Kustannusmallien kehitys BCTMP- ja DIP-prosessien simulointimalleihin

Massa- ja paperiteollisuuden päästöt ovat vähentyneet huomattavasti viime vuosikymmenten aikana. Tiukentuvat viranomaismääräykset ja ympäristörajoitukset tulevat vaatimaan päästöjen määrien vähentämistä edelleen. Päästöttömät massanvalmistusprosessit olisivat ratkaisu näiden määräysten täyttämiseksi.Tämän työn tavoitteena on kehittää kustannusmallit Balas-ohjelmalla simuloitaville virtuaalisille BCTMP- sekä DIP-massanvalmistusprosesseille. Tarkoituksena on, että kustannusmallien avulla voidaan selvittää valmistusprosessien kustannusrakenteet ja erilaisten päästöttömyysratkaisujen vaikutus kustannusrakenteeseen. Lisäksi mallien avulla selvitetään päästöttömyysinvestointien kannattavuudet sekä mahdollisten päästöistä aiheutuvien kustannusten nousun vaikutus tehtyjen päästöttömyysinvestointien kannattavuuteen.Työn tuloksena syntyi Excel-taulukkolaskentaohjelmalla laadittu kustannuslaskentamalli, jonka avulla saadaan laskettua prosessien muuttuvat, kiinteät sekä pääomakustannukset toimintokohtaisesti. Teoriapohjana prosessien toimintojen määrittämisessä käytettiin toimintolaskentaa. Investointien kannattavuutta mallissa tarkastellaan nykyarvon, sisäisen korkokannan sekä takaisinmaksuajan menetelmällä. Kustannusten laskennassa käytettävät hintatiedot perustuvat laitetoimittajien tarjouksiin, massa-, paperi- ja kemikaalivalmistajien haastatteluihin sekä kirjallisuustutkimukseen.

Uuteaineet BCTMP-prosessissa

Diplomityö tehtiin M-real Joutsenon BCTMP-tehtaalle. Työn aiheena oli tehdä uuteaine- ja metallikartoitus eri prosessivaiheiden massoista ja suodoksista BCTMP-tehtaassa. BCTMPmassaa käytetään muun muassa elintarvikekartongin keskikerroksessa. Pakattaviin kartonkeihin suoraan kosketuksissa olevat elintarvikkeet ovat alttiita haju- ja makuvivahteille. Hajut ja maut voivat saada alkunsa kartongin komponenteista, kuten BCTMP-massasta, kartongin päällystysaineista ja kartongin jatkojalostuksessa käytetyistä painoväreistä. Diplomityön teoriaosuudessa keskityttiin puun lipofiilisiin uuteaineisiin ja erityisesti komponentteihin, jotka aiheuttavat haju- ja makuongelmia. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös haju- ja makuominaisuuksien muodostumiseen vaikuttavia tekijöitä sekä kerrottiin mahdollisista uuteaineiden poistomenetelmistä. Teoriaosuudessa esiteltiin analysointimenetelmiä, joita käytettiin kokeellisessa osassa. Kokeellisessa osassa esiteltiin valmistettavan massan laatuspesifikaatiot ja toteutuneet laatutrendit. Samassa tutkittiin massan analysointimenetelmien tuloksien korrelaatioita kokonaisuuteaineiden toteamiseksi. Seuraavaksi käsiteltiin syksyllä 2010 ja talvella 2011 tehtyjä prosessin uuteainekartoituksia, jossa muun muassa tutkittiin eri prosessivaiheiden massojen ja suodoksien uuteainemääriä ja –komponentteja. Kartoituksien yhteydessä laskettiin prosessin uuteainetaseita ja prosessin pesutehokkuuksia. Samalla tutkittiin siirtymämetallimääriä, jotka osaltaan vaikuttavat haju- ja makuominaisuuksiin. Kokeellisen osan korrelaatiovertailuissa huomattiin, että merkittävin korrelaatio kokonaisuuteaineisiin on viimeisen massan pesuvaiheen suodoksen sameudella, liki 80 %. Heksanaalipotentiaalin ja uuteaineen korrelaatio oli myös noin 80 %. Valmiista massasta tehdyn kemiallisen hapen kulutuksen eli COD:n korrelaatio uuteaineisiin oli vain 38 %. Prosessikartoituksen tuloksista laskettujen pesuvaiheiden erotustehokkuudet olivat hyvät.

Quality potential of DIP and hardwood CTMP based raw materials in woodcontaining printing paper

The objective of the thesis was to define the quality potential of DIP and hardwood CTMP based raw material furnish for a printing paper production and to define the end product's pulp-based boundary conditions especially when thinking of Chinese markets. Although the Chinese paper industry expands rapidly, the production of some paper grades is still exiguous. Especially the softwood resources are limited in Asia, thus the purpose of the thesis was to find out the possibilities to produce printing paper in China from local raw materials. Bleached CTMP can be produced, for example, from fast-growing hardwood species like eucalyptus and poplar. Therefore in this thesis it was examined if good quality printing paper is possible to produce by using deinked pulp and hardwood CTMP based furnish. In the first section of experimental part, various deinked pulps and chemithermomechanical pulps were compared. The deinked pulps were from China, Central Europe and Finland. Central European was made for magazine papers, and the Chinese as well as the Finnish pulps were made for newsprints. Two of the BCTMPs were from China and those both were made from poplar, whereas one BCTMP was made from eucalyptus in a pilot plant. There were significant differences especially between BCTMPs and their paper properties. In the second section of experimental part, the deinked pulp and eucalyptus BCTMP were blended to produce handsheets. The results show that producing the highest quality printing paper would be difficult from these raw materials. Deinked pulp affected especially the strength and optical properties as well as calender blackening. The BCTMP was found to have effects mostly on the smoothness, strength and optical properties as well as calender blackening.

