Electro-Oxidation Treatment of Pulp and Paper Mill Circulating Waters and Wastewaters

Interest in water treatment by electrochemical methods has grown in recent years. Electrochemical oxidation has been applied particularly successfully to degrade different organic pollutants and disinfect drinking water. This study summarizes the effectiveness of the electrochemical oxidation technique in inactivating different primary biofilm forming paper mill bacteria as well as sulphide and organic material in pulp and paper mill wastewater in laboratory scale batch experiments. Three different electrodes, borondoped diamond (BDD), mixed metal oxide (MMO) and PbO2, were employed as anodes. The impact on inactivation efficiency of parameters such as current density and initial pH or chloride concentration of synthetic paper machine water was studied. The electrochemical behaviour of the electrodes was investigated by cyclic voltammetry with MMO, BDD and PbO2 electrodes in synthetic paper mill water as also with MMO and stainless steel electrodes with biocides. Some suggestions on the formation of different oxidants and oxidation mechanisms were also presented during the treatment. Aerobic paper mill bacteria species (Deinococcus geothermalis, Pseudoxanthomonas taiwanensis and Meiothermus silvanus) were inactivated effectively (>2 log) at MMO electrodes by current density of 50 mA/cm2 and the time taken three minutes. Increasing current density and initial chloride concentration of paper mill water increased the inactivation rate of Deinococcus geothermalis. The inactivation order of different bacteria species was Meiothermus silvanus > Pseudoxanthomonas taiwanensis > Deinococcus geothermalis. It was observed that inactivation was mainly due to the electrochemically generated chlorine/hypochlorite from chloride present in the water and also residual disinfection by chlorine/hypochlorite occurred. In real paper mill effluent treatment sulphide oxidation was effective with all the different initial concentrations (almost 100% reduction, current density 42.9 mA/cm2) and also anaerobic bacteria inactivation was observed (almost 90% reduction by chloride concentration of 164 mg/L and current density of 42.9 mA/cm2 in five minutes). Organic material removal was not as effective when comparing with other tested techniques, probably due to the relatively low treatment times. Cyclic voltammograms in synthetic paper mill water with stainless steel electrode showed that H2O2 could be degraded to radicals during the cathodic runs. This emphasises strong potential of combined electrochemical treatment with this biocide in bacteria inactivation in paper mill environments.

Brittleness of Paper

Brittleness is a well-known material characteristic but brittleness of paper is vaguely covered. The objective of this thesis was to characterize the phenomenon and causes around brittleness of paper and to clarify if it is a measurable property. Brittleness of paper was approached from the perspectives of paper physics and paper mills. Brittleness is a property of dry paper and it causes problems at the finishing stages of paper machine. According to paper physics, brittle materials fail in the elastic regime, while ductile materials can locally accumulate a plastic deformation prior to the fracture and they are often able to withstand higher stresses. Brittleness of paper is vastly affected by the surrounding conditions: paper as a hygroscopic material tries to get to the equilibrium. It is also affected by the quality of the pulp used. Measurement techniques can be divided into two categories: based on the viscoelastic behavior of paper and on the exposure to the mechanical stress of sort. The experimental part of the thesis was based on the trials with brittle and non-brittle mill-made LWC papers. It is divided into three parts: strength testing of the brittle and non-brittle papers, analysis of the conditions that may contribute the brittleness and the experimental methods to evaluate brittle behavior. The strength measurements confirmed the influence of the moisture content, but only tensile energy absorption and the fracture toughness measurements provided modest differences between the brittle and non-brittle papers. Versatile analysis of the possible contributing factors resulted into speculation, while the brittle papers contained higher amount of starch, triglycerides and steryl esters. The experimental research proved that the formation, the sensory impression and the variation of local strains may contain the crucial information of paper brittleness.

Influence of hardwood, softwoodand fractionated pulp in a stratifiedthree-layered fine paper : Lövved, barrved och fraktionerad massa ochdess inverkan på ett treskiktat finpapper

