Osakokonaisuus 4

Vesitase

Sellunvalmistus on perinteisesti nojautunut runsaaseen vedenkäyttöön. Veden avulla kuljetetaan massaa, kemikaaleja sekä pestään orgaanisia epäpuhtauksia välituotteista. Veden avulla myös siirretään välituotteita ja energiaa prosessista toiseen (esim. lämpö virtaa veteen sitoutuneena).  Sellutehtaan vanha tekniikka saattoi käyttää jopa 350 m3/ADt prosessivettä. Nykytekniikalla päästään usein alle 20 – 40 m3/ADt. Tämän lisäksi on myös jäähdytysvedet, joiden kulutus riippuu prosessista ja tehtaan sijainnista. Myös jätevesien määrät ovat tehdaskohtaisia.

UPM Kymin Ympäristönsuojelun kehitys 2014 tehdasliite on asettanut vuodelle 2015 tavoitteen vedenkäytön vähentämiseen seuraavasti: ” Sellutehdas alle 45 m3/t. Riittävän jäähdytyskapasiteetin varmistaminen ja valkaisulinjojen vedenkulutuksen vähentäminen. Vesitaseen teko ja sellutehtaan pesujen optimointi. Paperitehdas alle 10 m3/t”. Ilmeisesti Kymin vedenkäyttö (prosessi- ja jäähdytysvesi) on 2014 ollut 82 085 603 m³, joten tavoite on huomattavasti pienempi kuin aikaisempi käyttö. Selonteosta käy ilmi, että vedenkulutus on noinkin suuri johtuen tuotantomäärästä.

Kattilavedet

Tehtaan vesi- ja höyryverkon järjestelyt ovat hyvin tehdaskohtaisia. Sellutehtaalla on yleensä vähintään kaksi kattilaa, sooda- ja kuorikattila. Jos tehtaaseen on integroitu yksi tai useampi paperikone (sellu pumpataan putkimassana sellutehtaalta paperitehtaalle), höyryntarve on suurempi ja voimakattiloita on useampi. Kattilavedet ja primäärilauhteet ovat mahdollisimman puhdasta vettä. Kattilavedellä on erityisiä vaatimuksia kattiloiden höyryjärjestelmien korroosion hallinnan takia.  Kattilavesi on kemiallisesti puhdistettua vettä, josta on lisäksi poistettu metalli-ioneja ja happea.  Primäärilauhde on primäärivesijärjestelmältä takaisin saatua vettä (n. 80 % takaisin).  Lauhdehäviö on osuus jota ei saada takaisin primäärivesijärjestelmältä. Lisäveden osuus on lauhdehäviötä vastaava osuus. Lauhdehäviöitä syntyy esimerkiksi nuohouksessa, happidelignifioinnissa ja valkaisussa. Valtaosa sellutehtaan jätevesistä syntyy valkaisulinjalla, joten ilmeisesti jätevesi = lauhdehäviö (primäärilauhde on puhdasta). Keittämöllä syntyy myös lauhdehäviötä jos käytetään suorahöyrylämmitystä. Lauhteet ja lisävesi johdetaan syöttövesisäiliöön ja sieltä edelleen kattiloille.

Raakavesi

Sellutehtaalla käytetystä raakavedestä on mekaanisella käsittelyllä otettu suuremmat partikkelit pois, mm. hiekka. Vesi myös desinfioidaan tarvittaessa (putkistojen ylläpidon kannalta). Osa raakavedestä puhdistetaan myös kemiallisesti. Jos tehtaalla on käytössään riittävän kirkasta raakavettä, se voi käyttää pelkästään mekaanisesti puhdistettua vettä useimmissa prosesseissaan, sillä se on usein laadultaan riittävää tehtaan useimpiin käyttökohteisiin. Mekaanista vettä ei kuitenkaan käytetä esimerkiksi valkaisun viimeisessä vaiheessa ja kuivatuskoneessa.  Kemiallisesti puhdistettu vesi on mekaanisen käsittelyn lisäksi puhdistettu humusaineista kemikaalikäsittelyllä. Käsittely on kuitenkin riippuvainen tehdas riippuvainen (puhtausvaatimukset ja käytettävissä oleva veden puhtaus). Käsittely vaihtelee myös vuodenajan mukaan, esimerkiksi kesäisin saattaa olla sameampaa, ja tuotetun sellun vaaleus määrittelee veden kirkkausvaatimuksia. Mekaanisesti puhdistettua vettä käytetään muun muassa jäähdytyskohteissa, savukaasujen pesuun ja pesuihin sekä laimennuksiin.  Kemiallisesti puhdistettua vettä käytetään valkaisulinjan viimeisen vaiheen pesuihin, kuivatuskoneella lisävetenä ja kattilaveden valmistukseen.

Jätevedet

Jätevesien määrä on tehdaskohtaista. Nykyisin päästään 20 – 40 m3/ADt tasolle (UPM Kymi 2014 ~36m3/ADt).  Suurinosa sellutehtaan jätevesistä syntyy valkaisulinjalla. Prosessien jätevedet pystytään höytykäyttämään muissa prosesseissa, mutta valkaisulinjan jätevesien höytykäyttö on hankalaa. Hyötykäytön hankaluus johtuu puusta ja valkaisukemikaaleista lähtöisin olevat suola, joiden kertyminen tehtaan lipeäkiertoon aiheuttaa suuria ongelmia talteenotossa. Valkaisulinjan jätevedet ja tehtaan lipeäpitoiset jätevedet kerätään tyypillisesti omiin verkostoihin.

Sekundäärilauhteet

Sekundäärilauhteita syntyy haihduttamolla 8 – 9 m3/adT. Selluprosessin sulkeutuminen on aiheuttanut lauhteiden puhtauteen ja uudelleenkäyttöön suurempaa huomiota. Nykyaikaisissa sellutehtaissa sekundäärilauhteita ei tarvitse ohjata jäteveden käsittelyyn vaan ne voidaan hyödyntää prosesseissa, esimerkiksi kaustistamolla valkolipeän valmistuksessa. Sekundäärilauhteen jaetaan niiden puhtauden mukaan, A-lauhde on puhtain ja C-lauhde likaisin (likaisin lauhde stripataan). Sekundäärilauhteen pääasiallinen käyttökohde on ruskean massan pesu. Sekundäärilauhteessa on vielä nykyisin n. 30 – 300 mg/l metanolia sekä muita orgaanisia yhdisteitä. COD-pitoisuus on tyypillisesti 8 – 10 kg/ADt, jonka takia niiden runsas käyttö valkaisulinjalla voi lisätä valkaisukemikaalien kulutusta. Sekundäärilauhteita ei käytetä sen haisevien yhdisteiden vuoksi valkaisun loppupäässä tai kuivatuskoneella. Sekundäärilauhteen lämpötila on yleensä yli 60°C, joten niillä on jonkin verran myös energia-arvoa.