Water circulations for effective bleaching of high-brightness mechanical pulps

The amount of water available is usually restricted, which leads to a situation where a complete understanding of the process, including water circulations and the influence of water components, is essential. The main aim of this thesis was to clarify the possibilities for the efficient use of residual peroxide by means of water circulation rearrangements. Rearranging water circulations and the reduction of water usage may cause new problems, such as metal induced peroxide decomposition that needs to be addressed. This thesis introduces theoretical methods of water circulations to combine two variables; effective utilization of residual peroxide and avoiding manganese in the alkaline peroxide bleaching stage. Results are mainly based on laboratory and mill site experiments concerning the utilization of residual peroxide. A simulation model (BALAS) was used to evaluate the manganese contents and residual peroxide doses. It was shown that with optimum recirculation of residual peroxide the brightness can be improved or chemical costs can be decreased. From the scientific perspective, it was also very important to discover that recycled peroxide was more effective pre-bleaching agent compared to fresh peroxide. This can be due to the organic acids i.e. per acetic acid in wash press filtrate that have been formed in alkaline bleaching stage. Even short retention time was adequate and the activation of residual peroxide using sodium hydroxide was not necessary. There are several possibilities for using residual peroxide in practice regarding bleaching. A typical modern mechanical pulping process line consist of defibering, screening, a disc filter, a bleach press, high consistency (HC) peroxide bleaching and a wash press. Furthermore there usually is not a particular medium consistency (MC) pre-bleaching stage that includes additional thickening equipment. The most advisable way to utilize residual peroxide in this kind of process is to recycle the wash press filtrate to the dilution of disc filter pulp (low MC pre-bleaching stage). An arrangement such as this would be beneficial in terms of the reduced convection of manganese to the alkaline bleaching stage. Manganese originates from wood material and will be removed to the water phase already in the early stages of the process. Recycling residual peroxide prior to the disc filter is not recommended because of low consistencies. Regarding water circulations, the novel point of view is that, it would be beneficial to divide water circulations into two sections and the critical location for the division is the disc filter. Both of these two sections have their own priority. Section one before the disc filter: manganese removal. Section two after the disc filter: brightening of pulp. This division can be carried out if the disc filter pulp is diluted only by wash press filtrate before the MC storage tower. The situation is even better if there is an additional press after the disc filter, which will improve the consistency of the pulp. This has a significant effect on the peroxide concentration in the MC pre-bleaching stage. In terms of manganese content, it is essential to avoid the use of disc filter filtrate in the bleach press and wash press showers. An additional cut-off press would also be beneficial for manganese removal. As a combination of higher initial brightness and lower manganese content, the typical brightness increase varies between approximately 0.5 and 1% ISO units after the alkaline peroxide bleaching stage. This improvement does not seem to be remarkable, but as it is generally known, the final brightness unit is the most expensive and difficult to achieve. The estimation of cost savings is not unambiguous. For example in GW/TMP mill case 0.6% ISO units higher final brightness gave 10% savings in the costs of bleaching chemicals. With an hypothetical 200 000 ton annual production, this means that the mill could save in the costs of bleaching chemicals more than 400 000 euros per year. In general, it can be said that there were no differences between the behavior of different types of processes (GW, PGW, TMP and BCTMP). The enhancement of recycling gave a similar response in all cases. However, we have to remember that the utilization of residual peroxide in older mills depends a great deal on the process equipment, the amount of water available and existing pipeline connections. In summary, it can be said that processes are individual and the same solutions cannot be applied to all cases.

Pohjapaperin kustannusrakenteen optimointi

Kilpailulliset tekijät ovat johtaneet paperin valmistajat miettimään keinoja valmistuskustannusten leikkaamiseksi. Yksi keino on optimoida raaka-aineiden käyttöä, jota on tehty tässä diplomityössä. Työn tarkoitus on selvittää koeajoin mahdollisuudet kalliimpien raaka-aineiden korvaamiseen edullisemmilla, säilyttäen kuitenkin pohjapaperin laadulliset ominaisuudet. Työ on toteutettu UPM Kymmene Oyj:n Jokilaakson tehtailla, Jämsänkosken paperitehtaan Tarrapaperit-osastolla. Työssä on käytetty apuna tietokoneohjelmia mallintamaan ja simuloimaan paperissa ja paperin kustannusrakenteessa tapahtuvia muutoksia, mutta merkittävimmässä asemassa ovat olleet koeajot ja erilaisten näytteiden käsittely. Raaka-aineina käytettävien massojen osuuksien optimoinnilla on saatu aikaiseksi merkittäviä kustannussäästöjä, mutta työn yhteydessä on löydetty myös keinoja säästöjen saavuttamiseksi energiankulutusta järkevöittämällä. Luotu malli auttaa jatkossa kustannusrakenteen seurannassa. Mäntysellun osuuden laskulla ja täyteaineen osuuden nostolla saavutetaan merkittävimmät kustannussäästöt, kemihierteellä vaikutus kustannuksiin on vähäisempi. Sähköenergiaa vievä kuitujen jauhatus on järjestetty paperikone 3:lla uudella tavalla, jolla on paitsi saavutettu säästöä energiassa, parannettu myös paperin lujuutta.