Four different trials of stratified three-layered fine paper, of sulphate pulp, were performed to investigate if stratified fine fraction or fibres from birch can improve the properties of a paper compared to a reference sheet. All trials had five different scenarios and each scenario was calendered with different linear load. All sheets had a grammage of 80 g/m2.In the first trial, the paper contained birch, pine and filler of calciumcarbonate (marble), and was manufactured with the pilot paper machine XPM and the stratified headbox Formator at RCF (Stora Enso Research Center in Falun). The furnish consisted of 75% birch and 25% pine.The second trial contained coated sheets with paper from trial one as the base paper. The coating slip contained calciumcarbonate and clay and the amount was approximately 10-12 g/m2.The third trial, also with birch and pine but without filler, was performed at STFI (Skogsindustrins Tekniska Forskningsinstitut in Stockholm) with the laboratory scaled paper machine StratEx and the stratified headbox AQ-vanes. The furnish consisted of 75% birch and 25% pine, except for one scenario which contained of 75% pine and 25% birch.The last trial contained fractionated pulp of birch and pine and was performed at STFI. 50% was fine fraction and 50% was coarse fraction.This test does not show any clear benefits of making stratified sheets of birch and pine when it comes to properties such as bending stiffness, tensile index and surface smoothness. The retention can be improved with birch in the surface plies. It is possible that the formation can be improved with birch in the surface plies and pine in the middle ply. It is also possible that fine fraction in the surface plies and coarse fraction in the middle ply can improve both surface smoothness and bending stiffness. The results in this test are shown with confidence intervals which points out the difficulties of analysing sheets manufactured with a pilot paper machine or a laboratory scaled paper machine.

Integrated pulp and paper mill planning and scheduling

This article describes a real-world production planning and scheduling problem occurring at an integrated pulp and paper mill (P&P) which manufactures paper for cardboard out of produced pulp. During the cooking of wood chips in the digester, two by-products are produced: the pulp itself (virgin fibers) and the waste stream known as black liquor. The former is then mixed with recycled fibers and processed in a paper machine. Here, due to significant sequence-dependent setups in paper type changeovers, sizing and sequencing of lots have to be made simultaneously in order to efficiently use capacity. The latter is converted into electrical energy using a set of evaporators, recovery boilers and counter-pressure turbines. The planning challenge is then to synchronize the material flow as it moves through the pulp and paper mills, and energy plant, maximizing customer demand (as backlogging is allowed), and minimizing operation costs. Due to the intensive capital feature of P&P, the output of the digester must be maximized. As the production bottleneck is not fixed, to tackle this problem we propose a new model that integrates the critical production units associated to the pulp and paper mills, and energy plant for the first time. Simple stochastic mixed integer programming based local search heuristics are developed to obtain good feasible solutions for the problem. The benefits of integrating the three stages are discussed. The proposed approaches are tested on real-world data. Our work may help P&P companies to increase their competitiveness and reactiveness in dealing with demand pattern oscillations. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Controlo de águas do processo e optimização da produção de papel

