20. November 2008
Kirjoittaja: Erkki Eiroma
Companies: , Albbruk, International Paper, POM Technology, Stora Enso, TKK
People: Kimmo Molander, Paul Olof Meinander
4.22. POMppu ja paperikoneen kompakti vesikierto
Paul Olof Meinander sai vuonna 2004 Marcus Wallenberg palkinnon. Perusteeksi oli kirjattu: ”Very large amounts of water are circulated in the paper machine wet end. With the new POM-Technology applied the water flow is handled in another way which leads to a considerable reduction of the size of the wet end systems. There are significant savings in capital costs and reduction of energy required for the process. Control of the process is improved and this improves the paper quality. Other achievements are increased cleanliness in the system and the paper web. In addition, paper grade changes are faster.”
Marcus Wallenberg palkinto oli merkittävä tunnustus yli 10 vuotta jatkuneesta kehitystyöstä, joka on johtanut käänteentekevään prosessiparannukseen paperikoneen lyhyen vesikierron alueella. Innovaatio on palkittu myös Tasavallan Presidentin Innosuomi palkinnolla vuonna 2003 sekä Tappi Harris Award’lla vuonna 2005.
Paul Olof Meinander perusti POM Technology Oy Ab:n joulukuussa 1993 kehittämään ideoimansa POM konseptin kaupalliseen muotoon. Toimintansa yhtiö aloitti vuoden 1994 alussa.
POM konsepti mahdollistaa traditionaalista merkittävästi kompaktimman paperikoneen lyhyen kierron systeemin rakentamisen. Idea perustuu siihen, että poistamalla kiertovedestä vapaa ilma, lyhytkierto voidaan rakentaa hydraulisesti lähes täysin suljetuksi, yksinkertaiseksi putkistosysteemiksi. Siten lyhyen kierron tilavuutta voidaan pienentää merkittävästi. Alun perin tavoitteena oli lajinvaihtojen nopeuttaminen ja monilajikoneiden toiminnan tehostaminen. Ajatus POMppuihin perustuvasta kompaktista kiertovesisysteemistä esiteltiin ensimmäisen kerran alan teollisuudelle Tappi Papermaker-konferenssissaYhdysvalloissa vuonna 1992.
Paperin laadun hallinnan kannalta on myös tärkeää, että massa valmistetaan mahdollisimman myöhäisessä vaiheessa (just on time) välttäen turhia viiveitä. POM Systeemissä massan lopullinen koostumus tehdään siksi mahdollisimman lähellä perälaatikkoa prosessin vasteaikojen minimoimiseksi. Samoin ydinprosessista kiertojen kautta poistuva materiaali tulee voida palauttaa mahdollisimman nopeasti – lyhintä tietä - takaisin prosessiin. Tämä siksi, ettei muutostilanteessa kierrossa olisi vanhentunutta materiaalia hidastamassa prosessin tasapainottumista. Pieni prosessitilavuus edesauttaa systeemin nopeaa tasapainottumista.
POM Systeemin ydinkompponentit ovat
- POMix massasekoitin, jossa komponenttien ja lisäaineiden sekoitus ja homogenisointi tapahtuu pienessä sekoitustilavuudessa tehokkaasti ja suhteellisen korkeassa sakeudessa (3-5%). Massaseoksen viipymäaika POMix:ssa mitoitetaan noin 1 minuutiksi, joka on riittävä vaimentamaan nopeat prosessivaihtelut säädettävälle tasolle ja jona aikana kuitenkin tehokas sekoittuminen voi tapahtua.
- Pyörrepuhdistuslaitos, joka rakennetaan kompaktiksi patentoidun, nk. joustavan kaskadin periaatteen mukaisesti. Tässä kytkennässä perinteinen kaskadi avataan, ja ensimmäisen sekä toisen vaiheen akseptilinjat yhdistetään syöttämään peränsyöttöpumppua. Mahdollinen ylimäärä johdetaan takaisin sekoituspumpulle.
- POMp –ilmanpoistimet, joihin viiraveden sakeudeltaan erilaiset jakeet johdetaan viira-altaasta. Ne poistavat viiravedestä siinä olevan kaasun.
