Machine vision methods for process measurements in pulping

The papermaking industry has been continuously developing intelligent solutions to characterize the raw materials it uses, to control the manufacturing process in a robust way, and to guarantee the desired quality of the end product. Based on the much improved imaging techniques and image-based analysis methods, it has become possible to look inside the manufacturing pipeline and propose more effective alternatives to human expertise. This study is focused on the development of image analyses methods for the pulping process of papermaking. Pulping starts with wood disintegration and forming the fiber suspension that is subsequently bleached, mixed with additives and chemicals, and finally dried and shipped to the papermaking mills. At each stage of the process it is important to analyze the properties of the raw material to guarantee the product quality. In order to evaluate properties of fibers, the main component of the pulp suspension, a framework for fiber characterization based on microscopic images is proposed in this thesis as the first contribution. The framework allows computation of fiber length and curl index correlating well with the ground truth values. The bubble detection method, the second contribution, was developed in order to estimate the gas volume at the delignification stage of the pulping process based on high-resolution in-line imaging. The gas volume was estimated accurately and the solution enabled just-in-time process termination whereas the accurate estimation of bubble size categories still remained challenging. As the third contribution of the study, optical flow computation was studied and the methods were successfully applied to pulp flow velocity estimation based on double-exposed images. Finally, a framework for classifying dirt particles in dried pulp sheets, including the semisynthetic ground truth generation, feature selection, and performance comparison of the state-of-the-art classification techniques, was proposed as the fourth contribution. The framework was successfully tested on the semisynthetic and real-world pulp sheet images. These four contributions assist in developing an integrated factory-level vision-based process control.

Wastewater Treatment and Deinking Sludge Utilization Possibilities for Energy and Material Recovery in the Leningrad Region

Operation of pulp and paper mills generates waste including wastewater treatment sludge and deinking sludge. Both sludge types are generated in large amounts and are mainly disposed of in landfills in the Leningrad Region resulting in environmental degradation. The thesis was aimed at seeking new sustainable ways of sludge utilization. Two paper mills operating in the Leningrad Region and landfilling their sludge were identified: “SCA Hygiene Products Russia” and “Knauf”. The former generates 150 t/day of deinking sludge, the latter – 145 t/day of secondary sludge. Chemical analyses of deinking sludge were performed to assess applicability of sludge in construction materials production processes. Higher heating value on dry basis of both sludge types was determined to evaluate energy potential of sludge generated in the Leningrad Region. Total energy output from sludge incineration was calculated. Deinking sludge could be utilized in the production process of “LSR-Cement” or “Slantsy Cement Plant Cesla” factories, and “Pobeda” and “Nikolsky” brick mills without exceeding current sludge management costs.

Helmimyllyn toimintaparametrien vaikutus jauhautuvuuteen

Työn teoriaosassa tutkittiin materiaalin hienontamista jauhatuksen näkökulmasta. Jauhatuksessa keskityttiin ultrahienojauhatukseen ja siinä käytettäviin myllyihin, jois-ta lähimmin tarkasteltiin helmimyllyä ja sen toimintaparametrien vaikutusta jauhau-tuvuuteen. Lisäksi teoriaosassa tutkittiin jauhatuksen energiankulutusta, joka on yksi jauhatuksen suurimmista ominaisuuksista. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kalkkikiven jauhautuvuutta ja jauhatuksen omi-naisenergiankulutusta käyttäen kolmea erilaista sekoitinelintä. Kokeissa myllynä käy-tettiin helmimyllyä ja jauhinkappaleina 2 mm:n lasihelmiä. Jauhautuvuutta tutkittiin analysoimalla tuotteiden partikkelikokojakaumat Beckman Coulter LS 13 320 partik-kelikokoanalysaattoria. Energiankulutukset määritettiin lietteen lämpötilan muutok-sen perusteella ensimmäisen viidentoista minuutin aikana. Työn tavoitteena oli selvittää, onko uusi lapamainen sekoitinelin tehokas jauhatta-vuuden kannalta mutta samalla myös energiatehokas. Tämän työn perusteella uusi lapamainen sekoitinelin on tehokas jauhautuvuuden kannalta suuremmilla pyörimis-nopeuksilla. Ominaisenergiankulutus on puolestaan samaa luokkaa suuremmilla pyö-rimisnopeuksilla verrattaessa eri sekoitinelimiä.

