Unification of Emission Measurements in Paper and Pulp Mills

Tässä diplomityössä tavoitteena on selvittää käytännöt ja menetelmät, joilla UPM-Kymmenen sellu-, paperi- ja vaneritehtaat ympäri maailman mittaavat ja laskevat ilmapäästönsä. Tämä tehdään kyselylomakkeella, joka lähetetään tehtaiden ympäristöpäälliköille. Kaikki tärkeimmät seikat ilmapäästöihin liittyen, kuten vaaditut jatkuvatoimiset mittaukset, jaksottaiset mittaukset, raportointikäytäntö, kalibrointi jne. kysytään lomakkeessa. Kyselylomakkeessa painotetaan mittauskäytäntöä sellutehtaissa sekä energiantuotannossa. Saatujen tulosten perusteella annetaan ehdotuksia sekä ohjeita tulevaisuutta varten, jotta mittaustulosten kokoaminen helpottuisi ja vertailukelpoisuus paranisi. Työn kirjallisuusosuudessa selvitetään yleisimmät päästölähteet sekä päästökomponentit paperi –ja selluteollisuudessa. Näiden ei toivottujen yhdisteiden syntymekanismit sekä menetelmät niiden poistamiseksi savukaasuista on myös lyhyesti kuvailtu. Myös erilaiset analysointi- ja näytteenottomenetelmät on kerrottu. Erot tehtaiden ympäristöluvissa käydään läpi, jakaen tehtaat kolmeen maantieteelliseen ryhmään. Lupakäytäntöjen osalta Suomen osuutta on painotettu, sillä UPM-Kymmene on varsin Suomikeskeinen yhtiö tehtaiden lukumääriin ja sijainteihin katsottuna. Viranomaismääräykset sekä päästörajat muutamista tehtaista on esitetty havainnollistaakseen alueellisia eroja.

SC HIOMON JA PAPERIKONEEN LÄMPÖTASAPAINON HALLINTA

Kivihiokkeen valmistus on energiaintensiivistä. Käytetystä energiasta muuttuu yli 90 prosenttia lämmöksi. Hiomolla käytetystä lämmöksi muuttuneesta tehosta voidaan paperikoneelle siirtää noin puolet. Mekaanisen massan valmistuksen ja paperikoneen vesikierrot erotetaan toisistaan häiriöaineiden kulkeutumisen estämiseksi. Vesikiertojen erottamisella katkaistaan myös lämmön siirtyminen hiomolta paperikoneelle massojen mukana. Käyttämällä lämmönsiirtimiä hiomon vesien jäähdytyksessä, voidaan hiomon hiomakoneiden suihkuvesivesilämpötilaa alentaa. Lämmönsiirto vaikuttaa paperikoneella annostelumassojen laimennusten kautta perälaatikkolämpötilaa kohottavasti. Työn tehtäväksi määritettiin kesäkuukausina esiintyvä hiomakoneiden suihkuveden raakavesijäähdytyksen tarpeen poistaminen ensisijaisesti niin, että ylimäärälämpö hyödynnetään tehtaalla. Työn muiksi tavoitteiksi muodostui annostelumassojen lämpötilan hallinta, etenkin muutokset, joilla voidaan nostaa hylkymassan annostelulämpötilaa. Työn kokeellinen osa tehtiin UPM Kymmene Oyj Kajaanin tehtailla syksyn 2004 aikana. Työssä tutkittiin WinGEMS simulointiohjelmalla tehtyjen mallien avulla lämmön siirtymistä hiomon ja paperikone 2:n välillä, sekä lämmönsiirtoa pois tasealueelta. Simulointimalli nykytilanteesta rakennettiin yksityiskohtaisesti nykyisen tuotantoprosessin kaltaiseksi ja siitä muokattiin eri vaihtoehtoja, joilla ratkaistiin tutkimukselle asetetut tehtävät. Kytkentämuutoksilla pystyttiin siirtämään hiomolta yli 85 % hiomakoneiden suihkuveden ylimäärälämmöstä ilman uusia laitehankintoja. Asentamalla lopuksi lämmönsiirrin hiomon puhdassuodoslinjaan, hiomakoneiden suihkuveden jäähdytystarve poistettiin kokonaan. Samalla alennettiin valkaisuun menevän massan lämpötilaa, jolloin peroksidivalkaisun kemikaalikulutus väheni yli 10 %. Lämmönsiirrinverkostosta tehtiin kesätilanteen pinch-analyysi, jolla selvitettiin prosessin lämmitys ja jäähdytystarpeet. Analyysin perusteella selvisi, että kytkennöissä ei rikota pinch sääntöjä ja, että prosessissa esiintyy kynnysongelma, jossa prosessi tarvitsee ainoastaan jäähdytystä.

