Kalman Filtering in Online Paper Quality Assessment

Controlling the quality variables (such as basis weight, moisture etc.) is a vital part of making top quality paper or board. In this thesis, an advanced data assimilation tool is applied to the quality control system (QCS) of a paper or board machine. The functionality of the QCS is based on quality observations that are measured with a traversing scanner making a zigzag path. The basic idea is the following: The measured quality variable has to be separated into its machine direction (MD) and cross direction (CD) variations due to the fact that the QCS works separately in MD and CD. Traditionally this is done simply by assuming one scan of the zigzag path to be the CD profile and its mean value to be one point of the MD trend. In this thesis, a more advanced method is introduced. The fundamental idea is to use the signals’ frequency components to represent the variation in both CD and MD. To be able to get to the frequency domain, the Fourier transform is utilized. The frequency domain, that is, the Fourier components are then used as a state vector in a Kalman filter. The Kalman filter is a widely used data assimilation tool to combine noisy observations with a model. The observations here refer to the quality measurements and the model to the Fourier frequency components. By implementing the two dimensional Fourier transform into the Kalman filter, we get an advanced tool for the separation of CD and MD components in total variation or, to be more general, for data assimilation. A piece of a paper roll is analyzed and this tool is applied to model the dataset. As a result, it is clear that the Kalman filter algorithm is able to reconstruct the main features of the dataset from a zigzag path. Although the results are made with a very short sample of paper roll, it seems that this method has great potential to be used later on as a part of the quality control system.

Natural and synthetic fibres improving tensile strength and elongation of paper products

The theory part of the Master’s thesis introduces fibres with high tensile strength and elongation used in the production of paper or board. Strong speciality papers are made of bleached softwood long fibre pulp. The aim of the thesis is to find new fibres suitable for paper making to increase either tensile strength, elongation or both properties. The study introduces how fibres bond and what kind of fibres give the strongest bonds into fibre matrix. The fibres that are used the in manufacturing of non-wovens are long and elastic. They are longer than softwood cellulose fibres. The end applications of non-wovens and speciality papers are often the same, for instance, wet napkins or filter media. The study finds out which fibres are used in non-wovens and whether the same fibres could be added to cellulose pulp as armature fibres, what it would require for these fibres to be blended in cellulose, how they would bind with cellulose and whether some binding agents or thermal bonding, such as hot calendaring would be necessary. The following fibres are presented: viscose, polyester, nylon, polyethylene, polypropylene and bicomponent fibres. In the empiric part of the study the most suitable new fibres are selected for making hand sheets in laboratory. Test fibres are blended with long fibre cellulose. The test fibres are viscose (Tencel), polypropylene and polyethylene. Based on the technical values measured in the sheets, the study proposes how to continue trials on paper machine with viscose, polyester, bicomponent and polypropylene fibres.