Energiatase

Metsäteollisuus on Suomen suurin energiankäyttäjä, koko maan skaalassa neljännes ja teollisuudessa noin puolet. Kuitenkin yli 60% energiasta tuotetaan itse. Suurin osa lämpöenergiasta kuluu nesteiden lämmitykseen ja haihduttamiseen (lämmönkulutus noin 8 – 14 GJ/ADt). Suurin osa sähköenergiasta kuluu pumppujen, puhaltimien ja kuljettimien moottoreissa (sähköntarve noin 500 – 700 kWh/ADt). Energiantuotannon primäärinen tuote on höyry ja sähkö edullinen sivutuote. Höyry ja sähkö kuitenkin luetellaan primäärienergiaksi ja niiden kertaalleen käytetty muoto sekundäärienergiaksi. Talteenottolaitoksen soodakattila on sellutehtaan oma voimalaitos, joka ensisijaisesti tuottaa tehtaan vaatiman höyryn. Viime vuosikymmeninä energiankulutus on kuitenkin muuttunut, jonka seurauksena lämpöä ja sähköä pystytään tuottamaan yli tarpeiden. Tämän takia sähköä usein myydään kunnanverkkoon.

Esimerkiksi:

Pietarsaaren UPM myy sähköä Pietarsaaren kaupungille. Muutama vuosi taaksepäin kaupungin sähköt menivät alas, jolloin UPM:ltä sähköä ei saatu valtionverkkoon. Turbiini ja generaattori täytyi ajaa alas, koska sähköä ei pystytty enää syöttämään verkkoon. Tämän seurauksena höyryntuotanto lakkasi ja myös tehdas piti ajaa alas. Ja tehtaan ollessa alhaalla se luo erittäin suurta tappiota, noin 100 000 euroa tuntia kohden. Tehdas ei kuitenkaan voi aiheuttaa kaupungille haittaa, jos tehdas yhtäkkiä menisi pois sähköverkosta, kaupungissa valot vain hieman vilkkuisivat.

Sähköä kuitenkin tuotetaan huonolla hyötysuhteella.  Sähkön- ja lämmöntuotannon suhdetta kuvaava rakennusaste on sellu- ja paperiteollisuudessa 18 – 25 %. Energiantarve kuitenkin vaihtelee tuotannossa tapahtuvien muutosten takia jatkuvasti, esimerkiksi seisakki. Kuitenkin eräästä Aalto yliopiston materiaalista löytyi kohta ”Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen kokonaistaseet – energiatase”, jonka mukaan ylimäärä höyryä olisi 15,79 GJ/ADt ja ylimäärä sähköä olisi 473 kWh/ADt. Luvut ovat soodakattilan ja kuorikattilan summat. Kuorikattilan energiantuotannon hyötysuhteeksi ilmoitetaan 85 % ja soodakattilan 75 %. Itselle jäi epäselväksi miten hyötysuhde on huono (verrattaessa 18 – 25 %) jos ylimääräistä sähköä tuotetaan. Ellei sitten tämä ole otos tietystä tehtaasta, jossa ylimääräistä sähköä syntyy ja suhdeluku kuvaa yleisesti koko teollisuutta.

Sähkötase

Kuten aiemmin sanoin, nykyaikainen sellutehdas tuottaa enemmän sähköä kuin kuluttaa. Tämä mahdollistaa tehtaan omavaraisuuden (tuottaa oman sähkönsä) ja ylimääräinen myydään valtionverkkoon. Sähkö tuotetaan soodakattilassa, joka sijaitsee talteenottolaitoksella. Sähkön/höyryn tuotanto on aikaisemmin käsitelty joten en ala sitä uudestaan kirjoittamaan. Knowpulpin mukaan Soodakattilan höyrystä saatava sähkömäärä on tyypillisesti 1100 – 1300 kWh/ADt ja kuorikattilalla 300 – 400 kWh/ADt. Aalto yliopiston materiaalin mukaan 3,34 GJ/ADt (soodakattila) ja 1,04 GJ/ADt (kuorikattila). Muunnettuina luvut samaan yksikköön ne vastaavat toisiaan.

Höyrytase

Höyryä tuotetaan soodakattilassa, joka on jo aiemmin käsitelty joten en ala sitä selittämään. Höyryä käytetään yhdessä tai kahdessa välipainetasossa sekä vastapainetasossa (en kyllä löytänyt, että mitä eroa on väli ja vastapaine höyryssä) ja osa höyrystä otetaan pois turbiinin keskivaiheilta. Knowpulpissa oli kuitenkin, että välipainehöyryn paine on 10 – 13bar ja vastapainehöyryn 2 – 3 bar. Välipainehöyry johdetaan omaan höyryverkkoonsa ja sen suurin käyttökohde on keittämö. Eräässä opinnäytetyössä oli ” turbiinin massavirran muutoksen aiheutuvan ainoastaan vastapainehöyryn määrän muuttumisesta.”, joten vastapainehöyryllä valmistetaan sähköä? Välipainehöyryverkon lisäksi on matalapainehöyryverkko, johon syötetään höyryä kulutuksen mukaan ja ylijäämä ohjataan lauhduttimelle. Lauhduttimella höyry lauhdutetaan vedeksi ja ohjataan syöttövesisäiliöön. Erillisessä sellutehtaassa höyryä jää yli, joten korkeapainehöyrystä saadaan enemmän sähköä. Matalapainehöyryä käytetään prosessilämpönä (n 75 – 80 %).  Erillisessä tehtaassa matalapainetta käyttää eniten haihduttamo, keittämö ja kuivatus. Integroidussa tehtaassa valtaosa matalapainehöyrystä menee yleensä paperikoneille. Toisaalta integroidussa tehtaassa kuivatuskoneella ei höyryä yleensä kulu, koska sellu siirretään paperikoneille etupäässä pumppumassana. Sellu- ja paperitehtaan integroiminen on perusteltua siksi, että näin saadaan sellutehtaan ylimääräinen höyry hyödynnettyä paperikoneilla. Soodakattilassa saadaan tuotettua höyryä 13,37 GJ/ADt ja kuorikattilassa 2,43 GJ/ADt (aiemmin mainittu Aalto yliopiston lähde). Löysin jonkun referenssiasiakirjan, jonka mukaan prosessilämpöä (höyryä) kuluu noin 10 – 20 GJ/ADt, joka on enemmän kuin tuotto. Kuitenkin käsittääkseni tehdas on omavarainen höyryn suhteen kierrätyksen yms. takia, joten kulutus on ilmeisesti kaikkien muotojen summa.