- POMlocks-vesilukosto, johon imulaatikkovedet sekä hybriidikoneen kyseessä ollessa yläviiralta poistuvat vedet kerätään. Sillä on kaksi eri muotoa, josta toinen muodostaa sarjan erillisiä vesilukkoja, jotka syöttävät viiraveden yhteiseen avoimeen ja kapeaan kanaaliin, ja toinen, jossa imulaatikkojen viiravedet kootaan suljettuun pienen tilavuuden omaavaan kollektoriin ja ohjataan karkean ilmanpoiston kautta eteenpäin.
- POM Header (viiraveden jakotukki), jota voitaneen pitää koko kompaktin systeemin sydämenä, on itse asiassa kiertovesisysteemi, joka korvaa perinteisen systeemin kaikki viiravesisäiliöt. Siihen tuodaan kaikki kiertovedet hierarkisessa järjestyksessä. Tästä jakotukista prosessin laimennusvesi johdetaan sakeushierarkian mukaisesti eri laimennuspisteisiin, ja ainoastaan laimein kiertovesi johdetaan ylijuoksun kautta pitkään kiertoon ja kuitujen talteenottoon. Samalla ylijuoksu tasaa jakotukissa vallitsevan paineen.
Kompaktin POM Systeemin rakentaminen edellytti kuitenkin ensin sen ydinlaitteen – POMpun - kehittämisen, joka tehokkaasti poistaisi vapaan ilman kiertovedestä. POMppu on keskipakopumpun ja sentrifugin yhdistelmä, jossa ilmakuplat erotetaan vesifaasista keskipakovoiman avulla. Sen ensimmäinen prototyyppi suunniteltiin ja rakennettiin ”Pommen” Meinanderin ohjauksessa Kimmo Molanderin diplomityönä TKK:ssa vuonna 1994. Prototyypin seuraavan, parannetun version valmistuttua sitä koeajettiin vuonna 1996 tutkimusolosuhteissa sekä sittemmin teollisessa mitassa Storan tehtailla Ruotsissa.
Ensimmäiset kaupalliset POMput myytiin ja asennettiin Albbrukin paperitehtaalle PK 7:lle Saksaan vuonna 1997 ja kyseisen koneen koko lyhytkierto rakennettiin kompaktin POM Systeemin mukaiseksi vuonna 1999. Kokemukset Albbrukista olivat erittäin rohkaisevat. Jo ensimmäiset tulokset vahvistivat POMppujen toimivan odotusten mukaisesti tehokkaina ilmanpoistajina. POMppujen asennuksen jälkeen koneen lyhytkierto voitiin rakentaa tilavuudeltaan aikaisempaa yli 80 % pienemmäksi hydraulisysteemiksi. Kun muutkin muutostyöt oli vuonna 1999 saatu loppuun suoritetuksi, niiden tuloksena koneella tehdyt lajinvaihdot olivat nopeutuneet yli puolella, ja systeemi pysyi huomattavasti puhtaampana, mistä seurauksena oli aikaisempaa vähemmän katkoja, harvemmat pesut ja mm. pienempi limantorjuntakemikaalien tarve sekä huomattava energiansäästö.
Albbrukista saadut kokemukset kiirivät nopeasti mm. International Paperin tietoisuuteen, ja yhtiö päätti lähteä modernisoimaan POM Systeemiä hyödyntäen pieniä monilajikoneitaan Yhdysvalloissa. IP solmi vielä vuonna 1999 POM Technologyn kanssa raamisopimuksen 10 paperikoneensa modernisoinnista. Näistä kerittiin toimittaa vuosina 1999-2000 kolme. Saadut tulokset vahvistivat Albbrukin kokemukset POMpuilla ja POM Systeemillä saavutettavista eduista. Tehty raamisopimus kuitenkin purkautui, kun IP osti Champion Paperin ja tämän seurauksena yhtiön koko tuotantostrategia suunnattiin uudelleen.
Myös keski- ja etelä Euroopassa mahdollisuus tehostaa olemassa olevien koneiden lajinvaihtojen joustavuutta sekä ajettavuutta kompaktin lyhyen kierron tuomien mahdollisuuksien myötä herätti nopeasti kiinnostusta ja johti useampien sekä yksittäisten POMppujen että POM Systeemien asennuksiin. Ensimmäinen POM Systeemin toimitus uudelle ”greenfield”-koneelle tapahtui vuonna 2001 Japaniin.