Characterisation of Laser Beam and Paper Material Interaction

It is known already from 1970´s that laser beam is suitable for processing paper materials. In this thesis, term paper materials mean all wood-fibre based materials, like dried pulp, copy paper, newspaper, cardboard, corrugated board, tissue paper etc. Accordingly, laser processing in this thesis means all laser treatments resulting material removal, like cutting, partial cutting, marking, creasing, perforation etc. that can be used to process paper materials. Laser technology provides many advantages for processing of paper materials: non-contact method, freedom of processing geometry, reliable technology for non-stop production etc. Especially packaging industry is very promising area for laser processing applications. However, there are only few industrial laser processing applications worldwide even in beginning of 2010´s. One reason for small-scale use of lasers in paper material manufacturing is that there is a shortage of published research and scientific articles. Another problem, restraining the use of laser for processing of paper materials, is colouration of paper material i.e. the yellowish and/or greyish colour of cut edge appearing during cutting or after cutting. These are the main reasons for selecting the topic of this thesis to concern characterization of interaction of laser beam and paper materials. This study was carried out in Laboratory of Laser Processing at Lappeenranta University of Technology (Finland). Laser equipment used in this study was TRUMPF TLF 2700 carbon dioxide laser that produces a beam with wavelength of 10.6 μm with power range of 190-2500 W (laser power on work piece). Study of laser beam and paper material interaction was carried out by treating dried kraft pulp (grammage of 67 g m-2) with different laser power levels, focal plane postion settings and interaction times. Interaction between laser beam and dried kraft pulp was detected with different monitoring devices, i.e. spectrometer, pyrometer and active illumination imaging system. This way it was possible to create an input and output parameter diagram and to study the effects of input and output parameters in this thesis. When interaction phenomena are understood also process development can be carried out and even new innovations developed. Fulfilling the lack of information on interaction phenomena can assist in the way of lasers for wider use of technology in paper making and converting industry. It was concluded in this thesis that interaction of laser beam and paper material has two mechanisms that are dependent on focal plane position range. Assumed interaction mechanism B appears in range of average focal plane position of 3.4 mm and 2.4 mm and assumed interaction mechanism A in range of average focal plane position of 0.4 mm and -0.6 mm both in used experimental set up. Focal plane position 1.4 mm represents midzone of these two mechanisms. Holes during laser beam and paper material interaction are formed gradually: first small hole is formed to interaction area in the centre of laser beam cross-section and after that, as function of interaction time, hole expands, until interaction between laser beam and dried kraft pulp is ended. By the image analysis it can be seen that in beginning of laser beam and dried kraft pulp material interaction small holes off very good quality are formed. It is obvious that black colour and heat affected zone appear as function of interaction time. This reveals that there still are different interaction phases within interaction mechanisms A and B. These interaction phases appear as function of time and also as function of peak intensity of laser beam. Limit peak intensity is the value that divides interaction mechanism A and B from one-phase interaction into dual-phase interaction. So all peak intensity values under limit peak intensity belong to MAOM (interaction mechanism A one-phase mode) or to MBOM (interaction mechanism B onephase mode) and values over that belong to MADM (interaction mechanism A dual-phase mode) or to MBDM (interaction mechanism B dual-phase mode). Decomposition process of cellulose is evolution of hydrocarbons when temperature is between 380- 500°C. This means that long cellulose molecule is split into smaller volatile hydrocarbons in this temperature range. As temperature increases, decomposition process of cellulose molecule changes. In range of 700-900°C, cellulose molecule is mainly decomposed into H2 gas; this is why this range is called evolution of hydrogen. Interaction in this range starts (as in range of MAOM and MBOM), when a small good quality hole is formed. This is due to “direct evaporation” of pulp via decomposition process of evolution of hydrogen. And this can be seen can be seen in spectrometer as high intensity peak of yellow light (in range of 588-589 nm) which refers to temperature of ~1750ºC. Pyrometer does not detect this high intensity peak since it is not able to detect physical phase change from solid kraft pulp to gaseous compounds. As interaction time between laser beam and dried kraft pulp continues, hypothesis is that three auto ignition processes occurs. Auto ignition of substance is the lowest temperature in which it will spontaneously ignite in a normal atmosphere without an external source of ignition, such as a flame or spark. Three auto ignition processes appears in range of MADM and MBDM, namely: 1. temperature of auto ignition of hydrogen atom (H2) is 500ºC, 2. temperature of auto ignition of carbon monoxide molecule (CO) is 609ºC and 3. temperature of auto ignition of carbon atom (C) is 700ºC. These three auto ignition processes leads to formation of plasma plume which has strong emission of radiation in range of visible light. Formation of this plasma plume can be seen as increase of intensity in wavelength range of ~475-652 nm. Pyrometer shows maximum temperature just after this ignition. This plasma plume is assumed to scatter laser beam so that it interacts with larger area of dried kraft pulp than what is actual area of beam cross-section. This assumed scattering reduces also peak intensity. So result shows that assumably scattered light with low peak intensity is interacting with large area of hole edges and due to low peak intensity this interaction happens in low temperature. So interaction between laser beam and dried kraft pulp turns from evolution of hydrogen to evolution of hydrocarbons. This leads to black colour of hole edges.

Emerging market patterns in recycled paper trade

The international recovered paper trade serves two important functions: increasing raw material availability in the paper and board industry and providing economic incentives to recycle. The purpose of this paper is to shed further light on emerging patterns in this trade by empirically analysing the changes in the bilateral trade flows of recycled paper between 1992 and 2008. According to our estimations, two important changes have taken place in the 1990s and 2000s. First, the growing importance of developing economies in global recycled paper trade plays a significant role in import demand as a determinant of trade flows. Second, the changes in global trade patterns necessitate investigating the transportation cost measures used in applied research.

An Update on Inter-Country Differences in Recovery and Utilization of Recycled Paper

The use of recovered paper as raw material in the paper and board industry has increased heavily during recent decades. At the same time, growing environmental awareness has raised the interest in recycling and a more sustainable way of living, at least in high-income countries. This paper combines these topics and explores how economic, demographic and environmental factors have affected the recovery and utilization of recycled paper between 1992 and 2010 in a sample of 70 countries. This study updates and extends the previous research on the topic using panel data and panel data estimation methods. The results confirm the roles of economic determinants but also indicate that concern for the environment impacts the recovery of recycled paper particularly in high-income countries. Moreover, the motives for recycling appear to depend on the income level of a country, which is something that future policies should consider.

