Fiber flows in global paper and pulp industry. A panel data approach.

The purpose of this thesis is to study factors that explain the bilateral fiber trade flows. This is done by analyzing bilateral trade flows during 1990-2006. It will be studied also, whether there are differences between fiber types. This thesis uses a gravity model approach to study the trade flows. Gravity model is mostly used to study the aggregate data between trading countries. In this thesis the gravity model is applied to single fibers. This model is then applied to panel data set. Results from the regression show clearly that there are benefits in studying different fibers in separate. The effects differ considerably from each other. Furthermore, this thesis speaks for the existence of Linder’s effect in certain fiber types.

Production planning and optimization of a pulp mill: introduction of the optimisation based scheduling software for pulp industry

The objective of this project was to introduce a new software product to pulp industry, a new market for case company. An optimization based scheduling tool has been developed to allow pulp operations to better control their production processes and improve both production efficiency and stability. Both the work here and earlier research indicates that there is a potential for savings around 1-5%. All the supporting data is available today coming from distributed control systems, data historians and other existing sources. The pulp mill model together with the scheduler, allows what-if analyses of the impacts and timely feasibility of various external actions such as planned maintenance of any particular mill operation. The visibility gained from the model proves also to be a real benefit. The aim is to satisfy demand and gain extra profit, while achieving the required customer service level. Research effort has been put both in understanding the minimum features needed to satisfy the scheduling requirements in the industry and the overall existence of the market. A qualitative study was constructed to both identify competitive situation and the requirements vs. gaps on the market. It becomes clear that there is no such system on the marketplace today and also that there is room to improve target market overall process efficiency through such planning tool. This thesis also provides better overall understanding of the different processes in this particular industry for the case company.

Modelling the exothermic heat and the demand of cooling in paper and pulp industry biological wastewater treatment

This master thesis presents a study on the requisite cooling of an activated sludge process in paper and pulp industry. The energy consumption of paper and pulp industry and it’s wastewater treatment plant in particular is relatively high. It is therefore useful to understand the wastewater treatment process of such industries. The activated sludge process is a biological mechanism which degrades carbonaceous compounds that are present in waste. The modified activated sludge model constructed here aims to imitate the bio-kinetics of an activated sludge process. However, due to the complicated non-linear behavior of the biological process, modelling this system is laborious and intriguing. We attempt to find a system solution first using steady-state modelling of Activated Sludge Model number 1 (ASM1), approached by Euler’s method and an ordinary differential equation solver. Furthermore, an enthalpy study of paper and pulp industry’s vital pollutants was carried out and applied to revise the temperature shift over a period of time to formulate the operation of cooling water. This finding will lead to a forecast of the plant process execution in a cost-effective manner and management of effluent efficiency. The final stage of the thesis was achieved by optimizing the steady state of ASM1.

Ultrafiltration of pulp mill bleaching effluents

Main objective of this research was to find suitable polymeric ultrafiltration membranes with high retentions, good capacities and low fouling tendencies for the E2- and EP-effluent ultrafiltration. Purpose was to treat alkaline bleaching effluents with ultrafiltration in a way that permeates of the filtrations could be recycled back to process and the consumption of fresh water in the pulp mill could be reduced significantly. In the theoretical part of this work the challenges set by the pulp and paper indus-try processes for membranes were examined. An overview of the membrane tech-nology in the pulp industry was also provided. In addition process conditions in the chemical pulp bleaching and properties of bleaching effluents were discussed in literature study. In experimental part the E2- and EP-stage bleaching effluents from Stora Enso Imatra kraft pulp mill were ultrafiltered with CR250- and CR200-filters. Suitable membranes for ultrafiltration were chosen after screening experiments. Concentra-tion experiment was made for the E2-effluent in order to estimate water saving potential. The E2-effluent was finally ultrafiltered in the pulp mill in order to test the feasibility of ultrafiltration in a real industrial environment. Good membrane for the EP-effluent ultrafiltration based on the EP-screening ex-periments was polyethersulfone membrane UP020 with cut-off value of 20 000 Da. Polysulfone membrane UFX05 with cut-off value of 5 000 Da was promising membrane for the ultrafiltration of the E2-effluent. Based on the concentration filtration of the E2-effluent with UFX05 membrane the water saving potential could be 2.2 m3/Adt for the industrial scale ultrafiltration process. Retention re-sults, such as average COD retention of 60 %, from the trial filtration at the pulp mill with UFX05 membrane were modest compared to the screening experiments, where average COD retention was 75 %. Therefore tighter ultrafiltration mem-branes should be tested for the ultrafiltration of the E2-effluent. The UP020 mem-brane seemed to be suitable for the ultrafiltration of the EP-effluent however con-centration and pilot scale ultrafiltration experiments are needed to verify this.

