Paperikoneen kuivatusosan haihdutuksen tehostaminen

Tässä diplomityössä käsitellään paperikoneen kuivatusosan haihdutuksen tehostamista. Tutkimuksen aikana toteutettiin pienmittakaavakoe, ja suunniteltiin tuotantokonekoe. Molemmat kokeet perustuvat tutkimuksen aikana johdettuun teoriaan ja niiden tarkoituksena on kerätä lisää tietoa haihdutuksesta. Pienmittakaavakokeessa löydettiin uusi tapa tehostaa haihdutusta. Kokeen perusteella ei kuitenkaan voida varmuudella arvioida tavan hyötyjä ja soveltuvuutta tuotantokoneelle. Suositeltavaa onkin jatkossa toteuttaa työssä esitetty tuotantokonekoe, jotta auki jäävät kysymykset saavat vastauksensa ja saadaan selkeä käsitys uuden tavan hyödynnettävyydestä paperikoneen kuivatusosalla.

PCC-täyteaineen vaikutus hienopaperin lujuuskäyttäytymiseen nopeassa vetokuormituksessa

Raaka-ainekustannusten minimoimiseksi hienopaperin valmistajat pyrkivät jatkuvasti vähentämään massan havuselluosuutta ja lisäämään paperin täyteainepitoisuutta. PCC:n käyttö hienopaperin täyteaineena on kasvanut viimeisen kymmenen vuoden aikana voimakkaasti. PCC:n etuna on sen joustava valmistusprosessi, jonka olosuhteita säätelemällä voidaan valmistaa hyvin erilaisia tuotteita. PCC:n ominaisuudet, kuten partikkelikoko ja kidemuoto vaikuttavat merkittävästi paperin reologisiin ominaisuuksiin. Täyteaineen vaikutus paperin lujuusominaisuuksiin riippuu oleellisesti siitä, miten täyteaine sijoittuu kuituverkostossa. Lisäksi paperikoneen ajettavuuden turvaamiseksi täyteaineretention tulisi olla riittävän korkealla tasolla. Täyteaineen retentoituminen on hyvin riippuvainen kuitumateriaalin ja täyteaineen ominaisuuksista. Täyteainepitoisuuden lisääminen ja havusellun vähentäminen heikentävät hienopaperin reologisia ominaisuuksia ja vaikuttavat negatiivisesti paperikoneen ajettavuuteen. Varsinkin rainan siirto avoimella viennillä puristinosalta kuivatusosalle voi muodostua ajettavuuden kannalta kriittiseksi kohdaksi. Tämän vuoksi on tärkeää tuntea irrotustapahtumaan ja rainan kireyteen vaikuttavat tekijät. Märän rainan lujuuskäyttäytymistä voidaan tutkia esim. laboratorioarkeista tehtävillä vetolujuus- ja jännitysrelaksaatiomittauksilla. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahden erityyppisen PCC-täyteaineen vaikutusta hienopaperin vetolujuus- ja relaksaatiokäyttäytymiseen nopeassa vetokuormituksessa. Täyteainepitoisuuden kasvaessa sekä märän että kuivan paperin vetolujuus ja relaksaatiokireys heikkenivät voimakkaasti. Täyteaine myös vähensi havuselluosuuden vaikutusta näihin ominaisuuksiin. PCC:n ominaisuuksilla voitiin hieman vaikuttaa hienopaperin reologisiin ominaisuuksiin, joskin niiden kannalta edullisempi täyteaine antoi paperille huonommat optiset ominaisuudet. Kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa paperin vetolujuus ja relaksaatiokireys paranivat eksponentiaalisesti. Tämän perusteella täyteainetyypin vaikutus vedenpoistoon on paperin reologisten ominaisuuksien kannalta tärkeä tekijä.

