Sellutehtaan valkaisusäätöjen evaluointi

Tämän diplomityön tarkoituksena oli arvioida UPM-Kymmene Oyj, Kaukaan sellutehtaan havukuitulinjan uuden valkaisusäätömenetelmän, kompensoidun kappakerroinsäädön, ja vaaleusanalysaattoreiden käyttöönoton vaikutukset klooridioksidikulutukseen ja sellun laatuun. Kirjallisuusosassa esitelläänvalkaisun tärkeimpiä on-line ja in-line mittalaitteita sekä niitä hyödyntäviä säätöratkaisuja. Tiettävästi paras saatavilla oleva säätömenetelmä, kompensoitu kappakerroinsäätö määrittää klooridioksidiannoksen vaiheeseen tulevan massan kappaluvun tai vaaleuden perusteella. Valkaisukemikaaliannos optimoidaan jatkuvatoimisten vaaleus- ja jäännösmittausten sekä vaiheen jälkeisen saavutetun kappaluvuntai vaaleuden takaisinkytkennällä. Kokeellisessa osassa arvioitiin havulinjan valkaisusäätömenetelmän käyttöönoton vaikutukset klooridioksidikulutuksiin ja sellun laatuun vertailemalla uuden ja vanhan säätömenetelmän aikaisia kemikaalikulutuksia sekä välikappaluvun ja loppuvaaleuden itseisarvopoikkeamia tavoitteistaan. Lisäksi selvitettiin annossäätöön ja kompensoituun vaaleussäätöön perustuvan vanhan sekä kompensoitua kappakerroinsäätöä soveltavan uuden säätömenetelmän toimintaperiaatteet. Työssä kartoitettiin myös valkaisulinjan tarpeet uusille mittalaitteille sekä analysaattorin mittausten vertailukelpoisuus laboratorioanalyysien kanssa. Edelleen työssä arvioitiin tehtaan X koivuvalkaisulinjan uuden säätömenetelmän toimivuus. Kompensoidun kappakerroinsäädön käyttöönoton myötä valkaisun klooridioksidikulutukset pienenivät sekä välikappaluku ja loppuvaaleus saatiin pidettyä lähempänä tavoitteittaan. Säätömenetelmän toimivuuttaedisti vaaleusanalysaattoreiden mittausten korreloivuus laboratorioanalyysien kanssa. Vastaavat vaikutukset kemikaalikulutuksiin ja sellun laatuun havaittiin myös tehtaan X valkaisusäädön käyttöönotosta.

Nestepakkauskartongin ominaisjäykkyyden parantamisen menetelmät

Viime vuosina Tainionkosken KA5:lla valmistettavan nestepakkauskartongin neliömassa, joka jäykkyystavoitteen saavuttamiseksi tarvitaan, on kasvanut. Diplomityön tavoitteena oli selvittää kartongin jäykkyysindeksin heikentymi-seen vaikuttaneet tekijät ja kehittää korjaavia toimenpiteitä. Työn kirjallisuusosassa tutkittiin nestepakkauskartongin laatuominaisuuksia ja jäykkyyden muodostumista. Lisäksi selvitettiin massanvalmistus- ja koneolosuhteiden vaikutusta kartongin jäykkyyteen. Kirjallisuusosassa tutkittiin myös, miten eri massalaadut ja kartongin rakenne vaikuttavat jäykkyyteen. Työn kokeellisessa osassa kartoitettiin jäykkyysindeksin heikkenemisen syitä ja kehitettiin uusia ajomalleja, joilla olisi jäykkyysindeksiin positiivinen vaikutus. Jäykkyysindeksin heikkenemisen syitä selvitettiin massa- ja prosessianalyysien avulla. Lisäksi tutkittiin 3.puristimen muuttamista tasauspuristimeksi ja CTMP:n käyttöä runkokerroksessa sekä korkea- että matalakappaisen valkaisemattoman sellun kanssa. Massa-analyysissä selvisi, että sellun laatu on heikentynyt ja jäykkyysindeksin heikkeneminen johtuu osaltaan siitä. Prosessianalyysissä paljastui useita jäykkyysindeksiä heikentäviä tekijöitä, kuten esimerkiksi kuivatusosan vetoerot, jotka olivat ajautuneet kauas optimitilasta. 3.puristimen muuttaminen tasauspuristimeksi paransi pinnan sileyttä ja kartongin bulkkia, jolloin jäykkyysindeksi kasvoi. CTMP:n käyttö korkeakappaisen sellun kanssa paransi huomattavasti kartongin bulkkia, mutta heikensi palstautumislujuutta ja lisäsi reunaimeytymää. Matalakappaisen sellun ja CTMP:n yhdistelmällä saatiin aikaan hyvä bulkki ja palstautumis-lujuus niin, että reunaimeytymä ei kasvanut ja tuotantonopeus ei laskenut.