Na Fábrica de Papel da Ponte Redonda fabricam-se sacos de papel multi-folhas e papel reciclado do tipo Kraft. Tendo em consideração a primeira actividade, é de grande interesse optimizar o processo de fabrico de papel com vista a incorporara a máxima taxa de papel produzido internamente nas diferentes camadas dos sacos de papel. Os papéis de maior interesse são os do tipo Fluting e Liners, tendo sido produzidos em 2010 um total de 4,9 mil toneladas, ou seja 90% de todo o papel fabricado em 2010, correspondendo a a 4 mil toneladas de papéis do tipo Liners e 0,9 mil toneladas para os papéis do tipo Fluting. Nos papéis do tipo Liners incluem-se os papéis do tipo Test-Liner e Kraft-Liner, representando em termos produtivos valores idênticos. No âmbito deste trabalho, em que se pretendeu controlar as águas do processo e optimizar a produção de papel, foram introduzidos uma unidade de flutuação e um sistema que permitisse regular a consistência da suspensão fibrosa à entrada da máquina do papel, e foram ainda estudadas as possibilidades de adição de produtos químicos para melhorar as características da pasta assim como um tratamento microbiológico mais eficaz para todo o processo. Para se avaliar se as medidas implementadas teriam um impacto positivo na qualidade desses dois tipos de papéis, desenvolveu-se o trabalho em duas fases: a primeira envolve a introdução de um sistema de flutuação e de um sistema de controlo de consistência da pasta, assim como a selecção de produtos químicos a adicionar ao processo. A segunda fase consistiu na avaliação do efeito destas medidas nas características do papel fabricado. Para o efeito foram escolhidos dois tipos de papel e de diferentes gramagens, nomeadamente Test-Liner de 80 g/m2 e Fluting de 110 g/m2. Introduziu-se um flutuador com o objectivo de tratar parte das águas do processo de fabrico com vista a serem reutilizadas em determinadas aplicações possíveis para a qualidade da água obtida (lavagens e água do processo), de modo a conseguir-se uma poupança de água, assim como aproveitar-se as lamas resultantes, ricas em fibra de celulose, para utilizá-las como matéria-prima. Foi introduzido um regulador de consistência no processo da Ponte Redonda com o objectivo de alimentar de uma forma constante a consistência da pasta à entrada da máquina do papel proporcionando uma melhor formação da folha, devido à ligação entre fibras, na direcção máquina e direcção transversal. Esse sistema inovador é um Regulador de Consistência que vem proporcionar à máquina do papel uma alimentação em fibra mais constante. O fabrico de papel apenas a partir de fibras de celulose não permitirá obter um papel com as características desejadas para a sua utilização. Para corrigir estas deficiências, são adicionados produtos químicos para atribuir ou melhorar as propriedades dos papéis. Desta forma considerou-se interessante introduzir no processo um agente de retenção numa fase posterior à preparação da pasta e antes da chegada à máquina de papel, de forma a melhorar as características da suspensão fibrosa. Assim foi implementado um sistema cuja eficácia foi avaliada. Concluiu-se que com a sua implementação a máquina de papel apresentou melhores resultados na drenagem e na turbidez da água removida, significando uma água com menor teor de matéria suspensa e dissolvida, devido à melhor agregação das fibras dispersas na suspensão fibrosa, levando a um aumento da drenagem e consequentemente melhor eficiência das prensas e secaria. Foi também elaborado um estudo para introdução de um sistema de tratamento microbiológico em todo o processo de fabrico de papel, devido à existência de microorganismos prejudiciais ao seu fabrico. Concluiu-se que a água clarificada proveniente do flutuador apresentou qualidade aceitável para os objectivos pretendidos. No entanto, considerando a eficiência de 26,5% na remoção de sólidos suspensos será necessário mais algum tempo de utilização da água clarificada, cerca de um ano, para avaliar se esta terá algum efeito prejudicial nos equipamentos. Verificou-se que devido à existência de microrganismos em todo o processo de fabrico de papel será necessário efectuar lavagens aos tinões, tanques e circuitos com alguma regularidade, aproveitando-se as paragens do processo assim como implementar um sistema de tratamento microbiológico mais eficaz. Em resultado das medidas implementadas concluiu-se que os papéis produzidos apresentaram melhorias, tendo-se obtido melhores resultados em todos os ensaios de resistência. No papel do tipo Test-Liner destacam-se os bons resultados nos ensaios de superfície, Cobb60 e rebentamento. No caso do parâmetro do Cobb60, foi um resultado surpreendente visto que por norma este tipo de papéis reciclados não suportam este ensaio. Concluiu-se também que as medidas implementadas proporcionaram uma melhor agregação e ligação entre fibras, e melhor formação da folha na máquina do papel proporcionando aos papéis propriedades físico-mecânicas mais interessantes.

Aplicação de celulases e xilanases na reciclagem de fibras de papel

Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica (área de conhecimento em Engenharia Enzimática e das Fermentações)

Erään hienopaperikoneen paksuusprofiilin hallinta

Työn kirjallisuusosassa perehdytään paperikoneen online-mittarien toimintaan, poikkisuuntaisten profiilien säätämiseen ja kalanterointiin. Työn tavoitteena oli löytää syyt erään hienopaperikoneen heikkoon paksuusprofiiliin ja siitä aiheutuvaan suureen rullahylkymäärään. Syitä heikkoon paksuusprofiiliin on haettu kalanterin, päällystysasemien ja laatusäätöjärjestelmän toiminnoista. Työssä on tutkittu myös karheusprofiilin vaikutusta paksuusmittaukseen. Työssä löydettiin selvä yhteys paperin karheusprofiilin ja paperikoneen paksuusmittarin mittaaman paksuusprofiilin välille. Radan reuna-alueiden karheus suurentaa online-paksuusmittarin mittaustulosta. Karheusprofiili ei kuitenkaan vaikuta laboratoriomittareilla mitattuun paksuusprofiiliin. Paperikoneen onlinepaksuusmittarin mittausvirhe on kompensoitava, jotta paperin todellinen paksuusprofiili saadaan suoraksi. Työssä tehtyjen tutkimusten perusteella muodostettiin ajomalli, jolla ajettiin koeajojakso. Ajomallin päällimmäinen tarkoitus oli kompensoida paperikoneen online- paksuusmittarin mittausvirhe. Koeajo onnistui hyvin. Koeajojakson profiilivioista johtuva rullahylyn määräoli merkittävästi pienempi kuin referenssijakson profiilivioista johtuva rullahylyn määrä.

