Pulp Fractionation in a Pilot Paper Machine

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia paperimassan jakautumiseen vaikuttavia tekijöitä paperinvalmistusprosessissa. Työn empiirisen osan tavoitteena on analysoida perälaatikon hienoainepitoisuuden ja paperimassan virtausnopeuden vaikutusta paperimassan jakautumiseen pilottipaperikoneessa, sekä selvittää voidaanko näitä prosessiparametreja optimoimalla saavuttaa merkittävää retention, vedenpoiston ja kaksipuolisuuden parantumista. Työn teoreettinen osa sisältää kirjallisuuskatsauksen märänpään kemiasta ja yhteenvedon aikaisemmasta tutkimuksesta koskien paperimassan jakautumista paperinvalmistusprosessissa. Työn empiirisessä osassa on tutkittu perälaatikon hienoainepitoisuuden ja paperimassan virtausnopeuden vaikutusta retentioon, vedenpoistoon ja paperimassan jakautumiseen Papricanin pilottipaperikoneessa. Analyysissä on käytetty yhteensovitettua dataa, joka on saatu kattavien pilottipaperikonekokeiden ja taulukkolaskentaohjelmalla toteutettujen staattisten simulointimallien avulla. Simulointimalleissa perälaatikon hienoainepitoisuus on 30-55%, sekä paperimassan virtausnopeudet ovat 2470 L/min, 3870 L/min ja 5230 L/min. Muut prosessiparametrit on vakioitu, eikä retentioainetta käytetty. Retentio pilottipaperikoneessa oli 55-82% riippuen perälaatikon hienoainepitoisuudesta ja paperimassan virtausnopeudesta. Perälaatikon hienoainepitoisuuden ja retention välillä oli voimakas negatiivinen korrelaatio. Myös paperimassan virtausnopeuden ja retention välillä oli negatiivinen korrelaatio. Mitä alhaisempi retentio, sitä enemmän hienoainesta kerääntyi systeemiin. Hienoaineen huuhtoutuminen paperirainasta korreloi vedenpoistoon: pienemmällä paperimassan virtausnopeudella enemmän sekä vettä että hienoainetta poistui viirapuolelta, ja suuremmalla paperimassan virtausnopeudella saman verran sekä vettä että hienoainetta poistui rainan molemmilta puolilta. Paras paperirainan kaksipuolisuus saavutettiin korkeilla perälaatikon hienoainepitoisuuksilla (50% ja 55%) suurilla paperimassan virtausnopeuksilla (3870 L/min ja 5230 L/min).

Puristin- ja viiraosan vedenpoiston hallinta nopeudennoston yhteydessä

Koneuusintojen sekä täysin uusien konelinjojen myötä SC-paperin valmistuskapasiteettia on tullut ja tulee paljon lisää 2000-luvulla. Uudistettujen sekä uusien linjojen tuottavuudet ja laatutasot ylittävät huomattavasti Myllykoski Paperin PK7:n nykyisen tason. Tämän vuoksi PK7:lla tulee pystyä valmistamaan vähemmän kilpailtuja ja jalostusarvoltaan parempia laatuja kuin mitä suurimmat SC-tuottajat valmistavat. Työn tavoitteena oli antaa vastauksia investointitarpeisiin, jos PK7:n tuotesuuntaa ollaan muuttamassa. Toisena tavoitteena oli luoda puristin- ja viiraosan vedenpoiston kannalta ajoikkuna, jossa muuttujna ovat neliömassa, paperikoneen nopeus sekä massatärkkelyksen määrä Kirjallisuusosassa tarkasteltiin SC-paperikoneen viira- ja puristinosan vedenpoistoa. PK7:n nykyisen listakenkäformerin vedenpoistokapasiteetti voi olla riittämätön nykyisellä laatutasolla ja hiokemassoilla suurempia ajonopeuksia tavoiteltaessa. Ongelmiksi voivat tulla listakengän vedenpoisto ja viiraosan jälkeinen kuiva-aine. Puristinosalla paksut lajit, alhainen kuiva-aine sekä nopea ja äkillinen vedenpoisto voivat aiheuttaa telanipissä kurausta. Kokeellisessa osassa selvitettiin raskaiden ja ohuiden neliömassojen sekä eripaperilajien mahdolliset vedenpoiston rajoitukset viira- ja puristinosalla. Formeritelan ja listakengän sekä 1. puristimen vedenpoistokapasiteetit tulivat koeajon perusteella kriittiseksi raskailla lajeilla ja suurilla massatärkkelysmäärillä, kun koneen nopeus nousi yli 1240 m/min.

