiteasetanta edellytti vaneritehtaan tietoverkon rakentamiseen liittyvän ongelmakentän periaatteellista ratkaisua.Koska tilaus- toimitusprosessi, tuotantoa lukuunottamatta, oli kohdeyrityksessä katettu tietojärjestelmillä, loivat nämä jo olemassa olevat järjestelmät reunaehdot ratkaisulle myös tuotannon tietoverkon kehittämisessä. Työssä etsittiin ja kiinnitettiin avaimet, joilla tuote- sekä henkilötieto saadaan identifioitua keskenään integroiduissa järjestelmissä niin, että informaatioketju ei katkea siirryttäessä järjestelmästä toiseen.Työssä ratkaistiin tietoverkon liityntä tuotantolaitteisiin valvomotuotteen avulla. Liittymisratkaisuja esiteltiin neljä. Nämä mallit kattavat suurimman osan vaneritehtaassa eteen tulevista tapauksista. Näiden lisäksi päädyttiin suosittamaan erään mekaanisen metsäteollisuuden laitetoimittajan luomaa tiedonkeruu- ja tuotannonsuunnitteluohjelmistoa, joka valmiina ratkaisuna edesauttaa tietoverkon nopeaa implementointia.

Kuumahierteen laadun ja energiankulutuksen optimointi

Kuumahierteen menestyksekäs kehitys on vähentänyt kemiallisten massojen käyttöä painopapereiden raaka-aineena. Hiertäminen kuluttaa kuitenkin huomattavasti enemmän energiaa muihin massanvalmistusmenetelmiin verrattuna. Tämän työn tavoitteena oli optimoida Stora Enson Varkauden tehtaiden uuden TMP-linjan massan laatua ja energiankäyttöä. Työ koostui jauhimien monimuuttujakoeajoista, Metso Paperin painekoeajosta sekä koko TMP-linjaa koskevista tarkistusajoista. Monimuuttujakoeajot suoritettiin 600 t vuorokausituotannolla 60 % kuorimohakesuhteella. Jauhatuksen kokonaisenergiankulutuksen rajaksi sovittiin vanhojen jauhinlinjojen perusteella 2,3 MWh/t. Massan laadun kriittisimmäksi tekijäksi osoittautui vetoindeksi, joten optimoinnin tavoitteeksi muodostui vetoindeksin kehittäminen annetun energiankulutuksen puitteissa. Kuumahierteen laadun kehittymisen kannalta merkittävin vaihe oli hakkeen kuituuntuminen. Kuituuntumisen tulee tapahtua riittävän korkeassa lämpötilassa ligniinin pehmenemisen ja kuitujen joustavuuden saavuttamiseksi sekä alhaisella intensiteetillä, jolloin kuituja ei katkota. Ensimmäisen vaiheen jauhatuksen EOK:n on oltava vähintään 1,00 MWh/t, jolloin toisen vaiheen jauhatus vaatii energiaa vähintään 0,70 MWh/t. Rejektijauhimen tuotantotason tulisi olla mahdollisimman suuri ja intensiiviseen jauhatukseen käytettävän ominaisenergian noin 1,00 MWh/t.

