Optimization of the ink removal in deinking plant

Diplomityön tarkoituksena oli parantaa Stora Enso Sachsenin siistausprosessissa tuotetun uusiomassan vaaleuden kehitystä ja tutkia siihen vaikuttavia tekijöitä. Työn kirjallisessa osassa käsiteltiin uusiomassan kuidutusta ja vaahdotussiistausprosessia, sekä keräyspaperin ominaisuuksia ja käyttöä paperiteollisuuden raaka-aineena. Kokeellisessa osassa keskityttiin modifioidun natriumsilikaatin annostuksenoptimointiin ja vaikutuksiin laboratorio- ja prosessioloissa, sekä kesäefektin vaikutuksen tutkimiseen kuidutuksessa ja flotaation eri vaiheissa. Natriumsilikaatin laboratoriotutkimuksessa havaittiin, että korkein vaaleus suhteellisesti pienimmällä laboratorioflotaation häviöllä saavutettiin korkeimmalla tutkitulla natriumsilikaatin annostuksella, joka oli 1,1 %. Korkea natriumsilikaattiannostus yhdistettyinä korkeisiin vetyperoksidiannostukseen, 0,5 %, sekä korkeaan kokonaisalkaliteettiin, 0.33 %, johti korkeimpaan massan vaaleuteen ja pienimpiin häviöihin. Laboratoriotutkimuksen pohjalta modifioidulla natriumsilikaatilla suoritettiin koeajoja prosessissa. Noin 1 % natriumsilikaatin annostuksella havaittiin parempi pH:n bufferointikyky, pienempi kalsiumkarbonaatin määrä flotaation primäärivaiheissa, sekä lievästi parempi massan vaaleus verrattuna prosessissa aiemmin käytettyyn standardinatriumsilikaattiin. Kesäefektitutkimuksessa havaittiin, että kesäefektillä on suurin vaikutus esiflotaation primäärivaiheeseen, sillä primäärivaiheessa kuitujen osuus on huomattavasti suurempi kuin sekundäärivaiheissa. Esiflotaation primäärivaiheen uusiomassojen laboratorioflotaatioiden avulla saavutettujen maksimivaaleuksien ero kesän ja talven välillä oli noin 1,5 %ISO. Kesäefektin ei havaittu suuresti vaikuttavan flotaation sekundäärivaiheisiin.

Korkeakappa-massan suotatuvuus

Työn tarkoituksena oli tutkia korkeakappa-massan suotautuvuutta sekä etsiä uusia analyysimenetelmiä korkeakappa-massan karakterisoimiseksi. Työssä pyrittiin määrittämään tekijöitä, jotka vaikuttavat korkeakappa-massan suotautumiseen. Työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin aluksi yleisesti keiton teoriaa, minkä jälkeen käsiteltiin jauhatusta ja tarkemmin korkeakappa-massan hienovaraisempaa jauhatusta eli kuidutusta. Seuraavaksi käsiteltiin suodatusta ja sen teoriaa sekä suodatukseen vaikuttavia tekijöitä. Massan pesusta esitettiin perusteet ja teoriaa. Lopuksi tarkasteltiin massan karakterisointia eri lähestymistavoilla sekä kuitujen perusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa verrattiin LTY:n koesuodatuslaitteistolla tehdyillä suodatuskokeilla korkeakappa-massaisen sellukakun suotautuvuutta eri paine-eroilla, suodoksen eri hienoainepitoisuuksilla sekä ennen ja jälkeen sellutehtaallatapahtuneen kuidutuksen. Savonlinnassa sijaitsevalla laitteistolla tehtiin syrjäytystestejä ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla sellumassoilla. Lisäksi ennenja jälkeen kuidutusta otettuja sellumassanäytteitä karakterisoitiin mm. kuituanalysaattorilla, huokoskoko- ja ominaispinta-ala-analyyseillä sekä SEM-kuvilla. Suodatuskokeissa hienoainepitoisuudella ei ollut merkitystä permeabiliteettiin mitattujen suodosvirtausten perusteella. Kuten Darcyn lain perusteella voitiin olettaa, kakun paine-eron kasvaessa permeabiliteetti kasvoi. Vaikutus ei ollut kuitenkaan lineaarinen paine-eroon verrattuna vaan kakun permeabiliteetti kasvoi enemmän tietyllä paine-erovälillä. Tämä paine-eroväli vaihteli hieman riippuen oliko sellumassa otettu ennen vai jälkeen kuidutusta. Lappeenrannassa tehdyissä suodatuskokeissa ei ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla näytteillä ollut selvää eroa permeabiliteeteissa, mutta Savonlinnan syrjäytystesteissä ero syrjäytymisnopeudessa oli selvä. Ennen ja jälkeen kuidutusta otettujen sellumassojen kuituanalysaattorituloksissa ja SEM-kuvissa ei havaittu eroa näytteiden välillä, mutta massojen huokoskoko muuttui kuidutuksen vaikutuksesta.