Reaction paper : what? why? how?

Abstract

Educating Pulp and Paper Engineers for the Global Forest Industry

Vol.23, No. 5, pp. 1024-1037, 2007.

Harmonization ofsignificant environmental aspects and their risk assessment in UPM paper and pulp mills

Työn tavoite onharmonisoida yhtenäiset rakenteet UPM:n paperi- ja sellutehtaiden merkittävilleympäristönäkökohdille sekä niiden ympäristöriskienhallintajärjestelmille. Näin saavutetaan yhteneväiset tavoitteet ja analysointikeinot yrityksen yksiköille. Harmonisointiprosessi on osa koko yrityksen ympäristöhallintajärjestelmän kehittämistä. Ja konsernin EMS -prosessi puolestaan konvergoi konsernin integroidun johtamisjärjestelmän kehitystä. Lisäksi työn tapaustutkimuksessa selvitettiin riskienhallintajärjestelmien integroitumispotentiaalia. Sen avulla saavutettaisiin paremmin suuren yrityksen synergia-etuja ja vuorovaikutteisuutta toimijoiden kesken, sekä parannettaisiin riskienhallintajärjestelmän mukautuvuutta ja käytettävyyttä. Työssä käsitellään kolmea esimerkkiä, joiden pohjalta tehdään esitys harmonisoiduille merkittäville ympäristönäkökohdille sekä riskienhallintajärjestelmien parametreille. Tutkimusongelmaa lähestytään haastattelujen, kirjallisuuden, yrityksen PWC:llä teettämän selvityksen sekä omien päätelmien avulla. Lisäksi työssä esitetään ympäristöhallintajärjestelmän tehokkuuden todentaminen ympäristösuorituskyvyn muuttujiin suhteutettuna. Pohjana jatkuvan kehityksen päämäärälle on organisaatio-oppiminen, niin yksittäisen työntekijän, tiimien kuin eri yksiköiden kesken. Se antaa sysäyksen aineettoman omaisuuden, kuten ympäristö-osaamisen, hyödyntämiseen parhaalla mahdollisella tavalla. Tärkeimpinä lopputuloksina työssä ovat ehdotukset harmonisoiduille merkittäville ympäristönäkökohdille sekä ympäristöriskienhallintajärjestelmän määritetyille komponenteille. Niitä ovat määritelmät ja skaalat riskien todennäköisyydelle, seurauksille sekä riskiluokille. Työn viimeisenä osana luodaan pohja tapaustutkimuksen avulla Rauman tehtaan jätevedenpuhdistamon kahden erilaisen riskienhallintajärjestelmän integroitumiselle.

Information and Communication Society's Impact on Global Paper Consumption

Tämän tutkielman tavoitteena on selvittää informaatio- ja kommunikaatioyhteiskunnan vaikutusta paperin kulutukseen maailmanlaajuisesti. Tarkoituksena on löytää informaatio- ja kommunikaatioyhteiskuntaa kuvaavia mittareita, joiden avulla voidaan vertailla kehittyneitä ja kehittyviä markkina-alueita keskenään. Tutkimusongelmaan haetaan ratkaisua tutkimalla sekä kirjallisuutta että tilastoja, ja vertaamalla niitä esitettyihin teorioihin informaatio- ja kommunikaatioyhteiskunnan kehityksestä. Tutkielman avulla pyritään arvioimaan ja kuvaamaantoimintaympäristön muutoksia paperin kulutuksen suhteen pitkällä aikavälillä informaatio- ja kommunikaatioyhteiskunnan näkökulmasta.