Jatkuvatoimisen sellukeittimen säätöjen suorituskyvyn analysointi

Työssä tarkastellaan yleisiä menetelmiä säätöpiirien suorituskyvyn analysointiin ja sovelletaan niitä jatkuvatoimisen sellukeittimen säätöihin. Esitellyt menetelmät tarjoavat keinoja myös huonon säätötuloksen syyn selvittämiseen ja vinkkejä paremman suorituskyvyn saavuttamiseksi. Analyysissä edettiin top-down periaatteen mukaisesti lähtien liikkeelle keittimen tärkeimmästä säädöstä eli kappaluvun säädöstä. Sitten etsittiin tähän vaikuttavia tekijöitä mitatuista suureista. Seuraavaksi arvioitiin tärkeimmäksi katsotun tekijän (hakepinnankorkeus) säädön suorituskyky, jossa havaittiin parannettavaa. Lopuksi hakepinnankorkeuden säädön viritystämuutettiin ja tehtiin identifiointikoe säätörakenteen uudelleen järjestelyä varten.

Korkeakappa-massan suotatuvuus

Työn tarkoituksena oli tutkia korkeakappa-massan suotautuvuutta sekä etsiä uusia analyysimenetelmiä korkeakappa-massan karakterisoimiseksi. Työssä pyrittiin määrittämään tekijöitä, jotka vaikuttavat korkeakappa-massan suotautumiseen. Työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin aluksi yleisesti keiton teoriaa, minkä jälkeen käsiteltiin jauhatusta ja tarkemmin korkeakappa-massan hienovaraisempaa jauhatusta eli kuidutusta. Seuraavaksi käsiteltiin suodatusta ja sen teoriaa sekä suodatukseen vaikuttavia tekijöitä. Massan pesusta esitettiin perusteet ja teoriaa. Lopuksi tarkasteltiin massan karakterisointia eri lähestymistavoilla sekä kuitujen perusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa verrattiin LTY:n koesuodatuslaitteistolla tehdyillä suodatuskokeilla korkeakappa-massaisen sellukakun suotautuvuutta eri paine-eroilla, suodoksen eri hienoainepitoisuuksilla sekä ennen ja jälkeen sellutehtaallatapahtuneen kuidutuksen. Savonlinnassa sijaitsevalla laitteistolla tehtiin syrjäytystestejä ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla sellumassoilla. Lisäksi ennenja jälkeen kuidutusta otettuja sellumassanäytteitä karakterisoitiin mm. kuituanalysaattorilla, huokoskoko- ja ominaispinta-ala-analyyseillä sekä SEM-kuvilla. Suodatuskokeissa hienoainepitoisuudella ei ollut merkitystä permeabiliteettiin mitattujen suodosvirtausten perusteella. Kuten Darcyn lain perusteella voitiin olettaa, kakun paine-eron kasvaessa permeabiliteetti kasvoi. Vaikutus ei ollut kuitenkaan lineaarinen paine-eroon verrattuna vaan kakun permeabiliteetti kasvoi enemmän tietyllä paine-erovälillä. Tämä paine-eroväli vaihteli hieman riippuen oliko sellumassa otettu ennen vai jälkeen kuidutusta. Lappeenrannassa tehdyissä suodatuskokeissa ei ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla näytteillä ollut selvää eroa permeabiliteeteissa, mutta Savonlinnan syrjäytystesteissä ero syrjäytymisnopeudessa oli selvä. Ennen ja jälkeen kuidutusta otettujen sellumassojen kuituanalysaattorituloksissa ja SEM-kuvissa ei havaittu eroa näytteiden välillä, mutta massojen huokoskoko muuttui kuidutuksen vaikutuksesta.