Alkuvuosina POM Systeemien toimitukset perustuivat POMp 400-sarjan ilmanpoistimien käyttöön. Näiden varaan rakennettuja lyhyen kierron ratkaisuja voitiin tarjota kilpailukykyisesti paperikoneille, joiden tuotantokapasiteetti oli maksimissaan noin 150 000 vuositonnia. Suurempia koneita varten jouduttiin kuitenkin kehittämään uusi, kapasiteetiltaan noin kolme kertaa tehokkaampi POMp 700. Ensimmäinen POMp 700 asennettiin vuonna 2002 Stora Enson Varkauden tehtaan PK 1:lle. Tehtaan tavoitteena oli perälaatikon runsaan ilmapitoisuuden pienentäminen ja tästä johtuvan paperin reikäisyyden eliminointi. POMppu toimi asetetun tavoitteen mukaisesti: reikäongelmista päästiin eroon ja aikaisemmin varsin runsaasti käytetyn vaahdonestokemikaalin lisäysmäärää voitiin pienentää radikaalisti. Lisäksi systeemi pysyi selvästi puhtaampana, jonka seurauksena ratakatkojen määrä pieneni. Myös vedenpoisto viiralla tehostui ja viiraretentio parani. Tehdas raportoi koneen kokonaistehokkuuden parantuneen POMpun käyttöönoton jälkeen yli 8 %-yksiköllä. POMp 700-sarjan ilmanpoistimet ovat sittemmin mahdollistaneet POM Systeemien toimittamisen myös suuren kapasiteetin omaaviin, nopeakäyntisiin paperikoneisiin, joista toistaiseksi suurin on 350 000 tpa LWC-kone Japaniin.
Tänä päivänä POM referenssilaitoksia on toimitettu kaikkiaan 60 niin Eurooppaan, Yhdysvaltoihin kuin Aasiaankin. Referenssit ovat osoittaneet sen, että POM Systeemi tarjoaa perinteiseen märkäosaratkaisuun verrattuna merkittäviä etuja sekä paperin laadun että paperikoneen tehokkuuden suhteen. Toimitetut sovellutukset ovat kattaneet sekä pienet ja keskisuuret foudrinier-tyyppiset monilajikoneet että suuret ja nopeakäyntiset gapformer bulkkipaperikoneet samoin kuin monikerroskartongin valmistukseen käytettävät hybridikoneet.
Paperikoneen märkäosan prosessitilavuuden pienentäminen ja lyhytkierron rakentaminen käytännössä suljetuksi hydraulisysteemiksi on odotetusti nopeuttanut tuotannossa tapahtuvia lajinvaihtoja. Kaasujen (ilman) poisto kiertovedestä on parantanut prosessin stabiilisuutta ja helpottanut vedenpoistoa viiralla. Siitä on seurauksena ollut myös paperin parantunut formaatio, lujempi kuitusidosten muodostuminen sekä vähentynyt paperin reikäisyys. Ilman poisto on auttanut myös pitämään kiertovesisysteemin puhtaampana, mistä seurauksena on ollut ratakatkojen väheneminen ja siten hylkymäärän pieneneminen, vähemmän systeemipesuja sekä pienempi pesu-, limantorjunta- ja vaahdonestokemikaalien käyttötarve. Kompaktin systeemin rakentaminen on tuonut merkittäviä säästöjä käyttökustannuksiin energiakustannussäästöjen muodossa sekä investointiin liittyvissä laite- että rakennuskustannuksissa. Useassa tapauksessa investoinnin takaisinmaksuajoissa on voitu päästä jopa alle vuoden takaisinmaksuaikaan.
POM Systeemiä kehitettäessä on nähty tärkeäksi sekä itse systeemiin että sen ydinkompponentteihin liittyvien innovaatioiden kattava suojaaminen patentoinnilla. POM Technologyllä on tällä hetkellä voimassa 68 patenttia tai aktiivia patenttihakemusta. Patenttisuoja kattaa tärkeimmät paperiteollisuutta harjoittavat maat, ja nykyisten patenttien voimassaolo ulottuu vuodesta 2014 aina vuoteen 2027 asti.