Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Optimal Mechanical PulpingProcesses for Eucalyptus, Acacia and Birch

Tässä diplomityössä tutkittiin ja vertailtiin eukalyptuksen, akaasian ja koivun kemimekaanista kuiduttamista ja valkaisua. Yleensä näitä puulajeja käytetään sellun keittoon. Puulajit eroavat toisistaan kasvupaikan ja kuiturakenteen osalta. Eukalyptus ja akaasia ovat niin sanottuja trooppisia lehtipuita, kun taas koivu kasvaa pohjoisilla vyöhykkeillä. Koivulla on kookkaimmat kuidut ja akaasialla pienimmät kuidut. Myös näiden lajien putkilot eroavat toisistaan. Koivun putkilot ovat pitkiä ja kapeita, kun taas eukalyptuksen ja akaasian putkilot ovat lyhyitä ja leveitä. Prosessiksi valittiin kaksivaiheinen APMP-prosessi. Koeajot tehtiinKeskuslaboratorio Oy:ssä. Massoille asetettiin seuraavat tavoitteet: freeness 150-200 ml ja vaaleus 80 %ISO. Eukalyptukselle ja koivulle tehtiin kaksi erilaista impregnointisarjaa, mutta akaasialle vain yksi. Jauhatuksen viimeisessä vaiheessa kokeiltiin myös jauhinvalkaisua. Jauhatuksen energiankulutus oli korkea varsinkin eukalyptuksella ja akaasialla. Jotta energiankulutus saataisiin pienemmäksi, tulisi käyttää enemmän lipeää, mutta se johtaa alkalitummumiseen. Lopuksi massat valkaistiin laboratoriossa. Eukalyptus ja koivu pystyttiin valkaisemaan vaaleuteen 80 %ISO, mutta eukalyptuksen valkaisu vaati enemmän peroksidia kuin koivun valkaisu. Akaasian lähtövaaleus oli niin alhainen, ettei siinä päästy tavoitevaaleuteen. Eukalyptuksella on parempi valonsironta ja paremmat lujuusominaisuudet kuin koivulla. Kemimekaanista massaa voidaan käyttää hienopaperissa parantamassa jäykkyyttä, bulkkia ja valonsirontaa, mutta usein ongelmana on alhainen vaaleus ja huono vaaleuden pysyvyys. Kemimekaanista massaa voidaankäyttää missä tahansa mekaanisissa painopapereissa. Mekaanisissa painopapereissa kemimekaanisella lehtipuumassalla voidaan korvata mekaanista havupuumassaa. Akaasia on niin tummaa, ettei sitä voida käyttää korkeavaaleuksisiin papereihin. Eukalyptus ja koivu ovat vaaleampia ja helpompia valkaista kuin akaasia, mutta myös niillä on niin huono vaaleudenpysyvyys että käyttö hienopapereissa on rajoittunutta. Mekaanisille eukalyptus ja koivumassoille hienopaperia parempi käyttökohde on mekaaniset painopaperit, kuten MWC-paperi.

Supplier Energy Audits in Thermal Power Plants

This master’s thesis handles an operating model for an electric equipment supplier conducted sale oriented energy audit for pumping, fan and other motor applications at power plants. The study goes through the largest factors affecting internal electricity use at a power plant, finds an energy audit –like approach for the basis of information gathering and presents the information needed for conducting the analysis. The model is tested in practice at a kraft recovery boiler of a chemical pulping mill. Targets chosen represent some of the largest electric motor applications in the boiler itself and in its fuel handling. The energy saving potential of the chosen targets is calculated by simulating the energy consumption of the alternatives for controlling the targets, and thereafter combining the information with the volume flow duration curve. Results of the research are somewhat divaricated, as all the information needed is not available in the automation system. Some of the targets could be simulated and their energy saving potential calculated quite easily. At some of the targets chosen the monitoring was not sufficient enough for this and additional measurements would have been needed to base the calculations on. In traditional energy audits, energy efficiency of pump and fan applications is not necessarily examined. This means that there are good possibilities for developing the now presented targeted energy audit procedure basis further.

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.