Kipsilevyn kuivaamisessa tarvittavan puhallutettavan ilmamäärän ja ohjauksen optimointi

Tämä insinöörityö on tehty Saint-Gobain Rakennustuotteet Oy:n Kirkkonummen tehtaan kipsilevyjen kuivauksessa käytettävästä kuivurista. Kuivurissa on monta erilaista tekijää, jotka vaikuttavat kuivumiseen. Työssä keskitytään ilmavirtauksien optimoimiseen tasokohtaisesti kuivurin sisällä. Kuivurissa on kahdeksan tasoa, joilta jokaiselta voi tulla eri tavalla kuivuneita kipsilevyjä. Tämä johtuu tasoilla olevista erilaisista olosuhteista. Tasojen lisäksi on kuivurissa myös kuusi vyöhykettä, jotka ovat rakenteeltaan erilaisia. Tämän työn tarkoituksena on jakaa ilmavirtaukset tasokohtaisesti mahdollisimman tasaisiksi. Ilmavirtausten jakautumista voidaan muuttaa säätöpelleillä, joiden jälkeen ilmavirtaus kulkeutuu kanavia pitkin tasoille. Eri vyöhykkeiden säätöpellit ja ilmakanavat eroavat toisistaan, minkä takia säätöpeltien asennot eivät ole samoja eri vyöhykkeillä. Säätöpeltiä avaamalla tai sulkemalla lisätään tai vähennetään ilmavirtausta. Ilmavirtausten muutokset mitattiin ilmavirtausmittarilla ja pitot-putkella. Mittauspisteet sijaitsivat kuivurin sivuilla. Ensimmäisellä vyöhykkeellä ei ollut tasokohtaisia mittauspisteitä, minkä takia sieltä ei voinut mitata tasokohtaisia virtauksia. Toisella, kolmannella ja viidennellä vyöhykkeillä mittauspisteet olivat tuloilmapuolella. Neljännellä vyöhykkeellä mittauspisteet sijaitsivat poistoilmapuolella ja kuudennella vyöhykkeellä mittauspisteitä ei ollut tehty. Työn alussa käsitellään kuivauksen teoriaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Keskiosassa kerrotaan kuivureiden toiminnasta yleisesti, minkä jälkeen tarkastellaan Kirkkonummen tehtaan kuivurin toimintaa. Loppuosassa esitellään mittaustulokset ilmavirtauksien jakautumisista tasoille. Tuloksissa kerrotaan, kuinka ilmavirtaukset jakautuivat tasoille eri vyöhykkeillä ennen työn aloittamista. Testimittauksien tuloksista havaitaan, miten ilmavirtaus jakaantuu silloin, kun säätöpellit ovat testimittauasennoissa. Testimittausten ansiosta saatiin selville, kuinka säätöpeltien asentoja tulisi muuttaa, jotta tasojen virtaukset olisivat yhtä suuria. Muutosten jälkeen ilmavirtauksista saatiin tasaisemmat.

Reuse of information for selection of methods and operating conditions for drying of pharmaceutical materials

Drying is a major step in the manufacturing process in pharmaceutical industries, and the selection of dryer and operating conditions are sometimes a bottleneck. In spite of difficulties, the bottlenecks are taken care of with utmost care due to good manufacturing practices (GMP) and industries' image in the global market. The purpose of this work is to research the use of existing knowledge for the selection of dryer and its operating conditions for drying of pharmaceutical materials with the help of methods like case-based reasoning and decision trees to reduce time and expenditure for research. The work consisted of two major parts as follows: Literature survey on the theories of spray dying, case-based reasoning and decision trees; working part includes data acquisition and testing of the models based on existing and upgraded data. Testing resulted in a combination of two models, case-based reasoning and decision trees, leading to more specific results when compared to conventional methods.

VOC emissions and control techniques in softwood veneer dryers

The objective in this Master’s Thesis was to determine VOC emissions from veneer drying in softwood plywood manufacturing. Emissions from plywood industry have become an important factor because of the tightened regulations worldwide. In this Thesis is researched quality and quantity of the VOCs from softwood veneer drying. One of the main objectives was to find out suitable cleaning techniques for softwood VOC emissions. In introduction part is presented veneer drying machines, wood mechanical and chemical properties. VOC control techniques and specified VOC limits are introduced also in the introduction part. Plywood mills have not had interest to VOC emissions previously nevertheless nowadays plywood mills worldwide must consider reduction of the emissions. This Thesis includes measuring of emissions from softwood veneer dryer, analyzation of measured test results and reviewing results. Different air conditions inside of the dryer were considered during planning of the measurements. Results of the emissions measurements were compared to the established laws. Results from this Thesis were softwood veneer dryer emissions in different air conditions. Emission control techniques were also studied for softwood veneer dryer emissions for further specific research.

