Propagation of the Ignition Front against Airflow in Packed Beds of Wood Particles

Combustion of wood is increasing because of the needs of decreasing the emissions of carbon dioxide and the amount of waste going to landfills. Wood based fuels are often scattered on a large area. The transport distances should be short enough to prevent too high costs, and so the size of heating and power plants using wood fuels is often rather small. Combustion technologies of small-size units have to be developed to reach efficient and environmentally friendly energy production. Furnaces that use different packed bed combustion or gasification techniques areoften most economic in small-scale energy production. Ignition front propagation rate affects the stability, heat release rate and emissions of packed bed combustion. Ignition front propagation against airflow in packed beds of wood fuels has been studied. The research has been carried out mainly experimentally. Theoretical aspects have been considered to draw conclusions about the experimental results. The effects of airflow rate, moisture content of the fuel, size, shape and density of particles, and porosity of the bed on the propagation rate of the ignition front have been studied. The experiments were carried out in a pot furnace. The fuels used in the experiments were mainly real wood fuels that are often burned in the production of energy. The fuel types were thin wood chips, saw dust, shavings, wood chips, and pellets with different sizes. Also a few mixturesof the above were tested. Increase in the moisture content of the fuel decreases the propagation rates of the ignition front and makes the range of possible airflow rates narrower because of the energy needed for the evaporation of water and the dilution of volatile gases due to evaporated steam. Increase in the airflow rate increases the ignition rate until a maximum rate of propagation is reached after which it decreases. The maximum flame propagation rate is not always reached in stoichiometric combustion conditions. Increase in particle size and density transfers the optimum airflow rate towards fuel lean conditions. Mixing of small and large particles is often advantageous, because small particles make itpossible to reach the maximum ignition rate in fuel rich conditions, and large particles widen the range of possible airflow rates. A correlation was found forthe maximum rate of ignition front propagation in different wood fuels. According to the correlation, the maximum ignition mass flux is increased when the sphericity of the particles and the porosity of the bed are increased and the moisture content of the fuel is decreased. Another fit was found between sphericity and porosity. Increase in sphericity decreases the porosity of the bed. The reasons of the observed results are discussed.

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.

Potential Acquisition Candidates for a Supplier of Wood Processing Machinery

Diplomityön tavoitteena oli sopivimman yritysostokohteen valitseminen useiden kilpailijoiden joukosta puunkäsittelykoneiden toimittajalle. Ensin esiteltiin Suomen metsäteollisuus sekä sen osaamistarpeista noussut metsäklusteri pääosin kohdeyrityksen näkökulmasta. Seuraavaksi annettiin kuva yrityksen tuotteista, kilpailijoista ja asiakkaista. Yritysostoprosessi kuvattiin sekä esille tuotiin yleiset motiivit ja kriittiset menestystekijät. Lisäksi kuvattiin kilpailijoiden ja liiketoimintaympäristön analysointi yrityksen menestyksen edellytyksenä. Puuntyöstökoneiden markkinat segmentoitiin ja analysoitiin vuodesta 1990 aina tähän päivään asti, jotta löydettäisiin kehityskelpoiset osa-alueet eli alueet, joissa yrityksen markkinaosuutta voitaisiin kasvattaa. Kandidaattien ominaisuuksia verrattiin yritysoston motiiveihin. Yritysten tuotteet sekä maantieteellinen sijainti pisteytettiin, jotta sopivimmat yritykset nousisivat esille. Kolme yritystä valittiin syvällisempään tarkasteluun. Yritysten tuotteita, taloudellista asemaa ja globaalia verkostoa vertailtiin keskenään muiden tekijöiden, kuten maailmantalouden ohessa. Taloudellisesti vakaa ja teknisesti monipuolinen yritys kohtasi yritysoston motiivit parhaiten. Kohteen positiivisia puolia olivat sijainti, tuotteet ja palvelut. Lisäksi, yritys sopii ostajan strategiaan sekä auttaa kohtaamaan asiakkaiden nykyiset ja tulevat tarpeet.