Kaasun dispergoituminen tehdasmittakaavaisessa keskisakean massan sekoittimessa

Työn tarkoituksena oli selvittää Proto 10 kemikaalisekoittimen kyky dispergoida kaasua keskisakean valkaistun mäntysellun joukkoon. Työssä käytettiin kuvantamistekniikkaa, jonka avulla pystyttiin näkemään sekoittimen ja putkiston sisälle sekoitustapahtuman aikana. Muodostunutta dispersiota tarkasteltiin kolmesta kuvauspisteestä, joista yksi sijaitsi sekoittimen pesässä ja kaksi putkistossa sekoittimen jälkeen. Työssä verrattiin myös laboratoriosekoittimella saatuja tuloksia teollisen mittakaavan sekoittimella saatuihin tuloksiin, sekä määritettiin tarvittava pinta-aktiivisen aineen konsentraatio, jolla saavutettiin ruskeaa massaa vastaava vaahtoaminen. Työn kokeellinen osuus koostui kolmesta osasta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin ruskeasta mänty- ja koivumassasta lingotun suodoksen vaahtoamista ja verrattiin sitä vedellä ja pesuaineella saatavaan vaahtoon. Toisessa vaiheessa suoritettiin referenssiajot laboratoriosekoittimen ja teollisen mittakaavan sekoittimen vertailua varten Quantum Mark IV laboratoriosekoittimella. Kolmannessa vaiheessa tutkittiin Proto 10 sekoittimen kykyä dispergoida kaasua mäntysellun joukkoon eri pyörimisnopeuksilla ja virtaamilla. Työn tuloksien perusteella energiankäytön kannalta paras pyörimisnopeus Proto 10 sekoittimelle on 1500 min-1. Nostamalla kierrosnopeutta yli tämän ei saavutettu merkittävää parannusta dispersion laadussa varsinkaan suuremmilla virtaamilla. Virtaamalla todettiin olevan suuri merkitys sekoitustulokseen. Laboratoriosekoittimella tehtyjen kokeiden todettiin vastaavan parhaiten teollisen mittakaavan tuloksia pyörimisnopeudella 1200 min-1.

Behavior of black liquor nitrogen in combustion : formation of cyanate

The Kraft pulping process is the dominant chemical pulping process in the world. Roughly 195 million metric tons of black liquor are produced annually as a by-product from the Kraft pulping process. Black liquor consists of spent cooking chemicals and dissolved organics from the wood and can contain up to 0.15 wt% nitrogen on dry solids basis. The cooking chemicals from black liquor are recovered in a chemical recovery cycle. Water is evaporated in the first stage of the chemical recovery cycle, so the black liquor has a dry solids content of 65-85% prior to combustion. During combustion of black liquor, a portion of the black liquor nitrogen is volatilized, finally forming N2 or NO. The rest of the nitrogen remains in the char as char nitrogen. During char conversion, fixed carbon is burned off leaving the pulping chemicals as smelt, and the char nitrogen forms mostly smelt nitrogen (cyanate, OCN-). Smelt exits the recovery boiler and is dissolved in water. The cyanate from smelt decomposes in the presence of water, forming NH3, which causes nitrogen emissions from the rest of the chemical recovery cycle. This thesis had two focuses: firstly, to determine how the nitrogen chemistry in the recovery boiler is affected by modification of black liquor; and secondly, to find out what causes cyanate formation during thermal conversion, and which parameters affect cyanate formation and decomposition during thermal conversion of black liquor. The fate of added biosludge nitrogen in chemical recovery was determined in Paper I. The added biosludge increased the nitrogen content of black liquor. At the pulp mill, the added biosludge did not increase the NO formation in the recovery boiler, but instead increased the amount of cyanate in green liquor. The increased cyanate caused more NH3 formation, which increased the NCG boiler’s NO emissions. Laboratory-scale experiments showed an increase in both NO and cyanate formation after biosludge addition. Black liquor can be modified, for example by addition of a solid biomass to increase the energy density of black liquor, or by separation of lignin from black liquor by precipitation. The precipitated lignin can be utilized in the production of green chemicals or as a fuel. In Papers II and III, laboratory-scale experiments were conducted to determine the impact of black liquor modification on NO and cyanate formation. Removal of lignin from black liquor reduced the nitrogen content of the black liquor. In most cases NO and cyanate formation decreased with increasing lignin removal; the exception was NO formation from lignin lean soda liquors. The addition of biomass to black liquor resulted in a higher nitrogen content fuel mixture, due to the higher nitrogen content of biomass compared to black liquor. More NO and cyanate were formed from the fuel mixtures than from pure black liquor. The increased amount of formed cyanate led to the hypothesis that black liquor is catalytically active and converts a portion of the nitrogen in the mixed fuel to cyanate. The mechanism behind cyanate formation during thermal conversion of black liquor was not clear before this thesis. Paper IV studies the cyanate formation of alkali metal loaded fuels during gasification in a CO2 atmosphere. The salts K2CO3, Na2CO3, and K2SO4 all promoted char nitrogen to cyanate conversion during gasification, while KCl and CaCO3 did not. It is now assumed that cyanate is formed when alkali metal carbonate or an active intermediate of alkali metal carbonate (e.g. -CO2K) reacts with the char nitrogen forming cyanate. By testing different fuels (bark, peat, and coal), each of which had a different form of organic nitrogen, it was concluded that the form of organic nitrogen in char also has an impact on cyanate formation. Cyanate can be formed during pyrolysis of black liquor, but at temperatures 900°C or above, the formed cyanate will decompose. Cyanate formation in gasifying conditions with different levels of CO2 in the atmosphere was also studied. Most of the char nitrogen was converted to cyanate during gasification at 800-900°C in 13-50% CO2 in N2, and only 5% of the initial fuel nitrogen was converted to NO during char conversion. The formed smelt cyanate was stable at 800°C 13% CO2, while it decomposed at 900°C 13% CO2. The cyanate decomposition was faster at higher temperatures and in oxygen-containing atmospheres than in an inert atmosphere. The presence of CO2 in oxygencontaining atmospheres slowed down the decomposition of cyanate. This work will provide new information on how modification of black liquor affects the nitrogen chemistry during thermal conversion of black liquor and what causes cyanate formation during thermal conversion of black liquor. The formation and decomposition of cyanate was studied in order to provide new data, which would be useful in modeling of nitrogen chemistry in the recovery boiler.