Wet Oxidation of Paper Mill Evaporation Concentrates

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia lämpötilan pH:n ja vetyperoksidin vaikutusta kuorimoveden haihdutuskonsentraatin märkähapetuksessa. Kirjallisuusosassa esitellään massan ja paperin valmistusta sekä kuorintaprosessi. Lisäksi tarkastellaan kuoren kemiallista koostumusta, jäteveden ja prosessiveden käsittelymenetelmiä sekä märkähapetuksen periaatteita. Kokeellinen osa käsittää erään suomalaisen paperitehtaan kuorimoveden haihdutuskonsentraatin märkähapetuskokeet. Hapetuskokeet tehtiin useammassa eri lämpötilassa, pH:ssa ja vetyperoksidikonsentraatiossa. Em. muuttujien vaikutusta tutkittiin kemialliseen hapenkulutukseen (COD), biologiseen hapenkulutukseen (BOD), välittömästi saatavana olevan biologiseen hapenkulutukseen (IABOD), orgaaniseen kokonaishiileen (TOC) ja tanniini/ligniini pitoisuuteen. Koetulokset osoittivat, että korkeimmat COD- ja TOC-reduktiot saavutettiin H2O2-katalysoidulla märkähapetuksella jäteveden alkuperäisessä pH:ssa (60 % reduktio COD:lla ja 45 % reduktio TOC:lla lämpötilassa 170 °C ja 0.2 g H2O2/g COD). Toisaalta, parhaat tulokset biohajoavuuden paranemisen suhteen saavutettiin emäksisissä olosuhteissa, jossa 170 °C:ssa saavutettiin BOD/COD-arvo 76 %. Emäksisissä olosuhteissa saavutettiin lähes täydellinen tanniinin reduktio lämpötila-alueella 130-170 °C, mutta näissä lämpötiloissa orgaanisen kuorman alenemista ei havaittu.

Paperitehtaan energianhuoltoratkaisut

Työssä tarkastellaan paperitehtaan tarvitsemia energiavirtoja ja niiden tuottamista paperitehtaan yhteydessä olevalla voimalaitoksella. Työn perusteella tehtiin laskentamalli, jolla voidaan vertailla esisuunnittelun alussa eri laitoskonsepteja tarkemman suunnittelun pohjaksi. Tyypillistä paperitehtaan energiantuotannolle on suuri vuosittainen huipunkäyttöaika ja energiantuotannolta vaadittava luotettavuus. Lisäksi energiantuotannon voidaan edellyttää käyttävän hyödyksi paperintuotannon sivuainevirtoja. Tarkastelu on suoritettu kannattavuustarkasteluna ottaen huomiin koko voimalaitoksen käyttöiän kustannukset. Kannattavuuteen vaikuttavat investointikustannusten lisäksi merkittävästi myös polttoainekustannukset. Herkkyystarkastelulla voidaan vertailla eri konseptien kannattavuutta eri lähtötietoarvoilla. Erilaiset maksulliset päästökiintiöt voivat muuttaa eri konseptien keskinäistä kannattavuutta. Päästökiintiöiden markkinat ovat kuitenkin vielä selkiytymättömät.