Viilun käsittelyn laadullinen saanto

Työn tavoitteena oli selvittää viilun käsittelyn laadullista saantoa vanerin valmistusprosessissa sekä laadulliseen saantoon vaikuttavia tekijöitä viilun käsittelyyn liittyviä työpisteitä tutkimalla. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin vanerin valmistusprosessia, viilun ominaisuuksia erityisesti laadun osalta, standardin mukaisia laatuluokkia, saantoon vaikuttavia tekijöitä sekä tuotannonohjauksen periaatteita viilun valmistuksessa. Kokeellinen osa perustui tuotannonraportointijärjestelmästä saataviin tietoihin sekä haastattelu- ja seurantatutkimuksiin eräällä vaneritehtaalla. Kokeellisessa osassa käytiin läpi viilun käsittelyyn liittyvät työvaiheet viilun leikkauksesta ja lajittelusta viilun liimoitukseen ja ladontaan saakka. Lisäksi tutkittiin käytössä olevan viilun lajittelujärjestelmän tuloksen oikeellisuutta viilun laadutuksessa, saumauksen onnistumista, viilun paikkauksen laadullista onnistumista sekä ladonnan onnistumista viilun käsittelyn nykytilan selvittämiseksi. Tutkimuksen tulosten perusteella pohdittiin lajittelussa tapahtuvaa laadullisen saannon tulosta kohdeyrityksessä sekä esitettiin joukko kehitysehdotuksia, joilla viilutuotantoa voidaan selkeyttää ja parantaa tulevaisuudessa.

Paperikoneen laatusäätöjärjestelmän uusinnan vaikutukset laatusäätöjen suorituskykyyn

Tutkimuksen kohteena olleen UPM-Kymmene Oyj Kajaanin tehtaan PK3:n laatusäätöjärjestelmä ja mittapalkki uusittiin, jolloin haluttiin selvittää uusinnan vaikutuksia laatusäätöjen suorituskykyyn ja paperin laatuun. Työn kirjallisessa osassa perehdyttiin paperinvalmistusprosessin osiin kyseisen sanomalehtipaperikoneen tapauksessa sekä keskeisimpiin paperin laatuominaisuuksiin liittyviin mittaus- ja säätölaitteisiin sekä niiden toimintaan. Seurattaviksi paperin laatusuureiksi valittiin neliömassa, kuivamassa, kosteus ja paksuus, jotka ovat sanomalehtipaperin tärkeimpiä online-mitattavia ominaisuuksia. Paperin laatusuureiden seurantaan käytetään erilaisia tunnuslukuja ja työkaluja, joita on esitelty tässä työssä. Laatusuureiden konesuuntaisen ja poikkisuuntaisen seurannan tunnusluvuksi valittiin yleisesti käytössä oleva 2σ-keskiarvohajonta. Säätöjen suorituskykyä seurattiin suorituskykykolmion ohjausmatkaindeksien (CTI) ja erosuureen integraalien (IAE) avulla. Kokeellisessa osassa kerättiin mittaustietoja sekä vanhan että uuden laatusäätöjärjestelmän aikana. Seurattavat ajotilanteet paperikoneella jaettiin stabiiliin ajoon ja muutostilanteisiin, jotka käsittävät katkot ja lajinvaihtotilanteet. Stabiilin ajon aikana selvitettiin laatusuureiden hajontojen ja säätöjen suorituskykyindeksien normaaleissa tasoissa tapahtuneet muutokset. Muutostilanteiden osalta haluttiin selvittää, nopeuttaako järjestelmäuusinta katkoista toipumista ja lajinvaihtoaikaa. Stabiilin ajon seurannasta saatujen tulosten perusteella neliömassan ja kuivamassan konesuuntaiset hajonnat kasvoivat järjestelmäuusinnan myötä, mutta kosteuden konesuuntaiset hajonnat pienenivät. Laatusuureiden poikkisuuntaisista hajonnoista neliömassan sekä kuivamassan hajonnat kasvoivat ja kosteuden sekä paksuuden hajonnat pienenivät joidenkin lajien osalta. Poikkisuuntaisten laatusuureiden, etenkin paksuuden, toipuminen katkon jälkeen nopeutui. Myös lajinvaihtoon kuluva aika lyheni poikkisuuntaisilla laatusuureilla. Muutostilanteiden konesuuntaisten hajontojen asettumisajat eivät juuri parantuneet.