Temporal trends in chemical parameters of upland forest soils in southern Finland

Abstract

Management of Metals in the Pulping Process

Diplomityön tarkoituksena oli löytää keino korkean mangaanipitoisuuden hallintaan ECF-valkaisussa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin eri metallien ja kuidun vuorovaikutuksia sekä niiden vaikutuksia prosessiin. Lisäksi käytiin läpi sellunvalmituksen yleisimpiä metallienhallintamenetelmiä. Työn kokeellisessa osassa tehtiin esikokeina laboratoriokokeita, jotta löydettiin oikeat kelatointistrategiat tehdasmittakaavan koeajoille. Laboratoriovalkaisut suoritettiin kuudella eri kemikaalilla käyttäen DD3-pesurin jälkeistä massaa ja samanlaisia parametrejä kuin tehdasvalkaisussa. Kolmesta eri valkaisusekvenssistä paras tulos saavutettiin D0-QEP-sekvenssillä. Tehdasmittakaavan koeajojen tavoitteena oli saavuttaa alle 1 mg/kg jäännösmangaanipitoisuus valkaistussa massassa ja korkeampi vaaleus EOP-vaiheessa pienemmällä klooridioksidin kulutuksella. Koeajoissa käytettiinDTPA:ta ja EDTA:ta kahdeksassa eri koepisteessä. Pienimpiin jäännöspitoisuuksiin päästiin koepisteissä, joissa kelatointiaine annosteltiin ennen valkaisun viimeistä pesuvaihetta tai sen jälkeen. Samanlaisia tuloksia saavutettiin koepisteissä, joissa kelatointiaine lisättiin suoraan EOP-vaiheeseen. Tällöin kelatointiaineen käyttö johti myös korkeampaan vaaleuteen EOP-vaiheessa pienemmällä kappakertoimella kuin referenssissä. Säästöt klooridioksidin kulutuksessa eivät olleet kuitenkaan tarpeeksi suuret kattaakseen kelatointiaineiden käytön kustannuksia. Kustannustehokkain tapa kontrolloida jäännösmangaanipitoisuutta oli EDTA:n annostelu D2 DD-pesurin jälkeen. Haittapuolena tälläisessä kelatoinnissa oli metallikompleksien palautuminen valkaisuun kuivauskoneen kiertoveden mukana. Tärkeimmät onnistuneeseen kelatointiin vaikuttavat parametrit olivat lajittelussa käytetyn rikkihapon annos, D0-vaiheen pH ja D0 DD-pesurin pesutehokkuus.

