Paperikoneiden pigmenttiainehylyn hyötykäyttö Atrex- laitteiston avulla

Työn kirjallisuusosassa kartoitettiin paperin valmistusprosessissa syntyvien sekundäärivirtojen käsittelyyn tarkoitettuja talteenottolaitteistoja ja niiden toimintaperiaatteita. Erityisesti keskityttiin kahden huomattavan sekundäärivirran, paperin valmistusprosessissa syntyvän pyörrepuhdistuslaitoksen rejektin sekä paperin päällystysprosessissa syntyvien pastapitoisten jätevesien käsittelyyn. Lisäksi perehdyttiin julkaistuihin käyttökokemuksiin ko. talteenottoprosesseista. Työssä optimoitiin Atrex- dispergointilaitteiston laite- ja toimintaparametrejä. Tavoitteena oli selvittää erillisten tutkimusvaiheiden avulla pidemmän viipymäajan ja kierrätyspyörrepuhdistimen vaikutusta Atrex- rejektinkäsittelylaitteiston toimintaan sekä Atrex:n soveltuvuutta päällystetyn hylyn hajotukseen. Lisäksi vertailtiin elektronimikroskoopilla neljän eri paperikoneen viimeisen pyörrepuhdistusportaan rejektinäytteitä sekä selvitettiin näytteiden sisältämän karkeanjakeen koostumusta. Elektronimikroskooppitutkimukset osoittivat päällystettyä paperia valmistavan paperikoneen pyörrepuhdistuslaitoksen rejektin ylisuurien partikkelien olevan pääasiassa flokkeja, jotka muodostuvat hienojakoisista pigmenttipartikkeleista. Havainnon perusteella rejektin käsittelyssä on kysymyksessä päällysteflokkien hajottaminen ja alkuperäisen partikkelikokojakauman palauttaminen. Kierrätyspyörrepuhdistimen lisääminen rejektinkäsittelyprosessiin paransi tutkimusvaiheen tuloksien perusteella paperikoneelle palautettavan materiaalin laatua rejektoimalla paperikoneelle palautettavasta akseptivirrasta yli 25 m:n suuruiset päällysteflokit takaisin dispergointivaiheeseen. Tutkimusvaiheen aikana saatujen käyttökokemuksien perusteella kierrätyspyörrepuhdistimen käyttämisestä osana rejektinkäsittelyprosessia ei aiheutunut mitään teknisiä tai ajettavuus ongelmia. Prosessi oli helposti hallittavissa ja palautettavanmateriaalin määrässä päästiin tavoiteltuun yli 90 %:n osuuteen.

Päällystävän paperikoneen vesikiertojen mallinnus

Työssä mallinnettiin kevyesti päällystettyjä aikakauslehtipapereita valmistavan paperikoneen vesikierrot Balas-ohjelman avulla. Mallin avulla selvitettiin paperikoneelle suunniteltujen muutosten vaikutuksia haitallisten aineiden tasoihin, muihin mallinnettuihin parametreihin ja vedenkulutukseen. Mallin luotettavuutta testattiin käytännössä tehdyillä muutoksilla. Vesinäytteistä haitallisina aineina tarkasteltiin lipofiilisten uuteaineiden, kalsiumin, alumiinin, raudan, piin ja sulfaatin pitoisuuksia. Pohjapaperinäytteistä määritettiin lipofiilisten uuteaineiden sekä kalsiumin ja alumiinin pitoisuudet. Paperikoneelle suunniteltuja muutoksia olivat kiekkosuodattimien kirkkaan suodoksen käyttö viiraosan suihkuvetenä ja päällystyksen yhteydessä syntyvän pastajätteen käyttö pohjapaperin täyteaineena. Kirkkaan suodoksen käytön lisäämisellä pyrittiin vähentämään raakaveden käyttöä. Pastajäte sisältää arvokkaita raaka-aineita, jotka kannattaisi hyödyntää paperitehtaalla. Nykyisin pastajäte kuljetetaan läjitysalueelle. Balas-mallin todettiin mallintavan melko luotettavasti liuenneiden haitallisten aineiden pitoisuuksien sekä muista parametreista muun muassa sakeuden ja tuhkapitoisuuden muutoksia. Pastajätteen palautuksen mallinnuksessa haitallisten aineiden pitoisuudet laskivat prosessissa. Tämä toteutui koeajossa, koska jätepastasta suurin osa oli vettä, joka huuhtoi prosessia. Kirkkaan suodoksen käyttö suihkuvetenä ei nostanut epäorgaanisten haitallisten aineiden pitoisuuksia niin paljon kuin malli ennusti. Todennäköisesti haitalliset aineet saostuivat tai poistuivat tuotteen mukana prosessista. Kirkassuodos-koeajon aikana otetussa pohjapaperinäytteessä kiinteän kalsiumin pitoisuus oli 40 % ja kiinteän alumiinin pitoisuus 11 % korkeampi mutta uuteaineiden pitoisuus 20 % alhaisempi kuin referenssipohjapaperissa.