e-Business and collaboration: A case study of pulp supply chain

This thesis studies how the case company could digitalize its supply chain and what kind of advantages this would create in the light of supply chain efficiency. The case company manufactures several pulp products that are used for paper, fabrics and packaging products by customers worldwide. The paper and pulp industry has been paying more and more attention to increasing supply chain efficiency with new operating and service models made possible by today’s information technology. The main focus of this study is on the supply chain between the case company and its key customers and the goal is to find ways to make the operations between them as efficient as possible. The study relays heavily on collaboration techniques and digitalization technologies. In addition to a theoretical framework, the study includes several empirical studies that offer real-life examples of how these theories and technologies are applied in operating environments similar to the case company. A plan with strategic and operational levels is created according to the findings of the previous sections to support the case company’s future operations. The plan is based on an RFID-supported collaboration model that aims to advance information sharing between the supply chain partners. The time for an RFID-investment is sought to be very optimal and the benefits of such system to be noteworthy, but challenging to measure in monetary terms.

Sellutehtaan hajukaasujen hallinnan kehittäminen

Diplomityössä on tarkasteltu sellutehtaan laimeiden ja väkevien hajukaasujen käsittely-järjestelmän toimivuutta ja riittävyyttä muuttuvassa tuotantotilanteessa. Käyttöhenkilökunnan nimeämiin järjestelmän ongelmiin on esitetty parannusehdotuksia. Työssä arvioidaan kyseiselle sellutehtaalle paras käyttökelpoinen tekniikka hajukaasujen polttotavaksi. Työssä on tutustuttu nykyaikaisiin erilaisiin hajukaasujen käsittelytapoihin ja esitetty niiden heikkouksia ja vahvuuksia. Työssä on tuotu esille hajukaasujen keräilyyn liittyviä turvallisuusnäkökohtia. Diplomityössä arvioitiin koivu- ja havusellua valmistavan sellutehtaan hajukaasujen käsittelyjärjestelmän toimivuutta haastattelemalla käyttöhenkilökuntaa ja seuraamalla järjestelmän poikkeusilmoituksia. Työssä on annettu muutosehdotuksia, jotta keräily saadaan aikaisempaa turvallisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Riittävyyttä on arvioitu vertaamalla hajukaasujen käsittelyjärjestelmän mitoitusarvoja toteutuneisiin arvoihin ja tuotannon nousun vaikutusta syntyvien hajukaasujen määriin on arvioitu karkeasti laitetoimittajan ohjeiden mukaan. Pääosin hajukaasujen keräily onnistuu hyvin ja on riittävä keräämään syntyvät hajukaasut. Tilanne on harkittava uudelleen, mikäli prosesseissa tehdään merkittäviä muutoksia, jotka vaikuttavat syntyvien hajukaasujen määriin tai niiden rikkipitoisuuteen.

Eräällä pelkkahakkurilla tuotetun selluhakkeen laatujakauman hallinta

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää eräällä pelkkahakkurilla tuotetun selluhakkeen laadun vaihtelua ja laadun hallinnan mahdollisuuksia. Tutkittu laite on Veisto Oy:n suunnittelema ja valmistama HewSaw R200 - pelkkahakkuri. Tutkimuksessa selvitetään sahauksen yhteydessä pelkkahakkurilla tuotettavaan selluhakkeeseen vaikuttavien parametrien: hakkurin pyörimisnopeuden, tukin syöttönopeuden, hakkurin terien vaihtovälin, selluhakkeen palakoon, tukkiluokan, puun lämpötilan ja puulajin välisiä korrelaatioita ja edellä mainittujen tekijöiden vaikutusta tuotettavan hakkeen palakokojakaumaan. Tämä palakokojakauma määrää selluhakkeen laadunmäärityksessä käytettävän, niin sanotun hintakertoimen. Kyseinen hintakerroin määritellään SCAN – CM 40 – standardin mukaisella seulonnalla. Tämä standardi on käytössä laadunmäärityksen perusteena kaikilla pohjoismaisilla sellutehtailla.Tutkimuksen kirjallisessa osuudessa esitellään sahateollisuuden merkittävimmät sahausmenetelmät ja sivuotteiden tuotanto . Seuraavassa osassa käsitellään erikseen selluhaketta sahateollisuuden sivutuotteena ja sen taloudellista merkitystä sahateollisuudessa. Jatkossa keskitytään selluhakkeen tuottamiseen pelkkahakkurilla ja puun työstämiseen liittyviin periaatteisiin.Tutkimuksen kokeellisessa osuudessa tutkittaan, eri sahalaitoksilta otettujen hakenäytteiden perusteella, tärkeimmiksi havaittujen tuotantoparametrien vaikutusta selluhakkeen laatuun ja saantoon. Näytteitä otettiin tutkimuksen kokeellisessa osuudessa yhteensä noin 250 kappaletta. Tutkimuksen tuloksia käsittelevässä osuudessa on annettu malli tutkitulla HewSaw R200 - pelkkahakkurilla tuotetun selluhakkeen laadun ja määrän arvioimiseen.