Sekundäärilämpötase

Sekundäärilämpö (toisiolämpö) on lämpöä, jota pidettäisiin niin sanottuna jätelämpönä, ellei sitä otettaisi talteen. Sekundäärilämpöä syntyy prosessien sivutuotteena ja sen hyödyntäminen on sidoksissa energiatehokkuuteen (mitä enemmän käytetään sitä energiatehokkaampaa toiminta on). Sillä voidaan myös osittain korvata primäärienergia. Sekundäärilämpöä saadaan savukaasuista, vesihöyryistä, höngistä, jätevesistä, jäähdytysvesistä sekä kuivaus- ja jäähdytysilmasta. Sekundäärilämpöä pyritään käyttämään prosessissa tai osaprosessissa, jossa sitä syntyy (jatkuva ja tasainen prosessi, lämpö ns kiertää prosesissa). Sekundäärilämpöä voidaan käyttää myös prosessissa missä sitä ei muodostu, mutta osa lämpötilaeron aikaansaamasta jätelämmön hyödyntämismahdollisuudesta menetetään.

Kemikaalitase

Kemikaalitasapaino ja regenerointi ovat oleellisimmista sellutehtaan toimintaan vaikuttavista tekijöistä. Lipeäkierrossa kulkee alkaliin liukenevia kemikaaleja (Na, S ja vierasaineet). Kalkkikiertoon jäävät ja kertyvät alkaliin liukenemattomat aineet. Lentotuhkakiertoihin kertyy olosuhteista riippuen helpoiten kasaantuvia kemikaaleja.

Valkolipeä

Edu.fi:n Materiaalin testaaminen/sellu sivulla sanotaan, että ”Suuret sulfaatti- ja karbonaattimäärät valkolipeässä kertovat häiriöistä jätelipeän poltossa tai valkolipeän valmistuksessa. Koska ne eivät osallistu keittoreaktioihin, ne kuormittavat turhaan kemikaalikiertoa. Valkolipeä sisältää myös muita keitossa reagoimattomia aineita, kuten esimerkiksi klorideja ja kalsiumyhdisteitä. Myös näiden niin sanottujen inerttien aineiden määrä riippuu suuresti tehtaan kemikaalikierron tilasta, esimerkiksi valkolipeän suodatuksen onnistumisesta”. Knowpulpissa/Luentomateriaalissa taas sanotaan, että keittimeen annostellaan haketta, valko- ja mustalipeää sekä joissain tapauksissa vettä (suorahöyrynä).” Taseet ovat kuulemma toisistaan riippuvia ja ne yhdessä kuitulinjan taseiden sekä kemikaalikierron inertin kuorman kanssa määrittelevät sen, kuinka paljon tehtaan kierroissa kiertää kemikaaleja. Keittämö, kuitulinja ja kemikaalikierto muodostavat kokonaisuuden, jonka tuotantokapasiteetti määräytyy sen mukaan, kuinka paljon vähiten tuottava osaprosessi pystyy tuottamaan. Itselle jäi epäselväksi mistä taseista on puhe ja kuinka ne liittyvät valkolipeään. Ilman edu.fi ja knowpulpia/luentomonisteita mieltäisin valkolipeätaseen enemmänkin siihen kuinka paljon sitä käytetään sellunvalmistuksessa ja kuinka paljon sitä muodostuu kaustisoinnissa. Lähteissä ei kuitenkaan suoraan mainita asiasta muuten kuin, että keittämö, kuitulinja ja kemikaalikierto ovat kokonaisuus.

Rikki-natriumtase

Lipeäkierron tärkein kemiallinen tasapaino on lipeän S/Na₂ –suhde, jota kuvataan myös usein sulfiditeetillä (Na₂S määrä valkolipeässä).  Nykyaikaisessa sellutehtaassa suhde on tasolla 0,3 – 0,4 (sulfiditeetti 30 – 45 %). Rikkiä ja natriumia tulee kemikaalikiertoon pääasiassa hakkeen, mahdollisten make-up kemikaalien sekä klooridioksidin valmistuksen sivutuotteen mukana. Pelkkää rikkiä tulee happidelignidioinnin magnesiumsulfaatista ja meesauunin polttoöljystä sekä mäntyöljyn palstoituksen emävedestä. Rikki poistuu prosessista etupäässa ruskean massan pesuhäviönä, hajukaasuina ja soodakattilan sekä meesauunin savukaasuissa. Natrium poistuu pääasiassa pesuhäviönä sekä vähäisessä määrin lentotuhkan mukana. Rikki ja natrium poistuvat suunnilleen samassa suhteessa kuin ne esiintyvät lipeässä (liemihäviöt). Kaasumaisissa häviöissä rikkiä poistuu enemmän. Sulfiditeetti on tavallisesti 25 – 40 %, alle 15 % on liian matala sellun laadun takia ja liian korkea aiheuttaa muun muassa korroosio ongelmia ja hajukaasu keräysjärjestelmien kuormittumista.  Rikki-natrium –suhde pyrkii asettumaan tiettyyn tasapainoon, eli suhteen noustessa enemmän rikkipitoisia yhdisteitä haihtuu osaprosessista. Vaikkakin nykyisin rikkipitoiset hajukaasu kerätään ja palautetaan tarkkaan takaisin prosessiin ympäristönsuojelu- ja viihtyvyyssyistä (haju). 1.1 Häiriötilanteiden vaikutus päästöihin mukaan uusimpien sooda- ja kuorikattiloiden sekä meesauunien sähkösuodattimien erotusasteet ovat luokkaa 99 – 99,9 %. Pahimmassa häiriötilanteessa hiukkaspitoisuus on 1000 kertainen, joka tarkoittaa, että vuorokauden häiriöpäästö vastaisi 90 % kokonaispäästöstä. Lähteen mukaan prosessien häiriötilanteilla on merkitystä ilmapäästöjen osalta lähinnä hiukkas- ja rikkiyhdisteiden päästöissä. Vaikkakin tämä on enemmänkin ympäristöasia, tulee tekstistä ilmi kuinka tehokkaasti rikki saadaan takaisin prosessiin, kuitenkin vakavia päästöongelmia ei onneksi esiinny kovinkaan usein. Nykyisin rikkipäästöt ovatkin luokkaa 0,4 – 0,5 kg S/ADt (tehtaassa). Metsäteollisuuden ympäristötilastot 2013 mukaan rikkipäästöt ovat laskeneet 88 % tuotettua tonnia kohti vuodesta 1992. Tilaston mukaan rikkipäästöt (sellu) oli vuonna 1992 1,01 kg/tuotantotonni ja vuonna 2013 0,04 kg/tuotantotonni.