Purchasing Process Performance Definition and Improvement in the Mechanical Wood Industry

Tämän tutkimuksen ensisijaisena tavoitteena oli määrittää Schauman Wood Oy:n ostoprosessin suorituskyvyn nykytila yrityksen Suomen yksiköissä. Nykytila-arviointi suoritettiin uusien ja käytössä olevien mittaustulosten avulla. Tutkimuksessa verrattiin kymmenen tuotantolaitoksen ostoprosesseja keskenään. Keskeinen tutkimusongelma oli ostoprosessin suorituseroja aikaansaavien tekijöiden selvittäminen eri yksiköissä. Tutkimuksen tavoitteena oli saavuttaa yhtenäisemmät toimintatavat yrityksessä sekä laajentaa konsernin osto-organisaation hyödyntämistä hankintatoimessa. Tavoitteena oli ostoprosessin virtaviivaistaminen ja tehokkaamman seurantajärjestelmän kehittäminen. Ostotoimintojen suorituskyvyn jatkuva parantaminen perustuu osittain uusien mittareiden avulla saatavaan informaatioon ja täsmällisempään seurantaan. Sisäistä benchmarkingia käytettiin työkaluna suorituskyky-eroavaisuuksien määrittelyssä. Tietoa erilaisista toimintatavoista kerättiin haastattelemalla yrityksen ostajia ja tehdaspalvelupäälliköitä eri tehdaspaikkakunnilla. Sisäisen benchmarkingin avulla määriteltiin toimintatapa eroavaisuudet sekä kehitettiin seurantakortti, jossa jokaista yksikköä verrataan parhaaseen ja eniten kehittyneeseen yksikköön. Työn tuloksina muodostui ehdotuksia ostotoiminnon uusiksi mittareiksi. Uudet mittarit ovat tehokkuusmittareita, jotka kuvaavat resurssien käytön tehokkuutta sekä auttavat seuraamaan ostoprosessin tilaa entistä paremmin. Uusien mittareiden tavoitteena on myös vähentää mittareiden manipulaatiomahdollisuutta. Työn ulkopuolelle rajattiin informaatioteknologiajärjestelmien tietotekninen osuus. Eräs yrityksen tuotantolaitoksista rajattiin myös työn ulkopuolelle, koska sen ostoprosessit ovat huomattavasti kehittymättömämpiä kuin Schauman Woodin muiden tehtaiden ostoprosessit. Kyseisen yksikön kehittämisen tulee lähteä aivan ruohonjuuritasolta. Tutkimuksen teoriaosuus on kerätty alan ammattikirjallisuudesta ja tutkimuksen aihetta käsittelevistä uudehkoista tieteellisistä alan artikkeleista. Teorian tarkoituksena on tukea empiiristä osuutta sekä antaa lukijalle uusia näkemyksiä ostotoiminnan monista mahdollisuuksista. Tutkimuksen tuloksia ovat nykytila-analyysi, ehdotukset uusista ostotoiminnan mittareista sekä ehdotus MRO-tuotteiden ulkoistamiskokeilusta. Yrityksen ostotoiminnan tulisi kehittyä operatiivisesta tasosta kohti strategisempaa oston tasoa. Johdon sitoutuminen hankintatoimen kehityshankkeisiin on erityisen tärkeää, lisäksi hankintatoimi tulisi nähdä strategisempana osa-alueena yrityksessä. Hankintatoimen kehittämisen avulla yrityksen kustannustehokkuutta voidaan lisätä merkittävästi.

Quantitative elemental analysis of dry-ashed bark and wood samples of birch, spruce and pine from south-western Finland using PIXE

A total of over 200 different samples of bark and wood of Silver birch, Norway spruce and Scots pine were analysed. Samples were taken from several areas in western Finland, some with known sources of atmospheric heavy metal emission (Harjavalta, Ykspihlaja). Also analytical data for pine needles from some sites are reported. The chemical analyses were performed by thick-target particle-induced X-ray emission (PIXE) spectrometry after preconcentration by dry ashing of samples at 550oC. The following elements were quantified in most of the samples: P, S, K, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Cd, Ba and Pb. The ash percentage and the chemical composition of ashes of different wood materials were also obtained, as dry ashing was used in the analytical procedure. The variations in elemental concentrations in wood and bark of an individual tree, expressed as RSDs, were mostly in the range 10 – 20 %. For several trees of the same species sampled from small areas (< 1 ha), the variations in elemental concentrations were surprisingly high (RSDs 20 – 50 %). In the vicinity of metal plants, effects of strong atmospheric heavy metal pollution (pollution factor above 100) were observed in pine bark. The increase of heavy metal content in wood samples from the same sites was quite small. Elemental concentrations in ashes of bark and wood, from areas with no local source of atmospheric pollution, were relatively uniform. Based on this observation an alternative way of demonstrating atmospheric pollution of tree bark is discussed.