Filmipäällystimen nippitapahtuman vaikutus päällystyskoneen ajettavuuteen

Työn tavoitteena oli syventyä filmipäällystimen nippitapahtumaan ja siellä tapahtuviin ilmiöihin. Tämän lisäksi selvitettiin esipäällystysparametrien ja pohjapaperin merkitys filmipäällystimen ajettavuudelle. Erityisesti pyrittiin selvittämään päällystemäärän ja applikointitelojen momenttieron vaikutus ajettavuuteen sekä kiihdytysvaiheessa ilmenevien ajettavuusongelmien syntymekanismit. Työn kokeellinen osa jakaantui kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa pyritään löytämään lisäymmärrystä nippitapahtuman ilmiöille joita sitten hyödynnetään toisen osan koeajoissa. Staattisilla kuormituskokeilla tutkittiin telapinnan kokoonpuristumista ja suurnopeus-kamerakuvauksilla nipin geometriaa päällystyskoneen ajon aikana. Applikointitelojen momenttierokoeajoilla pyrittiin selvittämään paperiradan mahdollista luistoa nipissä. MCA-kosteuspitoisuusanalysaattorilla mitattiin nippitapahtuman muutosten vaikutusta filmipäällystimen paluufilmin ominaisuuksiin. Muuttelemalla päällystemäärää ja – jakaumaa sekä applikointitelojen momenttieroa selvitettiin esipäällystysparametrien vaikutus filmipäällystimen ajettavuuteen. Muokkaamalla pohjapaperin absorptiokykyä sekä pastan vedenpidätyskykyä tutkittiin nestepenetraation vaikutusta ajettavuuteen. Telapinnan kokoonpuristuman havaittiin olevan pieni eikä ajon aikana nipin geometriassa havaittu muutoksia. Paperiradan todettiin luistavan nipissä, mutta luistoilmiö oli huomattavasti pienempi mitä nopeuserolukemista voidaan päätellä. Kiihdytysvaiheessa havaittiin selviä muutoksia paluufilmissä, mutta ajon aikana paluufilmi pysyi lähes vakiona. Päällystemäärän todettiin olevan suurin yksittäinen tekijä filmipäällystimen ajettavuudessa ja siihen tulee kiinnittää erityistä huomiota filmipäällystimen kiihdytysvaiheessa. Aukirullauksen levitystelan vaihdon myötä todettiin pohjapaperiin kohdistuvilla kuormituksilla olevan myös suuri merkitys filmipäällystimen ajettavuudelle.

Sellun kuivauskoneen ajettavuusongelman monimuuttujainen tarkastelu

Tässä työssä on tutkittu sellun kuivauskoneella koivusellua kuivattaessa esiintyvää ajettavuusongelmaa. Tähän ongelmaan on etsitty ratkaisua monimuuttujamenetelmien avulla. Työn kirjallisuusosassa on lyhyesti käyty läpi sellun kuivauskoneiden historia lieriöviirakoneista nykyaikaisiin kaksoisviirasovelluksiin. Lisäksi kirjallisuusosassa on käsitelty tässä työssä käytettyjen monimuuttujamenetelmien perusteet ja käyty esimerkin omaisesti läpi joitakin kemometrian sovelluksia puunjalostusteollisuudessa. Työn kokeellisessa osassa on haettu tiedonkeruujärjestelmästä massan ominaisuuksista ja kuivauskoneen ajoparametreistä koostuvaa dataa vuoden 1999 ajalta. Tästä datasta on tehty PCA-mallit vuoden 1999 jokaisen kuukauden datasta ja diskriminoiva PLS-malli ajettavuuden kannalta hyvästä ja huonosta jaksosta koostuvasta datasta. Kuivauskoneelta on koottu dataa myös ottamalla kiertovesi- ja selluarkkinäytteitä. Kiertovesinäytteiden analyysituloksista on tehty PCA-mallit ja lisäksi analyysitulokset on tarkasteltu yksimuuttujaisesti. Selluarkkinäytteistä on määritetty UV-spektrit ja niistä on tehty PCA-mallit, jotta spektreistä saataisiin mahdollisimman paljon informaatiota. Työssä on havaittu yhdeksi selitykseksi ajettavuusongelmalle kuivauskoneen kiertovesien likaantuminen. Kiertovesiä ja massarainan pintakemiaa tulisi kuitenkin tutkia laajemmassa mittakaavassa kuin tämän työn puitteissa on ollut mahdollista tutkia.