Sahatavaran kuivauksen kehittäminen

Diplomityö tehtiin UPM-Kymmene puuteollisuuteen kuuluvalle Heinolan sahalle, joka valmistaa korkealaatuisia erikois- ja perussahatavaroita kotimaan ja ulkomaiden markkinoille. Sahatavarat kuivataan sahan lämminilmakuivaamoissa sahatavaroiden käyttötarkoitusta vaatimaan tasoon. Asiakkaiden vaatimusten kasvaessa on sahatavaran onnistunut kuivaus noussut erittäin tärkeäksi osaksi hyvää sahatavaratuotantoa. Diplomityön tavoitteena oli kehittää sahan kuivaustoimintaa. Kuivaustoimintaa kehitettiin ohjaamalla tavaravirtoja sopiviin kuivaamoihin kuivattavan sahatavaran ehdoilla, sekä kehittämällä uusia optimoituja kuivauskaavoja kamarikuivaamoille. Tämän lisäksi työssä selvitettiin sahan nykyinen kuivauskapasiteetti ja arvioitiin sen riittävyys nykyisiin ja tulevaisuuden tuotantomääriin. Lopuksi pohdittiin, miten ja millä keinoilla kuivauskapasiteettia voitaisiin jatkossa kehittää nykyistä suuremmaksi ilman mittavia investointeja. Kuivauskaavoja kehittämällä, sekä materiaalivirtoja ohjaamalla oikeisiin kuivaamoihin, pystyttiin kuivauskapasiteettia lisäämään selvästi aikaisemmasta tasosta. Kuivauskapasiteetin suuruus todettiin riittäväksi nykyisiin sahausmääriin verrattuna, mutta suunniteltuihin suurempiin sahausmääriin verrattuna, kapasiteetti ei ollut riittävän suuri. Kuitenkin, kehittämällä kuivaustoimintaa edelleen, voidaan kuivauskapasiteettia kasvattaa selvästi aikaisemmin lasketusta tasosta. Kuivauskaavojen optimoinnin apuvälineenä käytettiin LAATUKAMARI-simulointiohjelmaa, jonka todettiin soveltuvan hyvin kuivauskokeissa käytettyihin kamarikuivaamoihin. Simulointi on helpoin ja suositeltavin tapa kehittää kuivauskaavoja, varsinkin uusilla ja hyväkuntoisilla kamarikuivaamoilla. Samalla vältetään työläiden ja hitaiden kuivauskokeiden tekeminen. Hyvin tärkeää on käyttää simuloinnissa todellisia lähtöarvoja, oikean lopputuloksen aikaansaamiseksi.

Wood Volume Measurement Using Color Images

Tämä työ käsittelee puutukkien tilavuuden mittaamista värikonenäön avulla. Värikuvat on saatu Simpeleellä olevan metsäteollisuusyrityksen hiomosta. Työssä esitetään perusteellisesti matemaattinen teoria, joka liittyy käytettyihin kuvankäsittelymenetelmiin, kuten luokitteluun, kohinan poistoon ja tukkien segmentointiin. Esitetyt menetelmät implementointiin käytännössä ja eri menetelmillä saatuja tuloksia vertailtiin keskenään. Kuvankäsittelyalgoritmit on implementoitu Matlab 6.0:n avulla. Pääasiassa käytettiin uusinta Image Processing Toolboxia, joka on versio 3.0. Tämä työn näkökulma on pääasiassa käytäntöön soveltava, koska metsäteollsuus on korkealla tasolla Suomessa ja siellä on paljon alan yrityksiä, joissa tässä työssä kehitettyä menetelmää voidaan hyödyntää.

