Utilisation of biomass for energy production in the North-West Russian forest industry

Traditionally, fossil fuels have always been the major sources of the modern energy production. However prices on these energy sources have been constantly increasing. The utilization of local biomass resources for energy production can substitute significant part of the required energy demand in different energy sectors. The introduction of the biomass usage can easily be started in the forest industry first as it possesses biomass in a large volume. The forest industry energy sector has the highest potential for the fast bioenergy development in the North-West Russia. Therefore, the question concerning rational and effective forest resources use is important today as well as the utilization of the forestry by-products. This work describes and analyzes the opportunities of utilising biomass, mainly, in the form of the wood by-products, for energy production processes in general, as well as for the northwest Russian forest industry conditions. The study also covers basic forest industry processes and technologies, so, the reader can get familiar with the information about the specific character of the biomass utilization. The work gives a comprehensive view on the northwest forest industry situation from the biomass utilisation point of view. By presenting existing large-scale sawmills and pulp and paper mills the work provides information for the evaluation of the future development of CHP investments in the northwest Russian forest industry.

Imatran tehtaiden jätevesipäästöjen hallinta- ja analysointityökalun kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää Stora Enso Oyj:n Imatran tehtaille Wedge-pohjainen analysointityökalu, jolla voidaan hallita prosessi- ja päästötietojen yhteys nykyistä paremmin. Wedgeen määriteltiin päästömittauksia, olennaisia prosessimittauksia ja tarpeelliset laskennat kuormituksen ennustamiseksi lähtien tuotantoprosessien tilasta. Työssä tehtiin kemialliselle ja biologiselle jätevedenpuhdistamolle meneville jätevesille laskennallisia malleja, joita verrattiin mitattuihin arvoihin. Kemialliselle jätevedenpuhdistamolle meneville jätevesille tehtiin malli jäteveden virtaamalle. Biologiselle jätevedenpuhdistamolle meneville jätevesille tehtiin mallit jäteveden virtaamalle sekä COD-, AOX- ja alkuainekuormituksille. Alkuaineista työhön otettiin mukaan natrium, rikki ja kloori. Teoriaosassa on käsitelty sellu- ja paperitehtaiden vedenkäyttöä, tehtaan eri osastojen jätevesikuormitusta, jäteveden puhdistusmenetelmiä sekä prosessidatan käsittelymenetelmiä. Kokeellisessa osassa on esitelty mitattujen ja laskennallisten mallien yhteyttä. Suurin osa laskennallisista malleista näyttää seuraavan kohtuullisen hyvin mitattuja arvoja. Kokeellisessa osassa on myös havainnollistettu esimerkkien avulla mallien hyödyntämistä. Työn hyötynä on normaalien kuormitusvaihteluiden ja häiriöpäästöjen entistä tarkempi ja nopeampi erottelu. Pitkällä tähtäimellä Wedge-ohjelman avulla pystytään keskittämään jätevesikuormituksen vähentämistoimenpiteet olennaisimpiin kohteisiin.

Tukkusähkön hintapiikkeihin reagoinnin keinot sellu- ja kartonkitehtaalla.

Sähkön tukkuhinnat vaihtelivat hyvin voimakkaasti talvella 2009–2010. Työssä on esitetty rajahyötytarkasteluna yhdistetyn sellu- ja paperitehtaan mahdollisuudet lisätä vastapainesähkön tuotantoa sekä leikata sähkön kulutusta aikana, jolloin sähkön tuntihinta on korkea. Työssä tarkastellaan myös erilaisia sähkömarkkinaoperaatioita. Työn ensimmäisessä osiossa esitellään Stora Enson Imatran tehtaat. Myöhemmissä kappaleissa perehdytään pohjoismaisten sähkömarkkinoiden sekä kaasupörssin toimintaan. Jotta korkeista sähkön hinnoista voitaisiin hyötyä, tulee sähkön myyntitarjoukset jättää sähköpörssi Nord Poolin kaupankäyntijärjestelmään toimitusvuorokautta edeltävänä päivänä. Tässä työssä on määritetty sähköenergian mahdolliset myyntivolyymit sekä hinnat eri tuotantotilanteissa. Työssä pyritään parantamaan tehtaan sähkökaupankäynnin kannattavuutta käyttämällä eri sähkökaupan tuotteita. Työssä esitetään malleja, joiden avulla korkeita sähkön markkinahintoja voidaan pyrkiä hyödyntämään. Eri sähkömarkkinatuotteet soveltuvat myös riskienhallintaan voimakkaasti vaihtelevilla sähkömarkkinoilla