Combustibility of Paper Mill Rejects

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää mekaanisen massan valmistuksen käsittävän paperitehtaan rejektija jätevirtojen poltettavuutta, jos paperitehtaan vesikiertojen sulkemisastetta lisätään. Jotta prosessin tilannetta sulkemisen jälkeen saatiin arvioitua, Anjalan paperitehtaan nykypäivän PK3:n prosessia tutkittiin kuorimolta jätevesilaitokselle. Kirjallisuusosassa käsiteltiin rejekti- ja jätevirtojen alkuperää mekaanista massaa käyttävässä paperitehtaassa. Myös tämän päivän jätevedenkäsittelyprosessit sekä sulkemisessa mahdolliset prosessiveden puhdistustekniikat esiteltiin lyhyesti. Lisäksikäytiin läpi nykypäivänä metsäteollisuudessa käytössä olevat polttotekniikat sekä polttoaineiden karakterisointi kattilan käytettävyyden ja päästöjen kannalta. Anjalan PK3:lla käytetään sekä peroksidi- että ditioniittivalkaistua tai pelkästään ditioniittivalkaistua hioketta riippuen tuotannossa olevasta lajista. PK3-prosessissa syntyneet jätevesi-, liete- ja muut jätevirrat selvitettiin molemmissa valkaisuolosuhteissa. Prosessin eniten liuennutta orgaanista ainesta sisältävät jätevesijakeet, 3-hiomon kuumankierron ja kirkassuodoksen ulosajot sekä kuoripuristimen suodos, valittiin puhdistettaviksi virroiksi prosessin sulkemista arvioitaessa. Kun peroksidivalkaisua käytettiin 3-hiomolla, TOC-kuorma jokeen oli 30 % suurempi kuin pelkällä ditioniittivalkaisulla. Jos prosessin sulkemisastetta lisättäisiin, TOC-kuorma olisi 30 %pienempi kuin tänäpäivänä peroksidivalkaisua käytettäessä (80 % puhdistustehokkuudella). Prosessin sulkemisastetta lisättäessä biolietettä muodostuisi n. 30 % vähemmän verrattuna nykytilanteeseen, sillä mikrobien ravintona käyttämää orgaanista ainesta päätyisi vähemmän jäteveteen. 3-hiomon peroksidivalkaisun vaikutus kattilan käytettävyyteen ja päästöihin oli pieni, sillä biolietteen osuus polttoaineen syötöstä oli vain 4 %. Vain osa biolietteestä muodostui 3-hiomolta peräisin olevaa orgaanista ainesta poistettaessa. Jos nykyisen pääpolttoaineen, PDF:n,osuuden jättää huomioimatta, SO2- ja NOx-päästöt sekä leijupedin sintrautuvuus ovat hiukan suuremmat käytettäessä peroksidivalkaisua 3-hiomolla kuin pelkästään ditioniittivalkaisulla. Jos kuoripuristimen ja hiomon suodosten puhdistuksen konsentraatit johdetaan poltettaviksi BFB-tyyppiseen kattilaan, leijupedin sintrautuminen tulisi olemaan suurin ongelma. Myös raskasmetalli-, SO2- ja NOx-päästöt lisääntyisivät merkittävästi verrattuna nykyiseen tilanteeseen. Sen sijaan kattilan korroosioriski tuskin lisääntyisi. Lisäksi konsentraattien kosteuspitoisuus olisi korkea, mikä tekisi poltosta kannattamatonta veden haihdutuksen vaatiessa paljon energiaa. Yksityiskohtaisempaa tutkimusta tarvitaan vielä prosessin sulkemisen vaikutuksista päästöihin ja kattilan käytettävyyteen. Myös muita konsentraattien hävittämismahdollisuuksia tulisi tutkia lisää.

Methods for the analysis of two dimensional measurement data of paper web

This work is devoted to the problem of reconstructing the basis weight structure at paper web with black{box techniques. The data that is analyzed comes from a real paper machine and is collected by an o®-line scanner. The principal mathematical tool used in this work is Autoregressive Moving Average (ARMA) modelling. When coupled with the Discrete Fourier Transform (DFT), it gives a very flexible and interesting tool for analyzing properties of the paper web. Both ARMA and DFT are independently used to represent the given signal in a simplified version of our algorithm, but the final goal is to combine the two together. Ljung-Box Q-statistic lack-of-fit test combined with the Root Mean Squared Error coefficient gives a tool to separate significant signals from noise.