Vierasaineet

Tehtaan kiertoihin kertyy prosessikemikaalien lisäksi kemikaaleja, joita kutsutaan vierasaineiksi. Osa vierasaineista ovat inerttikemikaaleja (kemikaalit, jotka eivät osallistu keittoon) ja osa aiheuttaa muun muassa korroosiota ja saostumia. Vierasaineita kertyy muun muassa puusta, prosessivedestä ja make-up – kemikaaleista. Ongelmallisimmat vierasaineet ovat kalium ja kloori, koska ne aiheuttavat muun muassa soodakattilan tukkeutumista. Perinteisesti vierasaineet ovat poistuneet kierrosta muun muassa viherlipeäsakan, savukaasujen ja sellun mukana. Prosessin eri osissa on myös suodatus, joten oletettavasti myös sieltä poistuu vierasaineita. Nykyään kuitenkin tehtaat ovat tavallaan liian nykyaikaiset, sillä sulkeutunut kemikaalikierto ja tehdaspäästöjen vähentäminen on johtanut siihen, että vierasaineita kertyy liikaa kiertoon. Suurin osa vierasaineista on peräisin puusta, kuitenkin kun yritin etsiä vierasaineista tarkemmin tietoa, sitä ei oikein tahtonut löytyä. Sen sijaan oli paljon vierasaineiden etsimisestä itse puusta ja vierasaineilla ei tarkoitettua kemikaaleja vaan esimerkiksi eräs artikkeli toteaa: ”Röntgenillä pystytään toteamaan varsin luotettavasti myös epäpuhtaudet kuten kivet ja muut vierasaineet.” Vierasainemäärä riippuu kuitenkin puulajista ja kasvupaikasta (suurin merkitys varmaan mailla). METLAlta löytyy joku tutkimus puulajien puhtauksista. Puhtausasteet ovat 1-3, 1. < 5% vierasaineita, 2.  5 – 10 % vierasaineita ja 3. 10 – 15% vierasaineita. Ilmeisesti kuitenkin suurin osa epäorgaanisista kemikaaleista liukenee keitossa ja pesussa lipeän mukana, runsaasti Ca, K ja Cl. Vierasaineita tulee myös korvasukalin mukana (pii ja alumiini), ja happidelignifioinnissa magnesimia. Vierasaineet jaetaan joko lipeäkiertoon tai kalkkikiertoon, eli ymmärtäisin että kulkeutuu lipeän mukana ja toinen kalkin? Puuttelinen valkolipeän suodatus aiheuttaa korkeaa Ca ja Mn – pitoisuutta. Aiemmin totesin, että kalium ja kloori ovat hankalimmat vieraskemikaalit. Korkea kloridipitoisuus ja sulfiditeetti yhdessä nostaa lipeäkierrossa korroosioriskia ja edelleen materiaalivaatimuksia (parempi laatu yms.).  Kalsium, magnesium, alumiini ja pii taas aiheuttavat lipeäkierrossa saostumia. Olin kuitenkin jostain poiminut myös ylös että: ” Lipeäkierron kaliumia lukuun ottamatta kaikki vierasaineet ovat keittoreaktioissa inerttejä, eli ne kasvattavat valkolipeän tarvetta tietyn alkaliannoksen saavuttamiseksi ja siten lisäävät kemikaalikierron kuormaa. Kloridi tekee lisäksi osan natriumista tehottomaksi (kuten sulfaatti ja karbonaattikin) ja näin vähentää keittokemikaalien tehoa”.  Eli siis inertit kasvattavat kuormaa ja kloridi heikentää keittoa, mikä on hassua sillä inertin mieltäisi sellaiseksi, jolla ei ole vaikutusta.

Pohdinto

Jäin hieman jumiin tämän kirjoittamisen kanssa, sillä aiheena on x-tase ja en saanut luentomonisteista kunnolla otetta miten aloittaisin tai kirjoittaisin tämän osakokonaisuuden. Itse miellän taseen tuoton ja kulutuksen suhteeksi. Höyryn ja sähkön kohdalle oli suhteellisen helppoa löytää lukuja, mutta esimerkiksi vierasaineet jäivät hieman vieraaksi ja oli hankala kirjoittaa aiheesta. Kuitenkin jos löytyy konkreettisia lukuja kulutuksesta jne. on asiaa helpompi käsitellä. METLAlta löytyi kuitenkin vierasainemäärät %, joten tästä oli helppoa miettiä osuus. Vaikkakin osuudet ovat itse puusta ja varmaan pienenevät/häviävät prosessin edetessä.  Höyrytaseessa jäi hieman häiritsemään eri nimitykset ja se kuinka en löytänytkään kaikkiin selityksiä. Löytyi kohtia, joissa niistä puhuttiin, mutta ei kuitenkaan ollut konkreettista selitystä. Esimerkiksi vastapainehöyryyn löysin opinnäytetyön, missä sen avulla laskettiin laskuja yms. mutta ei kuitenkin konkreettisesti sanottu mitä tarkoittaa. Tavallaan tämän osakokonaisuuden aihe oli kiinnostava, mutta itse kirjoitusprosessi oli hankalaa ja vei paljon aikaa. Osiin en itse löytänyt paljon materiaalia ja ne mitä löysin oli enemmänkin ns nippelitietoa, mutta tuntui kuitenkin luonnolliselta lisätä sitä tähän tekstiin. Itselle jäi käteen tämän kirjoittamisesta ainakin yleiskäsitys kaikesta kirjoittamasta, mikä varmaan onkin se pääasia. ”Uutena” tuli eri vedet, sillä, vaikka monesti puhutaan muun muassa kattilavedestä ja raakavedestä, ei kuitenkaan osaa mieltää niitä erillisiksi ja oli hyvä oppia niiden ero. Tarkemmin mietittynä kaikki aiheet olivat ns uusia, sillä asioihin ei ole aikaisemmin perehtynyt näin tarkasti.