Non-wood massojen vedenpoiston arvioiminen märkäpuristuksessa

Yksivuotisten kasvien (non-wood) kuitua verrataan usein lehtipuukuituihin. Käytetyimpiä non-wood kasveja ovat vehnän olki, bambu, järviruoko ja bagassi. Non-wood massan erottaa puumassasta kuitenkin korkea silikaattipitoisuus sekä parenkyymisolupitoisuus, joka antaa massalle korkean hienoainepitoisuuden. Tämä yhdessä korkean hemiselluloosapitoisuuden ja lyhyen kuidun pituuden kanssa heikentävät voimakkaasti non-wood massan vedenpoisto-ominaisuuksia. Non-wood kuidulla voidaan korvata lehtipuumassaa hienopapereissa. Non-wood kuitu antaa paperille hyvän opasiteetin, korkean valonsirontakertoimen sekä sileän painopinnan. Massaan lisättävä pitkäkuituinen havupuumassa parantaa ajetta¬vuutta paperikoneella ja helpottaa massan vedenpoistoa. Non-wood massan vedenpoistoa voidaan tehostaa esimerkiksi poistamalla osa hienoaineesta, käyttämällä non-wood massalle sopivaa keittotapaa sekä käyttämällä märkä¬puristuksessa pitkänippityyppistä puristinratkaisua. Myös non-wood kuidun kuivaaminen parantaa vedenpoistoa. Tässä tutkimuksessa kirjallisuusosassa keskityttiin yleisimpiin paperin valmistuksessa käytettäviin non-wood kuidun lähteisiin, märkäpuristuksen teoriaan ja tapoihin tehostaa vedenpoistoa. Kokeellisessa osassa tutkittiin vehnänolkimassan käyttäytymistä märkäpuristuksessa erilaisten ominaisuuksien pohjalta. Tutkimuksen kohteena oli non-wood massan keittotapa (hapan/alkali), hienoainepitoisuus, silikaattipitoisuus sekä kuivattu/kuivaamaton kuitu. Vertailun vuoksi tutkimuksessa oli mukana myös yksi järviruokomassa. Tuloksista huomataan, että non-wood massan vedenpoistoon vaikuttaa hienoainepitoisuus, kuidun kuivaus sekä massan valmistustapa. Järviruokomassan veden¬poisto on tehokkaampaa kuin vehnänolkimassan paremman kuitu¬koostumuksensa takia. Jos hienopaperimassassa korvataan lehtipuumassaa non-wood kuidulla maksimissaan 40 %, massan vedenpoistoa voidaan hyvin arvioida erilaisten suotautuvuusmittojen, kuten freeneksen, vedenpidätyskyvyn ja suotautumisajan, avulla.

Recovery of Hemicelluloses from Wood Hydrolysates by Membrane Filtration

Hemicelluloses are among the most important natural resources that contain polysaccharides. In this study the separation and purification of hemicelluloses from water extraction liquors containing wood hemicelluloses, lignin compounds and monosaccharide by using membrane filtration was investigated. The isolation of the hemicelluloses from the wood hydrolysates was performed in two steps: concentration of high molar mass hemicelluloses by ultrafiltration and separation of low molar mass hemicelluloses from monomeric sugars using tight ultrafiltration membranes. The purification of the retained hemicelluloses was performed by diafiltration. During the filtration experiments, the permeate flux through ultrafiltration and tight ultrafiltration membranes was relatively high. The fouling ability of the used membranes was relatively low. In our experiments, the retention of hemicelluloses using two filtration steps was almost complete. The separation of monosaccharides from hemicelluloses was relatively high and the purification of hemicelluloses by diafiltration was highly efficient. The separation of lignin from hemicelluloses was partially achieved. Diafiltration showed potential to purify retained hemicelluloses from lignin and other organics. The best separation of lignin from hemicelluloses in the first filtration step was obtained using the UC005 membrane. The GE-5 and ETNA01PP membranes showed potential to purify and separate lignin from hemicelluloses. However, the feed solution of the second filtration stages (from different ultrafiltration membranes) affected the permeate flux and the separation of various extracted compounds from hemicelluloses. The GE-5 and ETNA01PP membranes gave the efficient purification of the hemicelluloses when using diafiltration. Separation of degraded xylan from glucomannan (primary spruce hemicelluloses) was also possible using membrane filtration. The best separation was achieved using the GE-5 membrane. The retention of glucomannan was three times higher than xylan retention.

Fractionation of Wood Extracts

The aim of this thesis was to fractionate wood extracts into pure fractions using membrane technology, to observe membrane behaviour in solvents and to study the effect of conditioning on membrane performance. Four different wood extracts were used in the performed filtrations. In the literature part, the focus was on the effect of different solvent properties on polymeric membranes, especially on their retention and flux. Solute properties, such as shape, polarity and charge, were examined. Transport models, membrane stability and ways to improve the stability, when solvents were filtered, were also discussed. The experimental part consisted of a series of filtrations, where the effect of the wood extracts and solvent concentration on solute retention was observed. Polymeric and ceramic membranes were tested under different conditions and the solute analyses were performed with GC and GC-MS. It was discovered that it is possible to fractionate wood extracts using membrane technology to some extent, but more research must be done to understand the mechanisms behind the various interactions between the solvent and the membrane. Conditioning was also considered as an important part of the membrane pre-treatment.