Reducing Manufacturing Costs of the Screen Dryer’s Hot Section by Design

In this thesis, the purpose was to find the cost distribution of the screen dryer and the largest cost factors. The hot section of the screen dryer was revealed as the biggest cost factor, so composing new cost efficient solutions were directed to it. DFMA (Design for Manufacture and Assembly) was chosen to help the design process. DFMA is a product design strategy developed for taking manufacturing and assembly costs into account at the early stages of the design process. In the theory part of the thesis, other methods of economical design and tools needed for estimating manufacturing costs are introduced. In the empirical part, the hot section of the screen dryer was divided into sub-assemblies and their manufacturing costs were estimated. The design propositions were directed to the self-manufactured assemblies and parts. The new manufacturing costs were calculated for the developed propositions. Lastly, the most cost efficient solutions were summarized. The savings on the self-manufactured assemblies were about 40 %, which was about 13 % of the combined total costs of the hot section.

Kuivurin pölynhallintajärjestelmä

Lämminilmakuivaus on viljan kuivaamisen menetelmistä ylivoimaisesti käytetyin. Siinä kuivurissa olevan viljakerroksen läpi puhalletaan lämmintä ilmaa, kunnes viljan kosteuspitoisuus laskee tavoitetasoon. Viljan jyvistä irtoaa aina pölyä niiden hangatessa toisiaan vasten. Viljankuivaamoiden pölyisyyttä on normaalisti pyritty vähentämään poistamalla leijuvaa pölyä viljan liikkeen epäjatkuvuuskohdista. Pölyä kulkeutuu kuitenkin kuivaamon ulkopuolelle myös kuivaukseen käytetyn ilman mukana. Poistoilman pölypitoisuus ei tavallisesti ole korkea, mutta kuivaamiseen käytetyistä suurista ilmamääristä johtuen pölyä voi kertyä poistoilmakanavan ympäristöön huomattavia määriä. Tämän diplomityön tavoitteena onkin viljankuivurin poistoilman pölypitoisuuden vähentämiseen soveltuvan pölynhallintajärjestelmän kehittäminen. Selvityksessä tarkasteltiin ensinnäkin kuivurin poistoilman pölypitoisuuteen liittyvää kansallista ja kansainvälistä lainsäädäntöä sekä raja-arvoja. Lähdemateriaalin perusteella kartoitettiin pölypitoisuuden vähentämiseen soveltuvia menetelmiä sekä kilpailijoiden toteuttamia ratkaisuja. Myös muita pölynhallintajärjestelmän edellytyksiä selvitettiin. Teoreettisessa tarkastelussa teknistaloudellisesti parhaaksi osoittautunut pölynhallintaratkaisu jalostettiin prototyypiksi. Sen toimintakykyä testattiin erotustehokkuuden mittaamiseen soveltuvan koelaitteiston avulla. Testitulosten perusteella kyseinen pölynhallintajärjestelmä todettiin toimivaksi ja pienellä jatkokehittelyllä myös kaupalliseen käyttöön soveltuvaksi. Testitulosten hyödyntämismahdollisuuksien lisäksi diplomityössä esitetään myös muutamia jatkokehitysehdotuksia.

