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.