Optimisation of data analysis method for a fluidized bed combustion test rig

Nowadays the used fuel variety in power boilers is widening and new boiler constructions and running models have to be developed. This research and development is done in small pilot plants where more faster analyse about the boiler mass and heat balance is needed to be able to find and do the right decisions already during the test run. The barrier on determining boiler balance during test runs is the long process of chemical analyses of collected input and outputmatter samples. The present work is concentrating on finding a way to determinethe boiler balance without chemical analyses and optimise the test rig to get the best possible accuracy for heat and mass balance of the boiler. The purpose of this work was to create an automatic boiler balance calculation method for 4 MW CFB/BFB pilot boiler of Kvaerner Pulping Oy located in Messukylä in Tampere. The calculation was created in the data management computer of pilot plants automation system. The calculation is made in Microsoft Excel environment, which gives a good base and functions for handling large databases and calculations without any delicate programming. The automation system in pilot plant was reconstructed und updated by Metso Automation Oy during year 2001 and the new system MetsoDNA has good data management properties, which is necessary for big calculations as boiler balance calculation. Two possible methods for calculating boiler balance during test run were found. Either the fuel flow is determined, which is usedto calculate the boiler's mass balance, or the unburned carbon loss is estimated and the mass balance of the boiler is calculated on the basis of boiler's heat balance. Both of the methods have their own weaknesses, so they were constructed parallel in the calculation and the decision of the used method was left to user. User also needs to define the used fuels and some solid mass flowsthat aren't measured automatically by the automation system. With sensitivity analysis was found that the most essential values for accurate boiler balance determination are flue gas oxygen content, the boiler's measured heat output and lower heating value of the fuel. The theoretical part of this work concentrates in the error management of these measurements and analyses and on measurement accuracy and boiler balance calculation in theory. The empirical part of this work concentrates on the creation of the balance calculation for the boiler in issue and on describing the work environment.

Effect of physico-chemical conditions and operating parameters on flux and retention of different components in ultrafiltration and nanofiltration fractionation of sweet whey

Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin fysikaaliskemiallisten olosuhteiden ja toimintaparametrien vaikutusta juustoheran fraktiointiin. Kirjallisuusosassa on käsitelty heran ympäristövaikutusta, heran hyödyntämistä ja heran käsittelyä kalvotekniikalla. Kokeellinen osa on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäinen käsittelee ultrasuodatusta ja toinen nanosuodatusta juustoheran fraktioinnissa. Ultrasuodatuskalvon valinta tehtiin perustuen kalvon cut-off lukuun, joka oli määritetty polyetyleeniglykoliliuoksilla olosuhteissa, joissa konsentraatiopolariosaatioei häiritse mittausta. Kriittisen vuon konseptia käytettiin sopivan proteiinikonsentraation löytämiseksi ultrasuodatuskokeisiin, koska heraproteiinit ovat tunnetusti kalvoa likaavia aineita. Ultrasuodatuskokeissa tutkittiin heran eri komponenttien suodattumista kalvon läpi ja siihen vaikuttavia ominaisuuksia. Herapermeaattien peptidifraktiot analysoitiin kokoekskluusiokromatografialla ja MALDI-TOF massaspektrometrillä. Kokeissa käytettävien nanosuodatuskalvojen keskimääräinen huokoskoko analysoitiin neutraaleilla liukoisilla aineilla ja zeta-potentiaalit virtauspotentiaalimittauksilla. Aminohappoja käytettiin malliaineina tutkittaessa huokoskoon ja varauksen merkitystä erotuksessa. Aminohappojen retentioon vaikuttivat pH ja liuoksen ionivahvuus sekä molekyylien väliset vuorovaikutukset. Heran ultrasuodatuksessa tuotettu permeaatti, joka sisälsi pieniä peptidejä, laktoosia ja suoloja, nanosuodatettiin happamassa ja emäksisessä pH:ssa. Emäksisissä oloissa tehdyssä nanosuodatuksessa foulaantumista tapahtui vähemmän ja permeaattivuo oli parempi. Emäksisissä oloissa myös selektiivisyys laktoosin erotuksessa peptideistä oli parempi verrattuna selektiivisyyteen happamissa oloissa.

The Influence of Process Conditions on the Deresination Efficiency in Mechanical Pulp Washing

The aim of this thesis was to produce information for the estimation of the flow balance of wood resin in mechanical pulping and to demonstrate the possibilities for improving the efficiency of deresination in practice. It was observed that chemical changes in wood resin take place only during peroxide bleaching, a significant amount of water dispersed wood resin is retained in the pulp mat during dewatering and the amount of wood resin in the solid phase of the process filtrates is very small. On the basis of this information there exist three parameters related to behaviour of wood resin that determine the flow balance in the process: 1. The liberation of wood resin to the pulp water phase 2. Theretention of water dispersed wood resin in dewatering 3. The proportion of wood resin degraded in the peroxide bleaching The effect of different factors on these parameters was evaluated with the help of laboratory studies and a literature survey. Also, information related to the values of these parameters in existing processes was obtained in mill measurements. With the help of this information, it was possible to evaluate the deresination efficiency and the effect of different factors on this efficiency in a pulping plant that produced low-freeness mechanical pulp. This evaluation showed that the wood resin content of mechanical pulp can be significantly decreased if there exists, in the process, a peroxide bleaching and subsequent washing stage. In the case of an optimal process configuration, as high as a 85 percent deresination efficiency seems to be possible with a water usage level of 8 m3/o.d.t.