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.

Potential utilization ways of recovered chemical products from digestate

The study evaluates the potential application of chemical substances, obtained from biogas plants` by-products. Through the anaerobic digestion process with biogas the large amount of digestate is produced. This digestate mainly consists on the organic matter with the high concentration of nutrients such as nitrogen and phosphorus. During ammonia stripping and phosphorus precipitation the products- ammonia water, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ferrous phosphate, aluminum phosphate, calcium phosphate and struvite can be recovered. These chemicals have potential application in different industrial sectors. According to Finnish market and chemicals properties, the most perspective industrial applications were determined. Based on the data, obtained through the literature review and market study, the ammonia water was recognized as a most perspective recovered substances. According to interview provided among Finnish companies, ammonia water is used for flue gas treatment in SNCR technology. This application has a large scale in the framework of Finnish industrial sectors. As well nitrogen with phosphorous can be used as a source of nutrients in the biological wastewater treatment plants of paper mills.

Sellutehtaan prosessien jätevesien puhdistaminen membraanitekniikalla

Tässä työssä tarkoituksena on tutkia mahdollisuuksia sellutehtaan eri jätevesien puhdistukseen uudelleenkäyttöä varten. Yleensä tutkimuksen kohteena ovat yleensä valkaisun alkalisen suodokset, koska niiden suodattaminen on ollut helppoa membraanitekniikalla. Tässä tutkimuksessa kuitenkin kiinnostuksen kohteena ovat valkaisun happamat suodokset ja kuorimon jätevedet. Tutkimuksessa käytettiin viittä membraania, joista kolme on ultrasuodatusmembraaneja ja kaksi nanosuodatusmembraaneja. Näiden katkaisukoot ovat väillä 30 000 -200 Da. Konsentraatiosuodatukset suoritettiin CR 250 -suodattimella. Syötöstä, konsentraatista ja permeaatista otettujen näytteiden analyysien pohjalta laskettujen retentioiden perusteella nanosuodatusmembraani NF270 antoi parhaan tuloksen. Tällä membraanilla kuorimon jätevesien suodatuksessa retentioksi saatiin kaikilla osa-alueilla vähintään 80 %, mutta valkaisun happamien suodosten tulokset olivat alhaisempia. Suodatusten perusteella voitiin laskea tarvittava kapasiteetti ja suodatuspinta-ala suodatus yksiköille. Kummassakin tapauksessa suodatuksen syöttömäärät määräytyivät erään suomalaisen sellutehtaan valkaisussa ja kuorimolla syntyvien jätevesimäärien mukaan. Suodatusyksiköiden kooksi saatiin valkaisun happamien suodosten suodattamiseen 54 CR 1010 -suodatinta ja kuorimon jätevesien suodattamiseen 4 CR 1010-suodatinta.

Kartongin käyristymiseen vaikuttavat tekijät ja niiden hallinta valmistusprosessissa