Lajitteluparametrit korkeakappaisessa sellulinjassa

Tutkimustyön tarkoituksena oli selvittää Tainionkosken sellutehtaan vuonna 2001 uudistetun kuitulinjan prosessin vaikutusta kuumajauhatukseen, kuumalajitteluun, pesutulokseen ja hienolajitteluun. Työn tavoitteena oli löytää ja todentaa optimaalinen ajotapa lopputuotteen eli Tainionkosken kartonkitehtaan kartongin kannalta pesussa, kuidutuksessa, kuumalajittelussa ja hienolajittelussa. Ennen kuitulinjan uudistusta kartoitettiin tilanne kuumajauhatuksessa ja kuumalajittelussa ennen prosessimuutoksia. Kartoituksessa havaittiin, että kuumalajittelu ja kuumakuidutus toimivat parhaiten puhtaan jauhatusenergian ollessa n. 18 kWh/ADT, sekä tilavuusmääräisen ja massavirtamääräisen rejektisuhteen ollessa n. 30 %.Uuden pesemön valmistumisen jälkeen tutkittiin kappatason ja energiatason vaikutusta kuumalajitteluun, kuumakuidutukseen ja pesutulokseen. Tutkimuksessa todettiin tikkupitoisuuksien kasvavan kappatason kohoamisen seurauksena. Kuumajauhimen syöttösakeus kasvoi kappatason noustua, koska prosessimittaus ei huomioinut sakeuden kasvua ja tällöin jauhimen laimennusveden määrä jäi liian vähäiseksi. Korkean kapan seurauksena keitosta tulevien suurien partikkelien määrä lisääntyi. Kuumajauhatuksessa korkeampi kappaluku merkitsi hienoaineen lisääntymistä jauhetussa massassa. Tämän seurauksena kuidutetun massan suotautumisvastus kasvoi kappatason kohottua. Uuden prosessin kuumajauhatukseen tuleva massa on jo pesty 4-vaiheisella DD-pesurilla. Puhtaampi massa kuumajauhatuksessa ja kuumalajittelussa on merkinnyt jauhimen tikkureduktion paranemista, mutta samalla kuumalajittimen tikkujen puhdistustehokkuus on heikentynyt. Laboratoriomittausten mukaan kappatason kasvu huonontaa pesutulosta uudessa pesemössä. Uuden hienolajittamon suorituskykyä määritettiin taseiden avulla. Vanhan lajittamon toiminnassa huomattiin puutteita siinä, että 2-portaan lajittimen 1-portaan syöttöön tulevan rejektivirran tikkupitoisuus oli suurempi mitä tikkupitoisuus 1-portaan syöttövirrassa. Uudessa lajittamossa molempien virtausten tikkupitoisuudet olivat lähes samat. Kokonaisuudessaan hienolajittamon toiminta havaittiin hyväksi. Pesemö ja hienolajittelu toimivat kokeiden perusteella parhaiten lähellä mitoitettua maksimituotantoa 700 ADT/d.

Kineettinen tarkastelu keskisakeusalueella toimivalle happivaiheelle

Työn tavoitteena oli tarkastella keskisakeudessa toimivan happidelignifioinnin kinetiikkaa ja vertailla sitä olemassa olevien kineettisten tutkimuksien kanssa. Lisäksi tutkittiin kuinka happivaiheen suodos vaikuttaa delignifiointiasteeseen sekä selektiivisyyteen. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin happidelignifioinnin kineettisiin malleihin, jotka on kehitetty ennustamaan alkalin, paineen, lämpötilan ja ajan vaikutusta ligniinin poistumiselle sekä hiilihydraattiketjujen katkeilulle. Delignifioituminen on nopeaa ensimmäisen kymmenen minuutin aikana ja hidastuu jäännösdelignifiointivaiheessa. Laboratoriotutkimuksissa selvitettiin kuinka prosessimuuttujat vaikuttavat kappaluvun ja viskositeetin muutokseen. Tuloksia tarkasteltiin lineaarisella regressioanalyysillä, jonka avulla muuttujien vaikutukset saadaan selkeästi esille. Happivaiheen ensimmäisessä vaiheessa suurin vaikutus delignifiointiasteeseen sekä viskositeetin alenemiseen on alkaliannoksella. Pienillä hapen annostuksella saavutettiin hyvä selektiivisyys, suurillakin alkaliannoksilla. Lämpötilan vaikutus on lähes olematon, kun paine on pieni. Kun paine kasvaa, kasvaa myös lämpötilan vaikutus delignifiointiasteeseen. Hiilihydraattien depolymerisoituminen lisääntyy lämpötilan kasvaessa lähes lineaarisesti, riippumatta paineesta. Hyvä loppuselektiivisyys saavutetaan kun ensimmäisen vaiheen selektiivisyys on hyvä. Ensimmäisessä vaiheessa saavutettiin hyvä selektiivisyys, kun alkali ei pääse kulumaan loppuun eikä delignifioituminen jatku liian pitkälle. Toisessa vaiheessa selektiivisyys säilyy parhaiten, kun lisättävä alkaliannos on pieni. Lämpötila ja paine vaikuttavat alkaliannokseen verrattuna hyvin vähän loppuselektiivisyyteen.

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.

