Kuitulinjan prosessiparametrien vaikutus sellun turpoamis- ja kuituominaisuuksiin

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2013-09-10
Department
Major/Subject
Paperi- ja painatustekniikka
Mcode
P3003
Degree programme
PUU - Puunjalostustekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
180
Series
Abstract
Chemical pulp swelling has broad impacts on various processes and properties of products in the pulp and paper industry. This thesis investigates how fiberline process parameters influence on pulp swelling and fiber structure. The perspectives adopted are from the pulp machine and homogeneity of pulp quality. At first in the experimental part, principal component analysis (PCA) was utilized to analyze deviation in the Äänekoski pulp mill fiberline from January-September 2012. However, the coefficient of determination (R2) and predictability (Q2) remained unsatisfactory (< 0.5) in all models created by cross-validation method of SIMCA. This was considered to derive from non-linear and stochastic nature of the complex pulping and bleaching processes. However, it was observed digester washing forms a clear cluster in the brown side PCA of both wood species investigated with R2 around 0.2. According to the theoretical part of this work and correlation analysis, this reflects to required chemical charges in latter processes and thus to fiber structure. In addition, the bleachability formed a similar cluster with R2 0.2 in the bleaching plant PCA. At second, samples were collected from in front and behind each major process in the fiberline (excluding the digester). Then, the samples were washed and their conductivity was raised before evaluating fiber swelling by water retention value (WRV) method. In addition, fiber properties were measured by kajaaniFiberlab. WRV – analysis revealed hardwood pulp hornificated cumulatively only around 4 % and softwood pulp around 11 % in the fiberline. Fiber analysis verified, as expected, fiber length, width and cell wall thickness decrease, fiber damages and amount of fines increase and surface of the fiber cracks due to operations in the fiberline. The major effects were mostly visible in the chemically and mechanically harsher brown side, while selective bleaching has clearly less impact on pulp swelling and fiber properties. It was concluded yield loss and fiber damages occurring mostly in the brown side are the main mechanisms causing hornification in the fiberline. Consequently, charge and chemical properties determined by bleaching are less important factors in terms of swelling. However, a certain part of hornification is natural due to expedient transformation of fiber structure in the fiberline. Therefore, it looks unlikely single process parameters have visible impact on pulp swelling given techno-economic framework of the industry. However, from the perspective of fiber structure and pulp homogeneity, it can be argued deviation in chemical and thermal treatment should be avoided in the fiberline. Even production and especially washing result would be required, which should be assigned a development target in the mill. Finally, a short mill scale trial was completed to investigate how alkali charge and temperature influence on selectivity of oxygen delignification. It was observed low alkali charge and high temperature lead to the highest selectivity. However, the trial should be repeated to re-evaluate adequacy of kappa reduction.

Kemiallisen sellun turpoaminen on ilmiö, joka vaikuttaa laaja-alaisesti sekä tuotantoprosesseihin että lopputuotteiden ominaisuuksiin sellu- ja paperiteollisuudessa. Tässä työssä keskitytään tutkimaan kuitulinjan prosessiparametrien vaikutusta sellun turpoamis- ja kuituominaisuuksien muodostumiseen. Työn näkökulmina ovat sellutehtaan kuivauskoneen vedenpoisto ja sellun tasalaatuisuuden kehittäminen. Kokeellisen osan aluksi tutkittiin Äänekosken sellutehtaan kuitulinjan keskeisten prosessiparametrien vaihtelua tammi-syyskuussa 2012 esikarsitusta data-aineistosta PCA:lla. Kokeellisen osan toisessa vaiheessa otettiin näytesarjat koivu- ja havuajoilla 10 pisteestä kuitulinjalla. Näytteet pestiin ja niiden johtokyky säädettiin, minkä jälkeen näytteistä mitattiin WRV:t. Samoista näytteistä mitattiin vielä kuituominaisuuksia kajaaniFiberlab-kuituanalysaattorilla. Kokeellisen osan lopuksi suoritettiin myös lyhyt tehdaskoeajo, jossa tutkittiin alkaliannoksen ja lämpötilan vaikutusta happivaiheen selektiivisyyteen. Ristivalidoinnin perusteella SIMCA:lla muodostettujen PCA - mallien selitysaste (R2) ja ennustettavuus (Q2) jäivät epätyydyttäviksi (< 0,5), minkä arvioitiin johtuvan kompleksin selluprosessin epälineaarisesta ja stokastisesta luonteesta. Kuitenkin ruskealla puolella molemmilla puulajeilla omaksi kokonaisuudekseen erottui noin 0,2:n R2:lla keitinpesu, joka teorian ja korrelaatioanalyysin perusteella heijastelee kuitulinjan myöhempien vaiheiden kemikaaliannoksiin ja siten kuidun rakenteeseen. Valkaisussa PCA:ssa erottui omaksi kokonaisuudekseen useista tekijöistä riippuva valkaistavuus niin ikään noin 0,2:n R2:lla. WRV – analyyseissä havaittiin, että koivusellu sarveistuu kuitulinjalla kumulatiivisesti vain noin 4 % ja havusellu noin 11 %. Kuituanalyyseissä havaittiin odotetusti, että kuidunpituus, -leveys ja -soluseinän paksuus laskevat, hienoaineen ja kuituvaurioiden määrä kasvavat ja kuidun pintarakenne särkyy kuitulinjalla. Muutokset WRV:ssä ja kuituominaisuuksissa olivat voimakkaampia kemiallisesti ja mekaanisesti rajummalla ruskealla puolella. Siten tulosten perusteella sarveistumista selittävät etenkin saannon lasku ja kuituvaurioiden määrän kasvu. Sen sijaan kuidun kemiallisiin ominaisuuksiin ja varaukseen vaikuttavan valkaisun merkitys sellun turpoamis- ja kuituominaisuuksiin todettiin vähäiseksi. Kirjallisuusosan perusteella tietty osa sarveistumisesta on väistämätöntä seurausta kuitulinjan tavoitteiden mukaisesta kuidun rakenteen muokkaamisesta. Siksi yksittäisillä prosessivaiheilla ja -parametreilla todettiin olevan vain vähäinen vaikutus kuidun turpoamiseen selluteollisuudessa vallitsevan teknistaloudellisen viitekehyksen puitteissa. Kuidun rakenteen ja sellun tasalaatuisuuden näkökulmista ajateltuna kemiallisten, mekaanisten ja termisten olosuhteiden hajontaa tulisi pyrkiä välttämään kuitulinjalla. Edellytyksenä tälle on etenkin pesun tasaisuus, joka tulisi nostaa kehityskohteeksi tehtaalla. Koeajossa havaittiin, että paras selektiivisyys saavutetaan suhteessa pienellä alkaliannoksella ja korkealla lämpötilalla. Koeajo tulisi kuitenkin toistaa, jotta kappareduktion riittävyydestä saataisiin lisätietoa.
Description
Supervisor
Paltakari, Jouni
Thesis advisor
Toivonen, Matti
Keywords
sellu, turpoaminen, kuitulinja, prosessiparametri, PCA, WRV, kuituanalyysi, chemical pulp, fiberline, process parameter, swelling, PCA, WRV, fibre analysis
Other note
Citation