Cost efficient extractive removal of birch pulp

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää kustannustehokkaita keinoja uuteaineiden vähentämiseksi koivusulfaattimassasta. Uuteaineet voivat aiheuttaa ongelmia muodostaessaan saostumia prosessilaitteisiin. Saostumat aiheuttavat tukkeumia ja mittaushäiriöitä, mutta irrotessaan ne myös huonontavat sellun laatua. Lopputuotteeseen joutuessaan ne voivat lisäksi aiheuttaa haju- ja makuhaittoja, joilla on erityistä merkitystä esimerkiksi valmistettaessa elintarvikekartonkeja. Tämä työ tehtiin Stora Enson sellutehtaalla, Enocell Oy:llä, Uimaharjussa. Teoriaosassa käsiteltiin uuteaineiden koostumusta ja niiden aiheuttamia ongelmia sellu– ja paperitehtaissa. Lisäksi koottiin aikaisempien tehdaskokeiden fysikaalisia ja kemiallisia keinoja vähentää koivu-uutetta. Tarkastelualueina olivat puunkäsittely, keitto, pesemö ja valkaisu. Kokeellisessa osassa suoritettiin esikokeita laboratorio- ja tehdasmittakaavassa, jotta saavutettaisiin käytännöllistä tietoa itse lopuksi tehtävää tehdasmittakaavan koetta varten. Laboratoriokokeissa tutkittiin mm. keiton kappaluvun, lisäaineiden ja hartsisaippuan vaikutusta koivu-uutteeseen. Lisäksi suoritettiin myös happo- (A) ja peretikkahappovaiheen (Paa) laboratoriokokeet. Tehdasmittakaavassa tarkasteltiin mm. keiton kappaluvun, pesemön lämpötilan, A-vaiheen, valkaisun peroksidi- ja Paa-vaiheen vaikutusta koivu-uutteeseen. Uutteenpoistotehokkuutta eri menetelmien välillä vertailtiin niin määrällisesti kuin rahallisesti. Uutteenpoistotehokkuudella mitattuna vertailuvaihe oli tehokkain pesemön loppuvaiheessa ja valkaisun alkuvaiheessa. Pesemön loppuvaiheessa uutteenpoistoreduktiot olivat noin 30 % ja valkaisun alkuvaiheessa 40 %. Peroksidivaihe oli tehokkain käytettynä valkaisun loppuvaiheessa noin 40 % reduktiolla. Kustannustehokkuudella mitattuna tehokkaimmaksi osoittautui A-vaihe yhdessä peroksidivaiheen kanssa. Säästöt vertailujaksoon verrattuna olivat noin 0.3 €/ADt. Lisäksi kyseinen yhdistelmä osoittautui hyväksi keinoksi säilyttää uutetaso alle maksimirajan kuitulinja 2:lla, kun kuitulinjalla 1 tuotettiin samanaikaisesti armeeraussellua.

Sellutehtaan hajukaasujen hallinnan kehittäminen

Diplomityössä on tarkasteltu sellutehtaan laimeiden ja väkevien hajukaasujen käsittely-järjestelmän toimivuutta ja riittävyyttä muuttuvassa tuotantotilanteessa. Käyttöhenkilökunnan nimeämiin järjestelmän ongelmiin on esitetty parannusehdotuksia. Työssä arvioidaan kyseiselle sellutehtaalle paras käyttökelpoinen tekniikka hajukaasujen polttotavaksi. Työssä on tutustuttu nykyaikaisiin erilaisiin hajukaasujen käsittelytapoihin ja esitetty niiden heikkouksia ja vahvuuksia. Työssä on tuotu esille hajukaasujen keräilyyn liittyviä turvallisuusnäkökohtia. Diplomityössä arvioitiin koivu- ja havusellua valmistavan sellutehtaan hajukaasujen käsittelyjärjestelmän toimivuutta haastattelemalla käyttöhenkilökuntaa ja seuraamalla järjestelmän poikkeusilmoituksia. Työssä on annettu muutosehdotuksia, jotta keräily saadaan aikaisempaa turvallisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Riittävyyttä on arvioitu vertaamalla hajukaasujen käsittelyjärjestelmän mitoitusarvoja toteutuneisiin arvoihin ja tuotannon nousun vaikutusta syntyvien hajukaasujen määriin on arvioitu karkeasti laitetoimittajan ohjeiden mukaan. Pääosin hajukaasujen keräily onnistuu hyvin ja on riittävä keräämään syntyvät hajukaasut. Tilanne on harkittava uudelleen, mikäli prosesseissa tehdään merkittäviä muutoksia, jotka vaikuttavat syntyvien hajukaasujen määriin tai niiden rikkipitoisuuteen.