Sellutehtaiden höyrytasojen optimaaliset paineet

Sellutehtaiden kannattavuutta pyritään lisäämään parantamalla tehtaiden energiatehokkuutta ja tehostamalla tuotantoa. Yksi keino tehtaan sähkön tuotannon lisäämiseksi on höyrytasojen paineiden alentaminen tehtaan tuotantoprosesseissa. Tällöin höyry voidaan paisuttaa turbiinissa matalampaan paineeseen. Höyryn painetasojen alentaminen kuitenkin lisää tehtaan investointikustannuksia siirtoputkistojen kokojen ja lämmönsiirtopinta-alojen kasvaessa. Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa osana Suomen Soodakattilayhdistyksen projektia ”Skyrec – Soodakattilan sähköenergiatehokkuuden nostaminen uudelle tasolle”. Tässä diplomityössä määritetään 600 000 tonnia sellua vuodessa tuottaville Suomeen sopiville sellutehdastyypeille taloudellisesti optimaaliset höyryn painetasot. Optimaaliset höyryn painetasot määritettiin painetasojen mukaisten energiataseiden sekä investointiarvioiden perusteella. Työn taselaskennat tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Millflow-laskentasovelluksella. Matalapainetason mukaisia investointikustannuksia arvioitiin tehtaiden putkiston, haihduttamon ja kuivauskoneen osalta. Tulosten mukaan höyrytasojen paineet on taloudellisesti kannattavaa valita tehtaan laitteiston ja prosessien mukaan alhaisimmiksi mahdollisiksi. Lisäksi työssä tarkastellaan välipainehöyryn ja nuohoushöyryn paineiden alentamisen vaikutuksia tehtaan sähkön tuotantoon sekä joillekkin tehtaan prosesseille rakennettavan oman matala- tai välipainelinjan käytön kannattavuutta. Diplomityöhön kerättiin tietoa suomalaisilla sellutehtailla käytössä olevista höyryn paineista sekä syistä painetasojen valintaan.

Structural and operational optimisation : applications in energy systems

In this work mathematical programming models for structural and operational optimisation of energy systems are developed and applied to a selection of energy technology problems. The studied cases are taken from industrial processes and from large regional energy distribution systems. The models are based on Mixed Integer Linear Programming (MILP), Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) and on a hybrid approach of a combination of Non-Linear Programming (NLP) and Genetic Algorithms (GA). The optimisation of the structure and operation of energy systems in urban regions is treated in the work. Firstly, distributed energy systems (DES) with different energy conversion units and annual variations of consumer heating and electricity demands are considered. Secondly, district cooling systems (DCS) with cooling demands for a large number of consumers are studied, with respect to a long term planning perspective regarding to given predictions of the consumer cooling demand development in a region. The work comprises also the development of applications for heat recovery systems (HRS), where paper machine dryer section HRS is taken as an illustrative example. The heat sources in these systems are moist air streams. Models are developed for different types of equipment price functions. The approach is based on partitioning of the overall temperature range of the system into a number of temperature intervals in order to take into account the strong nonlinearities due to condensation in the heat recovery exchangers. The influence of parameter variations on the solutions of heat recovery systems is analysed firstly by varying cost factors and secondly by varying process parameters. Point-optimal solutions by a fixed parameter approach are compared to robust solutions with given parameter variation ranges. In the work enhanced utilisation of excess heat in heat recovery systems with impingement drying, electricity generation with low grade excess heat and the use of absorption heat transformers to elevate a stream temperature above the excess heat temperature are also studied.