Formeritelan alipaineen vaikutus kartonkikitaformerin vedenpoistojakaumaan ja rainan ominaisuuksiin

Diplomityön tavoitteena oli selvittää kartonkikitaformerin formeritelan alipaineen vaikutusta vedenpoistoon ja rainan ominaisuuksiin. Kirjallisuusosuudessa selvitetään erilaisten vedenpoistotapahtumien teoreettisia vedenpoistokaavoja sekä niiden avulla laskettuja vedenpoistopaineita. Kokeellisessa osuudessa verrataan vedenpoistopaineen ja vedenpoistomäärän mandollista suhdetta. Kokeiden perusteella voi todeta, että alipaineella voi vaikuttaa kokonaisvedenpoistoon sekä vedenpoistojakaumaan. Vedenpoistopaineen ja poistuneen vesimäärän välistä riippuvuussuhdetta ei useimmissa tutkituissa vedenpoistotapahtumissa ollut havaittavissa. Nykyiset vedenpoistopaineen yhtälöt kattavat tela-alueen vedenpoistotapahtumat vain osittain. Tela-alueen vedenpoistotapahtumien ja erilaisten riippuvuussuhteiden ymmärtäminen vaatii tulevaisuudessa vielä enemmän tutkimustyötä.

Influence Of AirContent On Board Properties

Työn tarkoitus oli testata kartonkikoneen lyhyen kierron ilmapitoisuuden merkitystä kartongin ominaisuuksiin. Aluksi työssä selvitettiin ilmapitoisuuden alkutilanne käyttäen kompressioilmiöön perustuvaa ilmapitoisuusmittaria. Sen jälkeen tehtiin kokeita käyttäen POMp-pumppua sekä vaahdonestoainetta. Tarkoituksena oli luoda yhteys prosessin ilmapitoisuuden ja lopputuotteen ominaisuuksien välille. POMp-kokeissa tutkittiin keskipakopumppauksen vaikutusta massan ilmapitoisuuteen. Tuloksista nähdään, että pintakerroksen ilmapitoisuus oli suurempi kuin taustakerroksen, mikä selittyy POMp-pumpun sijainnilla taustakerroksen lyhyessä kierrossa. Vaahdonestoainekokeissa saatiin myös vaikutuksia massan ilmapitoisuuteen. Vaahdonestoaineen lisäyksen jälkeen runkokerroksenilmapitoisuus laski, kun samanaikaisesti pinta- ja taustakerroksen sekä rejektisysteemin ilmapitoisuudet nousivat. Ilmapitoisuuden käytöksen syyksi paljastui lyhyen kierron yhteinen vesikierto ja nykyisille tuotantomäärille alimitoitettu ilmanpoistokapasiteetti. Vaahdonestoaineen lisäyksen jälkeen vedenpoisto parani ja ensimmäisillä kolmella runkokerroksen foililaatikolla havaittiin poistuvan veden virtausten kasvaneen. Samaan aikaan runkokerroksen viiraosan lopulla poistuvan veden virtaukset pienenivät. Kartongin ominaisuuksissa ei havaittu kuitenkaan eroa, vaikka vedenpoisto parani viiraosalla selvästi. Vaahdonestoainekokeiden aikana oli myös tavallista enemmän ajettavuusongelmia, kuten ratakatkoja. Prosessissa esiintyneitä ongelmia ja niihin reagoivia muutosehdotuksia esitellään myös. Vaikein ongelma oli ilman muodostuminen runkokerroksen lyhyessä kierrossa. Ratkaisu voisi koostua isommasta keskikerroksenvesilukkosäiliöstä ja runkokerroksen lyhyen kierron puhdistusveden uudelleen kohdentamisesta. Voisi myös olla hyödyllistä yrittää ilmanpoistoa kemikaalien avulla kiertoveden varastosäiliössä.