Removal of Lipophilic Wood Extractives from TMP Process Waters by Wet Oxidation

Työssä tutkittiin kokeellisesti rasvaliukoisten uuteaineiden poistamista TMP -prosessin vesikierroista märkähapetuksen avulla. Työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuudet hyödyntää TMP -prosessissa vallitsevaa korkeaa lämpötilaa rasvaliukoisten uuteaineiden poistamiseen hapettamalla niitä puhtaalla hapella. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin märkähapetuksen teknologiaa, reaktiomekanismia, käytettyjä katalyyttejä, käyttökohteita sekä kustannuksia. Kokeita suoritettiin autoklaavireaktorissa lämpötiloissa 140 °C, 160 °C ja 180 °C. Vetyperoksidia käytettiin katalyyttinä lisätyn vetyperoksidin määrän ollessa 100 - 1800 mg/l ja hapen osapaineen ollessa 0 ( typpiatmosfääri) - 15 baria. Kokeissa tarkasteltiin kemiallisen hapenkulutuksen (COD), rasvaliukoisten uuteaineiden konsentraation, orgaanisen kokonaishiilen (TOC) ja värin muutoksia kokeiden aikana eri lämpötiloilla, hapen osapaineilla ja lisätyn vetyperoksidin määrillä. Kokeissa saavutettiin 30 %:n COD:n vähenemä sekä 90 %:n vähenemä rasvaliukoisissa uuteaineissa lämpötiloissa 160 °C ja 180 °C. Lisäämällä vetyperoksidia katalyyttinä saavutettiin lähes sama tulos lämpötilassa 140 °C. Suurin tässä työssä havaittu ongelma oli lisääntynyt värinmuodostus vedessä olevassa hienojakoisessa kiintoaineessa hapetuksen aikana. Tämän vuoksi lisätutkimukset ovat tarpeellisia sen seikan selvittämiseksi, voidaanko muodostunut väri mahdollisesti poistaa massan valkaisussa.

Wet Oxidation of TMP Concentrated Paper Mill Process Water. Kinetics of the reaction

Työn tarkoituksena oli tutkia lämpötilan, paineen, pH:n ja katalyytin vaikutusta paperitehtaan TMP-konsentroidun prosessiveden märkähapetuksessa. Teoriaosio sisältää katsauksen sellu- ja paperiteollisuuteen, jätevesien käsittelyyn, nanosuodatuksen ja märkähapetusprosessin toimintaperiaatteet ja sovellukset hybriditeknologialle nanosuodatus-märkähapetuksessa. Empiirinen osa koostuu märkähapetuskokeista eri lämpötiloissa, paineissa, pH:ssa ja eri katalyyseillä. Työssä tutkittiin näiden vaikutusta kemialliseen hapenkulutukseen (COD), Biologiseen hapenkulutukseen (BOD), Välittömästi saatavana olevan biologisen hapenkulutukseen (IABOD), ligniiniin, täysin orgaanisen hiileen (TOC) ja rasvaliukoisten uuteaineiden (LWEs) pitoisuuteen. Tuloksina kokeellisesta työstä saatiin korkeimmat COD:n alenemat ja BOD/COD (biohajoavuus) suurimmilla lämpötilaolosuhteilla (COD:n alenema 70 % ja BOD/COD 97 % 200 °C:ssa ja hapen 10 bar osapaineella). Tutkimuksessa, jossa selvitettiin hapen osapaineen vaikutusta saatiin tuloksena, että hapen osapaineen kasvu parantaa orgaanisen kuormituksen poistoa: COD poisto oli olosuhteilla130°C, 5bar 5 %, olosuhteilla 130 °C, 15bar 15 %, olosuhteilla 170 °C, 5bar 20 % ja olosuhteilla 170 °C, 15bar 50 %. Lähes täydellinen LWEs –poisto saavutettiin 150 °C ja 10bar olosuhteilla, vaikka tässä lämpötilassa ei saavutettu korkeata orgaanisen kuormituksen poistoa. Emäksinen pH vaikutti suosivan hapettavia reaktioita, koska korkein COD:n poisto saavutettiin näissä olosuhteilla; kuitenkin alkalisen väliaineen tehokkuudelle löydettiin tärkeä lämpötilariippuvuus.