Tertiary treatment of pulp and paper mill effluents

Työn tavoitteena oli selvittää mitä käsittelyvaihtoehtoja on olemassa jäteveden puhdistamon tertiäärikäsittelyyn ja miten suuri tarve paperi- ja selluteollisuuden prosessivesien puhdistukseen on. Tarkoituksena oli saada käsitys koko tertiäärikäsittelystä eri näkökulmista. Lopuksi läpikäytiin tertiäärikäsittelymenetelmiä ja etsittiin mahdollisia uusia menetelmiä, joita voitaisiin käyttää jäteveden tertiääripuhdistukseen. Ensimmäisenä työssä on perehdytty jäteveden koostumukseen paperi- ja selluteollisuudessa ja puhdistukseen ilmastetulla aktiivilietemenetelmällä, jotta tertiäärikäsittely ymmärrettäisiin konseptina paremmin. Lisäksi työssä selvitettiin tertiäärikäsittelyn tarvetta ja vaihtoehtoja sen käyttämättä jättämiselle teollisuuden ja muun ympäristöä vahingoittavan toiminnan ympäristönäkökohdat huomioonottaen. Lyhyiden menetelmäesitysten jälkeen kiteytetään tertiäärikäsittelyn ympäristönäkökohdatja vaihtoehdot sen käytölle yhteenvetona, jossa otetaan huomioon myös viranomaisten, yrityksen ja BAT referenssien sisältämä tieto tertiäärikäsittelystä. Työn kokeellinen osa sisältää erään tertiäärikäsittelysovelluksenrakentamisen, koekäytön ja laboratorioanalyysien yhteenvedon. Lisäksi menetelmää verrataan kustannus-tehokkuudeltaan vastaavien menetelmien kanssa. Tarkoituksena oli löytää jäteveden tertiäärikäsittelyyn sopiva laitteisto, jonka toimintaanei sisältyisi kemikaalien annostelua ja sitä käytettäisiin lähinnä jätevedenpuhdistamon ongelmatilanteiden väliaikaiseksi ratkaisuksi. Mahdollisesti se voisi toimia myös jatkuvatoimisesti veden kirkastuksessa. Diplomityössä rakennettu laitteisto, jota käytettiin myös pilot koeajoissa, ei ollut paras mahdollinen laitteisto tertiäärikäsittelyn toteuttamiseksi paperi- ja selluteollisuudessa, mutta kilpailukykyinen muiden laitteistojen kanssa. Laitteiston toimintaperiaate on kuitenkin käyttökelpoinen tietyin varauksin ja sitä voidaan käyttää vedenpuhdistamiseen.

Pulp Fractionation in a Pilot Paper Machine

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia paperimassan jakautumiseen vaikuttavia tekijöitä paperinvalmistusprosessissa. Työn empiirisen osan tavoitteena on analysoida perälaatikon hienoainepitoisuuden ja paperimassan virtausnopeuden vaikutusta paperimassan jakautumiseen pilottipaperikoneessa, sekä selvittää voidaanko näitä prosessiparametreja optimoimalla saavuttaa merkittävää retention, vedenpoiston ja kaksipuolisuuden parantumista. Työn teoreettinen osa sisältää kirjallisuuskatsauksen märänpään kemiasta ja yhteenvedon aikaisemmasta tutkimuksesta koskien paperimassan jakautumista paperinvalmistusprosessissa. Työn empiirisessä osassa on tutkittu perälaatikon hienoainepitoisuuden ja paperimassan virtausnopeuden vaikutusta retentioon, vedenpoistoon ja paperimassan jakautumiseen Papricanin pilottipaperikoneessa. Analyysissä on käytetty yhteensovitettua dataa, joka on saatu kattavien pilottipaperikonekokeiden ja taulukkolaskentaohjelmalla toteutettujen staattisten simulointimallien avulla. Simulointimalleissa perälaatikon hienoainepitoisuus on 30-55%, sekä paperimassan virtausnopeudet ovat 2470 L/min, 3870 L/min ja 5230 L/min. Muut prosessiparametrit on vakioitu, eikä retentioainetta käytetty. Retentio pilottipaperikoneessa oli 55-82% riippuen perälaatikon hienoainepitoisuudesta ja paperimassan virtausnopeudesta. Perälaatikon hienoainepitoisuuden ja retention välillä oli voimakas negatiivinen korrelaatio. Myös paperimassan virtausnopeuden ja retention välillä oli negatiivinen korrelaatio. Mitä alhaisempi retentio, sitä enemmän hienoainesta kerääntyi systeemiin. Hienoaineen huuhtoutuminen paperirainasta korreloi vedenpoistoon: pienemmällä paperimassan virtausnopeudella enemmän sekä vettä että hienoainetta poistui viirapuolelta, ja suuremmalla paperimassan virtausnopeudella saman verran sekä vettä että hienoainetta poistui rainan molemmilta puolilta. Paras paperirainan kaksipuolisuus saavutettiin korkeilla perälaatikon hienoainepitoisuuksilla (50% ja 55%) suurilla paperimassan virtausnopeuksilla (3870 L/min ja 5230 L/min).