Viirojen vedenpoistokyvyn ja markkeeraavuuden analysointi HSRT-laitteistolla

Tässä diplomityössä tutkittiin eri tyyppisten viirojen vedenpoisto-ominaisuuksia ja markkeeraavuutta HSRT-laitteistolla. Tarkoitus oli myös selvittää muodostuvan paperiarkin rakennetta ja HSRT-laitteiston soveltuvuutta viiravertailuun. Työn kirjallisuusosassa käsitellään märkäviiroja sekä niiden valmistamista, valintaa eri kriteerein, kulumista ja puhdistamista. Lisäksi käsitellään viirojen markkeeraavuutta ja viiraosan vedenpoistoa. Sekä vedenpoistokyvyn että markkeeraavuuden osalta tulokset olivat niin tasaiset eri suureiden suhteen, ettei etenkään sisäviirojen välillä saatu näkyviin selviä eroja. Markkeeraavuuden osalta laitteiston ominaisuutena näyttäisi olevan se, ettei sisäviiran puoleinen markkeeraus näy arkissa. Tästä syystä vertailut DPCJ-laitteen ja koepaperikoneen tuloksiin olivat mahdottomia. Sen sijaan ulkoviiran puolella markkeeraus oli havaittavissa useimmissa tapauksissa. Tutkimuksen perusteella vaikuttaa kuitenkin siltä, ettei HSR-Tester sovellu viirojen vedenpoistonkyvyn ja markkeeraavuuden vertailuun.

Retentiojärjestelmän optimointi kartonkikoneella

Diplomityössä tutkittiin kartonkikoneen retentiojärjestelmää ja eri mahdollisuuksia retention ja vedenpoiston tehostamiseen. Tavoitteena oli parantaa etenkin runkokerroksen retentiota ja vedenpoistoa. Työssä testattiin kilpailevan kemikaalitoimittajan mikropartikkelia kartonkikoneella. Lisäksi runkokerroksessa testattiin retentiotärkkelyksen vaikutus kartongin palstaumislujuuteen, suoritettiin käytössä olevan mikropartikkelin annostuksen optimointi sekä testattiin alunan käyttöä retentioainesysteemin tehoaineena. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin pinta- ja kolloidikemian perusteita, retentioainejärjestelmiä ja niissä käytettäviä kemikaaleja sekä retentioaineilla tehtävään flokkaukseen vaikuttavia tekijöitä. Laboratoriokokeilla tutkittiin kokeellisessa osassa eri mikropartikkelijärjestelmien toimivuutta kartonkikoneen eri kerroksien massoilla. Toimivimmaksi osoittautuneella mikropartikkelilla suoritettiin pilot-koeajo runkokerroksen massalla. Lisäksi suoritettiin toinen pilot-koeajo, jossa tutkittiin mikropartikkelin vaikutuksia saostuman aiheuttajana. Pilot-koeajoissa saavutettiin samat retentiotasot kuin referenssisysteemillä lähes puolet pienemmällä kemikaalin kulutuksella. Kartongin laatuominaisuuksista huokoisuus, formaatio ja AKD-liiman retentio muuttuivat viiraretention mukaan. Saostumakoeajossa ei todettu retentioaineen vaikuttavan saostumien syntyyn. Täyden mittakaavan koeajossa tarkoituksena oli testata kilpailevan mikropartikkelin toimivuus kartonkikoneella. Koeajossa etsittiin optimaalinen mikropartikkelin annostus eri kerroksiin. Pintakerroksen tuhkaretentio nousi hiukan ja vedenpoisto parani. Runko- ja taustakerroksessa saavutettiin samat retentiotasot sekä vedenpoistot. Samat retentiotasot saavutettiin n. 25 % pienemmällä mikropartikkelin kulutuksella. Kartongin laatuominaisuuksista seurattiin palstautumislujuutta, formaatiota ja AKD-liiman retentoitumista. Kartongin palstautumislujuus heikkeni. Vastaavasti runko- ja taustakerroksen AKD-liiman retentio oli hiukan korkeampi koeajetulla mikropartikkelilla. Formaatiossa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia. Jatkokokeet tehtiin kartonkikoneen runkokerroksessa. Kokeissa todettiin retentiotärkkelyksen vaikuttavan kartongin palstautumislujuuteen. Käytössä olevan mikropartikkelin annostelun optimointikokeissa ei saavutettu parannusta retentioon eikä vedenpoistoon. Mikropartikkelilla saavutetaan tietty retentiotaso, jonka jälkeen sillä ei ole enää vaikutusta retentiotasoon. Alunan annostelukokeissa ei alle yksi kg/t annosmäärällä ole vaikutusta retentioon ja vedenpoistoon.