Paperitehtaan lämpöenergianhallinta

Diplomityön tavoitteena oli kehittää oikeudenmukainen keino lämmönkulutuksen osastokohtaisen jaolle, sekä löytää lämmönkäytön tehostamismahdollisuuksia Stora Enson Summan tehtailta. Työ liittyi osana Summan tehtaille tehtyyn energiakatselmukseen. Todenmukainen lämmöntuotannon ja -kulutuksen tunteminen luo perustan oikeansuuntaisille lämpötaloutta parantaville teoille ja mahdollistaa lämpöenergian kustannusten oikean jaon osastoille. Osastokohtaisen lämmönkulutuksen selvittämiseksi tarvitaan uusia virtaus- ja lämpötilamittauksia. Tärkeintä on kuitenkin saada ensin tehtaan kokonaistase selville. Tehtaan lämmöntuotanto ja –kulutus eivät nykyisten mittausten mukaan täsmää täysin. Suurimpien höyryn massavirtojen mittaukset on saatava luotettaviksi kalibroinnein tai uusinnoin, ja vasta tehtaan kokonaislämpötaseen täsmätessä on järkevää pyrkiä täydellisiin osastokohtaisiin lämpötaseisiin. Lämmönkulutuksen pienentäminen vähentää polttoainekustannuksia, jolloin paperintuotannon kokonaiskustannukset pienenevät parantaen tehtaan kilpailukykyä. Vuonna 2005 alkava hiilidioksidipäästökauppa tulee luultavasti vaikuttamaan teollisuuden lämmönkäyttöön. Päästökaupan rasituksia voidaan vähentää pienentämällä lämmönkulutusta. Tehtaan lämmönsäästömahdollisuuksia tutkittiin systemaattisesti mm. lauhteenpalautusten järjestämisen tuomia säästöjä laskemalla, sekä osastokohtaisesti eri lämmönkulutuskohteita tarkastelemalla. Tehtaan lämmöntarvetta on mahdollista pienentää merkittävästi muutamilla toimenpiteillä.

Paperitehtaan avaintehtävissä tarvittava talousosaaminen

Tutkielman päätavoitteena oli määritellä, mitä on paperitehtaan avaintehtävissä tarvittava, tulos- ja kustannustietoista toimintaa edistävä talousosaaminen. Kirjallisuusanalyysin perusteella muodostettiin malli talousosaamisen rakentumisesta. Mallia testattiin haastattelemalla erään paperitehtaan avaintehtävissä toimivia henkilöitä. Tulosten perusteella muodostettiin lopullinen käsitys paperitehtaassa tarvittavasta talousosaamisesta ja sen kehittämiseksi soveltuvista menetelmistä. Tutkimus osoitti, että talousosaaminen rakentuu sekä työntekijän sisäisten ominaisuuksien että hänen tiedollisen ja taidollisen talousosaamisen yhdistelmästä. Tietotaitotaso näyttäisi jakautuvan useaan eri kerrokseen sen mukaan, miten laajalti tiedot ja taidot ovat organisaatiossa sovellettavissa. Tärkeimmiksi sisäisiksi ominaisuuksiksi muodostuivat vuorovaikutusosaaminen, vastuuntuntoisuus ja ongelmanratkaisukyky. Talousosaamisen vahvistamisessa avainasemaan nousivat vuorovaikutukselliset, erityisesti viestintään liittyvät keinot ja osaamisen hyödyntämistä tukevan työympäristön luominen.

Lastaus- ja jakelutoiminnan kehittäminen paperitehtaalla

Stora Enso Oyj:n Anjalan paperitehdas on vuoden 2008 alussa muutosten keskellä; tehtaalla pysäytetään yksi paperikone, ja samalla kahden käyntiin jäävän paperikoneen tuoteportfoliota muutetaan. Näin ollen tehtaalla on tarve päivittää logistista strategiaa ja kehittää tehtaan lähtölogistiikan toimintoja. Tämän diplomityön tavoitteena oli määrittää Anjalan paperitehtaan lastausaseman resurssit tehtaalla toteutettavan rakennemuutoksen jälkeisessä tilanteessa sekä tuoda esille ja pohtia tehtaan lähtölogistiikan toimintojen mahdollisia kehitystoimenpiteitä. Työssä pohdittiin rakennemuutoksen vaikutuksia lastausaseman resursseihin niin auto- kuin junalastauksenkin osalta sekä käsiteltiin mahdollisia logististen järjestelyjen kehitystoimenpiteitä. Lastausaseman resurssit todettiin riittäviksi. Keskeisimmiksi ja tärkeimmiksi kehitystoimenpiteiksi työssä nähtiin tehdas-satama -toimituksissa käytettävien autokuljetusten määrän kasvattaminen, Stora Enson systeemiliikenteen junalastausten kehittäminen sekä Anjalan paperitehtaan ja Inkeroisten kartonkitehtaan yhteisen kuljetussuunnittelijan toimen käynnistäminen.