Sulfaattimassan D/Q(EOP)D-valkaisimon optimointi

Työssä tutkittiin sulfaattisellutehtaan ECF-valkaisimon toimintaan vaikuttavia tekijöitä. Tavoitteena oli selvittää tekijöiden vaikutus massan laatuominaisuuksiin, valkaisimon kemikaalikustannuksiin ja klooridioksidin kulutukseen. Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu nykyaikaisen sulfaattisellutehtaan eri prosesseja. Erityistä huomiota on kiinnitetty sellun ECF-valkaisuun ja kyseisessä valkaisussa käytettäviin kemikaaleihin. Lisäksi on tarkasteltu TCF-valkaisua ja mahdollisuuksia sulkea sellutehtaan vesikiertoja. Kokeellisessa osassa selvitettiin Oy Metsä-Botnia Ab Joutsenon tehtaan kolmivaiheisen ECF-valkaisimon massan laatuominaisuuksiin, kustannuksiin ja klooridioksidin kulutukseen vaikuttavia tekijöitä. Tavoitteena oli vaikuttaa positiivisesti massan laatuominaisuuksiin valkaisun keinoin. Samalla pyrittiin minimoimaan valkaisusta aiheutuvia kemikaalikustannuksia ja vähentämään klooridioksidin kulutusta. Työssä käytettiin Taguchi-menetelmää. Tehdyn tutkimuksen myötä saatiin runsaasti tietoa mihin eri ominaisuuksiin tutkitut tekijät vaikuttivat. Metallien poistolla eli kelatoinnilla havaittiin olevan suuri merkitys hapettavan alkaliuuttovaiheen ja samalla koko valkaisimon toimintaan. Suurella kelatointiaineannoksella valkaisimon selektiivisyys ja tehokkuus paranivat. Muista tekijöistä happiannoksella havaittiin olevan vaikutusta vain massan paperiteknisiin ominaisuuksiin ja hiilihydraattien koostumukseen. Happiannoksen kasvattaminen paransi repäisyindeksiä ja vähensi massan jauhatustarvetta yli valkaisimon. Kyseisiin ominaisuuksiin vaikuttivat myös klooridioksidi ja sen toimintaolosuhteet. Kemikaalikustannuksiin vaikuttavista tekijöistä valkaisimon tulokapalla ja ensimmäisen klooridioksidivaiheen kemikaaliannoksella havaittiin olevan suuri merkitys. Samat tekijät vaikuttivat myös valkaisimon klooridioksidin kokonaiskulukseen.

Kuplakokojakauman hallinta happidelignifioinnissa

Työn tarkoituksena oli uutta kuvantamistekniikkaa hyödyntäen tutkia erilaisten tekijöiden vaikutusta kaasun dispergoitumiseen kemikaalisekoittimessa, kun kaasua sekoitetaan keskisakeaan massaan. Lisäksi työssä pyrittiin selvittämään, kuinka paljon kuitususpensioon tuotettu kaasufaasin kuplakokojakauma vaikuttaa happidelignifioinnin tulokseen. Kaasumaisten aineiden käyttäytymistä keskisakeissa kuitususpensiossa ei tarkkaan tunneta. Mikäli kaasumaisen hapen käyttäytymisestä saadaan uutta tietoa, tarjoaa tämä muun muassa uusia mahdollisuuksia kaasua sekoittavien laitteiden tuotekehityksessä. Työn kokeellinen osuus koostui kahdesta osasta, joista ensimmäisessä osassa selvitettiin sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden, reaktorin kaasutilavuuden sekä suspension sakeuden vaikutusta muodostuvaan kaasun kuplakokojakaumaan. Työn jälkimmäisessä osassa arvioitiin yksivaiheisten keskisakeudessa tehtyjen happidelignifiointien perusteella suspensioon tuotetun kaasun kuplakokojakauman merkitystä happidelignifiointitulokseen. Kuplakokojakaumat määritettiin reaktoriin kiinnitetyllä kameralla kuvatuista valokuvista, joita otettiin sekoitustapahtuman aikana. Työn tuloksien perusteella sekoituksen voimakkuudella oli suurin vaikutus suspensioon muodostuvan kuplakokojakauman kannalta. Roottorin kierrosnopeuden kasvaessa kaasun keskimääräinen kuplakoko pieneni sekä havaittujen kuplien lukumäärää kasvoi huomattavasti. Myös suspension sakeuden kasvattamisen havaittiin vaikuttavan kuplakokoon pienentävästi. Happidelignifioinneissa saavutettiin paras kappareduktio, kun kaasun kuplakoko oli mahdollisimman pieni. Käytetty kuvantamistekniikka on tiettävästi ensimmäinen menetelmä, jolla saadaan reaaliaikaista tietoa vain muutamien kymmenien mikrometrien kokoisten kaasukuplien käyttäytymisestä oikeassa prosessitilanteessa.

ISBN (international standard book number) -an international perspective

Esitelmä Suomen ISBN-keskus 30 vuotta -juhlassa Helsingin yliopistossa 7.11.2002

Linear prediction application for modelling the relationships between a large number of stand characteristics of Norway spruce stands

Abstract