Materiaalin valinta sulatuskuljettimen kuluviin kohteisiin

Sellutehtaiden vesikiertojen sulkeutuminen on lisännyt prosessiveden korrodoivuutta. Korroosio- ja mekaanisen kulumisen aiheuttamat ongelmat ovat nousseet esille, kun käytettävät kulutusteräkset eivät enää kestä muuttuneita prosessiolosuhteita. Tässä diplomityössä materiaalin valinnan avulla on etsitty paremmin kulumista kestävää terästä sellutehtaan kuorimon sulatuskuljettimeen. Työssä on tutkittu terästen kulumiskestävyyttä ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Tarkastelun kohteena ovat olleet materiaalien koostumus ja ominaisuudet sekä kulumisympäristö. Työn tavoitteina oli lisätä ymmärtämystä ketjukuljettimissa esiintyvistä kulumismekanismeista ja niihin vaikuttavista tekijöistä. Hankittua tietämystä on käytetty apuna materiaalin valinnassa. Kulumiskestävyyden selvittämiseksi eri koostumuksen omaavia kaupallisia teräksiä testattiin oikeissa käyttöolosuhteissa ja kontrolloiduissa laboratorio-olosuhteissa. Työssä on valittu testattujen terästen joukosta parhaiten sulatuskuljettimen kuluviin kohteisiin soveltuva teräs.

Tilastollisen laadunhallintatoiminnan kehittäminen selluteollisuudessa

Työn päätavoitteena oli kehittää Oy Metsä-Botnia Ab:n Rauman tehtaan tilastollista laadunhallintatoimintaa ratkaisemalla toimintatapoihin ja DNA SPC -sovelluksen syy-seurauskaavion sisältöön liittyvät ongelmat. Ensimmäinen osatavoite oli erityissyiden tilaston keräysmenetelmänä ja ongelmanratkaisun apuvälineenä käytetyn syy-seurauskaavion sisällön kehittäminen ja sen päivityksen toimintamallien luominen. Toisena osatavoitteena oli aluevastaavien SPC-viikkoraportoinnin kehittäminen ja kolmantena SPC-toiminnan aikaansaaman tehtaan suorituskykymuutoksen määrittäminen. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin prosessien kehittämiselle tärkeät työkalut sekä tilastollisen ajattelun ja SPC:n perusperiaatteet. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin myös SPC:n käyttöä hankaloittavia selluteollisuuden erityispiirteitä. Työssä kehitettiin syy-seurauskaaviota entistä helppokäyttöisemmäksi vaihtamalla yleisten pääluokkien tilalle ohjauskortteja vastaavat pääluokat. Syy-seurauskaavion päivitykselle ja SPC-viikkoraportoinnille luotiin tehokkaat toimintamallit. SPC-viikkoraportoinnin toimintamallin pitäisi muun muassa parantaa tiedonkulkua tehtaalla. Työssä tehtyjen tilastollisten testien mukaan Rauman tehtaan suorituskyky oli useiden mittareiden osalta parantunut SPC-toiminnan myötä. Muutaman mittarin osalta Rauman tehtaan suorituskyky oli heikentynyt SPC-toiminnan aloittamisen jälkeen.

Paineellisten rumpusuodinten kunnossapitostrategian kehittäminen ja implementointi