Työssä selvitettiin uuden kostutuslaitteen toimivuutta kartongin käyristymisen hallinnassa. Työn tavoitteena oli löytää kostutuslaitteelle energiatehokas ja käyttäjäystävällinen ajotapa. Lisäksi pyrittiin etsimään tärkeimmät kartongin käyristymiseen vaikuttavat prosessimuuttujat ja selvittämään voidaanko niitä hyödyntää käyryyden hallinnassa. Työssä tutkittiin myös kostutuslaitteen käytön vaikutuksia kartongin muihin tärkeisiin ominaisuuksiin, jotta saataisiin selville miten uusi tuote eroaisi referenssituotteesta. Kirjallisuusosassa selvitetään, mitkä tekijät vaikuttavat kartongin käyristymiseen ja miten käyristymistä pystytään hallitsemaan. Kirjallisuusosassa käsitellään myös, miten kartongin käyristymiseen tarvittavat epäsymmetriset mittamuutokset kartongin rakenteessa syntyvät lähtien kosteuden vaikutuksista aina yksittäisten kuitujen tasolta koko kartongin rakenteeseen asti. Kokeellisessa osassa selvitetään Inkeroisten Kartonkitehtaan kartonkikoneella ajettujen koeajojen avulla toimivaa ajotapaa kostutuslaitteelle ja eri prosessimuuttujien vaikutusta käyristymiseen. Koeajoissa tutkittiin epäsymmetrisen kostutuksen, kuivatuksen, sitoutuneisuuden, sekä kuituorientaation vaikutuksia kartongin käyristymiseen. Koeajojen perusteella merkittävimmiksi tekijöiksi kartongin käyristymiseen osoittautuivat epäsymmetrinen kostutus sekä kuivatus. Muiden tekijöiden vaikutus kartongin käyristymiseen jäi vähäiseksi tai liian epäselväksi, jotta olisi voitu osoittaa, että muutos kartongin käyryydessä johtuisi nimenomaan kyseisen tekijän muutoksesta. Verrattaessa uutta tuotetta referenssituotteeseen kartongin pinta- tai lujuusominaisuuksissa ei havaittu tapahtuvan merkittävää muutosta, kun selkäkerroksen pintaliimaus korvattiin sumukostutuksella.

Lakisääteiset hitsaustyöt ja niiden laadunhallinta

Tässä diplomityössä selvitettiin UPM Kaukaan tehtailla esiintyviin lakisääteisiin hitsauskohteisiin liittyvää lainsäädäntöä ja lainsäädännön vaikutusta hitsaukselle. Lakisääteisiä hitsauskohteita ovat räjähdysvaaralliset tilat, painelaitteet, kemikaaliputkistot, kemikaalisäiliöt, maakaasulaitteet sekä kantavat teräsrakenteet. Diplomityössä selvitettiin lisäksi hitsauksen laadunhallintaa huomioiden korjaushitsaustyöt sekä uuden rakentaminen. Lakisääteet tuovat hitsauksen suorittamiselle usein tarkasti määritellyt velvoitteet koskien esimerkiksi dokumentointia, hitsaushenkilöstön pätevyyksiä, materiaaleja ja niin edelleen. Lakisääteet lisääntyvät jatkuvasti ja soveltamisalueet laajenevat, jolloin asioiden ylläpitäminen vaatii jatkuvaa seurantaa. Työssä luotiin ohjeistus koskien yleisesti hitsausta ja lisäksi käyttäjän ja omistajan velvoitteita koskevat ohjeet painelaitteista, maakaasulaitteista ja kemikaalilaitteista. Hitsauksen yleisohje koskee jokaista hitsaustapahtumaa korjaushitsauksesta uuden rakentamiseen. Ohje soveltuu lisäksi sopimusliitteeksi hitsaustyön tilauksissa.

Providing Discourse Services for Researchers in a Repository Setting

Poster at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Possibility to add a barrier layer to a fibre tray package in the moulding stage

The main objective of the present study was to analyze the best approach on how to coat paperboard trays at the pressing stage. The coating gives the paperboard enhanced barrier and mechanical properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied includes obtaining the optimum temperature at which good adhesion and bonding is formed between paperboard and skin film. Evaluation of mechanical properties after the coatings; such as cracking, curling and barrier properties was performed.