Paperikoneen käyttöönoton onnistumisen riippuvuus valmistelutyöstä

Paperikoneinvestointi toteutetaan projekteina, joista muodostuvaa ketjua kutsutaan projektien elinkaareksi. Toteutusketjun viimeinen lenkki on käynnistykseen huipentuva käyttöönotto. Hyvä käyttöönotto palvelee investointia. Käyttöönotoissa koetaan erilaisia ongelmatilanteita, joista osa on satunnaisesti tai usein toistuvia. Investoinnin onnistumisen ja aikataulun asettama paine luo tilanteiden selvittämiseen erityishaasteita. Aina ei selvitä ilman takaiskuja. Tutkimustavoitteena oli kartoittaa käyttöönoton yleiset ongelmat ja niiden yhteydet projektihistoriaan, sekä ne projektinhallinnan osa-alueet, joita parantamalla varmistetaan käyttöönoton ja investoinnin onnistuminen. Tutkimus pohjautuu erilaisistainvestointiprojekteista ja käyttöönotoista saatuihin kokemuksiin, haastatteluihin (3 kpl) ja kyselypalautteeseen (42 kpl). Investoinnin onnistumisedellytykset luodaan projektihistoriassa, käyttöönotossa ne viimeistellään. Onnistuminen mitataan tuotto-odotusten saavuttamisena aikataulussa, johon vaikuttavia tekijöitä ovat tuotannon hallinta, käyttövarmuus ja markkinat. Käyttöönoton onnistumista tulee arvioida käyttöönottotehtävistäsuoriutumisen pohjalta, ei pelkästään investoinnille asetettujen aikataulu- ja tuotantotavoitteiden (laatu, määrä, hallinta) saavuttamisena, kuten usein tapahtuu. Tulosten perusteella käyttöönoton merkittävimmät ongelmat ovat tiedonkulun puutteet, ohjelmallisten korjausten suuri määrä ja palautumisajan riittämättömyys. Tärkeimmät painotukset ovat laiterikkojen estäminen, ohjelmavirheiden korjaaminen ja henkilöstön osaamisen varmentaminen. Konelinjan vaikeimmin hallittava osa on radan päänvienti. Osapuolten poikkeavat näkökulmat sekä työn laadun merkitys testauksissa, koulutuksissa ja kenttätoiminnoissa nousee tuloksista myös vahvasti esiin. Tutkimus on selvittänyt sille asetetut tavoitteet. Käyttöönoton merkittävimmät ongelmat syntyvät sen lähihistoriassa: testauksissa, koulutuksessa ja kenttätoiminnoissa. Käyttöönoton onnistumiseksi tulee painotusprojektinhallinnassa keskittää käynnistysvaiheen suunnitteluun sekä kenttätoimintojen hallintaan.