Osakokonaisuus 3

Soodakattilassa syntynyt kemikaalisula liuotetaan laihavalkolipeään, jolloin syntyy viherlipeää. Viherlipeä viedään sakkasuotimeen, jossa laihavalkolipeä saadaan suotimista talteen. Loppusakka, joka jää talteen suotimesta on jätettä, koska siitä ei pysty ottamaan muuta kuin natrium talteen. Loppusakka pestään ja siitä otetaan natrium talteen. Loput viedään ongelmajätelaitokselle. Viherlipeä pumpataan kalkin sammuttimeen, johon lisätään myös CaO eli kalsiumoksidi eli poltettu kalkki. Kalsiumoksidi reagoi viherlipeässä olevan veden kanssa muodostaen Ca(OH)2 eli kalsiumhydroksidia eli sammutettua kalkkia, jota kutsutaan myös kalkkimaidoksi. Seuraavaa vaihetta kutsutaan kaustisoinniksi, joka antaa myös nimensä tälle osastolle talteenottolaitoksella. Kaustisointireaktiossa sammutettu kalkki reagoi edelleen viherlipeän Na(CO3) eli natriumkarbonaatin kanssa. Jolloin syntyy keitossa tarvittavaa natriumhydroksidia, joka on valkolipeän aktiivinen ainesosa, joilloin syntyy massaa, jossa on valkolipeää. Kaustisointi suoritetaan 95 – 100 asteessa reaktion nopeuttamiseksi. Kaustisoinnin jälkeen syntynyt massa sisältää kaustisointireaktion aikana myös syntynyttä Ca(CO3) kalsiumkarbonaattia eli meesaa. Meesa erotetaan valkolipeästä selkeyttämällä eli laitetaan valkolipeäsuodattimeen. Valkolipeä viedään edelleen keittämölle. Erotettu meesa pestään ja viedään meesan polttoon.

Kaustisoinnissa pyritään luonnollisesti mahdollisimman korkeaan natriumhydroksidin saantoon. Myös saostuvan kalsiumkarbonaatin on oltava myöhemmin hyvin poistettavissa kaustisoidussa liuoksesta niin sanotun valkolipeän selkeytyksessä. Kaustisoinnin täydellisyyttä mitataan määrittelemällä kaustisointiaste, joka kuvaa muodostuneen natriumhydroksidin suhdetta natriumhydroksidin ja natriumkarbonaatin kokonaismäärän tasapainotilassa (Korhonen 2011). Kaustisointiaste ei kuitenkaan saa saavuttaa 100 % vaan olla enintään 85 – 87 %. Kalkin annostelun epätarkkuudesta johtuen kaustisointiaste on kuitenkin oltava 1 – 3 % enintä arvoa alempana, jotta ei tapahtuisi ylikalkittumista eli kalkki ei enää reagoi natriumkarbonaatin kanssa.

Erotettu meesa pumpataan meesuosuotimelle, jossa se puhdistetaan epäpuhtauksista. Puhdistettu meesa syötetään hihnakuljettimelle. Hihnakuljettimelta meesa kuljetetaan kuivausputkeen, jossa syötetty meesa kuivatetaan lähes 100 %. Kuivunut meesa johdatetaan sykloniin, jossa se erotetaan saavakaasuista ja syötetään meesauuniin. Meesauunissa kalsiumkarbonaatti eli meesa poltetaan kalsiumoksidiksi eli poltetuksi kalkiksi. Meesan hajoaminen kalsiumoksidiksi ja hiilidioksidiksi alkaa 850 asteessa. Reaktionopeus kiihtyy voimakkaasti lämpötilan kasvaessa. Poltto suoritetaan noin 1100 asteessa. Meesauunin tuli lämmitetään maakaasulla, raskaalla polttoöljyllä, mäntyöljyllä ja metanolilla. Meesauunin öljypolttimen sytyttäessä köytetään nestekaasupoltinta öljyliekin tukena. Uunista poistuvat savukaasut johdetaan 3-kammioisen sähkösuodattimen läpi, jossa savukaasuista poistetaan pöly sähkökentän avulla. Meesanpolton jälkeen käsitellään poltossa syntynyt poltettu kalkki. Poltettu kalkki jäähdytetään sektorijäähdyttimessä, jonka jälkeen se kuljetetaan kaustisoinnin ostokalkkisiiloon tai meesakalkkisiiloon.

Osakokonaisuus 2

Soodakattilan kaksi päätehtävää on mustalipeän energian hyödyntäminen ja keittokemikaalien talteenotto (rikin reduktio).  Soodakattilassa tuotetaan reaktiosta vapautuneen lämpöenergian avulla sähköä ja höyryä.  Lämpöenergia vapautuu rikin ja natriumin erotuksessa mustalipeästä. Poltettava mustalipeä muuttuu soodakattilassa kemikaalisulaksi, joka viedään kaustistamoon, jossa se muutetaan viherlipeäksi.

Polttolipeä pirskotellaan lusikkamaisilla suuttimilla tasaisesti tulipesään, jossa loppukosteus haihtuu ja palava aines putoaa palamiskekoon. Savukaasujen puhdistamiseen käytettävistä sähkösuodattamista saatu glaubersuola palautetaan lipeään prosessin kemikaalihäviöiden peittämiseksi.  Mustalipeä muuttuu kuumentaessa kemikaalisulaksi, joka näyttää laavalta. Tulipesässä palava aines palaa ja palamattomat aineet sulavat aikaansaaden natriumsulfaatin natriumsulfidiksi. Hyvin hoidettu ja toimiva kattila pystyy muuttamaan 96 – 98 % sulfaatista sulfidiksi. Mustalipeän poltossa myös natrium reagoi hiilidioksidin kanssa muodostaen natriumkarbonaattia. Kemikaalisula kaiken kaikkiaan sisältää natriumsulfidia, natriumkarbonaattia ja natriumsulfaattia. Kemikaalisula valuu alas sulakouruista liuotussäiliöön ja siihen sekoitetaan laihavalkolipeää, jolloin syntyy viherlipeää ja syntynyt viherlipeä viedään kaustistamoon.