Maantieliikenteen mitta- ja massauudistuksen hyödyntämismahdollisuudet metsäteollisuustuotteiden kuljetuksissa

Työn tavoitteena oli tuottaa selvitys kohdeyrityksen kotimaan kuljetusten nykytilasta sekä toimenpidesuositus perusteluineen, onko tarpeellista kannustaa nykyisiä kuljetusalihankkijoita hankkimaan uutta kuljetuskalustoa. Lisäksi tutkimuksen tavoitteena oli selvittää ne tilanteet, joissa korkeampien kuormien hyödyntäminen olisi kaikkein kannattavinta kohdeyrityksen kannalta. Tutkimuksen teoriaosiossa käytiin läpi kuljetustoimintojen merkitystä yrityksissä, kerrottiin taustatietoa 1.10.2013 voimaantulleesta mitta- ja massauudistuksesta sekä kuljetuspalveluiden hinnoitteluun liittyviä seikkoja. Työn empiriaosiossa käsiteltiin tutkimukseen valittujen case – tehtaiden kotimaankuljetusten nykytilaa ja tehtaisiin liittyviä kuljetuskustannuslaskelmia tuloksineen, sekä nykytilan mukaisia että aiempaa suurempia sallittuja kuormia hyödynnettäessä. Lisäksi empiriaosiossa esitettiin laskelmiin perustuen toimenpidesuosituksia työn toimeksiantajalle. Työn keskeisin tulos oli, että mitta- ja massauudistusta kannattaa hyödyntää tilanteissa, joissa kuljetettavat määrät ovat mahdollisimmat suuria, välimatkat pitkiä ja joissa kuorma puretaan esim. satamassa. Käytännössä tämä toteutuu Pohjois-Suomesta Etelä-Suomeen suuntautuvissa kuljetuksissa ja se on myös kuljetusyritysten näkökulmasta kannattavin vaihtoehto.

Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa

Kandidaatintyön tavoitteena on kartoittaa merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon, keittämöön sekä kuivauskoneeseen. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen odotetaan pysyvän tavanomaista sulfaattiprosessia vastaavalla tasolla. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Polysulfidiprosessin vaikutukset höyrynkulutukseen sulfaattisellutehtaassa

Diplomityön tavoitteena on kartoittaa höyrynkulutuksen merkittävimmät muutokset sellutehtaalla siirryttäessä sulfaattimassan valmistuksesta polysulfidiselluprosessiin. Työssä esitellään sulfaattisellun valmistusprosessi ja polysulfidin vaatimat muutokset selluprosessissa erityisesti höyrynkulutuksen kannalta. Sellutehtaan höyrynkulutusta ja sen mahdollisia sekä todennettuja muutoksia tarkastellaan suhteessa tehtaan selluntuotantoon. Diplomityössä analysoidaan muutoksiin johtaneita syitä ja erityisesti peilataan niitä ennalta odotettuihin muutoksiin, joita kandidaatintyö ”Polysulfidiprosessi sulfaattisellutehtaassa” (Szepaniak 2014) esitti kirjallisuuden pohjalta. Tutkimus tehdään tutustuen dokumenttilähteisiin sekä erityisesti hankkimalla lisätietoa ja käytännön näkemystä asiantuntijahaastatteluista. Työssä käytetään esimerkkinä tyypillistä modernia sellutehdasta, jonka perusteella tarkasteltavat osaprosessit ovat valikoituneet. Tutkimustulosten perusteella esitetään jatkotutkimus- ja kehityskohteita. Sulfaattiprosessiin tehtävät muutokset käsittävät keittolipeän muuttamisen polysulfidipitoiseksi, polysulfidin valmistusprosessin (MOXY) sekä keiton muuttamisen siten, että polysulfidin vaikutus voidaan maksimoida. Polysulfidiprosessi vaikuttaa merkittävästi lipeäkiertoon ja keittämöön. Keittämön höyrynkulutus kasvaa, haihduttamon kuorma vähenee ja soodakattilan lämmöntuotanto heikkenee. Muilla osastoilla ominaishöyrynkulutuksen muutokset ovat tilastollisesti merkityksettömiä. Höyrynkulutuksella on huomattava merkitys modernin sellutehtaan tuotanto- ja kustannustehokkuuteen, sillä säästetyllä ylijäämähöyryllä voidaan tuottaa myyntisähköä. Uusiutuvan energian tuottajana ja ympäristövastuullisena toimijana sellutehtaiden on järkevää pyrkiä vähentämään omaa höyrynkulutustaan ja lisäämään sitä kautta sähköntuotantoaan.