Tutkimuksen tavoitteena oli luoda UPM-Kymmene Oyj:n Kaukaan sellutehtaalle tuotannolliset näkökulmat huomioiva ja kunnossapitokustannukset optimoiva paineellisten rumpusuodinten kunnossapitostrategia. Paineelliset rumpusuotimet on sellutehtaan kuitulinjan keskeinen laiteryhmä, jonka vuosittaiset kunnossapitokustannukset ovat merkittävät. Tarkastelu työssä keskittyi paineellisen rumpusuotimen päätytiivistyksen kunnossapitostrategian kehittämiseen, koska päätytiivistys muodostaa laitteen vuosittaisista kustannuksista suurimman osan. Kunnossapitokustannusten optimointi suoritettiin strategisen johtamisen periaatteiden mukaisesti eri teknistaloudelliset näkökulmat huomioiden. Kunnossapidon toteutukselle määriteltiin tuotannon tavoitteet, jonka perusteella luotiin uusi kunnossapitostrategia. Työssä tehdyn tutkimuksen perusteella siirtymällä korjaavasta kunnossapidosta ehkäisevään kunnossapitoon, voidaan saavuttaa säästöjä kunnossapitokustannuksissa. Uuden strategian toteutumisen mahdollistamiseksi määriteltiin strategiset projektit, jotka käsittelivät muun muassa uusien tiivistemateriaalien käyttöönottoa, alajärjestelmien muutostöitä sekä toimintatapojen muutoksia. Strategian ja strategisten projektien toteutusta varten laadittiin kirjalliset dokumentit, joiden perusteella implementointi suoritetaan. Toimenpiteille määriteltiin vastuuhenkilöt ja toteutusajat, joiden mukaisesti eri organisaatiotasot toimivat. Strategia laadittiin seuraavalle kymmenelle vuodelle, mutta strategian toteutusta ja tuloksia on seurattava vuosittain. Muuttuvassa liiketoimintaympäristössä kunnossapidon optimitila ei ole staattinen, joten strategiaa on oltava valmis päivittämään. Aktiivisella ja suunnitelmallisella toiminnalla on mahdollista saavuttaa merkittäviä säästöjä tuotannon ja kunnossapidon näkökulmasta.

Ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan mitoitustyökalun kehittäminen

Hihnakuljettimia käytetään muun muassa voimalaitos- ja sellutehdasympäristöissä kuljettamaan kiinteää polttoainetta tai haketta pitkiä matkoja. Pitkät hihnakuljettimet asennetaan yleensä teräsristikoista rakennettujen kuljetinsiltojen sisään. Kuljetinsilta toimii siis hihnakuljettimen ja hoitokäytävän runkona sekä suojaa kuljetinta ja kuljetettavaa materiaalia säältä. Tässä diplomityössä on laadittu mitoitustyökalu, jolla voidaan nopeasti mitoittaa ristikkorakenteisen hihnakuljetinsillan sauvat sekä määrittää rakenteen massa. Laskentaohjelma on toteutettu Microsoft Excel -taulukkolaskentana. Sillan poikkileikkaus voi olla suljettu symmetrinen umpirakenne tai avorakenne, jossa on ulokkeellinen hoitotaso. Ristikon sauvat ovat RHS-putkia. Rakenteeseen voi vaikuttaa jatkuvia kuormia, pistekuormia sekä näistä johdetut, ekvivalenttiin staattiseen voimaan perustuvat maanjäristyskuormat. Diplomityössä on perehdytty mitoitustyökalussa sovellettuihin teorioihin. Voimasuureiden laskenta perustuu 2-tukisina palkkeina käsiteltävien siltalohkojen ratkaisuun ja palkkianalogiaan, jossa ristikon sauvavoimat ratkaistaan käsittelemällä ristikkoa palkkina. Sauvojen kestävyyden laskenta perustuu SFS-EN 1993-1-1 -normiin, joka on osa Eurocode -rakennesuunnittelunormistoa. Lisäksi työssä on käsitelty ristikkoliitosten mitoitusta SFS-EN 1993-1-8 mukaan. Mitoitusohjelman toimivuutta on testattu tarkastelemalla esimerkkisiltaa laaditulla mitoituspohjalla ja Autodesk Robot Professional 2013 -FE-analyysiohjelmisuolla. Tulosten perusteella mitoitustyökalua voidaan käyttää ainakin tarjousvaiheen nopeisiin tarkasteluihin ja omamassan määritykseen, mutta myös lopulliseen mitoitukseen, mikäli hyväksytään konservatiivinen mitoitus.

Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö

Hiilidioksidilla on merkittävä vaikutus ilmastoon ja suurin osa ihmisten käyttämästä energiasta perustuu hiilipohjaisiin polttoaineisiin. Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö tarjoaa erinomaisen mahdollisuuden ilmastonmuutoksen vai-kutusten vähentämiseen vaikuttamatta kuitenkaan merkittävästi käytettyihin energialäh-teisiin. CO2:n talteenottotekniikat voidaan jakaa neljään periaatteeltaan erilaiseen tyyppiin: pol-ton jälkeiseen talteenottoon, ennen polttoa tapahtuvaan talteenottoon, happipolttoon ja kemialliseen kiertoon perustuvaan palamiseen. Polton jälkeinen ja ennen polttoa tapah-tuva talteenotto edustavat eniten tutkittua ja käytettyä tekniikkaa. Hyötykäyttökohteita CO2:lla on useita, joista nykyiset merkittävimmät ovat öljyn tuo-tannon tehostus ja elintarviketeollisuus. Tulevaisuudessa merkittäviä käyttökohteita tulee todennäköisesti olemaan uusiutuvan energian varastointi synteettiseen metaa-niin/metanoliin, kemian-, paperi- ja selluteollisuuden prosessit ja vedenkäsittely.

Biohiilen teknillistaloudelliset käyttömahdollisuudet meesauuneissa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia biohiilen teknillisiä ja taloudellisia käyttömahdollisuuksia meesauunien polttoaineena. Suomessa meesauunit käyttävät polttoaineinaan yleensä maakaasua ja polttoöljyä. Näiden polttoaineiden käytön korvaamisessa ja vähentämisessä halvemmilla biopolttoaineilla on saatavilla suuret säästöt ja päästöjen vähennykset. Työssä keskityttiin erityisesti tutkimaan biohiilen mahdollisia polttotapoja, biohiilen polton tuottamien vierasaineiden määrää ja biohiilen käytön taloudellista kannattavuutta meesauunien polttoaineena. Työn pohjalta voidaan sanoa, että biohiilen käyttö meesauunien polttoaineena on mahdollista ja kannattavaa. Biohiiltä voidaan käyttää polttoaineena meesauuneissa samoilla polttotavoilla, mitä on käytetty sellu- ja sementtiteollisuudessa polttamaan biohiilen kaltaisia polttoaineita. Biohiilen polton tuottamien vierasaineiden määrä on samaa suuruusluokkaa kuin puun pölypolton tuottamien vierasaineiden määrä. Vierasaineiden pitoisuuksia voidaan hallita avaamalla kemikaalikiertoa. Biohiilen kanssa kilpaileviin puun pölypolttoon ja kaasutukseen nähden biohiilelle löydettiin etuja.

Analytics for the modified kraft pulps

Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää sopiva analyyttinen menetelmä muokatun kraft-sellukuidun substituutioasteen (DS) kvantitatiivista määrittämistä varten. Muokkauksella tarkoitetaan tässä yhteydessä joko kovalenttisesti tai adsorption avulla tapahtuvaa molekyylin kiinnittymistä sellukuidun pinnalle. Työn kirjallisuusosuudessa käsitellään lyhyesti eri muokkaustapoja ja yhdisteitä joiden avulla voidaan saavuttaa haluttuja ominaisuuksia sellusta valmistetuille lopputuotteille. Lisäksi kirjallisuusosuudessa käydään läpi käyttötarkoitukseen soveltuvimpia suoria ja epäsuoria analyysimenetelmiä. Analyysimenetelmistä kaikkein lupaavimpia testattiin työn kokeellisessa osassa. Diplomityön kokeellisessa osassa keskityttiin kehittämään muokatulle sellulle kvantitatiivista menetelmää DS:n määrittämiseksi Fourier-muunnos infrapuna-vaimennettu kokonaisheijastus (FTIR-ATR) spektrometrillä. Kirjallisuuskatsauksessa ei löytynyt yhtään dokumentoitua tutkimusta, jossa FTIR-ATR menetelmää olisi käytetty muokatun sellukuidun kvantitatiiviseen tutkimukseen. Muiden analyysimenetelmien, kuten alkuaineanalyysin, termogravimetrisen analyysin (TGA) ja valomikroskopian avulla pyrittiin tuottamaan lisätietoa muokkauksesta. Kvantitatiivisen FTIR-ATR menetelmän kehitykseen käytetyt muokatut sellukuidut olivat selluloosa-asetaattia ja selluloosa betainaattia. Saatujen tulosten perusteella muokattujen sulfiitti- ja kraft sellukuitujen DS:n kvantitatiivinen määrittäminen on mahdollista FTIR-ATR menetelmällä. Vähäinen kalibrointipisteiden määrä vaikeutti tarkan analyysimenetelmän tekemistä. Kehitetyn menetelmän suurimpina ongelmina olivat kiinteiden näytteiden heterogeenisyys sekä mahdollisten epäpuhtauksien tunnistaminen. Jatkotutkimusten avulla kehitettyä menetelmää on kuitenkin mahdollista käyttää muokattujen sellukuitujen jatkuvaan analysointiin selluteollisuudessa.