Paperitehtaan sähkötasehallinta ja sähkön kysyntäjousto energiakustannusten hallinnassa

Paperiteollisuus on energiaintensiivistä teollisuutta, jossa on tehty pitkään työtä tuotantoprosessien energiatehokkuuden parantamiseksi. Paperitehtaan energiakustannuksiin voidaan kuitenkin vaikuttaa myös sähkötaseen hallinnalla ja sähkön kysyntäjouston avulla. Tehtaan seuraavan vuorokauden sähkön kulutus pyritään ennustamaan mahdollisimman tarkasti, mutta esimerkiksi paperitehtaan häiriötilanteissa sähkötase poikkeaa ennustetusta. Tällöin sähkötasetta voidaan korjata ensisijaisesti sähkön jälkimarkkinoiden eli Elbas- kaupankäynnin avulla. Ellei tasetta saada korjattua sähkön jälkimarkkinoilla tase-ero korjataan tasesähköllä, jonka hinta muodostuu säätösähkömarkkinoilla. Tasesähkön hinta saattaa poiketa Elspot- markkinahinnasta voimakkaasti, jolloin tase-erosta joko hyödytään tai hävitään kustannusmielessä. Tämän työn tarkoituksena on selvittää sähkötasehallinnan parantamisen ja sähkön kysyntäjouston vaikutukset paperitehtaan energiakustannuksiin. Työssä tutkittiin tehtaan sähkö-tasehallinnan nykytilannetta ja selvitettiin tase-erojen kustannusvaikuttavuutta. Lisäksi työssä luotiin ajomalleja sähkön kysyntäjouston toteuttamiselle massatehtaan eri tuotantoprosesseille, sekä määritettiin rajahintoja seuraavan vuorokauden energiaennusteeseen. Onnistunut energiaennuste perustuu paperitehtaan käynnin tarkkoihin ja ajankohtaisiin lähtötietoihin. Sähkötaseen poikkeamiin voidaan puolestaan varautua paremmin, kun informaatio tehtaan prosessien alasajosta tulee voimalaitoksen tietoon mahdollisimman aikaisin. Sähkötaseen poikkeamien hallinta voidaan tehdä, joko Elbas- kaupan tai tasesähkön avulla. Ajankohdasta ja tasepoikkeaman volyymista riippuen täytyy tehdä valinta, kumpi vaihtoehdoista on kustannusmielessä kannattavampi. Paperitehtaan eri prosesseille luoduilla ajomalleilla saatiin esiin huomattava säästöpotentiaali. Ajomallien noudattaminen vaatii suunnitelmallista tuotannon hallintaa ja sähkön Elspot- hinnan käyttäytymisen säännöllistä seurantaa. Seuraavan vuorokauden rajahintatietojen määrittämisen pohjalta voidaan arvioida, millä Elspot- hinnalla sähkön myynti muuttuu paperin tuotantoa kannattavammaksi.

Harmonization of Environmental Costs and Investments Reporting

The objective of this Master’s Thesis is to examine the current state of environmental costs and investments reporting at Stora Enso in the Business Area of Printing and Reading. Differences and the factors causing the differences in environmental costs and investments reporting are examined in order to further harmonize the reporting between the mills. Research method is a case study, which comprises 11 paper mills. Environmental costs are studied from year 2012 and environmental investments from year 2011 or from 2012 depending on the mill. The results show that there are two types of differences such as actual and harmonisable affecting to environmental costs reporting. Actual differences result from factors such as location and technical features of the mill. Harmonisable differences represent differences, which distort the actual differences. Factors that cause harmonisable differences are identification and traceability of environmental costs as well as interpretation of the instructions. Estimation of the environmental share of indirect environmental investments causes differences between the mills in environmental investments reporting, as it has to be done case-by-case judgments. A further research could consider a detailed examination of the data registering process in order to further improve traceability of environmental costs. Furthermore, identification and reporting of potential savings could be studied from environmental point of view as resource efficiency is an increasing interest.