Erikoispaperin käyristymisen pienentäminen mittapysyvyyttä parantamalla

Diplomityössä on tutkittu Tervakoski Oy:n PK8:lla valmistettavan irrokepaperin mittapy-syvyysongelmaa. Tämä ilmenee asiakkaan jatkojalostusprosesseissa esim. silikonointi- ja liimausvaiheissa paperin huonona ajettavuutena. Työ pohjautuu PK8:lla suoritettavien tehdasmittakaavaisten koeajojen prosessiolosuhteiden ja mittapysyvyyttä kuvaavien analyysien tulosten tarkasteluun. Työn kirjallisuusosassa kerrotaan silikonointi- ja laminointiprosessin vaatimuksista irrokepaperille. Mittapysyvyyden teoreettista taustaa lähestytään puukuidun sorptio-ominaisuuksien tarkastelulla. Osassa perehdytään mm. paperin mittapysyvyyteen ja käyristymiseen vaikuttaviin eri tekijöihin. Osio sisältää myös katsauksen paperin mittapysyvyyden ja käyristymisen eri mittausmenetelmistä. Työn kokeellisessa osassa tarkastellaan PK8:n prosessiolosuhteiden vaikutuksia mittapysy- vyyden tasoon. Kokeellinen osa sisältää neljä tehdasmittakaavaista koeajosarjaa ja 23 eri koepistettä, joiden tarkoituksena on löytää PK8:lle mittapysyvyyden kannalta parhaimmat mahdolliset olosuhteet muiden laatuarvojen kärsimättä. Koesarjojen muuttujina on käytetty kuivatusviirojen kireyttä, konesuuntaista vetojännitystä sekä suihkusuhteen ja jauhatusasteen muutoksia. Lisäksi paperin käyristymiseen pyrittiin vaikuttamaan PK8:lla toispuoleisella kuivatuksella ja erilliskostutuskoneen toispuoleisella kostutusvesimäärällä. Koesarjojen prosessiolosuhteiden ja analyysitulosten perusteella PK8:lla muutettiin ajotapamallia jo työn kuluessa. Kokeellisen osan loputtua PK8:n tuotantolinjalle määriteltiin uusi ajotapamalli. PK8:n tuotantolinjalla valmistettavan glassiinin poikkisuuntainen kuivatuskutistuma aleni eräässä koesarjassa prosessiolosuhteiden muutosten myötä noin 13 %. Mittapysy-vyyttä kuvaavat kosteuslaajentuma, märkämuodonmuutos ja käyristyminen paranivat keskimäärin 11 %. Uuden ajotapamallin myötä PK8:n valmistaman irrokepaperin laatutaso on noussut, jolloin on jo nyt havaittu, että glassiinin ajettavuus on selkeästi parantunut asiakkaan jatkojalostusprosesseissa.

Hylky- ja vesijärjestelmän vaikutus kartongin tuotepuhtauteen

Kirjallisuusosassa käsitellään paperi- ja kartonkikoneiden eri vesijärjestelmiä, vedenkäytön vähentämistä ja sen vaikutusta prosessiin. Mikrobiologiaa, mikrobien aiheuttamia prosessiongelmia, mikrobien torjuntaa ja simulointia on myös käsitelty kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa laadittiin Kartonkikone 1:n massa- ja vesijärjestelmän mikrobiologisen puhtauden simulointimalli Balas-prosessisimulointiohjelmalla. Kartongin mikrobiologinen puhtaus määritettiin kokonaispesäkelukuna. Kokeellinen osa sisälsi pilot-mittakaavan suodatinkoeajoja, joissa määritettiin tarvittavat erotusparametrit simulointimallille, selvitettiin Dynasand-hiekkasuodattimen soveltuvuus suihkuvesien puhdistukseen, Dynadisc-kiekkosuodattimen käyttökelpoisuus kiertoveden puhdistukseen kiertovesisuodattimena ja hiekkasuodattimien esisuodattimena sekä UV-reaktorin soveltuvuus suodatettujen vesien desifiointiin. Simulointimallilla tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtojen vaikutus kartongin mikrobiologiseen puhtauteen. Suihkuvesien puhdistaminen hiekkasuodattimilla alentaa kokonaispesäkelukua vain vähän. Koneen ajettavuus paranee suihkuputkien roskaryöppyjen ja viiraosan limoittumisen vähenemisen takia. Kiertovesijärjestelmän pelkkä jakaminen hylkyprosessi- ja sakeudensäätövedeksi aiheuttaa kokonaispesäkeluvun kasvun prosessista poistettavien vesien puhdistumisen takia. Kokonaispesäkeluku minimoidaan poistamalla ylimääräinen vesi hylkysaostajan suodoksena. Suodatettua hylkysaostajan suodoksen ja viiraveden seosta käytetään sekä sakeudensäätö- että hylkyprosessivedeksi. Hylkymassalla on dominoiva vaikutus kokonaispesäkelukuun. Suurin vähennys kokonaispesäkeluvussa saadaan estämällä mikrobikasvu hylkymassassa. Tämä voidaan tehdä kuumentamalla hylkymassa 80 °C:n höyryllä. Suodatuskoeajojen perusteella Dynasand-hiekkasuodattimella voidaan puhdistaa pisaralämmönvaihtimelta saatavaa lämmintä suihkuvettä. Esisuodatettua kiertovettä voidaan puhdistaa Dynasand-hiekkasuodattimella viiran johtotelojen suihkuvedeksi. Dynadisc-kiekkosuodatinta voidaan käyttää hiekkasuodattimen esisuodattimena ja kiertovesisuodattimena. UV-säteily poistaa tehokkaasti mikrobeja suodatetuista vesistä.

