Sulfaattiselluloosatehtaan rikki- ja natriumtase sekä kemikaalikierron malli

Tämän diplomityön kirjallisessa osassa on tarkasteltu sulfaattiselluloosatehtaan ympäristöpäästöjen vähentämiseen liittyvää ongelmallisuutta sekä luomaan pääpiirteittäinen kuvaus sulfaattiselluloosatehtaan kemikaalikierrosta lähinnä rikki- ja natriumyhdisteiden kiertoja huomioiden. Pääasiassa kemikaalisäästöjen ja ympäristösyiden vuoksi tehtävää kemikaalikierron sulkemista seuraa rikki- ja natriumtaseisiin sekä kemikaalikierron vierasaineisiin liittyviä ongelmia, kuten prosessilaitteistojen likaantumista, korroosiota ja hajukaasuyhdisteiden muodostumista. Diplomityön mallinnusosassa on luotu Metsä-Botnian Rauman sellutehtaan kemikaalikierron malli pohjautuen tehtaan virtauskaavioihin sekä muuhun tehtaalta saatuun prosessi-informaatioon. BALAS-simulointiohjelmiston avulla luotuja mallikaavioita on käytetty hyväksi tehtaan kokonais- rikki- ja natriumtaseiden laskennassa. Varsinainen simulointi on jätetty projektin aikataulullisten syiden vuoksi jatkoprojektin piiriin.

Uuteaineiden on-line-mittaus koivusulfaattisellutehtaalla

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia pihkanhallintaa sulfaattisellutehtaalla ja uuteaineiden analysointimenetelmiä massasta ja suodoksesta. Tavoitteena oli kehittää uuteaineiden on-line mittausmenetelmä sulfaattisellutehtaalle. Kirjallisuusosassa esitettiin sulfaattisellun valmistusprosessi ja uuteaineiden käyttäytyminen prosessissa. Lisäksi työssä käsiteltiin tärkeimpiä pihkanhallintamenetelmiä ja uuteaineiden analysointia. Kokeellisessa osassa määritettiin uuteainepitoisuudet 29:stä massa- ja pesusuodosnäytteestä. Lisäksi suodosnäytteiden sameus ja kemiallinen hapenkulutus määritettiin laboratoriossa. On-line mittaukset tehtiin DD-pesurin paluusuodoksesta, josta mitattiin johtokyky, lämpötila, taitekerroin ja pH. Sameutta yritettiin mitata on-line nefelometrillä, mutta käytössä ollut laite ei soveltunut tumman suodoksen mittaamiseen. Työssä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että pesusuodoksen ominaisuuksia mittaamalla ei voida arvioida massan uutepitoisuutta luotettavasti. Suodoksen ja massan uutepitoisuuksien välinen selitysaste oli 54%. Saippuoitumattomien uuteaineiden pitoisuuden ollessa erityisen suuri, suodoksen uutepitoisuus ei korreloi massassa olevan uutteen määrän kanssa. Täten kyseinen mittausmenetelmä ei ole sopiva, sillä se ei toimi silloin, kun olisi tärkeintä tietää oikea uuteainepitoisuus pihkanhallintakemikaalien annosten määrittämiseksi. Suodoksen sameus riippui sen uutepitoisuudesta 80% selitysasteella. Sameusmittaus on nopea ja suhteellisen luotettava menetelmä suodosten uutepitoisuuksien arviointiin, mutta se vaatii mittalaitteen joka käyttää usean ilmaisimen tekniikkaa. On-line-mittauksissa laitteisto tulisi varustaa automaattisella pesulaitteella, sillä mittarin linssit likaantuvat helposti prosessivirrassa.

Sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron vierasainetasot ja kalkkikierron aukaisu.