Wastewater Treatment and Deinking Sludge Utilization Possibilities for Energy and Material Recovery in the Leningrad Region

Operation of pulp and paper mills generates waste including wastewater treatment sludge and deinking sludge. Both sludge types are generated in large amounts and are mainly disposed of in landfills in the Leningrad Region resulting in environmental degradation. The thesis was aimed at seeking new sustainable ways of sludge utilization. Two paper mills operating in the Leningrad Region and landfilling their sludge were identified: “SCA Hygiene Products Russia” and “Knauf”. The former generates 150 t/day of deinking sludge, the latter – 145 t/day of secondary sludge. Chemical analyses of deinking sludge were performed to assess applicability of sludge in construction materials production processes. Higher heating value on dry basis of both sludge types was determined to evaluate energy potential of sludge generated in the Leningrad Region. Total energy output from sludge incineration was calculated. Deinking sludge could be utilized in the production process of “LSR-Cement” or “Slantsy Cement Plant Cesla” factories, and “Pobeda” and “Nikolsky” brick mills without exceeding current sludge management costs.

Potential utilization ways of recovered chemical products from digestate

The study evaluates the potential application of chemical substances, obtained from biogas plants` by-products. Through the anaerobic digestion process with biogas the large amount of digestate is produced. This digestate mainly consists on the organic matter with the high concentration of nutrients such as nitrogen and phosphorus. During ammonia stripping and phosphorus precipitation the products- ammonia water, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ferrous phosphate, aluminum phosphate, calcium phosphate and struvite can be recovered. These chemicals have potential application in different industrial sectors. According to Finnish market and chemicals properties, the most perspective industrial applications were determined. Based on the data, obtained through the literature review and market study, the ammonia water was recognized as a most perspective recovered substances. According to interview provided among Finnish companies, ammonia water is used for flue gas treatment in SNCR technology. This application has a large scale in the framework of Finnish industrial sectors. As well nitrogen with phosphorous can be used as a source of nutrients in the biological wastewater treatment plants of paper mills.

Deinking sludge utilization possibilities: technical, economic, and environmental assessments

This report introduces the ENPI project called “EMIR - Exploitation of Municipal and Industrial Residues” which was executed in a co-operation between Lappeenranta University of Technology (LUT), Saint Petersburg State University of Economics (SPbSUE), Saint Petersburg State Technical University of Plant Polymers (SPbSTUPP) and industrial partners from both Leningrad Region (LR), Russia and Finland. The main targets of the research were to identify the possibilities for deinking sludge management scenarios in co-operation with partner companies, to compare the sustainability of the alternatives, and to provide recommendations for the companies in the Leningrad Region on how to best manage deinking sludge. During the literature review, 24 deinking sludge utilization possibilities were identified, the majority falling under material recovery. Furthermore, 11 potential utilizers of deinking sludge were found within the search area determined by the transportation cost. Each potential utilizer was directly contacted in order to establish cooperation for deinking sludge utilization. Finally, four companies, namely, “Finnsementti” – a cement plant in Finland (S1), “St.Gobian Weber” – a light-weight aggregate plant in Finland (S2), “LSR-Cement” – a cement plant in LR (S3), and “Rockwool” – a stone wool plant in LR (S4) were seen as the most promising partners and were included in the economic and environmental assessments. Economic assessment using cost-benefit analysis (CBA) indicated that substitution of heavy fuel oil with dry deinking sludge in S2 was the most feasible option with a benefit/cost ratio (BCR) of 3.6 when all the sludge was utilized. At the same time, the use of 15% of the total sludge amount (the amount that could potentially be treated in the scenario) resulted in a BCR of only 0.16. The use of dry deinking sludge in the production of cement (S3) is a slightly more feasible option with a BCR of 1.1. The use of sludge in stone wool production is feasible only when all the deinking sludge is used and burned in an existing incineration plant. The least economically feasible utilization possibility is the use of sludge in cement production in Finland (S1) due to the high gate fee charged. Environmental assessment was performed applying internationally recognized life cycle assessment (LCA) methodologies: ISO 14040 and ISO 14044. The results of a consequential LCA stated that only S1 and S2 lead to a reduction of all environmental impacts within the impact categories chosen compared to the baseline scenario where deinking sludge is landfilled. Considering S1, the largest reduction of 13% was achieved for the global warming potential (GWP), whereas for S2, the largest decrease of abiotic depletion potential (ADP) was by 1.7%, the eutrophication potential (EP) by 1.8%, and a GWP of 2.1% was documented. In S3, the most notable increase of ADP and acidification potential (AP) by 2.6 and 1.5% was indicated, while the GWP was reduced by 12%, the largest out of all the impact categories. In S4, ADP and AP increased by 2.3 and 2.1% respectively, whereas ODP was reduced by 25%. During LCA, it was noticed that substitution of fuels causes a greater reduction of environmental impact (S1 and S2) than substitution of raw materials (S3 and S4). Despite a number of economically and environmentally acceptable deinking sludge utilization methods being assessed in the research, evaluation of bottlenecks and communications with companies’ representatives uncovered the fact that the availability of the raw materials consumed, and the risks associated with technological problems resulting from the sludge utilization, limited the willingness of industrial partners to start deinking sludge utilization. The research results are of high value for decision-makers at already existing paper mills since the result provide insights regarding alternatives to the deinking sludge utilization possibilities already applied. Thus, the research results support the maximum economic and environmental value recovery from waste paper utilization.