BOD-päästön vähentäminen hienopaperitehtaalla

Diplomityön tavoitteena oli selvittää hienopaperitehtaan BOD-päästön vähentämismahdollisuudet. Tehtaalla tapahtuvien uudistusten vaikutus BOD-päästön määrään selvitettiin. Lisäksi selvitettiin uudistetun paperivalmistusprosessin BOD-päästön alkuperä ja syntyvien jätevesien tilavuusvirta. BOD:n kuormitusmäärän kehittymistä arvioitiin mallintamalla. Kirjallisuusosassa on käsitelty hienopaperin valmistusprosessin vaiheita sekä tarkasteltu paperitehtaan vedenkäyttöä ja vesikiertoja. Myös jätevesien COD- ja BOD-kuormituslähteet on selvitetty. Kokeellinen osa alkaa hienopaperitehtaan prosessikuvauksella. Paperitehtaan malli rakennettiin VTT:n Tekesin CACTUS-teknologiaohjelmassa kehittämällä Balas-simulointiohjelmalla. Kokeellisessa osassa on käyty läpi mallin rakennusvaiheet. Paperinvalmistusprosessissa toteutettavien uudistusvaiheiden vaikutus päästöihin mallinnettiin. Tuloksena voitiin todeta, että tehtaan tuotantosuunnan ja -määrien muutoksesta huolimatta BOD-päästö ei merkittävästi muutu. Sen sijaan ominaiskuormitus laskee. Ennen uudistuksia BOD-kuorma oli pääasiassa peräisin pintaliimatusta hylystä, kun taas uudistusten jälkeen suurin osa BOD-kuormasta tulee tuoremassojen mukana prosessiin.

Sterolin valmistus selluprosessin yhteydessä

Työssä tutkittiin UPM-Kymmene Oyj Kaukaan kemiallisella tehtaalla käytössä olevia steroliprosesseja. Steroleita erotetaan sulfaattiselluloosan keitossa syntyvasta suovasta uutetusta neutraaliainejakeesta. Neutraaliaine sisältää β-sitosterolia, α-sitosterolia ja kampesterolia yhteensä noin 20 p-%. Primal-laadun valmistus perustuu neste-nesteuuttoon sekä kiteytykseen ja Ultra-laadun kaksivaiheiseen suorakiteytykseen. Työn kirjallisessa osassa perehdytään sterolien kemiaan sekä neste-nesteuuttoon ja kiteytykseen erotus- ja puhdistusmenetelminä. Laboratoriokokeissa tutkittiin kolmen eri alkoholin ja kahden eri hiilivetyliuottimen soveltuvuutta Primal-sitosterolin uuttoon ja kiteytykseen. Lisaksi tutkittiin liuotinseoksen vesipitoisuuden vaikutusta. Tavoitteena oli löytää uuttoliuottimien koostumus, jolla uuton sterolisaanto ja sterolikiteiden puhtaus olisivat mahdollisimman korkeat. Havaittiin, että uuton sterolisaanto voitiin maksimoida pitämällä uuttoalkoholin vesipitoisuus niin alhaisena, että faasit juuri ja juuri erottuvat toisistaan. Laboratoriokokeissa saatujen tulosten perusteella tehtiin tehdasmittakaavan koeajo Primal-sitosterolin valmistuslaitteistolla UPM-Kymmene Oyj Kaukaan kemiallisella tehtaalla. Talloin uutossa saavutettiin noin 50 %:n sterolisaanto. Ultra-sitosterolin laboratoriomittakaavaisissa kiteytyskokeissa vertailtiin neljän eri alkoholin ja kahden muun orgaanisen liuottimen soveltuvuutta kiteytysliuoksen komponenteiksi. Lisaksi tutkittiin vesipitoisuuden liuotinseoksen vaikutusta. Tarkoituksena oli löytää se liuotinkoostumus, jolla sterolikiteiden saanto ja puhtaus olisivat mahdollisimman korkeat. Sopivalla kiteytysliuoksen koostumuksella saavutettiin melko hyvä sterolisaanto ja lähes 98 %:n puhtaus.