Työssä selvitettiin sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron eräiden virtojen vierasainepitoisuudet. Tavoitteena oli myös laatia kaustisoinnin ja meesauunin vierasainetaseet sekä arvioida kalkkikierron aukaisun vaikutusta kierron vierasainetasoihin. Kirjallisuusosassa on tarkasteltu sulfaattisellutehtaan kemikaalikiertoa ja sen osaprosesseja. Kirjallisuusosassa on keskitytty tarkastelemaan eri vierasaineiden käyttäytymistä kemikaalikierrossa. Lisäksi kalkkikierron prosesseja sekä kalkkikierron taselaskentaa on tarkasteltu. Kokeellisessa osassa määritettiin Metsä-Botnia Oy:n Joutseno Pulpin sulfaattisellutehtaan kemikaalikierron vierasainetasot ja verrattiin niitä muiden tehtaiden vierasainetasoihin. Kokeellisessa osassa selvitettiin myös ne prosessin kohdat, joihin vierasaineet rikastuvat. Lisäksi laadittiin kaustisoinnin ja meesauunin vierasainetaseet sekä tehtiin arvio kalkkikierron vierasainetasojen ja kalkkikierron aukaisun välisestä korrelaatiosta. Tehtyjen määritysten perusteella Joutseno Pulpin sulfaattisellutehtaan eräiden prosessivirtojen vierasainetasot ovat selvästi muiden Metsä-Botnian tehtaiden tasoja korkeammalla. Etenkin valkolipeän kaliumpitoisuus ja meesan fosforipitoisuus ovat korkeita. Kloridi rikastuu voimakkaasti soodakattilan lentotuhkaan ja fosfori rikastuu meesauunin sähkösuodinpölyyn. Laadittujen taseiden perusteella vierasaineista fosfori ja magnesium rikastuvat selvästi kalkkikiertoon. Niiden määrät kalkkikierrossa ovat huomattavasti suuremmat kuin muiden vierasaineiden määrät. Kalkkikierron fosforitasoa voidaan alentaa poistamalla kierrosta meesauunin sähkösuodinpölyä ja korvaamalla poisto make-up kalkilla. Tällöin muiden vierasaineiden määrä kalkkikierrossa kuitenkin kasvaa.

Biochemical treatment of brown grade rejects in recycling process

Ruskeisiin kierrätysmassoihin kuuluu kulutuksen kannalta tärkeimpänä laatuna OCC (old corrugated containers). OCC sisältää noin 70-100% aaltopahvia eli pääasiassa se koostuu valkaisemattomasta kemiallisesta massasta. OCC uusiomassan ensisijainen käyttökohde on aaltopahvin valmistus. OCC:n kierrätyskuituprosessissa syntyy merkittäviä määriä rejektiä. Rejektin määrä riippuu paljolti kierrätettävän materiaalin laadusta ja puhtaudesta, mutta myös tulevan massan käyttötarkoituksesta sekä prosessiolosuhteista. OCC-prosessissa rejektoituvan aineksen määrä voi nousta korkeaksi, mikäli kierrätettävä materiaali sisältää märkälujaliimoja tai muuten raskaasti liimattuja komponentteja sekä runsaasti kontaminantteja, kuten muoveja, teippejä ja metalleja. Keskimäärin OCC-rejekti sisältää 30-60% kiinteää ainesta, 30-90% (kuivapaino) kuituja, 5-70% (kuivapaino) muoveja ja 1-10% (kuivapaino) tuhkaa. Syntynyt rejekti voidaan polttaa energiaksi tai käyttää maantäyttöaineena. Harvinaisempia sovelluksia rejektin käsittelyssä ovat rejektin kuitujen talteenotto uudelleenprosessointia varten tai alkoholin ja levuliinihapon tuottamiseen. Rejektin asianmukaisella käsittelyllä voidaan vähentää kaatopaikkakustannuksia, sekä parantaa kierrätysprosessin tuottavuutta. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia biokemiallisen käsittelyn mahdollisuudet OCC-rejektin hajotuksessa. Alustavissa laboratoriomittakaavan kokeissa etsittiin sopiva käsittelytapa, joka toteutettiin sitten pilot plant -mittakaavassa. Tulokset osoittavat, että biokemiallisen käsittelyn avulla rejekti voidaan hajottaa jolloin jätteenkäsittelykustannukset pienenevät ja kierrätyskuituprosessin taloudellisuus paranee.

Sulfaattimassan D/Q(EOP)D-valkaisimon optimointi

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

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.

Designing a new type of support for rotary kilns

Lime kiln is used as a part of the modern kraft pulp process in order to produce burnt lime from lime mud. This rotating kiln is supported by support rollers, which are traditionally supported by journal bearings. Since the continuous growth in the production of pulp mills requires larger lime kilns, the traditional bearing construction has become unreliable. The main problem especially involves the running-in phase of the bearings. In the present thesis, a new type of support roller was developed by using the systematic approach of machine design. Structural analysis was conducted on the critical parts of the selected structure by the finite element method. The operation of hydrodynamic bearings was examined by analytical methods. As a result of this work, a new type of support for rotating kilns was designed, which is more reliable and easier to service. A new support roller geometry is described, which pro¬vides for significant cost savings.