Metsäteollisuuden puunhankinnan ohjaus: Hankintalähteen kannattavuus ja siihen vaikuttavat tekijät

Tutkielmassa rakennettiin laskentamalli metsäteollisuuden puunhankinnan hankintalähteen kannattavuuden määrittämiseksi ja selittämiseksi. Tutkimuksessa noudatettiin konstruktiivisen tapaustutkimuksen tutkimusotetta. Tutkimuksen kohdeorganisaationa oli kansainvälisesti toimivan metsäteollisuusyrityksen Suomen puunhankintaorganisaatio. Kannattavuusmalli määrittelee hankintalähteen kannattavuuden sekä käsitteellisellä että laskentamenettelyn tasolla. Kannattavuusmallin katesuure on porttikate, joka rakennettiin taloudellisen lisäarvon teoriaan nojaten kohdeorganisaation tarpeiden ja sen laskenta-asiantuntijoiden näkemysten perusteella. Kannattavuusmallin rakenne ja osat kuvattiin seikkaperäisesti. Kannattavuusmallin käyttämän liiketoimintadatan poiminta ja laskentasuureiden raportointi testattiin. Mallin tarvitsemat laskentatiedot on saatavissa kohdeorganisaation kehitteillä olevasta toiminnanohjausjärjestelmästä. Laskentamallin hyödyntämismahdollisuudet arvioitiin. Hankintalähteen kannattavuutta mittaavalla porttikatteella voidaan ohjata puunhankintaorganisaatiota sen tavoitteiden saavuttamisessa. Malli ilmaisee porttikatteeseen vaikuttavien tekijöiden vaikutuksen kannattavuuteen, minkä avulla voidaan tehdä parempia päätöksiä hankintalähteiden hyödyntämisessä. Aiemmista tutkimuksista poiketen malli huomioi hankintalähteen suoritteen arvon tärkeimmille asiakastehtaille perustuen todellisiin liiketapahtumiin. Kannattavuusmallia voidaan hyödyntää laajalti metsäteollisuusyritysten tavaralajimenetelmään perustuvassa puunhankinnassa. Kannattavuusmallin rakentaminen rohkaisee puunhankinnan johtoa ja laskentahenkilöitä hedelmällisen yhteistyöhön.

Pressforming of a tray from a pulp sheet

The aim of this thesis work was to verify the possibility to produce tray packages directly from pulp sheets using press forming techniques. The different existing raw materials of pulp, various sources of molded pulp and different methods of production of molded pulp were studied. Nine different raw materials which were used for experimental work were provided by Stora Enso mills, and Stora Enso Research Centre, Imatra, Finland. The laboratory tests were carried out using LUT Adjustable packaging line at Lappeenranta University of Technology. The results prove that long virgin fibres of pine pulp seems to have better formability with high moisture content compared to others. No significant improvements were noticed with conditioned samples, never the less far studies has to be done to find optimal conditions for production. The results indicated the possibility for making pressformed tray from two different pulp qualities (Sunila pulp and Enopine). The method could prove to be beneficiary as the production line could be shortened and investment in board machines could be avoided if the trays were pressed directly from pulp sheets. Also the labour costs would be reduced. However, there is much work to be done before the quality of a tray produced out of a pulp sheet is comparable to a tray produced out of tray board.