CO2-päästötaseenhallinta terästeollisuudessa

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää hiilidioksiditaseen hallintamenetelmää Rautaruukin toiminnoille päästökaupan olosuhteissa. Taseenhallintamenetelmä sisältää päästöjen laskennan sekä päästöoikeuksien hallintaan liittyviä asioita. EU:n laajuisen päästökaupan reunaehdot määrittelee päästökauppadirektiivi ja sen antama päästöjen seurantaa ja raportointia koskeva monitorointiohje. Työssä on tarkasteltu hiilidioksidipäästöhistoriaa ja laskentamenetelmiä niiden Rautaruukin toimipaikkojen kohdalta, joiden oletetaan kuuluvan EU:n päästökaupan piiriin. Toimipaikoista on tarkasteltu erityisesti Raahen ja Koverharin terästehtaita, sillä ne muodostavat merkittävimmän osuuden konsernin Suomen toimipaikkojen hiilidioksidipäästöistä. Muita tarkasteltavia toimipaikkoja ovat Hämeenlinnan ja Dalsbrukin valssaamot Suomessa, Smedjebackenin terästehdas ja Boxholmin valssaamo Ruotsissa, Mo i Ranan terästehdas ja Profilerin valssaamo Norjassa sekä Nedstaalin valssaamo Hollannissa. Kustannustehokkaan ja hallitun päästökaupankäynnin perustaksi yritystasolla tarvitaan päästötaseenhallintamenetelmä, jonka avulla voidaan määrittää syntyneet päästöt komission monitorointiohjeen vaatimalla tavalla, arvioida tulevia päästömääriä sekä hallita päästökaupankäyntiä. Päästökaupanhallintaan sisältyviä asioita ovat saadut ilmaiset päästöoikeudet, ostettavien tai myytävien oikeuksien määrä, kaupankäynnin ajankohta, päästöoikeuksien erilaiset hankintamahdollisuudet, päästöoikeuksien hinnanmuodostus ja riskienhallinta.