Natrium ja rikki erotetaan mustalipeästä polttamalla mustalipeä soodakattilan tulipesässä, jolloin vapautuu huomattava määrä lämpöenergiaa. Lämpöenergia otetaan talteen soodakattilan vesi/höyry – järjestelmässä kattilaveteen. Mustalipeän palaessa alhaalla, lämpöenergia nousee ylös lämmittäen kattilavettä jolloin syntyy höyryä. Veden höyrystyessä saadaan muodostuvasta höyrystä turbiinin avulla tuotettua sähköä. Höyry johdetaan putkia pitkin turbiinin, joka muistuttaa suurta tuuletinta, ja turbiinia pyöritetään höyryn avulla. Turbiini on akselilla, suuri metalliputki, kiinni generaattoriin, jossa sähkö muodostuu. Akselin pyöriessä turbiinin ja generaattorin välillä generaattori tuottaa pyörimisliikkeen avulla sähköä. Sähkö käytetään tehtaalla tai myydään valtionverkkoon. Lisäksi höyryä voidaan käyttää prosessin eri vaiheissa esimerkiksi soodakattilan puhdistuksessa tai yleisesti teollisuushöyrynä muualla tehtaalla. Huomattavaa kuitenkin on, että kemikaalien talteenotto sekä sähkön ja höyryn tuottaminen ovat täysin erillisiä prosesseja. Kemikaalit voitaisiin erottaa mustalipeästä ilman lämmön talteen ottamistakin, mutta se on kannattavampaan. Tällä toiminnalla saadaan tehdas omavaraiseksi, kun se tuottaa oman sähkön ja teollisuushöyryn.

Vesiputkikattilat voidaan veden kierron mukaan jakaa: luonnonkiertokattiloihin, pakkokiertokattiloihin ja läpivirtauskattiloihin. Soodakattila on yleensä luonnonkiertokattila. Luonnonkiertokattila on vesiputkikattila, jossa höyrystyvä vesi virtaa putkissa. Vesi/höyrypiirin keskeiset komponentit ovat veden esilämmitin, lieriö, höyrystin ja tulistin.  Luonnonkiertokattilassa veden ja vesihöyryn kierto lieriön ja höyrystimen välillä tapahtuu veden ja höyryn tiheyseroon perustuen. Kattilassa ei tarvita pumppua kierrättämään vettä höyrystimessä, tällä periaatteella toimivan kattilan omakäyttötehon tarve on pienempi kuin pakko- tai läpivirtauskattiloilla.

Soodakattilan ohjauksen tavoitteena on ylläpitää stabiilit olosuhteet tulipesässä. Tavoitteena on myös huolehtia siitä, että ajaminen on turvallista ja vaaratilanteiden ratkaisu olisi mahdollisimman nopeaa. Optimoinnin tavoitteena on palamisprosessin vakiointi, niin että kattilan käytön turvallisuus lisääntyy hyötysuhteet paranevat, emissiot minimoituvat ja nuohoushyöryn käyttö on optimissaan. Soodakattilan ohjauksessa höyryntuotannon ohjaukset ovat yhtälailla tärkeitä tulipesäprosessin ohjauksien kanssa, johtuen soodakattilan kaksoisroolista. Tulipesäprosessin ohjauksella voidaan vaikuttaa suuresti soodakattilan lämmönsiirtopintojen likaantumiseen.

Osakokonaisuus 1

Kertoa mustalipeän ominaisuuksista?

Mustalipeä saa nimensä sen tummasta väristä. Mustalipeä sisältää noin puolet sellunvalmistukseen käytetystä puumassasta sekä käytetyt keittokemikaalit ja keitossa liuenneet orgaaniset aineet: hemiselluloosa, ligniiniä ja uuteaineita.. Luentomateriaalista ei kauheasti auennut mustalipeän ominaisuudet. Viskositeetti laskee lämpötilan laskiessa ja kiehumispiste nousee kuiva-ainepitoisuuden noustessa. Luentomonisteessa oli myös kuva mustalipeästä ja prosenttiosuudet mitä se sisältää.

Haihdutuksen periaatteet?

Haihduttamon periaatteena on väkevöidä haihduttamossa sellun pesussa erotettu pesumustalipeän kuiva-ainepitoisuus 15–16 %:sta noin 60 %:iin.  Tämän jälkeen lipeä väkevöidään edelleen konsentraattoreissa, joiden jälkeen lipeän kuiva-ainepitoisuus on 80–85 % ja polttolipeä on valmis soodakattilaan. Uudemmissa soodakattiloissa polttolipeän kuiva-ainepitoisuus saa olla vähintään 72–75 %, vanhemmissa noin 58 %. Haihdutuksessa käytetään höyryä. Haihduttamossa otetaan myös talteen metanoli, tärpätti ja suopa.

Lipeä-, höyry- ja lauhdekierrot haihdutinyksiköissä?

Lipeäkierto oli itselle entuudestaan tuttu asia. Itse olen opetellut prosentit ja nimitykset seuraavasti:

Pesulipeä ka 15 – 16 %

Syöttölipeä ka 18 – 22 %

Välilipeä 25 – 35 %

Vahvamustalipeä ka noin 60 %

Polttolipeä ka 80 – 85 %

Entuudestaan oli tuttua, että kondensaattoreissa nostetaan kuiva-ainepitoisuus 60 %:sta 80 – 85 %:iin, mutta uutena asiana tuli itselle soodakattilan tuhkan sekoitus, jolloin lipeää kutsutaan polttolipeäksi.

Lähes täysin uutena asiana tuli höyry- ja lauhdekierrot. Entuudestaan oli vain tuttua, että mustalipeää lämmitetään höyryllä, se voidaan käyttää uudelleen ja mistä höyryä tulee ja poistuu. Myös se, että haihdutus tapahtuu useammassa vaiheessa oli tuttua.  Kaiken kaikkiaan on kuitenkin positiivista, että löytyi itselle joku uusi asia.  