INFLUÊNCIA DO CONTEÚDO DE XILANAS NA BRANQUEABILIDADE, PROPRIEDADES HIGROSCÓPICAS, FISICO-MECÂNICAS E ÓPTICA DE POLPAS BRANQUEADAS DE EUCALIPTO

Bleached eucalypt kraft pulps are widely used in print and writing (P&W) and tissue paper manufacture. Among the quality requirements of pulp for these papers, xylan content has been controversial. The objective of this study was to evaluate the influence of xylan content on bleachability, hygroscopic, physic-mechanical and optical properties of the pulp. In this study industrial unbleached eucalyptus kraft pulp (15.6% xylans) treated with different NaOH loads to change its xylan content was used. Subsequently, pulps were bleached by the ODHT(EP)D sequence to achieve 90% ISO of brightness, then refined and submitted to hygroscopic, physicomechanical and optical tests. NaOH treatments decreased the xylan content to 14.5-5.9% using NaOH loads of 10-70 g L-1. Pulp bleachability was not significantly affected by xylan content decrease. The decrease in xylan content negatively affected the water retention value and Klemm capillarity of the pulp, while water absorption capacity was positively affected. Tensile and tear index were negatively influenced by the reduction in xylan content, whereas bulk and light scattering coefficient increased.

Feasibility study for acidic biorefinery concept

The integration a recovery process for spent sulfite liquor from a sulfite cooking process with a kraft pulp mill was studied in this thesis work. The process includes a fermentation process for the production of biofuel. The calculation for three cases was done. The three cases considered were with a spruce sulfite pulp production of 100, 250 and 1000 Adt/day corresponding to 10, 25 and 100% of the total pulp production. A kraft cooking process with prehydrolysis was taken in consideration as reference. Compared to kraft cooking with prehydrolysis a bigger amount of ethanol can be produced by sulfite cooking. In the kraft prehydrolysis case 40 t/day of ethanol and 1000 Adt/day pine pulp is produced and in the sulfite case the production is 113 t/day of ethanol and 1000 Adt/day of spruce pulp. The energy consumption in the sulfite process is assumed to be slightly higher than in the kraft prehydrolysis process. The recovery system for spent liquor mix was studied. The evaporation of the spent cooking liquors should be done separately. The approximately composition of melt was calculated. A comparison of all four cases was done and profitability was estimated.

Alternative liquid biofuels for lime kilns

Causticizing plant is an important part of kraft pulp mill. It uses green liquor from recovery boiler as a raw material and consumes lime to produce white liquor, which is an important chemical used in pulping. Lime kiln is a part of the causticizing process. It is used to convert lime mud, a by-product obtained from the causticizing back to lime in high temperatures. This conversion requires a lot of energy. The most common fuels used as energy source for lime kiln are heavy fuel oil and natural gas. In a modern pulp mill lime kiln is the only user of significant amount of fossil fuels. Replacing fossil fuels with biofuels can have prominent economical and environmental benefits. Interest in using biofuels as energy source of lime kiln has become a worldwide issue in the recent years. However fuels used for lime kiln have a lot of certain requirements. The purpose of this work is to study the required characteristics from liquid fuels used in pulp mill lime kiln and to map suitable liquid biofuels already available in the markets. Also taxation of liquid biofuels compared to heavy fuel oil in Finland, Sweden and Germany is shortly introduced.