LWC-paperin opasiteetin parantaminen

LWC-syväpainopaperilta vaaditaan hyvän ajettavuuden, kiillon ja sileyden ohella hyvää opasiteettia. Tämä on asettanut haasteita LWC-paperin valmistajille paperin neliömassojen laskiessa. Tässä diplomityössä etsittiin keinoja parantaa kevyiden LWC-syväpainolajien opasiteettia heikentämättä oleellisesti muita tärkeitä paperin ominaisuuksia. Tavoitteena oli nostaa CR48-lajin opasiteetti tavoitearvoon 90 %. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin paperin optisten ominaisuuksien teoriaan sekä raaka-aineisiin ja prosessin osiin, joilla on vaikutusta paperin opasiteettiin. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin olemassa olevan aineiston perusteella tekijöitä, joilla uskottiin olevan vaikutusta CR48-lajin opasiteettiin. Tutkimuksen ja kirjallisuuden perusteella ajettiin tehdaskoeajoa, joiden avulla pyrittiin parantamaan paperin opasiteettia. CR48-lajin opasiteettitavoite saavutettiin kolmella eri tavalla. Opasiteettitavoite saavutettiin, kun paperin vaaleus säädettiin tavoitearvoon pigmenttivärin avulla tumman hierteen sijasta. Tällöin väripigmentin määrää päällystyspastassa nostettiin 0,01 osaa ja valkaistun hierteen osuus kokonaishierteen määrästä oli 100 %. Vaaleuden säätö pastavärillä oli käytännössä hidasta ja hankalaa. Opasiteettitavoite saavutettiin myös, kun hierre jauhettiin täysin koeterillä. Koeterillä tapahtuva jauhatus oli rajumpaa ja katkovampaa kuin perinteisillä terillä, joten hienoaineen lisääntyminen ja kuidun lyheneminen paransivat paperin opasiteettia, mutta lujuudet huononivat. Lisäksi tavoiteopasiteetti saavutettiin, kun sellun osuutta vähennettiin 8 %-yksikköä. Lujuuden säilymisen kannalta sellun vähennys oli parempi keino opasiteetin parantamiseksi kuin hierteen jauhaminen koeterillä. Koeajojen perusteella pohjapaperin tuhkapitoisuuden nostolla ja hierteen CSF-luvun alentamisella ei ollut vaikutusta paperin opasiteettiin. Lisäksi 100 %:nen koeterillä jauhettu sahahakehierre antoi paperille huonomman opasiteetin kuin hierre, josta puolet oli jauhettu koeterillä ja raaka-aineesta 25 % oli sahahaketta.

Optimization of a heatset dryer

The objective of the thesis was to examine the possibilities in designing better performing nozzles for the heatset drying oven in Forest Pilot Center. To achieve the objective, two predesigned nozzle types along with the replicas of the current nozzles in the heatset drying oven were tested on a pilot-scale dryer. During the runnability trials, the pilot dryer was installed between the last printing unit and the drying oven. The two sets of predesigned nozzles were consecutively installed in the dryer. Four web tension values and four different impingement air velocities were used and the web behavior during the trial points was evaluated and recorded. The runnability in all trial conditions was adequate or even good. During the heat transfer trials, each nozzle type was tested on at least two different nozzle-to-surface distances and four different impingement air velocities. In a test situation, an aluminum plate fitted with thermocouples was set below a nozzle and the temperature measurement of each block was logged. From the measurements, a heat transfer coefficient profile for the nozzle was calculated. The performance of each nozzle type in tested conditions could now be rated and compared. The results verified that the predesigned simpler nozzles were better than the replicas. For runnability reasons, there were rows of inclined orifices on the leading and trailing edges of the current nozzles. They were believed to deteriorate the overall performance of the nozzle, and trials were conducted to test this hypothesis. The perpendicular orifices and inclined orifices of a replica nozzle were consecutively taped shut and the performance of the modified nozzles was measured as before, and then compared to the performance of the whole nozzle. It was found out, that after a certain nozzle-to-surface distance the jets from the two nozzles would collide, which deteriorates the heat transfer.