Höyrykierrossa käytiin läpi, että mustalipeästä haihdutettu höyry (joka syntyy lämpöpintaputkessa kiehuvasta mustalipeästä) käytetään seuraavassa yksikössä haihdutukseen. Primäärihöyryä eli tuotua höyryä käytetään vain ensimmäisessä yksikössä. Tuotettu höyry siis siirtyy koko ajan haihdutinsäiliöstä toiseen. Paine laskee koko ajan haihdutinsarjassa eteenpäin mentäessä ja lopulta sarjan loppupäässä on alipaine.

Lipeä johdetaan haihduttimen alaosassa olevaan lipeätilaan, jossa se virtaa lämpöputkien sisään. Aluksi lipeä lämpenee ja alkaa sitten kiehua lämpöpintaputkessa. Lipeän kiehumisesta syntyvä höyry vie mukanaan lipeän haihduttimen yläpäähän, jossa lipeä ja höyry erotetaan toisistaan ja lipeä poistetaan haihduttimesta. Lipeän lämpenemiseen tarvittua höyryä syötetään haihdutinsäiliön yläpäästä ja tulee ulos säiliön alapäästä. Lipeä ja höyry kulkeutuvat osittain tai kokonaan vastakkaisiin suuntiin.

Itselle jäi lauhdemääritelmä aika hämäräksi.  Luentomateriaalissa luki: ”Primäärilauhde on ensimmäisessä vaiheessa lauhtunutta höyryä”. Mieltäisin lauhdekäsitteen haihdutuksessa käytetyksi höyryksi joka on jäähtynyt eli se on siis vettä. Tunnilta jäi mieleen, että primäärilauhde on ensimmäisessä käytettyä jäähtynyttä höyryä ja seuraavien vaiheiden jäähtynyt höyry on sekundäärilauhdetta. Tunnilla käytiin myös läpi, että mitä pidemmältä vaiheelta lauhde on haihdutinsarjasta sitä likaisempaa se myös on. Sekundäärilauhdetta voidaan käyttää pesuun, mutta viimeisempien vaiheiden lauhde on niin likaista, että se pitää puhdistaa stripperissä. Oli myös puhe lauhtumattomasti kaasuista, jotka vapautuvat mustasta lipeästä. Nämä poltetaan soodakattilassa, meesauunissa tai hajukaasukattilassa.

Haihdutintyyppien pääperiaatteet?

Haihduttimia on kolmea eri tyyppiä:

·         pakkokiertopaisuntahaihdutin (pakkokierto-väkevöitin)

Muodostuu lämmönvaihtimesta, paisuntasäiliöstä, kierrätysputkesta ja kierrätyspumpusta.  Pumppua tarvitaan, sillä haihduttimessa on suuria ja pieniä lämpötilaeroja. Väkevöittimessä lipeä kiertää ymmärrykseni mukaan kaksi kertaa lämmönvaihtimesta paisuntasäiliöön.

·         falling-film-haihdutin (laskevan kalvon haihdutin) yleisin

Lämpöpintaputket ovat pystyasennossa ja niiden sisälle valutetaan lipeää. Putkien ulkopuolella on höyryä, joka aiheuttaa lipeän kiehumisen. Lipeä kulkeutuu ylhäältä alas.  Yleisin haihdutin, sillä saa kuiva-ainepitoisuuden korkeammaksi kuin muilla. Se on myös vähemmän alttiimpi likaantumiselle.

·         rising-film-haihdutin (nousevan kalvon haihdutin)

Paperimassan valmistus –kirjan mukaan tämä on yleisimmin käytetty.  Tässä haihduttimessa höyry on myös putkien ulkopuolella. Lipeä kulkeutuu alhaalta ylös Kuiva-ainepitoisuudeksi saadaan n 60 %, on myös energiatehokkain.

Haihduttamon ongelmat

Ensimmäinen esille tuleva ongelma on kuohaaminen.  Tämä tarkoittaa, että mustalipeä on liian vaahtomaista ja sen kuiva-ainepitoisuutta ei pystytä haihduttamaan tarpeeksi korkealle. Ongelma ratkaistaan sillä, että pesulipeä (kuiva-ainepitoisuus 15 – 16 %) viedään syöttölipeäsäiliöön ja vahvistetaan vahvemmalla mustalipeällä, jolloin sen kuiva-ainepitoisuus saadaan nostettua 18 – 22 %.

Haihduttamon ongelmana on myös likaantuminen. Likaantumisella tarkoitetaan ei-toivottujen aineiden kerrostumista lämpöpinnoille (putkien).  Tästä tiesin entuudestaan sen, että suovan huono erottuminen ja siitä aiheutuva likaantuminen on eräs likaantumisen syistä. Tämä yritetään ratkaista erottamalla suopa kahdessa vaiheessa, jotta talteen ottaminen olisi mahdollisimman tehokasta. Syöttölipeäsäiliön lipeä pintaa nostetaan aika ajoin, jolloin kertynyt suopa dekantoituu säiliön yläosassa olevaan suoparänniin ja edelleen suoparänniin ja edelleen putkea pitkin suovan vastaanottosäiliöön. Välilipeä säiliössä yritetään ottaa loput suovasta talteen pitämällä säiliö jatkuvasti täytenä, jotta suopa nousee pintaan ja voidaan kuoria säiliön reunalla kiertävään suoparänniin.

Likaantuminen tapahtuu pääasiassa kiteytymällä ja partikkelimuodostumisella.  Helppoliukoiset epäorgaaniset esiliukoiset kerrostumat (esim natriumsulfaatti, natriumkarbonaatti) saadaan usein pois pesemällä lipeällä tai vedellä.  Orgaaniset kerrostuma, esim ligniini, saadaan vedellä pestäessä pois.  Vaikein likakerrostuma on esim kalsiumkarbonaatti, jota ei saa vedellä pestyä pois. Tämän pesu vaatii kemikaaleja eikä ole suoritettavissa normaaleissa puittteissa. Likaantumista voidaan havaita tarkkailemalla lämpötilaeroja. Jos ensimmäisen vaiheen tarvitsema lämpötilaero on kasvanut, tämä on merkki likaantumisesta. Likaantuminen kiihtyy lämpötilan noustessa. Tunnilla käytiin myös läpi, että likaantumista voidaan hallita kidelipeän syötöllä, mutta kuten aikaisemmin tuli ilmi, tämä ei ole ideaalista, sillä se vaikuttaa haihduttamon toimintaan.