Research of wood fuel market in Ukraine and the Republic of Belarus

The goal of the present work was to describe the wood fuel market of Ukraine and the Republic of Belarus, to estimate wood fuel potential and to research opportunities of wood fuel trading. Nowadays the wood waste, wood residues and by-products are becoming more and more potential raw materials for energy production. Against the background of unstable prices of traditional energy sources and environmental degradation, European States are planning to get 12% of energy from alternative sources already in 2010. Wastes of wood-working and agricultural productions are such sources. At present time the most popular wood biofuels are wood pellets, briquettes, wood chips and logs. Ukraine and the Republic of Belarus have a rather big potential of wood fuel resources. But wood fuels markets of these countries are on the entry level and quite disorganized. There is almost no domestic usage of wood biofuel. All produced pellets, briquettes as well as wood chips and logs go to the export, but the volumes are not high at present time. Ukraine and the Republic of Belarus have a very suitable geographical location. The most promising directions of wood fuel trading are developed wood fuel markets of Northern countries, Austria, Germany as well as actively developing markets of Poland and Hungary. At the long distance truck and sea transportation are the most appropriate. At a short distance cheap transportation by rail is more suitable. Thereby export is a potential opportunity for development of wood fuel production and in the future for usage in the researched countries.

Research of wood fuel market in North-West of Russia

The main purposes of this study are analyzing of forest sector of North-West and research of potentials of wood fuel market in this region. Research is focused on definition of the most perspective areas for export of wood fuel: logging residues, industrial wood processing residues, pellets and briquettes. Russian wood energy industry is very young in comparison with European countries. Nowadays there are no support and serious attention from the government to this sector. Hence almost all wood fuel market is oriented to the Western Europe. Export of wood fuel is dominated over the internal consumption. Pellet production in North –West is rapidly growing. Despite internal market has been developed the lion's share of pellets goes to export. Part of industrial wood processing residues is used by producers for their own goals, part goes to the export and rest of them is not used at all. Logging residues as raw materials for fuel have great potentials; most of them are left in a forest. Special techniques for their processing are too expensive for Russian entrepreneur. Some parts of North –West, which are situated close to the border with European countries, are potential for export. Political, economical and logistical challenges are complicated facilities for foreign customer to purchase wood fuel in remote parts of North-West. However some decisions for solving this problem exist and Russian manufactures are still interested in export of their products.

Wood pellet markets in Russia

Bioenergy came to Russia through wood pellets. On account of prevalence of oil and gas in the Russian economy «bioenergy» has come with a great delay. Certainly, there were many woodworking enterprises and even municipal boiler-houses using wood waste and fire wood for energy reception, but this activity was not purposeful. More likely it was connected with necessity of waste recycling and with the organization of heat supply in the remote areas of the country. However, in 2001 was founded the first pellet plant in Russia. The purpose of this work was to analyze wood pellets market in Russia, investigate current situation on the home and export market, evaluates supply and demand development, opportunities for wood pellets manufactures in Russia, the main manufactures in Russian market; cost and prices for wood pellets in Russia. Also the work was intended to give better understanding of the main problems of wood pellets industry in Russia. Besides, this work had updated information about Russian customs and logistic systems.

The effect of microfibrillated cellulose addition on drying shrinkage and dimensional stability of wood-free paper

Microfibrillated cellulose (MFC) is known to enhance strength properties of paper. Improved strength usually means increased bonding which is strongly connected to dimensional instability of paper. Dimensional instability is due to changes in moisture content of paper; when paper is moistened it expands and when dried, it shrinks. Hygroexpansion is linked to end-use problems and excessive drying shrinkage consumes strength potential. Effective use of materials requires controlling of these phenomena. There isn’t yet data concerning dimensional stability of papers containing MFC which restricts wider use of MFC. Main objective of the work was to evaluate dimensional stability of wood-free paper containing different amounts of MFC. Sheets were dried with different methods to see how drying strains effected on drying shrinkage and hygroexpansion. Also tensile strength was measured to find out the effect of MFC. Results were compared to sheets containing kraft fines and in some test points cationic starch was used alongside with MFC. MFC increased the dimensional instability of freely dried sheets. As the amounts of MFC increased the effects on dimensional stability became more severe. However the fineness of MFC didn’t play any important role. Both hygroexpansion and drying shrinkage were decreased with cationic starch addition. Prevention of drying shrinkage over powered the effects of additives on hygroexpansion. Tensile strength improved up till 7 % addition amount which could be set as the upper limit of MFC addition when paper preparation and tensile strength are concerned.