Unification of Emission Measurements in Paper and Pulp Mills

Tässä diplomityössä tavoitteena on selvittää käytännöt ja menetelmät, joilla UPM-Kymmenen sellu-, paperi- ja vaneritehtaat ympäri maailman mittaavat ja laskevat ilmapäästönsä. Tämä tehdään kyselylomakkeella, joka lähetetään tehtaiden ympäristöpäälliköille. Kaikki tärkeimmät seikat ilmapäästöihin liittyen, kuten vaaditut jatkuvatoimiset mittaukset, jaksottaiset mittaukset, raportointikäytäntö, kalibrointi jne. kysytään lomakkeessa. Kyselylomakkeessa painotetaan mittauskäytäntöä sellutehtaissa sekä energiantuotannossa. Saatujen tulosten perusteella annetaan ehdotuksia sekä ohjeita tulevaisuutta varten, jotta mittaustulosten kokoaminen helpottuisi ja vertailukelpoisuus paranisi. Työn kirjallisuusosuudessa selvitetään yleisimmät päästölähteet sekä päästökomponentit paperi –ja selluteollisuudessa. Näiden ei toivottujen yhdisteiden syntymekanismit sekä menetelmät niiden poistamiseksi savukaasuista on myös lyhyesti kuvailtu. Myös erilaiset analysointi- ja näytteenottomenetelmät on kerrottu. Erot tehtaiden ympäristöluvissa käydään läpi, jakaen tehtaat kolmeen maantieteelliseen ryhmään. Lupakäytäntöjen osalta Suomen osuutta on painotettu, sillä UPM-Kymmene on varsin Suomikeskeinen yhtiö tehtaiden lukumääriin ja sijainteihin katsottuna. Viranomaismääräykset sekä päästörajat muutamista tehtaista on esitetty havainnollistaakseen alueellisia eroja.

An Evaluation of the Paper Profile - a comparative assessment of the applicability of an emerging environmental communication tool in pulp and paper industry

Diplomityön tavoitteena oli arvioida uutta sellu-, paperi- ja kartonkiteollisuuden Paper Profile -ympäristötuoteselostetta. Paper Profilen tarkoituksena on tarjota paperiteollisuuden asiakkaille ja muille kiinnostuneilla sidosryhmille yhtenäistä ympäristöinformaatiota koskien paperituotteiden koostumusta ja tuotteiden tärkeimpiä ympäristöparametrejä. Työn tärkein tavoite oli arvioida kriittisesti Paper Profilea ja verrata konseptia ISO:n, Kansainvälisen stardardisoimisliiton tuoteselosteeseen sekä löytää konseptien yhtäläisyydet ja erot. Tärkein tehtävä oli tunnistaa ne avaintekijät, joiden avulla Paper Profile -tuoteselostetta voitaisiin pitää yhtenevänä ISO/TR 14025 teknisen raportin kanssa. Lisäksi Paper Profile -tuoteselosteen mahdolliset kehittämistarpeet arvioitiin ISO-tuoteselosteen näkökulmasta. Työn toinen tavoite oli kerätä ja analysoida uuteen tuoteselosteeseen liittyvä asiakaspalaute ja verrata sitä Stora Enson tehtaiden ympäristöpäälliköiden antamiin Paper Profilea koskeviin kommentteihin. Työn tuloksena huomattiin, että Paper Profile -konsepti sellaisenaan ei ole kovin informatiivinen vaan tuoteseloste jättää monia ympäristökysymyksiä avoimeksi. Siitä huolimatta Paper Profile tarjoaa riittävän taustan eri paperituotteiden ympäristökuormitusten keskinäiselle vertailuille. Konseptin viestinnällinen näkökulma paranisi huomattavasti, jos tuoteselosteeseen lisättäisiin kolmannen osapuolen verifiointi. Lisäksi referenssiarvot kertoisivat asiakkaille paremmin esitettyjen parametrien taustoista. Stora Enson tehtaiden ympäristöpäälliköiden, samoin kuin asiakkaidenkin mielestä Paper Profile on yleisesti ottaen potentiaalinen ympäristöviestinnän työkalu, mutta silti konseptiin ehdotettiin joitakin pieniä muutoksia. Avoinna olevat metsäsertifiointikysymykset ja niiden puutteellinen tiedottaminen tuoteselosteessa puhututtivat sekä tehtaiden henkilöstöä että yritysasiakkaita.

