Kartongin päällystysosan sähkökäyttöisten kuivainten optimointi
Pousi, Katri (2023)
Diplomityö
2023
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023041135823
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023041135823
Tiivistelmä
Kartongin päällystyksellä pyritään vaikuttamaan lopputuotteen pintaominaisuuksiin. Erityisesti yhtenä tavoitteena on lopputuotteen painettavuuden parantaminen. Kartongin pinnalle applikoitava päällystepasta tulee saada kuivattua niin, ettei tuotteen laatu heikkene. Kuivainten toimintavarmuuden säilyttäminen koneen tuotantonopeuden vaihdellessa onkin erityisen tärkeää. Inkeroisten Kartonkitehtaan päällysteen kuivatus suoritetaan infrapuna-, leiju- sekä sylinterikuivainten avulla.
Työn kirjallisuusosassa esitellään lyhyesti kartongin pigmenttipäällystyksen perusteet. Erityistä huomiota kiinnitetään infrapunakuivaimilla tuotettavan elektromagneettisen säteilyn ja leijukuivaimilla saatavan konvektion avulla tapahtuvaan päällysteen kuivatukseen sekä tutkitaan kuivatusstrategioiden vaikutusta kartongin laatuun ja prosessin energiankulutukseen. Syksyn 2022 integraattiseisokissa maakaasulla operoitavat infra- ja leijukuivaimet vaihdettiin sähkökäyttöisiksi. Tämän vuoksi kuivatusprosessin optimointi laadun sekä energiatehokkuuden varmistamiseksi on tarpeen.
Kokeellisessa osassa selvitetään uusien sähkökäyttöisten kuivainten optimiajoparametrit. Työn tavoitteena on perehtyä Inkeroisten kartonkitehtaan päällysteen kuivatukseen, toiminnan varmistamiseen ja optimointiin eri prosessitilanteissa sekä vaihtelevilla koneen nopeuksilla. Kuivaimet optimoidaan teoreettisesti laskennallisen mallin avulla ja Inkeroisten tehtaalla suoritettavien koeajojen perusteella. Tarkoituksena on tuottaa mahdollisimman pienillä tehoilla laadukasta kartonkia. Laboratoriossa suoritettavilla mittauksilla tarkastellaan koeajoista saatavan kartongin pintaominaisuuksiin vaikuttavia laatutekijöitä.
Tulosten perusteella voidaan todeta, että optimoitu kuivatusstrategia pienentää huomattavasti tarvittavaa energiankulutusta tehden prosessista selkeästi tehokkaamman. Optimoinnin avulla lähes koko koneen nopeusalueella tarvittavaa sähkötehoa oli mahdollista pienentää 800 kW. Tutkimuksen mukaan järkevin operointitapa Inkeroisten kartonkitehtaalla on asettaa leijukuivaimet toimimaan niin suurella haihdutusteholla kuin mahdollista ja infrapunakuivainten tehotasot vastaamaan kulloistakin optimia koneen nopeuden funktiona. Huomattavaa oli myös päällystemäärän vaihtelusta aiheutuva tarvittavan kuivatusenergian epävarmuus, joka suurilla koneen nopeuksilla oli jopa ± 340 kW tavoitetilanteesta. One main objective of the coating process is to increase the printability of the board. The coating color applied on to the surface of the board must be dried in a way that the product’s quality does not deteriorate. For this reason, maintaining the operational reliability of the dryers is important as the speed of the machine varies. In Inkeroinen Cardboard mill drying of the coating color is carried out with infrared, air flotation and cylinder dryers.
The literature part of the work briefly introduces the basics of the pigment coating. Special attention is paid to the drying of the coating with the help of electromagnetic radiation produced by infrared dryers as well as convection heat transfer obtained from air dryers. In addition, used drying strategy influencing product’s quality and energy efficiency of the dryers is also studied. In the integrated shutdown of Autumn 2022 the gas-fired infrared and air dryers were switched to electric-fired ones. Due to which optimization of the drying process is necessary in order to ensure product’s quality and energy efficient operation of the dryers.
In the experimental part, the optimal operating parameters of the new electric-fired dryers are investigated. The aim of the work is to get acquainted with the drying of the coating color, ensuring and optimizing the operation with varying process conditions. The dryers are optimized with theoretical simulation and trial runs accomplished at Inkeroinen cardboard mill. The objective is to obtain high-quality cardboard with as little drying power as possible. With the help of measurements carried out in the laboratory, the quality factors of the produced cardboard can be observed and verified.