Retentiopolymeerin optimointi täyteaineiden yhtäaikaisannostelussa

Kirjallisuusosassa perehdyttiin retentioaineisiin ja täyteaineisiin sekä retentioaineiden ja rainanmuodostusolosuhteiden vaikutukseen retentioon, vedenpoistoon ja paperin ominaisuuksiin. Tarkemmin kirjallisuusosassa keskityttiin täyteaineiden esiflokkaukseen, retentiopolymeerin adsorptioon sekä retentiopolymeerien ja täyteaineiden annostelutapoihin. Kokeellisessa osassa tutkittiin sarjaa retentiopolymeerejä, joiden varaustiheys ja moolimassa muuttuivat. Yksi polymeereistä oli kahdesta polymeeristävalmistettu suoladispersio ja yksi modifioitu kationinen PAM. Näillä polymeereillä käytiin läpi koesarjoja, joissa muutettiin täyteaineen annosteluaikaa retentiopolymeerin annosteluajan pysyessä vakiona. Lähinnä vertailtiin keskenään perinteistä annostelua, jossa täyteaine annosteltiin paljon ennen retentiopolymeeriä,ja yhtäaikaista annostelua, jossa molemmat annosteltiin yhtä aikaa lähellä perälaatikkoa. Kokeet tehtiin MBF-laitteella, jolla pystytään paperikonetta vastaaviin pulsaatiotaajuuksiin ja sillä voidaan valmistaa tasoviirakoneella valmistetunpaperin kaltaisia laboratorioarkkeja. Valmistetuista arkeista tutkittiin retentioita ja paperiteknisiä ominaisuuksia. Laboratoriokokeiden perusteella yhtäaikainen annostelu antoi paremmat täyteaineretentiot verrattaessa perinteiseen annosteluun lähes kaikissa koesarjoissa. Varsinkin lyhytketjuiset polymeerit näyttivättoimivan hyvin yhtäaikaisannostelulla, mikä saattaisi johtua siitä, että lyhyt reagointiaika sulpun kanssa on lyhytketjuisille polymeereille edullinen, sillä silloin polymeeriketjun konformaatio ei ehdi asettua liian alhaiseksi ja ketjun toimintakyky säilyy parempana. Polymeerin varaustiheyden kasvaessa riittävästi laski täyteaineretentio seuraavissa tapauksissa: SC-massa + kaoliini ja SC-massa +GCC kummallakin annostelulla sekä SC-massa + PCC A perinteisellä annostelulla. Hienopaperimassalla samaa trendiä noudatti täyteaine GCC kummallakin annostelulla, kun taas PCC H:ta käytettäessä paranivat täyteaineretentiot molemmilla annosteluilla. Retentiopolymeerin moolimassan kasvaessa riittävästi kääntyi täyteaineretentio laskuun täyteaineilla GCC ja kaoliini, kun käytettiin SC-massaa. Hienopaperimassalla GCC noudatti tätä samaa taipumusta. Sen sijaan SC-massalla PCC A:takäytettäessä täyteaineretentio puolestaan nousi hieman moolimassan kasvaessa. Näin kävi myös hienopaperimassalla, kun täyteaineena käytettiin PCC H:ta. Käytettäessä SC-massaa, perinteisellä annostelulla saatiin parempi tai yhtä hyvä valonsironta kuin yhtäaikaisella annostelulla kaikilla täyteaineilla. Tämä saattaisi johtua siitä, että yhtäaikaisannostelulla on muodostunut suurempia täyteaineflokkeja, mikä on alentanut valoa sirottavia pintoja. Täyteaineista korkeimmat valonsirontakertoimet antoi PCC A ja alhaisimmat kaoliini. PCC A:lla oli kapein partikkelikokojakauma, mikä korottaa paperin valonsirontaa. Hienopaperimassalla valonsirontakerroin ja opasiteetti suurenivat GCC-pitoisuuden kasvaessa kummallakin annostelulla, mikä voisi johtua täyteainepartikkelien antamasta paremmasta sironnasta. Yhtäaikaisella annostelulla saavutettiin huomattavasti paremmat valonsironnan arvot perinteiseen annosteluun verrattuna. PCC H-pitoisuuden kasvaessa suurenivat myös valonsirontakerroin ja opasiteetti kummallakin annostelulla. PCC H antoi korkeammat valonsirontakertoimet kuin GCC. PCC omaa suuremman valonheijastusluvun kuin GCC, minkä vuoksi se antaa paremmat valonsirontakertoimen arvot. PCC H:n partikkelikokojakauma oli myös kapeampi kuin GCC:n, mikä mahdollisti paremman valonsironnan ja opasiteetin saavuttamisen.

Kuivatusmenetelmien vaikutus heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin laatuun

Työssä tutkittiin heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin painojäljen laatua, kun koepaperikoneella valmistetun SC-paperin valmistuksessa käytettiin eri kuivatus-menetelmiä. Erityisesti kiinnostus kohdistui eri kuiva-ainepitoisuuksissa käytetyn ilmakuivatuksen aiheuttamiin painojäljen laatuvaikutuksiin. Painojäljen lisäksi työssä tarkasteltiin pohjapaperin ominaisuuksia kuivatuksen jakalanteroinnin jälkeen. Perinteisen sylinterikuivatuksen kuivatuskapasiteettia voidaan nostaa kuivattamalla paperia kuuman ilman avulla, jolloin paperin haihdutusnopeus nousee yli viisinkertaiseksi sylinterikuivatukseenverrattuna. Ilmakuivatus voidaan sijoittaa välittömästä kuivatusosan alkuun ennen ensimmäistä kuivatussylinteriä tai korkeampaan kuiva-ainepitoisuuteen sylinterikuivatuksen keskelle. Kuivattua paperia tarkasteltaessa kuuman ilman avulla kuivatun paperin ominaisuudet poikkesivat huokoisuuden ja öljynabsorption suhteen sylinterikuivatusta paperista sekä heatset offset- että syväpainopaperilla. Kalanterointi tasoitti koepisteiden välisiä muutoksia. Kalanteroidusta paperista havaittiin, että ilmakuivatuksen sijoittuminen välittömästi puristimen jälkeen kasvatti paperin molempien pintojen opasiteettia. Vastaavasti paperin tiheys kasvoi, kun paperia kuivattiin kuumalla ilmalla sekä ennen sylinterikuivatusta että sylinterikuivatuksen keskellä. Yhteistä ilmakuivatuksen käytölle kaikissa koepisteissä oli paperin huokoisuuden pieneneminen. Heatset offsetpainoprosessissa käytettävä kostutusvesi asettaa paperin kuitu-karhenemiselle vaatimuksia. Tutkimuksessa havaittiin, että puristimen jälkeen sijoitettu ilmakuivatus pienensi paperin taipumusta karhentua painoprosessissa. Muiden ominaisuuksien osalta paperin kuivatus kuuman ilman avulla yhdessä sylinterikuivatuksen kanssa ei jättänyt paperiin sellaisia jälkiä, jotka näkyisivät heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin painojäljessä verrattuna kokonaan yksiviira-vientisesti sylinterikuivattuun paperiin.