Ammoniakin talteenottoprosessin kehitys

Diplomityössä kehitettiin ioninvaihtoon perustuva ammoniakin talteenottoprosessi NSSC (Neutral Sulphite Semi Chemical) -prosessin haihduttamon lauhteille. Tarkoituksena oli saada aallotuskartonkitehtaan kemi-kaalikiertoa suljettua ja sitä kautta ammoniakkipäästöjä vähennettyä. Ammoniakki tuli ottaa hyötymuodossa (ammoniakkihöyry tai ammoniumsulfiitti) talteen. Ammoniumsulfiittiliuosta käytetään NSSC-prosessissa keittonesteenä. Kirjallisuusosassa selvitetään strippaukseen perustuvia ammoniakin talteenottomahdollisuuksia. Tutkitaan ioninvaihdon teoriaa ja ammoniumin talteenottoon sopivien ioninvaihtomateriaalien ominaisuuksia ioninvaihtajina. Lisäksi esitetään ioninvaihtoprosesseihin liittyviä laitteistoratkaisuja ja prosessiolosuhteita. Työn kokeellisessa osassa on yleiskuvaus Powerflute Oy Savon Sellun prosesseista ja selvitetään ammoniakin merkitystä tehtaalle. Laboratoriokokein tutkittiin orgaanisten kationihartsien sekä epäorgaanisen luonnon zeoliitin soveltuvuutta ammoniumionien vaihtoon esihaihduttamon lauhteesta. Ammoniakin talteenottoprosessin toimivuutta teollisessa mittakaavassa selvitettiin rakennetulla pilotlaitteistolla suoritettujen kokeiden avulla. Lopuksi tehtiin ammoniakin talteenottoprosessin scale-up: laskettiin prosessin talteenottokapasiteetti, arvioitiin kustannuksia sekä annettiin lausunto prosessin toteutettavuudesta. Laboratoriokokeiden perusteella luonnon zeoliitti ja heikosti hapan ioninvaihtohartsi eivät sovellu ammoniumionien vaihtoon NSSC haihduttamon lauhteista. Vahvasti hapan kationihartsi toimi ammoniumin talteenotossa parhaiten, joten se valittiin pilotkokeiden ioninvaihtomateriaaliksi. Pilotkokeissa ioninvaihtomateriaaliin saatiin sidottua ammoniumia noin 30 g NH4+ / dm3 hartsia, kun materiaalin teoreettinen ioninvaihtokapasiteetti oli 32 g NH4+ / dm3 hartsia. Ammoniumin läpäisykäyrien muotoon vaikutti suuresti syöttölauhteen virtausnopeus ja ammoniumpitoisuus. Ioninvaihtomateriaalipedin syvyydellä ei ollut niinkään merkitystä. Pilotkokeiden regenerointitavoista tehokkaimmaksi osoittautui höyrystrippaus, jossa saavutettiin noin 90 %:n talteenottotehokkuus. Rikkihapokekäsittelyllä talteenottotehokkuus jäi 50 %:iin. Teollisen mittakaavan laitoksella voidaan vuosittain regenerointitavasta riippuen ottaa talteen esihaihdut-tamon lauhteesta noin 100-150 tonnia ammoniakkia. Prosessin käyttökustannukset ovat talteenotetusta ammoniakista saataviin säästöihin verrattuna suuret ja niihin vaikuttaa merkittävästi ioninvaihtohartsin käyttöikä sekä regenerointikemikaalien kulutus. Osittaisella kemikaalikierron sulkemisella saavutetaan NSSC-prosessissa sekundäärietuja, joiden vaikutuksen merkittävyys pitäisi tarkentaa lisätutkimuksilla.

Nikkelin takaisinuutto karboksyylihappoon perustuvasta uuttoreagenssista

Työssä tutkittiin typpihapon soveltuvuutta nikkelin takaisinuuttoon. Tarkoituksena oli selvittää, millä typpihapon konsentraatioilla orgaaninen faasi, joka koostuu Versatic 10 uuttoreagenssista ja alifaattisesta laimentimesta, alkaa nitrautua tai hapettua ja mitkä ovat mahdolliset sivureaktiot. Lisäksi tutkittiin rikkihapon ja eräiden orgaanisten aineiden kontaminaation vaikutusta uuttoliuokseen. Kirjallisuusosassa kartoitetaan mahdollisten nitrautumisreaktioiden mekanismit, sekä kuvataan laimentimen, uuttoreagenssin ja mahdollisten reaktiotuotteiden ominaisuuksia, sekä niiden mahdollisessa muodostumisessa syntyviä riskejä. Orgaanisen faasin kestotesteissä tutkittavia muuttujia olivat typpi- ja rikkihapon konsentraatio, sekoitusaika, lämpötila, avoin tai suljettu astia sekä vieraiden aineiden kontaminaatio. Kontaminaatiota aiheuttavien orgaanisten materiaalien funktionaaliset ryhmät olivat hydroksi-, karbonyyli- ja amiiniryhmät, joiden lisäksi tutkittiin syklisen yhdisteen kontaminaatiota. Analyyseissä käytettiin FT-IR- spektroskopiaa, jolla tutkittiin reagenssin funktionaalisen ryhmän reaktioita ja uusien ryhmien muodostumista, sekä seurattiin selkeytyksessä erottumattomien typpiyhdisteiden määrää ja laatua orgaanisessa faasissa. Uuttofaasin koostumuksen muutosta seurattiin myös mittaamalla leimahduspisteen muutosta.