Practical Solutions for Increased Safety in Paper Mill Operations

Tämä diplomityö käsittelee työterveys- ja työturvallisuushallinnan (TTT) sekä ympäristönsuojelun ongelmia ja riskejä, joita tehdasalueen toiminnanharjoittaja kohtaa ulkoistaessaan tehdastoimintojaan ja siirtyessään käyttämään 24 h ulkoisia kunnossapitopalveluja. Teoriaosa selventää ulkoistukseen liittyviä lainmukaisia määräyksiä ja vaatimuksia koskien terveyden, turvallisuuden ja ympäristöongelmien hallintaa sellu-, paperi- ja kartonkitehtaissa Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Suomessa. TTT-toiminnan tason sekä ympäristönsuojelun tason mittaamisen ongelmat tuodaan esille. Olemassa olevia kansainvälisiä TTT-johtamisjärjestelmien ja ympäristöjärjestelmien standardeja, riskien hallintatyökaluja ja ohjelmia esitellään lyhyesti. Käytännön osa toteutettiin tapaustutkimuksena, jonka kohteena oli Äänekosken tehdaskombinaatti ja kemianteollisuuden laitos, Noviant CMC Oy. TTT-hallintatoimien ja ympäristönsuojelun ongelmia tutkitaan tehdastoimintoja ulkoistettaessa. Integroidun johtamisjärjestelmän auditointimenettelyt, ulkoistuksen kohdealueet, pk-yrityksien riskien hallinta ja ulkoisten työntekijöiden turvallisuuskoulutus ovat erityisen tarkastelun alla. Käyttäen hyväksi kerättyä TTT- ja ympäristöaineistoa, suunniteltiin malli ja sisältöehdotus uudelle internet-selain tyyppiselle työkalulle TTT- ja ympäristöasioiden hallinnan avuksi. Työkalu on tarkoitettu palvelemaan Noviant CMC Oy:n eri sidosryhmien tarpeita. Diplomityön käytännön osa muodostaa pohjan JP MILLSAFE - pilottiprojektille, joka käynnistettiin internet-selain tyyppisen turvallisuuspalvelusovelluksen kehittämiseksi palvelemaan Äänekosken tehdaskombinaatin eri sidosryhmien tarpeita.

Gasification of Black Liquor as a Way to Increase Power Production at Kraft Pulp Mills

The study is focused on the opportunity to improve the power performance from black liquor at Kraft pulp mills. The first part of the paper includes an overview of a traditional recovery system, its development and indication of the integral drawbacks which provoke the search for more efficient methods of black liquor treatment. The second part is devoted to the investigation of black liquor gasification as a technology able to increase electric energy generation at pulp mills. In addition, a description of two most promising gasification processes and their comparison to each other are presented. The paper is based on a literature review and interviews of specialists in this field. The findings showed that while the modern recovery system meets demands of the pulp mills, pressurized oxygen-blown black liquor gasification has good potential to be used as an alternative technology, increasing the power output from black liquor.

The oxygenation in biological wastewater treatment of pulp and paper industry

The UPM-Kymmene Oyj Pietarsaari pulp and paper Mill biological wastewater treatment plant was built in the 1980's and the plant has been in use ever since. During the past years there have been problems with deviations. The wastewater treatment plant needs update, especially the aeration basin, where the old surface aerators cannot produce enough mixing and indroduce oxygen enough to the wastewater. In this thesis how extra aeration with oxygen affects the wastewater treatment plant effluent was studied. In the literature part the main focus is in aeration devices, which can be used in biological wastewater treatment. The target is to compare different kind of aerators, which are suitable for pulp and paper wastewater treatment. Studies show, that EDI-aerators are commonly used and also most suitable. In the experimental part, the focus is on the Pietarsaari Mills wastewater treatment plant and oxygen aeration during autumn 2008. This thesis presents the results of the trial run. Studies show, that extra oxygen devices can produce lot a of mixing and the oxygenation capacity was more than what the micro-organisms needed. The effect on sludge quality could not been seen during the trial runs.

Reaction paper : what? why? how?

Abstract