Paperikoneen puristinosan siirtoimulaatikon suunnittelu

Märkäpuristus on paperin tuotannon toiminto, jossa vettä poistetaan paperiradasta puristamalla sitä mekaanisesti. Paperikoneen osaa, jossa tämä toiminto tuotetaan kutsutaan puristinosaksi. Puristinosassa paperiradan vettä poistava mekaaninen puristus toteutetaan puristamalla paperirataa kahden telan välissä, tai telan ja kengän välissä. Paperikoneen puristinosalla käytetään paperiradan kuljettamiseen huopia. On toiminnallisesti mahdotonta käyttää suurinopeuksisen paperikoneen puristinosalle vain yhtä huopakiertoa, täten täytyy paperirataa siirtää huovalta toiselle puristinosan sisällä. Tässä työssä kehiteltiin ja suunniteltiin yksityiskohtaisesti uusi paperiradan siirron huovalta toiselle toteuttava siirtoimulaatikko. Siirtoimulaatikko on koko paperikoneen levyinen komponentti, jonka sisäisen alipaineen tuottama voimavaikutus (ilman imeminen puristinhuovan läpi) toteuttaa paperiradan siirron. Siirtoimulaatikko suunniteltiin suurinopeuksisen paperikoneen puristinosalle, tarkoituksena alentaa puristinosan valmistuskustannuksia. Uuden siirtoimulaatikon tuotantolaitteesta luotiin parametrinen suunnittelumalli. Tämä tarkoittaa projektisuunnittelun apuna käytettävää tietokoneohjelmiston suunnittelutiedostoa, jonka ominaisuudet muuttuvat malliin ohjelmoitujen parametrien mukaisesti.

Eräiden paperinvalmistuksessa käytettävien vahadispersioiden stabiilisuuden hallinta