Kuumahierteen laadun ja energiankulutuksen optimointi

Kuumahierteen menestyksekäs kehitys on vähentänyt kemiallisten massojen käyttöä painopapereiden raaka-aineena. Hiertäminen kuluttaa kuitenkin huomattavasti enemmän energiaa muihin massanvalmistusmenetelmiin verrattuna. Tämän työn tavoitteena oli optimoida Stora Enson Varkauden tehtaiden uuden TMP-linjan massan laatua ja energiankäyttöä. Työ koostui jauhimien monimuuttujakoeajoista, Metso Paperin painekoeajosta sekä koko TMP-linjaa koskevista tarkistusajoista. Monimuuttujakoeajot suoritettiin 600 t vuorokausituotannolla 60 % kuorimohakesuhteella. Jauhatuksen kokonaisenergiankulutuksen rajaksi sovittiin vanhojen jauhinlinjojen perusteella 2,3 MWh/t. Massan laadun kriittisimmäksi tekijäksi osoittautui vetoindeksi, joten optimoinnin tavoitteeksi muodostui vetoindeksin kehittäminen annetun energiankulutuksen puitteissa. Kuumahierteen laadun kehittymisen kannalta merkittävin vaihe oli hakkeen kuituuntuminen. Kuituuntumisen tulee tapahtua riittävän korkeassa lämpötilassa ligniinin pehmenemisen ja kuitujen joustavuuden saavuttamiseksi sekä alhaisella intensiteetillä, jolloin kuituja ei katkota. Ensimmäisen vaiheen jauhatuksen EOK:n on oltava vähintään 1,00 MWh/t, jolloin toisen vaiheen jauhatus vaatii energiaa vähintään 0,70 MWh/t. Rejektijauhimen tuotantotason tulisi olla mahdollisimman suuri ja intensiiviseen jauhatukseen käytettävän ominaisenergian noin 1,00 MWh/t.

Painehiomon tuotantokapasiteetin lisäyksen vaikutus painehiokkeen laatuominaisuuksiin

Diplomityön keskeisenä tavoitteena oli selvittää painehiomon tuotantokapasiteetin lisäyksen vaikutus painehiokkeen laatuominaisuuksiin. Tarkasteltavina painehiomon tuotanto-kapasiteettiin vaikuttavina tekijöinä olivat painehiomakoneen suihkuveden lämpötilan lasku sekä uuden rejektijauhimen käyttöönotto. Painehiomakoneen suihkuveden lämpötilan lasku 95 ºC:sta 70 ºC:een toteutettiin kahden viikon mittaisena koeajona. Tarkoituksena oli selvittää painehiontaprosessissa ja painehiokkeen sekä paperin laadussa tapahtuva muutos. PGW70-koeajolla saavutettiin mahdollisuus nostaa tuotantonopeutta hiomakivillä silti kuormittamatta liiaksi lajittelua ja rejektinkäsittelyä. Tarkasteltaessa painehiokkeen laatua PGW70-koeajossa kiteytyi tapahtunut laatumuutos lyhentyneestä kuidun pituudesta aiheutu-neeksi. Havaittiin, että alentamalla hiontalämpötilaa on mahdollista saavuttaa paremmat painehiokkeen pinta- ja optiset ominaisuudet lujuusominaisuuksien heiketessä hieman. Rejektijauhimen käyttöönottoon liittyvien tarkasteluiden tavoitteena oli selvittää uuden rejektijauhimen käyttöönoton myötä painehiokkeessa mahdollisesti tapahtuva laatumuutos. Lisäksi haluttiin tarkastella jauhetun rejektin laatuominaisuuksia rejektijauhimen energian ominaiskulutuksen eri tasoilla ja mahdollisuutta siirtää kuidutuksen painopistettä hiomakiviltä rejektijauhatukseen nostamalla kivenalusfreenestä. Varsinaisessa rejektijauhimen käyttöönottovaiheessa ei painehiokkeen laatumuutosta ollut havaittavissa. Rejektijauhimen kuormituskoeajossa ajettiin rejektijauhimella 2 koesarjaa, matalalla ja korkealla kivenalusfreeneksellä, kasvattaen rejektijauhimen EOK:a. Lisä-muuttujaksi koeajossa muodostui tahattomasti jauhatussakeus. Koejossa paras kuidun muokkau-tuvuus saavutettiin alhaisemmalla kivenalusfreeneksellä (130-140 ml) ja jauhatussakeudella (alle 40 %) korkeimmalla saavutetulla EOK:lla eli 0,80 MWh/t. Korkealla kivenalusfreeneksellä ja jauhatussakeudella tapahtunut jauhatus osoittautui kuituja katkovaksi. Karkeaan painehiokerejektiin tulisi kohdistaa huomattavasti enemmän jauhatusenergiaa kuin koeajossa oli mahdollista. Ongelmaksi siis muodostui rejektijauhimen heikko kuormitettavuus, jota tulee parantaa esimerkiksi terävalinnoin.