Mädätysjäännöksen rakeistus, terminen kuivaus ja energiahyötykäyttö

Tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa alueellisen jäteyhtiön Kymenlaakson Jäte Oy:n mahdollisuuksia rakeistaa ja termisesti kuivata mekaanisesti kuivattua mädätysjäännöstä sekä mahdollisuuksia toimittaa termisesti kuivattua materiaalia energiahyötykäyttöön. Tutkimuksessa selvitettiin myös kokemuksia lattialämmityksen käyttämisestä mädätysjäännöksen kuivaukseen. Tutkimuksessa perehdyttiin erilaisiin rakeistus- ja kuivausmenetelmiin sekä termisen kuivurin valintaan vaikuttaviin asioihin. Kuvaukset perustuvat kirjallisuudesta ja internetistä saatuihin tietoihin. Tekniikkakuvausten pohjalta lähdettiin kyselemään tarjouksia termisiä kuivauslaitteistoja myyviltä yrityksiltä. Tarjoukset pyydettiin kuiva-ainepitoisuuden muutokselle 30 %:sta 90 %:iin ja oletettiin, että kuivaukseen on käytettävissä lämpöä viideltä kaatopaikkakaasua käyttävältä mikroturbiinilta. Tutkimuksen aikana saatiin tarjous kuudelta yritykseltä. Saadut tarjoukset esiteltiin tiivistetysti raportissa ja kokonaisuudessaan ne sisällytettiin Kymenlaakson Jäte Oy:n laajempaan raporttiin, joka ei ole julkinen. Yritykset antoivat hyvin erilaisia tietoja siitä, mitä tarjoukseen sisältyy, joten tarjoukset eivät olleet suoraan vertailukelpoisia. Tarjouksista myös havaittiin, että jos Mäkikylän biokaasulaitokselta vastaanotettaisiin enimmäismäärä (19 500 t/a) mädätysjäännöstä, mikroturbiineilta saatava lämpömäärä ei riittäisi kuivaamaan kaikkea mädätysjäännöstä 90 % kuiva-ainepitoisuuteen. Tutkimuksen aikana huomattiin myös, että sitovan tarjouksen saamiseksi mädätysjäännös tulee toimittaa testattavaksi, jolloin saadaan vahvistus kuivausmenetelmän soveltuvuudesta kyseiselle materiaalille. Tutkimuksessa selvitettiin myös, minkälaisia kokemuksia löytyy lattialämmityksen käyttämisestä kuivaukseen niin Suomesta kuin maailmalta ja voiko menetelmää käyttää mädätysjäännöksen kuivaukseen. Kyseistä menetelmää on käytetty tehostamaan aurinkokuivausta, joten tutkimuksen aikana perehdyttiin erityisesti aurinkokuivaukseen liittyviin tieteellisiin artikkeleihin. Lattialämmityksen käytöstä löytyi niin heikkouksia kuin vahvuuksia. Suomessa aurinkokuivauksen ja lattialämmityksen yhdistelmä ei ole kuitenkaan päätynyt laajaan käyttöön ja syynä voidaan nähdä muun muassa kylmät ja pimeät vuodenajat sekä suuri pinta-alan tarve. Tutkimusraportissa selvitettiin lisäksi polttolaitosten edustajien kiinnostusta ja rajoituksia ottaa vastaan termisesti kuivattua mädätysjäännöstä. Tutkimuksen aikana otettiin yhteyttä alle 100 km etäisyydellä Kymenlaakson Jäte Oy:stä sijaitsevien jätteenpolttoluvan omaavien yritysten edustajiin. Saatuja vastauksia käsiteltiin tiivistetysti raportissa ja vastaukset sisällytettiin kokonaisuudessaan Kymenlaakson Jäte Oy:n laajempaan raporttiin, joka ei ole julkinen. Puhelinhaastattelujen pohjalta nähtiin, että yrityksillä on kiinnostusta materiaalia kohtaan, mutta samalla vastauksiin vaikuttavat mädätysjäännöksen analyysitulokset. Poltto-ominaisuuksiin liittyvät analyysit tullaan toteuttamaan vuoden 2012 aikana. Laitoksilla oli myös vaihtelevia rajoituksia materiaalia kohtaan, mutta analyysituloksista riippuen materiaalia voidaan hyödyntää energiana tuhansia tai jopa kymmeniä tuhansia tonneja vuodessa alle 100 km etäisyydellä Kymenlaakson Jäte Oy:stä.

Liquid transportation and distribution during (re)wetting : impact on coated papers in printing