Diplomityön tavoitteena oli selvittää millainen laaduntarkastus AKD-dispersioille tulisi suorittaa kuormien vastaanotossa ja tulisiko dispersioiden laatu tarkastaa uudelleen ennen annostelua. Tätä varten seurattiin toimituserien laadun tasaisuutta ja tarkasteltiin varastointiolosuhteiden vaikutusta dispersioiden säilyvyyteen. Lisäksi kartoitettiin dispersioiden käsittelyssä ja kartonginvalmistusprosessissa esiintyvien riskitekijöiden vaikutuksia kaupallisten dispersioiden stabiilisuuteen. Kirjallisuusosassa perehdyttiin kolloidisiin dispersioihin sekä niiden stabiilisuuteen vaikuttaviin tekijöihin. AKD-dispersiot valmistetaan emulgointitekniikoiden avulla, joten dispergointimenetelmien ohella käsiteltiin myös emulsioiden valmistamista. Lisäksi luotiin katsaus dispersioteknologian tärkeimpiin analyysimenetelmiin. Alkyyliketeenidimeerin osalta käsiteltiin emulgoinnin lisäksi vahan ja muiden lisäaineiden vaikutuksia dispersioiden stabiilisuuteen ja myös niiden merkitystä dispersioiden formuloinnissa. AKD-liimauksen osalta esiin tuotiin AKD:n tärkeimmät reaktiomekanismit, sillä ne liittyvät osittain myös dispersioiden stabiilisuuteen. Lopuksi luotiin lyhyt katsaus AKD-dispersioiden stabiilisuutta käsittelevään tutkimukseen, jota on toistaiseksi julkaistu varsin niukasti. Kokeellisessaosassa tarkastelun kohteeksi valittiin neljä kaupallista alkyyliketeenidimeerinvesidispersiota, joiden koostumus ja ominaisuudet selvitettiin perusteellisesti. Tarkoituksena oli auttaa ymmärtämään dispersioiden stabiilisuudessa mahdollisesti esiintyviä eroja. Laajamittainen dispersioiden karakterisointi näyttää olevan tarpeen ainakin otettaessa uutta AKD-laatua käyttöön, sillä dispersioiden koostumus ja ominaisuudet voivat vaihdella merkittävästi. AKD-dispersioiden laadussa esiintyi vaihtelua eri toimituserien välillä. Suurimmat vaihtelut havaittiin dispersioiden varaustiloissa ja partikkelikokojakaumissa. Laadun epätasaisuuden vuoksi vastaanottotarkastuksen merkitys korostuu. Vastaanottotarkastuksessa syytä olisi kiinnittää dispersion kuiva-ainepitoisuuden ohella sen viskositeettiin, varaustilaan, tehoainepitoisuuteen sekä rakenteeseen. Rakenteen tarkastelussa optinen mikroskooppi voi rutiininomaisessa seurannassa korvata partikkelikokojakauman määrittämisen. Varastointilämpötilan vaikutus dispersioidenlaatuun on merkittävä. Dispersiot säilyvät parhaiten viileässä, joten jos varastosäiliöissä ei ole jäähdytystä, on dispersioiden laadun tarkastus tarpeen myös ennen annostelua. Jotta dispersion kunnosta saadaan luotettava arvio, on viskositeetin määrittämiseen yhdistettävä vähintään rakenteen tarkastelu optisella mikroskoopilla. Mekaaninen rasitus voi dominoivasta stabilointimekanismistariippuen aiheuttaa dispersiossa hienoaineen muodostumista tai partikkelien flokkaantumista. Stabilointimekanismi vaikuttaa niin ikään partikkelien käyttäytymiseen korkeissa lämpötiloissa. Dispersioiden stabiilisuuden todettiin heikkenevän pH:n kohotessa emäksiselle alueelle. Elektrolyyttikonsentraatio vaikuttaa partikkelien mikroelektroforeettiseen ioniliikkuvuuteen merkittävästi. Kartonkikoneen märkäosan kemikaaleista anionisen retentioaineen (BMA) todettiin vuorovaikuttavan kationisten AKD-partikkelien kanssa selvimmin. Mikroelektroforeettisen ioniliikkuvuuden mittaaminen kiertovedessä todettiin tärkeäksi, sillä se kuvaa dispersion käyttäytymistä sen käyttöympäristössä.

Determining, Balancing and Controlling of Pitch and White Pitch at Stora Enso Kabel Production Line 4

Työn ensimmäisenä tarkoituksena oli kartoittaa kiinteä-neste ja neste-neste uuttomenetelmillä pihkan ja valkopihkan määrä Stora Enso Kabelin tuotantolinja 4:llä. Työn kannalta oli myöstärkeää saada selvyys saostumien koostumuksesta. Lopullinen päämäärä oli automatisoida fiksatiivin annostelu uuden, jatkuvatoimisen märänpäänanalysaattorin avulla. Mäntyosuuden kasvattaminen hiokemassassa lisää hydrofobisten partikkeleiden lukumäärää, minkä uskotaan lisäävän saostumariskiä. Työtä varten kehitetty neste-neste uuttomenetelmä, jota ei ole liiemmin paperiteollisuudessa käytetty, voi olla hyvä menetelmä lipofiilisten komponenttien määrän arviointiin tietyssä määrässä massa- tai prosessivesinäytettä. Virtaussytometri-menetelmän avulla tutkittiin pihka- tai valkopihkapartikkeleiden määrää ja kokojakaumaa eri prosessinäytteissä. Virtaussytometri-menetelmällä mitattujen valkopihkapartikkeleiden lukumäärän ja päällystetyn hylyn saostimen suodoksen sameuden välille löytyiselvä korrelaatio. Fiksatiivimäärän vaikutusta päällystetyn hylyn saostimen suodoksen sameuteen tutkittiin koeajojaksolla, jossa fiksatiivin annostelua säädettiin käsin. Käytetyt annosmäärät eivät riittäneet sameuden pitämiseen tasaisena matalalla tasolla.