Lietteenkäsittelyn toimintaan vaikuttavien muutosten hallinta

Object of the Master’s thesis was to obtain clarification to problems related to sludge treatment at the waste water treatment plant at Stora Enso Varkaus Mill. From time to time these problems have caused emissions to exceed given limits. Case was studied by examining existing data, fiber length fractions and experimental methods. Changes at the Mill have reduced total solids emissions. At the same time the requirement for tertiary treatment has grown. Treatment of tertiary sludge is hard. In the future emission limits shall tighten and the urge for tertiary treatment will grow. The significance of thesis’s results may have a great impact to Stora Enso Varkaus Mill in the future. The results give valuable information to follow-up research and guidelines to sludge treatment. The results encourage observing researched matters at longer period of time. Future recommendations emphasize the meaning of maintenance and systematic, appropriate experiments.

Non-wood massojen vedenpoiston arvioiminen märkäpuristuksessa

Yksivuotisten kasvien (non-wood) kuitua verrataan usein lehtipuukuituihin. Käytetyimpiä non-wood kasveja ovat vehnän olki, bambu, järviruoko ja bagassi. Non-wood massan erottaa puumassasta kuitenkin korkea silikaattipitoisuus sekä parenkyymisolupitoisuus, joka antaa massalle korkean hienoainepitoisuuden. Tämä yhdessä korkean hemiselluloosapitoisuuden ja lyhyen kuidun pituuden kanssa heikentävät voimakkaasti non-wood massan vedenpoisto-ominaisuuksia. Non-wood kuidulla voidaan korvata lehtipuumassaa hienopapereissa. Non-wood kuitu antaa paperille hyvän opasiteetin, korkean valonsirontakertoimen sekä sileän painopinnan. Massaan lisättävä pitkäkuituinen havupuumassa parantaa ajetta¬vuutta paperikoneella ja helpottaa massan vedenpoistoa. Non-wood massan vedenpoistoa voidaan tehostaa esimerkiksi poistamalla osa hienoaineesta, käyttämällä non-wood massalle sopivaa keittotapaa sekä käyttämällä märkä¬puristuksessa pitkänippityyppistä puristinratkaisua. Myös non-wood kuidun kuivaaminen parantaa vedenpoistoa. Tässä tutkimuksessa kirjallisuusosassa keskityttiin yleisimpiin paperin valmistuksessa käytettäviin non-wood kuidun lähteisiin, märkäpuristuksen teoriaan ja tapoihin tehostaa vedenpoistoa. Kokeellisessa osassa tutkittiin vehnänolkimassan käyttäytymistä märkäpuristuksessa erilaisten ominaisuuksien pohjalta. Tutkimuksen kohteena oli non-wood massan keittotapa (hapan/alkali), hienoainepitoisuus, silikaattipitoisuus sekä kuivattu/kuivaamaton kuitu. Vertailun vuoksi tutkimuksessa oli mukana myös yksi järviruokomassa. Tuloksista huomataan, että non-wood massan vedenpoistoon vaikuttaa hienoainepitoisuus, kuidun kuivaus sekä massan valmistustapa. Järviruokomassan veden¬poisto on tehokkaampaa kuin vehnänolkimassan paremman kuitu¬koostumuksensa takia. Jos hienopaperimassassa korvataan lehtipuumassaa non-wood kuidulla maksimissaan 40 %, massan vedenpoistoa voidaan hyvin arvioida erilaisten suotautuvuusmittojen, kuten freeneksen, vedenpidätyskyvyn ja suotautumisajan, avulla.

Dewatering of hard-to-dewater pulps

Nanocellulose has much potential for enhancing the tensile strength of paper but it slows down significantly drainage, restricting its use in industrial scale. Main objective of the work was to find ways to improve the dewatering of nanocellulose-containing papers. The effects of cationic potato starch, microparticle system and filler addition on dewatering and such key properties as formation, tensile strength and air permeance of manufactured paper were studied. Test points had 0, 4 or 8 % CNF and 0, 15 or 30 % PCC content. Based on earlier studies, 25 mg/g starch dosage was added to some test points. Modern microparticle system, consisted of cationic polyacrylamide and amorphous silica, was used in few test points. Dosages for both components were 0.3 and 0.6 mg/g, following the recommendations of the supplier. Also, the influences of CNF and filler on drying behaviour after different stages (drainage, wet pressing and cylinder drying) were estimated. Following trends were observed. Starch does not have unambiguous influence on dewatering. In some cases, it improved drainage slightly but effects on the properties of end product were discovered small. Filler quickened dewatering but large proportions were noticed to be detrimental for the drainage, air permeance and tensile strength. Microparticle system improved drainage notably, especially if CNF dosage was high. In addition, microparticle system increased tensile strength and decreased air permeance. However, its effects on formation were detrimental. Dewatering of nanocellulose-containing furnishes is treatable up to a certain point. In the end, such drainage times that were measured from test points which consisted only of pure kraft pulps are awkward to reach.