Mitä Kuusankosken työllisyydessä tapahtui ennen Voikkaan paperitehtaan sulkemista ; Kuusankosken työllisyys muutoksessa

Kymenlaakson paperituotannon 140-vuotiseen historiaan mahtuu monia tapahtumia, merkittävintä on kuitenkin ollut uusien, tehokkaampien koneiden hankkiminen ja tuotannon laajennus. Usein tällä on ollut suoraa vaikutusta työvoiman käyttöön. Aluksi uudet koneet ja laajennukset kasvattivat työvoiman määrää tehtailla ja tarjosivat myös monenlaisia tehtäviä rakennusvaiheissa ja tehtaiden kunnossapidossa. Myöhemmin tehokkaammat koneet ja muut töiden järjestelyt alkoivat vähentää tehtaiden henkilökuntaa. Toimintoja myös siirrettiin muille toimialoille. Työvoima on siten vähentynyt jo vuosia. Vuoden 2006 maaliskuusta lähtien Suomen paperituotannon historiassa on kuitenkin eletty uudenlaista käännettä, jossa useita kokonaisia tuotantolaitoksia, tehtaita on suljettu. Päätöksiä on ohjannut aiempaa selvemmin logiikka, jossa monitoimipaikkaiset, kansainväliset konsernit keskittävät tiukassa markkinatilanteessa tuotantoaan joihinkin yksiköihin ja samalla leikkaavat tuotantoa joistakin muista, jopa kokonaisia tehtaita sulkien. Tämä käänne on näkynyt Suomessa voimakkaana mm. Kymenlaaksossa, jossa sellua ja paperia on tuotettu sekä maakunnan pohjoispäässä Kuusankoskella eli nykyisessä Kouvolassa, maakunnan eteläosassa Kotkan – Haminan seudulla ja myös näiden välissä Inkeroisissa ja Myllykoskella eli entisen Anjalankosken, nykyisen Kouvolan alueella. Voikkaan tehtaan lopetus vuonna 2006 toi aiemman vähittäisen vähennyksen tilalle satojen henkilöiden suorat irtisanomiset. Alueen teollinen historia on kuitenkin pitkä ja sisälsi jo ennen Voikkaan ja Haminan Summan tehtaiden sulkemisia muitakin yhteiskunnallisesti kiinnostavia työllisyyden muutoksen piirteitä. Kaakkois-Suomen ELY-keskus haluaa tuoda lisäaineksia Kaakkois-Suomen teollisen tuotannon ja erityisesti massa- ja paperiteollisuuden muutoksen ja sen vaikutusten tutkimukseen ja tämän hetken rakennemuutoksesta käytävään keskusteluun julkaisemalla Niilo Melolinnan Manchesterit-tutkimushankkeessa tekemän, aiemmin vain opinnäytetyönä julkaistun lisensiaatintutkielman, joka kuvaa Kuusankosken työllisyyden muutoksen piirteitä ennen Voikkaan tehtaan sulkemista.

Production planning and optimization of a pulp mill: introduction of the optimisation based scheduling software for pulp industry

The objective of this project was to introduce a new software product to pulp industry, a new market for case company. An optimization based scheduling tool has been developed to allow pulp operations to better control their production processes and improve both production efficiency and stability. Both the work here and earlier research indicates that there is a potential for savings around 1-5%. All the supporting data is available today coming from distributed control systems, data historians and other existing sources. The pulp mill model together with the scheduler, allows what-if analyses of the impacts and timely feasibility of various external actions such as planned maintenance of any particular mill operation. The visibility gained from the model proves also to be a real benefit. The aim is to satisfy demand and gain extra profit, while achieving the required customer service level. Research effort has been put both in understanding the minimum features needed to satisfy the scheduling requirements in the industry and the overall existence of the market. A qualitative study was constructed to both identify competitive situation and the requirements vs. gaps on the market. It becomes clear that there is no such system on the marketplace today and also that there is room to improve target market overall process efficiency through such planning tool. This thesis also provides better overall understanding of the different processes in this particular industry for the case company.