Ilmanpoisto kiertovoiteluöljystä

Työn kirjallisuusosassa esitellään paperi- ja kartonkikoneiden kiertovoitelujärjestelmien rakennetta ja voitelussa käytettyjen öljyjen ominaisuuksia. Lisäksi on selvitetty voiteluöljyn kunnossapidon kannalta keskeisten epäpuhtauksien kuten veden, hiukkasten ja ilmakuplien analysointia. Suurissa voitelujärjestelmissä öljyn suuri ilmapitoisuus on usein ongelma, mihin ei ole ollut selkeää ratkaisua. Työn tavoitteena oli tutkia ilmakuplien poistamista voiteluöljystä alipainekäsittelyn avulla. Alipaineen vaikusta eri öljyille ja lämpötiloilla tutkittiin laboratoriossa standarditestillä ja määritettiin sopiva alipaine tehdaskokeisiin. Testeissä havaittiin odotutetusti viskositeetin eli käytännössä lämpötilan olevan ratkaiseva tekijä ilman poistumisnopeuteen. Tehdasmittakaavan kokeissa mitattiin rakenteeltaan yksinkertaisen ja vähän energiaa kuluttavan ilmanpoistolaitteen toimintaa. Laitteisto sijoitetaan paluuöljyputkistoon ja sen ei tarvitse olla kiertovoitelukeskuksen yhteydessä. Täysimittainen laitteisto rakennettiin kartonkikoneen ja paperikoneen kiertovoitelujärjestelmiin. Laitteen avulla voidaan käsitellä koko voitelujärjestelmän öljy. Tuloksien mukaan laite toimii odotetulla tavalla ja vähentää merkittävästi ilmapitoisuutta. Järjestelmä on heikoimmillaan tilanteessa, jossa lämpötilat on pidettävä alhaisina ja ilmakuplia on runsaasti.

Paperikoneen vesi- ja energiatehokkuuden parantaminen

Työn tavoitteena oli laatia reaaliaikaiset vesi- ja energiatasenäytöt Stora Enso PublicationPaper Veitsiluodon tehtaalle, paperikone 5:lle. Tavoitteena oli myös simuloida kyseisen paperikonelinjan vesitase. Aluksi työssä piirrettiin lohkokaaviot taseita varten paperikoneen kaikista vettä tai energiaa sisältävistä jakeista. Näitä yksinkertaistettuja lohkokaavioita hyväksi käyttäen laadittiin taseidenlaskentakaavat, jotka testattiin tarkastuslaskelmien avulla. Vesi- ja energiataseista tehtiin myös suunnitelmat prosessinohjausjärjestelmän tasenäytöiksi. FlowMac-simulointiohjelmalla rakennetun paperikone 5 vesitaseen simulointimallin tulosten oikeellisuutta arvioitiin herkkyysanalyysin avulla. Tehdyn herkkyysanalyysin tuloksien perusteella voidaan olettaa, että simulointimalli toimii luotettavasti. Tämän vesitaseen simulointimallin avulla tarkasteltiin kiekkosuotimien uudistamisen vaikutuksia paperikonelinjan vesitaseeseen. Tarkastelussa huomattiin, että vaihtamalla kiekkosuotimien syöttöventtiilit kolmea jaetta tuottaviksi, voitaisiin flotaatioallas ja suihkuveden kaarisihti poistaa käytöstä. Tulevaisuudessa simulointimallia voidaan käyttää myös monilla muilla eri tavoin hyödyksi kyseisellä paperikoneella. Työssä laaditut vesi- ja energiataseet saatiin niin tarkoiksi kuin se nykyisiä mittauksia hyödyntäen on mahdollista. Jostaseita haluttaisiin tarkentaa, olisi paperikonelinjalle syytä lisätä joitakin mittauksia. Myös työssä tehty vesitaseen simulointi FlowMac:lla onnistui hyvin mutta kyseisessä ohjelmassa havaittiin silti joitakin kehittämistarpeita. Työn tuloksien perusteella vettä ja energiaa voitaisiin mahdollisesti säästää paperikone 5:llä esimerkiksi laimennussäätöisen perälaatikon avulla, kiekkosuotimien uusimisella sekä kenkäpuristimen käyttöönotolla. Jatkotutkimuskohteita voisivat olla esimerkiksi paperikone 5:n lämpötase, kemiallisesti puhdistetun veden tulolämpötilan nostaminen, hiomon suodosveden ylimääräisen lämmön hyödyntäminen paperikone 5 kirkassuodoksen lämmittämisen jälkeen, lämmön talteenotossa lämmitysvesikennon ja prosessivesikennon järjestyksen vaihtaminen sekä vastaavien vesi- ja energiataseiden laatiminen paperikone 1:lle ja hiomolle.