Enhancement of water removal in the press section

The effectiveness of water removal on press section is very important for a paper and board machine’s functioning, efficiency and economy. Today, the most effective method for wet pressing is shoe press technology. Metso has carried out a number of studies concerning anew type of water removal method for a press section, which has also been patented. These studies include rough sketches and some test runs. These issues form the basis of this thesis. The objective of this work was to gather together information for a new and enhanced waterremoval method for a press section by studying the functioning of the device andcarrying out test runs. This method is referred to here as Hydronip. The main goal was tobuild a functional test site which fulfills all the necessary requirements and has all thenecessary information gathering devices. The design process was carried out by emphasizing the safety aspects. The goal was also to gather together information about the nip structure in running conditions, the seal function, and to carry out the nip tests with paper or board wads. This thesis consists of a theory part, the design and construction of the test site, and carrying out test runs through information gathering. The theory part consists of the principals of water removal from a press section, Hydronip construction, and the requirements for the test place. The safety aspects were taken into account especially in test runs, but also in the assembly stages. The design and construction of the test site includes the selection of equipment and surroundings that are needed for managing the test runs in the best possible way at certain premises. The test site included the equipment that was already on the premises. Some equipment could be used as it was but some equipment had to be manufactured or modified from existing equipment. A functional test site with information gathering devices was accomplished as a result of thethesis. Test runs demonstrated that the Hydronip concept is, at least on a small scale,functional. Short-term tests for seal functioning showed that the seal can be lubricatedsufficiently under different kinds of nip load situations. Wad tests demonstrated that the metal belt is durable against different sizes of external particles. The seal also endured wad tests even though the pressure impacts impaired the lubrication. MTS tests showing dry content increases, combined with a rough cost calculation and the basic function of the machine in test runs, show that with some further study Hydronip could be a promising new product for water removal from a paper or board machine’s press section.

Sellu- ja paperitehtaiden lietteiden käsittely ja hyötykäyttö sekä niitä rajoittavat tekijät

Alueelliset ympäristöjulkaisut 223 Tämän raportin tarkoituksena oli tarkastella erilaisia metsäteollisuuslietteiden käsittely- ja hyötykäyttötapoja. Raportin alussa esitellään lietteiden syntymekanismit ja ominaisuudet sekä lähtökohdat niiden käsittelylle ja hyötykäytölle. Tämän jälkeen käydään läpi käytettävissä olevat lietteenkäsittelymenetelmät sekä mahdolliset energia- ja muut hyötykäyttötavat. Tällä hetkellä yleisimpiä lietteenkäsittelymenetelmiä ovat mekaaniset vedenpoistotekniikat. Niitä käyttämällä on tähän asti päästy riittävään kuiva-ainepitoisuuteen lietteen polttoa varten. Poltto kuorikattilassa kuoren ja muun puujätteen seassa on tällä hetkellä selvästi yleisin hyötykäyttömenetelmä. Yli puolet lietteistä poltetaan, minkä lisäksi osa niistä käytetään raaka-aineena esimerkiksi maanrakentamisessa. Kaatopaikkasijoittaminen kielletään määräajan jälkeen. Tulevaisuudessa lietteen käsittelylle tulee uusia vaatimuksia, sillä tuotannon muutoksista johtuvan lietteen koostumuksen muuttumisen takia vedenpoisto-ominaisuudet heikkenevät. Tämän vuoksi jatkossa todennäköisesti yleistyvät termiset ja biotermiset kuivausmenetelmät. Hyötykäyttöä varten on kehitelty vaihtoehtoisia menetelmiä, kuten biolietteen poltto sellutehtaan soodakattilassa sekä toisaalta erilaisten lietettä sisältävien seosten käyttö eri maanrakennussovellusten raaka-aineena. Lisäksi mädätyksestä ja kaatopaikoilta voidaan ottaa talteen biokaasua, jota voidaan käyttää energian tuottamiseen.