Modelling of bleached chemi-thermomechanical pulp washing systems
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2021-10-19
Department
Major/Subject
Biomass Refining
Mcode
CHEM3021
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
83 + 49
Series
Abstract
Mechanical and chemi-mechanical pulps are used widely throughout the world in paper and paperboard applications due to their relative low cost and benefits brought to the product like bulk and bending stiffness. As their alternative name of high-yield pulps suggests, most of the wood raw material is preserved and relatively low amounts dissolution occurs. As a result, contaminants like wood extractives are left in the pulp and the need to remove them increases and becomes critical for some applications like packaging of foodstuffs. Extractives can cause harm in the production process and in the final packaging material, as they can agglomerate and cause web breaks on the paper machine or create odors and off-tastes in the packaging and the product within when extractives oxidize. Dissolved substances like pectins are the culprit creating anionic trash in the pulp, which can compete and reduce the effectiveness of additives. Additionally, dissolved substances and anionic trash creates chemical oxygen demand load in pulp and wastewater. This thesis studied the washing performance of common washing equipment used in the industry via mass balance simulations in bleached chemi-thermomechanical (BCTMP) processes. Two process configurations using their typical process parameters were created for both a modern hardwood process where bleaching is between the refining, and a more traditional softwood process where the bleaching is at the end of the process. The twin-wire press, the twin-roll press and the screw press were evaluated in a total of six simulations, three for each pulp type using the three different washers. Additionally, the worst performing simulation was selected to be optimized for lower extractive content in the final pulp. The aim of the simulations was to see, how the different washers differ in their performance in removing extractives and dissolved substances from the pulp. The screw press was the most efficient at removing extractives from the pulp with both hardwood and softwood due to fiber tumbling action and the lack of pulp mat formation in the press. The twin-wire press and the twin-roll press were not as efficient as the screw press. Typically, the screw press provided 15 to 30% lower extractive content in the final pulp. The twin-wire press, on the other hand provided the lowest COD levels in the pulp, while the screw press performed the worst. The outlet consistency proved to be the most significant factor for COD contents in the pulp in practice, as dissolved substances filtered easily through the pulp. The optimization trials with softwood process using the twin-roll press showed, that additional washers do not provide adequate improvements in extractive removal if the water balance is not modified with additional filtrate bleeding and fresh water intake. COD levels in the final pulp were reduced by 60% compared to the reference simulation. Replacing the first twin-roll press with a screw press, however, provided 20% reduction in extractive contents in the final pulp with no impact on the COD level.Mekaanisia ja kemimekaanisia massoja käytetään paperi- ja kartonkikäyttökohteissa ympäri maailmaa niiden alhaisten kustannuksien ja kuitujen suotuisien ominaisuuksien vuoksi. Toisin kuin sellun keitossa, mekaanisten massojen valmistus ei liuota suurta osaa puusta pois, vaan pääosa raaka-aineesta jää jäljelle ja saanto on suuri. Massaan jää paljon myös ei-toivottuja aineita kuten uuteaineita, joiden poistamisen tarve on suuri ja erityisesti elintarvikepakkauksissa kriittistä. Uuteaineet voivat aiheuttaa haasteita valmistusprosessissa, sekä lopputuotteessa, sillä ne voivat kertyä tahmoiksi ja aiheuttaa ratakatkoja paperikoneella tai aiheuttaa haju- ja makuhaittoja pakkauksissa ja niiden sisällöissä. Liuenneet aineet, kuten pektiinit, ovat anionisen kuorman alkuperä massassa, ja ne voivat aiheuttaa paperikoneen kemikaalien kulutuksen kasvua ja vähentää niiden toimintakykyä. Lisäksi, liuenneet aineet ja anioninen kuorma aiheuttaa jätevesien kemiallisen hapenkulutuksen kuormaa. Tämä diplomityö tutki mekaanisten massojen pesuratkaisuja ja yleisten pesulaitteiden eroja simuloimalla massataseita valkaistuissa kemimekaanisissa-prosesseissa (BCTMP) sekä havupuu-, että lehtipuumassalla. Yhteensä kuudella simulaatiolla arvioitiin viirapuristimen, telapuristimen ja ruuvipuristimen toimintaa perinteisessä havumassaprosessissa, missä valkaisu on viimeinen prosessivaihe, sekä modernimmassa lehtipuuprosessissa, missä valkaisu tapahtuu jauhatuksien välissä. Simulaatioissa käytettiin prosesseille tyypillisiä parametreja. Yksi näistä simulaatiosta valittiin alustavien tuloksien jälkeen optimoitavaksi, joiden tarkoituksena oli tutkia uuteainepitoisuuksien alentamista. Työn simulaatioiden tarkoituksena on tutkia miten eri pesurit eroavat toisistaan, kun tarkastellaan uuteaineiden ja liuenneiden aineiden poistamista massasta. Ruuvipuristin oli tehokkain uuteaineiden poistaja sekä havupuu-, että lehtipuuprosessissa, koska kuidut ovat jatkuvassa pyörteisessä liikkeessä ja ruuvipuristimessa ei muodostu paksua massakakkua, johon kolloidiset uuteaineet tarttuisivat. Ruuvipuristimella päästiin toistuvasti 15 – 30% alempaan uuteainepitoisuuteen loppumassassa kuin muilla puristimilla. Viirapuristimella pystyttiin kuitenkin poistamaan huomattavasti enemmän liuenneita aineita, joiden poistamisessa ruuvipuristimella oli ongelmia. Ulostulosakeudella huomattiin olevan suurin vaikutus liuenneiden aineiden poistamisessa, sillä ne suotautuvat helposti massan läpi veden mukana. Optimointikokeet telapuristimen kanssa havupuuprosessissa osoittivat, että ylimääräisen pesurin sijoittaminen prosessin perälle ei ole tehokas tapa pienentää uuteainepitoisuutta massassa, jos vesitasetta ei muokata ylimääräisillä suodoksien poislaskulla tai tuoreveden käytöllä. Liuenneiden aineiden pitoisuudet kuitenkin laskivat jopa 60% loppumassassa referenssisimulaatioon verrattuna. Ensimmäisen telapuristimen vaihtamalla ruuvipuristimeksi päästiin jopa 20% alempiin uuteainepitoisuuksiin ilman suuria muutoksia liuenneiden aineiden pitoisuuksiin loppumassassa.Description
Supervisor
Paltakari, JouniThesis advisor
Balac, JeanKeywords
mechanical pulp, mechanical pulp washing, BCTMP, balas, extractives, COD