In many industrial applications, such as the printing and coatings industry, wetting of porous materials by liquids includes not only imbibition and permeation into the bulk but also surface spreading and evaporation. By understanding these phenomena, valuable information can be obtained for improved process control, runnability and printability, in which liquid penetration and subsequent drying play important quality and economic roles. Knowledge of the position of the wetting front and the distribution/degree of pore filling within the structure is crucial in describing the transport phenomena involved. Although exemplifying paper as a porous medium in this work, the generalisation to dynamic liquid transfer onto a surface, including permeation and imbibition into porous media, is of importance to many industrial and naturally occurring environmental processes. This thesis explains the phenomena in the field of heatset web offset printing but the content and the analyses are applicable in many other printing methods and also other technologies where water/moisture monitoring is crucial in order to have a stable process and achieve high quality end products. The use of near-infrared technology to study the water and moisture response of porous pigmented structures is presented. The use of sensitive surface chemical and structural analysis, as well as the internal structure investigation of a porous structure, to inspect liquid wetting and distribution, complements the information obtained by spectroscopic techniques. Strong emphasis has been put on the scale of measurement, to filter irrelevant information and to understand the relationship between interactions involved. The near-infrared spectroscopic technique, presented here, samples directly the changes in signal absorbance and its variation in the process at multiple locations in a print production line. The in-line non-contact measurements are facilitated by using several diffuse reflectance probes, giving the absolute water/moisture content from a defined position in the dynamic process in real-time. The nearinfrared measurement data illustrate the changes in moisture content as the paper is passing through the printing nips and dryer, respectively, and the analysis of the mechanisms involved highlight the roles of the contacting surfaces and the relative liquid carrier properties of both non-image and printed image areas. The thesis includes laboratory studies on wetting of porous media in the form of coated paper and compressed pigment tablets by mono-, dual-, and multi-component liquids, and paper water/moisture content analysis in both offline and online conditions, thus also enabling direct sampling of temporal water/moisture profiles from multiple locations. One main focus in this thesis was to establish a measurement system which is able to monitor rapid changes in moisture content of paper. The study suggests that near-infrared diffuse reflectance spectroscopy can be used as a moisture sensitive system and to provide accurate online qualitative indicators, but, also, when accurately calibrated, can provide quantification of water/moisture levels, its distribution and dynamic liquid transfer. Due to the high sensitivity, samples can be measured with excellent reproducibility and good signal to noise ratio. Another focus of this thesis was on the evolution of the moisture content, i.e. changes in moisture content referred to (re)wetting, and liquid distribution during printing of coated paper. The study confirmed different wetting phases together with the factors affecting each phase both for a single droplet and a liquid film applied on a porous substrate. For a single droplet, initial capillary driven imbibition is followed by equilibrium pore filling and liquid retreat by evaporation. In the case of a liquid film applied on paper, the controlling factors defining the transportation were concluded to be the applied liquid volume in relation to surface roughness, capillarity and permeability of the coating giving the liquid uptake capacity. The printing trials confirmed moisture gradients in the printed sheet depending on process parameters such as speed, fountain solution dosage and drying conditions as well as the printed layout itself. Uneven moisture distribution in the printed sheet was identified to be one of the sources for waving appearance and the magnitude of waving was influenced by the drying conditions.

Pallomaisen rullalaakerin vauriotutkimus kartonkikoneen kiertoöljyvoidellulla kuivatusosalla

Tämä työ on tehty Stora Enson Imatran kartonkitehtaan kunnossapidosta vastaavalle Efora Oy:lle. Tavoitteena oli selvittää syy Imatran Kartonkikone 5:n kuivatussylinterien laakerivaurioiden suureen määrään verrattuna tehtaiden kolmeen muuhun kartonkikoneeseen. Tutkimuksissa keskityttiin laakerien käyttöolosuhteisiin. Syyn selvittämiseksi työssä vertailtiin eri kartonkikoneiden kiertoöljyvoitelujärjestelmiä, voiteluöljyjä, voiteluolosuhteita, öljyjen kuntoa ja kunnon seurantaa. Myös laakereihin kohdistuvia kuormia arvioitiin. Alan kirjallisuuden avulla on käyty läpi kartonkikoneen rakennetta ja toimintaa tarvittavassa laajuudessa, voitelun ja laakerin vaurioitumisen teoriaa sekä voiteluaineiden ominaisuuksien ja koostumuksen perusteita. Vertailevissa tutkimuksissa ei löytynyt vauriomäärien eroja selittäviä eroavaisuuksia Imatran tehtaiden eri kartonkikoneiden välillä, joskin Kartonkikone 5:n kiertovoiteluöljyn puhtaustaso oli muita Imatran kartonkikoneita heikompi. Laakerikuormien osalta havaittiin joidenkin laakerien käyvän laakerille asetetun vähimmäiskuorman alittavilla kuormituksilla. Vähimmäiskuormaa pienempi radiaalikuorma voi johtaa laakerin virheelliseen toimintaan ja edelleen vaurioitumiseen. Voiteluolosuhteet todettiin erittäin vaikeiksi ja niillä on epäilemättä vaikutusta voiteluöljyn ja laakerien lyhentyneeseen käyttöikään.