Characterisation of Laser Beam and Paper Material Interaction

It is known already from 1970´s that laser beam is suitable for processing paper materials. In this thesis, term paper materials mean all wood-fibre based materials, like dried pulp, copy paper, newspaper, cardboard, corrugated board, tissue paper etc. Accordingly, laser processing in this thesis means all laser treatments resulting material removal, like cutting, partial cutting, marking, creasing, perforation etc. that can be used to process paper materials. Laser technology provides many advantages for processing of paper materials: non-contact method, freedom of processing geometry, reliable technology for non-stop production etc. Especially packaging industry is very promising area for laser processing applications. However, there are only few industrial laser processing applications worldwide even in beginning of 2010´s. One reason for small-scale use of lasers in paper material manufacturing is that there is a shortage of published research and scientific articles. Another problem, restraining the use of laser for processing of paper materials, is colouration of paper material i.e. the yellowish and/or greyish colour of cut edge appearing during cutting or after cutting. These are the main reasons for selecting the topic of this thesis to concern characterization of interaction of laser beam and paper materials. This study was carried out in Laboratory of Laser Processing at Lappeenranta University of Technology (Finland). Laser equipment used in this study was TRUMPF TLF 2700 carbon dioxide laser that produces a beam with wavelength of 10.6 μm with power range of 190-2500 W (laser power on work piece). Study of laser beam and paper material interaction was carried out by treating dried kraft pulp (grammage of 67 g m-2) with different laser power levels, focal plane postion settings and interaction times. Interaction between laser beam and dried kraft pulp was detected with different monitoring devices, i.e. spectrometer, pyrometer and active illumination imaging system. This way it was possible to create an input and output parameter diagram and to study the effects of input and output parameters in this thesis. When interaction phenomena are understood also process development can be carried out and even new innovations developed. Fulfilling the lack of information on interaction phenomena can assist in the way of lasers for wider use of technology in paper making and converting industry. It was concluded in this thesis that interaction of laser beam and paper material has two mechanisms that are dependent on focal plane position range. Assumed interaction mechanism B appears in range of average focal plane position of 3.4 mm and 2.4 mm and assumed interaction mechanism A in range of average focal plane position of 0.4 mm and -0.6 mm both in used experimental set up. Focal plane position 1.4 mm represents midzone of these two mechanisms. Holes during laser beam and paper material interaction are formed gradually: first small hole is formed to interaction area in the centre of laser beam cross-section and after that, as function of interaction time, hole expands, until interaction between laser beam and dried kraft pulp is ended. By the image analysis it can be seen that in beginning of laser beam and dried kraft pulp material interaction small holes off very good quality are formed. It is obvious that black colour and heat affected zone appear as function of interaction time. This reveals that there still are different interaction phases within interaction mechanisms A and B. These interaction phases appear as function of time and also as function of peak intensity of laser beam. Limit peak intensity is the value that divides interaction mechanism A and B from one-phase interaction into dual-phase interaction. So all peak intensity values under limit peak intensity belong to MAOM (interaction mechanism A one-phase mode) or to MBOM (interaction mechanism B onephase mode) and values over that belong to MADM (interaction mechanism A dual-phase mode) or to MBDM (interaction mechanism B dual-phase mode). Decomposition process of cellulose is evolution of hydrocarbons when temperature is between 380- 500°C. This means that long cellulose molecule is split into smaller volatile hydrocarbons in this temperature range. As temperature increases, decomposition process of cellulose molecule changes. In range of 700-900°C, cellulose molecule is mainly decomposed into H2 gas; this is why this range is called evolution of hydrogen. Interaction in this range starts (as in range of MAOM and MBOM), when a small good quality hole is formed. This is due to “direct evaporation” of pulp via decomposition process of evolution of hydrogen. And this can be seen can be seen in spectrometer as high intensity peak of yellow light (in range of 588-589 nm) which refers to temperature of ~1750ºC. Pyrometer does not detect this high intensity peak since it is not able to detect physical phase change from solid kraft pulp to gaseous compounds. As interaction time between laser beam and dried kraft pulp continues, hypothesis is that three auto ignition processes occurs. Auto ignition of substance is the lowest temperature in which it will spontaneously ignite in a normal atmosphere without an external source of ignition, such as a flame or spark. Three auto ignition processes appears in range of MADM and MBDM, namely: 1. temperature of auto ignition of hydrogen atom (H2) is 500ºC, 2. temperature of auto ignition of carbon monoxide molecule (CO) is 609ºC and 3. temperature of auto ignition of carbon atom (C) is 700ºC. These three auto ignition processes leads to formation of plasma plume which has strong emission of radiation in range of visible light. Formation of this plasma plume can be seen as increase of intensity in wavelength range of ~475-652 nm. Pyrometer shows maximum temperature just after this ignition. This plasma plume is assumed to scatter laser beam so that it interacts with larger area of dried kraft pulp than what is actual area of beam cross-section. This assumed scattering reduces also peak intensity. So result shows that assumably scattered light with low peak intensity is interacting with large area of hole edges and due to low peak intensity this interaction happens in low temperature. So interaction between laser beam and dried kraft pulp turns from evolution of hydrogen to evolution of hydrocarbons. This leads to black colour of hole edges.

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.

Xilanases, ß-xilosidases de Penicillium janczewskii: purificação, caracterização e aplicação no branqueamento da polpa celulósica e para ração animal

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Qualidade da madeira e da celulose de clones de Eucalyptus spp. de diferentes densidades

Pós-graduação em Ciência Florestal - FCA

Impacto da adição de caulim nas propriedades físico-mecânicas do papel formado por sequências ECF

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)