According to results, it can be concluded that the optimization of the drying strategy significantly reduces the needed energy consumption. It was possible to decrease the needed electrical power by at least 800 kW in almost the entire speed range of the machine. Based on the study, the most efficient way of operating at Inkeroinen mill is to set the flotation dryers to achieve as high drying rate as possible and then adjust the power levels of infrared dryers to correspond to the current optimum as a function of observed machine’s speed. Also noticeable was the great uncertainty of the required drying energy caused by the variation in the amount of applied coating color. At high 680 m/min machine speed the uncertainty of the required drying power was ± 340 kW from the target situation.
Työn kirjallisuusosassa esitellään lyhyesti kartongin pigmenttipäällystyksen perusteet. Erityistä huomiota kiinnitetään infrapunakuivaimilla tuotettavan elektromagneettisen säteilyn ja leijukuivaimilla saatavan konvektion avulla tapahtuvaan päällysteen kuivatukseen sekä tutkitaan kuivatusstrategioiden vaikutusta kartongin laatuun ja prosessin energiankulutukseen. Syksyn 2022 integraattiseisokissa maakaasulla operoitavat infra- ja leijukuivaimet vaihdettiin sähkökäyttöisiksi. Tämän vuoksi kuivatusprosessin optimointi laadun sekä energiatehokkuuden varmistamiseksi on tarpeen.
Kokeellisessa osassa selvitetään uusien sähkökäyttöisten kuivainten optimiajoparametrit. Työn tavoitteena on perehtyä Inkeroisten kartonkitehtaan päällysteen kuivatukseen, toiminnan varmistamiseen ja optimointiin eri prosessitilanteissa sekä vaihtelevilla koneen nopeuksilla. Kuivaimet optimoidaan teoreettisesti laskennallisen mallin avulla ja Inkeroisten tehtaalla suoritettavien koeajojen perusteella. Tarkoituksena on tuottaa mahdollisimman pienillä tehoilla laadukasta kartonkia. Laboratoriossa suoritettavilla mittauksilla tarkastellaan koeajoista saatavan kartongin pintaominaisuuksiin vaikuttavia laatutekijöitä.
Tulosten perusteella voidaan todeta, että optimoitu kuivatusstrategia pienentää huomattavasti tarvittavaa energiankulutusta tehden prosessista selkeästi tehokkaamman. Optimoinnin avulla lähes koko koneen nopeusalueella tarvittavaa sähkötehoa oli mahdollista pienentää 800 kW. Tutkimuksen mukaan järkevin operointitapa Inkeroisten kartonkitehtaalla on asettaa leijukuivaimet toimimaan niin suurella haihdutusteholla kuin mahdollista ja infrapunakuivainten tehotasot vastaamaan kulloistakin optimia koneen nopeuden funktiona. Huomattavaa oli myös päällystemäärän vaihtelusta aiheutuva tarvittavan kuivatusenergian epävarmuus, joka suurilla koneen nopeuksilla oli jopa ± 340 kW tavoitetilanteesta.
The literature part of the work briefly introduces the basics of the pigment coating. Special attention is paid to the drying of the coating with the help of electromagnetic radiation produced by infrared dryers as well as convection heat transfer obtained from air dryers. In addition, used drying strategy influencing product’s quality and energy efficiency of the dryers is also studied. In the integrated shutdown of Autumn 2022 the gas-fired infrared and air dryers were switched to electric-fired ones. Due to which optimization of the drying process is necessary in order to ensure product’s quality and energy efficient operation of the dryers.
In the experimental part, the optimal operating parameters of the new electric-fired dryers are investigated. The aim of the work is to get acquainted with the drying of the coating color, ensuring and optimizing the operation with varying process conditions. The dryers are optimized with theoretical simulation and trial runs accomplished at Inkeroinen cardboard mill. The objective is to obtain high-quality cardboard with as little drying power as possible. With the help of measurements carried out in the laboratory, the quality factors of the produced cardboard can be observed and verified.
According to results, it can be concluded that the optimization of the drying strategy significantly reduces the needed energy consumption. It was possible to decrease the needed electrical power by at least 800 kW in almost the entire speed range of the machine. Based on the study, the most efficient way of operating at Inkeroinen mill is to set the flotation dryers to achieve as high drying rate as possible and then adjust the power levels of infrared dryers to correspond to the current optimum as a function of observed machine’s speed. Also noticeable was the great uncertainty of the required drying energy caused by the variation in the amount of applied coating color. At high 680 m/min machine speed the uncertainty of the required drying power was ± 340 kW from the target situation.