Myös korroosio on haihduttamon ongelmana. Korroosiota aiheuttaa pääasiassa mustanlipeän sulfaatti, hydroksidipitoisuus sekä haihduttamon korkea lämpötila. Korroosiota esiintyy enemmän haihdutinsarjan vahvassa päässä, sillä lämpötilat ovat siellä korkeampia ja lauhde likaisempaa.  Korroosiota ehkäistään yksikön valmistusmateriaalin valinnalla. 

Myös käyntihäiriöt haihduttamalla ovat ongelmana.  Käyntihäiriöt voidaan jakaa laitteistojen rikkoontumiseen ja toiminnallisiin häiriöihin.  Laiterikkoontuminen voi olla esim. putkistovuoto tai pumppuvaurio.  Toiminnallinen häiriö voi olla esim. liian nopea vahvan pään likaantuminen.

Haihduttamon hallinnan pääperiaatteet

Haihduttamoa ohjataan valvomosta käsin. Haihduttamon ohjaaminen on varsin automaattista, sillä anturit mittaavat tarvittavia ominaisuuksia mm. kuiva-ainepitoisuus ja järjestelmä hälyttää kun saavutetaan tietyn rajan. Luentomateriaalissa oli kuva prosessinhallinnasta, jossa näkyi erilaisia pitoisuuksia ja arvoja. Näiden arvojen avulla esim tiedetään milloin pitää nostaa lämpötilaa, kuinka paljon höyryä tarvitaan prosessissa ja kuinka hallita viskositeetin vaikutuksia (esim alennetaan lämpötilaa nostamalla). Hallintaan liittyy myös säiliöiden tilanteen tarkistus (esim suovan talteenotto), pesujen suunnittelu ja koko tuotannon optimointi (esim haihdutukseen vaikuttava osa-alue on alhaalla tms).

Miten haihdutus liittyy kuitulinjaan ja kemikaalikiertoon?

Haihdutus on ensimmäinen vaihe talteenottolaitoksen kemikaalikierrossa. Pesemätön massa tulee sellunkeitosta, massa pestään ja suodatetaan, jolloin massa ja lipeä erotetaan. Massan pesussa saatu pesulipeä sisältää sellunkeitossa käytettyjä keittokemikaaleja. Nämä halutaan regeneroida sellunkeitossa käytettyyn valkolipeäksi. Nämä kemikaalit muodostavat suljetun kierron eli kemikaalikierron, sillä muodostunut valkolipeä viedään keittämölle, josta alun perin mustalipeä on saatu.  Jotta regenerointi onnistuisi, on ensiaskel kuivattaa pesulipeä.  Koko kuitulinjaan haihdutus liittyy samalla tavalla kuin kemikaalikiertoon eli sen sijaan, että ostettaisiin lisää aineita, ne regeneroidaan uudelleen käyttöön. Kuitulinjaan vaikuttaa myös se, että haihduttamolta mustalipeä viedään soodakattilaan, jossa tuotetaan sähköä ja höyryä koko tehtaan käyttöön. Tämä ei kuitenkaan liity haihduttamon osioon.

Omaa pohdintoa

Halusin tehdä ensimmäisestä luentopäiväkirjasta referaatin tyylisen, sillä olin vasta viimeisellä tunnilla paikalla, joten samalla kun tein päiväkirjaa jouduin käymään luentomateriaalin läpi ja yrittää saada siitä selvää. Referaatin tyylinen opintopäiväkirja on myös itselle myöhempää käyttöä parempi, sillä tästä pystyy hyvin lukemaan kokonaisuuden.  Olen toisella kurssilla tehnyt tutkielman talteenottolaitoksesta, joten haihduttamon periaate oli itselle tuttu. Lähteinä olin käyttänyt Knowpulpia ja Paperimassan valmistus – kirjaa, jotka ovat tämän kurssin materiaalina. Tutkielmasta on aikaa, joten oli hyvä kerrata asiat. Uutena asiana itselle tuli höyrynkierto, lauhdekierto ja haihduttimien tyypit. Haihduttimien tyypeistä olisin halunnut hieman tarkennusta, sillä se jäi osittain hämärän peittoon. Minulta puuttuu kuitenkin vielä yksi kurssikirja, joten tarkennusta voisi löytyä sieltä.  Kun kirjoitin opintopäiväkirjaa huomasin, että mustalipeän ominaisuuksista kirjoittaminen oli hieman hankalaa. Tiedän mitä mustalipeä periaatteessa on ja miten ominaisuudet vaikuttavat haihduttamoon, mutta se oli silti tämän osion hankalin kirjoitettava. En myös tiedä haettiinko hallinnan pääperiaatteilla niitä asioita mistä kirjotin, mutta automaattisesta osiosta on hankalaa kirjottaa teoriaa. Nykyään niin moni prosessi on kuitenkin niin pitkälle automatisoitu, että järjestelmä itse ilmoittaa mitä pitää tehdä. En tietenkään ole itse istunut haihduttamon valvomossa, joten on hankala tietää miten prosessia hallitaan. Mielestäni prosessin hallinta on asia joka opitaan tekemällä eikä lukemalla miten se pitäisi tehdä.  Luentomateriaalin viimeisessä diassa oli kuitenkin hyvin lueteltu hallintaan liittyvät asiat. Tunnilla huomasin, että power pointia lähinnä selailtiin edes takaisin ja poimittiin ajoittain muutama kohta sieltä. Saa nähdä myöhemmillä tunneilla miten power pointeja käydään läpi, sillä ehkä ne on käyty läpi aiemmilla tunneilla jo.

Kokonaisuudessaan haihduttamosta oli mielenkiintoista kirjoittaa. Kaikista kiinnostavin oli kuitenkin se kuinka haihdutus liittyy kuitulinjaan ja kemikaalikiertoon. Kaiken kaikkiaan haihdutus on vain pieni osa koko kemikaalikiertoa ja kuitulinjaa, vaikka se onkin ensimmäinen vaihe talteenotossa. Oli myös yllättävän hankalaa kirjoittaa viimeinen kohta vaikka se onkin kiinnostavinta. Vähiten kiinnostavaksi muodostui haihdutintyypit, varmaankin sen vuoksi, etten saanut niistä itse täysin selvää. Olen huomannut, että jos jotain jää epäselväksi en täysin ymmärrä sen periaatetta tai kuinka se toimii. Mikä on harmi sillä haihdutintyypit vaikuttavat itse haihdutukseen mustanlipeän ominaisuuksien lisäksi.